胡　瑩，盧雙舫，李文浩，張鵬飛，張　晗，李　倩

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

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威利斯頓盆地巴肯組泥頁巖排烴效率地質(zhì)研究

胡瑩1，2，盧雙舫1，李文浩1，張鵬飛1，2，張晗1，2，李倩1，2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

為了弄清造成威利斯頓盆地巴肯組泥頁巖相對(duì)含油量低，而致密砂(灰)巖中含油量高的原因，對(duì)巴肯組泥頁巖的排烴特征進(jìn)行研究具有重要的意義。本文在油氣勘探相關(guān)資料的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合薄片鑒定和地球化學(xué)分析方法，探討了巴肯組泥頁巖的排烴特征。結(jié)果表明，巴肯組泥頁巖的高排烴效率是造成巴肯組中段致密層段相對(duì)含油量高、而泥頁巖相對(duì)含油量較低的根本原因。巴肯組泥頁巖產(chǎn)率指數(shù)與其有機(jī)碳含量的明顯不匹配，可溶有機(jī)質(zhì)族組成的低飽/芳值以及巴肯組中段粉砂質(zhì)白云巖強(qiáng)熒光性都說明巴肯組泥頁巖發(fā)生過大量的排烴。泥頁巖的生烴增壓引起的超壓誘導(dǎo)泥頁巖產(chǎn)生的微裂縫與干酪根網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了石油初次運(yùn)移的通道，也利于泥頁巖排烴。

致密油；含油量；排烴效率；巴肯組；威利斯頓盆地

近年來，在石油需求量高速增長(zhǎng)的刺激下，隨著勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，致密油資源逐漸成為世界各國(guó)石油工業(yè)爭(zhēng)相介入的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一[1]。目前，美國(guó)的巴肯組和鷹灘組、加拿大的卡爾蒂姆組致密油開發(fā)已獲得了成功。因此，致密油有可能成為繼頁巖氣之后，未來又一重要的接替能源。

致密油是一種非常規(guī)油氣資源，主要以吸附或游離狀態(tài)賦存于生油巖中，或與生油巖互層、緊鄰致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲(chǔ)集巖中，是未經(jīng)過大規(guī)模長(zhǎng)距離運(yùn)移的石油聚集，主要包括致密砂(灰)巖油和頁巖油2大類[2]，其中致密砂(灰)巖油是泥頁巖排出油中的一部分，而頁巖油氣是殘留在泥頁巖中未排出的油。因此無論是頁巖油還是致密砂(灰)巖油的富集性應(yīng)與泥頁巖的排烴效率密切相關(guān)，并且兩者成負(fù)相關(guān)關(guān)系。雖然前人對(duì)致密油氣富集性及泥頁巖排烴效率已都有研究，但均是割裂開來進(jìn)行研究的，缺少相應(yīng)的對(duì)照。實(shí)際上二者的對(duì)照研究有利于加深對(duì)致密油的富集規(guī)律的認(rèn)識(shí)。本文利用有機(jī)碳、巖石熱解等常規(guī)地化數(shù)據(jù)對(duì)泥頁巖排油效率及其對(duì)致密油富集的影響進(jìn)行了研究，旨在為中國(guó)含油氣盆地致密油勘探提供參考。

1　地質(zhì)背景

威利斯頓盆地位于北美板塊內(nèi)部，靠近北美克拉通西部邊緣[3]，是一個(gè)大型克拉通內(nèi)沉積盆地，橫跨北達(dá)科他州、蒙大拿州、南達(dá)科他州、薩斯喀徹溫省及馬尼托巴省。盆地起源于克拉通邊緣或大陸架型的盆地，在科迪勒拉造山運(yùn)動(dòng)期發(fā)生的變形作用和隨后西部大陸邊緣地殼連續(xù)增加的背景下使之轉(zhuǎn)變?yōu)榭死▋?nèi)部盆地，整體上呈較對(duì)稱的東西向負(fù)構(gòu)造展布[4](圖1)。

圖1　威利斯頓盆地構(gòu)造單元圖(據(jù)文獻(xiàn)[9]和[10]修改)

盆地在寒武紀(jì)開始發(fā)育，至奧陶紀(jì)結(jié)束，地層發(fā)育齊全，賓夕法尼亞紀(jì)之前為海相碳酸鹽巖沉積，到密西西比紀(jì)之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣栀|(zhì)碎屑沉積。上泥盆統(tǒng)-下密西西比統(tǒng)的巴肯組地層以海相碎屑巖沉積為主，其中黑色泥頁巖與粉砂質(zhì)白云巖、白云質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖頻繁交互疊置，局部夾薄層碳酸鹽巖，是該盆地內(nèi)的一套重要烴源巖，也是一套非常規(guī)油氣儲(chǔ)層[5-6]。巴肯組地層明顯分為三段：上段和下段為具放射性的、富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖，沉積于海平面上升階段缺氧或者氧氣比較有限的環(huán)境中；中段為粉砂質(zhì)白云巖或者灰?guī)r到砂巖巖性，沉積于海退時(shí)期快速海平面下降情況下的淺水環(huán)境(圖2)。

圖2　威利斯頓盆地巴肯組地層柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)

威利斯頓盆地巴肯區(qū)帶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了(4×108～6×108)t致密油的可采儲(chǔ)量，資源豐富。目前的單井初期產(chǎn)量已超過274t/d[8]，產(chǎn)量也呈逐年迅猛上升的趨勢(shì)，是全球致密油開發(fā)最成功的范例之一。

2　巴肯組含油性評(píng)價(jià)及規(guī)律研究

對(duì)于泥頁巖中含油量的表征我們通常采用熱解殘留烴(S1)和氯仿瀝青“A”兩個(gè)指標(biāo)。由于泥頁巖儲(chǔ)層的低滲透性，目前開采的致密油主要以輕質(zhì)或凝析油為主。因此，本文采用S1作為泥頁巖含油性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[12]。

威利斯頓盆地巴肯組的致密油主要包括上下巴肯頁巖的頁巖油和中巴肯中的致密砂(灰)巖油。圖1繪出了威利斯頓盆地巴肯組泥頁巖含油性與有機(jī)碳含量的關(guān)系。對(duì)于絕對(duì)含油量，從上包絡(luò)線變化規(guī)律可以看出，泥頁巖含油性隨有機(jī)碳含量的增加表現(xiàn)出三階段演化特征。首先，在低有機(jī)質(zhì)豐度階段泥頁巖含油量緩慢增大，之后階段含油量迅速增加，最后階段含油量增加速度逐漸減小，直至平穩(wěn)。根據(jù)變化趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的含油量，我們可以將泥頁巖含油性劃分為三個(gè)等級(jí)：分散、低效和富集。其中，富集資源是近期頁巖油勘探、開發(fā)最為現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)，低效和分散資源開發(fā)則有待未來技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在本次研究中威利斯頓盆地巴肯組兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)S1值分別為2mg/g和6mg/g(見圖3)。從含油量(S1)這個(gè)指標(biāo)來看，巴肯組泥頁巖主要為富集資源和低效資源，而中巴肯組的致密砂(灰)巖為低效資源和無效資源。然而，這種分類方案沒有考慮致密油氣的可采性，因此這種方法對(duì)于指導(dǎo)致密油氣勘探具有一定的局限性。

圖3　威利斯頓盆地巴肯組含油性與有機(jī)碳關(guān)系

Jarvie等研究認(rèn)為，地層中單位有機(jī)碳的含烴量(S1/TOC)一方面可用來判斷烴源巖的成熟度，另一方面可用來評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含油性。儲(chǔ)層含油性高，S1/TOC通常大于1，對(duì)于頁巖油儲(chǔ)層的判斷這一標(biāo)準(zhǔn)同樣適用[13]。另外，由于干酪根對(duì)頁巖油具有較強(qiáng)的吸附、溶解作用，影響頁巖油的可采性，這也

說明我們還應(yīng)結(jié)合相對(duì)含油量來評(píng)價(jià)泥頁巖的含油性，因此這個(gè)指標(biāo)可以同時(shí)用來判斷巴肯組中的頁巖油和致密砂(灰)巖油的含油性高低。從相對(duì)含油量(S1/TOC)來看，巴肯組絕大部分泥頁巖S1/TOC小于1，含油性較低，而中巴肯組的致密砂(灰)巖S1/TOC通常大于1，含油性高。對(duì)于其原因本文從排烴效率中找到了答案，這與目前美國(guó)威利斯頓盆地巴肯組致密油開采主要集中在巴肯組中的致密砂(灰)巖相一致。

3　泥頁巖排烴效率特征分析

3.1強(qiáng)排烴的地球化學(xué)證據(jù)

烴源巖的地球化學(xué)研究表明，巴肯組泥頁巖形成于缺氧的半深海環(huán)境，為盆地內(nèi)一套重要的烴源巖，有機(jī)碳含量非常高，平均值為11.3%，干酪根類型以Ⅰ、Ⅱ型為主，鏡質(zhì)體反射率主要介于0.6%～0.9%，最高可達(dá)1.1%，屬于熱催化生油氣成熟階段[14-16]，因此巴肯組泥頁巖具備生成大量烴類的物質(zhì)和條件基礎(chǔ)。

巖石熱解分析結(jié)果顯示，巴肯組黑色泥頁巖整體上產(chǎn)率指數(shù)S1/(S1+S2)較低，與其有機(jī)碳含量明顯不匹配，當(dāng)TOC小于15%時(shí)，產(chǎn)率指數(shù)主要介于0.15～0.30，最高可達(dá)到0.48；而當(dāng)巴肯組泥頁巖TOC大于15%時(shí)，產(chǎn)率指數(shù)小于0.15(圖4(a))。氯仿瀝青“A”族組成的低飽/芳值以及飽/芳值隨TOC增高而降低的趨勢(shì)明顯與Ⅰ-Ⅱ型的母質(zhì)類型相矛盾(圖4(b))。巴肯組中段粉砂質(zhì)白云巖的顯微照片熒光觀察證實(shí)白云石內(nèi)的晶間孔和石英顆粒和碳酸鹽晶體之間的粒間孔中富含油(圖5)。以上證據(jù)都說明巴肯組泥頁巖發(fā)生過大量的排烴。

圖4　巴肯組泥頁巖產(chǎn)率指數(shù)-TOC關(guān)系圖(a)和飽/芳值-TOC關(guān)系圖(b)

圖5　巴肯組中段的粉砂質(zhì)白云巖熒光薄片(據(jù)文獻(xiàn)[17]修改)

3.2排烴率的定量研究

排烴效率可用排烴量與生烴量的比值定量計(jì)算，它是衡量傳統(tǒng)烴源巖有效性的重要指標(biāo)，泥頁巖排烴過程中，排烴效率越高，與泥頁巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲(chǔ)集巖中的聚集的油氣就越多，因此對(duì)于致密砂巖(碳酸鹽巖)油氣我們希望泥頁巖排出盡可能多的油氣供運(yùn)聚成藏，而在排烴過程中不可避免的會(huì)有一定量的烴類殘留在泥頁巖內(nèi)部，這部分烴類即是頁巖油氣，對(duì)于頁巖油氣我們則希望泥頁巖中殘留盡可能多的油氣，因此致密油氣的勘探開發(fā)同樣需要考慮排烴效率的

問題。在排烴效率的計(jì)算過程中，排烴量可通過生烴潛力達(dá)到最高值后的減小幅度確定，殘烴量可通過烴指數(shù)獲得，根據(jù)物質(zhì)平衡原理二者相加即為生烴量。由圖6可以看出，隨著有機(jī)質(zhì)類型逐漸變差，相應(yīng)泥頁巖的生、排門限逐漸變深，反映生、排烴過程依次滯后。同時(shí)，I型有機(jī)質(zhì)泥頁巖排烴量遠(yuǎn)高于其它類型，而殘烴量相差不大，由此可以計(jì)算出I型有機(jī)質(zhì)泥頁巖排烴效率遠(yuǎn)高于其它類型。比如，在3200m深度，I型、Ⅱ1型和Ⅱ2型烴源巖的排烴效率分別為55%、45%和30%(圖6)。因此巴肯組泥頁巖高排烴效率是造成巴肯組中段致密層段相對(duì)含油量高，上、下段泥頁巖相對(duì)含油量較低的根本原因。

圖6　威利斯頓盆地巴肯組不同類型干酪根烴指數(shù)和生烴潛力指數(shù)

3.3排烴機(jī)制分析

致密油成藏特征表明，致密油從烴源巖排出后在儲(chǔ)集層中聚集的主要?jiǎng)恿樯鸁N增壓，即源儲(chǔ)壓差[18]。而生烴增壓引起的超壓將會(huì)誘導(dǎo)泥頁巖產(chǎn)生微裂縫。當(dāng)微裂縫形成后，泥頁巖產(chǎn)生的烴類將會(huì)排出并釋放壓力。當(dāng)泥頁巖內(nèi)的壓力小于圍壓時(shí)，這些微裂縫將重新閉合，開始下一循環(huán)。這些層理縫和微裂縫相互交叉形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，作為泥頁巖油氣排出的輸導(dǎo)系統(tǒng)，因此排烴效率會(huì)在很大程度上提高。威利斯頓盆地巴肯組存在高異常流體壓力，為0.73PSI/ft，并證實(shí)其高壓分布與生烴中心分布一致，因此推測(cè)其異常壓力與深部有機(jī)質(zhì)生烴作用有關(guān)[19]。從不同成熟度有機(jī)顯微組分圖像的觀測(cè)可知，隨著成熟度增加，巴肯組泥頁巖生成大量的烴類，形成高壓流體，產(chǎn)生微裂縫(圖7)。另一方面，由于巴肯組泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高，因而干酪根在巖石體積中所占的比例高(約為15%～35%)，具備形成“干酪根網(wǎng)絡(luò)”的物質(zhì)條件(圖7)。干酪根具有親油性，因此石油通過干酪根網(wǎng)絡(luò)運(yùn)移所需克服的阻力大大降低，極有利于石油的初次運(yùn)移(排烴)。因此，有機(jī)質(zhì)類型越好，豐度越高，成熟度越高，泥頁巖產(chǎn)生大量的烴類并發(fā)育大量的微裂縫，有利于泥頁巖排烴。

圖7　上巴肯組泥頁巖不同成熟度的有機(jī)顯微組分照片(據(jù)文獻(xiàn)[20])

4　結(jié)　論

1) 巴肯組泥頁巖產(chǎn)率指數(shù)與其有機(jī)碳含量明顯不匹配，可溶有機(jī)質(zhì)族組成中低飽/芳值以及巴肯組中段粉砂質(zhì)白云巖強(qiáng)熒光性都說明巴肯組泥頁巖發(fā)生過大量的排烴。

2) 相對(duì)含油量(S1/TOC)這個(gè)指標(biāo)比S1更適合評(píng)價(jià)威利斯頓盆地巴肯組含油性好壞。巴肯組泥頁巖排烴效率高造成是巴肯組中段相對(duì)含油量高，泥頁巖相對(duì)含油量較低的根本原因。

3) 巴肯組泥頁巖的生烴增壓引起的超壓誘導(dǎo)泥頁巖產(chǎn)生的微裂縫與干酪根網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了石油初次運(yùn)移的通道，利于泥頁巖的排烴。

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Geological research on hydrocarbon expulsion efficiency of shale in Bakken Formation in the Williston Basin

HU Ying1，2，LU Shuang-fang1，LI Wen-hao1，ZHANG Peng-fei1，2，ZHANG Han1，2，LI Qian1，2

(1.Research Institute of Unconventional Hydrocarbon and Renewable Energy，China University of Petroleum(East China)， Qingdao 266580，China；2.School of Geosciences，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China)

To find out the cause of relatively low oil content of the shale and high oil content in dense zone in bakken formation in the Williston basin，is of great significance in order to reveal the characteristics of hydrocarbon expulsion of shale in bakken formation.Through the detailed analysis of basic geological data of petroleum exploration，combined the methods of thin section and geochemistry，the characteristics of hydrocarbon expulsion of shale in bakken formation is discussed.The results are showed as below：high hydrocarbon expulsion efficiency of shale is the root cause of relatively high oil content in the middle dense zone and low oil content of shale.The dismatches between production rate index and organic carbon content，the low ratio of saturated hydrocarbon and aromatic hydrocarbon of soluble organic matter，as well as strong fluorescence of silty dolomite in the middle bakken group，suggest that the shale in bakken formation have happened a lot of hydrocarbon expulsion.Microfracture and kerogen network inducted by overpressure caused by hydrocarbon-generating pressurization of shale constitutes the channel of the oil primary migration，and is also conducive to hydrocarbon expulsion of the shale.

tight oil；oil content；hydrocarbon expulsion efficiency；Bakken Formation；Williston Basin

2015-08-26

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：41402122)；博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助(編號(hào)：2014M561980) ；中石油勘探院項(xiàng)目資助(編號(hào)：RIPEO-2014-JS-305)

胡瑩(1991-)，女，漢族，江西宜春人，碩士研究生，中國(guó)石油大學(xué)(華東)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，主要從事非常規(guī)油氣方面的研究工作。E-mail：775113513@qq.com。

P59

A

1004-4051(2016)10-0163-05