韓 悅 寧松華

（“油氣資源與勘探技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長江大學(xué)）

遼河西部凹陷沙河街組泥頁巖儲集條件及含油性初步研究*

韓 悅 寧松華

（“油氣資源與勘探技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長江大學(xué)）

近年來遼河坳陷古近系泥頁巖中多口井見到了良好的油氣顯示，氣測異常十分活躍，顯示了泥頁巖良好的油氣前景。根據(jù)頁巖油源儲一體的成藏特點(diǎn)，重點(diǎn)針對泥頁巖源巖和儲集性兩方面內(nèi)容進(jìn)行了評價，在西部凹陷創(chuàng)新應(yīng)用了泥頁巖儲集層評價方法、含油量確定方法。明確了西部凹陷沙四段、沙三段等發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖，其中沙四亞段灰質(zhì)頁巖熱演化程度適中，生烴能力最強(qiáng)，頁理縫發(fā)育，脆性礦物含量高，脆性指數(shù)最高達(dá)67，含油量最高達(dá)0.52%，為頁巖油富油氣層段。圖4表2參8

頁巖油泥頁巖優(yōu)質(zhì)源巖儲集層含油量

0 引言

頁巖油概念來自國外，國內(nèi)不同學(xué)者和機(jī)構(gòu)對頁巖油的定義不同。張金川認(rèn)為，頁巖油是以游離（含凝析態(tài)）、溶解態(tài)（可溶解于天然氣、干酪根和殘余水）等多種方式賦存于有效生烴泥頁巖地層層系中且具有勘探開發(fā)意義的液態(tài)烴類[1]。趙政璋認(rèn)為頁巖油是以滯留在純泥巖或頁巖中的石油聚集[2]。本次研究中，通過文獻(xiàn)調(diào)研[3-5]，結(jié)合油田勘探實(shí)際問題，將泥頁巖及其薄夾層中產(chǎn)出的石油確定為研究對象。

遼河油田目前儲量主要分布在砂礫巖、變質(zhì)巖、火成巖，近年來泥頁巖中多處發(fā)現(xiàn)油氣顯示，但沒有把泥頁巖當(dāng)作儲集層來開展系統(tǒng)的研究和評價，隨著理論認(rèn)識、鉆采工藝的提高，泥頁巖油藏也得到了更多的重視。自美國頁巖油獲得突破之后[6]，國內(nèi)各盆地也相繼開展了對頁巖油的研究[7-8]。2012年，遼河坳陷西部凹陷古近系沙河街組沙三段在SG165井泥巖段試油日產(chǎn)油24 m3，顯示了西部凹陷頁巖油潛力巨大。本次研究針對頁巖油源儲一體的成藏特點(diǎn)，嘗試對西部凹陷古近系泥頁巖進(jìn)行評價，以期對遼河坳陷非常規(guī)勘探起到一定的借鑒作用。

1 沙河街組泥頁巖儲集條件

1．1 泥頁巖沉積的地質(zhì)背景

遼河坳陷古近系自下向上劃分為房身泡組、沙河街組和東營組，沙河街組可細(xì)分為四段，其中沙四段、沙三段地層是湖盆擴(kuò)展發(fā)育期沉積產(chǎn)物，泥頁巖廣泛分布，也是頁巖油主要富集層位。

沙四下亞段沉積時期，沉積中心局限在凹陷北部地區(qū)，主要發(fā)育了深湖—半深湖相以及濱淺湖相沉積，雷家、高升地區(qū)在濱淺湖和湖灣相中發(fā)育了泥坪，形成了白云質(zhì)泥巖。沙四上亞段沉積時期，沉積中心開始向南遷移，水體加深，水域擴(kuò)大，高升地區(qū)發(fā)育濱淺湖沉積和碳酸鹽巖沉積。陳家洼陷地區(qū)發(fā)育濱淺湖沉積體系。在陳家洼陷的南部地區(qū)出現(xiàn)了半深湖沉積。沙三下亞段沉積時期，湖盆處于劇烈沉降階段，湖盆繼續(xù)深陷、擴(kuò)張，盆地發(fā)生水進(jìn)，導(dǎo)致水體加深，并且水域的范圍不斷向兩側(cè)擴(kuò)展增大。在高升地區(qū)以南的湖盆中央地區(qū)廣泛發(fā)育了半深湖沉積，沉積中心繼續(xù)南移。沙三中亞段沉積時期，為盆地最大水進(jìn)期，此時湖盆最深，湖盆沉積中心移至清水洼陷。沙三上亞段沉積時期，湖盆回返水退，湖盆水域收縮，水體深度相對變淺。

1.2 泥頁巖類型

泥頁巖沉積環(huán)境的差異對頁巖油成藏影響很大，作為一種自生自儲型油氣藏，頁巖油儲集層即為暗色泥巖、頁巖及薄夾層。頁巖通常被定義為“細(xì)粒的碎屑沉積巖”，但它在礦物組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上卻多種多樣。本次針對泥頁巖，選取了黏土礦物、碳酸鹽巖礦物、碎屑礦物等主要組成，結(jié)合巖心和鏡下泥頁巖構(gòu)造，進(jìn)一步將泥頁巖劃分為兩大類8種類型（表1）。通過對比研究，深湖-半深湖的粉砂質(zhì)頁巖和黏土質(zhì)泥頁巖，以及咸化湖灣相的灰質(zhì)、白云質(zhì)泥頁巖為本區(qū)的優(yōu)質(zhì)烴源巖。

表1 泥頁巖分類結(jié)果表

1.3 泥頁巖儲集條件

頁巖油作為一種自生自儲的非常規(guī)資源，泥頁巖既是烴源巖又是儲集層。其儲集空間、孔滲物性及裂縫發(fā)育程度對頁巖油的富集和開發(fā)都具有重要意義。

據(jù)鏡下觀察，沙四段、沙三段泥頁巖裂縫和孔隙同時發(fā)育，屬于雙重介質(zhì)的儲集層類型，常發(fā)育粒間孔、晶間孔、黏土間微孔及有機(jī)質(zhì)孔等。如圖1a中所示的球粒狀黃鐵礦晶體之間的微孔隙，寬約20 μm。在圖1b中展示了片狀伊利石黏土間微孔隙，直徑約在3～5 μm之間。圖1c則展示了微裂縫的發(fā)育，開度5 μm，整個視域均見。

圖1 泥頁巖儲集空間類型

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，沙四段泥頁巖主要儲集空間類型為頁理縫、粒間孔、黏土間微孔及微裂縫等，孔縫直徑500 nm～6 μm，屬于納米孔-微孔級別。有效孔隙度分布范圍為0.8%～18.1%，平均為5.98%，滲透率分布范圍為（0.0012～0.852）mD，平均值為0.17 mD。沙三段泥頁巖主要發(fā)育黏土間微孔、粒間微孔，孔縫直徑為150 nm～10 μm，常見天然微裂縫，屬于納米孔-微孔級別。有效孔隙度分布范圍為0.8%～12.7%，平均為6.06%，滲透率分布范圍為（0.0042～0.2673）mD，平均值為0.047 mD。

巖石脆性是指其在破裂前未覺察到的塑性變形的性質(zhì)，亦即巖石在外力作用下（如壓裂）容易破碎的性質(zhì)。在體積壓裂中，巖石的脆性是考慮的重要因素之一。頁巖油評價中，以脆性指數(shù)刻畫巖石的脆性特征，其計(jì)算方法有以下兩種，即巖石組分計(jì)算法和巖石彈性參數(shù)計(jì)算法。本次研究過程中，主要根據(jù)X衍射全巖定量數(shù)據(jù)，采用巖石組分法計(jì)算脆性參數(shù)。筆者對150組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，白云質(zhì)頁巖脆性指數(shù)最高為73，其次為灰質(zhì)頁巖，脆性指數(shù)為67，粉砂質(zhì)泥頁巖脆性指數(shù)為56，黏土質(zhì)頁巖脆性指數(shù)為42，是為頁巖油富集層段。

2 泥頁巖含油性

2.1 含油量

頁巖含油量是指每噸巖石中所含原油折算到標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下（25℃，101.325 kPa）的總量，既包括原始條件下的液態(tài)原油，還包括溶解在天然氣中的凝析油。頁巖含油量和含氣量對于頁巖油氣的開發(fā)至關(guān)重要，直接影響開采的經(jīng)濟(jì)價值。

含油量的測定是評價頁巖油資源的關(guān)鍵參數(shù)，目前對頁巖含油量的測定主要采用地球化學(xué)法、類比法、統(tǒng)計(jì)法、含油飽和度法、測井解釋法、開發(fā)生產(chǎn)反演法、實(shí)測值法。地球化學(xué)法是指通過測定巖心樣品中氯仿瀝青“A”或全烴，或通過熱解法獲得熱解烴量S1等參數(shù)，各項(xiàng)指標(biāo)代表含義不同，均需輔以校正系數(shù)進(jìn)行修正。由于研究區(qū)頁巖油尚處于勘探初期，地化資料相對較豐富，本次對含油量的研究采用地化參數(shù)恢復(fù)法計(jì)算含油量。

由于實(shí)測氯仿瀝青“A”時，在抽提過程中氯仿瀝青“A”中C14-烴類全部損失。在利用氯仿瀝青“A”法評價頁巖含油量時需要對損失的輕烴組分進(jìn)行恢復(fù)，常用恢復(fù)方法為氯仿瀝青“A”的輕烴校正。經(jīng)計(jì)算，得到了西部凹陷沙四段、沙三段泥頁巖含油量的數(shù)據(jù)（表2），其中沙四段含油量為0.52%，沙三下亞段含油量為0.15%，沙三中亞段含油量為0.16%，在三個層位中沙四段含油性最好，達(dá)到工業(yè)油流標(biāo)準(zhǔn)。

表2 西部凹陷泥頁巖含油量表

2.2 現(xiàn)場解吸

為了及時、準(zhǔn)確的獲得目的層泥頁巖吸附氣量，需要開展現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)。它是一種測量泥頁巖含氣量的方法，其基本流程是在鉆井過程中準(zhǔn)確記錄幾個關(guān)鍵時刻，巖心提上井口后迅速裝入密封罐，在模擬地層溫度條件下測量頁巖中自然解吸氣量，解吸結(jié)束后，利用實(shí)測解吸氣量和解吸時間的平方根進(jìn)行線性回歸求得損失氣量，最后將巖心粉碎，測量其殘余氣量。為準(zhǔn)確評價泥頁巖的含油氣能力提供了重要依據(jù)。

L84井位于遼河西部凹陷陳家洼陷內(nèi)，在該井的2761 m處取心，巖性以深灰色泥頁巖為主。沙三段和沙四段是該區(qū)主要的烴源巖發(fā)育層位，沙三段有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2%左右，洼陷中心部位高達(dá)3%以上，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.4%～0.6%之間，干酪根類型主要為II1型，其次為I型和II2型；沙四段有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2%～3%，洼陷中心部位高達(dá)4%～5%，鏡質(zhì)體反射率一般大于0.5%，有機(jī)碳類型主要為I型和II2型，生烴強(qiáng)度大。

錄井氣測全烴值異常顯示明顯，全烴最高可達(dá)90%。對L84井沙四段頁巖巖心樣品進(jìn)行現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn)（圖2），解吸過程中，氣體連續(xù)不間斷涌現(xiàn)，直觀地顯示遼河西部凹陷頁巖油氣的潛力。含氣量為2040 mL，擬合相關(guān)系數(shù)為0.9945，經(jīng)計(jì)算得到含氣量值為8.6 m3/t，遠(yuǎn)超出工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在該區(qū)內(nèi)對多口井進(jìn)行解吸，在古近系泥頁巖同樣有良好的油氣顯示。

源巖干酪根類型、有機(jī)質(zhì)豐度和熱演化程度對泥頁巖含油量有重要控制作用。有機(jī)質(zhì)是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，腐泥型有機(jī)質(zhì)傾向于生成液態(tài)烴類，腐殖型有機(jī)質(zhì)傾向于生成氣態(tài)烴類，對頁巖油來說，Ⅰ型和Ⅱ1型干酪跟較為有利。同時，有機(jī)質(zhì)豐度和熱演化程度對生烴量多少有直接影響，較高的豐度和適中的成熟度可以增加頁巖油含量。當(dāng)有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到一定的臨界值，而且處在成熟的生油窗范圍內(nèi)時，所生成的油量能夠滿足頁巖各種形式的殘留需要，達(dá)到飽和。這類頁巖的含油量較高，是勘探評價的有效目標(biāo)。

圖2 L84井沙四段2761 m頁巖解吸氣量

3 有效泥頁巖評價

結(jié)合泥頁巖實(shí)際地質(zhì)情況，參考張金川的頁巖油評價方法[1]，綜合評價西部凹陷有效泥頁巖主要是沙四段為白云質(zhì)頁巖和灰質(zhì)頁巖，沙三段的粉砂質(zhì)泥頁巖和黏土巖。關(guān)于有效厚度的界定，主要參考了氣測異常、泥地比、連續(xù)厚度、夾層砂巖厚度、埋深、有機(jī)碳含量、熱演化程度、儲集空間、孔滲物性及脆性等因素。

沙四上段有效泥頁巖干酪根類型以Ⅰ-Ⅱ型為主，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)普遍大于2%，最高達(dá)14.2%。主體位于低熟—成熟階段，Ro在0.3%~1.5%之間，是有效的目標(biāo)層段（圖3）。沙三段有效泥頁巖發(fā)育在沙三中下段，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本大于1.0%，。有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，在湖盆邊部為Ⅲ型干酪根，有機(jī)質(zhì)類型較好，主體進(jìn)入生油高峰期，是主要目的層系（圖3）。

通過對比分析，對西部凹陷沙河街組有效泥頁巖進(jìn)行了平面展布的研究。沙四段有效泥頁巖呈北厚南薄分布（圖4a），厚度中心在曙光和雷家地區(qū)，厚度一般在30～150 m之間，最大可達(dá)250 m以上。隨著沉積中心的轉(zhuǎn)移，沙三下亞段有效泥頁巖厚度中心也向東南部偏移，主要發(fā)育在盤山和清水洼陷，北部牛心坨洼陷也有發(fā)育。清水洼陷厚度大、分布面積廣，厚度最大可達(dá)200 m以上。沙三中亞段有效泥頁巖分布范圍最廣（圖4b），泥頁巖厚度中心主要發(fā)育在陳家洼陷和清水洼陷，清水洼陷地區(qū)是泥頁巖沉積中心，最大厚度超過了300 m以上。

圖3 西部凹陷有效泥頁巖綜合柱狀圖

圖4 西部凹陷有效泥頁巖平面分布

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)發(fā)育深湖半深湖的黏土巖、半深湖的粉砂質(zhì)頁巖和黏土質(zhì)頁巖，以及咸化湖灣相的灰質(zhì)、白云質(zhì)泥頁巖等優(yōu)質(zhì)源巖，是頁巖油形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）西部凹陷古近系沙四段、沙三段泥頁巖屬于裂縫-孔隙雙重介質(zhì)的儲集層類型，發(fā)育中孔-微孔-納米孔多級孔喉系統(tǒng)。白云質(zhì)、灰質(zhì)頁巖脆性程度高，其脆性程度較高，為頁巖油富集層。

（3）沙四段泥頁巖含油量為0.52%，在三個層位中含油性最好，達(dá)到工業(yè)油流標(biāo)準(zhǔn)；解吸過程中，氣體連續(xù)不間斷涌現(xiàn)，直觀地顯示遼河西部凹陷頁巖油氣的潛力。

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（修改回稿日期2015-01-28編輯王曉清）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41274141）“柱狀分層固體介質(zhì)中聲波的傳播與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”。

韓悅，女，1992年出生，碩士研究生，就讀于長江大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區(qū)大學(xué)路111號長江大學(xué)。電話：18604278254。E-mail：402906645@qq.com