湖相頁巖滯留烴形成條件與富集模式
——以渤海灣盆地黃驊坳陷古近系為例

趙賢正，周立宏，蒲秀剛，金鳳鳴，時戰(zhàn)楠，韓文中，姜文亞，韓國猛，張偉，汪虎，馬建英

（中國石油大港油田公司，天津 300280）

0 引言

湖相頁巖滯留烴是頁巖油的重要類型之一。頁巖油是賦存于大套富有機質(zhì)頁巖層系中的石油，可劃分為狹義和廣義兩大類，狹義頁巖油指滯留于頁巖層中尚未排出、相對原位存儲的石油（實際上也有微小尺度的從有機質(zhì)紋層到相鄰儲集紋層的滲濾）。一定尺度上可以認為頁巖層本身既是烴源巖又是儲集層，即源儲一體型頁巖油，其主要特征是烴類相對原地滯留，這是本文重點討論的對象——頁巖滯留烴。所謂的源儲一體，并非絕對意義上的源就是儲，高分辨率圖像與組分分析揭示：頁巖層中源和儲頻繁薄互層狀共存，源紋層和儲紋層也是呈薄互層狀各自分開的，只是從壓裂施工的尺度（十幾米到幾十米的較大尺度）來看，源和儲是一體的，亦稱源儲共存。廣義頁巖油泛指除了狹義頁巖油部分外，還包括頁巖層系內(nèi)致密砂巖、致密碳酸鹽巖中的石油（即互層型頁巖油和夾層型頁巖油）[1-3]，烴類存在一定程度的明顯運移。

中國頁巖油資源十分豐富，是繼頁巖氣之后被證實的、具有巨大資源潛力的油氣領(lǐng)域。2010年來，湖相頁巖油地質(zhì)特征、甜點富集規(guī)律取得諸多創(chuàng)新認識：①泥頁巖礦物組成復(fù)雜，石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物含量高，黏土含量平均值為20%～40%，突破了泥頁巖黏土含量一般大于50%的傳統(tǒng)認識[4-6]；②高分辨率掃描電鏡、納米-微米 CT掃描、高壓壓汞等技術(shù)的應(yīng)用進一步明確了頁巖微納米孔隙類型和三維結(jié)構(gòu)特征，認識到有機孔、無機孔、微裂縫、層理縫是泥頁巖重要的儲集空間[7-8]；③泥頁巖有機質(zhì)豐度中等偏高、類型多樣、熱演化程度適中，相比北美海相頁巖油成熟度偏低[9]；④頁巖含油普遍但非均質(zhì)性較強，油水界限不明顯[1,7]；⑤提出有機質(zhì)豐度、游離烴含量、孔隙度、層理與裂縫、地層壓力以及頁巖脆性、水平應(yīng)力差等是頁巖油富集高產(chǎn)的重要因素[10-12]；⑥提出“優(yōu)勢源儲組合或優(yōu)勢巖相+保存條件”的頁巖油成藏理論，建立了薄互層型和源儲共生型兩類頁巖油源儲組合配置類型[13]，以及“有機質(zhì)豐度-巖石沉積構(gòu)造-礦物組成”巖相分類標(biāo)準(zhǔn)，在地質(zhì)特征及單井產(chǎn)量對比分析基礎(chǔ)上，提出了“高脆性+高孔隙、高有機質(zhì)豐度+水平裂縫、中等有機質(zhì)+紋層狀結(jié)構(gòu)+長英質(zhì)泥頁巖相”等頁巖油富集高產(chǎn)模式[14-17]。上述認識對中國湖相頁巖油勘探起到重要的指導(dǎo)作用[3-8,18-21]，渤海灣盆地古近系沙河街組和孔店組二段、南襄盆地泌陽凹陷古近系核桃園組、松遼盆地白堊系青山口組及準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組等湖相頁巖地層中多口水平井實現(xiàn)工業(yè)油流并取得單井年累產(chǎn)超萬噸的勘探突破。但與北美海相頁巖油相比，中國湖相頁巖油賦存的構(gòu)造條件復(fù)雜、地層非均質(zhì)性強、熱演化程度偏低，效益開發(fā)難度更大，面臨諸多認識與技術(shù)上的挑戰(zhàn)，其中頁巖油甜點富集規(guī)律與高產(chǎn)地質(zhì)條件更是頁巖油效益開發(fā)的基礎(chǔ)難題之一，亟待深化研究。

滄東凹陷屬于中國東部渤海灣盆地新生代斷陷湖盆，古近系孔店組二段（簡稱“孔二段”）頁巖層系是湖相頁巖滯留烴的典型代表，平面分布范圍廣、縱向地層厚度大、油氣顯示活躍，前期部署的多口直井和水平井均突破工業(yè)油流關(guān)。前期通過系統(tǒng)地質(zhì)分析，基本明確了孔二段頁巖油“七性”特征[3-4,6,22-30]，但目前的認識已不能滿足頁巖油效益勘探開發(fā)的需要，尤其是頁巖油富集規(guī)律及高產(chǎn)地質(zhì)條件深化認識越發(fā)重要，為此，本文利用前期研究成果及G108-8井、GD12井、GD14井3口井分析化驗資料，并結(jié)合30余口新鉆井巖屑TOC、熱解、裂縫及實際生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)等，進一步梳理湖相頁巖滯留烴富集規(guī)律、模式及高產(chǎn)地質(zhì)條件，以期為本區(qū)和鄰區(qū)水平井的優(yōu)化部署及壓裂段簇的設(shè)計等提供認識依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造及沉積特征

滄東凹陷是渤海灣盆地富油凹陷之一，位于黃驊坳陷的西南部，夾持于西部滄縣隆起、東部徐黑凸起、北部孔店凸起及南部東光凸起之間，是新生代受區(qū)域性拉張而形成的陸相斷陷湖盆[31-33]（見圖 1）?？锥纬练e時期，滄東凹陷為一個內(nèi)陸淡水—半咸水的橢圓形坳陷閉塞湖盆[34]，受來自盆地周緣孔店凸起、滄縣隆起、東光凸起、徐黑凸起 4大物源的碎屑物質(zhì)輸入的影響，沉積相帶從湖盆邊部至中部呈現(xiàn)外、中、內(nèi)三環(huán)分帶性的規(guī)律性變化[35]，外環(huán)是以辮狀河三角洲前緣為主體的常規(guī)砂巖發(fā)育帶，中環(huán)則是以辮狀河三角洲前緣遠端—前三角洲為主的粉砂質(zhì)泥巖-粉細砂巖、灰云巖組成的致密巖性發(fā)育帶，內(nèi)環(huán)則是以厚層暗色泥頁巖夾薄層粉砂巖及白云巖的細粒沉積發(fā)育帶。前人研究表明，孔二段為一個完整的三級層序（SQEk2），根據(jù)縱向上地層疊加樣式的不同及演化規(guī)律的差異，進一步可自下而上劃分為 4個四級層序（SQEk24—SQEk21），其中 SQEk23—SQEk21為湖擴體系域—高位體系域[24]，該時期湖盆中部發(fā)育了一套由顆粒粒徑小于 0.062 5 mm的細粒沉積巖為主要組分的頁巖，為大面積頁巖油的形成與富集奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 滄東凹陷區(qū)域位置及孔二段綜合柱狀圖（XRD—X射線衍射）

1.2 頁巖層系基本地質(zhì)特征

滄東凹陷孔二段細粒段具有高頻紋層發(fā)育，有機質(zhì)類型多樣且有機質(zhì)豐度高，巖性復(fù)雜且脆性礦物含量高、黏土含量低的特點。G108-8井孔二段338.5 m高豐度頁巖段顯性紋層密度平均值為 33層/dm，顯微薄片及場發(fā)射掃描電鏡 AmicScan統(tǒng)計的隱形紋層發(fā)育密度可達 1 100層/dm，可觀察到微米-納米級別的長石、石英、白云石、黏土等礦物層縱向相互疊置?？锥?41塊樣品巖石熱解、TOC值統(tǒng)計，揭示孔二段頁巖有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，其中Ⅰ型干酪根樣品數(shù)占比超過70%，Ⅱ1型干酪根樣品數(shù)占比超過20%，TOC值最高可達12.92%，平均值為4.87%，烴源巖品質(zhì)整體為富烴源巖—很好烴源巖[36]?？锥渭毩６蔚V物成分復(fù)雜，主要由陸源碎屑、碳酸鹽、黏土及其他礦物（方沸石、黃鐵礦、菱鐵礦等）組成，其中陸源碎屑平均含量為34%，主要是黏土級的石英、長石；碳酸鹽平均含量為 34%，主要為黏土級的方解石、白云石；黏土礦物含量僅為 16%；黃鐵礦、菱鐵礦及方沸石等礦物平均含量 16%。無優(yōu)勢礦物成分，總體具有脆性礦物含量高、黏土含量低的特點。根據(jù)礦物成分組成及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，孔二段細粒段巖石類型可識別出長英質(zhì)頁巖、混合質(zhì)頁巖和灰云質(zhì)頁巖3大類[3,22]。

2 頁巖滯留烴形成富集條件：“適中性”五原則

2.1 適中TOC有利于頁巖滯留烴形成和頁巖層高脆性

2.1.1TOC與S1、OSI

2.1.1.1TOC與可動烴的關(guān)系

湖相頁巖滯留烴高產(chǎn)與否主要取決于地層中可動烴Sf的含量：

式中，Ka由實驗數(shù)據(jù)取值100 mg/g，在相關(guān)關(guān)系直角坐標(biāo)圖中，任一熱解測試點P沿平行于Y軸方向到直線（該直線表示可動烴下限為100 mg /g）的距離L即為Sf（見圖2a、圖2b）。

通過對滄東凹陷GY1-1-1H、GY2-1-1H等33口井、12 468個巖屑熱解數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)（見圖2a、圖2b），與TOC相關(guān)圖中外包絡(luò)線上的數(shù)據(jù)點（指地質(zhì)條件相對較好的情況），主要呈現(xiàn)快速上升和穩(wěn)定高值的特征[3,37-41]，拐點的TOC值均為2%～4%（見圖2b），是單井可動烴含量的峰值，且在該區(qū)間內(nèi)隨著TOC值的增大可動烴峰值也增大，即外包絡(luò)線拐點隨TOC值的增大向右偏移（見圖2b）。由此可見，與TOC相關(guān)關(guān)系外包絡(luò)線拐點附近時（TOC值為 2%～4%）是可動烴最為富集的范圍。

2.1.1.2TOC與OSI的關(guān)系

圖2 有機碳含量與滯留烴（S1*）及可動油指數(shù)（OSI）關(guān)系（以GY1-1-1H等10口井為例）

由TOC與Sf及OSI的關(guān)系可見，適中的TOC值有利于頁巖層系中可動滯留烴的富集及頁巖油的高產(chǎn)，尤其是當(dāng)TOC值為2%～4%時，中間值為3%時，Sf值及OSI值均相對較高，是最有利于頁巖油富集的豐度范圍。

2.1.2TOC與頁巖層脆性

富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)與無機礦物主要呈互層狀分布，占據(jù)一定的巖石體積，是影響頁巖脆性的重要參數(shù)之一。由于不同礦物具有不同的脆度，以石英的脆度為標(biāo)準(zhǔn)，賦予其他礦物不同的系數(shù)[44]，同時考慮有機質(zhì)對巖石脆性的影響，通過對取心井1 000余塊次X射線衍射（XRD）礦物組分數(shù)據(jù)分析，建立了脆性指數(shù)BI1評價方法（2）式，同時利用力學(xué)參數(shù)法分析了脆性指數(shù)BI2（3）式：

兩種方法計算的 G108-8井、GD12井、GD14井脆性指數(shù)BI1和BI2相關(guān)性好，相關(guān)系數(shù)超過0.80，說明礦物含量與力學(xué)參數(shù)反映的巖石脆性有著較好的一致性（見圖3a），故應(yīng)用XRD的脆性礦物也可以較為準(zhǔn)確的表征頁巖脆性，且XRD分析脆性礦物法易于操作。通過統(tǒng)計 W16井 189塊樣品的脆性指數(shù)BI1與TOC、黏土含量的相關(guān)關(guān)系（見圖 3b、圖 3c），結(jié)果表明：當(dāng)TOC值小于4%或黏土含量小于20%時，大部分樣品BI1＞50%，為高脆性頁巖；當(dāng)TOC值大于6%或黏土含量大于 40%時，多數(shù)樣品BI1＜40%，為低脆性頁巖。由此可見，TOC值整體與脆性指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，但部分樣品受較高黏土含量影響（TOC值與黏土含量比值小于0.3，即頁巖中有機質(zhì)所占的體積與黏土體積的比值小于0.3），并非都是高脆性頁巖（見圖3b）。

圖3 BI1與BI2、TOC及黏土含量關(guān)系

上述研究表明，隨著TOC值增加，Sf值及OSI值呈現(xiàn)先增大后降低的特征，但脆性逐漸降低，當(dāng)TOC值為2%～4%時，含油性與脆性達到最佳匹配，頁巖既富集油又利于壓裂改造，形成最優(yōu)甜點，TOC值再增大時（大于6%），脆性逐步降低，甜點工程品質(zhì)反而變差。

2.2 適中的物源波及范圍造就頁巖油甜點

通過對21個不同沉積時期（21個小層單元）湖盆大小（以細粒沉積區(qū)的面積表示古湖盆分布范圍）和物源供給強度（以陸源碎屑輸入湖盆的波及范圍表示，本文以短軸方向物源供應(yīng)強度的影響為例進行統(tǒng)計）配置關(guān)系對比表明，湖盆大小與物源供給強度配置關(guān)系對脆性礦物含量、黏土含量及TOC值具有控制作用。

①湖盆大小與物源波及范圍匹配適中。如 2號小層沉積時期細粒沉積區(qū)東西方向距離（短軸）18.5 km（以A表示），東西方向陸源碎屑入湖距離8.6 km，占湖盆寬度的 46%，兩者匹配適中。湖相頁巖黏土含量平均13.9%，TOC值平均值為3.68%，長英質(zhì)含量平均28.8%，脆性指數(shù)平均44.6%。其各項指標(biāo)均滿足前述討論的TOC值為2%～4%，黏土含量小于20%頁巖油優(yōu)質(zhì)甜點標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。湖盆大小與物源供給強度的適中匹配，造就頁巖TOC及脆性礦物含量的最佳匹配，是頁巖油甜點發(fā)育的內(nèi)在控制因素（見表1）。

②湖盆小而物源供給強度大。如 8號小層沉積時期細粒沉積區(qū)東西方向距離16.2 km，東西方向陸源碎屑入湖距離為10.8 km，占湖盆寬度的67%。湖相頁巖長英質(zhì)含量平均值為 36.9%，黏土含量平均僅為10.8%，有機質(zhì)豐度偏低，TOC平均值僅為1.22%。這種匹配關(guān)系雖利于頁巖儲集層壓裂改造，但頁巖有機質(zhì)豐度低，導(dǎo)致生烴量不足，頁巖自身滯留烴難以富集。

表1 物源供給與礦物組成關(guān)系

③湖盆大而物源供給強度小。如17小層沉積期細粒沉積區(qū)東西方向距離19.2 km，東西方向陸源碎屑入湖距離僅為3.5 km，占湖盆寬度的18%。湖相頁巖黏土含量平均值為27.8%，TOC值最高可達12.4%，平均值為6.62%，這種匹配關(guān)系雖有利于頁巖總生烴量（排出烴量+滯留烴量），但滯留的吸附烴相對較多、游離可動烴量相對較少，且不利于后期壓裂改造（脆性指數(shù)平均僅為36.2%）（見表1）。

總之，湖盆的大小與物源的輸入距離（以B/A值表示）適中匹配時才能形成空間上黏土含量、TOC值及脆性礦物的合理配置（見表 1），從而達到生烴量與可壓性的有利共存狀態(tài)。滄東凹陷孔二段生產(chǎn)實踐顯示，湖盆的大小與物源的輸入距離之比約為40%～60%時，生烴量和可壓裂性在空間上配置良好，但不同湖盆因其他地質(zhì)條件的差異可能存在不同。

2.3 適中熱演化程度有利于頁巖滯留烴的富集

通過G77井（2 106.8 m，TOC值為5.24%）熱模擬及干酪根溶脹實驗，定量表征了不同熱演化階段的干酪根吸附烴、滯留可動烴、排出烴的比例（見表2、圖 4）。其中熱模擬實驗采用逼近地質(zhì)條件的半開放直壓式生排烴模擬儀，實驗溫度從 300～630 ℃，間隔25～30 ℃不等，之后對殘余巖樣干酪根進行Ro值實測，獲取不同成熟度條件下的產(chǎn)烴率數(shù)據(jù)；對熱模擬實驗完成后的殘樣制備成干酪根開展溶脹實驗，采用正十四烷、鄰二甲苯、乙酸、異丙醇、乙醇 5種涵蓋了干酪根及常見油氣組分溶解度范圍的溶劑，形成鐘形溶脹曲線并換算成滯留烴量，結(jié)合熱模擬產(chǎn)烴率數(shù)據(jù)，形成不同熱演化階段的干酪根吸附烴、滯留可動烴、排出烴的比例數(shù)據(jù)（見表2、圖4）。當(dāng)Ro值為0.6%～1.2%時，干酪根生成的烴除滿足其自身吸附溶解外，尚有7.4%～60.0%的烴可動，Ro值為0.7%～1.0%時滯留可動烴含量最高，超過總生烴量的40%。

表2 不同成熟度頁巖油吸附、滯留及排出烴量

圖4 G77井頁巖熱模擬生排烴曲線（據(jù)文獻[25, 28]修改）

滄東凹陷15口直井、16口水平井頁巖油試油日產(chǎn)油量與埋藏深度（垂深）的關(guān)系統(tǒng)計表明（見圖 5）：2 500～3 900 m深度范圍內(nèi)，無論是直井還是水平井，日產(chǎn)油量和埋藏深度之間都存在一定的正相關(guān)關(guān)系，即埋藏深度越大，整體試油效果越好，日產(chǎn)油量大于10 t的埋藏深度基本都在3 300 m以深，且埋深大于3 700 m以后會產(chǎn)生一定量的氣體，提高滯留烴的氣油比，降低滯留烴的黏度和密度，利于烴類的滲流；埋深大于3 900 m以后，日產(chǎn)油量隨埋藏深度增大呈降低趨勢，排出烴增多、滯留烴減少，與熱模擬生排烴實驗結(jié)果一致。目前部署的GD1701H、GD1702H水平井垂深約3 750 m，壓裂改造后均獲得高產(chǎn)油流，平均日產(chǎn)油量約為直井日產(chǎn)油量的5～6倍以上，目前累計產(chǎn)油分別為8 404 m3、11 336 m3。

圖5 滄東凹陷孔二段埋藏深度（垂深）與頁巖油產(chǎn)量關(guān)系

可見，適中的熱成熟度（Ro值為0.7%～1.0%，對應(yīng)埋深3 200～4 300 m）是頁巖熱演化生烴與有機質(zhì)吸附油最佳匹配區(qū)間，此時頁巖中滯留可動烴量大，試油產(chǎn)量往往較高，是頁巖油富集的熱演化甜點區(qū)段。

“嗯，一開始肯定不適應(yīng)，不過我相信，學(xué)習(xí)成績好的孩子，到哪里都是好的。我也是希望你能帶動成績不好的同學(xué)，給他們一點壓力和動力！”周老師說起這次“行動”還挺高興的。

2.4 適中的成巖演化程度利于頁巖儲集空間發(fā)育

滄東凹陷孔二段 G108-8、GD12等多口井研究表明，泥頁巖地層的孔隙度、孔隙體積及比表面積隨著埋藏深度的變化存在3個典型的演化階段（見圖6），①其中階段一主要處于早成巖B期，以壓實作用占據(jù)主導(dǎo)，隨深度的增加，孔隙度、孔隙體積及比表面積逐漸降低。②階段二主要處于中成巖 A期，Ro值為0.5%～0.9%、埋深為2 900～3 850 m時，是泥頁巖層系孔隙度、孔隙體積及比表面積由早期的逐漸降低轉(zhuǎn)向逐漸升高的階段，主要原因一是此階段有機質(zhì)向烴類大量轉(zhuǎn)化導(dǎo)致生烴增壓，既可減緩地層的機械壓實作用，亦可形成大量有機孔，TOC值為7%的烴源巖消耗35%的干酪根，最大可增加5%左右的有機孔[45]；二是富有機質(zhì)地層生烴過程中可形成大量的有機酸及富含 CO2的酸性流體等，總量約占有機質(zhì)含量的 2%～12%，酸性流體對碳酸鹽、長石等礦物具有較強的溶蝕作用，可形成大量溶蝕孔隙，尤其是緊鄰干酪根的易溶礦物，更易于形成板條狀、港灣狀、不規(guī)則狀等礦物邊緣溶蝕孔縫，最大可提高4.5%～10.0%的孔隙度[46]；另外生烴過程中形成的酸性流體會促進碳酸鹽礦物的重結(jié)晶作用以及蒙脫石、伊蒙混層等向伊利石的轉(zhuǎn)化等，進一步提高泥頁巖層系的儲集空間，孔隙度最高可達10.25%。③階段三，埋藏深度超過3 850 m以后，酸性流體減少、黏土礦物轉(zhuǎn)化完成、碳酸鹽重結(jié)晶作用減弱，地層壓實作用再次占據(jù)主導(dǎo)作用，儲集空間隨深度增大逐漸變差。由此可見，適中的成巖演化階段有利于富有機質(zhì)頁巖層系形成較多的儲集空間[47]，尤其以中成巖A期（埋深為3 200～4 300 m），可形成大量有機質(zhì)孔、溶蝕孔、晶間孔等最有利于儲集空間的發(fā)育。

2.5 適中的天然裂縫發(fā)育程度利于頁巖油的滲流和保存

按照成因，頁巖層系主要發(fā)育兩大類裂縫，一類是構(gòu)造應(yīng)力作用形成的裂縫，強烈的構(gòu)造運動可能形成大型裂隙帶，貫穿上下頂?shù)装迳w層，易破壞頁巖油富集成藏的蓋層條件；同時構(gòu)造應(yīng)力作用還會派生出大量次級裂隙和微裂縫，僅限于頁巖層系內(nèi)部延伸，平面呈區(qū)域性分布。另一類為各種物理作用或化學(xué)作用形成的裂縫，主要包括層間裂縫、異常高壓縫、溶蝕裂縫、礦物相變裂縫、脫水收縮裂縫等，這些類型的微裂縫整體分布局限、非均質(zhì)性強、規(guī)模較小。

從滄東凹陷頁巖油試油產(chǎn)量（均為直井?dāng)?shù)據(jù)）與至斷層距離可以看出（見圖7），隨著試油層段與斷層距離的增大，試油產(chǎn)量整體呈下降的趨勢，如 G1608井，與斷層距離僅為150 m，且地層具有微幅背斜構(gòu)造背景（易于形成裂縫發(fā)育帶），試油產(chǎn)量高達47.1 t/d，試采105 d，累產(chǎn)油達到1 540.68 t。這類斷層派生出的（微）裂縫縱向上僅限于頁巖層系內(nèi)部延伸，未破壞上覆泥巖蓋層。因此，與斷層距離越小的井位，斷裂構(gòu)造派生出的微裂縫發(fā)育程度越大，試油產(chǎn)量相對越高。但是與斷層距離為200～300 m的井試油產(chǎn)量存在明顯的差異，如GD13井與斷層距離約為275 m，產(chǎn)油量僅為4.52 t/d，而KN9井與斷層距離同樣約為275 m，但產(chǎn)油量達到13.27 t/d，也進一步證實了天然裂縫發(fā)育程度只是控制局部層段頁巖油富集的重要因素之一，但其他因素（如巖性、儲集物性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等）也同樣影響頁巖油富集程度。

由于頁巖層系自身低孔、低滲的特征，所以天然裂縫的發(fā)育既可以起到儲集空間的作用，更重要的是起到溝通基質(zhì)孔隙利于烴類滲流的作用。但裂縫發(fā)育規(guī)模不宜太大，否則可能破壞頁巖油富集的蓋層條件導(dǎo)致烴類散失，以僅限于頁巖層系內(nèi)部的天然裂縫發(fā)育段，相對利于頁巖滯留烴滲流與保存。

圖7 滄東凹陷孔二段頁巖油試油產(chǎn)量與至斷層距離的關(guān)系

3 頁巖滯留烴富集模式

通過對滄東凹陷孔二段頁巖滯留烴富集條件綜合分析，建立了湖相頁巖滯留烴富集模式（見圖8），其中以古湖盆大小與物源供應(yīng)強度匹配適中的情況下（模式 M2），利于形成中等有機質(zhì)豐度（TOC值為2%～4%）、較高細粒長英質(zhì)及碳酸鹽等脆性礦物（大于 40%）、較低黏土含量（小于 20%）、高頻紋層結(jié)構(gòu)的頁巖，巖性以長英質(zhì)頁巖、混合質(zhì)頁巖與灰云質(zhì)頁巖的頻繁互層為主，當(dāng)頁巖地層埋深為3 200～4 300 m（中成巖A期）、Ro值為0.6%～1.2%時，烴源巖生成大量烴類，超越效應(yīng)明顯（OSI值整體較高），同時儲集空間相對較大、脆性程度較高，是湖相頁巖滯留烴富集的最有利條件，是當(dāng)前頁巖油開發(fā)的首選目標(biāo)。

當(dāng)古湖盆偏小而物源供給強度較大時（模式M1），易于形成高脆性、低有機質(zhì)豐度的頁巖，以長英質(zhì)頁巖、混合質(zhì)頁巖夾砂屑為主，這類頁巖有機質(zhì)豐度整體偏低，生烴不足，含油性整體偏差，但緊鄰高豐度頁巖段的砂屑地層，因烴類就近直接充注，多具有良好的含油性（超越效應(yīng)非常明顯），且砂屑層儲集物性較好、脆性程度高，具備高產(chǎn)的有利地質(zhì)條件，是互層型頁巖油或夾層型頁巖油開發(fā)的主要目標(biāo)（見圖8）。

當(dāng)古湖盆較大而物源供應(yīng)強度偏小時（模式M3），易于形成高有機質(zhì)豐度、低脆性礦物含量的頁巖，以紋層狀黏土質(zhì)頁巖夾長英質(zhì)頁巖、混合質(zhì)頁巖、灰云質(zhì)頁巖為主，這類頁巖整體生烴量較大，具有中等—好的超越效應(yīng)特征，當(dāng)滿足自身吸附、儲集后，大量烴類運移出去形成常規(guī)油藏，但此類頁巖滯留吸附烴含量偏高且工程改造效果略差，可作為頁巖油勘探開發(fā)的后備資源類型，緊鄰優(yōu)質(zhì)高豐度段的灰云質(zhì)頁巖，因烴類充注且儲集條件好，也可形成良好的頁巖油富集層（見圖8）。

圖8 滄東凹陷孔店組二段湖相頁巖滯留烴富集模式與關(guān)鍵指標(biāo)分析圖

4 勘探實踐

4.1 滄東凹陷孔二段一體型頁巖油工業(yè)化開發(fā)

4.1.1 甜點綜合評價及水平井部署

“適中TOC有利于頁巖滯留烴形成和頁巖層高脆性”用于選層，“適中的物源波及范圍造就頁巖油甜點”用于選區(qū)，“適中熱演化有利于頁巖滯留烴的富集”+“適中的成巖演化程度利于頁巖儲集空間發(fā)育”+“適中的天然裂縫發(fā)育程度利于頁巖油的滲流和保存”用于評價富集條件和產(chǎn)能，綜合以上適中性五原則，結(jié)合頁巖滯留烴富集模式，有效指導(dǎo)了縱向甜點段及平面甜點區(qū)的優(yōu)選，為水平井的勘探部署提供了重要的科學(xué)支撐。以GD14井孔二段Ek2-C1開發(fā)層系為例（見圖9a），該段可劃分為4個小層，其中1小層以M3模式為主，2小層、3小層及4小層上部以M2模式為主，4小層下部以M3模式為主，進一步優(yōu)選出1小層中下部、3小層中上部為最佳甜點段，其次是 2小層及 4小層。

目前，針對官東地區(qū)，按照方案部署整體化、評價建產(chǎn)一體化、地下地面一體化、資源動用最大化及效益開發(fā)接替化的頁巖油水平井部署原則，以斷塊為基本單元整體規(guī)劃設(shè)計，瞄準(zhǔn)高產(chǎn)區(qū)塊優(yōu)中選優(yōu)，同時考慮地面供水管線及大型溝渠分布情況，建立水平井立體交叉井網(wǎng)，采用井叢場、層接替、塊接替部署思路，實現(xiàn)產(chǎn)量有序接替。以官東地區(qū)Ek2-C1開發(fā)層系水平井部署方案為例（見圖9c），水平井井眼軌跡與地層主應(yīng)力方向夾角一般大于45°，入窗點距斷層空間距離150～200 m，水平段長短結(jié)合，井距平均200 m，共部署水平井井位61口，預(yù)計實現(xiàn)可動用地質(zhì)儲量3 000×104t。

圖9 滄東凹陷孔二段Ek2-C1段縱向甜點段、平面甜點區(qū)綜合評價及井位部署

4.1.2 實踐效果

4.1.2.1 GD1701H、GD1702H兩口科學(xué)實驗井獲高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)在官東地區(qū)有利勘探區(qū)，針對Ek2-C1實施了2口水平井GD1701H及GD1702H，其中GD1701H井最高日產(chǎn)油量達75.9 m3，同時產(chǎn)氣5 200 m3，截至2020年3月1日放噴200 d，下泵370 d，累計產(chǎn)油量8 576 m3（見表3）。GD1702H最高日產(chǎn)油量為61 m3，日產(chǎn)氣5 947 m3，截至2020年3月1日放噴633 d，累產(chǎn)油11 603 m3（見表 3）。

表3 滄東凹陷及歧口凹陷頁巖油地質(zhì)特征及生產(chǎn)狀況

4.1.2.2 首個頁巖油井組實現(xiàn)工業(yè)性開發(fā)

由GY2-1-1H、GY2-1-2H、GY2-1-3H 這3口頁巖油水平井組成的井組均以Ek21SQ⑨的C1-2小層（模式M2為主）為主要鉆探靶層，投產(chǎn)見油返排率均小于1%。其中GY2-1-1H井初期日產(chǎn)油24.56 m3，截至2020年3月1日，累產(chǎn)油2 449 m3（見表3）；GY2-1-2H井初期日產(chǎn)油17.83 m3，截至2020年3月1日，累產(chǎn)油2 832 m3（見表3、圖10）；GY2-1-3H井初期日產(chǎn)油量為23.37 m3，截至2020年3月1日，累產(chǎn)油2 108 m3（見表 3）。目前該井組日產(chǎn)油量穩(wěn)產(chǎn) 40～50 m3，累產(chǎn)油已達7 390 m3。

4.2 技術(shù)推廣應(yīng)用——歧口凹陷沙三段取得重要發(fā)現(xiàn)

4.2.1 甜點綜合評價

上述湖相頁巖滯留烴適中性五原則及富集模式推廣應(yīng)用于歧口凹陷沙三段頁巖油氣甜點的綜合評價，以F38X1井沙三段為例，劃分為C1-C8共8個開發(fā)層系、18個小層，整體以模式M2及M3為主，其中1、2、3、4、8、9、10、11、12小層為最有利甜點段，累計厚度可達400 m（見圖11）。

基于縱向甜點段的優(yōu)選，綜合利用OSI、脆性指數(shù)、核磁共振測井孔隙度、Ro、地層厚度以及地震屬性等資料，對開發(fā)層系C1平面甜點區(qū)進行綜合評價（見圖12），優(yōu)選出Ⅰ類甜點區(qū)面積48.6 km2，Ⅱ類甜點區(qū)面積53.9 km2，Ⅲ類甜點區(qū)面積175.2 km2。

圖10 官東地區(qū)首個頁巖油水平井組生產(chǎn)動態(tài)曲線（以GY2-1-2H為例）

圖11 歧口凹陷沙三段頁巖油氣縱向甜點段綜合評價

4.2.2 實踐效果

歧口凹陷沙三段頁巖油氣勘探獲重要發(fā)現(xiàn)苗頭。該區(qū)域頁巖油氣研究起步于 2017年，目前 F38X1井沙三1亞段頁巖油氣海水基壓裂已獲高產(chǎn)，開拓了頁巖油勘探新局面（見圖 12）。F38X1井最高日產(chǎn)油量為50.1 t、日產(chǎn)氣量為17 240 m3，累計產(chǎn)油量為762.7 m3。同時在Ⅰ類甜點區(qū)部署水平井 QY10-1-1H，鉆探目的層系為C1開發(fā)層系，壓裂改造后最高日產(chǎn)油達102 t（見圖12）。歧口凹陷深湖相區(qū)頁巖油水平井鉆探取得的成效，證實了歧口凹陷古近系湖泛期細粒段也具備良好的頁巖油氣勘探潛力。

圖12 歧口凹陷沙三段C1開發(fā)層系頁巖油平面甜點區(qū)綜合評價及水平井井位部署

5 結(jié)論與建議

湖相頁巖滯留可動烴富集受頁巖有機質(zhì)豐度（TOC值）、熱成熟度（Ro值）、成巖演化、天然裂縫發(fā)育程度及湖盆的大小與物源的輸入距離之比（B/A值）等 5大因素耦合控制，各因素具有普遍適中的指標(biāo)，即TOC值為2%～4%，Ro值為0.7%～1.0%（埋深為3 200～4 300 m），成巖演化階段處于中成巖A期，天然裂縫發(fā)育但未破壞頁巖油頂?shù)装迳w層條件，B/A值為40%～60%，各指標(biāo)太高或太低均不利于頁巖油富集。

頁巖油富集的適中性原則主要適用于湖相頁巖滯留烴，而對于明顯運移型的狹義致密油（屬于廣義頁巖油范疇），TOC值越高、熱成熟度越高越有利于其富集，對常規(guī)油氣勘探也是有利的。相對于狹義致密油，湖相頁巖滯留烴分布面積、資源規(guī)模更大，開發(fā)難度也更大，頁巖油富集的適中性對該類頁巖油開發(fā)更具有指導(dǎo)意義。

通過技術(shù)上 5大因素耦合匹配評價甜點，優(yōu)選水平井靶層和甜點區(qū)，指導(dǎo)井位部署，實現(xiàn)了滄東凹陷孔二段湖相頁巖滯留烴的工業(yè)化開發(fā)及歧口凹陷沙三段頁巖油的重要突破?？锥蝺煽诳茖W(xué)實驗井累產(chǎn)油超2×104m3，首個頁巖油井組穩(wěn)產(chǎn)40～50 m3/d。勘探實踐結(jié)果表明頁巖油富集的適中性原則可有效指導(dǎo)湖相頁巖滯留烴的勘探開發(fā)。

符號注釋：

BI1——基于XRD礦物組分的脆性指數(shù)，%；BI2——基于力學(xué)參數(shù)的脆性指數(shù)，%；GR——自然伽馬，API；Ka——單位有機質(zhì)吸附量，mg/g；OSI——可動油指數(shù)，mg/g；PRsd——歸一化處理后巖石泊松比，%；RM2R6——609.6 mm（2 ft）縱向分辨率、1 524 mm（60 in）徑向探測深度陣列感應(yīng)測井曲線，Ω·m；RM2RX——609.6 mm（2 ft）縱向分辨率、3 048 mm（120 in）徑向探測深度陣列感應(yīng)測井曲線，Ω·m；Sf——滯留可動烴量，mg/g；SP——自然電位，mV；S1——熱解游離烴含量，mg/g；——熱解滯留烴值，mg/g；TOC——殘余總有機碳含量，%；Δt——補償聲波時差，μs/m；V*o——有機質(zhì)所占的體積，%；V*qa，V*fe，V*ca，V*do，V*an，V*cl——考慮有機質(zhì)校正后的XRD分析的石英、長石、方解石、白云石、方沸石和黏土含量，%；YMsd——歸一化處理后巖石彈性模量，%；ρ——補償密度，g/cm3。