付鎖堂，姚涇利，李士祥，周新平，李明瑞

(1．低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018；2．中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田公司，西安 710018；3．中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田公司 勘探事業(yè)部，西安 710018；4．中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田公司 勘探開發(fā)研究院，西安 710018)

“頁(yè)巖氣革命”帶動(dòng)了世界非常規(guī)油氣勘探[1-4]。隨著頁(yè)巖氣、致密油氣、煤層氣、油砂等勘探逐步進(jìn)入快速發(fā)展階段，頁(yè)巖油資源也成為了油氣工業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[3-6]。狹義頁(yè)巖油是指頁(yè)巖內(nèi)的石油資源。但廣義的頁(yè)巖油概念更具實(shí)用性，即頁(yè)巖層系(由同沉積形成的互層狀頁(yè)巖、泥巖及相關(guān)致密砂巖、碳酸鹽巖等組成)內(nèi)的石油資源[7-9]。作為一種自生自儲(chǔ)原地成藏的油氣資源[8-10]，頁(yè)巖油資源潛力巨大[5,11]，勘探前景光明。據(jù)美國(guó)能源信息署(EIA)評(píng)估，全球頁(yè)巖油可采資源量為469×108t[12]。

海外的頁(yè)巖油勘探集中于美國(guó)本土，Williston盆地Bakken組、Western Gulf盆地Eagle Ford組等層段進(jìn)行了商業(yè)性的頁(yè)巖油開采[3,5-6]。2019年，美國(guó)頁(yè)巖油產(chǎn)量3.74×108t，占美國(guó)原油產(chǎn)量的66%[13-14]。中國(guó)的鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、渤海灣、松遼等盆地皆蘊(yùn)藏著豐富的頁(yè)巖油資源[15-18]，2016年全國(guó)資源評(píng)價(jià)頁(yè)巖油技術(shù)可采資源量達(dá)145×108t。然而，與北美海相頁(yè)巖油相比，中國(guó)頁(yè)巖油以陸相為主，普遍具有構(gòu)造復(fù)雜、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、厚度不穩(wěn)定、異常壓力不明顯、油質(zhì)重、氣油比低的特點(diǎn)[19-20]。中國(guó)頁(yè)巖油勘探起步晚，面臨著開發(fā)難度大、成本高的困難。通過(guò)多年的探索實(shí)踐，目前準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組[21-22]、鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7 段、渤海灣盆地古近系、松遼盆地白堊系[15]等頁(yè)巖油勘探開發(fā)取得了突破性進(jìn)展，隨著開采技術(shù)愈發(fā)成熟完善，頁(yè)巖油將成為我國(guó)石油供給重要的戰(zhàn)略性接替資源[15,23-26]。

鄂爾多斯盆地陸相頁(yè)巖油是指賦存于延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段泥頁(yè)巖層系中的石油，泥頁(yè)巖層系內(nèi)細(xì)砂巖、粉砂巖單層平均厚度3.5 m，70.6%的單砂層厚度小于5 m，其累計(jì)厚度占長(zhǎng)7頁(yè)巖層系總厚度的17.8%，砂地比小于30%的井占比75.3%。對(duì)比頁(yè)巖油地質(zhì)評(píng)價(jià)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[27]，盆地長(zhǎng)7烴源巖層系內(nèi)發(fā)育典型的頁(yè)巖油。其主要特點(diǎn)是源儲(chǔ)共生，大面積連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)分布，無(wú)明顯含油邊界，無(wú)明顯油水界面，不發(fā)育邊底水；含油飽和度大于70%，氣油比一般70%～120%；無(wú)自然產(chǎn)能，直井壓裂改造后雖能達(dá)到工業(yè)產(chǎn)能標(biāo)準(zhǔn)，但是穩(wěn)產(chǎn)能力有限，需采用水平井體積壓裂改造等特殊工藝技術(shù)。

鄂爾多斯盆地真正意義上的頁(yè)巖油勘探始于2011年。2011—2017年以頁(yè)巖油地質(zhì)目標(biāo)評(píng)價(jià)研究和提高單井產(chǎn)量技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)為重點(diǎn)，在甘肅慶城地區(qū)建成了X233、Zh183、N89三個(gè)試驗(yàn)區(qū)，25口水平井初期平均單井日產(chǎn)油12.5 t，目前平均5.4 t，呈現(xiàn)良好穩(wěn)產(chǎn)能力。2018年以來(lái)，集成創(chuàng)新關(guān)鍵勘探開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?？碧胶托б娼óa(chǎn)；2019年新增石油探明地質(zhì)儲(chǔ)量3.58×108t、預(yù)測(cè)地質(zhì)儲(chǔ)量6.93×108t，發(fā)現(xiàn)了慶城10億噸級(jí)源內(nèi)頁(yè)巖油大油田。長(zhǎng)7段頁(yè)巖油勘探開發(fā)成果認(rèn)識(shí)與形成的勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，為推動(dòng)我國(guó)陸相源內(nèi)非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)提供了重要借鑒和技術(shù)引領(lǐng)。

1 構(gòu)造沉積背景

鄂爾多斯盆地位于我國(guó)中部，是一個(gè)多旋回克拉通沉積盆地，經(jīng)歷了3個(gè)演化階段，即古元古代的基底演化階段、古生代的穩(wěn)定升降階段和晚古生代以來(lái)的陸相湖盆演化階段；沉積了中—新元古界的海相碳酸鹽巖、上古生界—中生界的海陸交互相/陸相碎屑巖二套沉積層系，最終形成盆地現(xiàn)今穩(wěn)定的構(gòu)造形態(tài)[28]。根據(jù)現(xiàn)今盆地構(gòu)造形態(tài)及演化歷史，劃分出西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、伊盟隆起及渭北隆起6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7沉積期湖盆分布及構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Lacustrine basin range and tectonic division during Chang 7 sedimentary period, Ordos Basin

晚三疊世早期，受華北陸塊與揚(yáng)子陸塊的拼合控制，鄂爾多斯盆地西南部形成了大型陸相淺水湖泊[29]。延長(zhǎng)組沉積期，湖泊經(jīng)歷了形成、發(fā)展和消亡的全過(guò)程，沉積了一套內(nèi)陸河流—三角洲—湖泊相碎屑沉積體系(圖2a)[30-32], 自上而下依次劃分為長(zhǎng)1—長(zhǎng)10共10個(gè)油層組[33-34]。其中，長(zhǎng)10—長(zhǎng)8沉積期為湖進(jìn)階段，主要發(fā)育進(jìn)積型河流—三角洲沉積體系。長(zhǎng)7沉積期，盆地周緣區(qū)域構(gòu)造較活躍，盆地受西南方向強(qiáng)烈擠壓和東北方向垂向隆升的影響，發(fā)生了南北不均衡、不對(duì)稱的快速坳陷過(guò)程，湖盆基底呈“南陡北緩”的展布格局[35-36]。長(zhǎng)7為湖泊發(fā)育鼎盛期，從早到晚可分為長(zhǎng)73、長(zhǎng)72和長(zhǎng)71三個(gè)亞期(圖2b)，湖盆面積的80%以上為半深湖—深湖環(huán)境，沉積了超過(guò)6.5×104km2的黑色頁(yè)巖、暗色泥巖和粉—細(xì)砂巖組合，泥頁(yè)巖厚度大，普遍分布在30～60 m，局部泥頁(yè)巖累計(jì)厚度超過(guò)80 m。長(zhǎng)6期進(jìn)入湖退期，主要發(fā)育進(jìn)積型三角洲沉積。長(zhǎng)7段規(guī)模發(fā)育的泥頁(yè)巖層系為頁(yè)巖油資源的形成奠定了良好的生烴基礎(chǔ)。

圖2 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組及長(zhǎng)7段地層柱狀簡(jiǎn)圖Fig.2 Stratigraphic histogram of Chang 7 Member and Yanchang Formation in Ordos Basin

2 頁(yè)巖油類型與特征

根據(jù)頁(yè)巖油產(chǎn)層的巖性組合和裂縫發(fā)育情況等特征，JARVIE等[37]將美國(guó)頁(yè)巖油系統(tǒng)劃分為3個(gè)類型，即致密型富有機(jī)質(zhì)泥巖系統(tǒng)(如Barnett組)、裂縫型富有機(jī)質(zhì)泥巖系統(tǒng)(如Monterey組)及具有相鄰、連續(xù)富有機(jī)質(zhì)和貧有機(jī)質(zhì)層的混合系統(tǒng)(如Bakken組)。目前的勘探結(jié)果表明，裂縫型與混合型頁(yè)巖油系統(tǒng)具有高的頁(yè)巖油生產(chǎn)能力，而致密型頁(yè)巖油系統(tǒng)因超低滲透率以及有機(jī)質(zhì)、黏土對(duì)石油的吸附滯留效應(yīng)，難以獲得高的頁(yè)巖油產(chǎn)量。

我國(guó)具有勘探價(jià)值的頁(yè)巖油多以泥頁(yè)巖組合為主，常見的有裂縫發(fā)育的頁(yè)巖基質(zhì)型系統(tǒng)[38-39](如泌陽(yáng)凹陷核桃園組)和鈣質(zhì)夾層或薄砂層發(fā)育的泥巖系統(tǒng)[40-41](如鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段、濟(jì)陽(yáng)坳陷孔店組)。張金川等[42]根據(jù)我國(guó)含油氣盆地中頁(yè)巖油的賦存方式及賦存空間，將頁(yè)巖油分為基質(zhì)型和夾層型2種類型，結(jié)合頁(yè)巖氣標(biāo)準(zhǔn)將單層厚度小于2 m、砂/鈣質(zhì)夾層比例低于20%的類型稱之為夾層型；而純頁(yè)巖段稱之為基質(zhì)型。

依據(jù)長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖特征、砂泥巖組合類型及頁(yè)巖油賦存機(jī)制，鄂爾多斯盆地頁(yè)巖油資源可分為3種類型(表1)：源儲(chǔ)分異型Ⅰ類頁(yè)巖油、源儲(chǔ)一體型Ⅱ類頁(yè)巖油和純頁(yè)巖型Ⅲ類頁(yè)巖油。Ⅰ類頁(yè)巖油以等厚或略等厚的砂巖與泥頁(yè)巖互層為基本巖性組合特征，砂地比大于20%，單砂體厚度一般小于5 m；Ⅱ類頁(yè)巖油以厚層連續(xù)泥頁(yè)巖沉積中夾有厚度2～4 m的薄砂層為典型特征，該類型砂地比10%～20%；Ⅲ類頁(yè)巖油以厚層連續(xù)泥頁(yè)巖沉積為主，中間偶夾厚度小于2 m的單砂層，砂地比低于10%。

表1 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁(yè)巖油類型及特征對(duì)比Table 1 Classification and characteristics of shale oil in Chang 7 Member, Ordos Basin

長(zhǎng)7段頁(yè)巖油在平面上具分區(qū)性分布特征，Ⅰ類頁(yè)巖油主要分布于三角洲前緣水下分流河道與半深湖—深湖砂質(zhì)碎屑流沉積區(qū)，Ⅱ類、Ⅲ類頁(yè)巖油主要分布于深湖泥頁(yè)巖沉積區(qū)。縱向上，Ⅰ類頁(yè)巖油和Ⅱ類頁(yè)巖油主要分布在長(zhǎng)71段和長(zhǎng)72段，長(zhǎng)73段主要發(fā)育Ⅱ類頁(yè)巖油和Ⅲ類頁(yè)巖油。

3種類型頁(yè)巖油的地質(zhì)條件、賦存機(jī)制均有所差異，開采對(duì)策不盡相同。Ⅰ類頁(yè)巖油類似于北美Bakken頁(yè)巖油，層系內(nèi)砂體累計(jì)厚度較大，主要甜點(diǎn)段是相對(duì)發(fā)育的砂巖層段，頁(yè)巖油以游離態(tài)賦存其中，在水平井體積壓裂等技術(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)，該類頁(yè)巖油是現(xiàn)今盆地勘探開發(fā)的主體對(duì)象。Ⅱ類頁(yè)巖油的砂體單層厚度薄，累計(jì)厚度小，成因復(fù)雜，甜點(diǎn)分布規(guī)律不明確，這類頁(yè)巖油的勘探潛力目前處于探索階段，是近期風(fēng)險(xiǎn)勘探的重要目標(biāo)。Ⅲ類頁(yè)巖油以純頁(yè)巖為主，對(duì)于已進(jìn)入生油窗的純頁(yè)巖層系，頁(yè)巖油以吸附態(tài)賦存，有利富集區(qū)應(yīng)以天然裂縫發(fā)育的、較高地層能量的區(qū)域?yàn)橹?，開采的核心問(wèn)題是頁(yè)巖油的脫附流動(dòng)機(jī)制；而對(duì)于低成熟度的純頁(yè)巖，原位加熱轉(zhuǎn)化是目前最為理想的開發(fā)方式。

3 頁(yè)巖油富集控制因素

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油資源豐富，富有機(jī)質(zhì)烴源巖具備大規(guī)模生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)，細(xì)粒砂巖儲(chǔ)層發(fā)育眾多微納米孔喉體系，具備較好儲(chǔ)集能力，多類型細(xì)粒沉積間互分布構(gòu)成了良好的源儲(chǔ)共生配置，富有機(jī)質(zhì)供烴和高強(qiáng)度持續(xù)充注形成了源內(nèi)高含油飽和度頁(yè)巖油。

3.1 頁(yè)巖油形成的物質(zhì)基礎(chǔ)

長(zhǎng)7段有機(jī)質(zhì)的大量富集和保存形成了富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁(yè)巖和暗色泥巖(圖3)，成就了中生界最為主要的一套優(yōu)質(zhì)烴源巖[43-44]。優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度一般15～40 m，在姬塬、華池、富縣等湖盆中部局部地區(qū)厚度達(dá)60 m，疊加面積近6.5×104km2，廣覆式分布(圖1)。其中，黑色頁(yè)巖、暗色泥巖平面上互補(bǔ)分布，黑色頁(yè)巖厚度一般為10～35 m，平均厚度約20 m，最大厚度可達(dá)60 m，面積達(dá)4.3×104km2；暗色泥巖厚度一般分布于10～50m，平均厚度約25m，最大厚度可達(dá)120 m，面積達(dá)6.2×104km2。生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)表明，長(zhǎng)7段黑色頁(yè)巖生烴潛量約400 kg/t，生烴強(qiáng)度一般為(400～600)×104t/km2，平均495×104t/km2，是頁(yè)巖油發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段黑色頁(yè)巖、暗色泥巖巖心和普通薄片特征Fig.3 Characteristics of cores and thin sections of black shale and dark mudstone of Chang 7 Member, Ordos Basin

黑色頁(yè)巖、暗色泥巖在沉積構(gòu)造、有機(jī)地化生烴指標(biāo)、測(cè)井響應(yīng)特征等方面均有不同[44-46]。黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育，含少量藻類化石、陸源泥與粉砂，粉砂多順層分布；有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1型和Ⅰ型；TOC含量為6%～16%，平均為13.8%；氯仿瀝青“A”一般為0.41%～1.51%，平均0.78%；S1一般為1.49～8.90 mg/g，平均4.02 mg/g；S1+S2主要為30～50 mg/g，最高可達(dá)150 mg/g以上；氫指數(shù)較高，一般為200～400 mg/g，氧指數(shù)較低，一般小于5 mg/g；具有異常高的自然伽馬、異常高的電阻率、異常低的巖石密度和低電位等顯著特征，即自然伽馬值大于180 API，巖石密度小于2.4 g/cm3，感應(yīng)電阻率高于50 Ω·m。暗色泥巖中陸源泥與粉砂含量增高，有機(jī)質(zhì)在泥巖中呈分散狀分布；有機(jī)質(zhì)豐度比黑色頁(yè)巖低，但在陸相盆地中仍屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1型和Ⅱ2型；TOC含量為2.0%～6.0%，平均為3.8%；氯仿瀝青“A”一般為0.20%～1.17%，平均0.65%；S1分布范圍為0.51～4.34 mg/g，平均2.11 mg/g；S1+S2主要分布于4～20 mg/g，平均為11 mg/g；氫指數(shù)較高，一般為200～400 mg/g，氧指數(shù)偏低，一般小于20 mg/g；具有較高的自然伽馬、較高的電阻率、較低的巖石密度等特征，自然伽馬值一般分布在120～160 API，巖石密度為2.4～2.5 g/cm3，感應(yīng)電阻率主要分布在40～80 Ω·m。長(zhǎng)7烴源巖熱演化程度適中，在烴源巖主要分布的半深湖—深湖區(qū)域Ro分布于0.7%～1.1%，平均Tmax達(dá)到447 ℃，已達(dá)生油成熟階段，處于生油高峰期。值得注意的是，除了長(zhǎng)7段黑色頁(yè)巖、暗色泥巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖外，細(xì)粒沉積中的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖也均具備一定生烴潛力，部分樣品生烴評(píng)價(jià)指標(biāo)為中等—好烴源巖(圖4)。長(zhǎng)7段具有整體生烴的特征，黑色頁(yè)巖、暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等共同形成了中生界主力烴源巖，為烴源巖層系頁(yè)巖油規(guī)模富集提供了重要的油源條件。

圖4 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段不同巖性烴源巖評(píng)價(jià)主要參數(shù)分布特征Fig.4 Distribution characteristics of main parameters for source rock evaluation in Chang 7 Member, Ordos Basin

高生產(chǎn)力、缺氧環(huán)境的保存條件和低陸源碎屑補(bǔ)償速度等是長(zhǎng)7段有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)鍵。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中顯微紋層發(fā)育，反映沉積時(shí)初級(jí)生產(chǎn)力較高；頁(yè)巖富含P2O5、Fe、V、Cu、Mo、Mn等生物營(yíng)養(yǎng)元素，反映水體中豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是引起生物勃發(fā)和高生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素。長(zhǎng)7段存在大量沉凝灰?guī)r進(jìn)一步表明，湖盆發(fā)育時(shí)期火山、地震活動(dòng)頻繁，盆地內(nèi)部熱液作用活躍，地質(zhì)事件誘發(fā)了高生物生產(chǎn)力。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖富含黃鐵礦，S2-含量較高，表明湖盆底層水和沉積物表層缺氧，缺氧程度越高，有機(jī)質(zhì)富集程度越高；黏土礦物含量低(<40%)，較低的Al2O3(平均13.01%)、SiO2(平均49.29%)和總稀土含量(平均187×10-6)及其與有機(jī)質(zhì)豐度的負(fù)相關(guān)性，反映了低陸源碎屑補(bǔ)給速度促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的富集。

3.2 微納米孔喉體系有效提升了儲(chǔ)集能力

受頻繁的構(gòu)造事件控制和湖水的頻繁震蕩，半深湖—深湖環(huán)境中砂質(zhì)碎屑流與濁流沉積多期次發(fā)育，形成了長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖與粉—細(xì)砂巖間互的細(xì)粒沉積組合，縱向上形成砂質(zhì)碎屑流與濁流或多期砂質(zhì)碎屑流疊加的砂體組合，平面上砂體疊合連片分布，范圍廣，具有一定的厚度。

長(zhǎng)7段細(xì)粒砂巖是頁(yè)巖油主要儲(chǔ)集體。應(yīng)用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、雙束電鏡、微納米CT掃描成像等測(cè)試技術(shù)對(duì)細(xì)粒砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行表征，儲(chǔ)層孔隙類型主要為殘余粒間孔隙、溶蝕孔隙和晶間孔隙?？紫冻叨却笮〕蚀罂紫?>20 μm)、中孔隙(10～20 μm)、小孔隙(2～10 μm)、微孔隙(0.5～2 μm)、納米孔隙(<0.5 μm)多尺度發(fā)育的特征。微納米CT定量分析結(jié)果表明，各種尺度的孔隙呈連續(xù)分布的特征。從孔隙數(shù)量對(duì)比來(lái)看，大孔隙(>20 μm)和中孔隙(10～20 μm)比例不高，小孔隙和微孔隙(<10 μm)數(shù)量最多(圖5a)。儲(chǔ)層中小孔隙(2～10 μm)所占的孔隙體積最大，大孔隙(>20 μm)所占孔隙體積次之，而微孔隙和納米孔隙(<2 μm)雖然數(shù)量較多，但所占有的孔隙體積小，樣品的歸一化統(tǒng)計(jì)得到頁(yè)巖油儲(chǔ)層中2～8 μm尺度孔隙占總孔隙體積達(dá)65%～86%(圖5b)。頁(yè)巖油儲(chǔ)層孔喉雖然細(xì)小，但小尺度孔隙數(shù)量眾多，增加了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間，使長(zhǎng)7段頁(yè)巖油儲(chǔ)層具有與低滲透儲(chǔ)層相當(dāng)?shù)膬?chǔ)集能力。

圖5 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段與長(zhǎng)8段儲(chǔ)層孔隙數(shù)量與孔隙體積對(duì)比Fig.5 Pore quantities and pore volumes in Chang 7 and Chang 8 members, Ordos Basin

頁(yè)巖油細(xì)粒砂巖儲(chǔ)層的喉道較窄，主要分布在20～120 nm，喉道與孔隙相對(duì)連通，孔隙配位數(shù)較低，主要為2～4(圖6)，平均配位數(shù)2.5，納米級(jí)喉道連通微米級(jí)孔隙形成眾多簇狀復(fù)雜孔喉單元，有效提升了儲(chǔ)集性能(圖7)。

圖6 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段砂巖儲(chǔ)層孔隙配位數(shù)分布Fig.6 Pore coordination number of sandstone reservoirs in Chang 7 Member, Ordos Basin

圖7 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段細(xì)粒砂巖儲(chǔ)層三維孔喉網(wǎng)絡(luò)特征Fig.7 Three-dimensional pore throat network characteristics of fine sandstone reservoirs in Chang 7 Member, Ordos Basin

3.3 細(xì)粒沉積組合控制了頁(yè)巖油的空間分布

沉積相控制了細(xì)粒沉積物的成因類型及分布規(guī)律。長(zhǎng)7沉積期，湖盆呈西南陡、東北緩的底型特征，西南陡坡帶形成了大面積重力流砂體，主要發(fā)育砂質(zhì)碎屑流、濁流、滑塌沉積等沉積微相，形成了塊狀細(xì)砂巖、薄—厚層狀粒序?qū)永矸凵皫r等巖相類型，屬于還原—強(qiáng)還原富有機(jī)相。東北、西北緩坡帶以三角洲沉積為主，主要發(fā)育水下分流河道、席狀砂等沉積微相，形成了塊狀層理細(xì)砂巖、粉砂巖等巖相，屬于弱還原—還原中等有機(jī)相。廣布的半深湖—深湖環(huán)境形成了大面積分布的烴源巖，發(fā)育紋層狀黑色頁(yè)巖、塊狀層理暗色泥巖，屬于強(qiáng)還原富有機(jī)相。沉積相、巖相、有機(jī)相三相耦合，共同控制了盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油源儲(chǔ)組合(圖8)，構(gòu)成了長(zhǎng)7頁(yè)巖油上、中、下3個(gè)甜點(diǎn)段。

隴東地區(qū)整體以半深湖—深湖相重力流沉積為主，主要發(fā)育砂質(zhì)碎屑流、濁流砂體。平面上長(zhǎng)73砂體零散分布，長(zhǎng)71—長(zhǎng)72砂體大規(guī)模疊合連片分布。該區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育，廣覆式分布的重力流砂體疊合在黑色頁(yè)巖之上或夾持在烴源巖之間，成藏條件優(yōu)越，甜點(diǎn)段主要分布在長(zhǎng)71亞段和長(zhǎng)72亞段，2019年發(fā)現(xiàn)的慶城十億噸級(jí)頁(yè)巖油大油田就分布在隴東地區(qū)(圖8a)。

陜北地區(qū)主要發(fā)育三角洲前緣沉積，長(zhǎng)71水下分流河道砂體發(fā)育，平面上砂體成條帶狀分布，局部疊合連片。烴源巖厚度相對(duì)較薄，頁(yè)巖油局部富集，甜點(diǎn)段主要分布在長(zhǎng)71亞段(圖8b)。

姬塬地區(qū)長(zhǎng)71、長(zhǎng)72沉積期主要發(fā)育半深湖—深湖相重力流與三角洲前緣水下分流河道沉積，安邊一帶砂體疊合連片，其他區(qū)塊砂體規(guī)模相對(duì)隴東地區(qū)較小，一般呈條帶狀零星分布。該區(qū)烴源巖以暗色泥巖為主，三角洲前緣砂體與暗色泥巖指狀接觸，源儲(chǔ)配置有利，甜點(diǎn)段也主要分布在長(zhǎng)71和長(zhǎng)72亞段(圖8c)。

圖8 鄂爾多斯盆地不同地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁(yè)巖油成藏組合模式Fig.8 Shale oil accumulation pattern in Chang 7 Member in different areas, Ordos Basin

3.4 源內(nèi)高含油飽和度頁(yè)巖油的形成

長(zhǎng)7段黑色頁(yè)巖和暗色泥巖生烴能力強(qiáng)，而且達(dá)到生烴高峰階段時(shí)均具有很強(qiáng)的排烴能力，特別是黑色頁(yè)巖呈現(xiàn)出高效排烴的特征，利用殘留瀝青A的方法計(jì)算的排烴效率可達(dá)80%以上[43-44](圖9)。當(dāng)生烴量達(dá)到一定數(shù)量后，體積膨脹可產(chǎn)生顯著的增壓作用，不僅能夠促進(jìn)大量烴類排出，而且排出的烴類具有很高的勢(shì)能。在排出的高勢(shì)能流體注入砂巖儲(chǔ)層的瞬間，當(dāng)致密砂巖的導(dǎo)流速度小于排烴流體注入速度時(shí)，壓力梯度就會(huì)在致密砂巖中形成，從而促動(dòng)致密儲(chǔ)層中石油的運(yùn)移富集?！吧鸁N增壓—排出高能流體—運(yùn)移富集”過(guò)程的反復(fù)進(jìn)行，使得長(zhǎng)7烴源巖層系石油大規(guī)模成藏聚集。由此可見，長(zhǎng)7優(yōu)質(zhì)烴源巖既是主力烴源巖，又是石油運(yùn)聚的關(guān)鍵動(dòng)力源。高驅(qū)動(dòng)壓力不僅驅(qū)使運(yùn)移富集的持續(xù)進(jìn)行，而且有助于儲(chǔ)層含油飽和度的提高和石油富集。由于長(zhǎng)7烴源巖層系源儲(chǔ)共生，細(xì)粒級(jí)砂巖具“近水樓臺(tái)先得月”的源內(nèi)運(yùn)聚的有利條件，在烴源巖的演化排烴過(guò)程中，細(xì)粒級(jí)砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷了優(yōu)先充注和持續(xù)充注成藏的過(guò)程(圖10)。因此，長(zhǎng)7段細(xì)粒級(jí)砂巖具有大孔隙至納米孔隙均含油的特征，且含油飽和度較高，達(dá)70%以上。

圖9 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7烴源巖排烴率與TOC關(guān)系Fig.9 Relationship between hydrocarbon expulsion rate and TOC content of Chang 7 source rocks, Ordos Basin

圖10 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁(yè)巖油成藏組合剖面位置見圖1中AA′剖面。Fig.10 Shale oil accumulation pattern in Chang 7 Member, Ordos Basin

綜上所述，富有機(jī)質(zhì)烴源巖控制了頁(yè)巖油分布范圍，細(xì)粒砂巖儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)控制了油藏規(guī)模，多類型細(xì)粒沉積間互分布控制了甜點(diǎn)段空間分布，富有機(jī)質(zhì)供烴和高強(qiáng)度持續(xù)充注控制了頁(yè)巖油富集程度，四者的有效組合是形成鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油規(guī)模聚集的關(guān)鍵。

4 勘探開發(fā)實(shí)踐

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油的早期勘探和基礎(chǔ)地質(zhì)研究可以追溯到1970年代，但大規(guī)模的勘探開發(fā)主要集中于近十年，在Ⅰ類頁(yè)巖油勘探開發(fā)中探明了十億噸級(jí)的慶城大油田。具體的勘探開發(fā)過(guò)程以2011年和2017年為界限劃分為3個(gè)階段。

4.1 2011年之前的生烴評(píng)價(jià)、兼探認(rèn)識(shí)階段

1970年代以來(lái)，鄂爾多斯盆地在針對(duì)中生界術(shù)水平，并未認(rèn)識(shí)到長(zhǎng)7段勘探潛力，鉆遇油層被視為無(wú)開采價(jià)值的油層。

石油整體勘探過(guò)程中，有40余口井在隴東地區(qū)長(zhǎng)7段鉆遇油層。但是這一階段的勘探開發(fā)目的層以侏羅系為重點(diǎn)，且限于當(dāng)時(shí)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)和工藝技

1990年代之后，在盆地長(zhǎng)8段勘探過(guò)程中兼探長(zhǎng)7段，共有一百余口井試油獲工業(yè)油流，提交控制儲(chǔ)量5 132×104t、預(yù)測(cè)儲(chǔ)量6 913×104t。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，重點(diǎn)開展了油源對(duì)比分析和生烴能力評(píng)價(jià)，明確了長(zhǎng)7烴源巖是盆地中生界油藏最重要的烴源巖，并為大規(guī)模石油聚集提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)[44,46]。通過(guò)地質(zhì)露頭古水流測(cè)定、輕重礦物組合等多項(xiàng)技術(shù)手段的綜合應(yīng)用，在湖盆中部發(fā)現(xiàn)了重力流沉積砂體[29,30,34,47]，顛覆了以往認(rèn)為湖盆中部只發(fā)育泥頁(yè)巖而不發(fā)育砂巖的傳統(tǒng)觀念，繼而開展系統(tǒng)資源評(píng)價(jià)，認(rèn)為長(zhǎng)7存在一定規(guī)模的非常規(guī)油氣資源。

4.2 2011—2017年的勘探評(píng)價(jià)探索技術(shù)、提產(chǎn)提效階段

2011年以來(lái)，長(zhǎng)慶油田以地質(zhì)理論創(chuàng)新為突破口，積極轉(zhuǎn)變盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油勘探評(píng)價(jià)思路，借鑒國(guó)外非常規(guī)油氣“水平井+體積壓裂”開發(fā)理念，堅(jiān)持勘探開發(fā)一體化，積極開展地質(zhì)、地球物理、測(cè)井、工程等多學(xué)科一體化攻關(guān)試驗(yàn)。綜合儲(chǔ)層特性、含油性、烴源巖特性、脆性及地應(yīng)力等“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)因素，針對(duì)不同類型開展了攻關(guān)試驗(yàn)，在隴東地區(qū)先后建成X233、Zh183、N89等水平井攻關(guān)試驗(yàn)區(qū)，25口水平井試油平均日產(chǎn)超百方。截至2019年12月，試驗(yàn)區(qū)25口水平井初期平均單井日產(chǎn)油12.5 t，目前平均日產(chǎn)油5.4 t，投產(chǎn)時(shí)間平均5.8年，平均單井累產(chǎn)1.82×104t，最高單井累產(chǎn)達(dá)到4.2×104t，試驗(yàn)區(qū)累計(jì)產(chǎn)油45.38×104t，呈現(xiàn)出良好的穩(wěn)產(chǎn)潛力[48]。

此外，油田開發(fā)積極跟進(jìn)，開展不同井排距、不同水平段水平井、五點(diǎn)井網(wǎng)、七點(diǎn)井網(wǎng)水平井開發(fā)試驗(yàn)，以期進(jìn)一步提高單井產(chǎn)量，提高開發(fā)效益，形成穩(wěn)定的開發(fā)政策。規(guī)模運(yùn)用水平段1 500～2 000 m、井距400 m長(zhǎng)水平井壓裂蓄能開發(fā)，水平井壓裂段數(shù)由12～14增加到22段，單井入地液量由1.2×104m3上升到2.9×104m3，加砂量由1 000～1 300 m3提高到3 500 m3，投產(chǎn)后初期單井產(chǎn)量由8～9 t/d上升到17～18 t/d，主體開發(fā)技術(shù)日漸成熟。

4.3 2018年以來(lái)長(zhǎng)7頁(yè)巖油整體勘探與水平井規(guī)模開發(fā)示范區(qū)建設(shè)階段

2018年以來(lái)，長(zhǎng)慶油田加大了頁(yè)巖油勘探力度，按照“直井控藏、水平井提產(chǎn)”的總體思路，集中圍繞長(zhǎng)7泥頁(yè)巖層系進(jìn)行系統(tǒng)勘探評(píng)價(jià)工作，同時(shí)以“建設(shè)頁(yè)巖油開發(fā)示范基地、探索黃土塬地貌工廠化作業(yè)新模式、形成智能化—信息化勞動(dòng)組織管理新架構(gòu)”為目標(biāo)，按照“多層系、立體式、大井叢、工廠化”的思路，以水平段1 500～2 000 m、井距400 m的水平井開發(fā)為主，同時(shí)開展200 m小井距試驗(yàn)，開發(fā)取得了良好效果。

截至目前，圍繞慶城地區(qū)長(zhǎng)71、長(zhǎng)72甜點(diǎn)段共實(shí)施直井248口，225口井獲工業(yè)油流，69口單井產(chǎn)量超過(guò)20 t/d，控制有利含油范圍3 000 km2(圖11)。其中慶城大油田開發(fā)示范區(qū)已完鉆水平井154口，平均水平段長(zhǎng)度1 715 m，投產(chǎn)97口，平均單井初期日產(chǎn)油18.6 t，目前日產(chǎn)油11.4 t，已建產(chǎn)能114×104t，日產(chǎn)油水平1 003 t，建成了長(zhǎng)7頁(yè)巖油開發(fā)示范區(qū)。

圖11 鄂爾多斯盆地慶城油田長(zhǎng)7頁(yè)巖油勘探成果Fig.11 Exploration achievements of shale oil in Chang 7 Member, Qingcheng Oilfield, Ordos Basin

5 資源潛力與展望

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段頁(yè)巖油獨(dú)具特色，廣覆式分布的泥頁(yè)巖與大面積粉—細(xì)砂巖緊密接觸或互鄰共生，源儲(chǔ)配置好，油氣近源高壓充注，資源潛力巨大，開發(fā)前景廣闊。

5.1 Ⅰ類頁(yè)巖油落實(shí)資源量40.5億噸

長(zhǎng)慶油田分公司近年來(lái)主要集中長(zhǎng)71、長(zhǎng)72甜點(diǎn)段的Ⅰ類頁(yè)巖油的勘探開發(fā)，2019年發(fā)現(xiàn)了10億噸級(jí)的慶城大油田，新增探明地質(zhì)儲(chǔ)量3.58×108t、預(yù)測(cè)地質(zhì)儲(chǔ)量6.93×108t，合計(jì)10.51×108t。慶城頁(yè)巖油大油田的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)Ⅰ類頁(yè)巖油有巨大潛力，通過(guò)規(guī)模開發(fā)示范區(qū)的成功建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了此類非常規(guī)石油資源的規(guī)模效益開發(fā)。

通過(guò)對(duì)Ⅰ類頁(yè)巖油的系統(tǒng)地質(zhì)研究，為頁(yè)巖油資源評(píng)價(jià)刻度區(qū)解剖、類比區(qū)選擇、有效儲(chǔ)層邊界確定等提供了依據(jù)。根據(jù)Ⅰ類頁(yè)巖油的特點(diǎn)，在充分論證的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)慶城油田等刻度區(qū)的精細(xì)解剖分析，“十三五”資源評(píng)價(jià)選取了體積法、地質(zhì)類比法和EUR法對(duì)盆地頁(yè)巖油資源量進(jìn)行了評(píng)價(jià)計(jì)算，其中體積法評(píng)價(jià)資源量為41.52×108t，地質(zhì)類比法評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)資源量為43.17×108t，EUR法評(píng)價(jià)資源量為36.58×108t，三種方法計(jì)算的資源量按照權(quán)重系數(shù)分別為0.4，0.3，0.3，綜合計(jì)算鄂爾多斯盆地Ⅰ類頁(yè)巖油地質(zhì)資源量為40.5×108t。

5.2 Ⅱ類頁(yè)巖油勘探攻關(guān)試驗(yàn)呈現(xiàn)良好前景

積極探索Ⅱ類頁(yè)巖油勘探潛力，長(zhǎng)慶油田分公司2019年針對(duì)長(zhǎng)73甜點(diǎn)段厚層泥頁(yè)巖夾薄層粉—細(xì)砂巖頁(yè)巖油，綜合烴源巖厚度、巖性組合、熱演化程度、氣油比、埋藏深度等地質(zhì)條件，優(yōu)選湖盆中部的城80區(qū)塊部署城頁(yè)1井和城頁(yè)2井兩口水平井開展風(fēng)險(xiǎn)勘探攻關(guān)試驗(yàn)，兩口水平井試油分獲121.28 t/d和108.38 t/d的高產(chǎn)油流[49]，Ⅱ類頁(yè)巖油風(fēng)險(xiǎn)勘探取得了實(shí)質(zhì)性突破，有力推動(dòng)了Ⅱ類頁(yè)巖油的勘探進(jìn)程。

Ⅱ類頁(yè)巖油主要發(fā)育于半深湖—深湖重力流沉積環(huán)境，單砂體規(guī)模小，砂體厚度1～5 m，橫向呈孤立的透鏡狀，延伸長(zhǎng)度一般25～50 m，砂泥巖在橫向和縱向均呈間互變化的特征。細(xì)砂巖和粉砂巖是Ⅱ類頁(yè)巖油儲(chǔ)層資源的最有利聚集體，孔隙度主要分布在6%～12%，滲透率一般小于0.3×10-3μm2。泥頁(yè)巖也具有一定的儲(chǔ)集能力，但儲(chǔ)集性能差，孔隙度一般小于2%，滲透率小于0.01×10-3μm2。

城頁(yè)1井、城頁(yè)2井兩口風(fēng)險(xiǎn)勘探水平井的鉆探成功，預(yù)示著鄂爾多斯盆地長(zhǎng)73甜點(diǎn)段Ⅱ類頁(yè)巖油具有良好勘探潛力。以城80區(qū)塊為計(jì)算單元，初步評(píng)價(jià)盆地長(zhǎng)73甜點(diǎn)段分布面積約1.5×104km2，初步估算其遠(yuǎn)景資源量33×108t。隨著勘探的持續(xù)深入和關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，該類資源有望成為盆地非常規(guī)石油勘探的重大接替新領(lǐng)域。

6 結(jié)論

(1)長(zhǎng)7段發(fā)育于坳陷湖盆發(fā)育鼎盛時(shí)期，形成了厚度近110 m、面積超過(guò)6.5×104km2的黑色頁(yè)巖、暗色泥巖和粉—細(xì)砂巖混積層系，總體以泥質(zhì)巖類為主，黑色頁(yè)巖厚度10～35 m，暗色泥巖厚度10～50 m，砂地比平均17.8%，砂地比小于30%的井占比75.3%，單層砂體厚度平均3.5 m，約70%的砂層厚度小于5 m。

(2)發(fā)育3類頁(yè)巖油，即源儲(chǔ)分異型Ⅰ類頁(yè)巖油、源儲(chǔ)一體型Ⅱ類頁(yè)巖油、純頁(yè)巖型Ⅲ類頁(yè)巖油。不同類型頁(yè)巖油巖性組合、單砂體厚度、砂地比等存在差異，其中，Ⅰ類頁(yè)巖油是目前勘探開發(fā)的主要對(duì)象；Ⅱ類頁(yè)巖油是風(fēng)險(xiǎn)勘探攻關(guān)的主要目標(biāo)；Ⅲ類頁(yè)巖油適合于地下原位加熱轉(zhuǎn)化開發(fā)。

(3)長(zhǎng)7段頁(yè)巖油成藏條件優(yōu)越，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖是頁(yè)巖油形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，數(shù)量眾多的微納米孔喉體系有效提升了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力，間互分布的細(xì)粒沉積組合控制了頁(yè)巖油的空間分布，富有機(jī)質(zhì)供烴和高強(qiáng)度持續(xù)充注形成了源內(nèi)高含油飽和度頁(yè)巖油，多種成藏因素的有效組合是形成頁(yè)巖油規(guī)模聚集的關(guān)鍵。

(4)發(fā)現(xiàn)了我國(guó)最大的頁(yè)巖油油田——慶城油田，新增探明地質(zhì)儲(chǔ)量3.58×108t、預(yù)測(cè)地質(zhì)儲(chǔ)量6.93×108t，十億噸級(jí)慶城油田的發(fā)現(xiàn)與規(guī)模效益開發(fā)，證實(shí)了Ⅰ類頁(yè)巖油的巨大潛力，落實(shí)Ⅰ類頁(yè)巖油資源量40.5×108t；對(duì)Ⅱ類頁(yè)巖油開展水平井風(fēng)險(xiǎn)勘探攻關(guān)試驗(yàn)，初步評(píng)價(jià)其遠(yuǎn)景資源量33×108t。鄂爾多斯盆地頁(yè)巖油勘探開發(fā)潛力巨大，形成的地質(zhì)認(rèn)識(shí)和勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)我國(guó)非常規(guī)石油資源的勘探開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義和引領(lǐng)示范作用。