王民，石蕾，王文廣，黃愛華，陳國(guó)輝，田善思

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東青島266580；2.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318）

中美頁巖油、致密油發(fā)育的地球化學(xué)特征對(duì)比

王民1，2，石蕾2，王文廣2，黃愛華2，陳國(guó)輝1，田善思1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東青島266580；2.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318）

隨著非常規(guī)油氣資源勘探的日益發(fā)展及美國(guó)頁巖氣價(jià)格的下調(diào)，國(guó)內(nèi)外掀起了頁巖油勘探的熱潮，美國(guó)已經(jīng)取得了巨大經(jīng)濟(jì)效益，而我國(guó)同樣也具有豐富的頁巖油資源潛力。通過對(duì)我國(guó)東部湖相沉積頁巖大量地球化學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并與美國(guó)頁巖油已成功開發(fā)區(qū)塊的地質(zhì)、地球化學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，綜合認(rèn)為采用OSI指標(biāo)，并結(jié)合碳酸鹽礦物、脆性礦物含量及薄夾層存在與否，作為初步判斷頁巖油發(fā)育層段的標(biāo)志。結(jié)果表明，濟(jì)陽坳陷沙三下亞段頁巖OSI指標(biāo)與Monterey，Barnett及Eagle Ford頁巖的OSI指標(biāo)較為接近，具有一定的頁巖油、致密油潛力，建議當(dāng)前國(guó)內(nèi)勘探應(yīng)瞄準(zhǔn)混合型頁巖油。

頁巖油；OSI指標(biāo)；資源潛力；濟(jì)陽坳陷；東濮凹陷；松遼盆地

0 引言

能源需求的日益攀升和常規(guī)油氣資源的不斷消耗，使油氣供需矛盾日益突出。因此，非常規(guī)能源越來越受到人們的關(guān)注。頁巖氣勘探和開發(fā)首先在北美取得了巨大成功［1-3］，全球范圍內(nèi)掀起了頁巖氣勘探與開發(fā)熱潮［4-5］。受頁巖氣開發(fā)的啟迪，投資者開展了頁巖油的勘探與開發(fā)［6-10］。全球頁巖油資源量已證實(shí)，頁巖油、致密油資源潛力巨大，41個(gè)國(guó)家的頁巖油技術(shù)可采儲(chǔ)量為493億t（我國(guó)以45.7億t位居第三）。松遼盆地北部古龍凹陷青山口組泥頁巖層系中頁巖油資源量為11.5億t①薛海濤，盧雙舫，田善思，等.松遼盆地北部中淺層非常規(guī)油氣資源評(píng)價(jià).東北石油大學(xué)，2013.。盡管一些分析人士從頁巖油開發(fā)技術(shù)、開采成本、環(huán)保、運(yùn)輸及土地權(quán)方面認(rèn)為美國(guó)頁巖油發(fā)展前景可能不會(huì)像預(yù)計(jì)的那么快，但近幾年的產(chǎn)能已足以顯示出這類資源的廣闊前景。此外，在加利福尼亞州中新世Antelope頁巖、科羅拉多州白堊系Niobrara頁巖、英國(guó)侏羅系Kimmeridge頁巖和西伯利亞Bazhenov頁巖中都有油產(chǎn)出［9，11-12］。在我國(guó)東部中新生代斷陷盆地中，均已不同程度地獲得了頁巖油流［13］，如遼河坳陷曙古165井（24 m3/d）、東濮凹陷濮深18-1井（420 m3/d）、泌陽凹陷安深1井（4.68 m3/d）和泌頁HF1井（23.6 m3/d）；部分單井累積產(chǎn)油量可達(dá)數(shù)萬噸，如勝利油田的羅42井和新義深9井及吉林油田的新197井，累積產(chǎn)原油分別達(dá)到1.36萬t，1.13萬t和3.03萬t。由于頁巖油的開采比常規(guī)油氣開采難度大，世界范圍內(nèi)的頁巖油開發(fā)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)未取得像頁巖氣那樣的成效，因此我國(guó)的頁巖油勘探處于初期階段。

這類石油能源包括3種：①裂縫油，如Monterey頁巖、Pierre頁巖、Bazhenov頁巖及國(guó)內(nèi)的泥巖裂縫油氣藏［9，14-15］；②純頁巖油，如Fort Worth盆地Barnett頁巖油及國(guó)內(nèi)泌陽凹陷泌頁HF1井核三段泥頁巖油；③混合層系油（產(chǎn)自泥頁巖及薄夾層，以薄夾層為主），如落基山脈地區(qū)Niobrara頁巖、Bakken頁巖以及國(guó)內(nèi)準(zhǔn)噶爾盆地二疊系風(fēng)城組泥頁巖。

筆者在前期完成的我國(guó)東部主要含油盆地頁巖油資源潛力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，將我國(guó)東部主要盆地頁巖與美國(guó)頁巖油產(chǎn)出井區(qū)的地質(zhì)、地球化學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，探討頁巖油、致密油的有利發(fā)育層段參數(shù)，以期對(duì)我國(guó)頁巖油勘探有所幫助。

1 美國(guó)頁巖油勘探實(shí)例

在常規(guī)油資源富集的盆地（凹陷），同樣也富集頁巖油。頁巖油評(píng)價(jià)與頁巖氣評(píng)價(jià)同樣都要進(jìn)行頁巖質(zhì)量的好壞（包括有機(jī)質(zhì)豐度和頁巖體積）、有機(jī)質(zhì)的生油（氣）階段劃分、巖石的脆性以及裂縫發(fā)育等的評(píng)價(jià)，不同的是頁巖油評(píng)價(jià)還需關(guān)注另一關(guān)鍵參數(shù)，即含油率。在含油率方面，國(guó)外一般采用實(shí)測(cè)的熱解參數(shù)S1（殘留烴含量）來表征，除此之外，國(guó)內(nèi)還采用氯仿瀝青“A”。由于熱解參數(shù)S1的普遍性，而且其更易代表地下可流動(dòng)烴類，推薦采用S1進(jìn)行頁巖油潛力分析。本次分析主要是對(duì)國(guó)內(nèi)外頁巖含油率參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

現(xiàn)在普遍采用含油飽和指數(shù)OSI（oil saturation index）來指示頁巖油潛力的相對(duì)大?。?，16］。OSI為S1與TOC（有機(jī)碳）的比值，若比值大于100 mgoil/gTOC，則認(rèn)為存在油跨越（Oil Crossover）現(xiàn)象，其范圍段可定位為頁巖油的有利段。

1.1 裂縫型頁巖油——加利福尼亞圣瑪麗盆地蒙物里頁巖

以Coastal油氣公司的3-Hunter-Careaga井（圖1）為例，該井TOC變化比較快，非均質(zhì)性強(qiáng)，從0.5%到3.0%均有分布，在TOC較低的地方，隱約顯示油跨越現(xiàn)象。總體來看：比較有利的水平井段應(yīng)為2 903～2 940 m處（OSI大于100 mgoil/gTOC），且TOC及S2均較低，有機(jī)質(zhì)的吸附烴較少；油的初期產(chǎn)能為53.9 m3/d（API為33°），天然氣為1.85萬m3/d，地層水為15 m3/d，氣油比為343；在2 740～3 711 m處多處射孔，最大產(chǎn)油為8.2m3/d，產(chǎn)氣為2.2萬m3/d，累積產(chǎn)出2.6萬m3油、636.9萬m3天然氣和13.9萬m3地層水，5年后關(guān)井停產(chǎn)。Monterey頁巖裂縫油已經(jīng)累積產(chǎn)出1.43億t。

同類型的頁巖油還有Pierre盆地的Niobrara頁巖油、上Bakken頁巖油、Antelope頁巖油，西西伯利亞侏羅系Bazhenov頁巖油，松遼盆地南部新站油田泥巖裂縫油，渤南洼陷羅家油田裂縫油等。

1.2 混合型頁巖油——威利期頓盆地巴肯頁巖

1995年Dick Findley建議在Bakken中段進(jìn)行射孔，這一建議直接驗(yàn)證了Elm Coulee大油田的發(fā)現(xiàn)（Montana東部），并在2000年完鉆了第一口水平井。根據(jù)這一啟示，在北Dakota的Bakken中段進(jìn)行射孔，其中1-36H-Parshall井日產(chǎn)原油為73.6 m3，API為42°，產(chǎn)氣為3 624.5 m3/d，氣油比為49。近期從Parshall和Sanish油田產(chǎn)出的油為318～636 m3/d。Parshall油田是主要產(chǎn)油區(qū)，面積為3 840 km2。

代表井為1-05H N&D井（圖2），此井產(chǎn)油為204 m3/d，產(chǎn)氣為11440 m3/d，氣油比為55.9。上段w（TOC）為5.36%～21.40%，平均為14.3%；下段w（TOC）為8.87%～24.70%，平均為15.17%。上段碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)為10%；下段碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)為6%；中段碳酸鹽的體積分?jǐn)?shù)（主要是白云巖）為21%～70%，平均為38%。

圖21 -Bear Valley井Bakken頁巖地球化學(xué)剖面（據(jù)文獻(xiàn)［9］）Fig.2The geochemical log of Bakken shale in 1-Bear Valley well

在Bakken中段存在Oil Crossover現(xiàn)象，含油度較高，絕對(duì)含油率平均值為0.007 47 m3/m3，中段S1和S2（其中的S2主要是滯留烴所致）較低，可動(dòng)油較多（OSI指標(biāo)很高，可達(dá)600 mgoil/gTOC），上段和下段的S1及TOC值均較高，致使大部分烴類被干酪根吸附，難以產(chǎn)出。

此類頁巖油還包括Eagle Ford頁巖油、Niobrara頁巖油、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系風(fēng)城組頁巖油、東濮凹陷沙三下亞段頁巖油及遼河油田大民屯凹陷沙四上亞段頁巖油等。

1.3 純頁巖油——福特沃斯盆地巴涅特頁巖

Barnett頁巖油大部分來自于盆地西部和北部處于生油窗階段的頁巖。Four Sevens油公司在Fort Worth盆地西北部的Clay縣鉆探了1口直井，油的初期產(chǎn)能為32 m3/d，而在Barnett頁巖油產(chǎn)區(qū)最好的地方，平均油的初始產(chǎn)能為39.7～159.0 m3/d，天然氣為2.83～5.66萬m3/d。

盡管在Barnett頁巖下部呈現(xiàn)出Oil Crossover現(xiàn)象（圖3），但是由于較高的TOC，以及較低的碳酸鹽含量、孔隙度和滲透率，不發(fā)育裂縫，故頁巖油的產(chǎn)能并不高。油井產(chǎn)能的迅速降低也反映了這一情況。近期美國(guó)EOG公司完鉆了一批頁巖油直井，油的初期產(chǎn)能達(dá)159 m3/d，產(chǎn)氣56 634 m3/d。通過對(duì)Argon Ion-Milled掃描電子顯微鏡下觀察，頁巖中并不存在有機(jī)孔隙，但是基質(zhì)孔隙為2%～3%，喉徑為4 000～7 000 nm，大約是頁巖氣儲(chǔ)層的100倍［9］。

圖3Four Sevens 1-Scaling Ranch A,Clay County井頁巖地球化學(xué)剖面（據(jù)文獻(xiàn)［9］）Fig.3The geochemical log of shale in Four Sevens 1-Scaling Ranch,Clay County well

此類頁巖油還包括Tuscaloosa頁巖油、Antelope頁巖油、泌陽凹陷核三上亞段頁巖油及松遼盆地齊家-古龍凹陷青山口組頁巖油等。

2 國(guó)內(nèi)頁巖油勘探實(shí)例

2.1 濟(jì)陽坳陷渤南洼陷及松遼盆地齊家-古龍凹陷

渤南洼陷沙三下亞段巖性為深灰色泥巖、深灰色和灰色灰質(zhì)泥巖、灰褐色油頁巖與油泥巖互層，夾少量灰褐色灰?guī)r、灰色泥質(zhì)白云巖、灰色砂質(zhì)泥巖和白云質(zhì)粉砂巖，厚度為300～500 m，w（TOC）為0.71%～9.32%，平均為3.1%，IH（氫指數(shù)）為160～1 040 mgoil/gTOC，平均為496 mgoil/gTOC，Tmax（巖石熱解參數(shù)S2最大峰溫）為424～447℃（Ro為0.7%～0.9%），處于大量生烴階段，干酪根類型以Ⅰ和Ⅱ1型為主。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)普遍小于40%，平均為18%，并以伊利石和伊/蒙混層為主，其他礦物（脆性礦物）體積分?jǐn)?shù)為80%以上，以碳酸鹽礦物為主①盧雙舫，王民，李吉君，等.頁巖油氣資源潛力分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究及應(yīng)用.東北石油大學(xué)，2013.。

前期的勘探成果揭示出渤南洼陷羅家油田以裂縫型頁巖油為主，該油田羅42井已累積產(chǎn)頁巖油1.36萬t。羅69井地球化學(xué)剖面顯示（圖4），在2 989～3 011 m和3 095.4～3130.0 m處的OSI大于100 mgoil/gTOC，較高的OSI暗示泥頁巖中存在開啟裂縫，尤其上段OSI平均為120 mgoil/gTOC，是較有利的、潛在的頁巖油層段。

齊家-古龍凹陷青山口組巖性為黑色、深灰色泥巖，黑色、深灰色、灰色粉砂質(zhì)泥巖，灰色粉砂巖及砂巖，夾少量介形蟲層，灰色鈣質(zhì)砂巖，灰色鈣質(zhì)介形蟲層。青山口組上段以砂巖為主，下段以泥巖為主，厚度為200～600 m，w（TOC）為0.4%～12.1%，平均為2.1%，IH為27～1187mgoil/gTOC，平均為433mgoil/gTOC，干酪根類型以Ⅰ和Ⅱ1型為主，Tmax為425～467℃（Ro為0.25%～1.85%），青山口組泥頁巖大多處于成熟與高成熟階段。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)為7%～49%，平均為37%，并以蒙脫石、伊利石及伊/蒙混層為主，其他礦物體積分?jǐn)?shù)為60%以上，以石英長(zhǎng)石為主②薛海濤，盧雙舫，田善思，等.松遼盆地北部中淺層非常規(guī)油氣資源評(píng)價(jià).東北石油大學(xué)，2013.。

2011年在齊家凹陷設(shè)計(jì)完鉆了齊平1井，并進(jìn)行了水平井分段壓裂，在壓裂段最前端的純泥巖段進(jìn)行了壓后抽汲，試油0.3 m3/d，累積油5.55 m3（15 d）。齊平1井地球化學(xué)剖面（圖5）顯示，OSI大多數(shù)為80～90 mgoil/gTOC，表明裂縫并不發(fā)育，屬于純頁巖油類型。

圖4 渤南洼陷沙三下亞段泥頁巖地球化學(xué)剖面（羅69井）Fig.4The geochemical log of shale of Es3Lof Bonan Sag

圖5 松遼盆地北部青山口組泥頁巖地球化學(xué)剖面（齊平1井）Fig.5The geochemical log of shale of Qingshankou Formation in northern Songliao Basin

2.2 東濮凹陷

東濮凹陷沙三下亞段巖性為灰色、深灰色泥巖，灰質(zhì)泥巖夾粉砂巖，厚度為300～550 m，w（TOC）為0.11%～4.15%，平均為0.82%，IH為9～644 mgoil/gTOC，平均為194.1 mgoil/gTOC，干酪根類型以ⅡB和Ⅲ型為主，Tmax為421～449℃，多數(shù)進(jìn)入成熟階段。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)普遍小于50%，平均為34.3%，并以伊利石和伊/蒙混層為主，其他礦物（脆性礦物）體積分?jǐn)?shù)為60%以上，以碳酸鹽礦物為主①王民，盧雙舫，王文廣，等.東濮凹陷頁巖油氣資源評(píng)價(jià)及選區(qū)研究.東北石油大學(xué)，2012.。

前期的勘探成果揭示出東濮凹陷在高壓區(qū)、超高壓區(qū)、鹽巖分布區(qū)及構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶等地帶存在泥巖裂縫油氣藏，并已在文留、濮城、衛(wèi)城、胡狀、慶祖和劉莊等地區(qū)發(fā)現(xiàn)泥巖裂縫油氣顯示。截至2003年，東濮凹陷共有70口井泥巖裂縫中見油氣顯示，6口井測(cè)試或試油，主要分布在文留地區(qū)。白廟平1井產(chǎn)油40 t/d，產(chǎn)氣1.92萬m3/d，至2012年6月28日，累積產(chǎn)油2 736 t、產(chǎn)氣243萬m3。由濮6-55井地球化學(xué)剖面（圖6）可知，在3421.48～3 436.52 m和3 454.08～3 463.32 m處的OSI大于100 mgoil/gTOC，但對(duì)應(yīng)的TOC值較高，干酪根吸附油的能力也較高，又由于這2處存在較多的砂巖薄夾層，故這2段是較好的混合型頁巖油的發(fā)育段。

圖6 東濮凹陷沙三下亞段泥頁巖地球化學(xué)剖面（濮6-55井）Fig.6The geochemical log of shale of Es3Lin Dongpu Sag

從國(guó)內(nèi)外頁巖油區(qū)頁巖地球化學(xué)參數(shù)及頁巖油流情況來看，國(guó)內(nèi)頁巖平均有機(jī)碳低于美國(guó)Bakken及Eagle Ford頁巖有機(jī)碳，國(guó)內(nèi)頁巖S1也低于美國(guó)Bakken及Eagle Ford頁巖S1，但與其他盆地類似（表1）。國(guó)內(nèi)外頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度較為接近，而國(guó)內(nèi)的略高。國(guó)內(nèi)濟(jì)陽坳陷頁巖OSI與Monterey，Barnett及Eagle Ford頁巖OSI較為接近。在脆性礦物含量上，國(guó)內(nèi)頁巖并不低于國(guó)外頁巖。盡管準(zhǔn)噶爾盆地風(fēng)城組頁巖缺少OSI地球化學(xué)參數(shù)，但是從有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)質(zhì)豐度、頁巖油類型及初始產(chǎn)能上來看，風(fēng)城組頁巖油（風(fēng)3井區(qū)初期單井日產(chǎn)油6.5～123.0 t，平均17.9 t）與美國(guó)Eagle Ford頁巖油近似。此外，含有白云質(zhì)的泥頁巖層系往往具有較多的裂縫，可作為頁巖油的有利富集區(qū)。

表1 中美頁巖油層系地質(zhì)、地球化學(xué)參數(shù)對(duì)比表Table 1Comparison of geological and geochemical parameters of shale oil between China and U.S.A.

續(xù)表1

3 結(jié)論與建議

（1）本次研究對(duì)比了國(guó)內(nèi)外3種類型頁巖油的地球化學(xué)特征及產(chǎn)油情況。從OSI上來看，當(dāng)OSI大于100 mgoil/gTOC時(shí)，致密頁巖段可確定為較好的裂縫型頁巖油層，砂巖、粉砂巖段可與致密頁巖段一起作為混合型頁巖油層，這種情況下頁巖油產(chǎn)能大，是有利的水平井井身層段；當(dāng)OSI接近100 mgoil/gTOC時(shí)（＞75），致密頁巖段可作為頁巖油潛在層段；當(dāng)OSI較低時(shí)，頁巖油的潛力較低。3種類型頁巖油中混合型頁巖油的潛力最大，裂縫型頁巖油次之，純頁巖油最差。當(dāng)前國(guó)內(nèi)技術(shù)條件下應(yīng)側(cè)重于混合型頁巖油開發(fā)，在此帶動(dòng)下，兼顧純型頁巖油。另外，應(yīng)優(yōu)選氣油比較高的區(qū)塊進(jìn)行勘探。

（2）濟(jì)陽坳陷頁巖OSI與Monterey，Barnett及Eagle Ford頁巖的OSI較為接近。從有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)質(zhì)豐度、頁巖油類型及初始產(chǎn)能上來看，風(fēng)城組頁巖油與美國(guó)Eagle Ford頁巖油近似。

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（本文編輯：楊琦）

Comparative study on geochemical characteristics of shale oil between China and U.S.A

WANG Min1，2，SHI Lei2，WANG Wenguang2，HUANG Aihua2，CHEN Guohui1，TIAN Shansi1
（1.Research Institute of Unconventional Petroleum and Renewable Energy，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China；2.School of Earth Sciences，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China）

Inspired by the development of shale gas and the decrease of natural gas price,the investors kicked off shale oil exploration and development.U.S.A has been obtained huge benefit from shale oil,and the shale oil resource potential is also huge in China.Based on the previous study on shale oil resource potential of basins in eastern China, the comparative study on geochemical characteristics of shale oil between U.S.A and China has been done.The research results indicate that the oil saturation index（OSI）can be used as an effective index for judging the shale oil intervals,combined with the carbonate mineral content,brittle mineral content and the interbed.The results also show that the OSI values of Jiyang Depression are similar with that of Monterey,Barnett and Eagle Ford shale.At present, the shale oil exploration of China should be aiming at the hybrid type.

shaleoil；oil saturationindex；resourcepotential；JiyangDepression；DongpuSag；SongliaoBasin

P618.13

A

1673-8926（2014）03-0067-07

2013-11-04；

2013-12-05

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目前期研究專項(xiàng)“泥頁巖油氣成藏規(guī)律與資源潛力評(píng)價(jià)”（編號(hào)：2011CB211701）、中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“泥頁巖非均質(zhì)性及其對(duì)頁巖油氣富集的影響”（編號(hào)：2011D-5006-0101）和黑龍江省普通高等學(xué)校新世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃“泥頁巖油氣資源潛力評(píng)價(jià)方法研究”項(xiàng)目（編號(hào)：1252-NCET-012）聯(lián)合資助

王民（1981-），男，博士，副教授，主要從事常規(guī)和非常規(guī)油氣地球化學(xué)和油氣成藏機(jī)理的教學(xué)與科研工作。地址：（266580）山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（華東）非常規(guī)研究院。電話：（0532）86983190。E-mail：wangm@upc.edu.cn。