韓 悅 寧松華

（“油氣資源與勘探技術”教育部重點實驗室·長江大學）

遼河西部凹陷沙河街組泥頁巖儲集條件及含油性初步研究*

韓 悅 寧松華

（“油氣資源與勘探技術”教育部重點實驗室·長江大學）

近年來遼河坳陷古近系泥頁巖中多口井見到了良好的油氣顯示，氣測異常十分活躍，顯示了泥頁巖良好的油氣前景。根據頁巖油源儲一體的成藏特點，重點針對泥頁巖源巖和儲集性兩方面內容進行了評價，在西部凹陷創(chuàng)新應用了泥頁巖儲集層評價方法、含油量確定方法。明確了西部凹陷沙四段、沙三段等發(fā)育優(yōu)質烴源巖，其中沙四亞段灰質頁巖熱演化程度適中，生烴能力最強，頁理縫發(fā)育，脆性礦物含量高，脆性指數最高達67，含油量最高達0.52%，為頁巖油富油氣層段。圖4表2參8

頁巖油泥頁巖優(yōu)質源巖儲集層含油量

0 引言

頁巖油概念來自國外，國內不同學者和機構對頁巖油的定義不同。張金川認為，頁巖油是以游離（含凝析態(tài)）、溶解態(tài)（可溶解于天然氣、干酪根和殘余水）等多種方式賦存于有效生烴泥頁巖地層層系中且具有勘探開發(fā)意義的液態(tài)烴類[1]。趙政璋認為頁巖油是以滯留在純泥巖或頁巖中的石油聚集[2]。本次研究中，通過文獻調研[3-5]，結合油田勘探實際問題，將泥頁巖及其薄夾層中產出的石油確定為研究對象。

遼河油田目前儲量主要分布在砂礫巖、變質巖、火成巖，近年來泥頁巖中多處發(fā)現油氣顯示，但沒有把泥頁巖當作儲集層來開展系統(tǒng)的研究和評價，隨著理論認識、鉆采工藝的提高，泥頁巖油藏也得到了更多的重視。自美國頁巖油獲得突破之后[6]，國內各盆地也相繼開展了對頁巖油的研究[7-8]。2012年，遼河坳陷西部凹陷古近系沙河街組沙三段在SG165井泥巖段試油日產油24 m3，顯示了西部凹陷頁巖油潛力巨大。本次研究針對頁巖油源儲一體的成藏特點，嘗試對西部凹陷古近系泥頁巖進行評價，以期對遼河坳陷非常規(guī)勘探起到一定的借鑒作用。

1 沙河街組泥頁巖儲集條件

1．1 泥頁巖沉積的地質背景

遼河坳陷古近系自下向上劃分為房身泡組、沙河街組和東營組，沙河街組可細分為四段，其中沙四段、沙三段地層是湖盆擴展發(fā)育期沉積產物，泥頁巖廣泛分布，也是頁巖油主要富集層位。

沙四下亞段沉積時期，沉積中心局限在凹陷北部地區(qū)，主要發(fā)育了深湖—半深湖相以及濱淺湖相沉積，雷家、高升地區(qū)在濱淺湖和湖灣相中發(fā)育了泥坪，形成了白云質泥巖。沙四上亞段沉積時期，沉積中心開始向南遷移，水體加深，水域擴大，高升地區(qū)發(fā)育濱淺湖沉積和碳酸鹽巖沉積。陳家洼陷地區(qū)發(fā)育濱淺湖沉積體系。在陳家洼陷的南部地區(qū)出現了半深湖沉積。沙三下亞段沉積時期，湖盆處于劇烈沉降階段，湖盆繼續(xù)深陷、擴張，盆地發(fā)生水進，導致水體加深，并且水域的范圍不斷向兩側擴展增大。在高升地區(qū)以南的湖盆中央地區(qū)廣泛發(fā)育了半深湖沉積，沉積中心繼續(xù)南移。沙三中亞段沉積時期，為盆地最大水進期，此時湖盆最深，湖盆沉積中心移至清水洼陷。沙三上亞段沉積時期，湖盆回返水退，湖盆水域收縮，水體深度相對變淺。

1.2 泥頁巖類型

泥頁巖沉積環(huán)境的差異對頁巖油成藏影響很大，作為一種自生自儲型油氣藏，頁巖油儲集層即為暗色泥巖、頁巖及薄夾層。頁巖通常被定義為“細粒的碎屑沉積巖”，但它在礦物組成、結構和構造上卻多種多樣。本次針對泥頁巖，選取了黏土礦物、碳酸鹽巖礦物、碎屑礦物等主要組成，結合巖心和鏡下泥頁巖構造，進一步將泥頁巖劃分為兩大類8種類型（表1）。通過對比研究，深湖-半深湖的粉砂質頁巖和黏土質泥頁巖，以及咸化湖灣相的灰質、白云質泥頁巖為本區(qū)的優(yōu)質烴源巖。

表1 泥頁巖分類結果表

1.3 泥頁巖儲集條件

頁巖油作為一種自生自儲的非常規(guī)資源，泥頁巖既是烴源巖又是儲集層。其儲集空間、孔滲物性及裂縫發(fā)育程度對頁巖油的富集和開發(fā)都具有重要意義。

據鏡下觀察，沙四段、沙三段泥頁巖裂縫和孔隙同時發(fā)育，屬于雙重介質的儲集層類型，常發(fā)育粒間孔、晶間孔、黏土間微孔及有機質孔等。如圖1a中所示的球粒狀黃鐵礦晶體之間的微孔隙，寬約20 μm。在圖1b中展示了片狀伊利石黏土間微孔隙，直徑約在3～5 μm之間。圖1c則展示了微裂縫的發(fā)育，開度5 μm，整個視域均見。

圖1 泥頁巖儲集空間類型

數據統(tǒng)計表明，沙四段泥頁巖主要儲集空間類型為頁理縫、粒間孔、黏土間微孔及微裂縫等，孔縫直徑500 nm～6 μm，屬于納米孔-微孔級別。有效孔隙度分布范圍為0.8%～18.1%，平均為5.98%，滲透率分布范圍為（0.0012～0.852）mD，平均值為0.17 mD。沙三段泥頁巖主要發(fā)育黏土間微孔、粒間微孔，孔縫直徑為150 nm～10 μm，常見天然微裂縫，屬于納米孔-微孔級別。有效孔隙度分布范圍為0.8%～12.7%，平均為6.06%，滲透率分布范圍為（0.0042～0.2673）mD，平均值為0.047 mD。

巖石脆性是指其在破裂前未覺察到的塑性變形的性質，亦即巖石在外力作用下（如壓裂）容易破碎的性質。在體積壓裂中，巖石的脆性是考慮的重要因素之一。頁巖油評價中，以脆性指數刻畫巖石的脆性特征，其計算方法有以下兩種，即巖石組分計算法和巖石彈性參數計算法。本次研究過程中，主要根據X衍射全巖定量數據，采用巖石組分法計算脆性參數。筆者對150組數據進行統(tǒng)計分析，結果顯示，白云質頁巖脆性指數最高為73，其次為灰質頁巖，脆性指數為67，粉砂質泥頁巖脆性指數為56，黏土質頁巖脆性指數為42，是為頁巖油富集層段。

2 泥頁巖含油性

2.1 含油量

頁巖含油量是指每噸巖石中所含原油折算到標準溫度和壓力條件下（25℃，101.325 kPa）的總量，既包括原始條件下的液態(tài)原油，還包括溶解在天然氣中的凝析油。頁巖含油量和含氣量對于頁巖油氣的開發(fā)至關重要，直接影響開采的經濟價值。

含油量的測定是評價頁巖油資源的關鍵參數，目前對頁巖含油量的測定主要采用地球化學法、類比法、統(tǒng)計法、含油飽和度法、測井解釋法、開發(fā)生產反演法、實測值法。地球化學法是指通過測定巖心樣品中氯仿瀝青“A”或全烴，或通過熱解法獲得熱解烴量S1等參數，各項指標代表含義不同，均需輔以校正系數進行修正。由于研究區(qū)頁巖油尚處于勘探初期，地化資料相對較豐富，本次對含油量的研究采用地化參數恢復法計算含油量。

由于實測氯仿瀝青“A”時，在抽提過程中氯仿瀝青“A”中C14-烴類全部損失。在利用氯仿瀝青“A”法評價頁巖含油量時需要對損失的輕烴組分進行恢復，常用恢復方法為氯仿瀝青“A”的輕烴校正。經計算，得到了西部凹陷沙四段、沙三段泥頁巖含油量的數據（表2），其中沙四段含油量為0.52%，沙三下亞段含油量為0.15%，沙三中亞段含油量為0.16%，在三個層位中沙四段含油性最好，達到工業(yè)油流標準。

表2 西部凹陷泥頁巖含油量表

2.2 現場解吸

為了及時、準確的獲得目的層泥頁巖吸附氣量，需要開展現場解吸實驗。它是一種測量泥頁巖含氣量的方法，其基本流程是在鉆井過程中準確記錄幾個關鍵時刻，巖心提上井口后迅速裝入密封罐，在模擬地層溫度條件下測量頁巖中自然解吸氣量，解吸結束后，利用實測解吸氣量和解吸時間的平方根進行線性回歸求得損失氣量，最后將巖心粉碎，測量其殘余氣量。為準確評價泥頁巖的含油氣能力提供了重要依據。

L84井位于遼河西部凹陷陳家洼陷內，在該井的2761 m處取心，巖性以深灰色泥頁巖為主。沙三段和沙四段是該區(qū)主要的烴源巖發(fā)育層位，沙三段有機碳質量分數一般在2%左右，洼陷中心部位高達3%以上，鏡質體反射率(Ro)為0.4%～0.6%之間，干酪根類型主要為II1型，其次為I型和II2型；沙四段有機碳質量分數一般在2%～3%，洼陷中心部位高達4%～5%，鏡質體反射率一般大于0.5%，有機碳類型主要為I型和II2型，生烴強度大。

錄井氣測全烴值異常顯示明顯，全烴最高可達90%。對L84井沙四段頁巖巖心樣品進行現場解吸實驗（圖2），解吸過程中，氣體連續(xù)不間斷涌現，直觀地顯示遼河西部凹陷頁巖油氣的潛力。含氣量為2040 mL，擬合相關系數為0.9945，經計算得到含氣量值為8.6 m3/t，遠超出工業(yè)標準。在該區(qū)內對多口井進行解吸，在古近系泥頁巖同樣有良好的油氣顯示。

源巖干酪根類型、有機質豐度和熱演化程度對泥頁巖含油量有重要控制作用。有機質是油氣生成的物質基礎，腐泥型有機質傾向于生成液態(tài)烴類，腐殖型有機質傾向于生成氣態(tài)烴類，對頁巖油來說，Ⅰ型和Ⅱ1型干酪跟較為有利。同時，有機質豐度和熱演化程度對生烴量多少有直接影響，較高的豐度和適中的成熟度可以增加頁巖油含量。當有機質豐度達到一定的臨界值，而且處在成熟的生油窗范圍內時，所生成的油量能夠滿足頁巖各種形式的殘留需要，達到飽和。這類頁巖的含油量較高，是勘探評價的有效目標。

圖2 L84井沙四段2761 m頁巖解吸氣量

3 有效泥頁巖評價

結合泥頁巖實際地質情況，參考張金川的頁巖油評價方法[1]，綜合評價西部凹陷有效泥頁巖主要是沙四段為白云質頁巖和灰質頁巖，沙三段的粉砂質泥頁巖和黏土巖。關于有效厚度的界定，主要參考了氣測異常、泥地比、連續(xù)厚度、夾層砂巖厚度、埋深、有機碳含量、熱演化程度、儲集空間、孔滲物性及脆性等因素。

沙四上段有效泥頁巖干酪根類型以Ⅰ-Ⅱ型為主，有機碳質量分數分數普遍大于2%，最高達14.2%。主體位于低熟—成熟階段，Ro在0.3%~1.5%之間，是有效的目標層段（圖3）。沙三段有效泥頁巖發(fā)育在沙三中下段，有機碳質量分數基本大于1.0%，。有機質類型以Ⅱ型為主，在湖盆邊部為Ⅲ型干酪根，有機質類型較好，主體進入生油高峰期，是主要目的層系（圖3）。

通過對比分析，對西部凹陷沙河街組有效泥頁巖進行了平面展布的研究。沙四段有效泥頁巖呈北厚南薄分布（圖4a），厚度中心在曙光和雷家地區(qū)，厚度一般在30～150 m之間，最大可達250 m以上。隨著沉積中心的轉移，沙三下亞段有效泥頁巖厚度中心也向東南部偏移，主要發(fā)育在盤山和清水洼陷，北部牛心坨洼陷也有發(fā)育。清水洼陷厚度大、分布面積廣，厚度最大可達200 m以上。沙三中亞段有效泥頁巖分布范圍最廣（圖4b），泥頁巖厚度中心主要發(fā)育在陳家洼陷和清水洼陷，清水洼陷地區(qū)是泥頁巖沉積中心，最大厚度超過了300 m以上。

圖3 西部凹陷有效泥頁巖綜合柱狀圖

圖4 西部凹陷有效泥頁巖平面分布

4 結論

（1）研究區(qū)發(fā)育深湖半深湖的黏土巖、半深湖的粉砂質頁巖和黏土質頁巖，以及咸化湖灣相的灰質、白云質泥頁巖等優(yōu)質源巖，是頁巖油形成的物質基礎。

（2）西部凹陷古近系沙四段、沙三段泥頁巖屬于裂縫-孔隙雙重介質的儲集層類型，發(fā)育中孔-微孔-納米孔多級孔喉系統(tǒng)。白云質、灰質頁巖脆性程度高，其脆性程度較高，為頁巖油富集層。

（3）沙四段泥頁巖含油量為0.52%，在三個層位中含油性最好，達到工業(yè)油流標準；解吸過程中，氣體連續(xù)不間斷涌現，直觀地顯示遼河西部凹陷頁巖油氣的潛力。

1張金川，林臘梅，李玉喜，等.頁巖油分類與評價[J].地學前緣，2012,19（5）：322-331.

2趙政璋，杜金虎.致密油氣[M].北京：石油工業(yè)出版社，2012.

3鄒才能，朱如凱，吳松濤，等.常規(guī)與非常規(guī)油氣聚集類型、特征、機理及展望-以中國致密油和致密氣為例[J].石油學報，2012,33（2）：173-186.

4孫贊東，賈承造，李相方,等.非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2011.

5張晉言.頁巖油測井評價方法及其應用[J].地球物理學進展，2012,27(3):1154-1161.

6Sonnenberg S A,Pramudito A.Petroleum geology of the giant Elm Coulee field,Williston Basin[J].AAPG Bulletin,2009,93（9）:127-153.

7陳祥，王敏，嚴永新,等.泌陽凹陷陸相頁巖油氣成藏條件[J].石油與天然氣地質，2011,32（4）：568-576.

8丁敏，姚志剛，張狄杰.鄂爾多斯盆地延長組長7頁巖油存在的可能性分析[J].石油化工應用，2011,30（12）：59-63.

（修改回稿日期2015-01-28編輯王曉清）

國家自然科學基金項目（41274141）“柱狀分層固體介質中聲波的傳播與應用基礎研究”。

韓悅，女，1992年出生，碩士研究生，就讀于長江大學石油與天然氣工程專業(yè)。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區(qū)大學路111號長江大學。電話：18604278254。E-mail：402906645@qq.com