陸相頁(yè)巖油成藏地質(zhì)條件及富集高產(chǎn)主控因素——以泌陽(yáng)凹陷為例

王優(yōu)先

（中國(guó)石化河南油田分公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 鄭州450000）

0 引言

以四川盆地為代表，目前國(guó)內(nèi)海、陸相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)已取得了重大突破，并建立了頁(yè)巖氣開(kāi)采先導(dǎo)示范區(qū)。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖油勘探也在東部斷陷、坳陷盆地開(kāi)展了大量地質(zhì)評(píng)價(jià)與勘探選區(qū)工作，并實(shí)鉆了一批頁(yè)巖油資料井、專探井和水平井，但僅取得勘探早期的突破，尚未獲得商業(yè)規(guī)模發(fā)現(xiàn)［1-3］。

本文以中國(guó)率先取得頁(yè)巖油勘探早期突破的泌陽(yáng)凹陷古近系核桃園組陸相頁(yè)巖為例，在對(duì)頁(yè)巖油地質(zhì)條件和勘探成果研究的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了陸相頁(yè)巖油富集高產(chǎn)條件，初步建立了陸相頁(yè)巖油有利區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)我國(guó)陸相頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)具有積極的推動(dòng)作用。

1 研究區(qū)頁(yè)巖油地質(zhì)條件

泌陽(yáng)凹陷是燕山運(yùn)動(dòng)末期所形成的山間斷陷，為南襄盆地的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。受東部的栗園-泌陽(yáng)與南部的唐河-栗園2 條邊界大斷裂沉降控制，泌陽(yáng)凹陷總體表現(xiàn)為北部抬升、東南部沉降深埋的箕狀構(gòu)造，由南向北依次劃分為南部陡坡構(gòu)造帶、 中部深凹構(gòu)造帶和北部斜坡構(gòu)造帶（見(jiàn)圖1）。

圖1 泌陽(yáng)凹陷構(gòu)造格局

研究區(qū)沉積蓋層由老至新依次發(fā)育： 中生界白堊系上白堊統(tǒng)；新生界古近系玉皇頂、大倉(cāng)房、核桃園、廖莊組；新生界新近系鳳凰鎮(zhèn)組；新生界第四系地層。其中富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育在核桃園組（見(jiàn)圖2）。截至2014年底，泌陽(yáng)凹陷深凹區(qū)核桃園組頁(yè)巖已部署鉆探頁(yè)巖油直井1 口（安深1 井），水平井2 口（泌頁(yè)HF1，泌頁(yè)HF2 井）［4］，通過(guò)大型減阻水壓裂，均獲得初期高產(chǎn)油流，其中直井最高日產(chǎn)油量4.68 m3，水平井最高日產(chǎn)油量23.60～28.10 m3。

1.1 沉積與地層分布

研究區(qū)內(nèi)核桃園組地層沉積厚度最大，可達(dá)3 700 m，其中暗色泥頁(yè)巖最大厚度達(dá)3 000 m，泥地比最高達(dá)81%。平面上分布面積約720 km2，主要分布在深凹區(qū)。頁(yè)巖厚度由北西向南東增厚，厚度中心位于深凹區(qū)東南部安棚向斜一帶。

泌陽(yáng)凹陷核桃園組自下而上分為核三段、核二段、核一段。

核三段時(shí)期，該區(qū)處于強(qiáng)烈斷陷期，地層沉積厚度為1 531～2 288 m，頁(yè)巖厚度達(dá)158～360 m。核三段分為2 個(gè)亞段8 個(gè)砂組。核三下亞段包括4 個(gè)砂組（H3Ⅷ，H3Ⅶ，H3Ⅵ，H3Ⅴ），核三上亞段包括4 個(gè)砂組（H3Ⅳ，H3Ⅲ，H3Ⅱ，H3Ⅰ）。該時(shí)期湖盆水體深、范圍廣，占凹陷面積的70%。

圖2 泌陽(yáng)凹陷地層柱狀圖

在凹陷中南部主要沉積了深湖—半深湖相的深灰色、灰黑色、褐色頁(yè)巖，厚度中心位于前杜樓—畢店—安店一帶。濱湖相（相當(dāng)于三角洲前緣部位）主要發(fā)育砂質(zhì)泥巖。H3Ⅴ砂組時(shí)期以后，湖盆水體變咸，湖中心安棚地區(qū)發(fā)育深湖相白云巖、 泥質(zhì)白云巖等碳酸鹽巖沉積。

核二段時(shí)期，該區(qū)處于強(qiáng)烈斷陷后期，沉降作用減弱，地層沉積厚度112～943 m。該時(shí)期湖盆水體變淺，古氣候趨于干旱，湖水濃縮并趨于咸化，湖泊中心主要發(fā)育淺湖相沉積，在安棚地區(qū)發(fā)育鹽湖相碳酸巖。在位于雙河—畢店—安棚地區(qū)的湖泊中心，主要沉積了灰色泥巖、白云質(zhì)泥巖、薄層粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、淺灰色紋層狀白云巖、紋層狀和層狀天然堿、褐色鈣質(zhì)頁(yè)巖、灰黑色頁(yè)巖。頁(yè)巖累計(jì)厚度53～341 m。

核一段時(shí)期，邊界斷裂活動(dòng)強(qiáng)度減弱，氣候干旱，湖泊水體淺，開(kāi)始向?yàn)I淺湖、沖積平原轉(zhuǎn)化，湖盆局限發(fā)育，沉積厚度0～592 m。湖泊中心主要發(fā)育灰綠色泥巖、砂巖和泥質(zhì)白云巖、油頁(yè)巖。頁(yè)巖累計(jì)厚度0～141m。

從泌陽(yáng)凹陷沉積演化及沉積地層看，作為頁(yè)巖油勘探目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖——深灰色、灰黑色、褐色頁(yè)巖，縱向上主要在核三段、核二段發(fā)育［5-6］，平面上主要發(fā)育在深湖區(qū)、半深湖區(qū)（見(jiàn)圖3）。

圖3 泌陽(yáng)凹陷核3Ⅲ砂組頁(yè)巖厚度

1.2 地化特征

頁(yè)巖中有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）決定生烴量，與含油豐度也有良好的正相關(guān)性。泌陽(yáng)凹陷核二段頁(yè)巖TOC 值在0.40%～7.46%，平均2.57%，主要分布在0.60%～1.00%和2.00%以上。核三上亞段TOC 值在0.40%～9.34%，平均3.22%，主要分布在2.00%以上；核三下亞段TOC 值在0.41%～2.66%，平均1.17%，主要分布在1.00%～2.00%。

調(diào)研國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖油氣選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，具備頁(yè)巖油生產(chǎn)能力頁(yè)巖的TOC 值一般要大于2%，也就是說(shuō)，只有富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖才具備良好的頁(yè)巖油勘探和開(kāi)發(fā)前景。由此可知，泌陽(yáng)凹陷核三上亞段、核二段頁(yè)巖具備較好的頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)物質(zhì)基礎(chǔ)。在有機(jī)質(zhì)母質(zhì)類型方面，泌陽(yáng)凹陷核三段與核二段差別不大，以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，為菌藻類和腐泥類母質(zhì)類型，易于生成環(huán)烷烴或石蠟環(huán)烷烴石油。北美地區(qū)海相頁(yè)巖油母質(zhì)類型多為Ⅱ1和Ⅱ2型，泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油母質(zhì)類型稍有差異。熱演化程度方面，核三下亞段頁(yè)巖Ro為0.8%～1.7%，核三上亞段頁(yè)巖為0.5%～1.1%，核二段頁(yè)巖為0.3%～0.6%。

綜合泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖地化特征可知，核三上亞段及部分核二段頁(yè)巖具備形成頁(yè)巖油的有利地化條件［7］。

1.3 儲(chǔ)集特征

頁(yè)巖中基質(zhì)孔隙包括殘余原生粒間孔、有機(jī)質(zhì)生烴演化孔、 黏土礦物伊利石化形成的晶間孔及不穩(wěn)定礦物溶蝕作用形成的溶蝕孔隙［8-9］。采用巖石薄片結(jié)合氬離子拋光高分辨率掃描電鏡分析可知，泌陽(yáng)凹陷主要頁(yè)巖發(fā)育的孔隙類型有粒間孔（石英粒間孔、云母片間孔）、晶間孔（黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、方解石晶間孔）、溶蝕孔（長(zhǎng)石、白云石、方解石溶蝕孔）、有機(jī)質(zhì)孔等基質(zhì)孔隙，同時(shí)發(fā)育構(gòu)造縫、層間縫與微裂縫（晶間、 層間、 礦物收縮及生烴演化等微裂縫）（見(jiàn)圖4）。根據(jù)對(duì)安深1 井、泌頁(yè)HF1 井和程2 井頁(yè)巖巖心進(jìn)行的核磁共振孔隙度實(shí)驗(yàn)、 脈沖法滲透率實(shí)驗(yàn)以及SRP 法飽和度實(shí)驗(yàn)可知，頁(yè)巖孔隙度在1.55%～7.23%，平均4.63%；滲透率0.31×10-6～0.90×10-6μm2，平均0.62×10-6μm2；壓降基質(zhì)滲透率0.000 43×10-6～0.003 12×10-6μm2，平均0.000 56×10-6μm2；含油飽和度16.89%～41.49%，平均29.11%。總體上表現(xiàn)為超低孔滲、低含油飽和度頁(yè)巖儲(chǔ)層。

圖4 泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖儲(chǔ)集空間特征

1.4 巖石礦物學(xué)特征

泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖全巖、黏土礦物X 衍射分析結(jié)果表明，頁(yè)巖礦物主要為黏土礦物、石英、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石及少量鉀長(zhǎng)石、黃鐵礦。黏土礦物主要是伊蒙混層、伊利石，含少量高嶺石、綠泥石，伊蒙混層比20%左右。泌陽(yáng)凹陷核三段—核二段石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦等脆性礦物體積分?jǐn)?shù)平均為58.94%～83.72%，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)平均為16.87%～38.03%。與海相頁(yè)巖相比，同樣具備較好的可壓性［10-12］。

1.5 含油性

泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖具備較好的含油性，主要表現(xiàn)在鉆井、錄井過(guò)程中見(jiàn)到良好的油氣顯示，以及試油過(guò)程中獲得油流。泌頁(yè)HF1 井在2 415～2 451 m 井段取心，均為灰黑色、褐色頁(yè)巖，頁(yè)巖高角度裂縫、層理縫十分發(fā)育，原油沿裂縫面浸出下滴，氣測(cè)錄井全烴36.24%～100%，氣測(cè)異常十分明顯，原油在振動(dòng)篩及槽面大量出現(xiàn)；泌頁(yè)HF1、泌頁(yè)2HF、安深1、泌74、泌130 等井在頁(yè)巖測(cè)試和壓裂試油過(guò)程中，均試獲油流，其中泌頁(yè)2HF 多級(jí)分段壓裂試獲最高日產(chǎn)28.1 m3工業(yè)油流。

2 陸相頁(yè)巖油富集高產(chǎn)主控因素

世界上沒(méi)有完全相同的頁(yè)巖，所以，導(dǎo)致頁(yè)巖油富集高產(chǎn)的主控因素也不相同?？偨Y(jié)陸相頁(yè)巖富集主控因素，需要結(jié)合陸相頁(yè)巖的地質(zhì)特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究大都從頁(yè)巖厚度與分布、巖石礦物組成、地化特征、儲(chǔ)集空間與物性、裂縫發(fā)育程度、壓力系數(shù)、構(gòu)造作用、保存條件等因素出發(fā)。根據(jù)泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖的地質(zhì)特點(diǎn)，本文從沉積環(huán)境、巖相、裂縫發(fā)育及地層超壓等方面對(duì)泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油富集高產(chǎn)的主控因素進(jìn)行了研究。

2.1 沉積環(huán)境

與海相沉積相比，陸相明顯受水深、古地貌、物源等方面的影響大，沉積變化快，沉積相帶明顯控制了富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的空間展布。核三段—核二段時(shí)期，深湖區(qū)與半深湖區(qū)或淺湖區(qū)控制富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的沉積與分布，濱湖區(qū)及部分半深湖區(qū)或淺湖區(qū)控制砂質(zhì)泥巖的沉積。水體的咸化程度控制有機(jī)質(zhì)的保存與富集，核三上亞段—核二段，水體變咸（標(biāo)志是白云巖大量發(fā)育），有機(jī)質(zhì)富集并大量保存下來(lái)，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于核三下亞段。

2.2 巖相

根據(jù)層理結(jié)構(gòu)與礦物組成，可將泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖分為粉砂質(zhì)、黏土質(zhì)、灰質(zhì)和白云質(zhì)頁(yè)巖。受物源沉積及沉積礦物轉(zhuǎn)化的影響，由湖邊緣向湖中心，頁(yè)巖巖相依次為粉砂質(zhì)、黏土質(zhì)、灰質(zhì)、白云質(zhì)頁(yè)巖（見(jiàn)圖5）。由于受物源進(jìn)積、水體動(dòng)蕩、風(fēng)暴、重力等影響，湖的邊緣主要發(fā)育粉砂質(zhì)頁(yè)巖；在湖中心，由浮游藻類的生物化學(xué)沉積作用形成的隱晶方解石紋層，加上后期成巖重結(jié)晶作用形成的亮晶方解石紋層，與黏土礦物紋層組合，形成了灰質(zhì)頁(yè)巖沉積；白云質(zhì)頁(yè)巖的成因主要是埋藏白云石化，隨著埋深加大，黏土礦物轉(zhuǎn)化的過(guò)程中釋放鎂離子Mg2+，孔隙水中Mg2+/Ca2+比值提高，同時(shí)先存的泥晶方解石部分溶解，成分上重新組合，使原來(lái)的灰質(zhì)被白云石化。研究認(rèn)為，巖相通過(guò)控制儲(chǔ)集物性、含油性及可壓性，控制了頁(yè)巖油富集高產(chǎn)［13］。

圖5 泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖相沉積模式

巖相控制儲(chǔ)集物性與含油豐度?；屹|(zhì)頁(yè)巖孔隙度、滲透率、平均孔隙半徑均最大，含油豐度最高，最有利于頁(yè)巖油富集（見(jiàn)表1）；其次為粉砂質(zhì)頁(yè)巖；最后為黏土質(zhì)頁(yè)巖與白云質(zhì)頁(yè)巖。

巖相還控制頁(yè)巖可壓性。全巖X 衍射數(shù)據(jù)分析表明： 泌陽(yáng)凹陷4 種巖相陸源碎屑石英與長(zhǎng)石的體積分?jǐn)?shù)大致相當(dāng)，平均為34.89%～43.53%；而黏土質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)較高，平均為38.44%～42.7%；灰質(zhì)頁(yè)巖、 白云質(zhì)頁(yè)巖的碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)高，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，平均為23.94%～25.62%?？傮w上黏土礦物與碳酸鹽礦物體積分?jǐn)?shù)彼此呈消長(zhǎng)關(guān)系。由于黏土質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖黏土礦物體積分?jǐn)?shù)高，可壓性相對(duì)較差。

表1 泌陽(yáng)凹陷不同頁(yè)巖相物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.3 裂縫發(fā)育與地層超壓

與常規(guī)油氣勘探規(guī)律相似，對(duì)于非常規(guī)頁(yè)巖油藏來(lái)說(shuō)，超壓與裂縫是其富集和高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。壓力與頁(yè)巖油藏的規(guī)模及油井產(chǎn)能成正比，壓力越高，油藏規(guī)模越大，油井越容易形成高產(chǎn)。

目前泌陽(yáng)凹陷獲得頁(yè)巖油高產(chǎn)的安深1 和泌頁(yè)HF1 井，頁(yè)巖裂縫十分發(fā)育，既有宏觀的構(gòu)造、層理縫，也有微觀的構(gòu)造、層間、礦物收縮、生烴超壓、晶間縫。裂縫走向主要以北北西—南南東、 北東東—南西西為主，傾角分布在30～80°，以中低角度為主，主頻為40°，密度2～6 條/m，長(zhǎng)度0.02～1.50 m，裂縫孔隙度0.2%～1.0%。其中北北西—南南東向裂縫與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向垂直，與后期壓裂形成的人工裂縫交錯(cuò)，形成網(wǎng)狀裂縫體系，有利于頁(yè)巖油滲流與高產(chǎn)。

地震多屬性預(yù)測(cè)表明，裂縫發(fā)育有利于頁(yè)巖油富集與高產(chǎn)，泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖油高產(chǎn)井安深1 和泌頁(yè)HF1均位于裂縫發(fā)育區(qū)。安深1 井地層壓力測(cè)試數(shù)據(jù)表明，泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖地層壓力系數(shù)為1.227，為超壓地層。國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖油氣勘探實(shí)踐均表明，地層超壓有利于頁(yè)巖油富集與高產(chǎn)［14-15］。

3 陸相頁(yè)巖油選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探討

目前國(guó)內(nèi)陸相頁(yè)巖油勘探正處于探索與前期地質(zhì)評(píng)價(jià)階段，雖然已在南襄盆地泌陽(yáng)凹陷、渤海灣盆地東營(yíng)凹陷、沾化凹陷、遼河坳陷、鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)、三塘湖盆地馬朗凹陷等多個(gè)地區(qū)取得了頁(yè)巖油勘探的積極進(jìn)展［16-17］，展示了陸相頁(yè)巖油良好的勘探開(kāi)發(fā)前景，但尚未形成一套規(guī)范的頁(yè)巖油選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［18］。本文借鑒美國(guó)頁(yè)巖油氣選區(qū)評(píng)價(jià)成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖地質(zhì)特點(diǎn)與勘探實(shí)踐，初步探索并建立了泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖有利區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖油水平井部署鉆探，取得了較好的效果。

本研究主要考慮與頁(yè)巖油富集高產(chǎn)密切相關(guān)的10 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（見(jiàn)表2）。其中：有利頁(yè)巖相（灰質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖）的發(fā)育程度是頁(yè)巖油賦存的物質(zhì)基礎(chǔ)，它控制了儲(chǔ)集物性、含油性與可壓性，同時(shí)控制了資源規(guī)模、資源豐度與勘探潛力；有機(jī)質(zhì)豐度、類型與熱演化程度控制了頁(yè)巖生油能力與流體性質(zhì)；孔隙度是頁(yè)巖油儲(chǔ)量規(guī)模與儲(chǔ)集物性下限重要指標(biāo)；裂縫發(fā)育程度對(duì)于頁(yè)巖油滲流與有效開(kāi)采至關(guān)重要，裂縫不發(fā)育，則很難具備形成商業(yè)規(guī)模開(kāi)采頁(yè)巖油的能力；地層超壓是提供頁(yè)巖油開(kāi)采驅(qū)動(dòng)能力的關(guān)鍵；含油飽和度指數(shù)（S1/TOC）反映了頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)向頁(yè)巖油轉(zhuǎn)化的能力以及頁(yè)巖油的保存條件，含油飽和度指數(shù)越高，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為石油烴類越多，保存得越好。

本文綜合利用表2參數(shù)指標(biāo)，刻畫了泌陽(yáng)凹陷主力頁(yè)巖層甜點(diǎn)區(qū)，為頁(yè)巖油水平井部署圈定了有利范圍（見(jiàn)圖6）。2011—2012年，在該甜點(diǎn)區(qū)范圍內(nèi)部署的頁(yè)巖油水平井泌頁(yè)HF1，15 級(jí)分段壓裂后，獲得日產(chǎn)油量23.6 m3，日產(chǎn)氣量1 000 m3的高產(chǎn)油氣流；部署的第2 口頁(yè)巖油水平井泌頁(yè)HF2 經(jīng)過(guò)22 級(jí)分段壓裂后，獲得日產(chǎn)油量28.1 m3的高產(chǎn)油流。這表明泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油勘探取得重要突破，展示了中國(guó)陸相頁(yè)巖油良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。

表2 泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油甜點(diǎn)區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)

圖6 泌陽(yáng)凹陷主力頁(yè)巖層甜點(diǎn)區(qū)綜合評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

1）泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖具有累計(jì)厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、有機(jī)質(zhì)類型好、熱演化程度適中、儲(chǔ)集空間發(fā)育、脆性礦物體積分?jǐn)?shù)高、含油性好等特征，具備形成陸相頁(yè)巖油的有利條件。資源評(píng)價(jià)結(jié)果表明，泌陽(yáng)凹陷主力頁(yè)巖層頁(yè)巖油資源量4.226×108t，勘探開(kāi)發(fā)潛力較大。

2）沉積環(huán)境、巖相、裂縫發(fā)育與地層超壓4 因素控制了泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的分布，為頁(yè)巖油富集高產(chǎn)提供了必要條件。

3）泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油取得了勘探的早期突破，表明中國(guó)陸相頁(yè)巖油具有良好的勘探開(kāi)發(fā)前景，但是也存在著成本較高、工程技術(shù)復(fù)雜的難題。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)陸相頁(yè)巖油將會(huì)迎來(lái)商業(yè)規(guī)模開(kāi)采的局面。

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