北美典型混合頁巖油系統(tǒng)特征及其啟示

李志明，芮曉慶，黎茂穩(wěn)，曹婷婷，徐二社，陶國亮，蔣啟貴

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214151 2.中國石化油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126

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北美典型混合頁巖油系統(tǒng)特征及其啟示

李志明1，2，芮曉慶1，2，黎茂穩(wěn)1，2，曹婷婷1，2，徐二社1，2，陶國亮1，2，蔣啟貴1，2

1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214151 2.中國石化油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126

北美Williston 盆地Bakken組屬典型的混合頁巖油系統(tǒng)。筆者系統(tǒng)剖析了Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)富有機質層段和貧有機質層段的地質與地球化學、物性與裂縫發(fā)育以及頁巖油特征，揭示了頁巖油“甜點”主要受高含輕質油的富有機質成熟頁巖、異常壓力、微裂縫以及貧有機質層的白云石化作用共同控制，同時由于貧有機質層具有相對高的孔隙度、滲透率以及低的吸附量，因此可認為其是混合型頁巖油系統(tǒng)中的主要產(chǎn)層。這對目前我國東部陸相頁巖油勘探效果不佳的因素分析具有重要啟示。把頁巖油勘探目標層僅僅聚焦于富有機質泥頁巖層段是勘探效果欠佳的主觀因素；而富有機質泥頁巖層段天然微裂縫發(fā)育局限、滯留油主要賦存在有機質中、熱演化程度偏低使滯留油較重以及湖相Ⅰ型烴源巖生成的油含蠟量高等因素，是導致可采的頁巖油量十分有限的客觀因素。為此，針對我國東部湖盆頁巖油的勘探，建議：加強成熟富有機質層系中貧有機質碳酸鹽巖或粉砂、細砂巖薄夾層的精細評價與勘探；加強成熟富有機質泥頁巖層段裂縫型頁巖油的評價與勘探。

混合頁巖油系統(tǒng)；Bakken組；Williston盆地；頁巖油勘探；中國東部；北美；頁巖油

0 前言

頁巖氣的成功開發(fā)使嘗試從富有機質頁巖(泥巖)或與之共生的貧有機質巖相生產(chǎn)石油的工作得以重新恢復，加上石油的經(jīng)濟價值大于天然氣，促使原來以頁巖氣為主營業(yè)務的公司紛紛調整戰(zhàn)略，轉向頁巖油的勘探開發(fā),這是美國2008年以來油氣勘探開發(fā)的戰(zhàn)略轉移。頁巖油是指從富有機質頁巖(泥巖)或與之密切共生的貧有機質巖相如碳酸鹽巖、粉砂巖或砂巖薄層內可采出的石油。根據(jù)頁巖油產(chǎn)層的巖性組合和裂縫發(fā)育特征等，頁巖油系統(tǒng)可劃分為3個類型，即致密型富有機質泥巖系統(tǒng)(如Barnett組)、裂縫型富有機質泥巖系統(tǒng)(如Monterey組)及具有相鄰、連續(xù)富有機質和貧有機質層的混合(hybrid)系統(tǒng)(如Bakken組)[1]。目前的勘探結果表明，裂縫型與混合型頁巖油系統(tǒng)具有高的頁巖油生產(chǎn)能力，而致密型頁巖油系統(tǒng)因超低滲透率以及有機質、黏土對石油的吸附滯留效應，難以獲得高的頁巖油產(chǎn)量[1]。裂縫型泥頁巖油藏的勘探開發(fā)在我國諸多盆地如渤海灣盆地沾化凹陷早已開展并進行了系統(tǒng)的研究[2-4]，而北美Williston盆地Bakken組是頁巖油開發(fā)率先取得成功的層位[1，5-6]。故本文重點系統(tǒng)解剖北美Williston盆地Bakken組典型混合型頁巖油系統(tǒng)的特征，旨在啟發(fā)思考當前我國頁巖油勘探中存在的問題，為我國頁巖油下步勘探提供借鑒與新思路。

1 北美Williston盆地地質構造背景與油氣產(chǎn)出

Williston盆地是一個大型近圓形克拉通內坳陷，沿加拿大地盾西南邊緣發(fā)育于北美克拉通之上。沉積物沉積始于寒武紀期間，但盆地主要沉降和充填作用始于奧陶紀期間。盆地面積約77萬 km2，跨越美國北達科塔、南達科塔、蒙大拿和加拿大馬尼托巴、薩克斯其萬省[7](圖1)。

據(jù)文獻[7]修編。圖1 Williston 盆地位置、主要背斜和穹窿及Bakken組油田分布簡圖Fig.1 Sketch showing locations of Williston basin and the main anticlines, domes and oilfields in Bakken Formation

盆地內保存的地層記錄跨越500 Ma，包含的沉積巖由寒武系至新近系，在盆地中心顯生宙沉積巖最大厚度4 850 m[8]。盆地沉積作用以周期性的海侵和海退為特征，從而盆地內重復沉積了碳酸鹽巖和碎屑巖；古生代地層以碳酸鹽巖為主，而中、新生代地層主要由碎屑巖組成[9]。沉積地層可以劃分成6個主要以不整合為界的層序，即中寒武世至早奧陶世Sauk層序、中奧陶世至晚志留世Tippecanoe層序、中泥盆世至晚密西西比世Kaskaskia層序、早賓夕法尼亞世至早侏羅世Absaroka層序、中侏羅世至古新世Zuni層序以及古新世后Tejas層序[10]。因盆地幾乎發(fā)育完整的地層剖面、由盆地中心向盆緣大多數(shù)地層單元變薄以及斷裂和其他構造特征通常僅具有小的位移或運動，一般被視為是一個構造簡單的盆地[7]，盆地沉降主要受撓曲作用而不是斷層作用控制[11]。不過，詳細的研究揭示，更加復雜的構造史主要由下伏形變的基底巖石和對盆內斷層、構造線、斷塊運動、沉積模式、鹽溶解作用、流體運動、熱史具有控制作用的兩條主要邊界構造斷裂系統(tǒng)引起[12-13]。因此，這些構造要素的每一個均對油氣的生成、運移和分布起著重要作用。

Williston盆地油氣分布與構造關系密切，盆地內主要構造如Nesson、Cedar Creek、Little Knife、Billings和Antelope背斜以及Poplar穹窿均為油氣生產(chǎn)區(qū)，并且大多數(shù)構造在Bakken組生產(chǎn)油氣。南北走向的Nesson背斜和北西走向Cedar Creek背斜是盆地最顯著的構造，這些構造地表就有顯示，并在多個地層單元中已產(chǎn)出大量油氣。美國地質調查局在Williston盆地確定了10個總油氣系統(tǒng)(total petroleum system,TPS)[7]。其中，Bakken組至Logdepole組總油氣系統(tǒng)為典型的混合型頁巖油系統(tǒng)，并且Bakken組頁巖油既產(chǎn)自裂縫頁巖(如Bicentennial田)，也產(chǎn)自與富有機質頁巖并置的貧有機質層如中段白云質砂巖和Three Forks組碳酸鹽巖(如Elm Coulee, Sanish和Parshall油田)(圖1)[1]。

2 Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)特征

2.1 地層地質、地球化學特征

Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)由Bakken組(包括下段、中段和上段)和上覆Lodgepole組下段以及下伏Three Forks組上段組成[7，14](圖2)。其中，Bakken組下段和上段為該頁巖油系統(tǒng)的生油巖，整個Bakken組、Lodgepole組下段和Three Forks組上段構成基本連續(xù)的儲集層[15]。

據(jù)文獻[7，14]修編。圖2 Williston盆地Bakken組混合型頁巖油系統(tǒng)簡圖Fig.2 Sketch of hybrid shale-oil system in Bakken Formation of Williston basin

在Williston盆地，晚泥盆世--早密西西比世Bakken組最大厚度約49 m，雖僅占盆地沉積地層最大總厚度的1%，但其是世界級的烴源巖和儲集巖。根據(jù)美國地質調查局的命名原則，Bakken組由3個非正式的層段組成：下部頁巖段、中部砂巖(白云巖)段和上部頁巖段。向北、向南和向東部沿盆地邊緣因沉積超覆和(或)剝蝕逐漸變薄，每個層段依據(jù)地球物理測井尤其是伽馬和電阻率測井極易區(qū)分[7]。圖3顯示了Parshall 油田1-05H-N&D井Bakken組3個層段的巖性與地球化學柱狀圖。Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)地層地質與地球化學等主要特征見表1。

IOS=100S1/TOC,為油飽和指數(shù)；IH=100S2/TOC,為氫指數(shù)。據(jù)文獻[1]修編。圖3 Williston 盆地Parshall 油田1-05H-N&D井Bakken組地球化學柱狀圖Fig.3 Sketch of 1-05H-N&D well geochemical log of Bakken Formation in Parshall field, Williston basin

Bakken組下段：下段為一套細層紋狀深灰色、淡棕黑色至黑色富有機質頁巖，其成熟度參數(shù)----等效鏡質體反射率Roe(據(jù)Tmax)主要為0.50%～1.18%[7，9，16]，在盆地較深處，成熟的頁巖總有機碳質量分數(shù)(w(TOC))平均為8.00%，最大值為20.00%，有機組分幾乎全為海藻，在整個層段有機組分呈不連續(xù)無定形微紋層(<0.1 mm)分布[17]；Parshall 油田1-05H-N&D井揭示下部頁巖段w(TOC)為8.87%～24.70%，平均為15.17%(圖3)[1]。該段厚度在盆地內平均厚度3 m，在North Dakota Nesson背斜東側的盆地沉積中心最大厚度20 m[18-19]，在Parshall油田1-05H-N&D井該段約為5 m(圖3)[1]，在Elm Coulee油田平均厚度僅為0.42 m[20-21]。

Bakken組中段：中段巖性變化顯著，由淺灰色、灰色至深灰色互層粉砂巖、砂巖及少量富粉砂、砂和鮞粒的頁巖、白云巖和灰?guī)r組成[9]。不同研究者將中段劃分成5～7個巖相[5，21]，如在Elm Coulee油田，中段包含5個淺海粉砂質-白云質砂巖巖相(2個富腕足動物相、2個生物擾動相和1個層狀相)[21]；Parshall 油田1-05H-N&D井揭示中段主要為一套白云質粉砂巖、砂巖和少量砂質白云巖，整個層段白云石體積分數(shù)為21%～70%，平均體積分數(shù)為38%；同時，整個中段油高飽和，油飽和指數(shù)普遍高于400 mg/g(圖3)，絕對油體積分數(shù)平均約為0.007 47(m3油/m3巖石)[1]。中段各巖相單元在North Dakota盆地中心最厚，向其北部、南部和東部邊緣減薄至0，該段總厚度平均13 m，最大厚度30 m[16]；在Parshall 油田1-05H-N&D井該段厚度約12 m(圖3)[1]。

Bakken組上段：上段巖性與下段頁巖相似，由深灰色、淡棕黑色至黑色片狀鈣質富有機質頁巖組成，Roe(據(jù)Tmax)主要為0.40%～1.07%[7，9，16]，頁巖由石英、正長石、白云石、伊利石和黃鐵礦構成，比下段具有更高的有機質豐度，w(TOC)平均為10.00%，最大值為35.00%[16]；Parshall 油田1-05H-N&D井揭示上段w(TOC)為5.36%～21.40%，平均為14.30%(圖3)[1]。該頁巖段在盆地內平均厚度為2 m，在North Dakota 最大厚度達到9 m，在Saskatchewan最大厚度達到4 m，在Manitoba的Waskada地區(qū)最大厚度達18 m[9]；在Parshall油田1-05H-N&D井該段厚度約5 m(圖3)[1]；在Elm Coulee油田平均厚度僅2.2 m[20-21]。

Three Forks組上段：Three Forks組上段由下至上可以細分成3個主要巖相：塊狀至波紋狀、不規(guī)則層狀至角礫狀粉砂質白云巖；粉砂質白云巖與綠色泥巖互層；生物擾動的粉砂質、砂質白云巖和砂巖。3個巖相代表一個完整的海侵層序，由潮間/潮上帶沉積至潮下帶沉積。Three Forks組上段總厚度約12 m，其中頂部生物擾動的粉砂質、砂質白云巖和砂巖厚度約1.5 m[22-23]。

Lodgepole組下段:如圖2所示，Lodgepole組以灰?guī)r為主，總厚度約33.5 m，其下部為一套厚度約3 m海百合灰?guī)r[24]。

2.2 物性與裂縫發(fā)育特征

Bakken組下段和上段富有機質頁巖段孔隙度均很低(表1)。下段1個頁巖樣品的孔隙度為1.30%，上段9個頁巖樣品的孔隙度為0.60%～5.00%，平均為1.80%[21]；Almanza[25]的研究結果揭示下段頁巖孔隙度平均為3.10%，上段頁巖孔隙度平均為1.70%。Bakken組下段和上段平均滲透率為0.001 nD[26]。

圖4a為整個Williston盆地Bakken組中段白云質砂巖和粉砂巖巖心孔隙度與滲透率關系圖，圖4b則為Williston盆地Elm Coulee頁巖油田區(qū)Bakken組中段白云質砂巖和粉砂巖巖心孔隙度與滲透率關系圖。Bakken組中段白云質砂巖與粉砂巖巖心孔隙度總體較低，主要為1.00%～10.00%，平均約5.00%；滲透率很低，主要為0.01～1.00 mD，平均0.04 mD(圖4a)。在Elm Coulee頁巖油田區(qū)Bakken組中段白云質砂巖與粉砂巖巖心孔隙度主要為4.00%～9.00%，平均約6.40%，主要孔隙類型為晶間孔隙、溶蝕孔隙與粒間孔隙，其中晶間孔隙和溶蝕孔隙分別由白云石化作用與后期溶蝕作用形成；滲透率則主要為0.001～0.100 mD，平均0.070 mD[21](圖4b)。另外，研究表明:埋深小于3 000 m的Bakken組中段，其白云質砂巖與粉砂巖巖心孔隙度位于一個相對窄的范圍(5.00%～7.00%)，埋深大于3 000 m的Bakken組中段，其白云質砂巖與粉砂巖巖心孔隙度呈現(xiàn)稍寬的范圍(3.00%～6.00%)；而滲透率則在任何深度范圍內變化范圍顯著，巖心研究表明，中段滲透率大于0.01 mD的巖心，通常含有未被充填的天然裂縫[9]。

Three Forks組上段同樣具有低的孔隙度和滲透率，一般孔隙度低于8.00%，滲透率小于0.10 mD[24]。

另外，由圖4可見，在相同孔隙度情況下，巖石的滲透率值可相差上百至上千倍，這顯然與巖石的裂縫發(fā)育程度有關。實際上，巖心研究揭示，Bakken組中段滲透率大于0.01 mD的儲集巖，一般含有開放的天然裂縫。在Bakken組，尤其在下部頁巖段和中部砂巖段，存在多級宏觀與微觀裂縫。在中段砂巖和粉砂巖中，裂縫主要呈與層理近平行的不連續(xù)、開放狀態(tài)，孔徑寬度一般大于30 μm，沿一些水平裂縫存在瀝青質。這些裂縫的一個重要特征是形成高密度裂縫網(wǎng)絡，具有高殘留油飽和度(圖5)，而在低殘留油或無殘留油的巖石中，通常不存在這樣的裂縫。在下部頁巖段，裂縫主要呈開放的層理面或開放的發(fā)狀垂向形態(tài)，在硅質頁巖中普遍發(fā)育不規(guī)則和塊狀或平滑和貝殼狀裂縫，這些裂縫或多或少地被方解石或黃鐵礦充填[9]。

表1 Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)地層地質、地球化學與物性特征

Table 1 Characteristics of strata geology, geochemistry and physical properties of hybrid shale-oil system of Bakken Formation

地層主要巖性厚度/mw(TOC)/%Roe/%孔隙度/%滲透率資料來源Lodgepole組下段致密灰?guī)r33平均0.5nD文獻[24]Bakken組上段深灰色、淡棕黑色至黑色片狀鈣質頁巖0～18主要為5.36～35.000.40～1.07平均1.80或1.70平均0.001nD文獻[1,7,9,16,20-21,25-26]Bakken組中段淺灰色、灰色至深灰色互層白云質粉砂巖、砂巖及砂質白云巖0～30一般小于1.00主要為1.00～10.00主要為0.01～1.00mD文獻[1,7,9,16-21]Bakken組下段層紋狀深灰色、淡棕黑色至黑色頁巖0～20主要為3.00～24.700.50～1.18平均3.10平均0.001nD文獻[1,5,9,16,21,25-26]ThreeForks組上段粉砂質白云巖、綠色泥巖、砂質白云巖和砂巖12一般小于8.00主要為0.01～1.00mD文獻[22-24]

注：達西(D)為非法定計量單位，1 D=0.987 μm2。下同。

a.據(jù)文獻[9]修編；b.據(jù)文獻[21]修編。圖4 Bakken組中段白云質砂巖和粉砂巖巖心孔隙度與滲透率圖Fig.4 Plot of core porosity vs. permeability in dolomitic sandstones and siltstones in the middle of Bakken Formation

圖5 North Dakota地區(qū)NDGS 8902井Bakken組中段3 186 m白云質砂巖切片顯示網(wǎng)狀裂縫[9]Fig.5 Slabbed dolomitic sandstone at well NDGS 8 902,3186 m, in North Dakota[9] displaying reticulated fracture network on wet surface in the middle of Bakken Formation

Sonnenberg等[27]對Williston盆地North Dakota地區(qū)Bakken組中部層段微裂縫研究指出，微裂縫主要平行于層面(即水平微裂縫)，裂縫寬度2～25 μm，長6 μm至幾十厘米，在研究樣品中約95%的水平裂縫出現(xiàn)在富黏土礦物層段；在盆地的一些地區(qū)，如Parshall油田，也存在垂向裂縫密集帶。

Coskey和Leonard[28]提出，原始高有機碳的未成熟Bakken組頁巖在某種程度上以干酪根支撐，當干酪根成熟至生油水平，其變成撓性而失去強度，隨著轉化為液態(tài)烴，體積增大，而局部發(fā)育高壓單元，壓力增加導致形成微裂縫，然后油由干酪根經(jīng)微裂縫排出，導致頁巖收縮，在生油窗內隨成熟度增大而密度增高。Bakken組中段開放水平裂縫的分布和發(fā)育程度與源巖的厚度、成熟度水平(Roe≥0.50%)、生烴程度等有關;同時也與儲集層內部相變有關，如果相鄰的烴源巖未熟(Roe<0.50%)具有很低甚至無生成油的潛力，那么中段的砂巖與粉砂巖實際上無水平裂縫顯示。在烴源巖開始生烴的區(qū)域，中段內水平裂縫發(fā)育程度向上、下頁巖段增大，在鄰近生烴作用強烈的成熟--過成熟烴源巖區(qū)，中段油飽和的儲集層中出現(xiàn)異常發(fā)育的裂縫網(wǎng)絡(圖5)[9]。

2.3 頁巖油特征

北美地區(qū)高產(chǎn)頁巖油區(qū)海相頁巖穩(wěn)定、分布范圍大、熱演化程度較高、干酪根類型以Ⅱ型為主，生成的油質較輕、黏度低、可動性好；Bakken組混合型頁巖油系統(tǒng)的油也是如此。據(jù)Bohrer 等[29]的研究，Williston 盆地中部頁巖油高產(chǎn)區(qū)Bakken組油藏的溫度大于150 ℃，普遍為168～171 ℃，北達科塔州Bakken組頁巖油大多數(shù)都為密度小0.82 g/cm3的輕質原油[30]。據(jù)Williston 盆地Parshall 油田Bakken組上段頁巖抽提物、中段夾層抽提物以及中段夾層生產(chǎn)的原油色譜分析結果對比(圖6)[31]可見，Bakken組上段頁巖抽提物的色譜分析結果與中段夾層生產(chǎn)的原油色譜分析結果極其相近，均以輕烴部分為主。這一方面反映了油質較輕、烴源巖熱演化成熟較高，處于成熟晚期-高成熟階段；另一方面反映了頁巖因致密和滲透性極低及有機質的高吸附效應，其輕烴部分損失很小，基本保留了生成油的組分特征。而Bakken組中段夾層抽提物的色譜分析則顯示，中段白云質砂巖與粉砂巖層僅滯留了很少量的輕質油，低于C15的烴大多數(shù)已經(jīng)損失，僅滯留了一些相對重些的烴類組分；說明在Williston 盆地Bakken組混合型頁巖油系統(tǒng)中，真正可動用油(可有效采出的油)主要為碳數(shù)低于15的輕烴部分。

據(jù)文獻[31]修編。圖6 Williston盆地Parshall 油田Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)油色譜圖Fig.6 Fingerprints of oils from hybrid shale-oil system of Bakken Formation in Parshall field, Williston basin

3 頁巖油“甜點”主要控制因素

北美Williston盆地Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)中存在兩種類型的頁巖油“甜點”，即裂縫型富有機質成熟頁巖段和與成熟富有機質頁巖層相鄰的貧有機質層段。兩種類型的頁巖油“甜點”均受高含輕質油富有機質成熟頁巖、異常壓力及微裂縫控制，同時與成熟富有機質頁巖層相鄰的貧有機質層段也受后期成巖作用的改造制約。

3.1 高含輕質油富有機質成熟頁巖

泥頁巖富有機質是形成頁巖油的物質基礎，也是泥頁巖層系熱演化過程中形成異常高壓并發(fā)育微裂縫的前提條件。Bakken組下段和上段頁巖雖厚度不大，但有機質豐度異常高(圖3)。頁巖油主要形成于有機質演化液態(tài)烴生成階段(0.50≤Ro<1.30%)，在富有機質頁巖持續(xù)生油階段，石油在頁巖儲集層中滯留聚集，只有在頁巖儲集層自身飽和后才外溢[33]。目前，Bakken組頁巖油高產(chǎn)區(qū)均處于富有機質頁巖成熟區(qū)，油質較輕，并且富有機質頁巖本身的油飽和指數(shù)在100 mg/g左右，當大于100 mg/g 以上時就具有頁巖油生產(chǎn)潛力[1]，孔隙空間油飽和度高達0.80以上[29]。

3.2 異常壓力

Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)油藏分析發(fā)現(xiàn)，頁巖油高產(chǎn)地區(qū)幾乎均位于超壓區(qū)。異常壓力的成因與生烴作用有關，富有機質頁巖壓實埋藏熱演化過程中，由于上覆Lodgepole組為一套致密灰?guī)r并且本身富有機質，具有良好的封蓋能力，導致Bakken組上、下富有機質層段生成的烴類大量滯留在富有機質頁巖及與其并置的貧有機質夾層中,從而形成異常高壓[16，24，32]，壓力系數(shù)達1.35～1.58[33]。

3.3 微裂縫

數(shù)據(jù)據(jù)文獻[21]。圖7 Williston盆地Elm Coulee油田Bakken組中段白云石體積分數(shù)與孔隙度、含油飽和度關系圖Fig.7 Diagrams showing the relationship of the content of dolomites with porosity and oil saturation in the middle Bakken Formation in Elm Coulee field, Williston basin

Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)的勘探開發(fā)表明，具有工業(yè)產(chǎn)能的頁巖油主要產(chǎn)自Bakken組中段的貧有機質且微裂縫發(fā)育的砂巖或碳酸鹽巖夾層中以及微裂縫發(fā)育的富有機質Bakken組下段和上段[1，9，27-33]；而微裂縫不發(fā)育的層段尤其上、下頁巖段則因超低滲透能力和有機質對石油吸附的滯留作用，可采的石油量很小[1]。最近，英國皇家學會院士Steve Larter等[34]撰文指出，烴源巖中滯留油主要賦存在干酪根中，而賦存在干酪根中的滯留油其運移方式主要靠擴散作用而不是經(jīng)典的達西滲流作用。因此，人工壓裂作用對烴源巖中賦存在干酪根內的滯留油的生產(chǎn)能力影響也很小。這意味著裂縫不發(fā)育的富有機質泥頁巖目前難以實現(xiàn)頁巖油的有效開發(fā)。

3.4 貧有機質層的成巖作用改造

Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)的一個重要特點是系統(tǒng)內發(fā)育與富有機質層相鄰的貧有機質層。盡管Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)的部分頁巖油產(chǎn)自微裂縫發(fā)育的頁巖段，但最佳頁巖油產(chǎn)層則是與富有機質頁巖層并置的貧有機質層段，尤其是Bakken組中段白云質砂巖與粉砂巖，其油飽和指數(shù)普遍高達400 mg/g(圖3)。據(jù)美國地質調查局2010年估算，可采石油主要位于具有較高基質孔隙度、微裂縫發(fā)育的Bakken組中部白云質砂巖(白云巖)層段[21]。Bakken組中段白云質砂巖與粉砂巖富含頁巖油，這得益于成巖作用的改造作用。對Elm Coulee油田Bakken組中段的成巖作用研究表明，如果沒有經(jīng)歷多種成巖作用的改造，尤其原始灰質砂巖與粉砂巖的早期白云巖化作用以及微裂縫作用，使其增加次生孔隙和滲透率，Elm Coulee不可能產(chǎn)油并成為Williston盆地最大的油田[21]。由圖7可見，在Williston盆地Elm Coulee油田,隨著Bakken組中段白云石體積分數(shù)的增高(即白云巖化作用的增強)，其孔隙度和孔隙含油飽和度均顯著增大。顯然，后期成巖改造是混合頁巖油系統(tǒng)中貧有機質層段頁巖油富集的重要控制因素。

4 對我國東部湖相頁巖油勘探的啟示

隨著國外尤其北美地區(qū)頁巖油勘探的成功，國內各大石油公司也開始了頁巖油勘探的探索，通過老井復查復試和頁巖油水平井分段壓裂實踐，已在東部斷陷湖盆頁巖油領域取得了突破。如中國石化2011年在泌陽凹陷安深1井核三3頁巖段大型壓裂日產(chǎn)油4.68 m3，實現(xiàn)了中國陸相頁巖油勘探的突破[35]；2012年泌頁HF-1井水平井分段壓裂最高日產(chǎn)油23.6 m3，成功實現(xiàn)了國內第一口頁巖油水平井的分段壓裂[36]；在濟陽坳陷沾化凹陷，針對沙三下--沙四上部署實施了多口頁巖油水平井，渤頁平1井在第二段壓裂后初期日產(chǎn)油8.22 m3，渤頁平2井共完成5段分段壓裂，其中，第5段壓裂深度3 125.94～3 244.96 m，進行了2次壓裂，壓后分別日產(chǎn)油1.5 m3和2.3 m3[37]。盡管如此，這些頁巖油勘探井日產(chǎn)油量均衰減很快，難以形成具有經(jīng)濟效益的產(chǎn)量，故目前我國東部斷陷湖盆頁巖油的勘探總體效果是不理想的。

表2為東部湖相盆地頁巖油勘探目標層與北美Williston Bakken組目標層地質特征對比表，顯然對比結果對揭示東部湖盆頁巖油的勘探總體效果不佳的原因具有重要啟示。首先，受頁巖氣勘探思路的影響，目前我國東部湖盆頁巖油勘探目標層重點也聚焦于富有機質泥頁巖層段，而富有機質層段相對貧有機質的碳酸鹽巖或砂巖夾層具有更低的基質孔隙度與滲透率；其次，有機質對滯留油具有相對高的吸附或互溶效應，這必然導致富有機質層段雖高含油，但難以有效動用，除非微裂縫異常發(fā)育并飽和油。因此，把頁巖油勘探目標層聚焦于富有機質泥頁巖層段，是我國東部湖盆頁巖油勘探效果欠佳的主觀因素。

另外，東部湖盆頁巖油勘探效果不佳尚與客觀因素有關。第一，目前進行頁巖油勘探的沾化凹陷沙三下和泌陽凹陷核三段富有機質泥頁巖層段，其微裂縫發(fā)育程度一般有限，僅局部發(fā)育；如泌陽凹陷泌頁HF-1井核三段紋層-層狀白云質頁巖、泥巖段相對發(fā)育層理縫(圖8a)，局部發(fā)育構造縫，并且層理縫與構造縫均含油，而塊狀白云質泥巖段僅局部發(fā)育構造微裂縫(圖8b--d)。第二，沾化凹陷沙三下和泌陽凹陷核三段富有機質泥頁巖層段盡管具有很強的非均質性，但其內部含油的貧有機質的碳酸鹽巖或粉砂巖夾層很薄，一般小于5 cm(圖8e、f)。第三，在相同熱演化階段，湖相Ⅰ型烴源巖較海相Ⅱ型烴源巖生成的油重、油氣比小、黏度大。當前東部頁巖油的勘探深度小于3 500 m，而該埋藏深度內沾化凹陷沙三下和泌陽凹陷核三段富有機質泥頁巖層段熱演化程度偏低，一般Ro<1.00%導致生成的油較重，可動性差(表2)。第四，由于湖相烴源巖有機質類型以Ⅰ型為主，較海相Ⅱ型有機質為主烴源巖生成的油含蠟量高，導致油的可流動性更低。

為此，針對我國東部湖盆頁巖油的勘探，建議目前加強如下兩個方面的研究：

1)加強成熟富有機質層系內貧有機質碳酸鹽巖或粉砂、細砂巖薄夾層的精細評價與頁巖油勘探。充分利用鉆井、測井、錄井等資料，精細評價我國東部湖相盆地成熟富有機質層系中貧有機質碳酸鹽巖或粉砂、細砂巖薄夾層的發(fā)育、分布特征、壓力場特征及微裂縫發(fā)育情況和含油性特征，為貧有機質層的頁巖油勘探提供有利層段與目標區(qū)。

2)對于成熟富有機質泥頁巖層段，應重點開展微裂縫發(fā)育情況、壓力場特征及油飽和指數(shù)評價，圈定裂縫發(fā)育、處于異常高壓并且油飽和指數(shù)高于100 mg/g的深度段以及分布范圍，為泥頁巖裂縫型頁巖油勘探提供有利層段與目標區(qū)。

表2 東部湖相盆地頁巖油勘探目標層與北美Williston Bakken組目標層地質特征對比

Table 2 Comparative table showing geological characteristics of shale oil exploring target section in lacustrine face basins of Eastern China and in Williston Bakken, North America

頁巖油勘探目標層地質特征Williston盆地沾化凹陷泌陽凹陷地層時代晚泥盆世早密西西比世沙三下核三段沉積環(huán)境深水陸棚淺海沉積相深湖淺湖沉積相深湖淺湖沉積相巖性組合貧有機質白云質砂巖、粉砂巖或微裂縫異常發(fā)育的富有機質頁巖段富有機質紋層狀、層狀或塊狀泥質灰?guī)r與灰質泥巖夾很薄(一般小于1cm)的微晶灰?guī)r富有機質紋層狀、層狀或塊狀白云質或灰質頁巖、泥巖夾薄層(一般小于5cm)粉砂巖、白云巖基質孔隙度/%1.00～16.000.60～6.100.80～2.20基質滲透率/mD0.01～1.000.08～0.00060.02～0.0009微裂縫發(fā)育情況異常發(fā)育一般發(fā)育有限,局部發(fā)育一般發(fā)育有限,局部發(fā)育壓力系數(shù)1.35～1.581.20～1.600.95～1.05頁巖油密度/(g/cm3)0.80～0.820.91～0.930.86

a.含油層理縫異常發(fā)育；b.富有機質頁巖與貧有機質白云巖互層產(chǎn)出，并被構造微裂縫穿切，層理縫、構造微裂縫以及白云巖薄夾層含油；c.低角度含油構造微裂縫；d.高角度含油構造微裂縫；e、f.含油粉砂巖薄夾層。圖8 泌陽凹陷泌頁HF-1井核三段層理縫、構造微裂縫以及粉砂巖、白云巖薄夾層普遍含油Fig.8 Photos showing oil-bearing thin interlayer of siltstone, dolostone of Eh3 with fedding cnacks and microfractures, well Biye HF-1 in Biyang depression

5 結論

1)北美Williston 盆地Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)由Bakken組(包括下段、中段和上段)和上覆Lodgepole組下段以及下伏Three Forks組上段組成。其中，Bakken組下段和上段為該頁巖油系統(tǒng)的生油巖，整個Bakken組、Lodgepole組下段和Three Forks組上段構成基本連續(xù)的儲集層。

2)Bakken組混合頁巖油系統(tǒng)存在裂縫型富有機質成熟頁巖段、與成熟富有機質頁巖層相鄰的貧有機質層段兩種類型的頁巖油“甜點”。兩種類型的“甜點”均受高含輕質油富有機質成熟頁巖、異常壓力及微裂縫控制，同時貧有機質層段也受后期成巖作用改造制約。貧有機質層段具有相對高的孔隙度、滲透率及低的吸附量，其是混合型頁巖油系統(tǒng)中的主要產(chǎn)層。

3)把頁巖油勘探目標層聚焦于富有機質泥頁巖層段，是我國東部湖盆頁巖油勘探效果欠佳的主觀因素；而富有機質泥頁巖層段天然微裂縫發(fā)育局限，滯留油主要賦存在有機質中，熱演化程度偏低使滯留油較重及湖相Ⅰ型烴源巖生成的油含蠟量高等因素，是導致可采的頁巖油量十分有限的客觀因素。

4)建議加強成熟富有機質層系內貧有機質碳酸鹽巖或粉砂、細砂巖薄夾層的精細評價與勘探，加強成熟富有機質泥頁巖層段裂縫型頁巖油的評價與勘探。

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Characteristics of Typical Hybrid Shale-Oil System in North America and Its Implications

Li Zhiming1，2, Rui Xiaoqing1，2, Li Maowen1，2, Cao Tingting1，2,Xu Ershe1，2, Tao Guoliang1，2， Jiang Qigui1，2

1.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,RIPEP,SINOPEC,Wuxi214151,Jiangsu,China2.KeyLaboratoryofPetroleumAccumulationMechanisms,SINOPEC,Wuxi214126,Jiangsu,China

The Bakken Formation of Williston basin in North America is a typical hybrid shale-oil system. The characteristics of geology and geochemistry, porosity and permeability, micro-fracture development, and shale oil for organic-rich shales and juxtaposed organic-lean intervals, are systematically analyzed in this paper. The results show that the shale oil sweet point is mainly controlled by the mature shale, which is rich in organic matter and high content of light oils, abnormal pressure, well-developed micro-fractures, and dolomitization in organic-lean intervals all together. Meanwhile, organic-lean intervals are the main shale oil productive layer in hybrid shale oil system due to its relative high porosity, permeability, and low adsorptive capacity. This has an important implication for discovering the causes that the continental shale oil exploring results are not desirable in Eastern China. The subjective factor is that only organic rich shale and mudstone are taken as shale oil exploration targets; while the objective factors are that the development of natural micro-fracture is limited in organic-rich shale and mudstone but the organic-lean intervals, and the retained oil is mainly existed in organic matter with high wax generated from lacustrine source rocks relative to marine source rocks; the maturity of organic-rich shale and mudstone is not high enough to generate lighter oil. Therefore, we suggest to enhance a fine evaluation and an exploration of organic-lean carbonate or silt and fine sandstone with thin intervals in mature organic-rich shale system; and mature organic-rich shale with open fractures is proposed for shale oil exploring in lacustrine face basins of Eastern China.

hybrid shale-oil system；Bakken Formation；Williston basin；shale oil exploring；Eastern China；North America; shale oil

10.13278/j.cnki.jjuese.201504110.

2014-11-25

國家“973”計劃項目(2014CB239101)；中國石油化工股份有限公司科技開發(fā)部項目(P12012)

李志明(1968--)，男，高級工程師，主要從事油氣地球化學研究與石油地質綜合評價，E-mail:lizm.syky@sinopec.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504110

P618.12

A

李志明，芮曉慶，黎茂穩(wěn)，等.北美典型混合頁巖油系統(tǒng)特征及其啟示.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(4):1060-1072.

Li Zhiming, Rui Xiaoqing, Li Maowen,et al.Characteristics of Typical Hybrid Shale-Oil System in North American and Its Implications.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):1060-1072.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504110.