姚涇利，鄧秀芹，趙彥德，韓天佑，楚美娟，龐錦蓮

（1. 中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院；2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室）

0 引言

近年來，致密氣、致密油、頁巖油等非常規(guī)油氣資源在美國、加拿大、澳大利亞等國家成功得到了商業(yè)開發(fā)，目前已在全球能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位[1]。中國致密砂巖氣、致密油、頁巖油和煤層氣等非常規(guī)油氣資源豐富，但其勘探開發(fā)目前仍處在起步和探索階段。鄂爾多斯盆地三疊系延長組儲集層成熟度低，成巖作用強(qiáng)，巖石顆粒細(xì)、分選差、膠結(jié)物含量高，儲集空間變化大、非均質(zhì)性強(qiáng)[2]，油氣藏呈現(xiàn)出儲集層致密、預(yù)測難度大、成藏機(jī)理復(fù)雜、單井產(chǎn)量不高等特點[3]，是中國典型的低滲透油藏發(fā)育區(qū)。近年來，通過對碎屑巖有利沉積與成巖相、儲集層致密史與成藏史關(guān)系、成藏機(jī)理及石油富集規(guī)律等方面的綜合研究，取得了許多新的認(rèn)識[4-15]，有效地指導(dǎo)了鄂爾多斯盆地中生界石油的勘探開發(fā)，先后發(fā)現(xiàn)了西峰、姬塬、華慶等儲量規(guī)模超過 10×108t級的大油田[16-19]。其中，致密油氣資源豐富，截至目前，空氣滲透率小于2×10-3μm2的致密油探明地質(zhì)儲量約20×108t，勘探開發(fā)潛力巨大，現(xiàn)已成為鄂爾多斯盆地重要的油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，加強(qiáng)鄂爾多斯盆地致密油研究對中國致密油資源的勘探開發(fā)具有重要意義。

1 致密油概念

致密油屬非常規(guī)油氣資源，關(guān)于致密油的概念目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一定義。近年來，美國致密油快速發(fā)展，尤以威林斯頓盆地巴肯致密油最具代表性，其主要發(fā)育在盆地坳陷部位，孔隙度一般小于 10%，覆壓滲透率一般為 0.001×10-3～0.1×10-3μm2[20-27]（見表 1）。

表1 鄂爾多斯盆地致密油與巴肯致密油特征對比[20-27]

林森虎[28]、景東升[29]等將致密油定義為以吸附或游離狀態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)且滲透率極低的暗色頁巖、泥質(zhì)粉砂巖或砂巖夾層系統(tǒng)中的自生自儲、連續(xù)分布的石油聚集。頁巖生成的油氣除部分排出并運移至砂巖或碳酸鹽巖等滲透性巖石中形成常規(guī)油氣藏外，其余大量在“原地”滯留，以游離烴和吸附烴形式賦存于納米級孔隙或微裂縫中，形成可供商業(yè)開采的致密油（氣）。

為適應(yīng)中國非常規(guī)油氣資源發(fā)展的需要，根據(jù)中國油氣田的實際情況，致密油通常是指覆壓基質(zhì)滲透率小于 0.2×10-3μm2或空氣滲透率小于 2×10-3μm2的砂巖、碳酸鹽巖等油層，單井一般無自然產(chǎn)能，或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油氣流下限，但在一定經(jīng)濟(jì)條件和壓裂、水平井、多分支井等技術(shù)措施下可以獲得工業(yè)油產(chǎn)量[30]。

2 致密油分布

鄂爾多斯盆地中生界延長組致密油資源豐富，在空氣滲透率小于2×10-3μm2的儲集層中已提交探明地質(zhì)儲量約 20×108t，其中空氣滲透率小于 1×10-3μm2的致密儲集層中石油探明地質(zhì)儲量超過10×108t。目前已發(fā)現(xiàn)10×108t級儲量規(guī)模的西峰、姬塬、華慶大油田平均空氣滲透率均小于 2×10-3μm2，屬致密油。延長組致密油分布于含油系統(tǒng)的“核心區(qū)域”：平面上，位于湖盆的中部，即環(huán)縣—吳起—志丹—正寧—寧縣—慶陽圈定的范圍內(nèi)（見圖 1），為中晚三疊世的沉積中心；縱向上，位于延長組的中部層位，即與油頁巖互層共生或緊鄰的致密砂巖儲集層中，石油未經(jīng)大規(guī)模長距離運移（見圖2），主要為長6—長8油層組。其中，長8、陜北長6和華慶油田北部的長6油層組儲集層主要為三角洲前緣和前三角洲沉積，以細(xì)砂巖為主，局部發(fā)育中—細(xì)砂巖；湖盆中部的長6、長7油層組主要為重力流沉積，以細(xì)砂巖、粉砂巖為主[31-33]，儲集層尤為致密，空氣滲透率一般小于0.3×10-3μm2。

圖1 鄂爾多斯盆地長6油層組沉積相圖

圖2 鄂爾多斯盆地致密油成藏組合剖面圖（剖面位置見圖1）

3 致密油儲集層特征

3.1 砂體分布特征

在湖盆中部地區(qū)，長8油層組砂體分布相對穩(wěn)定，在三角洲前端呈朵狀、裙?fàn)罘植?，厚度一?0～35 m。長6、長7沉積期，東北、西南、西部等物源在湖盆沉積中心深水區(qū)匯聚，砂體大面積復(fù)合連片，呈北西—南東向沿環(huán)縣—合水一線大致平行于相帶界線（湖盆軸向）分布（見圖1）[31-33]，砂體延展約150 km，寬25～80 km，砂地比大于30%的面積超過8 000 km2，局部地區(qū)砂地比甚至達(dá) 80%以上，砂巖厚度大，單砂層厚度一般為5～40 m，累計厚度一般為25～80 m，局部地區(qū)連續(xù)砂巖厚度達(dá)百米。

3.2 儲集層物性

受沉積和成巖作用影響，砂體橫向相變尖滅或復(fù)合，縱向泥質(zhì)巖隔層和碳酸鹽膠結(jié)致密夾層發(fā)育，造成儲集層縱橫向非均質(zhì)性強(qiáng)。致密砂巖儲集層巖性主要為細(xì)砂巖和粉砂巖，顆粒間主要為線接觸和點-線接觸，面孔率一般小于5.4%，孔隙類型一般為溶孔型或粒間孔-溶孔型，喉道細(xì)小，平均中值半徑僅0.31 μm?？紫抖纫话銥?.5%～14.3%（見圖3a），空氣滲透率一般為 0.01×10-3～2.00×10-3μm2（見圖 3b）。

長6、長7重力流沉積砂巖更為致密，平均面孔率一般2%左右，主要孔隙類型為長石和巖屑粒內(nèi)溶孔、膠結(jié)物溶孔、殘余粒間及填隙物微孔，平均孔徑16.98 μm。喉道細(xì)小，恒速壓汞法測定的粉細(xì)砂巖喉道半徑大部分小于0.2 μm（見圖3c），平均孔喉比492；常規(guī)壓汞法測定的粉細(xì)砂巖喉道半徑 80%以上分布于0.05～0.20 μm（見圖 3d），最大連通喉道半徑為 0.51 μm，平均喉道半徑 0.16 μm。因此，該類儲集層以納米級喉道為主，主要為小孔微喉型，喉道分布不均勻，呈網(wǎng)狀，連通性差，平均分選系數(shù)為 2.92，均值系數(shù)為10.84，排驅(qū)壓力2.08 MPa。復(fù)雜的孔喉結(jié)構(gòu)導(dǎo)致儲集層的滲流能力差，儲集層空氣滲透率一般小于 0.3×10-3μm2。

圖3 鄂爾多斯盆地長7致密油儲集層物性及孔喉分布

3.3 剛性組分及天然裂縫

致密砂巖儲集層剛性組分的含量一般為 67%～81%（其中石英平均含量為 41.8%，長石平均含量為23.8%），巖屑平均含量為17.4%；Yc2井脆性礦物分析表明，致密砂巖脆性指數(shù)為 39%～43%（見表2）。儲集層脆性較高有利于增產(chǎn)改造，巖石在壓裂過程中易于產(chǎn)生剪切破裂形成縫網(wǎng)系統(tǒng)。致密砂巖儲集層中天然裂縫較發(fā)育，每10 m發(fā)育天然裂縫約2.3條，主要為構(gòu)造縫，以高角度縫和垂直縫為主，有一組或多組平行的裂縫，亦有多組裂縫相互切割；既有張性裂縫，也有剪切裂縫。裂縫的主要方向為近東西向，其次為北東向和近南北向。

表2 Yc2井長7油層組脆性指數(shù)評價

3.4 充注程度

湖盆中部長6—長8油層組儲集層致密，但石油充注程度高，地質(zhì)錄井顯示致密砂巖儲集層含油較均勻，常為油浸級含油，受原油浸染，砂巖常呈褐灰色（見圖 4a），密閉取心分析儲集層含油飽和度一般可達(dá)65%～85%（見圖4b）。激光共聚焦圖像顯示，致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，孔隙、喉道具有一定連通性，孔喉及裂縫中富含有機(jī)質(zhì)（見圖4c）。

圖4 延長組致密砂巖儲集層含油特征

3.5 地層壓力

晚侏羅世—早白堊世，盆地延長組處于最大埋深，早白堊世末受燕山構(gòu)造作用影響，盆地快速抬升，在抬升過程中產(chǎn)生了上覆地層暴露與剝蝕、地溫下降等一系列變化，造成油氣藏壓力系統(tǒng)屬性的轉(zhuǎn)換。目前，鄂爾多斯盆地油氣藏壓力系數(shù)普遍較低，多分布于0.64～0.86，為中國典型的低壓盆地。加之儲集層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、滲透性差，因此試油普遍為低產(chǎn)或無自然產(chǎn)能，加大了增產(chǎn)和開發(fā)的難度。

3.6 原油物性

致密油原油性質(zhì)較好，流動性強(qiáng)。地表條件下的原油密度一般為0.83～0.88 g/cm3，地層條件下原油密度約0.70～0.76 g/cm3，黏度平均在1.0 mPa·s左右，凝固點在17～20 ℃，可動流體飽和度為47.38%，流動性好，通過針對不同儲集層類型開展油層改造，可獲得較好的增產(chǎn)效果。如長6、長7致密砂巖儲集層具有厚度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、脆性較高的特點，在壓裂改造過程中，采用多級加砂、定向射孔-多縫壓裂等技術(shù)，通過造多縫、優(yōu)化縫長、提高儲集層縱向?qū)Я髂芰Γㄒ部稍龃筇烊涣芽p的開啟程度），增加泄油體積，可達(dá)到有效動用致密油厚油層的目的。經(jīng)過壓裂改造，致密油直井試油產(chǎn)量一般為4～35 t/d，局部相對高滲區(qū)試油產(chǎn)量可超過60 t/d，多口水平井試油單井產(chǎn)量達(dá)百噸以上。

4 致密油形成主控因素

4.1 烴源巖

延長組長7油層組沉積期為最大湖泛期，湖盆強(qiáng)烈拗陷，湖水分布范圍廣（超過10×104km2），沉積了一套富有機(jī)質(zhì)的油頁巖、暗色泥巖，厚20～60 m區(qū)域面積達(dá)5×104km2。烴源巖有機(jī)質(zhì)類型好，以低等水生生物為主，富含鐵、硫、磷等生命元素，TOC值平均為13.75%，以Ⅰ、Ⅱ1型干酪根為主，干酪根在巖石中所占比例高，約 15%～35%，具備形成“干酪根網(wǎng)絡(luò)”的條件[12-13]。早白堊世處于最大埋深階段（約3 000 m），成熟度適中，Ro值一般為0.9%～1.1%，進(jìn)入生排烴高峰階段。長7油頁巖具有高產(chǎn)烴率（產(chǎn)油率達(dá)400 kg/t）、高排烴效率（一般為 55%～90%）[12-13]、廣覆式生烴的特征，為一套優(yōu)質(zhì)烴源巖。此外，長4+5、長6、長9等油層組的暗色泥巖有機(jī)碳含量分別為1.67%、2.18%和 5.30%，干酪根類型以Ⅱ1型為主（長9油層組油頁巖部分干酪根為Ⅰ型），也具有一定生烴能力。

4.2 儲集體

在東北、西南、西北、西部、南部 5大沉積物源控制下，鄂爾多斯盆地三疊系延長組三角洲發(fā)育，其中東北三角洲規(guī)模最大，覆蓋范圍最廣，其次是西南和西北三角洲。長9、長8、長6、長3沉積期為重要的三角洲建設(shè)期，砂體延伸穩(wěn)定，厚度較大，長4+5沉積期存在短暫的湖侵，但規(guī)模有限，整體上可容納空間和沉積物質(zhì)供給基本平衡，局部地區(qū)發(fā)育一定規(guī)模的三角洲砂體。不同沉積時期三角洲規(guī)模呈現(xiàn)此消彼長特征，隨著湖岸線的進(jìn)退，分流河道、水下分流河道、河口壩等不同類型的三角洲砂體縱向疊加，橫向復(fù)合連片，形成伸入湖盆的、圍繞湖盆沉積中心的大型三角洲群。在湖盆中部地區(qū)，長6、長7油層組中上部發(fā)育大型重力流復(fù)合沉積砂體（包括砂質(zhì)碎屑流、滑塌與濁流沉積等類型），砂體縱向疊加厚度大，平面上平行于相帶界線或圍繞三角洲前端穩(wěn)定分布。這幾套不同成因、不同方向展布的砂體，在空間上構(gòu)成了縱橫交織的龐大的儲集體，形成了“滿盆砂”的儲集層分布格局，為石油聚集提供了有利的儲集空間。

4.3 儲集層致密化成因

致密砂巖儲集層巖性主要為長石砂巖、巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖，細(xì)砂巖、粉砂巖占絕對優(yōu)勢，變質(zhì)巖屑、云母等塑性組分平均含量為11.7%，造成儲集層抗壓實能力較差，在外力作用下易撓曲、變形、假雜基化，剛性顆粒表現(xiàn)出定向排列、緊密接觸的特征，顆粒間以線、點-線接觸為主（見圖 5a），原生粒間孔損失高達(dá) 36%～41%。致密砂巖儲集層填隙物含量高，平均為13.6%～17.4%，成分主要為水云母、含鐵碳酸鹽等晚期膠結(jié)物（見圖5b、5c、5d）。長6、長7油層組重力流沉積的砂巖儲集層更加致密，填隙物含量分別為15.3%和17.4%。其中伊利石含量分別為7.0%和10.4%，往往呈片狀、毛發(fā)狀、纖維狀，使有效孔隙變成了無效的微孔，大大降低了儲集層的滲流能力；含鐵碳酸鹽平均含量分別為5.2%和4.1%[8]，充填粒間孔隙和長石溶孔，膠結(jié)致密[8,15]。強(qiáng)烈的壓實、膠結(jié)和黏土礦物轉(zhuǎn)化等成巖作用造成致密砂巖儲集層孔喉細(xì)小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連通性差。

4.4 成藏組合

圖5 鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖儲集層成巖作用特征

延長組沉積期鄂爾多斯湖盆水體具有振蕩發(fā)展的特征，具體表現(xiàn)在兩個方面：一是經(jīng)歷了多次的湖侵、湖退；另一個是沉積中心的遷移。這兩個方面控制了烴源巖與儲集砂體在橫向上尖滅或側(cè)變、縱向疊置的沉積組合關(guān)系。最顯著的一次湖侵為長8油層組沉積末期，形成了廣泛分布的長7油層組優(yōu)質(zhì)烴源巖。湖盆中部地區(qū)長7優(yōu)質(zhì)烴源巖的上覆地層長6油層組三角洲和重力流沉積砂體發(fā)育，下伏地層長8油層組三角洲砂體發(fā)育，這兩套不同性質(zhì)的砂巖距離長7優(yōu)質(zhì)烴源巖層最近，具有優(yōu)先捕獲油氣的位置優(yōu)勢，成為盆地中生界主要含油層系，即長7優(yōu)質(zhì)烴源巖成熟后可以向上、向下雙向供烴，在穩(wěn)定的構(gòu)造背景下有利于形成長4+5、長6、長8大型巖性油藏。同時，在沉積中心區(qū)長7油層組本身發(fā)育較大規(guī)模的重力流儲集砂體，是一套重要的、典型的致密油含油層系（見圖2）。

4.5 主成藏期與石油充注

延長組中部主要發(fā)育致密砂巖儲集層，僅靠浮力不能滿足大規(guī)模運移聚集動力需求，生烴增壓是強(qiáng)排烴和強(qiáng)充注的主要動力。

埋藏史研究表明，侏羅紀(jì)—早白堊世，延長組快速埋藏，早白堊世達(dá)到最大埋藏深度，長6—長8油層組的埋藏深度一般為2 500～3 200 m，而且中生代末期伴隨著構(gòu)造熱事件的發(fā)生，導(dǎo)致該時期具有高地溫場的特征，地?zé)崽荻冗_(dá)3.5～4.0 ℃/100 m[34-35]。地溫升高促進(jìn)了優(yōu)質(zhì)烴源巖的成熟，對鄂爾多斯盆地致密油的形成具有重要意義。長6—長8儲集層包裹體記錄了該熱事件及其對石油成藏的影響，烴類包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度一般為 83～126 ℃，峰值溫度100～118 ℃。近年來大量研究成果表明，長7優(yōu)質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，生烴量大，在有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)變過程中易引起流體體積增加，累計生成的原油體積為巖石體積的 8.0%～18.7%，甚至更高[13]，生烴增壓作用強(qiáng)烈。因此，盡管現(xiàn)今鄂爾多斯盆地為低壓盆地，但在地質(zhì)歷史時期曾為超壓盆地，其中最大埋深階段（早白堊世）湖盆中部地區(qū)長7油層組普遍存在異常高壓，剩余壓力一般為8～20 MPa，地層壓力系數(shù)一般為1.5～1.8，向上、向下剩余壓力減小。長6、長8油層組流體剩余壓力一般為4～8 MPa[36-37]。烴源巖和上下鄰近的儲集層之間存在較大的壓力差（見圖 6），雙向強(qiáng)排烴效率平均高達(dá) 72%[13]。強(qiáng)排烴作用下致密砂巖儲集層中石油充注程度高，含油顯示級別和含油飽和度均較高。因此生排烴高峰期超壓在石油運移、聚集過程中起到了重要作用。

鄂爾多斯盆地延長組致密油與北美威林斯頓盆地巴肯組致密油對比分析表明（見表 1），兩者具有相似的源儲疊置關(guān)系，在烴源巖類型、成熟度、豐度和儲集層的脆性程度、物性等參數(shù)或指標(biāo)方面相近；鄂爾多斯盆地延長組烴源巖和儲集層的厚度明顯大于巴肯組致密油，但陸相儲集層和烴源巖的非均質(zhì)性相對較強(qiáng)，而且鄂爾多斯盆地現(xiàn)今為低壓盆地，與威林斯頓盆地巴肯組致密油超壓存在顯著差異。

圖6 鄂爾多斯盆地西南成藏流體動力系統(tǒng)剖面圖（剖面位置見圖1）

5 致密油資源潛力

鄂爾多斯盆地延長組致密油資源豐富，新發(fā)現(xiàn)的姬塬、華慶等億噸級大油田儲集層空氣滲透率一般為0.3×10-3～1.0×10-3μm2，均已工業(yè)開發(fā)，是近年來長慶油田石油增儲上產(chǎn)的重要來源。

湖盆中部長6重力流沉積儲集體和長7重力流碎屑巖儲集層空氣滲透率一般小于0.3×10-3μm2，目前尚未提交探明儲量，處于開發(fā)試驗階段。其中長7油層組已落實致密油含油富集區(qū)面積1 400 km2，在華慶油田外圍及合水、塔兒灣地區(qū)發(fā)現(xiàn)長6致密油含油富集區(qū)，落實含油富集區(qū)面積1 200 km2，井距一般3～7 km，經(jīng)過壓裂改造后幾百口井獲得了工業(yè)油流，甚至高產(chǎn)工業(yè)油流，估算該類油藏儲量規(guī)模達(dá)8×108～10×108t。近期，針對空氣滲透率0.2×10-3μm2左右的致密儲集層的水力壓裂、體積壓裂和水平井開發(fā)試驗成果顯著，展示了該類油藏良好的勘探開發(fā)前景。

6 結(jié)論

致密油通常是指覆壓基質(zhì)滲透率小于 0.2×10-3μm2或空氣滲透率小于 2×10-3μm2的砂巖、碳酸鹽巖等油層，單井一般無自然產(chǎn)能，或自然產(chǎn)能低于工業(yè)油氣流下限，但在一定經(jīng)濟(jì)條件和壓裂、水平井、多分支井等技術(shù)措施下可以獲得工業(yè)油產(chǎn)量。鄂爾多斯盆地中生界延長組致密油資源豐富，平面上位于湖盆的中部，即環(huán)縣—吳起—志丹—正寧—寧縣—慶陽圈定的范圍內(nèi)，為中晚三疊世的沉積中心；縱向上位于延長組的中部層位，即與油頁巖互層共生或緊鄰的致密砂巖儲集層中，主要為長6—長8油層組，石油未經(jīng)大規(guī)模長距離運移。致密油儲集層砂體分布穩(wěn)定，儲集層規(guī)模大；砂巖儲集層致密、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜；剛性組分含量較高，天然裂縫較發(fā)育；石油充注程度高；地層流體普遍低壓，自然產(chǎn)能低或無自然產(chǎn)能；原油物性較好，改造增產(chǎn)效果顯著。優(yōu)質(zhì)烴源巖與大面積、厚層儲集體互層共生，以及地史期生烴增壓強(qiáng)排烴作用控制了延長組大面積疊合致密油的形成。鄂爾多斯盆地致密油資源潛力大，是近期建產(chǎn)的現(xiàn)實目標(biāo)和未來勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。

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