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盆地延长组长7段与威利斯顿盆地Bakken组致密油形成

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盆地 延长 组长 威利斯顿 Bakken 致密 形成
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第 27 卷 第 5 期2013 年 10 月现 代 地 质27 52013鄂尔多斯盆地延长组长7段与威利斯顿盆地2, 刘洛夫1, 2, 苏天喜1, 2, 吴康军1, 2, 赵园园1, 2( 1. 中国石油大学 ( 北京 ) 油气资源与探测国家重点实验室 , 北京 102249;2. 中国石油大学 ( 北京 ) 盆地与油藏研究中心 , 北京 102249)收稿日期 : 2013改回日期 : 2013责任编辑 : 戚开静 。基金项目 : 国家科技重大专项 “大型油气田及煤层气开发 ”( 2011001) 。作者简介 : 张妮妮 , 女 , 硕士研究生 , 1988 年出生 , 地质学专业 , 主要从事沉积 ( 岩石 ) 学及储层地质学方面的研究 。63. 信作者 : 刘洛夫 , 男 , 教授 , 博士生导师 , 1958 年出生 , 地质学专业 , 主要从事油气地球化学 、沉积学和石油地质学方面的教学与科研工作 。要 : 自北美 致密油成功开发以后 , 致密油资源已成为各国非常规油气资源勘探开发的热点领域 , 我国在鄂尔多斯盆地延长组致密油的勘探开发中取得了一定的突破 。从地质背景 、岩性特征 、生油岩特征 、储集条件等方面 ,将威利斯顿盆地 与鄂尔多斯盆地延长组长 7 段致密油的成藏机理和富集规律进行系统对比 。对比结果显示 :两者在构造背景 、源储配置关系 、生油岩特征 、储集层特征等方面相似 , 不同之处在于延长组的泥页岩平均厚度大于 。鄂尔多斯盆地延长组长 7 段和威利斯顿盆地 致密油具有极其相似的成藏条件和富集规律 , 认为鄂尔多斯盆地延长组致密油具有较好的勘探前景 。关键词 : 鄂尔多斯盆地 ; 威利斯顿盆地 ; ; 延长组长 7 段 ; 致密油中图分类号 : 13 文献标志码 : A 文章编号 : 1000 -8527( 2013) 05 -1120 -11 2, 2, 2, 2, 2( 1. 02249, . 02249, in in a in of a to on of of of in in of of is of is in a ey 言致密油是一种非常规油气资源 , 主要以吸附或游离状态赋存于生油岩中 , 或与生油岩互层 、紧邻致密砂岩 、致密碳酸盐岩等储集岩中 , 是未经过大规模长距离运移的石油聚集[ 1]。威利斯顿盆地 页岩层系的致密油从 2000 年至今累计产油 2. 8 ×107t[ 2], 它的成功开发给鄂尔多斯盆地三叠系延长组长 7 段致密油带来了启示 。鄂尔多斯盆地三叠系延长组致密油已获得了一些重要的勘探发现 , 成为国内油气开发中一个备受关注的焦点 。但是 , 国内学者对致密油的相关研究仍处于探索阶段 , 本文通过对比威利斯顿盆地和鄂尔多斯盆地致密油的一系列地质特征 , 明确鄂尔多斯盆地三叠系延长组长 7 段致密油的勘探潜力 , 以期丰富非常规油气的地质理论 。1 地质背景威利斯顿盆地和鄂尔多斯盆地都是典型的克拉通盆地 , 油气资源潜力巨大 , 是全球著名的大型含油气盆地 。威利斯顿盆地位于美国北达科他州中西部 、蒙大拿州东部 、南达科他州西北和加拿大马尼托图 1 威利斯顿盆地 ( 左 )[ 2]和鄂尔多斯盆地 ( 右 ) 构造单元图1 省南部及萨斯喀彻温省的南部 ( 图 1), 总面积为 34. 5 ×104地起源于克拉通边缘或大陆架型的盆地 , 在科迪勒拉造山运动期发生的变形作用和随后西部大陆边缘地壳连续增加的背景下使之转变为克拉通内部盆地 , 整体上呈较对称的东西向负构造展布 。在盆地中心有 3 个小的背斜构造[ 3], 地层平坦 , 构造活动平缓 , 未发生强烈的变形 。盆地在寒武纪开始发育 , 至奥陶纪结束 ,地层发育齐全 , 宾夕法尼亚纪之前为海相碳酸盐岩沉积 , 到密西西比纪之后转变为碎屑岩沉积[ 4]。上泥盆统 —下密西西比统的 地层是一套海相碎屑岩沉积 , 是该盆地主要的烃源岩地层之一 。带已经发现了 4 × 108~ 6 × 108t 致密油的可采储量 , 资源丰富 。目前的单井初期产量已超过 274 t/d[ 5], 产量也呈逐年迅猛上升的趋势 , 是全球致密油开发最成功的范例之一 。鄂尔多斯盆地地跨陕 、甘 、宁 、蒙 、晋 5 省( 区 ), 轮廓基本上呈矩形 ( 图 1), 是一个由古生代地台及台缘坳陷与中新生代台内坳陷叠合而成的大型克拉通盆地 , 盆地面积近 37 ×104地边缘断裂褶皱较发育 , 而盆地内部构造相对简单 , 地层平缓 , 地层倾角一般不足 1°。盆地内无二级构造单元 , 三级构造以鼻状褶曲为主 , 幅度1211第 5 期 张妮妮等 : 鄂尔多斯盆地延长组长 7 段与威利斯顿盆地 致密油形成条件的对比及其意义较大 、圈闭较好的背斜构造不发育 。盆地自中生代以来 , 长期稳定发展 , 后期构造变动微弱 , 构造油藏不发育 , 以岩性油气藏为主 。在中晚三叠世 , 鄂尔多斯盆地经历了湖盆形成 、发展 、全盛 、衰退至消亡的全过程 , 形成了延长组的陆相碎屑岩沉积 。其中长 7 段沉积期为湖盆发育鼎盛期[ 6],图 2 威利斯顿盆地 ( 左 ) 与鄂尔多斯盆地延长组 ( 右 ) 地层综合柱状图2 盆凹陷强烈 , 分布范围广 , 在盆地的覆盖面积超过 10 ×104岩性主要为一套有机质丰富的深灰色油页岩 、暗色泥岩夹薄层粉细砂岩 ( 图 2) 。鄂尔多斯盆地三叠系延长组是我国重要的致密油勘探领域 , 其中延长组长 7 段大面积分布的重力流砂岩储层尤其致密 , 延长组致密油具有多成因2211 现 代 地 质 2013 年砂体叠合 , 致密砂岩和生油岩为互层 , 多层系叠合大面积连片含油[ 7], 形成大量的油气聚集 。油气大面积分布于伊陕斜坡及原盆中心 , 整体构成大面积的连续型致密油藏 , 主要在环县 、吴起 、志丹 、正宁 、庆阳一带分布 , 预测地质资源量为35 ×108~40 ×108t[ 8]。威利斯顿盆地和鄂尔多斯盆地都是克拉通盆地 , 地层平坦且发育齐全 , 构造活动平缓 , 未发生强烈的变形 , 为致密油的形成和保存创造了良好的条件 。2 岩性特征2. 1 威利斯顿盆地 地层是一套海相碎屑岩沉积 , 具有黑色页岩 /泥岩与粉砂质白云岩 、白云质粉砂岩[ 9 -10]、细砂岩频繁交互叠置的地层特征 , 局部夹薄层碳酸盐岩 , 是威利斯顿盆地内的一套重要烃源岩 , 也是一套非常规油气储层 。整体分为 3 段 ( 图 2) 。上段为半深海的黑色页岩 , 富含有机质 , 最大厚度为 8 m。中段是一套浅海相灰色砂泥岩 , 主要为灰褐色极细 —细粒砾岩 、白云质砂岩及粉砂岩 , 贫有机质 , 最大厚度为 26 m, 其中 : 底部为发育生物潜穴和水平层理的滨海泥岩 ; 中间为发育透镜状层理 、波浪层理和压扁层理的砂泥岩 , 含大量的波浪和波痕构造 , 上覆地层为一套发育槽状交错层理和板状交错层理的临滨相石英砂岩 , 分选极好 ; 顶部为一套发育生物洞穴和水平层理的滨海泥岩[ 11]。下段也为半深海黑色页岩 , 最大厚度为 15 m[ 12]。地层最厚处为 45. 72 m, 多数地段较薄[ 13], 整体埋深为 2 500 ~ 3 300 m, 厚度范围从楔状体边缘到厚度最大处为 42. 7 m, 其中最厚的位置在北达科他州西北部的 斜东部 。的 3 个层段向着威利斯顿盆地的边缘逐渐变薄 , 并且与下伏的 有上超的关系 , 和 在盆地深部可能是整合接触关系 , 但沿着盆地周缘为不整合接触关系[ 14]。岩石矿物含量在盆地不同地区是变化的 , 硅质碎屑物 ( 石英和长石 ) 含量为 30% ~60%, 碳酸盐矿物 ( 方解石和白云石 ) 的含量为30% ~80%, 并含少量的粘土矿物 ( 伊利石 、蒙脱石 、绿泥石 、高岭石 ) 。其中石英约占整个矿物成分的 47. 5%, 长石约占 18. 9%, 粘土矿物约占图 3 威利斯顿盆地 与鄂尔多斯盆地延长组长 7段矿物成分含量对比3 of 5% ( 图 3), 物源来自于盆地的北部和西北部[ 12]。2. 2 延长组长 7 段延长组长 7 段主要包括 3 种岩性 ( 图 2), 即深灰色油页岩 、深黑色碳质泥岩和粉细砂岩 。鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长 7 段从下往上可分为 3 个油层[ 15], 下部长 73段油层以灰黑色泥岩 、油页岩 、粉砂质泥岩夹薄层粉 —细砂岩为主 , 底部广泛发育湖相页岩 , 称之为张家滩页岩 ,分布范围广 , 厚度较大 , 含油率较高[ 16]。长 72段油层与长 73段油层类似 , 但砂岩厚度略微增大 ;长 71段油层则多见深灰 —灰黑色泥岩 、粉砂质泥岩夹粉 —细砂岩 。长 7 段油页岩主要为灰黑色 、黑色 ( 图 4( a), 图 4( b)), 也有少量黄褐色油页岩 ( 图 4( c) 椭圆内 ) 。岩心观察表明油页岩中含介形虫 、方鳞鱼等动物化石及少量植物碎片化石[ 17]。从岩石薄片 、光学显微镜 、扫描电镜观察可知 , 长 7 段油页岩富含莓状黄铁矿及胶磷矿 ,陆源碎屑和粘土矿物的相对含量较低[ 18]。长 7 段暗色泥岩为灰色 —灰黑色泥岩 、粉砂质泥岩 ( 图 4( d)), 野外剖面的泥岩多被风化成片状 。根据前人研究 , 鄂尔多斯盆地延长组长 7 段以长石岩屑砂岩 、岩屑长石砂岩为主 。长 7 段石英平均含量占全部碎屑平均含量的 47. 26%, 长石的平均含量占 22. 10%, 粘土矿物含量高达 17. 4%( 其中伊利石的含量最高 , 图 3)[ 19]。总体上看 ,长 7 段的矿物成分表现为北部高石英 、低长石和南部高石英 、低岩屑的特征 。石英等矿物以陆源碎屑为主 , 主要来自盆地西南部和西部物源区[ 20]。对比分析表明 , 威利斯顿盆地 和鄂尔多斯盆地延长组长 7 段地层具有相似的地层组3211第 5 期 张妮妮等 : 鄂尔多斯盆地延长组长 7 段与威利斯顿盆地 致密油形成条件的对比及其意义图 4 鄂尔多斯盆地延长组长 7 段生油岩的野外露头4 of 威利斯顿盆地 泥页岩上段 ( 左 ) 和下段 ( 右 ) 值线图5 OC 剖面上粉砂岩和厚层的泥页岩相互叠置 ,平面上相同岩性的地层大面积连续分布 , 构成了源储一体岩性组合关系 , 二者都相对富集脆性矿物 , 且石英 、长石以及粘土矿物的含量相对接近 。因此 , 与延长组长 7 段地层具有相似的岩性特征 。3 生油岩特征3. 1 页岩是威利斯顿盆地内的一套重要烃源岩 , 干酪根类型以 Ⅰ、Ⅱ型为主 , 其中上段和下段含有大量 Ⅱ型干酪根 , 以生油为主 。虽然4211 现 代 地 质 2013 年图 6 延长组长 7 段暗色泥岩厚度等值线图6 of 厚度较小 , 但其有机碳含量非常高 。在剖面上 , 上段和下段的 量分别为12. 1% 和 11. 5%, 总体上 页岩的 均值约为 11. 3%[ 10, 14, 21 -23]。在平面上 , 下段的 量平均值为 8%, 在北达科他州次级盆地的中心最大可达 20% ( 图 5 右 ); 上段的 量平均值为 10%, 在萨斯喀彻温省东南部最大可达 35%( 图 5 左 ) 。威利斯顿盆地 上段和下段为富含有机质的黑色页岩 , 累计厚度分别为 2 ~8 m 和 0 ~15 m, 是主要烃源岩发育层段 , 镜质体反射率为0. 6% ~ 0. 9%, 根据前人的研究成果可知 . 1%, 有机质成熟度属于热催化生油气成熟阶段[ 14, 21, 24]。3. 2 延长组长 7 段鄂尔多斯盆地在大型内陆湖盆背景上形成了延长组长 7 段优质泥页岩 。长 7 段沉积期处于延长组沉积的最大湖泛期 , 根据长 7 段暗色泥岩厚度分布图 ( 图 6) 可以看出 , 从西北向东南形成 4 个厚度中心 。位于深湖 —半深湖沉积相带的姬塬 、华池 、塔儿湾 —富县 、正宁等地的油页岩和暗色泥岩累计厚度大于 70 m, 最大可达 110 m, 其中姬塬地区的泥岩分布面积约 4. 6 × 103华池地区的泥岩分布面积约 3. 4 × 103塔儿湾 —富县地区的泥岩分布面积约 7. 8 × 103正宁附近地区由于位于三角洲前缘砂体发育地带 , 油5211第 5 期 张妮妮等 : 鄂尔多斯盆地延长组长 7 段与威利斯顿盆地 致密油形成条件的对比及其意义页岩和暗色泥岩厚度相对较小 , 累计泥岩厚度为40 ~70 m 的地区主要有志丹 、环县等 ; 位于三角洲平原沉积相带的彭阳 、靖边 、安塞等的油页岩和暗色泥岩厚度一般小于 15 m。长 7 段烃源岩有机质丰度高 , 量为 0. 4% ~29. 5%, 平均含量大于 10% ( 图 7), 氯仿沥青 “A”平均含量大于0. 62%, 生烃潜量大 , . 4 ~ 128. 2mg/g, 平均值为 24. 2 mg/g( 图 8), 从图 8 中可以看出 , 长 7 段暗色泥岩的有机碳含量和生烃潜量都与暗色泥岩厚度分布特征具有很好的一致性 。干酪根类型以 Ⅰ型 、Ⅱ1型和 Ⅱ2型为主 , 其中 Ⅰ型及 Ⅱ1型干酪根集中分布在半深湖 —深湖亚相 , 生烃母质为腐泥型和腐殖 —腐泥型 ; Ⅱ2型干酪根则主要分图 7 延长组长 7 段暗色泥岩 值线图7 OC 生烃母质为腐泥 —腐殖型 。鄂尔多斯盆地延长组长 7 段现今埋深为 1 ~ 3R. 7% ~1. 3%, 平均值为 0. 84%( 图 9), 处于成熟阶段 。从图 9 可以看出 , 在环县 、吴起 、庆阳 、志丹等地 , 烃源岩成熟度较高 ,R. 9%, 已经进入了生排烃高峰阶段 。延长组长 7 段主要有 2 个生油中心 , 分别为麻黄山—姬塬和马家砭 —塔尔湾一线 , 最大生油强度为475. 4 × 104t/生油强度大于 400 × 104t/ 322 生油强度向盆地边缘逐渐降低 , 平均生油强度为 159. 46 × 104t/ 7段具有广覆式生烃特征 , 是鄂尔多斯盆地中生界最主要的优质烃源岩 。6211 现 代 地 质 2013 年图 8 延长组长 7 段暗色泥岩 8 1+ 岩与延长组长7 段泥页岩在有机质丰度 、类型 、成熟度等方面都非常相似 , 且长 7 段泥页岩的厚度明显大于岩 ( 表 1), 因此延长组长 7 段广泛发育表 1 威利斯顿盆地 与鄂尔多斯盆地延长组长 7段生油条件对比 of Ro/%干酪根类型 海相页岩 2 ~15 11. 3 0. 6 ~0. 9 Ⅰ、Ⅱ延长组长 7 段 湖相泥岩 20 ~110 10. 0 0. 7 ~1. 3 Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2的湖相富有机质泥页岩比 岩具有更好的生油条件 。4 储集特征4. 1 威利斯顿盆地 储集层主要为中段的白云质 - 泥质粉砂岩 , 其上下段页岩由于裂缝发育 , 也可作为储集空间 。在物性特征方面 ,上下段的孔隙度分别为 3% ~ 9% 和2. 5% ~ 5. 0%, 平均值为 3. 6%; 中段的孔隙度为 5% ~10%, 渗透率范围为 0. 01 ×10-3~ 0. 10 × 10-3μ平均值大约为 0. 04 × 10-3μ储集层的喉道半径以 0. 01 ~ 0. 107211第 5 期 张妮妮等 : 鄂尔多斯盆地延长组长 7 段与威利斯顿盆地 致密油形成条件的对比及其意义图 9 延长组长 7 段烃源岩 R9 主 , 其次为 0. 1 ~0. 5 μm。孔隙类型主要有粒间孔 、晶间孔 、半径小于 0. 5 μm 的微孔以及局部发育的垂直裂缝和水平裂缝 。总 体 来 看 ,属于低孔低渗的致密储层 , 但是油质轻 ,有利于流体的流动 。的裂缝可以有效地改善致密储层的质量 。上下段页岩质地坚硬 , 硅质含量高 ,轻微钙化 , 呈块状或片状 , 一般沿水平裂缝或贝壳状断口破裂 。在 中识别出了 3 种裂缝 , 即与构造活动相关的构造裂缝 、与应力相关的区域性裂缝和与生烃造成的超压有关的排烃裂缝[ 14, 24]。4. 2 延长组长 7 段延长组长 7 段的储层主要为细砂岩和粉砂岩 ,石英 平 均 含 量 为 47. 26%, 长石平均含量为22. 10%, 粘土矿物平均含量为 17. 40%, 填隙物含量高 。延长组长 7 段储层物性差 , 孔隙度一般为 2% ~12%, 平均孔隙度为 10. 1%, 渗透率一般为 0. 01 × 10-3~ 1. 00 × 10-3μ平均为 0. 18 ×10-3μ属于低孔低渗的致密储层 。储层孔喉细小 , 以纳米级喉道为主 , 储层平均渗透率大多小于0. 3 ×10-3μ隙类型以次生溶孔和残余粒间孔为主 , 其中次生溶孔略占优势 , 尤其是长石溶蚀形成的次生孔隙所占的比例可达 67%, 构成了储集空间的主体 。并且 , 长 7 段储层脆性矿物含量较高 , 导致天然裂缝发育 , 裂缝类型主要为构造缝 , 其中以高角度缝和垂直缝为主[ 25 -27]。这为致8211 现 代 地 质 2013 年表 2 与延长组长 7 段储层特征对比 of 层岩性 孔隙类型 裂缝类型 孔隙度 /%渗透率 /×10-3μ白云质 - 泥质粉砂岩粒间孔 、晶间孔和半径小于0. 5 μm 的微孔构造裂缝 、排烃裂缝 、区域性裂缝2. 5 ~10 0. 01 ~0. 10延长组长 7 段 细粉砂和粉砂岩 次生溶孔 、残余粒间孔 构造裂缝 2. 0 ~12 0. 01 ~1. 00密油的富集创造了有利的运移通道和储集空间 。通过对比可知 , 储层和延长组长 7段储层都属于低孔低渗的致密储层 , 储层物性相近 , 裂缝都比较发育 , 但是在储集空间类型上存在差异性 ( 表 2) 。5 结 论致密油的形成必须具备 3 个条件 , 即大面积分布的致密储层 、广覆式分布成熟度适中的腐泥型优质生油层和连续型分布的致密储层与生油岩紧密接触的共生层系 。的海相致密储层大面积展布 , 侧向连续性好 。其广泛发育的上下两套页岩 , 有机质丰度高 , 干酪根以 Ⅱ型为主 ,生烃潜力大 。烃源岩 R. 6% ~0. 9%, 热演化程度适中 , 有利于生油 。在源储配置关系上 ,密油上下段页岩将致密储层夹在中间 ,形成良好的源储紧邻配置关系 。只有在这些有利条件下 , 才能形成连续分布的致密油区 。鄂尔多斯盆地延长组长 7 段储层主要为重力流复合沉积砂体 , 砂体纵向叠加厚度大 , 平面上分布稳定 。延长组长 7 段泥页岩有机质丰度高 , 干酪根类型以 Ⅰ -Ⅱ1型为主 , 具备很强的生油能力 。这套优质生油岩大面积展布 , 并且与其紧邻的广覆式发育的储集体在纵向上叠置连片 , 在全盆区域内形成了良好的源储紧邻配置关系 。因此 , 鄂尔多斯盆地延长组长 7 段具有很好的致密油勘探潜力 。综上所述 , 本文得出以下主要结论 。( 1) 威利斯顿盆地和鄂尔多斯盆地具有相似的构造背景 , 均为大型的克拉通盆地 。盆地内各沉积一套富含有机质的深色页岩和泥岩 , 两套烃源岩都相对富集脆性矿物 , 且脆性矿物含量相近 ,有利于后期开采过程中压裂技术的运用 。( 2) 和鄂尔多斯盆地延长组长 7 段地层在储层特征和生油条件等方面 , 具有较多的相似性 。总体上 , 两者在源储配置关系 、有机质类型 、有机质丰度 、有机质成熟度 、物性参数以及致密油的聚集特征方面相近 , 均属于大面积的连续型石油聚集 。( 3) 通过与 的对比发现 , 鄂尔多斯盆地延长组长 7 段致密油资源潜力巨大 , 长 7 段致密油将是鄂尔多斯盆地未来石油勘探的重要领域 。参考文献 :[ 1] 贾承造 , 郑民 , 张永峰 . 中国非常规油气资源与勘探开发前景 [ J] . 石油勘探与开发 , 2012, 39( 2): 129 -136.[ 2] , , . of an on A M] / /19-22 2010. 010: 1 -15.[ 3] P, D, R, et of of J] . 2012, 96( 10): 1867-1897.[ 4] 柳广弟 . 石油地质学 [ M] . 北京 : 石油工业出版社 , 2009:312 -315.[ 5] 窦宏恩 , 马世英 . 巴肯致密油藏开发对我国开发超低渗透油藏的启示 [ J] . 石油钻采工艺 , 2012, 34 ( 2): 121 -124.[ 6] 赵彦德 , 刘显阳 , 张雪峰 , 等 . 鄂尔多斯盆地天环坳陷南段侏罗系原油油源分析 [ J] . 现代地质 , 2011, 25( 1): 86 -93.[ 7] 邹才能 , 杨智 , 陶士振 , 等 . 纳米油气与源储共生型油气聚集 [ J] . 石油勘探与开发 , 2012, 39( 1): 13 -26.[ 8] 杨华 , 李士祥 , 刘显阳 . 鄂尔多斯盆地致密油 、页岩油特征及资源潜力 [ J] . 石油学报 , 2013, 34( 1): 1 -11.[ 9] G, M. 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