趙文智, 卞從勝, 蒲秀剛, 劉詩局, 關 銘,劉 偉, 李永新, 董 勁

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院趙文智院士工作室,北京100083; 3中國石油大港油田研究院,天津 300280)

根據(jù)熱演化程度與現(xiàn)階段開發(fā)技術的不同,中國陸相頁巖油可分為中高熟(鏡質(zhì)體反射率Ro≥0.9%,咸化湖盆Ro≥0.8%)和中低熟(Ro<0.9%,咸化湖盆Ro<0.8%)兩大類資源[1-4],其中中低熟頁巖油可根據(jù)頁巖油形成期早晚、頁巖油物性與流動性特征,以及開發(fā)技術不同,又可分為原位轉化型和非原位轉化型兩大類[5]。原位轉化型頁巖油是指在淡水湖盆頁巖中,有機質(zhì)向液態(tài)烴轉化的窗口出現(xiàn)較晚(Ro一般在0.8%～1.2%),在中低熟階段有機質(zhì)轉化率較低(多數(shù)低于45%)、頁巖中存在較多重質(zhì)烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)與尚未轉化的固體有機質(zhì),導致已形成的液態(tài)有機物流動性極差甚至不流動,必須通過原位加熱改質(zhì)技術,使多類有機物發(fā)生輕質(zhì)化轉化,從而形成“人造”油氣,才能有效開發(fā)。中國鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長73段頁巖和松遼盆地上白堊統(tǒng)嫩江組頁巖中賦存的頁巖油多屬此類。非原位轉化型頁巖油是指不需要地下人工加熱改質(zhì)技術,直接用水平井和體積改造技術就能生產(chǎn)的中低熟頁巖油,如渤海灣盆地濟陽坳陷古近系沙河街組三—四段和滄東凹陷孔店組二段,準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組,以及柴達木盆地古近系下干柴溝組等[6-9]。咸化湖盆頁巖油具有傾油有機母質(zhì)占比高、活化能較低,形成液態(tài)烴的主窗口出現(xiàn)早,中低熟階段液態(tài)烴形成數(shù)量較多等特點。因此,只要頁巖有機質(zhì)豐度較高(一般TOC>1.5%或者2.0%),集中段厚度較大(單層厚度需10～15 m,累積厚度25～30 m),且現(xiàn)今地層溫度足夠高以保持中低熟液態(tài)烴較好的地下流動性,就可以形成經(jīng)濟性較好的累積采出量(EUR)。目前,國內(nèi)咸化湖盆頁巖油相繼在大港油田滄東凹陷、勝利油田牛莊、博興凹陷以及準噶爾盆地吉木薩爾凹陷等獲得了勘探突破,并陸續(xù)進入規(guī)模建產(chǎn)階段。2022年中國咸化湖盆頁巖油產(chǎn)量超過80萬t[10-11]。其中,吉木薩爾凹陷蘆草溝組和濟陽坳陷陷沙河街組已被批準為國家級頁巖油示范區(qū)建設[11],如果通過技術和管理創(chuàng)新能進一步較大幅度降低成本,咸化湖盆頁巖油將成為中國陸相頁巖油上產(chǎn)建設的重要貢獻者。正因為國內(nèi)多數(shù)咸化湖盆烴源巖熱演化程度不高,Ro主體在0.6%～1.0%,其形成的頁巖油具有密度(0.84～0.94 g/cm3)和黏度高(50 ℃條件下黏度11～988 mPa·s),飽芳含量偏低(質(zhì)量分數(shù)為76%～88%),且烷烴中蠟含量較高(20%～40%)以及膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量高(25%～30%)等特點,導致中低熟頁巖油流動性總體偏差[11-12]。然而,由于咸化湖盆頁巖的黏土礦物含量低,長英質(zhì)和碳酸鹽等脆性礦物含量高,頁巖的脆性較好,且對頁巖油的吸附能力偏弱,所以可動烴數(shù)量較高,這對于咸化湖盆頁巖油提高流動性和實現(xiàn)有效開發(fā)又是有利的[7,12-14]。搞清咸化湖盆頁巖巖石組構特征、頁巖油物性、流動性與富集特征,歸納總結影響頁巖油地下流動性的主控因素,對咸化湖盆頁巖油富集段評價和“甜點”靶體優(yōu)選都具有重要現(xiàn)實意義,已成為咸化湖盆頁巖油勘探關注和亟待解決的重要問題。筆者通過分析渤海灣盆地滄東凹陷孔二段等典型咸化湖盆頁巖油的基本地質(zhì)條件、頁巖油物性與流動特征等,提出咸化湖盆頁巖油富集與流動控制因素,以便為咸化湖盆頁巖油“甜點”靶體優(yōu)選提供依據(jù)。

1 咸化湖盆混積型頁巖油的基本特征

混積巖是兩種以上沉積作用形成的巖石組合,咸化湖盆混積巖主要指由化學沉積作用形成的碳酸鹽或硫酸鹽沉積物與由牽引流或其他搬運營力(如風成作用、火山灰沉落和重力流)產(chǎn)生的主要由懸浮總體垂直沉落或密度流形成的長英質(zhì)沉積構成的互層,多為細粒沉積,縱向上呈頻繁變化的互層或以一種巖性為主,另一種巖性為夾層的巖石組合[15-19]。在渤海灣盆地孔店-沙河街組、準噶爾盆地二疊系風城-蘆草溝組,以及柴達木盆地古近系下干柴溝組等均有分布[20-24]。以渤海灣盆地滄東凹陷孔二段為例,頁巖由長英質(zhì)、灰云質(zhì)和黏土質(zhì)紋層互層構成,造巖礦物包括陸源長英質(zhì)細碎屑和黏土、方解石和白云石,以及熱液相關的方沸石等[19],石英和長石體積分數(shù)平均為35.4%,方解石和白云石體積分數(shù)平均為20.3%,黏土礦物體積分數(shù)為23.3%,方沸石體積分數(shù)平均為16%,其他礦物體積分數(shù)平均為5%[23]。其中,長英質(zhì)頁巖的長英質(zhì)礦物體積分數(shù)大于50%,有機質(zhì)豐度最高,TOC平均為5.41%,生烴潛量(S1+S2,S1為常規(guī)熱解滯留烴數(shù)量,mg/g;S2為常規(guī)熱解殘余生烴量,mg/g)平均為30.8 mg/g;混合質(zhì)頁巖有機質(zhì)豐度中等,TOC平均為3.49%,生烴潛量(S1+S2)平均為20.0 mg/g;碳酸鹽體積分數(shù)大于50%的頁巖有機質(zhì)豐度較低,TOC平均為2.04%,生烴潛量(S1+S2)平均為10.1 mg/g。頁巖紋層發(fā)育,平均單層厚度小于1 cm,紋層占比大于70%,紋層厚度主體在0.02～0.1 mm,紋層密度可達(1.0～5.0)×104條/m。勝利油田牛莊和博興凹陷沙河街組沙三—四段頁巖主要由灰質(zhì)、泥灰質(zhì)和黏土質(zhì)紋層構成互層,碳酸鹽大于40%,長英質(zhì)約20%,黏土小于20%[21-22]。其中紋層狀泥質(zhì)灰頁巖和灰質(zhì)泥頁巖的TOC較高,平均大于3%,生烴潛量較大,S1+S2平均為17 mg/g,紋層厚度明顯高于滄東凹陷孔二段,主體在0.58～5.1 mm,其中亮晶紋層厚度主體在1.25～5.1 mm,紋層密度為700～1700條/m。層狀泥質(zhì)灰頁巖和灰質(zhì)泥頁巖雖然TOC和S1+S2均不低(分別為3%和15 mg/g),但因紋層不發(fā)育,孔隙度和含油性偏低。陸相淡水湖盆頁巖以鄂爾多斯盆地長73段為例,礦物組成以石英、長石和黏土為主,石英長石體積分數(shù)平均為41.5%,黏土體積分數(shù)為47.4%,碳酸鹽體積分數(shù)為5.8%,其他礦物主要以黃鐵礦為主,占比5.3%。與淡水湖盆相比,咸化湖盆碳酸鹽礦物含量較高,黏土礦物含量偏低,與長英質(zhì)礦物構成“三分天下”格局(圖1)。

圖1 中國主要陸相頁巖層系礦物組成(左)與咸化湖盆巖礦三角圖(右)

研究表明,咸化湖盆不同類型頁巖TOC垂向變化大,與沉積環(huán)境和氣候有關。湖侵期氣候相對濕潤,地表徑流注入量和陸源物質(zhì)輸入量較大,同時水體變深,導致細粒沉積層中長英質(zhì)含量增加,加之陸源輸入有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)增加等因素,一定程度提高了湖盆生物的初始生產(chǎn)力,使頁巖TOC增大[25-26];干旱期湖盆水體蒸發(fā)超過徑流輸入,湖平面下降,湖水鹽度增高,有利于碳酸鹽或硫酸鹽礦物沉積,陸源輸入有機質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)也相對減少,加之湖盆咸化以后生物種屬也相應變化,生長數(shù)量也有改變,導致頁巖TOC下降。干、濕氣候頻繁交替期,長英質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物交替出現(xiàn),富有機質(zhì)層與貧有機質(zhì)層間互發(fā)育,這為混積巖內(nèi)滯留烴發(fā)生層內(nèi)微運移、形成可動烴富集層創(chuàng)造了條件。此外,混積型頁巖頁理較發(fā)育,與長英質(zhì)和碳酸鹽質(zhì)礦物相關的粒間孔、晶間孔和溶蝕孔較多,微納米孔隙的直徑相對較大,一般大于200 nm。此外,如果發(fā)育生烴增壓或構造作用,脆性層還可以發(fā)育不同程度裂縫,既增加儲集空間又提高了滲流能力。大港油田滄東孔二段紋層型頁巖孔隙度主體在3%～13%,滲透率為(0.1～16)×10-3μm2;勝利油田沙三—沙四紋層型頁巖孔隙度主體在3%～10%,滲透率為(0.001～2)×10-3μm2。而紋層不發(fā)育的泥巖段,在大港油田滄東孔二段孔隙度小于3%,滲透率小于0.1×10-3μm2,在勝利油田沙三—沙四孔隙度為2%～5%,滲透率為(0.001～0.005)×10-3μm2。混積型頁巖的脆性指數(shù)平均大于70%[27],而松遼和鄂爾多斯盆地淡水湖盆富有機質(zhì)頁巖,黏土礦物體積分數(shù)平均大于45%,脆性指數(shù)平均為40%[28]?？梢?咸化湖盆混積型頁巖脆性較好,這為人工建立更多的導流通道提供了有利條件。

中國咸化湖盆頁巖油具有較高的原油密度和黏度,飽芳含量較低,含蠟量較高,如滄東凹陷孔二段頁巖油Ro為0.6%～0.9%,原油密度為0.84～0.93 g/cm3,50 ℃原油黏度為14～214 mPa·s,飽芳質(zhì)量分數(shù)為75.6%,其中芳烴為17%,含蠟量在30%～40%,屬中質(zhì)油范疇;濟陽坳陷牛莊、博興凹陷頁巖油Ro為0.6%～0.8%, 原油密度為0.84～0.90 g/cm3,50 ℃原油黏度為11～54 mPa·s,也屬于中質(zhì)原油,飽芳質(zhì)量分數(shù)為87.5%,其中芳烴質(zhì)量分數(shù)為21%～24%,含蠟量為20%～25%;準噶爾盆地吉木薩爾盧草溝組頁巖Ro為0.8%～1.1%,原油密度為0.86～0.94 g/cm3,50 ℃黏度為17～988 mPa·s,飽芳質(zhì)量分數(shù)為76%,其中芳烴質(zhì)量分數(shù)為16%,含蠟量為4%～16%,屬于中質(zhì)-普通稠油范疇。上述3個地區(qū)的頁巖油在常溫下呈褐色半固態(tài),地面流動性較差。根據(jù)石油烴不同組分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)對頁巖油黏度和流動性的影響研究,芳烴對降低頁巖油黏度是有利的,含蠟量則對頁巖油黏度和流動性有負面作用,碳數(shù)大于26的重組分烴和膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等非烴是易被吸附的組分,其含量越高越不利于頁巖油流動。從頁巖油組分構成與物理性質(zhì)看,吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油芳烴含量較低,比重較高,黏度較大,是中國咸化湖盆頁巖油流動性最差的端元,濟陽坳陷牛莊和博興凹陷沙三—沙四段頁巖油在芳烴含量、原油黏度方面相對較好,加之頁巖微裂縫發(fā)育,頁巖油流動性是咸化湖盆頁巖油中最好的端元,而滄東凹陷孔二段頁巖油含蠟量較高,芳烴含量居中,其流動性在這3種頁巖油中處于中間狀態(tài)。

從頁巖油富集段所處地層溫度看,渤海灣盆地濟陽和黃驊坳陷埋藏深度都大于3500 m,現(xiàn)今地層溫度大于120 ℃[7,29],對頁巖油地下流動是個有利因素。吉木薩爾頁巖油“甜點”段埋深在3000～3500 m或更深,地層溫度約80～90 ℃,對改善頁巖油地下流動性的作用有限。松遼盆地古龍頁巖油成熟度較高,Ro為1.2%～1.4%,原油密度為0.73～0.79 g/cm3,黏度為1.5～4.5 mPa·s,飽芳質(zhì)量分數(shù)為91%,地下流動性明顯好于咸化湖盆頁巖油。但因純頁巖的孔隙吼道主體分布在10～30 nm,加之有機質(zhì)對重組分烴和非烴有較強的吸附性,要想獲得較高的單井采出量,還需要合理的生產(chǎn)制度,以保持多組分烴和非烴能形成最佳混相和最大流動量,不然頁巖油的單井累積采出量會受到不利影響。

2 咸化湖盆頁巖油的富集與流動特征

咸化湖盆頁巖油因生烴母質(zhì)類型、生烴“液態(tài)窗”出現(xiàn)時機、原油組分與物性等方面存在特殊性,致使其頁巖油在富集和流動方面與淡水湖盆存在較大差異。

2.1 咸化湖盆傾油型有機母質(zhì)在中低熟階段形成較多液態(tài)烴,是頁巖油富集基礎

咸化湖盆由于環(huán)境變化大,形成的頁巖有機質(zhì)豐度也差異明顯。有機質(zhì)豐度偏低的頁巖,如果發(fā)育較多的構造縫,也可形成有工業(yè)價值的頁巖油聚集,但其分布則主要受裂縫控制,單井產(chǎn)油規(guī)模與裂縫系統(tǒng)有很大關系。咸化湖盆有規(guī)模的頁巖油應該分布在有機質(zhì)豐度較高且母質(zhì)類型好的頁巖層段,TOC一般為1.5%～2.0%,生烴潛量(S1+S2)整體要高,如滄東凹陷孔二段和吉木薩爾凹陷蘆草溝組混積型頁巖,主富集段TOC為2%～4%和3%～4%,氫指數(shù)(HI)達600～900 mg/gTOC[29],滯留烴(S1)含量達到4.43 mg/g和5.65 mg/g;而低TOC段(如滄東凹陷孔二段頂部和底部),S1基本小于2 mg/g,難成為頁巖油富集段。柴達木盆地古近系下干柴溝組泥頁巖,TOC為0.4%～2%,主體小于1.0%,雖然生烴潛力較大(400～600 mg/gTOC),但S1偏低,基本小于2 mg/g[30],要形成連續(xù)性較好、基質(zhì)孔含油飽和度高的富集段就很有難度。

咸化湖盆發(fā)育的藻類更富類脂成分與硫元素[31-32],在較低溫度下即可產(chǎn)生較多液態(tài)烴,且轉化率較高[33-34]。如柴達木盆地下干柴溝組頁巖有機質(zhì)生烴所需活化能較低,平均為190～210 kJ/mol,在Ro約為0.8%時,烴源巖業(yè)已進入生烴高峰[31],烴產(chǎn)率達到450 mg/gTOC,有機質(zhì)轉化率大于50%。而鄂爾多斯盆地淡水湖盆長73段頁巖在Ro為1.0%時才進入大量生油期,烴產(chǎn)率僅有300 mg/gTOC;在Ro為0.8%時,有機質(zhì)剛進入生烴門限,烴產(chǎn)率僅50 mg/gTOC,二者主生烴期差異明顯。因此,咸化湖盆在中低熟階段即可生成大量液態(tài)烴,滯留在地層中的烴含量也高,可與松遼盆地古龍中高熟頁巖的烴滯留量相當。統(tǒng)計表明,濟陽凹陷沙四上段和沙三下段頁巖在Ro為0.6%～0.8%時,S1達2～8 mg/g[7],油烴飽和指數(shù)(OSI)在Ro為0.6%時最高可達到600～800 mg/gTOC,且有半數(shù)以上OSI大于100 mg/gTOC。博興凹陷沙四段首個開發(fā)實驗井組5口井投產(chǎn)8個月,目前穩(wěn)定日產(chǎn)油281 t,平均單井日產(chǎn)56 t,已累積產(chǎn)油9.2萬t。滄東凹陷孔二段頁巖在Ro為0.6%～1.0%,S1為2～9 mg/g,主力產(chǎn)層位于Ro為0.8%～1.0%范圍, OSI在Ro為0.8%時達到300～400 mg/gTOC,其中大于100 mg/gTOC層段占比為30%～40%。以孔東斜坡5號平臺為例,孔二段主甜點段埋深約3950 m,Ro>0.8%,S1平均為10.3 mg/g,OSI平均為239 mg/g TOC,2022年12月投產(chǎn)的5口井已生產(chǎn)8個月,約240 d,累產(chǎn)原油4.03萬t,平均單井累產(chǎn)8000 t,預測單井EUR>3.93萬t。此外,吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖在Ro為0.6%～0.9%時,S1為1～8 mg/g, OSI峰值出現(xiàn)在Ro=0.9%階段,主體在100～200 mg/gTOC(圖2),統(tǒng)計看,目前超過70%的生產(chǎn)井位于Ro<0.9%的區(qū)域。這說明,咸化湖盆頁巖油在中低熟階段即可含有較多可動烴,具有良好的開發(fā)潛力。

圖2 典型陸相咸化湖盆頁巖油烴飽和指數(shù)與成熟度關系

2.2 混積型頁巖源儲呈互層結構,有利于頁巖油近源微運移形成富集段

混積型頁巖表現(xiàn)為富有機質(zhì)黏土層與貧(或低)有機質(zhì)的長英質(zhì)或碳酸鹽質(zhì)層縱向上頻繁交替,形成烴源巖和儲集層互層結構,有利于頁巖油發(fā)生微運移,形成富集段。以準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組為例,通過典型井統(tǒng)計,蘆草溝組縱向上巖性為粉砂巖/鈣質(zhì)粉砂巖與泥頁巖互層,泥頁巖單層厚度為0.5～2.5 m,粉砂巖單層厚度為0.5～1.5 m,在厚近30 m井段形成26個源儲互層。粉砂巖段含油飽和度大于90%,通過直井段壓裂求產(chǎn),獲11.49 t/d的工業(yè)油流。另外,吉2801H水平井揭示,富有機質(zhì)泥頁巖段滯留烴S1相對較低,平均為2.3 mg/g,OSI小于100 mg/gTOC,體積壓裂19段共1136 m求產(chǎn),僅獲油1.8 t/d,而相鄰的粉砂巖段滯留烴S1為8.5 mg/g,OSI大于500 mg/gTOC,體積壓裂11段共452 m求產(chǎn),獲油19.5 t/d,占水平段總產(chǎn)量的91.5%(圖3)?？梢?頻繁的源儲互層使得頁巖油近距離微運移可在長英質(zhì)或碳酸鹽質(zhì)儲層段形成富集段,有利于頁巖油的規(guī)模有效開發(fā)。

圖3 吉木薩爾凹陷盧草溝組吉2801H井水平段綜合柱狀圖與產(chǎn)量剖面

滄東凹陷孔二段頁巖按巖性組合和紋層發(fā)育特征,分為紋層狀長英質(zhì)頁巖和層狀云灰質(zhì)頁巖兩大類。前者表現(xiàn)為富有機質(zhì)黏土紋層與富長英質(zhì)或碳酸鹽質(zhì)紋層交互發(fā)育,單層厚度在30～50 μm,連續(xù)厚度可超過30 m。TOC平均為4%,最高達11%;S1最高大于20 mg/g,多數(shù)層段大于10 mg/g(圖4);后者云灰質(zhì)層占比大于50%,紋層結構不發(fā)育,單層厚度大于10 cm,TOC普遍小于1%,S1僅有長英質(zhì)頁巖的1/3。以官1702H井為例,在水平段3940～4220 m和4680～4820 m共420 m屬于紋層狀長英質(zhì)頁巖,對其進行9段壓裂,平均百米產(chǎn)油量大于3 t/d,9段產(chǎn)油量占該井21個壓裂段總產(chǎn)量的73.9%;在4220～4680 m和4820～5260 m共900 m井段,屬于層狀灰云質(zhì)頁巖,測試產(chǎn)量較低,12段產(chǎn)油量僅占比總產(chǎn)量的26.1%。

圖4 滄東凹陷孔二段官1702H井水平段綜合柱狀圖與產(chǎn)量剖面

2.3 混積型頁巖黏土含量低,減小了吸附烴量,提高了儲層物性和脆性,人工改造可形成較好的導流效果

研究表明,礦物的比表面積越大,吸附油量也越高[35-38],由于黏土礦物的比表面積是其他無機礦物的10倍以上,因此黏土的吸附油量比其他無機礦物可高出一個數(shù)量級[38](圖5(左))。咸化湖盆頁巖黏土礦物含量相對較低,平均占比約20%。通過礦物含量配比計算,中國咸化湖盆頁巖無機礦物的最大吸附油量為8～10 mg/g,而淡水湖盆頁巖無機礦物的最大吸附油量為12～16 mg/g,咸化湖盆比淡水湖盆低30%～40%(圖5(右))。因此咸化湖盆混積型頁巖的吸附烴量較低,有利于頁巖油的流動和具有較高的流出量。另外,咸化湖盆混積巖含有較高的長英質(zhì)和碳酸鹽礦物,具有較好的骨架支撐作用,同時在酸性水和構造作用下可形成次生孔縫,使其具有較好的儲集物性。以滄東凹陷孔二段為例,紋層狀灰云質(zhì)頁巖發(fā)育大量晶間孔和微裂縫,核磁有效孔隙度可超過6%,最高超過12%;濟陽坳陷沙四段亮晶碳酸鹽巖紋層和富有機質(zhì)紋層間互段,也發(fā)育孔縫系統(tǒng),孔隙度平均為8.72%,孔徑平均可達0.6～0.9 μm,亮晶碳酸鹽巖紋層裂縫寬度在0.1～1 μm,滲透率在(0.1～1)×10-3[7]。

圖5 陸相頁巖層系無機礦物吸附油量與比表面積關系(左)及最大吸附油量(右)

咸化湖盆混積型頁巖的脆性礦物含量主體在69%～83%,而淡水湖盆主體為47%～61%,咸化湖盆頁巖比淡水湖盆頁巖約高20%。同等條件下,咸化湖盆頁巖的壓裂效果明顯好于淡水湖盆頁巖,如滄東凹陷孔二段5號平臺,壓裂改造后形成較好的導流效果,如官1702H井在紋層狀長英質(zhì)頁巖段,壓裂獲得的平均百米產(chǎn)油量大于3 t/d,效果明顯好于淡水湖盆頁巖油的改造效果。松遼盆地三肇凹陷白堊系青山口組一段紋層型富有機質(zhì)頁巖,Ro為0.9%,與滄東孔二段相當,頁巖黏土礦物體積分數(shù)大于40%～45%。已鉆探的肇頁1H井對頁巖油甜點段Q1實施水平井,水平段長度1700 m,壓裂41段,3 mm油嘴放噴求產(chǎn),日產(chǎn)油14.4 t,平均百米水平段獲日產(chǎn)油僅0.84 t。

2.4 頁巖油非均質(zhì)性強,多組分烴和非烴的混相流動和恰當?shù)纳a(chǎn)制度可保證單井較高的累積采出量

如前述,咸化湖盆頁巖油形成早,具有在中低熟階段產(chǎn)液態(tài)烴數(shù)量較大的特點[39-41]。這部分液態(tài)烴多數(shù)是從母質(zhì)的類脂組分直接轉化而來,可能未經(jīng)過干酪根的解聚過程,其分布多具有原地性,除了烴和非烴組分構成復雜外,臘質(zhì)組分和碳數(shù)大于26的重組分烴以及非烴占比較高,頁巖油的非均質(zhì)性極強,且流動能力較差。這些液態(tài)烴賦存在頁巖的微納米孔隙中,要想讓頁巖油最大量地流出地層,需要跳出達西流動和非達西流動的范疇,在“烴組分流動”范疇思考對策。筆者在與石油化工領域?qū)＜议_展合作研究和討論基礎上,提出頁巖油地下呈“烴組分流動”[11]的概念,指頁巖油在地下呈多類石油烴和非烴物質(zhì)的混合物,只有在輕、中、重組分烴與非烴物質(zhì)發(fā)生混相以后,重組分烴和非烴物質(zhì)有最佳流動性和流出量,頁巖油從地層微納米孔隙中的流出過程可稱為“組分流動”。以滄東凹陷孔二段頁巖油為例開展實驗分析,研究頁巖油組分流動的機制。實驗揭示,頁巖油中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等極性大分子與頁巖微納米孔隙表面的黏附力極強,可達2～3 nN,且這些極性大分子可通過氫鍵和π-π鍵作用形成多分子的聚集體,聚集體之間再通過氫鍵作用聯(lián)接形成尺寸可達上百納米至微米級的更大聚集體。把瀝青質(zhì)組分與孔二段頁巖油加熱蒸餾得到的不同溫度段的餾分相混合,混合比例為1∶4,然后把混合物滴到云母表面,形成一定尺寸的瀝青質(zhì)聚集體。該實驗中,低溫餾分代表輕烴組分,高溫餾分代表中質(zhì)-重質(zhì)組分,隨著加入的餾分溫度升高,形成的瀝青質(zhì)聚集體尺寸從40 nm增大到0.5～1 μm(圖6)?？锥雾搸r儲層的孔徑主體在30 nm～1 μm之間,因此膠質(zhì)、碳數(shù)大于26重組分烴和膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等組分極容易吸附在孔隙表面,從而堵塞孔隙,降低頁巖油的流出量。如果中質(zhì)和輕質(zhì)烴組分含量增高,尤其是芳烴如苯及其同系物含量增加,就可通過在大分子極性聚集體周圍形成“溶劑化”層,顯著降低膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等聚集體之間的作用力,并可減小聚集體的尺寸,從而降低頁巖油的黏度,最大可降低一個數(shù)量級,使頁巖油的流動性得到顯著提高。

對滄東凹陷GY5-3-1L井孔二段取自不同試采時間點的原油組分構成進行分析,進一步觀察頁巖油地下組分流動的特征。GY5-3-1L井孔二段頁巖油垂直井深約3950 m,頁巖油成熟度Ro為0.9%～1.0%,原油密度為0.87 g/cm3。從原油氣相色譜圖看,不同時間產(chǎn)出的頁巖油全烴組分差異較大,在試采初期最先流出地層的原油中輕組分烴占比較高,說明輕烴組分更易流出地層。隨試采時間增加,原油中輕組分烴逐漸變少,重組分烴增加(圖7),代表著流出過程產(chǎn)生了多組分烴的混相流動。在歷時13個月的生產(chǎn)過程中,共拾取了8個樣品,輕、重烴組分產(chǎn)出數(shù)量的變化大致呈兩個旋回,都是先輕烴產(chǎn)出多,然后減少,接著重烴組分增加,間隔在4～5個月。這種周期性變化可能反映了頁巖油地下分布的非均質(zhì)性,也就是在一定的流動壓差條件下,某幾組與流動通道關聯(lián)的孔喉系統(tǒng)中的頁巖油會先發(fā)生流動,而當可動烴流盡之后,另幾組孔喉中的頁巖油會在當時壓差驅(qū)動下進入流動通道,繼續(xù)提供可動烴。對孔二段其他幾個井組產(chǎn)出原油作分析,也顯示同樣特征,這反映出頁巖油通過多組分烴和非烴的混相流動,可顯著提高重組分烴和非烴的流動性,對于提高頁巖油單井產(chǎn)量和累積采出量具有重要作用。

要讓頁巖油多組分烴和非烴物質(zhì)充分混相從而有最佳流動性和最大流動量,合理的生產(chǎn)制度對保持多組分烴和非烴物質(zhì)在微納米孔隙中形成混相流動必不可少[11]。合理的生產(chǎn)制度包括控制生產(chǎn)壓差,以使多組分烴和非烴在地下微納米孔隙中充分混相,形成穩(wěn)定流動和最大流動量;保持生產(chǎn)制度穩(wěn)定,不輕易更改作業(yè)制度,以防止地下已經(jīng)形成的混相流動被打破,讓穩(wěn)定流動的層流瞬間變成紊流,使重組分烴和非烴發(fā)生沉淀,不僅堵塞孔隙吼道,而且降低烴流出量。合理的生產(chǎn)制度可建立起多組分烴和非烴混相穩(wěn)定流動,讓頁巖油中輕組分烴不過早過快流出地層,從而使重烴和重質(zhì)組分能盡可能多流出地層,以提高頁巖油采出量和經(jīng)濟性。

2.5 良好的保存條件和較高的地層溫度可提高頁巖油流動性和單井累積采油量

咸化湖盆頁巖油之所以具有較好的單井產(chǎn)量和累積采出量,除了前述諸方面的因素外。保存條件也是重要條件,其主要作用是保持地層具有足夠高的能量,亦即地層壓力,當打開地層以后有足夠大的動力驅(qū)使頁巖油能流出地層。另外,保存條件可以讓可動烴盡可能多地留在地層內(nèi)部,以保持足夠大流動烴數(shù)量。保存條件包括蓋層的巖性、厚度、完整性和斷裂切割程度。準噶爾盆地吉木薩爾凹陷的蘆草溝組,頂部為不整合面,在凹陷東部地區(qū),地層剝蝕量超過千米,不整合面之上為梧桐溝組砂礫巖,滲透性較好,因此蘆草溝組頁巖油頂部保存條件較差。另外,白堊紀末期大規(guī)模抬升卸載和斷裂活動也導致頁巖油中部分輕組分散失,使頁巖油中可動烴數(shù)量減少[2],氣油比僅13～24 m3/m3,且埋藏較深的下甜點比上甜點更低。滄東凹陷孔二段數(shù)口頁巖油生產(chǎn)井證實,在蓋層條件相當條件下,斷裂的發(fā)育對頁巖油可動烴數(shù)量有重要影響,如產(chǎn)量相對較高滄東凹陷南部地區(qū),距離主斷層2～5 km,原油密度平均為0.85～0.87 g/cm3,單井日產(chǎn)油主體20～30 t。而在凹陷西北部地區(qū),生產(chǎn)井距離活動斷層僅0.5～1 km,原油密度為0.86～0.92 g/cm3,日產(chǎn)油只有5～15 t。從目前生產(chǎn)資料看,頁巖油富集段能形成較高初始產(chǎn)量和較大累積產(chǎn)油量的井,通常都具有超壓,壓力系數(shù)至少大于1.2。滄東孔二段產(chǎn)量較高的平臺壓力系數(shù)都大于1.2,最高可達1.5;濟陽坳陷沙三—沙四段頁巖油的壓力系數(shù)也都大于1.2,最高達1.9,這是沙三—四段頁巖油得以高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要因素。

如前述,咸化湖盆頁巖油具有較高密度、黏度和高含蠟量,凝固點為20～30 ℃,在常溫下呈半固態(tài)至固態(tài),流動性很差。實驗分析揭示,蠟質(zhì)在較高溫度下可以發(fā)生物理狀態(tài)變化,從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),流動性獲得提高。選擇滄東凹陷孔二段頁巖油作蒸餾實驗分析,發(fā)現(xiàn)頁巖油的不同餾分,液化的溫度點也不同。較低溫度餾分,如340～360 ℃的餾分可在溫度大于30 ℃時,黏度從20 ℃時的4790 mPa·s迅速降至10 mPa·s以下;較高溫度的餾分,如420～460 ℃的餾分在溫度大于50 ℃時黏度從20 ℃時的大于10000 mPa·s迅速降低至10～20 mPa·s,且隨溫度升高,黏度繼續(xù)降低(圖8(左))。因此在較高地層溫度下,原油黏度會降低,從而提高流動性,以孔二段頁巖油為例,主要目的層段埋深在3500 m以下,地層溫度超過120 ℃,頁巖油黏度平均在2～5 mPa·s,流動性明顯變好。此外,在較高地層溫度下,黏土礦物的吸附性也會降低,從實驗看,隨著熱成熟度升高,黏土中蒙脫石含量顯著降低,伊利石含量增加,而伊利石的比表面積低于蒙脫石,從而使頁巖油的吸附量降低,可動烴量增加。筆者選擇河套盆地第三系臨河組咸湖相泥頁巖開展了黏土礦物對原油吸附性實驗,表明當Ro從0.6%(臨華1X)增加到1.0%(河探1)時,黏土礦物的最大吸附量平均從400～500 mg/g降低到300～350 mg/g,降低幅度可達25%～35%(圖8(右))。

圖8 滄東凹陷孔二段頁巖油不同餾分的溫度與粘度變化關系(左)與臨河組不同井深的黏土礦物最大吸附油量(右)

3 咸化湖盆頁巖油“甜點”評價的關鍵要素

頁巖油在地下儲層中的流動性決定了頁巖油的采出量,也決定了頁巖油開發(fā)的經(jīng)濟性。開展咸化湖盆頁巖油“甜點”評價既要關注形成頁巖油數(shù)量的物質(zhì)基礎,更要關注制約頁巖油流動性與流動量的要素。概括起來主要有4個方面:

首先,頁巖具有較高的有機質(zhì)豐度,這是保證頁巖中具有足量滯留烴基礎。從現(xiàn)有試采資料看,TOC>1.5%或者2.0%是必要條件,具體取值還可根據(jù)有機質(zhì)類型和生烴潛力高低作適度調(diào)整,如柴達木盆地下干柴溝組,部分層段有機質(zhì)生烴潛力很高,氫指數(shù)多在600～1200 mg/gTOC,TOC下限可取1.5%;其次,頁巖層系具有較高的地層壓力系數(shù),這是保持頁巖具有較高地層能量的重要條件,也就是地層保存條件要好,這不僅為頁巖油的流出提供動力,而且為地下烴和非烴組分混相以后、形成最大流出量提供必要條件;第三,是現(xiàn)今地層溫度要高,以使常溫下密度和黏度較高的頁巖油發(fā)生降黏,提高頁巖油地下的流動性,要求地層現(xiàn)今溫度大于120 ℃。因此足夠大的地層埋深對非原位改質(zhì)型中低熟頁巖油形成較高產(chǎn)量也是重要條件。目前國內(nèi)幾個重點咸化湖盆探區(qū)頁巖油埋深都在3500 m以上,富集段地層溫度達到120 ℃或更高;最后,開發(fā)上需要合理的生產(chǎn)制度,以保持多組分烴和非烴在地下能夠形成穩(wěn)定的混相組分流動,從而獲得最大采出量,以保證生產(chǎn)的經(jīng)濟性。

4 結束語

陸相咸化湖盆發(fā)育的混積型泥頁巖,因其沉積環(huán)境、巖石組構、有機質(zhì)類型與生烴時機與淡水湖盆泥頁巖存在顯著差異,導致咸化湖盆頁巖油具有不同的富集與流動特征。有機質(zhì)豐度較高的咸化湖盆,頁巖在中低熟階段可形成較多滯留烴,且在縱向上形成良好的源儲匹配,有利于頁巖油近源運移形成富集段;其次,咸化湖盆頁巖黏土含量較低,對液態(tài)烴吸附量較小,頁巖油地下可流動烴數(shù)量較多,加之脆性礦物含量較高,可提高人工改造的導流效果;第三,地下微納米孔隙中的頁巖油可通過多組分烴和非烴混相,形成烴組分流動,可有效改善頁巖油的流動性,從而提高中低熟頁巖油的流動量;合理的生產(chǎn)制度是保證頁巖油在地下形成穩(wěn)定的混相流動和獲得較高單井累積采油量的重要條件。此外,良好的保存條件和較高的地層溫度對提高頁巖油單井累積采油量也必不可少。