沾化凹陷頁巖油富集可采主控因素研究

蘇思遠，姜振學(xué)*，寧傳祥，王智，李政，朱日房

1 中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 2 中國石油大學(xué) 非常規(guī)天然氣研究院，北京 102249 3 中石化勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院，東營 257015

沾化凹陷頁巖油富集可采主控因素研究

蘇思遠1,2，姜振學(xué)1,2*，寧傳祥1,2，王智1,2，李政3，朱日房3

1 中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 2 中國石油大學(xué) 非常規(guī)天然氣研究院，北京 102249 3 中石化勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院，東營 257015

通過顯微鏡薄片觀察、熱解實驗、氦氣孔隙度、脈沖滲透率、XRD全巖礦物分析等實驗，對渤海灣盆地濟陽坳陷沾化凹陷頁巖油富集主控因素進行了研究。結(jié)果表明：泥頁巖的生烴能力和儲集能力是頁巖油能否富集的重要影響因素。生烴能力方面，有機質(zhì)豐度、類型、成熟度等是決定因素；儲集能力方面，發(fā)育一定的紋理和微裂縫有助于提高頁巖的儲集能力；富有機質(zhì)紋層狀巖相既有較強的生烴能力又發(fā)育紋層，儲集能力強，是頁巖油勘探的有利巖相。紋理、超壓和微裂縫的發(fā)育可以提高油氣的流動能力。另外具有一定的脆性礦物含量和超壓條件，也為后期壓裂開采提供了便利。

頁巖油；富集；主控因素；生烴能力；儲集能力

0 引言

隨著世界能源需求的不斷增加，非常規(guī)油氣已經(jīng)成為油氣領(lǐng)域的勘探熱點[1-4]。尤其是通過北美對頁巖油氣的成功勘探，使得頁巖油成為全球油氣勘探的新焦點[5-6]。我國頁巖油主要分布在準(zhǔn)格爾、松遼、鄂爾多斯、四川、渤海灣等盆地，據(jù)估算中國主要盆地可采頁巖油資源量大約為30億～60億t[7]，顯示出較大的勘探潛力。頁巖油是指富有機質(zhì)、納米級孔徑為主的頁巖地層中的石油，是成熟有機質(zhì)頁巖石油的簡稱。主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于泥頁巖及相鄰砂巖及碳酸鹽巖薄夾層中，需要通過水平井多段壓裂等技術(shù)手段才能實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟開采[8-10]。頁巖油具有源儲一體、儲層致密，超低孔滲的特點[10-11]，其能否被成功勘探開發(fā)，主要取決于生烴基礎(chǔ)、儲存空間、保存條件、儲層改造條件、原油物性和開采方式等方面[12-14]。雖然已經(jīng)有學(xué)者對頁巖油的地球化學(xué)特征、可采性、資源評價方面做了一定研究[7,15-21]，但對頁巖油富集主控因素研究仍然較少。本文選取渤海灣盆地濟陽坳陷沾化凹陷沙三下亞段陸相頁巖樣品為例，通過顯微鏡薄片觀察、熱解實驗、氦氣孔隙度、脈沖滲透率、全巖礦物分析(X-Ray Diffraction)等實驗方法獲得了巖石學(xué)、地球化學(xué)及儲層等相關(guān)信息，進而通過分析頁巖的巖相、生烴能力、儲集能力、保存條件等對頁巖油富集可采的主控因素進行了研究，以便為今后的陸相頁巖油勘探提供借鑒。

1 樣品與實驗

研究區(qū)沾化凹陷位于濟陽坳陷東北部(圖1)，為渤海灣盆地三級構(gòu)造單元，屬于渤海灣中新生代裂谷盆地的一部分[22]。該區(qū)為深湖-半深湖沉積環(huán)境，沉積了大片的暗色泥巖，有機質(zhì)含量高，是良好的烴源巖，同時在洼陷深湖區(qū)還發(fā)育有近岸水下扇及湖底扇砂體呈楔形體插入深水湖相沉積中，主要以泥巖、油頁巖為主，夾砂巖、粉砂巖和碳酸鹽巖薄層，厚度一般為700～1 000 m，凹陷中部最厚可達1 200 m以上。前期勘探中，沾化凹陷已經(jīng)有百余口探井在泥頁巖中有油氣顯示，其中10口井獲得工業(yè)油流，并有一口系統(tǒng)取芯井L69井，及高產(chǎn)井L42、L67、XYS9井為代表，展示出良好的頁巖油勘探潛力。

本文選取渤海灣盆地濟陽坳陷沾化凹陷沙河街組沙三下亞段頁巖巖心進行實驗,樣品的地球化學(xué)熱解參數(shù)采用ROCK-Eval6巖石熱解分析儀測定，首先將樣品研磨成60 mg的粉末狀，0～300℃在熱解爐內(nèi)加熱分解得到可動烴S1(mg/g)，之后在300～650℃下進行加熱分解得到S2和Tmax值，總有機碳(TOC)使用Leco CS-230碳分析儀測定。為了測定礦物組分含量，將60～100 g樣品研磨成粉末(小于200目)，并使用Bruker D8 DISCOVER自動粉末X射線分析裝置測量頁巖樣品的礦物含量(Co Ka-radiation, 40 kv, 40 mA).孔隙度參數(shù)利用孔隙度自動測定儀通過體積法測得，測試氣體為氦氣，溫度為27℃。滲透率使用Smart-PermⅡ型超低滲透率測試儀，以氦氣為工作介質(zhì)，垂直取芯，鼓風(fēng)干燥48小時后進行測量。

圖1 沾化凹陷區(qū)域位置圖(改自王鴻升[23])Fig. 1 The regional location of Zhanhua Depression（modif i ed from WANG Hongsheng[23])

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 巖相

巖相是一定沉積環(huán)境中形成的巖石或巖石組合，它是沉積相的主要組成部分，包含了巖性特征的總和，包括礦物組成、顏色、顆粒大小分布等[24],泥頁巖的巖相在頁巖油勘探中有著十分重要的意義。根據(jù)有機質(zhì)豐度、沉積構(gòu)造、巖石組分等特點進行巖相劃分(表1)。根據(jù)前人的研究以有機質(zhì)豐度為2%為界限[11,21]，將TOC大于等于2%和小于2%劃分為富有機質(zhì)和含有機質(zhì)兩大類；沉積構(gòu)造方面，將紋層厚度小于1 mm劃分為紋層，大于等于1 mm的紋層定義為層狀，紋層不發(fā)育劃分為塊狀[25]；巖石組分方面，以砂巖類、泥巖類和碳酸鹽巖礦物為三端元，含量25%、50%、75%為界進行巖性劃分。將巖相劃分為富有機質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖、富有機質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖、含有機質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖、含有機質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖、含有機質(zhì)塊狀泥巖相等9類巖相，其中富有機質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖、富有機質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖、含有機質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和含有機質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r為沾化凹陷主要巖相類型(圖2)。據(jù)濟陽坳陷出油井統(tǒng)計，頁巖油氣主要產(chǎn)自富有機質(zhì)紋層狀巖相中，占出油井段70%，其中富有機質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相占37%，富有機質(zhì)紋層狀灰質(zhì)泥巖相占33%，富有機質(zhì)層狀灰質(zhì)泥巖相占19%，富有機質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r相占9%，含有機質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相占2%[25]。另外，富有機質(zhì)紋層狀巖相具有低碳輕質(zhì)組分含量高的特點，這也是富有機質(zhì)紋層狀巖相頁巖油可動性好、頁巖油相對富集的主要原因之一[25]。并且該種巖相有機質(zhì)豐度高，生烴能力強，并且由于紋層的發(fā)育增加了油氣的賦存空間，所以儲集能力也較強。因此，富有機質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖為頁巖油富集最有利巖相。

圖2 沾化凹陷L69井主要巖相類型顯微照片F(xiàn)ig. 2 Photographs of main lithofacies types of well L69 of Zhanhua Sag

2.2 生烴能力

生烴能力決定了頁巖油生成的多少，也是頁巖油存在的物質(zhì)基礎(chǔ)。決定生烴能力的主要地球化學(xué)參數(shù)為有機質(zhì)豐度(TOC)、類型及成熟度(RO)。經(jīng)過前人的研究表明，泥頁巖的地球化學(xué)性質(zhì)對含油性有重要影響[12,19]。

2.2.1 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)含量的高低決定了頁巖含油量的多少，在有機質(zhì)類型和成熟度相似的情況下，有機碳含量越高，頁巖生烴潛力越大，烴類滯留量越多，頁巖含油性越好[26]。從圖3a可以看出，研究區(qū)泥頁巖的有機質(zhì)豐度較高，主要分布在1%～6%之間，其中2%～4%為主要分布區(qū)間，而S1+S2主要介于6～20 mg/g(圖3b)。根據(jù)Huang [27]對中國湖相泥頁巖有機質(zhì)豐度的評價標(biāo)準(zhǔn)(表2)，研究區(qū)泥頁巖屬于好的烴源巖，具有大量生成頁巖油的基礎(chǔ)。從圖4可以看出，泥頁巖生烴能力(S1+S2)和含油性(S1)都隨著TOC含量的增大總體呈現(xiàn)上升的趨勢，具有一定的正相關(guān)性。表明較高的TOC含量為頁巖油氣富集奠定了基礎(chǔ)。

表1 沾化凹陷泥頁巖巖相類型劃分方案(引自王勇等[25])Table 1 Classif i cation scheme of shale lithifacies in Zhanhua Sag (Cited from Wang et al[25])

圖3 沾化凹陷沙三下亞段頁巖儲層地化參數(shù)概率分布直方圖Fig. 3 Frequency distribution histogram of geochemical parameters of shale in ELof Zhanhua Sag3

2.2.2 有機質(zhì)類型

不同有機質(zhì)類型其元素組成及化學(xué)結(jié)構(gòu)不盡相同，生烴演化過程中的產(chǎn)物也有所差異，其最終的生烴能力差異較大，即使在有機碳含量相同的情況下，有機質(zhì)類型的差異也會導(dǎo)致生烴潛力的大不相同。一般來說Ⅰ型和Ⅱ1型具有較強生油性，有機質(zhì)為Ⅰ型的泥頁巖含油性為Ⅲ型的10倍以上[12]，Ⅱ1型和Ⅱ2型干酪根生油率分別是Ⅲ型干酪根的2～7倍，并且在北美產(chǎn)出頁巖油的富有機質(zhì)頁巖中，有機質(zhì)類型絕大多數(shù)偏于生油的Ⅰ型和Ⅱ型[11]。表3為有機質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)。由圖5可以看出，沾化凹陷有機質(zhì)類型總體呈Ⅰ型和Ⅱ1型，極少數(shù)為Ⅱ2型和Ⅲ型，表現(xiàn)出良好的生油潛力。

2.2.3 有機質(zhì)成熟度烴源巖有機

質(zhì)成熟度研究是衡量有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化程度的重要參數(shù)，一般隨埋深增加而增大，對于頁巖油來講，有機質(zhì)成熟度不僅會影響泥頁巖的含油性，另一方面，還將對地層原油的物性造成很大影響，是頁巖油富集可采的一個關(guān)鍵參數(shù)。圖6(a)是沾化凹陷成熟度隨深度變化關(guān)系，可以看到有機質(zhì)成熟度主要分布在0.7%～1.0%之間，屬于成熟階段，有機質(zhì)處于生油窗。受成熟度影響，S1/TOC隨著埋深逐漸增加(圖6b)，呈現(xiàn)一定的遞增規(guī)律，高值區(qū)3 090～3 110 m對應(yīng)RO為0.8%～0.9%，為頁巖油氣的有利勘探深度范圍。

表2 我國湖相烴源巖有機質(zhì)豐度評價標(biāo)準(zhǔn)(Huang[27])Table 2 Evaluation standard of organic matter abundance of lacustrine source rock in China (Huang[27])

圖4 沾化凹陷頁巖含油性與有機質(zhì)豐度關(guān)系圖Fig. 4 Relationship between shale oil content and Total Organic Carbon (TOC)

表3 烴源巖有機質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5735-1995)Table 3 Classif i cation criteria for organic matter types of hydrocarbon source rocks

2.3 儲集能力

頁巖內(nèi)的儲集空間對油氣的富集有著至關(guān)重要的作用。生烴能力一定的前提下，儲集空間越大，儲集的油氣就越多。對于泥頁巖，儲層空間主要是孔隙和微裂縫，因此孔滲特征及裂縫發(fā)育情況可用來反映儲層的儲集能力。

圖5 沾化凹陷沙三下亞段有機質(zhì)類型劃分圖Fig. 5 Classif i cation of organic matter types in Zhanhua Sag

圖6 沾化凹陷頁巖地化參數(shù)分布圖Fig. 6 The diagram of geochemical pareameters of shale in Zhanhua Sag

2.3.1 孔滲特征

作為非常規(guī)泥頁巖儲層，孔滲條件對于頁巖油的富集可采性影響較大。據(jù)統(tǒng)計研究區(qū)泥頁巖孔隙度和滲透率都很低，孔隙度在3.5%～10.3%，平均值5.56%，從孔隙度的分布直方圖上也可以看出(圖7a)，孔隙度主要分布在2%～8%之間，滲透率則受裂縫以及紋層層理的影響變化很大(圖7b)，最大可達35.6 mD，主要分布于0.01～0.1 mD，部分樣品滲透率大于0.1 mD。為低孔低滲泥頁巖儲層,需要配合后期壓裂技術(shù)才能得以實現(xiàn)工業(yè)開采。

2.3.2 裂縫發(fā)育特征

上個世紀(jì)60年代，我國已經(jīng)在東部斷陷盆地發(fā)現(xiàn)了大量的泥頁巖裂縫型油氣藏，王民[28]等認為沾化凹陷羅家地區(qū)廣泛發(fā)育泥頁巖裂縫油藏，這些油藏從空間分布來看，主要分布于南部深凹陷內(nèi)與構(gòu)造變形及斷裂作用比較強烈的構(gòu)造高點、地層陡傾帶、撓曲帶和斷裂，裂縫的發(fā)育能有效改善儲層的滲流能力，為頁巖油的開采提供必要條件。

對于泥頁巖儲層來說，微裂縫不僅是頁巖儲層的滲流通道，能起到溝通油氣和改善物性的作用，而且有利于后期壓裂改造的人工裂縫與自然裂縫交匯形成網(wǎng)狀縫，提高產(chǎn)能。根據(jù)Steve Larter等對加拿Secondwhite specks頁巖的研究結(jié)論，裂縫作用可以使頁巖油滲透率提高4～5個數(shù)量級[11]。沾化凹陷沙三下亞段也普遍發(fā)育裂縫，位于羅家鼻狀構(gòu)造的L69井巖心照片顯示(圖8)，泥頁巖廣泛發(fā)育構(gòu)造縫和層理縫。在單偏光鏡下，也能看到更細小的微裂縫(圖9)，在200個微米尺度下，能夠明顯觀察到在一些純泥頁巖里邊發(fā)育著微裂(圖9a、b)，在方解石含量較高的泥質(zhì)灰?guī)r里邊，有些微裂縫甚至破壞了完整的礦物(圖9 d、e)，說明了這些構(gòu)造裂縫能夠天然改善儲層的垂直滲流能力，有些裂縫則沿著礦物和泥質(zhì)結(jié)合的薄弱面發(fā)育(圖9c、f)，有些裂縫可能充填了瀝青。

2.4 保存能力

2.4.1 壓力特征

圖7 沾化凹陷泥頁巖孔隙度和滲透率分布直方圖Fig. 7 The histogram of porosity and permeability of shale in Zhanhua Sag

頁巖中存在異常高壓，具有較高的天然能量，使得頁巖油氣具有較高的產(chǎn)能。研究區(qū)內(nèi)的10口產(chǎn)油井與地層壓力系數(shù)進行統(tǒng)計表明(圖10)，壓力系數(shù)越大，產(chǎn)能一般越高；而且異常高壓的存在也使頁巖更易于產(chǎn)生各種裂縫，進而提高其滲透性，有利于獲得較高的產(chǎn)能。XYS9井沙三段下亞段巖心中發(fā)育多條不規(guī)則裂縫，為異常高壓縫，測試產(chǎn)油量為38.5 t/d，產(chǎn)氣量為870 m3/d，具有較高的產(chǎn)能。但高壓發(fā)育段也并非完全頁巖油富集段，L69井試油段雖然通過測井?dāng)?shù)據(jù)可以判別發(fā)育高壓(圖10虛線段)，但是日產(chǎn)油只有0.85 t，因此高壓發(fā)育只是頁巖油富集高產(chǎn)的必要不充分條件，頁巖油的地化條件和儲集條件共同決定了頁巖油的富集程度。但異常高壓的發(fā)育既是頁巖油氣初次運移的重要動力，也對油氣起到一定的封蓋作用[20]，因此高壓的發(fā)育總體來說對于油氣的富集是有利的。

圖8 沾化凹陷L69井巖心照片構(gòu)造縫(A)和層理縫(B)Fig. 8 The photos of structural fractures and bedding fractures of well L69 in Zhanhua Sag

2.4.2 礦物特征

礦物成分對于頁巖油氣的富集與開采都有重要意義。X-射線衍射測試結(jié)果表明，沾化凹陷泥頁巖礦物成分復(fù)雜，主要有碎屑礦物(石英、斜長石、鉀長石)，黏土礦物(伊利石、伊蒙混層等)和碳酸鹽礦物(方解石、白云石等)等，此外樣品中都有含量不等的黃鐵礦(圖12)。碎屑礦物總量主要介于10%～25%之間，主要為石英，斜長石和鉀長石含量都很少。碳酸鹽礦物總量主要介于40%～70%之間，主要為方解石，其次為白云石。碳酸鹽含量普遍較高，同時反映了研究區(qū)的泥頁巖儲層已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的泥頁巖，巖石類型主要以灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r為主。黏土礦物總量主要介于5%～30%之間，其中伊蒙混層含量最高，占到了黏土礦物總量的50%～71%，平均61%。與黏土礦物含量一般可達50%以上的海相泥頁巖相比，研究區(qū)泥頁巖具有典型的陸相湖盆沉積的特點。與北美相比，研究區(qū)與北美主要的頁巖油產(chǎn)區(qū)Eagle Ford頁巖礦物組分特征最為接近(表4)。從而有利于后期壓裂開采。

圖10 沾化凹陷日產(chǎn)油量與壓力系數(shù)的關(guān)系Fig. 10 Relationship between oil production and pressure coeff i cient in Zhanhua Sag

圖11 L69井高壓異常段測井特征Fig. 11 Logging characteristics of high pressure abnormal section of well L69

圖12 沾化凹陷泥頁巖儲層礦物組成Fig. 12 Minerals composition of shale reservoir in Zhanhua Sag

3 結(jié)論

(1)富有機質(zhì)紋層狀巖相不僅生烴能力強，并且紋層發(fā)育，為油氣的富集提供了空間并改善了油氣的可動性，可作為頁巖油氣勘探的有利巖相。

(2)研究區(qū)有機質(zhì)豐度大于2%，干酪根類型為Ⅰ型和Ⅱ1型，成熟度介于生油窗內(nèi)具備頁巖油生成的物質(zhì)基礎(chǔ)；較好的孔滲條件和微裂縫的發(fā)育可為頁巖油氣提供良好的富集空間。

(3) 發(fā)育超壓是油氣初次運移的重要動力，并且發(fā)育超壓和脆性礦物的大量發(fā)育有利于后期壓裂改造。

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Study of the main controlling factors of shale oil enrichment in the Zhanhua Sag

SU Siyuan1,2, JIANG Zhenxue1,2, NING Chuanxiang1,2, WANG Zhi1,2, LI Zheng3, ZHU Rifang3
1 State Key Laboratory of Petroleun Resources and Prospecting, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China 2 Unconventional Natural Gas Institute, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China 3 Shengli Oil Company, SINOPEC, Dongying 257015, China

By using microscopy, pyrolysis, helium porosity, pulse permeability and XRD whole rock mineral analysis, the main controlling factors of shale oil enrichment were studied in the Zhanhua Sag, Jiyang Depression, Bohai Bay Basin. The results show that the hydrocarbon generation potential and storage capacity are the two important factors controlling shale oil enrichment. For hydrocarbon generation, the abundance, type and maturity of organic matter are the decisive factors. For hydrocarbon storage, the development of laminar texture and microfractures is benef i cial to improving the reservoir capacity of shale. The laminar organic-rich lithofacies has excellent hydrocarbon generating ability and reservoir capacity so it is the most favorable lithofacies for shale oil exploration. Laminar texture, overpressure and microfractures could improve the fl ow ability of shale oil. In addition, brittle minerals and overpressure are conducive to the fracturing exploration.

shale oil; enrichment; main control factors; hydrocarbon generating ability; reservoir capacity

10.3969/j.issn.2096-1693.2017.02.018

(編輯 付娟娟)

蘇思遠, 姜振學(xué), 寧傳祥, 王智, 李政, 朱日房. 沾化凹陷頁巖油富集可采主控因素研究. 石油科學(xué)通報, 2017, 02： 187-198

SU Siyuan, JIANG Zhenxue, NING Chuanxiang, WANG Zhi, LI Zheng, ZHU Rifang. Study of the main controlling factors of shale oil enrichment in the Zhanhua Sag. Petroleum Science Bulletin, 2017, 02： 187-198.doi：10.3969/j.issn.2096-1693.2017.02.018

*通信作者, jiangzx@cup.edu.cn

2016-11-17

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2014CB239105)資助