姚紅生，昝 靈，高玉巧，花彩霞，余文端，駱衛(wèi)峰，馬曉東

(中國(guó)石化 華東油氣分公司， 南京 210019)

中國(guó)陸相頁(yè)巖油資源潛力巨大，主體是中低成熟頁(yè)巖油。據(jù)初步評(píng)價(jià)，中國(guó)陸相頁(yè)巖油資源量最低為74×108t，最高為372×108t[1]。頁(yè)巖油資源豐富，是我國(guó)石油增產(chǎn)重要的戰(zhàn)略性接替資源[2]。中國(guó)陸相烴源巖主要發(fā)育于淡水和咸化湖盆兩類環(huán)境，與北美海相頁(yè)巖油相比，地質(zhì)條件、資源品質(zhì)、開(kāi)發(fā)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)門(mén)檻等都有很大差異[3-8]。對(duì)比國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖油資源，共性特征是富有機(jī)質(zhì)源巖段分布范圍大、厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度較高、源巖生烴潛力大、納米級(jí)孔隙為主、對(duì)烴類有很強(qiáng)的吸附性、儲(chǔ)集空間油氣充滿程度高、大面積連續(xù)分布、資源規(guī)模大等。相比于北美頁(yè)巖油氣，中國(guó)頁(yè)巖油形成分布特點(diǎn)更為復(fù)雜，受構(gòu)造作用影響更大，儲(chǔ)集層縱橫向分布的非均質(zhì)性更強(qiáng)，油氣水關(guān)系相對(duì)更加多變，“甜點(diǎn)區(qū)”的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)難度更大，已發(fā)現(xiàn)的頁(yè)巖油以陸相中—低成熟度地層為主[9]。

蘇北盆地位于郯廬斷裂東側(cè)，是一個(gè)后生的新生代斷陷盆地，主要發(fā)育阜寧組四段、二段和泰州組二段三套烴源巖，已有數(shù)十口井在泥頁(yè)巖段獲得工業(yè)油流，展示了較好的頁(yè)巖油勘探前景[10]。溱潼凹陷位于蘇北盆地東臺(tái)坳陷的中部，總面積1 100 km2，2020年溱潼凹陷深凹帶沙垛地區(qū)阜二段頁(yè)巖油勘探取得突破(圖1)，試獲工業(yè)油流50.89t/d，目前累產(chǎn)油9 000余噸，揭示了蘇北盆地溱潼凹陷阜二段具有良好的陸相頁(yè)巖油勘探潛力。黎茂穩(wěn)[11]提出陸相頁(yè)巖油富集機(jī)理研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于生產(chǎn)實(shí)踐，迫切需要建立不同地質(zhì)條件的頁(yè)巖油選區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)和甜點(diǎn)預(yù)測(cè)方法。沙垛地區(qū)阜二段泥頁(yè)巖出油段TOC為1%，具有較低有機(jī)質(zhì)豐度、較高的熱演化程度和高氣測(cè)全烴值特征，巖性以灰質(zhì)泥巖和含灰泥巖為主，生烴指標(biāo)較濟(jì)陽(yáng)坳陷等偏低，有一定的區(qū)域特色。本文在對(duì)溱潼凹陷阜二段泥頁(yè)巖生烴特征、含油性、儲(chǔ)集性研究的基礎(chǔ)上，剖析頁(yè)巖油富集高產(chǎn)主控因素，深化陸相頁(yè)巖油富集高產(chǎn)規(guī)律認(rèn)識(shí)，以期為相似盆地的頁(yè)巖油勘探提供借鑒。

圖1 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段頁(yè)巖油綜合評(píng)價(jià)Fig.1 Comprehensive evaluation of shale oil in second member of Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

1 烴源巖地化特征

阜二段沉積時(shí)期，蘇北盆地溱潼凹陷整體為半深湖—深湖，沉積了一套厚層的暗色泥頁(yè)巖，厚度為200～400 m。依據(jù)沉積旋回，縱向上阜二段可分為5個(gè)亞段(圖2)[12-13]：Ⅰ亞段巖性主要為灰黑色泥巖，Ⅱ亞段為厚層塊狀含灰泥巖，Ⅲ亞段為灰黑色泥巖與泥灰?guī)r互層，Ⅳ—Ⅴ亞段主要為灰質(zhì)泥巖、灰色泥巖夾少量泥質(zhì)灰?guī)r。沙垛地區(qū)位于阜二段沉積中心，地層厚度達(dá)到390 m，其中Ⅴ亞段為138 m；有機(jī)碳含量(TOC)大于2%的泥頁(yè)巖厚度大于30 m，主要分布在Ⅲ—Ⅳ亞段，TOC大于1%的泥頁(yè)巖廣泛分布，深凹帶大于160 m。

圖2 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive bar chart of second member of Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

阜二段烴源巖母質(zhì)從Ⅰ型到Ⅲ型均有分布，但以Ⅰ型、Ⅱ型為主(圖3)，母質(zhì)類型優(yōu)，利于生油。從殘余有機(jī)質(zhì)豐度來(lái)看，阜二段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度中等，其中Ⅰ亞段實(shí)測(cè)TOC為0.4%～3.8%，平均為1.15%，氫指數(shù)(IH)為435mg/g；Ⅱ亞段TOC為0.1%～1.8%，平均為1.2%，IH為210 mg/g；Ⅲ亞段TOC為0.2%～0.8%，平均為0.6%，IH為116 mg/g；Ⅳ亞段TOC為0.5%～1.9%，平均為1.2%，IH為262 mg/g；Ⅴ亞段TOC為0.4%～2.5%，平均為0.89%，IH為205 mg/g。阜二段烴源巖實(shí)測(cè)有機(jī)質(zhì)成熟度Ro為0.9%～1.0%，熱演化程度適中。成熟度中等、厚度大、分布廣泛的阜二段泥頁(yè)巖,為頁(yè)巖油形成與富集提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 蘇北盆地溱潼凹陷阜二段有機(jī)質(zhì)類型分布Fig.3 Organic matter type distribution of second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

2 含油性和可動(dòng)性分析

反映泥頁(yè)巖含油性的指標(biāo)為OSI，即單位質(zhì)量有機(jī)碳中的游離烴含量(S1)，目前認(rèn)為OSI>100 mg/g是判斷頁(yè)巖油有利開(kāi)發(fā)段的重要指標(biāo)[14]?？蓜?dòng)性最有效的指標(biāo)為氣測(cè)全烴和S1，由于氣測(cè)全烴直接在井口檢測(cè)獲取，且組分在C5以下，更能反映原油中輕質(zhì)組分的含量。S1為巖石在熱解儀中加熱到300 ℃時(shí)獲取的烴類組分，既包括輕質(zhì)油也有中質(zhì)油，也是判斷可動(dòng)性的重要指標(biāo)。阜二段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ亞段實(shí)測(cè)S1平均分別為1.10，1.35，0.50，0.89，0.68 mg/g；OSI平均分別為84，128，92，98，72 mg/g；氣測(cè)全烴分別為0.5%～7.6%(平均2.5%)，0.9%～5.8%(平均3.1%)，0.3%～1.2%(平均0.7%)，0.5%～3.1%(平均2.0%)，1.2%～82.1%(平均24.6%)(圖2)。主要根據(jù)氣測(cè)全烴含量，結(jié)合S1和OSI參數(shù)，明確阜二段3 790～3 860 m為含油性甜點(diǎn)段。

3 儲(chǔ)集特征

溱潼凹陷阜二段巖性主要為泥巖、含灰泥巖、灰質(zhì)泥巖、灰云質(zhì)泥巖，埋深超過(guò)3 500 m，孔隙度為1.5%～7.8%，平均3.9%，滲透率為(0.003～0.12)×10-3μm2，總體為低孔超低滲的物性特征。其中Ⅰ亞段孔隙度為2.4%～7.8%，平均5.0%，平均滲透率為0.03×10-3μm2；Ⅱ亞段孔隙度為1.5%～3.7%，平均2.1%，平均滲透率為0.003×10-3μm2；Ⅲ亞段孔隙度為2.2%～5.3%，平均3.9%，平均滲透率為0.085×10-3μm2；Ⅳ亞段孔隙度為1.9%～5.5%，平均3.4%，平均滲透率為0.12×10-3μm2；Ⅴ亞段孔隙度為2.0%～5.7%，平均3.85%，平均滲透率為0.10×10-3μm2。從不同亞段儲(chǔ)集特征來(lái)看，Ⅲ—Ⅴ亞段儲(chǔ)集性能更優(yōu)。

孔隙主要以微孔—中孔為主，孔徑范圍在0.1～0.5μm。通過(guò)巖心及微觀鏡下觀察，阜二段儲(chǔ)集空間主要為晶間孔、溶蝕孔、層理縫和微裂縫(圖4)。掃描電鏡可觀察到泥頁(yè)巖微觀儲(chǔ)集空間主要為黏土礦物晶間孔和碳酸鹽巖晶間孔、粒間孔(圖4a,b)，其次為微裂縫(圖4c)、有機(jī)孔(圖4d)、方解石溶蝕孔(圖4e)；晶間孔和粒間孔孔隙形態(tài)主要為不規(guī)則多邊形，孔隙直徑從幾納米到幾微米不等，微裂縫長(zhǎng)多為幾微米到十幾微米，有機(jī)孔孔徑范圍在幾納米至幾百納米，分布相對(duì)較少，另外存在少量更小孔徑的溶蝕孔；宏觀的儲(chǔ)集空間主要為層理縫和裂縫，巖心可見(jiàn)層理縫較為發(fā)育，部分層段發(fā)育高角度縫，裂縫平直，最長(zhǎng)可斷切0.5 m。泥頁(yè)巖中層理縫和裂縫為油氣提供了有效的儲(chǔ)集空間，也為油氣提供了主要的滲流通道(圖4f)。

圖4 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段泥頁(yè)巖儲(chǔ)集空間特征(掃描電鏡及薄片)Fig.4 Pore structure of mud shale in second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

4 阜二段頁(yè)巖油高產(chǎn)主控因素

4.1 成熟度和有機(jī)碳含量

溱潼凹陷阜二段烴源巖熱演化程度和TOC適中，頁(yè)巖油流動(dòng)性較好。阜二段成熟烴源巖Ro>0.7%的范圍占70%以上[10]，深凹帶Ro為0.9%～1.0%；火成巖附近泥頁(yè)巖實(shí)測(cè)Ro最高達(dá)1.54%，火山活動(dòng)具有一定的催熟作用。阜二段S1為0.5～3 mg/g，游離烴含量較高；原油氣油比為40～80 m3/t，原油伴生氣組分齊全，甲烷和乙烷占74%。隨熱演化程度增加，游離油含量逐漸增高，Ro介于0.9%～1.3%時(shí)，游離油中的輕質(zhì)組分增多，頁(yè)巖油可動(dòng)性好[15]。埋深大于3 400 m后，S1顯著增加，是尋找頁(yè)巖油藏的有利深度(圖5)。研究表明，同等含油量的頁(yè)巖中，TOC越低，吸附油量就越少，可動(dòng)油比例就越高[16]。V亞段甜點(diǎn)段TOC為0.99%～1.61%，S1>0.66 mg/g，氣測(cè)全烴大于13.2%，原油組成中輕烴含量達(dá)到21.1%，飽和烴和芳烴含量為67.8%，非烴和瀝青質(zhì)含量低，反映了游離油多、吸附油少。由于深凹帶阜二段有機(jī)質(zhì)熱演化程度和有機(jī)質(zhì)豐度均比較適中，頁(yè)巖油輕組分多、可動(dòng)性好。

圖5 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組泥頁(yè)巖含油飽和度指數(shù)(OSI)隨深度變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of oil saturation index with depthof shale in Paleogene Funing Formation,Qintong Sag, Subei Basin

4.2 保存條件和地層壓力

溱潼凹陷深凹帶構(gòu)造穩(wěn)定，沿構(gòu)造傾向?yàn)橐缓?jiǎn)單的單斜構(gòu)造。從地震剖面可以看出(圖6)，斷層多終止于阜四段，阜二段斷裂不發(fā)育，這為頁(yè)巖油富集提供了良好的保存條件?？v向上，Ⅴ亞段上部存在物性較差的致密層(圖2)，對(duì)于下部甜點(diǎn)層起到較好的封蓋作用。隔層具有低聲波時(shí)差、低電阻率和低TOC的特征；隔層橫向連續(xù)性好，平面上分布穩(wěn)定，厚度為30～50 m，區(qū)域封堵能力強(qiáng)，是頁(yè)巖油富集高產(chǎn)的主要因素之一。

圖6 蘇北盆地溱潼凹陷過(guò)SD1井地震剖面Fig.6 Seismic profile through well SD1, Qintong Sag, Subei Basin

地層熱演化史分析表明，阜二段泥頁(yè)巖在三垛組垛一段沉積時(shí)期進(jìn)入低成熟階段(圖7)，開(kāi)始生烴，在垛二段沉積初期進(jìn)入成熟階段，大規(guī)模生烴。與烴類包裹體共生的鹽水包裹體均一化溫度為109～115 ℃，對(duì)應(yīng)成藏期為垛二段沉積初期，這與烴源巖熱演化史相對(duì)應(yīng)。后期隨著地層溫度不斷升高，阜二段泥頁(yè)巖生成的油氣大量在原地聚集成藏，形成源儲(chǔ)一體型頁(yè)巖油藏。受良好保存的影響，三垛組沉積期以來(lái)持續(xù)生烴形成異常高壓，壓力系數(shù)為1.25，地層能量高，為頁(yè)巖油自然高產(chǎn)提供了有利保障。

圖7 蘇北盆地溱潼凹陷深凹帶阜寧組二段烴源巖熱演化史Fig.7 Thermal evolution history of source rocks in second memberof Paleogene Funing Formation in deep subsag of Qintong Sag, Subei Basin

4.3 脆性礦物含量和紋層發(fā)育程度

脆性礦物含量直接影響頁(yè)巖油可壓性，是頁(yè)巖油能否有效產(chǎn)出且高產(chǎn)的保證。較高脆性礦物有利于壓裂施工，增加人工滲流通道。阜二段中上部泥頁(yè)巖儲(chǔ)層黏土礦物含量為21%～37%，平均30.4%，下部泥頁(yè)巖黏土礦物含量為23.9%～36%，平均為27.8%；黏土礦物主要以伊/蒙混層為主，平均相對(duì)含量為71.4%。Ⅲ—Ⅴ亞段脆性礦物主要以石英、長(zhǎng)石、方解石、鐵白云石為主，含量較高為70.5%～86.5%，平均76.4%，而Ⅰ—Ⅱ亞段主要以黏土、石英礦物為主，黏土礦物含量為41.1%～58.6%，平均為48.3%。脆性礦物含量越高，加砂越容易，破裂壓力越低[17]，證實(shí)了脆性礦物含量高，具有良好的可壓性，是頁(yè)巖油高產(chǎn)的保證。

密集層理縫是頁(yè)巖油富集的關(guān)鍵因素[18]。頁(yè)巖油屬于源內(nèi)自生自儲(chǔ)型富集模式，富集程度取決于儲(chǔ)層孔縫的發(fā)育程度。阜二段泥頁(yè)巖儲(chǔ)層整體相對(duì)致密，層理的發(fā)育程度直接影響泥頁(yè)巖孔、滲系統(tǒng)，層理縫為油氣提供了良好的儲(chǔ)集空間，提高了地層的滲透性，是頁(yè)巖油富集的關(guān)鍵[19]。阜二段紋層狀構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育層段為Ⅲ—Ⅴ亞段，成像測(cè)井顯示紋層厚度為0.2～0.5 mm，Ⅴ亞段紋層密度可達(dá)45層/m(圖8)。由于阜二段沉積時(shí)期為廣盆沉積，該巖相在凹陷內(nèi)分布范圍廣，橫向上可對(duì)比性強(qiáng)。富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥頁(yè)巖微裂縫、層理縫和溶孔較發(fā)育(圖9)，與塊狀泥頁(yè)巖相比，儲(chǔ)集性能更好，滲透率是后者的十倍以上，紋層面是頁(yè)巖油流動(dòng)的有利通道[20]。

圖8 蘇北盆地溱潼凹陷富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥巖測(cè)井圖Fig.8 Imaging log of organic-rich laminated mudstone in Qintong Sag, Subei Basin

圖9 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段不同巖相泥頁(yè)巖巖心特征Fig.9 Core characteristics of shale with different lithofacies in second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

5 勘探重大突破及其意義

受?chē)?guó)內(nèi)外頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)成功實(shí)踐的啟發(fā)，為尋找資源戰(zhàn)略接替，根據(jù)溱潼凹陷頁(yè)巖油有利區(qū)帶研究成果[13]，優(yōu)選溱潼深凹帶沙垛構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)部署SD1井。該井阜二段泥巖厚390 m，TOC大于1.0%厚160 m，鉆遇高氣測(cè)異常段80 m(全烴大于10%)，槽面見(jiàn)5%～10%油花、10%～20%氣泡。其中阜二段V亞段3 790～3 860 m氣測(cè)全烴為4%～81%，平均28%，孔隙度為1.5%～7.2%，平均3.6%，Ro為0.9%～1.0%，S1平均為0.9mg/g，脆性礦物含量72.2%，黏土礦物中伊/蒙混層含量為50%，具有高氣測(cè)、儲(chǔ)層物性好、熱演化程度適中、脆性礦物含量高的特征，優(yōu)選該井段實(shí)施壓裂改造。

根據(jù)阜二段泥頁(yè)巖埋深大、微裂縫發(fā)育、塑性強(qiáng)的儲(chǔ)層特點(diǎn)，SD1井采用“大規(guī)模注液、以水換油”壓裂新理念，應(yīng)用“大規(guī)模注液+表活劑改性驅(qū)油+超低密陶粒遠(yuǎn)端支撐”工藝，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層有效改造。分七段實(shí)施壓裂，壓裂單段長(zhǎng)56～88 m，總加砂量為506.3 m3，總壓裂液為27 886.2 m3，平均單段縫長(zhǎng)192 m，縫高38 m，總改造體積1 021×104m3。2020年11月16日放噴試油，返排率為1.86%時(shí)開(kāi)始出油，測(cè)試最高日產(chǎn)油50.9 t；目前返排率29.86%，套壓7.16 MPa，3 mm油嘴試采，日產(chǎn)油22 m3，氣油比67～76 m3/t，原油密度0.866 8 g/cm3，動(dòng)力黏度27.53 mPa·s，含硫量0.16%～0.51%，含蠟量18.19%，凝固點(diǎn)33 ℃，屬于中質(zhì)油。天然氣組分以甲烷和乙烷為主(74%)，累計(jì)產(chǎn)油9 042 t，預(yù)測(cè)單井最終可采儲(chǔ)量為2.23×104t。

沙垛阜二段頁(yè)巖油具有低TOC(1%)、低氣油比(40～80 m3/t)、高異常壓力(1.25 MPa)的特征，突破了以往陸相頁(yè)巖油產(chǎn)量遞減快、自然產(chǎn)能低的規(guī)律，證實(shí)了基質(zhì)型頁(yè)巖油藏具有較好的穩(wěn)產(chǎn)特征。中國(guó)石化頁(yè)巖油資源主要為基質(zhì)型，其中蘇北盆地頁(yè)巖油資源量7×108t，SD1井的成功，降低了陸相頁(yè)巖油評(píng)價(jià)門(mén)限標(biāo)準(zhǔn)，拓展了頁(yè)巖油的發(fā)展空間，為頁(yè)巖油規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)其他陸相盆地頁(yè)巖油研究及勘探具有重要的借鑒意義。

6 結(jié)論

(1)溱潼凹陷深凹帶阜二段TOC大于1%的泥頁(yè)巖厚度大于160 m，Ro為0.9%～1.0%。泥頁(yè)巖厚度大，熱演化程度適中，具備頁(yè)巖油富集的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)阜二段泥頁(yè)巖孔隙度為1.5%～7.8%，平均3.9%，滲透率(0.003～0.12)×10-3μm2，總體為低孔超低滲的物性特征；主要儲(chǔ)集空間為晶間孔、溶蝕孔、層理縫和微裂縫。

(3)連續(xù)性大面積分布的優(yōu)質(zhì)泥頁(yè)巖是油氣富集的基礎(chǔ)，保存條件是成藏的關(guān)鍵，熱演化程度是含油性的決定因素，異常高壓、紋層發(fā)育和較高脆性礦物含量是高產(chǎn)的重要因素。

(4)沙垛阜二段頁(yè)巖油具有低TOC(1%)、低氣油比(40～80 m3/t)、高異常壓力(1.25 MPa)的特征，SD1井的成功，降低了陸相頁(yè)巖油的評(píng)價(jià)門(mén)限標(biāo)準(zhǔn)，拓展了頁(yè)巖油的勘探開(kāi)發(fā)前景。