柯 思

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132)

泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)及可動性探討

柯 思

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132)

泌陽凹陷頁巖油資源豐富，具有廣闊的勘探前景。利用巖心觀察、常規(guī)掃描電鏡、薄片鑒定、熒光觀察，結(jié)合高分辨率場發(fā)射掃描電鏡等分析測試手段，研究了泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)及可動性，結(jié)果表明：泌陽凹陷頁巖油具有微孔型與微縫型兩種儲集空間；賦存狀態(tài)有游離、吸附和溶解狀態(tài)三種，以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，含有少量溶解態(tài)頁巖油；原油族組分分析及碳同位素分析均表明，泌陽凹陷頁巖油無運(yùn)移或運(yùn)移距離極短，是自生自儲式、源儲一體的油氣藏。泌陽凹陷頁巖油可動性主要取決于泥頁巖的特殊孔喉結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育與地層壓力。

泌陽凹陷；賦存狀態(tài)；運(yùn)移特征；可動性；頁巖油

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，中國頁巖油地質(zhì)資源量1 420×108t，可采資源量(30～60)×108t，頁巖油資源潛力較大，勘探開發(fā)前景廣闊。中國石化河南油田自2010年啟動頁巖油地質(zhì)評價(jià)工作，通過國內(nèi)外調(diào)研與對比分析，認(rèn)為泌陽凹陷深凹區(qū)頁巖油形成條件較好，油氣資源豐富，具有廣闊的勘探開發(fā)前景。2010 年在泌陽凹陷部署了頁巖油探井-安深1 井, 該井經(jīng)大型壓裂后獲日產(chǎn)4. 68 m3工業(yè)油流，使中國陸相頁巖油勘探取得工業(yè)油流突破；2011 年在泌陽凹陷部署中國首口頁巖油水平井-泌頁HF1井, 該井1044 m 水平段15 級分段壓裂獲最高日產(chǎn)23.6 m3工業(yè)油流, 標(biāo)志著中國陸相頁巖油勘探取得實(shí)質(zhì)性突破[1]。

本文通過對泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)、運(yùn)移特征和可動性的分析，以期為陸相斷陷盆地頁巖油氣勘探開發(fā)提供技術(shù)儲備。

1 地質(zhì)概況

泌陽凹陷位于南襄盆地東北部，是南襄盆地的次級構(gòu)造單元，面積1 000 km2，為中新生代斷陷盆地。凹陷由南至北分南部陡坡帶、中部凹陷帶和北部斜坡帶。泌陽凹陷在始新世-古新世時(shí)期為初始斷陷和穩(wěn)定斷陷，在漸新世早期為強(qiáng)烈斷陷，湖盆持續(xù)下沉，氣候溫暖潮濕，陸源碎屑向湖泊注入，帶來大量營養(yǎng)物質(zhì)，湖生生物大量生長繁盛，形成了巨厚的湖泊相沉積。據(jù)鉆井資料揭示，泌陽凹陷泥頁巖層主要發(fā)育在核桃園組核二段、核三上段、核三下段，平面上分布在深凹區(qū)，為淺湖相-較深湖相沉積。這三套泥頁巖累計(jì)厚度達(dá)1 900 m，疊合分布面積約640 km2，有機(jī)質(zhì)豐度平均2.52%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型、Ⅱ1型為主，有機(jī)質(zhì)成熟度為0.5%～1.7%，脆性礦物含量平均70%，孔隙度平均5.78%，具備形成頁巖油氣的良好條件和物質(zhì)基礎(chǔ)[2-3]。

2 頁巖油特征

截至2015年底，泌陽凹陷48口探井在頁巖中鉆遇豐富的油氣顯示，表現(xiàn)為鉆井取心巖心表面、裂縫面原油浸出下滴，泥漿槽面油膜、撈砂盆黏油明顯；氣測全烴含量最高達(dá)99.89%，甲烷最高達(dá)36%；槽面油花、氣泡、瀝青顯示豐富。其中7口井獲工業(yè)油流或低產(chǎn)油流，產(chǎn)油層巖性為厚層純頁巖及頁巖中夾雜泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖。泌陽凹陷頁巖油井產(chǎn)能較高的為核桃園組三砂組、二砂組，其他砂組產(chǎn)能較低或尚未試油。泌陽凹陷頁巖油探井初期產(chǎn)能可達(dá)到23.6～28.1 m3/d，隨后遞減。第一個(gè)周期初期油氣產(chǎn)能最高，后緩慢遞減處于穩(wěn)定；第二個(gè)周期初期產(chǎn)能和累積產(chǎn)油量都較低?？傮w上，頁巖油井以第一個(gè)周期的產(chǎn)量為主，產(chǎn)量可占總產(chǎn)油量的85%以上。

頁巖油密度0.76～0.86 g/cm3，70 ℃動力黏度0.74～15.78mPa·s，凝固點(diǎn)15～44℃，含蠟量2.12%～50.13%，氣油比3～204，屬于“高含蠟、高凝固點(diǎn)、高密度、低黏度、低氣油比”原油；頁巖油密度、黏度都有隨深度增加而降低的趨勢；頁巖油氣油比隨埋深增大逐漸增高；頁巖油層溫度90～140 ℃，壓力21.8～40.38 MPa 。頁巖地層水的類型有碳酸氫鈉、氯化鈣、硫酸鈉型三種。氯化鈣型地層水代表封閉環(huán)境，碳酸氫鈉型地層水代表過渡環(huán)境，硫酸鈉型地層水可能是由于鉆井液與壓裂液浸入地層導(dǎo)致。其中，碳酸氫鈉型地層水占70%，表明泌陽凹陷頁巖油氣所處的環(huán)境為過渡環(huán)境。

3 頁巖油賦存狀態(tài)分析

頁巖油以游離、吸附或溶解賦存于富有機(jī)質(zhì)的泥頁巖層系中，主要賦存于泥頁巖層系基質(zhì)孔隙、砂巖或碳酸鹽巖夾層基質(zhì)孔隙及頁巖裂縫中。針對泥頁巖儲層的特低孔致密的特殊性，利用巖心觀察、常規(guī)掃描電鏡、薄片鑒定、熒光觀察，結(jié)合高分辨率場發(fā)射掃描電鏡等分析測試手段，對泥頁巖儲集空間進(jìn)行識別。泌陽凹陷泥頁巖儲集空間分為微孔型與裂縫型。微孔分為粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)溶蝕孔及有機(jī)質(zhì)孔，粒間孔主要有石英粒間孔、云母片間孔，晶間孔主要有方解石晶間孔、黃鐵礦晶間孔和黏土礦物晶間孔，粒內(nèi)溶孔主要有方解石、白云石、長石的粒內(nèi)溶孔，有機(jī)質(zhì)孔主要為有機(jī)質(zhì)內(nèi)部干酪根轉(zhuǎn)化為烴類形成的孔隙。裂縫分為高角度構(gòu)造縫、水平層理縫及微裂縫，以水平層理縫為主，裂縫寬度最寬可達(dá)1 mm，一般為0.01～0.08 mm。相對于北美海相地層頁巖石英含量高，泌陽凹陷泥頁巖中碳酸鹽巖礦物、長石等脆性礦物含量高，石英平均含量為19.5%，碳酸鹽巖、長石、黃鐵礦等脆性礦物含量為49.4%，易于形成裂縫。鏡下觀察也表明泥頁巖中裂縫廣泛發(fā)育，裂縫是頁巖油氣的主要儲集空間之一，同時(shí)也連通了泥頁巖孔隙，為頁巖油氣提供了運(yùn)移通道，使頁巖油氣通過裂縫網(wǎng)狀系統(tǒng)連續(xù)分布，易于頁巖油氣的開采[4]。

泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)有游離、吸附和溶解三種狀態(tài)[5]，以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，含有少量溶解態(tài)頁巖油。游離態(tài)頁巖油主要賦存在黏土、石英、長石、方解石、白云石等礦物基質(zhì)孔隙、納米級孔隙，以及構(gòu)造縫、層理縫、微裂縫中，以油滴形式存在。吸附態(tài)石油主要吸附在干酪根及黏土顆粒表面，以油膜形式存在。利用掃描電鏡結(jié)合能譜分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)泌陽凹陷頁巖油分子主要以游離和吸附兩種形式存在的證據(jù)，一是頁巖基質(zhì)顆粒間的游離態(tài)油滴(圖1a)，二是黏土顆粒表面覆膜狀吸附態(tài)油膜(圖1b)，油滴、油膜能譜分析碳峰特征明顯(表1)，為有機(jī)石油烴。從頁巖油生產(chǎn)特征來看，頁巖油生產(chǎn)井僅發(fā)現(xiàn)游離態(tài)和溶解態(tài)石油，吸附態(tài)尚未發(fā)現(xiàn)。泌頁HF1井壓后試采，初期最高日產(chǎn)油23.6 m3，隨后逐漸遞減至0.2 t，低效關(guān)井，累計(jì)生產(chǎn)1 082 d，累計(jì)產(chǎn)油1 478 t，平均日產(chǎn)油1.36 t。由于產(chǎn)出的主要為基質(zhì)孔隙中的原油，沒有解吸附原油補(bǔ)充，導(dǎo)致頁巖油產(chǎn)量快速遞減。泌頁HF2井壓后試采，初期最高日產(chǎn)油28.1 m3，隨后逐漸遞減至0.9 t，目前尚在產(chǎn)油，累計(jì)生產(chǎn)1 147 d，累計(jì)產(chǎn)油2 598 t，平均日產(chǎn)油2.26 t；該井產(chǎn)油過程中含水率上升，氣油比、日產(chǎn)油上升，反映可能有部分溶解態(tài)頁巖油產(chǎn)出。

圖1 泌頁HF1井掃描電鏡照片

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%原子分?jǐn)?shù)/%C61．4470．34O29．5625．40Mg0．260．15Al1．590．81Si5．982．93K0．420．15Ca0．410．14Fe0．330．08

4 頁巖油運(yùn)移特征及可動性分析

4.1 運(yùn)移特征

頁巖油氣藏是自生自儲、源儲一體的油氣藏，原油滯留原地或運(yùn)移距離極短。原油族組分分析及碳同位素分析均表明泌陽凹陷頁巖油無運(yùn)移或運(yùn)移距離極短(圖2、圖3)。圖中安深1井為H32砂組3號頁巖層原油樣品，泌頁HF1井為H33砂組5號頁巖層原油樣品，泌354井為H33砂組5號頁巖層中砂層夾層原油樣品。三個(gè)樣品同位素值、族組分含量大致相同，表現(xiàn)為核三上原油特征，反映了頁巖油僅在頁巖系統(tǒng)內(nèi)原地滯留成藏或短距離運(yùn)移至頁巖系統(tǒng)的砂巖夾層中，無長距離運(yùn)移。

圖2 頁巖油同位素對比分析

圖3 頁巖油族組分分析

4.2 可動性

泌陽凹陷頁巖發(fā)育的深凹區(qū)斷層不發(fā)育，泥頁巖中的生成油氣只能原地滯留聚集在泥頁巖中，或就近運(yùn)移聚集在砂層夾層、碳酸鹽巖夾層中。因此頁巖油可動性主要取決于泥頁巖的特殊孔喉結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育與地層壓力。

4.2.1 孔喉結(jié)構(gòu)

利用壓汞儀方法研究頁巖儲層孔喉結(jié)構(gòu)特征，泌陽凹陷48個(gè)頁巖樣品基質(zhì)平均孔隙度為2%左右，平均基質(zhì)滲透率2.51×10-3μm2，平均孔道迂曲度6.26。泌陽凹陷陸相頁巖孔滲性差，孔喉直徑小，孔道迂曲度高，導(dǎo)致了頁巖油產(chǎn)量快速下降。

高性能全自動壓汞孔隙度儀測試結(jié)果表明，泌陽凹陷頁巖孔隙中小于100 nm的孔喉超過了90%，其中以處于3～10 nm的孔喉為主，占43%。國內(nèi)最新研究表明，20 nm以下孔喉的油分子基本不能流動。因此，推測泌陽凹陷頁巖孔喉半徑小，導(dǎo)致油分子從基質(zhì)到裂縫中運(yùn)移很難，產(chǎn)量遞減很快。正葵烷、鹵水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)也反映了頁巖孔隙連通性較差。

利用正葵烷、鹵水流體加示蹤劑碘(I)、錸(Re)、鎘(Cd)的流體擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)來表征頁巖孔隙連通性。正葵烷流體是作為石油的代表物，它和含有的化學(xué)示蹤劑將優(yōu)先地在憎水性干酪根相的有機(jī)孔隙中運(yùn)移；而基于鹵水流體的示蹤劑，則在頁巖中親水性礦物相的無機(jī)孔隙中運(yùn)移，這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將能夠幫助區(qū)分頁巖不同組分相中的納米孔隙的連通性與烴類運(yùn)移能力。應(yīng)用程2井2 810.6 m頁巖，分別開展了正葵烷與鹵水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，流體擴(kuò)散程度低，反映了頁巖無機(jī)、有機(jī)孔隙連通性差的特點(diǎn)，油氣分子不能很快地補(bǔ)給裂縫，導(dǎo)致油氣產(chǎn)量快速下降。

4.2.2 裂縫發(fā)育

裂縫作為頁巖油滲流通道，其發(fā)育程度影響頁巖油可動性。從頁巖巖心觀察及顯微觀察來看，泌陽凹陷頁巖主要發(fā)育水平層理縫、高角度構(gòu)造斜交縫以及微裂縫三種類型。高角度構(gòu)造斜交縫既有張裂縫，也有剪裂縫。本區(qū)微裂縫一般裂縫開度在100 μm以下，分為構(gòu)造微裂縫、層間微裂縫、礦物收縮縫及生烴超壓縫等。分析認(rèn)為，脆性礦物的發(fā)育以及構(gòu)造應(yīng)力疊加導(dǎo)致了泌陽凹陷頁巖裂縫的發(fā)育。泌陽凹陷頁巖發(fā)育石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物，石英含量一般為15%～20%，長石含量一般為19%～33%，方解石含量為8%～17%，白云石含量為10%～23%，脆性礦物總量為68%～83%，巖性較脆，裂縫發(fā)育；同時(shí)，脆性較好的方解石、白云石與塑型強(qiáng)的黏土礦物呈層層排列，導(dǎo)致層間頁理縫發(fā)育。頁巖發(fā)育的深凹區(qū)受北東向栗園-泌陽東部大斷裂與北西向栗園-唐河南部大斷裂兩組構(gòu)造應(yīng)力疊加控制，導(dǎo)致頁巖發(fā)育北西與北東向兩組天然裂縫。由壓后獲得高產(chǎn)油流的泌頁HF1井導(dǎo)眼井取心觀察可知，頁巖裂縫較發(fā)育。相干體分析、地層傾角屬性、Refract多屬性、曲率屬性等多種方法也預(yù)測了泌頁HF1井位于裂縫發(fā)育區(qū)。

4.2.3 地層壓力

國內(nèi)外勘探經(jīng)驗(yàn)表明，地層超壓為頁巖油富集高產(chǎn)關(guān)鍵因素之一[6]，泌陽凹陷在大套頁巖及其薄砂層存在地層超壓，泌354井在鉆遇頁巖中的砂巖夾層時(shí)(井段2 761～2 777 m)，泥漿密度達(dá)1.35，地層壓力系數(shù)達(dá)1.29。利用綜合錄井儀Dc指數(shù)也可進(jìn)行頁巖地層壓力預(yù)測。通過正常趨勢線及與dcs曲線的偏差，預(yù)測所鉆地層巖性及地層壓力，以判斷地層壓力是否異常。Dc指數(shù)法預(yù)測泌陽凹陷深凹區(qū)頁巖地層Dc指數(shù)為0.66～1.23，地層壓力系數(shù)為1.12～1.76。利用聲波時(shí)差法預(yù)測頁巖地層壓力系數(shù)為1.0～1.45。綜合研究表明，泌陽凹陷頁巖地層存在地層超壓。位于深凹區(qū)部署鉆探的頁巖油水平井泌頁HF1、泌頁2HF井頁巖地層壓力系數(shù)1.1～1.3，通過多級分段壓裂均獲得初期日產(chǎn)23.6～28.1 m3高產(chǎn)油流，表明地層超壓有利于頁巖油流動與富集高產(chǎn)。

5 結(jié)論與建議

(1)泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)呈現(xiàn)了多樣性，以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，含有少量溶解態(tài)頁巖油。但產(chǎn)出過程中僅表現(xiàn)為游離態(tài)和少量溶解態(tài)頁巖油產(chǎn)出特征，如輔助一定的工藝措施，將大量吸附態(tài)頁巖油產(chǎn)出，或許能彌補(bǔ)頁巖油產(chǎn)量的快速下降，頁巖油勘探開發(fā)經(jīng)濟(jì)性或許更佳。

(2)泌陽凹陷目前鉆探的陸相頁巖層系為純頁巖，孔滲性差，孔喉直徑小，孔道迂曲度高，孔隙連通性較差，導(dǎo)致了頁巖油產(chǎn)量快速下降。下步應(yīng)尋找薄夾層發(fā)育、裂縫發(fā)育、地層超壓、原油性質(zhì)好的頁巖層系，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的提升，結(jié)合工藝技術(shù)進(jìn)步和成本降低，最終實(shí)現(xiàn)泌陽凹陷頁巖油規(guī)模經(jīng)濟(jì)有效勘探開發(fā)。

[1] 陳祥，嚴(yán)永新，章新文，等.中國陸相頁巖油勘探[M].北京：石油工業(yè)出版社，2015，16-20.

[2] 陳祥，嚴(yán)永新，章新文，等.南襄盆地泌陽凹陷陸相頁巖氣形成條件研究[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2011，33(2)：27-32.

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

[4] 陳祥，丁連民，劉洪濤，等.南襄盆地泌陽凹陷陸相頁巖儲層壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程，2011，25(3)：21-24.

[5] 鄒才能，楊智，崔景偉，等.頁巖油形成機(jī)制、地質(zhì)特征及發(fā)展對策[J].石油勘探與開發(fā)，2013，40(1)：14-15．

[6] 寧方興.濟(jì)陽坳陷頁巖油富集主控因素[J].石油學(xué)報(bào)，2015，36(8)：908-909．

編輯：張 凡

1673-8217(2017)01-0080-04

2016-08-21

柯思，1983年生，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油勘探開發(fā)研究工作。

中國石化科技進(jìn)步項(xiàng)目“泌陽凹陷陸相頁巖油富集主控因素研究”(P13106)。

TE112.9

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