東營(yíng)凹陷頁巖油儲(chǔ)集地質(zhì)特征與有效性

劉惠民，張 順，包友書，方正偉，姚素平，王 勇

(1.中國(guó)石化 勝利油田分公司 油氣勘探管理中心，山東 東營(yíng) 257001； 2.中國(guó)石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015； 3.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

1 地質(zhì)背景及問題的引出

東營(yíng)凹陷作為渤海灣盆地?cái)嘞莺璧牡湫停莿倮吞锏闹匾^(qū)。沙四段沉積中晚期—沙三段沉積時(shí)期是東營(yíng)凹陷強(qiáng)烈斷陷期[1-3]，沙四段沉積中晚期，氣候由沙四段沉積早期的干旱開始變濕潤(rùn)，降水量增加，盆地下沉，水域面積擴(kuò)大，湖水鹽度較高,屬于常年閉流湖性質(zhì)；沙三段沉積早期，氣候濕潤(rùn),湖盆范圍增大，盆地?cái)嘞葑饔迷鰪?qiáng)，可容空間較大[2-6]。廣泛分布的深水-半深水環(huán)境為頁巖等細(xì)粒物質(zhì)的沉積提供了有利的條件與場(chǎng)所，因此，東營(yíng)凹陷的頁巖儲(chǔ)層主要發(fā)育在沙四段上亞段及沙三段下亞段。伴隨頁巖油氣工作的開展，已在東營(yíng)凹陷內(nèi)打了3口頁巖油專探井(LY1井、FY1井和NY1井)，開展了大量系統(tǒng)取心和分析化驗(yàn)工作。

儲(chǔ)集空間和儲(chǔ)集有效性是泥頁巖儲(chǔ)層研究的核心。與北美海相頁巖不同，我國(guó)東部陸相湖盆泥頁巖礦物成分復(fù)雜、巖石類型豐富、相變快，儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)。富有機(jī)質(zhì)頁巖可以在不同的沉積環(huán)境中形成，并經(jīng)歷壓實(shí)、成巖、構(gòu)造作用及地質(zhì)流體的疊加改造，導(dǎo)致頁巖孔隙和裂縫系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性。和常規(guī)的砂巖和碳酸鹽巖等儲(chǔ)層相比，泥頁巖儲(chǔ)層的孔隙度偏低，總體孔徑較小，且由于其內(nèi)部有機(jī)質(zhì)和微孔表面的吸附作用，其游離可動(dòng)油比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)儲(chǔ)層[7]。因此對(duì)孔隙和裂縫系統(tǒng)的表征需要結(jié)合多種表征手段，刻畫儲(chǔ)集空間類型及組合方式，而明確其儲(chǔ)油的孔徑及孔隙度下限，對(duì)于頁巖油甜點(diǎn)預(yù)測(cè)來說具有重要的指導(dǎo)作用。本文即以濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷沙三下-沙四上泥頁巖為研究對(duì)象，表征頁巖儲(chǔ)層裂縫和孔隙及其連通方式，厘定頁巖儲(chǔ)油的孔徑及孔隙度下限，建立儲(chǔ)集空間發(fā)育分布模式，結(jié)合頁巖油甜點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)，預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)集相帶，對(duì)頁巖油井位部署有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

2 頁巖儲(chǔ)層基本特征

2.1 礦物組成

與北美泥盆系和石炭系低粘土(一般<25%)、高石英(一般>50%)的特征相比[8]，濟(jì)陽坳陷研究區(qū)古近系沙三下-沙四上亞段泥頁巖礦物成分上具有普遍富含碳酸鹽礦物、低碎屑的特征，屬于陸相富灰泥頁巖層系[9]。統(tǒng)計(jì)4口重點(diǎn)取心井及80余口探井巖心衍射分析結(jié)果表明，研究區(qū)沙三下-沙四上泥頁巖段礦物組成主要為方解石、粘土礦物及石英碎屑，其次有白云石、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黃鐵礦及菱鐵礦等(表1)。陸源碎屑及粘土礦物含量多在10%～50%；碳酸鹽礦物含量變化范圍大，5%～80%含量不等。

2.2 有機(jī)地化特征

濟(jì)陽坳陷沙三下-沙四上亞段有機(jī)質(zhì)含量豐富，在光學(xué)顯微鏡及熒光顯微鏡下較易識(shí)別，TOC平均含量多在2%以上，分布范圍主要集中在2%～4%，最高可達(dá)12.9%[10]。顯微組分以腐泥質(zhì)為主，一般大于90%，少量鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組，干酪根類型主要為Ⅰ型干酪根，其次為Ⅱ1型干酪根，母質(zhì)類型以藻類和無定形為主。研究區(qū)泥頁巖現(xiàn)今埋深主要介于2 700～3 900 m，古地溫梯度介于2.7～4.0 ℃/100 m，最高古地溫約160 ℃；Tmax主體位于430 ℃～445 ℃，泥頁巖等效鏡質(zhì)體反射率主體小于0.9%，表明研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖段有機(jī)質(zhì)成熟度處于低成熟-成熟階段[11]。有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài)分為順層富集型、局部富集型、分散型和礦物瀝青基質(zhì)4類，幾者之間互有過渡。

表1 濟(jì)陽坳陷區(qū)沙三下-沙四上亞段泥頁巖礦物組成Table 1 The mineral composition of shale in Es3L and Es4U in Jiyang Depression

2.3 巖相類型

巖心和鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，東營(yíng)凹陷古近系頁巖儲(chǔ)層發(fā)育多種沉積構(gòu)造類型，如紋層狀、層狀與塊狀，紋層狀構(gòu)造最為發(fā)育。研究區(qū)頁巖主要發(fā)育富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相(TOC大于2%)、富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰質(zhì)泥巖相、富有機(jī)質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、富有機(jī)質(zhì)層狀灰質(zhì)泥巖相、含有機(jī)質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相(TOC小于2%)、含有機(jī)質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r相和含有機(jī)質(zhì)塊狀泥巖相7種巖相。富有機(jī)質(zhì)的紋層狀巖相被視為優(yōu)勢(shì)巖相類型。

3 儲(chǔ)集空間及其組合連通類型

3.1 儲(chǔ)集空間類型識(shí)別

通過巖心觀察、偏光顯微鏡和氬離子拋光-掃描電鏡等手段的分析研究，濟(jì)陽坳陷沙三下亞段—沙四上亞段泥頁巖中的儲(chǔ)集空間包括泥巖裂縫和孔隙兩大類[9,12-14]。巖心樣品觀察，裂縫總體不發(fā)育，根據(jù)成因可分為成巖裂縫和構(gòu)造裂縫兩類，成巖裂縫主要包括成巖層理縫和超壓微裂縫。薄片的鏡下觀察，孔隙—裂縫系統(tǒng)較為復(fù)雜，孔隙主要為方解石溶蝕孔、重結(jié)晶孔及少量生物有關(guān)的孔隙。高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀察，基質(zhì)孔隙大量發(fā)育，[12]。包括不同剛性礦物支撐形成的粒間孔、粘土礦物片間孔、礦物顆粒內(nèi)部及邊緣的溶蝕孔、碳酸鹽礦物重結(jié)晶形成的晶間孔、有機(jī)質(zhì)邊緣收縮孔及內(nèi)部生烴演化孔和粘土礦物收縮孔等[12]。研究區(qū)孔隙類型主要為粒間孔、有機(jī)質(zhì)和粘土礦物收縮孔、碳酸鹽晶間孔以及溶蝕孔縫。

3.2 儲(chǔ)集空間組合連通方式

以氬離子拋光樣品的SEM圖像觀察為基礎(chǔ)，結(jié)合巖心和薄片觀察發(fā)現(xiàn)東營(yíng)凹陷古近系頁巖具有三級(jí)孔縫網(wǎng)絡(luò)的連通形式，一級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成為穿裂縫和頁理縫，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)為層內(nèi)縫，包括碳酸鹽晶間縫和粘土礦物收縮縫，三級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成為基質(zhì)孔隙，較完整的孔縫連通形式為穿裂縫(連接縫)-頁理縫(層間縫)-解理縫(層內(nèi)縫)-粒緣縫(基質(zhì)縫)-基質(zhì)孔隙[15]。各種巖相不同尺度的孔隙發(fā)育程度不一，基質(zhì)孔縫連通形式差異明顯。紋層狀巖相發(fā)育穿裂縫-頁理縫-層內(nèi)縫-基質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)孔縫系統(tǒng)：頁理縫和構(gòu)造成因穿裂縫發(fā)育，二者之間往往相互連通，穿裂縫可貫穿多個(gè)紋層，從而形成有效的儲(chǔ)集空間網(wǎng)絡(luò)。

圖1 濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷沙三下亞段—沙四上亞段泥頁巖主要基質(zhì)孔隙類型Fig.1 The major pore types in the matrix of shale in Es3L and Es4U in Dongying sag,Jiyang Depressiona.顆粒間孔，LY1井，埋深3 777.32 m;b.粘土礦物收縮孔，LY1井，埋深3 815.51 m;c.有機(jī)質(zhì)收縮孔，LY1井，埋深3 644.95 m;d.碳 酸鹽晶間孔，LY1井，埋深3 829.22 m，以上均為掃描電鏡照片

圖2 濟(jì)陽坳陷泥頁巖孔縫三級(jí)網(wǎng)絡(luò)模式(以紋層狀巖相為例)Fig.2 A model describing the three-level pore-fracture network in shale,Jiyang Depression (a case study of laminated lithofacies)

3.3 儲(chǔ)集空間定量表征

3.3.1 儲(chǔ)集空間全尺度表征方法

圖像分析、流體注入和非流體注入三種類型技術(shù)方法是表征頁巖儲(chǔ)層孔隙最主要的方法[15]，各表征技術(shù)具有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，但在某一區(qū)域內(nèi)具有較好地表征結(jié)果，為了減少由于受到單一表征方法存在局限性的影響[16]。本次研究采用了多種表征技術(shù)相結(jié)合方法，對(duì)不同巖相泥頁巖進(jìn)行了全尺度表征。微米尺度，采用巖心掃描圖像、薄片圖像定量統(tǒng)計(jì)法；納米尺度，采用基于氬離子拋光-射掃描電鏡圖像和PCAS軟件定量統(tǒng)計(jì)、小角X射線散射(SAXS)、壓汞和核磁共振冷孔計(jì)法。氬離子拋光-射掃描電鏡圖像和PCAS軟件用于孔隙形態(tài)定量統(tǒng)計(jì)，小角X射線散射用于介孔(2～50 nm)的定量表征[17]，核磁共振冷孔計(jì)法可用于2～500 nm范圍孔隙的定量統(tǒng)計(jì)，以表征50～500 nm范圍孔隙為主，壓汞實(shí)驗(yàn)用于孔徑>500 nm孔隙的定量表征。

3.3.2 不同類型儲(chǔ)集空間孔徑分布區(qū)間及占比

東營(yíng)凹陷沙三下亞段—沙四上亞段泥頁巖微觀儲(chǔ)集空間尺度從小于1 nm到幾mm均有分布。尺度在100 nm以下的納米儲(chǔ)集空間類型主要有粘土礦物片間孔、生物結(jié)構(gòu)孔、有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔和部分方解石晶間孔；100 nm～10 μm尺度的微米級(jí)儲(chǔ)集空間主要有有機(jī)質(zhì)收縮孔、粘土礦物收縮縫、碳酸鹽礦物晶間孔(方解石晶間孔、白云石晶間孔)和碳酸鹽礦物溶蝕孔縫(方解石/白云石溶蝕孔和方解石/白云石晶間溶蝕縫)；大于10 μm的超微米級(jí)儲(chǔ)集空間主要為碎屑顆粒間孔和微裂縫。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)粘土礦物片間孔和方解石晶間孔對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率最高，平均可達(dá)50%～70%，其次為粘土礦物收縮縫和構(gòu)造張裂縫，對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率平均在20%～40%，其他儲(chǔ)集空間的總體貢獻(xiàn)率一般10%左右(圖3)。

3.3.3 不同巖相泥頁巖儲(chǔ)集空間特征

在富有機(jī)質(zhì)的紋層狀巖相中，有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽礦物多以富集條帶狀分布，在不同礦物之間存在接觸面，這些接觸面可作為流體保存的有利儲(chǔ)存空間，而在部分紋層狀頁巖內(nèi)，也存在著大量重結(jié)晶的白云石、鐵白云石、方解石和鐵方解石等，這些重結(jié)晶礦物對(duì)開啟縫隙具有支撐作用，并且礦物之間也存在一定量的粒間孔[16]，以微米級(jí)及超微米級(jí)儲(chǔ)集空間為主，孔隙度最高，分布于10.2%～17.7%，平均值為13.4%，孔隙主峰值在10 nm以上，多尺度的孔隙處于連續(xù)分布狀態(tài)孔隙連通率較高，10 nm以上的孔隙連通率高一般大于50%，滲透率一般在1×10-3μm2～10×10-3μm2；層狀泥頁巖以方解石晶間孔和粘土礦物片間孔為主，孔隙度分布范圍5.9%～11.2%，平均值為7.9%，孔隙主峰值一般在10 nm左右，孔隙呈不連續(xù)分布，孔隙連通率較低，10 nm以上的孔隙連通率高一般為20%～50%，滲透率一般在0.1×10-3μm2～1×10-3μm2；而塊狀泥巖有機(jī)質(zhì)、粘土及碳酸鹽礦物大多呈分散狀分布，以介孔尺度的粘土礦物片間孔、收縮縫和有機(jī)質(zhì)收縮孔為主，孔隙度最低，分布在2.7%～4.5%，平均值僅為3.9%，孔隙主峰值在10 nm以下，孔隙呈不連續(xù)分布，孔隙連通率差，10 nm以上的孔隙連通率高一般小于20%，滲透率一般小于0.1×10-3μm2。因此富含碳酸鹽的紋層狀巖相是陸相頁巖油儲(chǔ)集的最有利巖相(圖4)。，

4 泥頁巖儲(chǔ)集有效性

4.1 頁巖儲(chǔ)層儲(chǔ)油孔徑下限

對(duì)于泥頁巖的儲(chǔ)油孔徑下限，本次采用兩種方法進(jìn)行探索，一種方法利用含油飽和度與各孔徑孔隙所占比例關(guān)系確定儲(chǔ)油孔徑下限；另一種方法通過測(cè)定同一泥頁巖樣品在氯仿抽提前后的孔徑分布曲線確定孔徑下限。

4.1.1 含油飽和度與不同孔徑孔隙所占比例關(guān)系

該方法首先將樣品分為2份。一份用于測(cè)定泥頁巖的孔隙度和含油飽和度，孔隙度和含油飽和度的測(cè)定采用了GRI方法[17-18]。另一份用于高壓壓汞分析，以測(cè)定泥頁巖的孔徑分布特征，根據(jù)高壓壓汞所得孔徑分布曲線，計(jì)算不同孔徑的孔隙所占比例[16]。對(duì)某一地區(qū)的樣品進(jìn)行一系列樣品的含油飽和度和高壓壓汞測(cè)試。再對(duì)該一系列樣品，以含油飽和度對(duì)應(yīng)各個(gè)孔徑范圍的孔隙所占比例做圖，含油飽和度與哪一部分孔徑所占比例相關(guān)性較好，就說明那一部分孔徑的孔隙為有效儲(chǔ)油孔隙。

濟(jì)陽坳陷一系列樣品的測(cè)試結(jié)果表明：含油飽和度與5 nm以下孔隙所占比例負(fù)相關(guān)，當(dāng)5 nm以下的孔隙所占比例達(dá)到80%時(shí)，含油飽和度已經(jīng)趨近于0(圖5)；相反，含油飽和度則與5 nm以上孔隙正相關(guān)，5 nm以上孔隙所占比例低于20%時(shí)，含油飽和度趨近于0。該相關(guān)關(guān)系說明濟(jì)陽坳陷的該系列樣品中，油主要賦存在5 nm以上的孔隙中。

圖4 濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷不同頁巖巖相發(fā)育儲(chǔ)集空間類型及占比Fig.4 The reservoir space types and their proportions in different lithofacies in Dongying sag shale,Jiyang Depression

圖5 濟(jì)陽坳陷泥頁巖含油飽和度與不同孔徑孔隙所占比例關(guān)系Fig.5 Oil saturation vs.proportion of pores of various sizes in shale,Jiyang Depression

4.1.2 氯仿抽提前后小角X射線散射法孔徑分布

選取了利頁1井中沙三下亞段和沙四上亞段不同深度點(diǎn)的樣品，進(jìn)行氯仿抽提前后的小角X射線散射對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到氯仿抽提前后樣品孔徑分布特征，為了便于對(duì)實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將有效孔徑范圍內(nèi)的體積歸為數(shù)值1，得到同一樣品抽提前后有效孔徑分布與體積百分比關(guān)系示意圖(圖6)。

抽提前的樣品體積分布曲線主要為兩種類型，一種是最大峰值偏后的后峰型曲線，如利頁1井深度為3 692.39 m的樣品(圖6a)；另一種是最大峰值偏前的前峰型曲線，如利頁1井深度為3 740.74 m的樣品(圖6b)。經(jīng)抽提的所有樣品在孔隙體積分布上趨于一致，均體現(xiàn)出前峰型的孔徑分布特征，最大峰值的范圍處于細(xì)介孔范圍內(nèi)。

抽提前后的孔徑分布曲線存在明顯差異，對(duì)于低于5 nm的孔隙，其抽提后孔隙體積所占比例和抽提前變化較小，表明其低于5 nm孔徑的孔隙內(nèi)含油相對(duì)較少甚至不含油。而抽提后5 nm以上的孔隙所占的比例和抽提前相比則急劇增加，表明孔徑>5 nm的孔隙部分被原油所占據(jù)。從氯仿抽提前后的孔徑分布曲線對(duì)比來看，5 nm可能為原油賦存的孔徑下限，而低于5 nm的孔徑，即使有原油存在，這些原油一般也不容易被氯仿抽提出來。

4.2 游離油賦存的孔徑范圍

4.2.1 游離油賦存孔徑下限探索

將經(jīng)氬離子拋光并鍍金的樊頁1井3 408.36 m處的泥頁巖樣品放置于場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡腔體中，在抽真空的過程中，隨著腔體內(nèi)真空度的增加，壓力的降低，原先以游離態(tài)賦存在孔縫中的頁巖油沿適當(dāng)寬度的裂縫發(fā)生位移，最終運(yùn)移至裂縫開口處，由于腔體內(nèi)壓力的進(jìn)一步降低，達(dá)到高真空的狀態(tài)，頁巖油組分中部分物質(zhì)會(huì)發(fā)生汽化蒸發(fā)，殘留物質(zhì)會(huì)呈固化狀態(tài)聚集在裂縫開口邊緣，體現(xiàn)了向裂隙兩邊擴(kuò)散的模式，頁巖油的溢出點(diǎn)的位置是具有選擇性的，過窄或過寬的裂隙并沒有油的溢出。在抽真空的過程中，賦存在孔隙中頁巖油發(fā)生了擴(kuò)散運(yùn)移，最佳的運(yùn)移路徑為油同時(shí)附著在裂隙兩邊并具有可供運(yùn)移的空間，當(dāng)裂隙變寬時(shí)，油只能附著一邊，不能夠提供更多的動(dòng)力使自身發(fā)生位移，過窄的裂縫油無法進(jìn)入或者受到強(qiáng)附著力的作用而無法運(yùn)移。沿著裂縫向收縮方向觀察到頁巖油溢出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的顏色由深逐漸變淺，這一現(xiàn)象佐證了受頁巖油的分子量大小影響，裂隙寬度決定了油運(yùn)移的選擇性，即頁巖油中的輕質(zhì)組分能夠在更窄的裂隙中進(jìn)行運(yùn)移，而重質(zhì)組分由于分子量較大，只能在較大的裂隙中進(jìn)行附著運(yùn)移。

經(jīng)測(cè)量得到頁巖油溢出點(diǎn)處寬度隨機(jī)值分布在8.9～20.1 nm，平均寬度值為13.7 nm，結(jié)合最大瀝青質(zhì)直徑大小取4 nm，頁巖油附著裂隙壁進(jìn)行運(yùn)移至少需要3層分子直徑大小的空間，即裂隙寬度需達(dá)到12 nm。從裂隙寬度分布特征出發(fā)，10 nm可以作為油在泥頁巖孔隙中能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)移的最小孔徑，對(duì)于小于10 nm的孔隙而言，頁巖油不易發(fā)生位移。

4.2.2 游離油大量富集的孔徑門檻

為確定泥頁巖中游離油大量富集的孔隙門檻，進(jìn)行了基于重復(fù)施加壓力-釋放壓力的可動(dòng)油模擬實(shí)驗(yàn)?？蓜?dòng)油模擬實(shí)驗(yàn)前，需將新鮮的泥頁巖在氯化錳溶液中浸泡一定時(shí)間，測(cè)定出油核磁信號(hào)；然后將樣品裝入可動(dòng)油模擬實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行重復(fù)多次的施加壓力-釋放壓力-收集流體的實(shí)驗(yàn)，直至流出的流體中檢測(cè)不到油的信號(hào)，可動(dòng)油模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束。再將該樣品浸入氯化錳溶液中浸泡，測(cè)定模擬之后的油的核磁響應(yīng)信號(hào)。圖8為利頁1井樣品可動(dòng)油模擬實(shí)驗(yàn)前后的油的核磁圖譜，模擬前油的信號(hào)為總含油信號(hào)，模擬之后的油信號(hào)為吸附油的信號(hào)，兩者差值即為游離油。一般游離油和吸附油難以區(qū)分出明顯的孔徑界限，相對(duì)小孔徑中也可能含有一定量的游離油，而相對(duì)較大的孔隙中，也會(huì)賦存一定的吸附油，如果將游離油和吸附油劃分一個(gè)明顯的界限，可以以橫向馳豫時(shí)間的T2截止值為劃分界限，即T2截止值之前的原油信號(hào)劃分為吸附油信號(hào)，T2截止值之后的原油信號(hào)確定為游離油信號(hào)，在確定T2截止值時(shí)，會(huì)將一部分游離油劃入吸附油，也會(huì)將一部分吸附油劃入游離油范疇。T2截止值確定的原則為：使得將吸附油劃入游離油的量與將游離油劃入吸附油的量相當(dāng)。測(cè)定結(jié)果表明一系列的樣品的T2截止值一般在2～3 ms，游離油比例在躲在10～30%。T2截止值2～3 ms對(duì)應(yīng)的孔徑為20～30 nm。為保守起見，選取高值為游離油大量富集的孔徑門檻，則為30 nm。即一般來說，在適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)質(zhì)豐度及成熟度的條件下，30 nm以上的孔隙更有利于游離油的大量富集。

圖6 濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷利頁1井氯仿抽提前后孔徑分布曲線Fig.6 Pore size distribution curves of shale before and after chloroform extraction in Well Liye1,Dongying sag,Jiyang Depressiona.利頁1井,埋深3 692.39 m；b.利頁1井，埋深3 740.74 m

圖7 濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷利頁1井13 671.38 m頁巖模擬前后含油量核磁信號(hào)特征Fig.7 Nuclear magnetic T2 spectrogram of oil in shale before and after oil-flow simulation in Well Liye1 at a depth of 3 671.38 m in Dongying sag,Jiyang Depression

4.3 游離油富集孔隙度條件

對(duì)于游離油賦存的孔隙度下限，采用含油飽和度指數(shù)(OSI)和孔隙度關(guān)系來確定，北美頁巖油勘探實(shí)踐表明：當(dāng)泥頁巖的OSI大于100時(shí)，油已經(jīng)滿足了其內(nèi)部有機(jī)質(zhì)的吸附，即存在著游離可動(dòng)油，泥頁巖具有頁巖油勘探潛力[20-21]。濟(jì)陽坳陷泥頁巖樣品的OSI數(shù)據(jù)中，既有OSI小于100的樣品(該樣品一般埋藏相對(duì)較淺，成熟度相對(duì)較低，未達(dá)到飽和吸附)，也有OSI大于100的樣品(該系列樣品一般埋藏相對(duì)較深，成熟度相對(duì)較高，達(dá)到了飽和吸附)。對(duì)于OSI小于100的樣品，OSI與孔隙度無明顯關(guān)系，而OSI大于100的樣品，OSI與孔隙度則有較好的相關(guān)性(圖8)，根據(jù)該相關(guān)關(guān)系反推OSI=100時(shí)，泥頁巖的孔隙度為6%左右。因此，從OSI與孔隙度關(guān)系可以推測(cè)游離油富集的孔隙度下限為6%。

圖8 濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷泥頁巖OSI與孔隙度關(guān)系Fig.8 OSI vs. porosity of the shale in Dongying sag,Jiyang Depressiona.頁巖樣品OSI分布;b. OSI≥100的頁巖OSI與孔隙度關(guān)系;c. OSI<100的頁巖OSI與孔隙度關(guān)系

4.4 不同巖相泥頁巖儲(chǔ)集有效性對(duì)比

選取典型的不同巖相特征的泥頁巖樣品，分別進(jìn)行總孔隙度和高壓壓汞測(cè)試，以高壓壓汞數(shù)據(jù)分別計(jì)算小于10,10～30和大于30 nm的孔隙貢獻(xiàn)的孔隙度。以10和30 nm作為游離油富集的孔徑下限和大量富集的門檻值，比較濟(jì)陽坳陷不同類型泥頁巖的儲(chǔ)集有效性差異。總體上看，塊狀頁巖的10～30 nm和大于30 nm的孔隙貢獻(xiàn)的總孔隙度最低，平均值分別為0.46%和0.47%；而紋層狀頁巖的10～30 nm和大于30 nm的孔隙貢獻(xiàn)的孔隙度最高，平均值分別為4.67%和3.93%；層狀頁巖10～30 nm和大于30 nm的孔隙貢獻(xiàn)的孔隙度介于塊狀泥巖和紋層狀頁巖之間，平均值分別為2.67%和0.73%。

因此，總孔隙度、孔隙了連通率和游離賦存孔隙所貢獻(xiàn)的孔隙度等方面數(shù)據(jù)均表明紋層狀頁巖的儲(chǔ)集有效性要好于層狀頁巖，好于塊狀泥巖。

5 儲(chǔ)集甜點(diǎn)評(píng)價(jià)方法與有利儲(chǔ)集相帶預(yù)測(cè)

5.1 儲(chǔ)集甜點(diǎn)評(píng)價(jià)方法

張金川[20]等學(xué)者根據(jù)頁巖油在泥頁巖中的賦存方式及賦存空間，將頁巖油分為基質(zhì)型和夾層型兩種類型。充分考慮巖性組合與儲(chǔ)集空間類型，將濟(jì)陽坳陷頁巖油劃分為基質(zhì)型、裂縫型和夾層型等三類儲(chǔ)集甜點(diǎn)?；|(zhì)型頁巖油主要富集在泥頁巖基質(zhì)孔隙中，裂縫型頁巖油主要富集在與裂縫相關(guān)的儲(chǔ)集空間和基質(zhì)孔隙中，夾層型頁巖油主要富集在與夾層相關(guān)的儲(chǔ)集空間和基質(zhì)孔隙中。需要指出的是，夾層必須與生油巖緊密接觸，裂縫型和混合型頁巖油僅有短距離源內(nèi)運(yùn)移[8]。對(duì)濟(jì)陽坳陷各種類型的頁巖油儲(chǔ)集甜點(diǎn)進(jìn)行了大量宏觀和微觀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，通過日產(chǎn)油和各參數(shù)的相關(guān)性分析得出以下結(jié)論：基質(zhì)型儲(chǔ)集性甜點(diǎn)主控因素為巖相和成巖作用，主要富集在富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相和富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰質(zhì)泥巖相，在3 200～3 600 m深度范圍該類巖相的各類粒間孔和溶蝕孔隙發(fā)育。裂縫型儲(chǔ)集甜點(diǎn)，除受巖相控制外，亦受裂縫發(fā)育程度所決定，斷層數(shù)量、斷層距離以及斷裂組合樣式是其高產(chǎn)的重要因素。地層壓力大于破裂壓力，即壓力系數(shù)大于1.38的富有機(jī)質(zhì)巖相生烴縫發(fā)育。伴隨著深度>3 000 m，碳酸鹽重結(jié)晶作用加強(qiáng)——頁巖油的載體和輸導(dǎo)體孔喉結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有機(jī)質(zhì)演化程度增高，原油粘度降低，這些都增加了頁巖油的可動(dòng)性。因此，埋深是頁巖油可流動(dòng)性關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[21-24]。

總的來看，基質(zhì)型、夾層型和裂縫型頁巖油儲(chǔ)集甜點(diǎn)主要受控于巖相、成巖(埋深對(duì)應(yīng)成巖階段)、夾層發(fā)育情況，各種裂縫發(fā)育程度，各控制因素的具體大小詳見表3。綜合巖相、孔徑、儲(chǔ)集空間發(fā)育模式、孔隙度、Ro、地層壓力和裂縫發(fā)育程度等因素，建立了東營(yíng)凹陷頁巖儲(chǔ)集性分級(jí)評(píng)價(jià)方案(表2)，評(píng)價(jià)參數(shù)涵蓋巖相、儲(chǔ)集物性、成巖作用、裂縫等方面。

5.2 有利儲(chǔ)集相帶預(yù)測(cè)

總孔隙度、孔隙連通率和游離賦存孔隙所貢獻(xiàn)的孔隙度等方面數(shù)據(jù)均表明富有機(jī)質(zhì)紋層狀頁巖的儲(chǔ)集有效性好于層狀頁巖，塊狀最差。而泥頁巖成巖演化序列及儲(chǔ)集空間縱向發(fā)育特征揭示，中成巖階段B期(Ro>0.7)是最有利的成巖階段[25-26]，孔徑、物性及孔隙連通性最好。泥頁巖中(微)裂縫的存在有利于頁巖油的儲(chǔ)集，而且壓力是頁巖油富集的動(dòng)力，與頁巖油產(chǎn)能呈明顯的正相關(guān)壓力系數(shù)>1.2，有利于頁巖中微裂縫的開啟，高產(chǎn)井較多。所以頁巖油有利儲(chǔ)集相帶預(yù)測(cè)就是在儲(chǔ)集分級(jí)評(píng)價(jià)方案的指導(dǎo)下，尋找富有機(jī)質(zhì)紋層狀頁巖分布區(qū)、相對(duì)較高的熱演化程度頁巖發(fā)育區(qū)、裂縫發(fā)育區(qū)和高地層壓力發(fā)育區(qū)等疊合區(qū)。

表2 頁巖儲(chǔ)集性分級(jí)評(píng)價(jià)方案Table 2 Graded evaluation scheme for shale reservoir storage capacity

5.2.1 有利巖相預(yù)測(cè)

通過常規(guī)測(cè)井標(biāo)定取心井巖相(沉積構(gòu)造、巖石類型、礦物成分和有機(jī)質(zhì)含量)，建立相應(yīng)的測(cè)井解釋模型，從而明確巖相的發(fā)育分布特征。在巖心觀察的基礎(chǔ)上，并結(jié)合地化分析化驗(yàn)資料數(shù)據(jù)，分析了頁巖巖相地質(zhì)分布規(guī)律，利用4口系統(tǒng)取心井資料，建立了組分、沉積構(gòu)造與TOC測(cè)井解釋模型，確定了東營(yíng)凹陷的巖相分布規(guī)律(圖9)。從盆地邊緣到洼陷中心，依次發(fā)育：砂巖-含有機(jī)質(zhì)塊狀泥巖相-含有機(jī)質(zhì)層狀灰質(zhì)泥巖相-富有機(jī)質(zhì)層狀灰質(zhì)泥巖相-富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r-富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰質(zhì)泥巖相-富有機(jī)質(zhì)層狀灰質(zhì)泥巖相或富有機(jī)質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r相。富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相主要發(fā)育在平方王低凸起-草橋純化鼻狀構(gòu)造-中央隆起附近，富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰質(zhì)泥巖主要發(fā)育在利津洼陷北部深洼區(qū)。

5.2.2 地層壓力與裂縫發(fā)育區(qū)預(yù)測(cè)

利用井徑、聲波時(shí)差、中子、電阻率、密度以及伽馬等6種測(cè)井曲線相結(jié)合綜合判識(shí)有效裂縫發(fā)育段，其測(cè)井響應(yīng)特征表現(xiàn)為擴(kuò)徑、高AC、CNL、R2.5，低DEN、低GR值。東營(yíng)凹陷發(fā)育的裂縫中等角度，走向?yàn)榻鼥|西向；當(dāng)斷層斷距大于100 m，距斷層距離小于1.2 km的區(qū)域，斷層上盤裂縫更為發(fā)育；富有機(jī)質(zhì)紋層狀巖性普遍發(fā)育構(gòu)造縫、生烴超壓縫及層理縫，更容易形成裂縫和基質(zhì)孔隙的儲(chǔ)集空間網(wǎng)絡(luò)。

圖9 濟(jì)陽坳陷東營(yíng)凹陷泥頁巖巖相分布Fig.9 The lithofacies distribution of the shale in Dongying sag,Jiyang Depression

利用FMI成像圖像上鉆井誘導(dǎo)縫的發(fā)育方位確定了現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力的方向?yàn)榻鼥|西向，裂縫走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力的方向一致，有利于裂縫的保存與開啟。生烴超壓縫在有機(jī)碳含量較高的紋層狀和層狀的泥頁巖中普遍發(fā)育。根據(jù)東營(yíng)凹陷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Eaton法計(jì)算東營(yíng)凹陷巖層破裂下限的壓力系數(shù)平均約為1.38。利用地層破裂壓力系數(shù)>1.38，TOC>2wt%確定了東營(yíng)凹陷沙三下亞段泥頁巖超壓縫的分布范圍(圖11a為沙三下亞段3層組地層壓力系數(shù)，圖11b為泥頁巖超壓縫的分布范圍)，而埋深較大的沙四上泥頁巖地層破裂壓力系數(shù)普遍>1.6。在構(gòu)造縫、層間縫和超壓縫判識(shí)的基礎(chǔ)上，初步明確了東營(yíng)凹陷沙三下亞段裂縫的發(fā)育分布(圖11a)。構(gòu)造縫、層間縫和超壓縫3種類型裂縫疊合部位裂縫最為發(fā)育，為裂縫發(fā)育的Ⅰ類區(qū)，兩種類型裂縫疊合部位裂縫較為發(fā)育，為裂縫發(fā)育的Ⅱ類區(qū)。東營(yíng)凹陷沙三下亞段3層組裂縫Ⅰ類區(qū)主要分布在中央構(gòu)造帶-博興洼陷，Ⅱ類區(qū)主要分布在陳官莊、利津-勝北斷裂帶附近。

5.2.3 有利儲(chǔ)集相帶預(yù)測(cè)

綜合熱演化程度(Ro)、巖相發(fā)育分布特征、地層壓力特征與儲(chǔ)集空間發(fā)育特征(孔隙度和孔徑)等因素，建立東營(yíng)凹陷泥頁巖儲(chǔ)集空間發(fā)育分布模式(圖11)。自南部緩坡帶向北部深洼帶，埋深增大，有機(jī)質(zhì)成熟度增加，地層壓力增大。早成巖階段，泥頁巖埋深較小，熱演化成熟度低，斜坡帶主要發(fā)育泥質(zhì)粉砂和塊狀泥頁巖，孔隙類型以基質(zhì)孔隙為主，儲(chǔ)集空間發(fā)育模式為塊狀-早成巖基質(zhì)孔隙模式，平均孔徑<10 nm，孔隙度<5%。伴隨著盆地持續(xù)接受細(xì)粒沉積，埋深加大，泥頁巖主體進(jìn)入中成巖階段，從緩坡帶向次深洼區(qū)熱演化成熟度增大(Ro>0.5%)，地層壓力變大，發(fā)育層狀泥頁巖;儲(chǔ)集空間發(fā)育模式為層狀-中成巖A-弱超壓孔縫局部連通模式，儲(chǔ)集空間組合類型為穿層縫-層間縫和基質(zhì)孔隙，孔徑主要為10～20 nm，孔隙度集中在5%～8%。伴隨著埋深增大，Ro=0.7%，泥頁巖進(jìn)入中成巖階段后期，地層壓力系數(shù)>1.5，富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥頁巖發(fā)育的儲(chǔ)集空間類型多樣，儲(chǔ)集空間組合類型為網(wǎng)狀縫-基質(zhì)孔，儲(chǔ)集空間連通性好，儲(chǔ)集空間發(fā)育模式為紋層狀-中成巖B-超壓孔縫網(wǎng)絡(luò)模式。深洼帶主要發(fā)育富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰質(zhì)泥巖及亮晶灰?guī)r，儲(chǔ)集空間類型為重結(jié)晶晶間孔、溶蝕孔及粘土礦物晶間縫，壓力系數(shù)最高達(dá)1.8，生烴超壓作用酸性流體溶蝕匹配，在重結(jié)晶紋層內(nèi)部形成溶縫，與其他孔隙形成有效的儲(chǔ)集空間網(wǎng)絡(luò)，孔隙度>10%。

圖10 東營(yíng)凹陷沙三下亞段3層組壓力等值線Fig.10 The pressure contours of the layer group 3 in Es3L,Dongying sag

圖11 東營(yíng)凹陷泥頁巖儲(chǔ)集空間發(fā)育分布模式Fig.11 Development and distribution patterns of shale reservoir space in Dongying sag

表3 東營(yíng)凹陷頁巖油儲(chǔ)集相帶分類Table 3 The classification of reservoir facies belts of shale oil in Dongying sag

總體上伴隨著熱演化成熟度增大，泥頁巖進(jìn)入中成巖演化階段，地層壓力系數(shù)增大，有機(jī)質(zhì)生烴排酸能力增強(qiáng)，排酸量在中成巖階段中期達(dá)到最高。多種增孔成巖作用機(jī)制匹配，使紋層狀泥頁巖這類優(yōu)勢(shì)巖相的儲(chǔ)層物性、孔徑和儲(chǔ)集空間的連通性得到明顯改善。

在東營(yíng)凹陷儲(chǔ)集空間發(fā)育分布模式的指導(dǎo)下，頁巖油儲(chǔ)集相帶進(jìn)行分類(表3)在單因素評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，綜合各甜點(diǎn)要素評(píng)價(jià)結(jié)果，疊合進(jìn)行優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集發(fā)育區(qū)預(yù)測(cè)。東營(yíng)凹陷優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集相帶主要發(fā)育在東營(yíng)凹陷利津洼陷北部及博興洼陷北部斷裂帶發(fā)育區(qū)。

6 結(jié)論

1) 東營(yíng)凹陷古近系泥頁巖儲(chǔ)層礦物巖石類型多樣，有機(jī)質(zhì)含量較高，孔隙類型主要為粒間孔、有機(jī)質(zhì)和粘土礦物收縮孔及碳酸鹽晶間孔，且具有三級(jí)孔縫網(wǎng)絡(luò)的連通形式；粘土礦物片間孔和方解石晶間孔對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率最高，平均可達(dá)50%～70%，其次為粘土礦物收縮縫、碳酸鹽晶間孔和構(gòu)造張裂縫。

2) 濟(jì)陽坳陷泥頁巖的儲(chǔ)油孔徑下限、游離賦存的孔徑下限和游離油大量富集的孔徑門檻值分別為5、10和30 nm。游離富集的孔隙度下限為6%。紋層狀頁巖的儲(chǔ)集有效性好于層狀頁巖，好于塊狀泥巖。

3) 熱演化程度(Ro)、巖相發(fā)育分布特征、地層壓力特征、裂縫發(fā)育程度等既是控制儲(chǔ)集空間發(fā)育特征(孔隙度和孔徑)的重要因素，也是頁巖油甜點(diǎn)評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。在單因素評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，綜合各甜點(diǎn)要素評(píng)價(jià)結(jié)果，疊合進(jìn)行優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集發(fā)育區(qū)預(yù)測(cè)。對(duì)于東營(yíng)凹陷而言，富有機(jī)質(zhì)(紋)層狀泥質(zhì)灰?guī)r——Ro為0.7%～0.9%——地層壓力系數(shù)>1.6——裂縫疊合部位裂縫最發(fā)育區(qū)疊合區(qū)域?yàn)閮?yōu)質(zhì)儲(chǔ)集發(fā)育區(qū)，也是東營(yíng)凹陷頁巖油勘探優(yōu)選靶區(qū)。