松辽盆地ZK0833岩心再利用过程及意义
王增祥1 任香爱1 刘向东1 柳蓉2 孙平昌2
（1.国土资源实物地质资料中心 河北廊坊065201
2.吉林大学地球科学学院 长春130061）
摘要：ZK0833钻孔位于我国重要的油气生产基地松辽盆地，全孔岩心保存完好，能够完整地反映盆地中心青山口组和嫩江组地层气源岩和储集层特征，被认为是松辽盆地中心地层的“典型剖面”。本文阐述了松辽盆地ZK0833钻孔岩心再利用过程，总结了该井在页岩气成藏地质条件和油页岩成矿机制研究及资源评价体系建立等方面的价值，凸显了实物资料保管和再利用的重要意义。
关键字：松辽盆地 岩心 实物地质资料 再利用
松辽盆地是我国东北地区著名的中、新生代含油气裂谷盆地，大庆油田就坐落其中。近年来，新兴能源成为国家能源调查的重点，“油页岩开发”和“页岩气革命”将给我国能源战略结构带来重大改变。松辽盆地虽然是我国油气开发较早的生产基地，但以往的工作多集中于对常规油气资源的研究上，而对于油页岩、页岩气等非常规能源的调查力度比较薄弱。吉林油田在松辽盆地内部青山口组地层中发现并开采了厚度约500 m左右的生物成因页岩气，但对于是否存在热解成因气及其成藏条件和机理尚待厘清，因此严重阻碍了该地区页岩气的勘探和开发。ZK0833钻孔是位于松辽盆地东南部的一口全取心井，于2008年被国土资源实物地质资料中心（以下简称实物中心）收集保管。该钻孔被认为是松辽盆地中心地层的“典型剖面”，能够很好地反映盆地中心青山口组和嫩江组地层烃源岩和储集层方面的特征。因此吉林大学地球科学学院研究团队选择了ZK0833钻孔进行取样测试，取得了良好成果，这对于完善我国非常规能源矿产成藏理论具有重要意义，为今后的勘探开发提供了重要的科学指导。
一、地质背景
松辽盆地是晚中生代以来发育的大型陆内裂陷含油气盆地。该盆地近似菱形，四周为大型断裂带所限制。前人根据盆地结构形态、基底构造特征以及上覆盖层的变化等特征，将松辽盆地划分为6个一级构造单元（图1）：中央坳陷区、西南隆起区、东南隆起区、东北隆起区、西部斜坡区和北部倾没区[1]。
1、地层
松辽盆地经历了漫长而又复杂的地质演化历史，盆地内也因此沉积了巨厚的地层。早古生代及古生代的火山岩和变质岩主要出露于盆地周缘。中新生代地层主要分布于盆地的内部，从老到新有上侏罗统火石岭组、下白垩统沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组，上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组，古近系依安组，新近系大安组、泰康组和第四系[2]。白垩纪-新生代沉积的各种湖相碎屑岩是重要的油气储层和烃源岩层系，其中作为研究对象的青山口组，下部为暗色泥岩、油页岩、介形虫层和泥灰岩沉积，上部为灰绿色泥岩夹细粉砂岩薄层，具有岩性纯、可塑性好，厚度大、范围广、延伸稳定，欠压实等利于生油储油的特点[3]。
图1 松辽盆地中浅层构造单元分区及钻孔位置图
2、构造
松辽盆地构造演化前期受地幔柱物质的热动力控制，后期受到东太平洋板块俯冲（包括板块的俯冲作用、弧后伸展作用及板块聚敛速率等因素）的影响，其形成演化大致经历了热隆张裂、裂陷、坳陷和萎缩四个阶段，因而具有复杂的构造系统。松辽盆地的断裂系统可划分为边界断裂系统和盖层断陷构造系统[3]。边界断裂系统主要包括赤峰-开源断裂、温都尔庙-西拉木伦河断裂、依兰-伊通断裂、塔溪-鸡西断裂、四平-哈尔滨深断裂、孙吴-大庆断裂、嫩江断裂等。这些断裂在不同时期、不同方位影响了松辽盆地的发育，常常是不同地质时期构造单元的重要边界，在不同方向上控制了松辽盆地的发育与演化。盖层断陷构造系统主要沿北北东向大庆-双辽断裂两侧和四平-哈尔滨断裂西侧以及嫩江断裂东侧分布，如林甸-李家围子、安达-徐家围子断陷、梨树、德惠断陷和陆家堡断陷等。其中包括一系列沉积生长断层，这些沉积生长断层既制约着盆地沉积的规模：在拉张期，湖盆范围变宽，发育良好的烃源岩，同时也是油气垂向运移与聚集的主要通道。
3、岩浆岩
松辽盆地在中生代大致经历了三期岩浆活动：第一期岩浆活动发生在盆地裂陷阶段之初的晚侏罗世早期；第二期岩浆活动发生于晚侏罗世末期；第三期岩浆活动则发生于白垩纪青山口组和泉头组沉积期间。这三期岩浆活动中前两者相类似，都是大陆裂谷作用的产物；第三期岩浆活动规模较小，反映了地壳再次伸展及基底再次断陷。这三期火山活动为松辽盆地油气成熟演化提供了热动力来源[4]。
二、ZK0833钻孔岩心再利用过程及结果
1、非常规能源研究需求
随着经济的发展，我国对能源的消耗越来越大，导致能源勘查与开发的急迫性。对能源的巨大需求导致了我国能源紧缺，因此国家加强了对相关领域的投入。储量巨大的非常规能源油页岩、页岩气具有较好的前景，引起了广泛的重视。但任何一种资源都不能盲目投入，都需要科学地、合理地按照自然规律进行开发。想要更好地勘探开发油页岩、页岩气资源，就必须掌握其成矿机制、富集规律。
我国近一半的油页岩资源都发育在裂谷盆地内的坳陷沉积阶段[5]，如松辽盆地内的油页岩，但现有对油页岩成矿机制研究程度较高的只是前陆盆地和走滑断陷盆地内的油页岩。由于油页岩资源在盆地的分布具有差异性，并非所有的位置都有油页岩的分布，因此对于油页岩控矿因素的研究十分重要。目前我国对于裂谷盆地坳陷期油页岩富集机制的研究仍比较薄弱，松辽盆地内油页岩的控矿机制尚不清楚。
页岩含气量通常与有机质的丰度和成熟度、页岩矿物成分、孔渗条件、含水饱和度、密度以及地层温压条件密切相关。我国页岩气资源丰富，但在页岩气成藏条件和机理等理论研究方面还比较薄弱。目前我国页岩气研究主要集中于南方海相盆地，而对松辽盆地这类典型陆相含油气盆地中的页岩气的研究则刚刚开始。近年来在松辽盆地内一些能源开发过程中取得了一些页岩气勘探成果，因此很有必要系统研究松辽盆地的页岩气分布规律。
2、ZK0833钻孔资料的重要价值
实物地质资料必须与空间位置结合才能有地质意义，国土资源实物地质资料中心就是根据上述原则进行实物资料的收集管理利用的。ZK0833钻孔为壳牌公司于2007年所施工的一口钻孔，被实物中心于2008年收录。实物中心接收该岩心后对其进行了重新整理、著录，使岩心得到了良好的保存。
ZK0833钻孔是位于松辽盆地中心相的一口全取心钻孔。该钻孔位于中央坳陷带内（图1），终孔深度881.25 m，较好地揭示了青山口组、姚家组、嫩江组和新近系大安组以及第四系等地层。如果想要全面系统地研究松辽盆地油页岩和页岩气的分布、成矿机制等，其研究对象的选取就必须全面系统，要尽可能多地寻找各个构造单元沉积相带的实物地质资料作为研究样本。吉林大学研究团队原来拥有的钻孔只有NGN1、NGN2，分别位于盆地边缘以及斜坡带，而对于盆地中心相带内的钻孔资料是缺乏的。ZK0833钻孔很好的满足了研究团队的需求。几个钻孔的结合研究使得对松辽盆地油页岩、页岩气成矿机制的研究更加全面和科学。
3、测试及实验结果
吉林大学研究团队分别于2011年12月和2013年7月对ZK0833钻孔实物进行了取样测试分析。两者的研究对象不同：前者的研究对象为油页岩，后者的研究对象为页岩气。
2011年12月的取样主要针对ZK0833钻孔761~856 m青山口组的灰色-灰黑色-深灰色泥岩，共取样11件。所做的测试主要有无机地球化学测试（微量元素、稀土元素、常量元素）、X衍射分析、生物标志化合物分析、有机碳同位素分析和显微组分分析等。通过含油率测试，对油页岩的品质进行判断；根据 X 衍射、扫描电镜和透射光薄片观察，确定沉积物矿物组成及相对丰度；通过Leco、rock-eval测试沉积物中有机质丰度和生烃潜力；根据荧光-白光显微镜下光片特征、生物标志化合物、同位素特征，分析有机质类型及来源；通过块状密度和颗粒密度差异法，计算泥岩孔隙度，定量计算沉积速率和古湖泊生产力；上述参数结合无机地球化学数据及比值，恢复古湖泊水体条件和有机质保存条件等。
2011年12月的取样主要针对ZK0833钻孔300~870 m青白口的系列泥岩，平均每10m取一个样品，共取样36件。对样品进行的测试，包括岩石热解测试、矿物学特征研究、低温氮吸附和高压压汞测试、渗透率测试以及场发射环境扫描电镜，主要用于页岩气储集物性特征和页岩非均质储层表征模拟。岩石热解测试可以用来反映垂向有机质丰度和类型以及成熟度的变化，反映气源岩的生气能力；矿物学特征研究能够解释气源岩的成岩作用阶段，间接反映有机质的热演化程度，同时反映储层吸附气体的能力及岩石的脆性；低温氮吸附和高压压汞测试能够检测储层的孔隙度和与孔隙结构相关的参数，从微孔到宏孔，从纳米级到微米甚至到微裂隙程度对触及空间和渗流通道进行定性-定量的描述；渗透率测试能够提供页岩的渗流能力参数，为页岩气的开发开采提供依据；场发射环境扫描电镜能够识别空隙类型，针对不同成岩阶段和不同有机质丰度的页岩展开孔隙类型的统计，开展页岩气储层的详细研究。
在取样过程中，实物中心为取样者尽可能地提供了便利条件，包括提供场地、取样设备以及配备相应人员，保证了研究工作的顺利开展。根据协议，吉林大学研究团队于2013年底将测试数据反馈给了实物中心。
三、钻孔岩心再利用的意义
1、理论研究的深化创新
吉林大学研究团队通过对ZK0833钻孔岩心的再利用，结合其他资料开展的研究工作，获得了一系列成果：
（1）松辽盆地油页岩有机质富集环境动力学规律：优质厚层油页岩主要沉积于半深湖-深湖环境，其主要对应的沉积相-有机相-地球化学相为半深湖-深湖相—A-B（湖泊生物为主）—咸水-半咸水还原环境（青一段）和半深湖-深湖—A-B—半咸水-淡水还原环境（嫩二、三段）；搭建深水区域高精度层序地层格架；油页岩主要分布水进体系域末期、高水位体系域和水退体系域初期；油页岩形成于超富营养型水体中。青山口组底部到顶部，深水区域超富营养型水体变为中养型水体；建立了咸水和半咸水-淡水有机质富集环境动力学模型。
（2）松辽盆地页岩气的分布规律：松辽盆地埋藏深度整体呈现由盆地边缘向盆地中心逐渐增大，因此，松辽盆地页岩能源成矿(藏)规律可能为东南隆起区和中央凹陷隆起地区为油页岩成矿和生物型页岩气有利成藏带；中央凹陷的大部分地区可能为页岩油、热解型页岩气有利成藏带；中央凹陷埋藏最深部位为发育热裂解型页岩气有利成藏带。这些页岩能源共生矿产呈环状分布于盆地中。
2、油页岩地质资源评价体系的建立和发展
ZK0833钻孔的再利用，获得了有效的测试数据，很好地帮助学者对松辽盆地油页岩分布的控制因素的研究。古构造条件、古气候条件、古沉积环境是控制油页岩有机质富集演化的内在控制因素，为一级主导因素；水体盐度、氧化还原条件、陆源碎屑物质输入、有机质类型、有机质成熟度、有机碳含量等受一级主导因素影响，为二级表征因素[6]。将上述9个因素确定为9个类比参数，分别赋予不同的数值，确定好标尺，就可以对松辽盆地不同地区的油页岩资源进行计算评价，进而建立松辽盆地油页岩地质资源的评价体系。ZK0833钻孔的再利用，为松辽盆地油页岩地质资源的评价提供了类比参数，是松辽盆地油页岩地质资源的评价体系的数据基础之一。
3、以实物资料为依托，联合高校、企业搭建产学研用平台
吉林大学地球科学学院油页岩团队通过在实物中心取样测试，培养了博士研究生1名，硕士研究生1名，为社会输送了关于油页岩、页岩气研究的相关人才。依据测试结果，撰写博硕论文各1篇，并发表了SCI论文2篇、核心论文1篇，被社会广泛引用，起到了良好的成果传播作用，同时该团队将研究成果与松辽盆地原位开采的相关单位进行交流，在一定程度上指导了油页岩的原位开采实验。通过多单位关于该井科研成果协同利用，搭建了良好的产学研用平台。
四、结论
松辽盆地作为我国重要的油气生产基地，在我国能源结构中占有重要的地位。ZK0833钻孔岩心的再利用，为松辽盆地页岩气成藏地质条件和油页岩成矿机制的建立提供了重要帮助，促进了油页岩地质能源评价体系的发展。同时，正是由于国土资源实物中心对ZK0833钻孔岩心数年来的精心保管，才使得学者研究团队能够有效地利用该钻孔，搭建良好的产学研用平台，为国家和企业节省了宝贵的资金和时间。这凸显了实物资料保管利用的重要意义和价值，显示了实物地质资料再利用的重要意义。建议国家进一步加强对有重要价值的油气实物地质资料保管利用的支持力度，以期最大化地利用这些资料。建议实物中心加强对实物地质资料转化为成果的途径和方法的研究，减少和消除其中的障碍。同时也希望企业与专业人员重视实物地质资料的保管与开发利用工作。
参考文献
[1]刘招君, 孙平昌, 柳蓉, 等. 页岩能源共生矿产成矿(藏)地质条件研究——以松辽盆地上白垩统青山口组为例[J]. 沉积学报，2014, 32 (3): 593~600.
[2]高瑞祺, 张莹, 崔同翠. 松辽盆地白垩纪石油地层[M]. 北京: 石油工业出版社. 1994. 1~333.
[3]舒良树, 慕玉福, 王伯长, 等. 松辽盆地含油气地层及其构造特征[J]. 地层学杂志, 2003, 27 (4): 340~347.
[4]胡望水, 吕炳全, 张文军, 等. 松辽盆地构造演化及成盆动力学探讨[J]. 地质科学, 2005, 40 (1): 16~31.
[5]孙平昌. 松辽盆地东南部上白垩统含油页岩系有机质富集环境动力学[D]. 2013. 吉林大学博士论文.
[6]贾建亮, 刘招君, 柳蓉, 等. 油页岩地质类比资源评价体系的建立[J]. 地质学报, 2014, 88 (7): 1321~1333.
