孫建博 孫兵華 趙謙平 姜呈馥 劉 剛 尹錦濤 高 潮 郭 超

（ 1陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司研究院；2陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點實驗室；3延長油田股份有限公司富縣采油廠 ）

頁巖油是指賦存于富有機質(zhì)泥頁巖層系中的自生自儲、連續(xù)分布的石油聚集。近年來，美國頁巖氣勘探開發(fā)取得了巨大成功，引發(fā)全球掀起了頁巖氣勘探開發(fā)的熱潮。同時美國的勘探實踐也證實，頁巖油資源同樣具有巨大的勘探潛力[1]。目前頁巖油已在美國、加拿大、澳大利亞等國家得到了商業(yè)性的開發(fā)[2-7]。中國渤海灣、松遼、南襄、鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾等多個中—新生代陸相湖盆中，也已不同程度地獲得了工業(yè)頁巖油流[8-14],顯示出良好的勘探開發(fā)前景。但是由于中國地質(zhì)條件的復(fù)雜性，頁巖油的勘探工作仍面對較大的挑戰(zhàn)。2011年以來陜西延長石油（集團）有限責(zé)任公司在鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)延長組長7段頁巖油氣勘探實踐中，大量鉆井在黑色富有機質(zhì)頁巖段發(fā)現(xiàn)了豐富的油氣顯示，少數(shù)鉆井經(jīng)壓裂獲得低產(chǎn)油流，證明了富有機質(zhì)頁巖中存在頁巖油資源。目前已有學(xué)者對鄂爾多斯盆地長7頁巖油展開初步探討[15-16]，對頁巖油的勘探、評價方法等開展了一些探索性的研究工作，但總體處于起步階段，對頁巖油富集的基本條件等認(rèn)識還不夠清晰。本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，從長7段富有機質(zhì)頁巖的巖相特征、儲集性能、地球化學(xué)特征及烴類的可動性等方面展開研究，以期為頁巖油藏的富集區(qū)評價、資源潛力等深入分析奠定基礎(chǔ)，從而有效指導(dǎo)該區(qū)頁巖油的勘探開發(fā)工作。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是中國第二大沉積盆地。在晚三疊世長7早期，強烈的構(gòu)造活動使得湖盆快速擴張，形成了大范圍的深水沉積，水生生物和浮游生物繁盛，有機質(zhì)豐富，發(fā)育了大規(guī)模湖相頁巖層[17]。富縣地區(qū)位于長7沉積期的沉積中心，主要發(fā)育半深湖—深湖相泥頁巖，這套泥頁巖層系為頁巖油的生烴成藏奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)（圖1）。富縣地區(qū)構(gòu)造上位于伊陜斜坡東南部，構(gòu)造面貌與區(qū)域構(gòu)造面貌一致，東高西低，在平緩的西傾單斜背景上，發(fā)育差異壓實作用形成的近東西向低緩鼻褶，未見明顯斷裂發(fā)育。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃與研究區(qū)位置圖

2 湖相頁巖油形成的地質(zhì)條件

2.1 巖石礦物學(xué)及巖相特征

晚三疊世早期，鄂爾多斯盆地經(jīng)歷湖盆雛形—形成—鼎盛的演化階段[18]，在研究區(qū)內(nèi)頻繁湖進(jìn)湖退的水動力環(huán)境使得長7頁巖中粉砂質(zhì)紋層發(fā)育[19]。剖面、巖心及鏡下薄片觀察結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地延長組長7頁巖中粉砂質(zhì)紋層普遍發(fā)育(圖2)。本次研究主要以長7下部發(fā)育的“張家灘”頁巖為對象，以下簡稱長7頁巖。在YY1井50.5m的長7頁巖巖心中，總計觀測粉砂質(zhì)紋層1880層，累計厚度為6.1m，約占測量頁巖段總厚度的11.9%，粉砂質(zhì)紋層在黑色頁巖段均有發(fā)育。粉砂質(zhì)紋層發(fā)育的平均頻率為37.2層/m，粉砂質(zhì)紋層單層厚度多數(shù)分布在0.2～5mm之間（圖3）。研究區(qū)長7頁巖中普遍發(fā)育的粉砂質(zhì)紋層造成頁巖整體脆性變高，X射線衍射分析結(jié)果也證明了這點。粉砂質(zhì)紋層中石英、長石等脆性礦物含量較高，占總礦物含量的80%左右，黏土礦物含量約為20%。

北美頁巖油氣的勘探開發(fā)經(jīng)驗表明，富含石英等脆性礦物的頁巖具有較好的可壓性，在外力作用下有利于形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，對頁巖油的開采十分有利[20-21]。

圖2 剖面（a）、巖心（b）和薄片（c）尺度下頁巖粉砂質(zhì)紋層發(fā)育特征

圖3 YY1井頁巖粉砂質(zhì)紋層單層厚度統(tǒng)計直方圖

頁巖中有利的巖相是頁巖油賦存的甜點區(qū)，國外學(xué)者一般利用油飽和指數(shù)OSI（S1×100/TOC）來表征泥頁巖中游離油量的多少，作為頁巖油富集的標(biāo)準(zhǔn)[22]。本次工作在野外露頭、巖心觀察、有機地球化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對長7頁巖巖相進(jìn)行劃分，并開展有利巖相評價。長7頁巖可劃分出黑色頁巖、含粉砂質(zhì)紋層黑色頁巖、暗色泥巖、含粉砂質(zhì)紋層暗色泥巖、粉砂巖5種巖相，對不同巖相進(jìn)行有機碳和熱解S1分析，結(jié)果表明含粉砂質(zhì)紋層黑色頁巖的OSI平均值為110mg/g，為頁巖油賦存的最優(yōu)質(zhì)巖相（表1）。

表1 富縣地區(qū)長7頁巖巖相劃分表

2.2 頁巖展布特征

富縣地區(qū)位于長7期的沉積中心，長7頁巖分布廣泛、穩(wěn)定。通過單井錄井、巖心、測井等資料相結(jié)合，對富縣地區(qū)延長組長7頁巖發(fā)育特征進(jìn)行解剖。結(jié)果表明：富縣地區(qū)延長組長7頁巖大規(guī)模發(fā)育，最厚可達(dá)100m，縱向上主要發(fā)育在長73小層，厚度主要為50～60m，這套頁巖在測井曲線上表現(xiàn)出低自然電位、高聲波時差、高自然伽馬、高電阻率和低密度等顯著特點（圖4）[23]。這套頁巖的規(guī)模展布，為頁巖油的成藏提供了基本的物質(zhì)條件（圖4、圖5）。

2.3 生烴條件及滯留烴特征

頁巖的有機質(zhì)類型、有機質(zhì)豐度、成熟度是頁巖油評價的主要參數(shù)和儲量估算的重要指標(biāo)，也是頁巖油賦存狀態(tài)、形成機理研究的基礎(chǔ)。

圖4 Y817井—LP204井—YY12井長7頁巖連井剖面圖

圖5 富縣地區(qū)長7頁巖厚度分布圖

2.3.1 有機質(zhì)類型、豐度及成熟度

熱解參數(shù)和顯微組分分析結(jié)果表明，研究區(qū)長7頁巖有機質(zhì)類型主要以Ⅰ—Ⅱ1型為主，還有部分Ⅱ2型有機質(zhì)。TOC值一般為2.0%～8.0%，平均為4.7%（68塊樣品）。實測頁巖有機質(zhì)成熟度表明，長7頁巖鏡質(zhì)組反射率為0.51%～1.39%（63塊樣品），最高熱解峰溫Tmax主要分布在440～460℃。根據(jù)頁巖油氣分級評價標(biāo)準(zhǔn)，并與中國東部渤海灣盆地渤南洼陷沙三段的TOC、S1、氯仿瀝青“A”等指標(biāo)對比[24]，研究區(qū)頁巖的有機質(zhì)類型、豐度、成熟度均達(dá)到或超過了頁巖油氣有利區(qū)的下限要求。

2.3.2 頁巖中滯留烴特征

頁巖中的滯留烴對于頁巖油富集意義重大，游離態(tài)滯留烴是頁巖油產(chǎn)能的有效貢獻(xiàn)者，常用熱解S1和氯仿瀝青“A”來表征[25]。長7頁巖地球化學(xué)分析結(jié)果表明，頁巖熱解S1主要分布在2～6mg/g，平均約4.17mg/g；氯仿瀝青“A”主要分布在0.31%～1.20%，平均為0.72%，含量較高（103塊樣品）。采用二氯甲烷抽提方法對含粉砂質(zhì)紋層黑色頁巖巖心柱樣品進(jìn)行了含油飽和度測試，結(jié)果顯示含油飽和度分布在13.84%～87.34%，平均為39.32%（30塊樣品）。表明研究區(qū)頁巖的含油飽和度較高，液態(tài)烴體積占據(jù)了近40%的儲集空間。與南襄盆地泌陽坳陷泌頁1井熱解參數(shù)相比[26]，研究區(qū)長7滯留烴含量遠(yuǎn)高于該井。

2.4 儲集條件

頁巖中發(fā)育的有機質(zhì)孔、溶蝕孔及微裂隙等多種類型儲集空間是頁巖油的賦存場所，其對頁巖油的賦存狀態(tài)具有重要影響。本次工作利用氦氣膨脹法、脈沖衰減法等多種測試手段，結(jié)合顯微鏡和掃描電鏡觀察結(jié)果，分析長7頁巖中的儲集空間類型、發(fā)育特征、孔隙度及微觀結(jié)構(gòu)特征。研究結(jié)果表明，研究區(qū)長7頁巖中局部有機質(zhì)孔較為發(fā)育，孔隙、喉道均為納米級，大于油氣分子大小，可為油氣儲集提供場所。

2.4.1 微觀儲集空間類型

利用氬離子場發(fā)射掃描電鏡對長7頁巖開展微觀結(jié)構(gòu)觀察分析。長7頁巖結(jié)構(gòu)十分致密，主要發(fā)育粒間孔、溶蝕孔、有機質(zhì)孔、微裂隙等多種儲集空間類型。其中，粒間孔主要孔隙形態(tài)呈不規(guī)則多邊形，孔隙直徑從幾納米至幾十微米不等，多數(shù)在十幾納米至十幾微米之間，孔隙連通性較差，對頁巖油的儲集不利（圖6a）。研究區(qū)長7頁巖局部有機質(zhì)中有機質(zhì)孔較為發(fā)育，部分有機質(zhì)中蜂窩狀、海綿狀的有機質(zhì)孔成群發(fā)育，有機質(zhì)孔相互連接，形成孔隙網(wǎng)絡(luò)，有機質(zhì)孔孔徑主要為6～60nm，最大可達(dá)1μm以上，有機質(zhì)孔是頁巖油的主要儲集空間類型之一（圖6b）。有機質(zhì)類型和含量可能是影響延長組頁巖中有機質(zhì)孔發(fā)育程度的關(guān)鍵因素，頁巖中分散狀的固體石油瀝青含量越高，有機質(zhì)孔越發(fā)育。另外一種有利的頁巖油儲集空間為頁巖有機質(zhì)中以及有機質(zhì)和無機礦物的接觸面發(fā)育的微裂隙，多順層分布且連續(xù)性好，寬度相對較小，多分布在1～2μm，局部有泥晶級成巖礦物垂直縫壁結(jié)晶，該類裂縫延伸距離較遠(yuǎn)，滲流能力較強（圖6c—e）。

長7頁巖粉砂質(zhì)紋層中，溶蝕孔相比純頁巖數(shù)量更多，規(guī)模更大，孔徑一般在50nm以上，部分可達(dá)5μm（圖6f）。頁巖中廣泛發(fā)育的粉砂質(zhì)紋層是頁巖油非常重要的儲層類型。

圖6 長7頁巖儲集空間類型

2.4.2 孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征

為定量評價頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征，本次研究結(jié)合二氧化碳低溫低壓等溫吸附法、氮氣低溫低壓等溫吸附法和壓汞法等多種測試手段，對研究區(qū)未處理頁巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試和分析。測試結(jié)果表明，頁巖中孔隙孔徑主要分布在10μm以下，孔徑分布具有多峰分布的特點，主要峰值分別分布在0.3～1nm微孔孔徑區(qū)間、2～5nm中孔孔徑區(qū)間、10～40nm中孔孔徑區(qū)間、300～500nm大孔孔徑區(qū)間和2～5μm大孔孔徑區(qū)間（圖7）。

通過分析頁巖孔體積分布特征，孔徑2nm以下的微孔孔體積最小，占總孔體積的3%～9%，中孔孔體積和大孔孔體積較大且二者基本相當(dāng)，其中孔徑為 2～50nm的中孔孔體積占總孔體積的25%～62%；孔徑50nm以上大孔孔體積占總孔體積的32%～69%。以0.2nm的甲烷分子、0.25～5.00nm的石油分子分別與典型的頁巖氣產(chǎn)層[27]和長7頁巖的孔隙、喉道大小比較，長7頁巖的孔隙、喉道大小基本符合油氣存儲和產(chǎn)出要求。

圖7 頁巖的孔徑分布特征

采用氦氣膨脹法和脈沖衰減法對研究區(qū)50塊頁巖樣品進(jìn)行了孔隙度和滲透率測試，結(jié)果表明，頁巖層系孔隙度分布范圍較大（圖8），最小值為0.4%，最大值為5.2%，主要分布在0.8%～2.8%，平均為1.82%；滲透率最小值為0.00007mD，最大值為0.9mD。對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析，剔除受裂縫影響的偏大分析數(shù)據(jù)，研究區(qū)頁巖的滲流率主體小于0.05mD，平均為0.005mD（圖9）。

圖8 孔隙度分布直方圖

圖9 滲透率分布直方圖

3 含油氣性

圖10 孔隙和裂縫中頁巖油發(fā)育特征

頁巖是否含油是頁巖油能否成藏的關(guān)鍵指標(biāo)，滯留烴特征結(jié)果顯示研究區(qū)頁巖熱解S1和氯仿瀝青“A”含量較高。此外，鏡下觀察頁巖和紋層中的孔隙、裂縫均發(fā)育一定數(shù)量的頁巖油（圖10），表明長7頁巖具有較好的含油性。近年鉆井過程中，長7頁巖普遍顯示高氣測異常，現(xiàn)場解析結(jié)果顯示頁巖含氣量最小為0.2m3/t，最大為2.6m3/t，平均為1.6m3/t（圖11）。頁巖中較高的含氣量可以增加頁巖層系的氣油比，提高原油的流動性和可采性。在含粉砂質(zhì)紋層黑色頁巖中，黑色頁巖所生成的石油只需經(jīng)過極短的運移距離就能進(jìn)入粉砂質(zhì)紋層中聚集，加上粉砂質(zhì)紋層自身也混有一定數(shù)量的沉積有機質(zhì)，具有一定的生烴潛力，這兩者的有機結(jié)合有利于頁巖油的富集。

圖11 現(xiàn)場含氣量測試結(jié)果統(tǒng)計直方圖

研 究 區(qū) LP179、LP171、YY5、YY1、X57、YY33等井長7頁巖段經(jīng)壓裂獲得不同程度頁巖油流，其中YY1井達(dá)到工業(yè)油流標(biāo)準(zhǔn)。長7原油實測物性統(tǒng)計結(jié)果表明：原油密度平均為0.84g/cm3；黏度平均為5.47mPa·s；原油初餾點平均為59℃；凝固點平均為20.5℃；平均含硫量約0.02%。長7頁巖原油屬于低密度、低黏度、低凝固點的原油，總體具有油質(zhì)輕、黏度小的特點，且研究區(qū)頁巖中普遍含氣，有利于頁巖油在納米孔喉中的流動和開采。

4 勘探有利區(qū)評價

此次主要采用熱解參數(shù)S1法對鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)頁巖油資源量進(jìn)行計算。富縣地區(qū)長7頁巖埋深大于1000m，厚度在50～60m之間。頁巖油資源量計算公式為：

式中 Q油——頁巖油地質(zhì)資源量，104t；

Si——含油頁巖單位面積，km2；

hi——頁巖平均厚度，m；

ρi——頁巖平均密度，t/m3；

S1i——頁巖平均含油率，本文用熱解參數(shù)S1表征，mg/g。

富縣地區(qū)位于湖盆沉積中心，研究表明長7頁巖分布面積達(dá)0.23×104km2，厚度平均值為55.3m，密度平均值為2.44t/m3，含油率平均值為4.17mg/g。通過計算，鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)頁巖油資源量為12.94×108t。

綜合頁巖展布特征、巖石礦物學(xué)及巖相特征、生烴條件及滯留烴特征、儲集條件、含油氣性等多種因素，認(rèn)為長7頁巖粉砂質(zhì)紋層發(fā)育段是頁巖油勘探的有利目的層段，該層段粉砂質(zhì)紋層中微米級孔隙發(fā)育，物性好，脆性較高，含油氣性好，微裂縫發(fā)育，頁巖油在其中滯留或短距離運移，易于形成頁巖油流。對長7頁巖的生油潛力、儲集能力及頁巖油可動性等方面展開評價，建立了富縣地區(qū)頁巖油有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)（表2），優(yōu)選出有利區(qū)452km2（圖12）。

表2 富縣地區(qū)頁巖油有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)論

鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)長7湖相頁巖厚度大、連片分布，生烴條件優(yōu)越，頁巖中粒間孔、溶蝕孔、有機質(zhì)孔及微裂縫發(fā)育，頁巖含油氣性好，具備頁巖油形成的基本地質(zhì)條件。

長7頁巖中粉砂質(zhì)紋層大量發(fā)育，粉砂質(zhì)紋層中微米級孔隙發(fā)育，物性好，脆性高，含油氣性好，微裂縫發(fā)育，頁巖油在其中滯留或短距離運移，是頁巖油勘探的有利目的層段。

綜合頁巖展布特征、巖石礦物學(xué)及巖相特征、生烴條件及滯留烴特征、儲集條件、含油氣性等多種因素，優(yōu)選出有利勘探目標(biāo)區(qū)452km2，為下步勘探指明了方向。

圖12 鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)頁巖油有利區(qū)預(yù)測分布圖