馮國(guó)奇，李吉君，劉潔文，章新文，余志遠(yuǎn)，譚靜娟

[1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石化 河南油田分公司 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 鄭州 450000]

隨著世界對(duì)油氣資源需求的持續(xù)增加，非常規(guī)油氣資源已經(jīng)成為了目前勘探開(kāi)發(fā)的主要目標(biāo)。北美頁(yè)巖油資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)的成功，證實(shí)頁(yè)巖油具有巨大資源潛力[1-4]的同時(shí)也推動(dòng)了中國(guó)學(xué)者對(duì)中國(guó)陸相頁(yè)巖油的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)行大量研究。勝利、大慶、遼河、河南、吉林、江漢、長(zhǎng)慶、新疆等油田都進(jìn)行了有關(guān)頁(yè)巖油評(píng)價(jià)、勘探和開(kāi)發(fā)等問(wèn)題的研究[5-10]。河南油田泌陽(yáng)凹陷的泌頁(yè)HF1井在頁(yè)巖油勘探早期取得了重要突破[11-12]。

中國(guó)頁(yè)巖油資源十分豐富，技術(shù)可采儲(chǔ)量?jī)H次于俄羅斯和美國(guó)，位居世界第3位，可采資源量約為(30～60)×108t，具有相當(dāng)大的勘探開(kāi)發(fā)前景[13-14]。但是，近年來(lái)中國(guó)對(duì)頁(yè)巖油的勘探開(kāi)發(fā)工作并沒(méi)有取得預(yù)期的效果。相比于北美頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)，中國(guó)頁(yè)巖油產(chǎn)能普遍較低，即使初始產(chǎn)量較高，產(chǎn)量遞減也很快，經(jīng)濟(jì)效益較差[15-17]。中國(guó)與北美地區(qū)地質(zhì)條件的差異是產(chǎn)能差別較大的重要因素。北美廣泛分布的頁(yè)巖主要以海相頁(yè)巖為主，石英等脆性礦物含量較高，具有較好的可壓裂性[18-19]。普遍發(fā)育的豐富天然裂縫提供了優(yōu)勢(shì)的運(yùn)移通道與充足的儲(chǔ)集空間，為頁(yè)巖油的富集奠定了基礎(chǔ)[20]。中國(guó)頁(yè)巖油主要富集在深湖-半深湖相陸相頁(yè)巖中，粘土礦物含量相對(duì)較高，石英等脆性礦物含量相對(duì)較低[21-23]，可壓裂性較差。目前對(duì)中國(guó)頁(yè)巖油賦存機(jī)理和可動(dòng)性因素認(rèn)識(shí)不明確等問(wèn)題也導(dǎo)致了中國(guó)頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)無(wú)法獲得預(yù)期的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。因此，本文以泌陽(yáng)凹陷為例，以地質(zhì)、地化分析實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)測(cè)試及數(shù)值模擬等技術(shù)為手段，結(jié)合石油地質(zhì)和地球化學(xué)等理論及北美頁(yè)巖油成功開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖油富集及可動(dòng)性主控因素進(jìn)行了研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

泌陽(yáng)凹陷位于河南省境內(nèi)，是南襄盆地的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，是中國(guó)東部中新生代典型的富油凹陷，面積約1 000 km2。泌陽(yáng)凹陷為一個(gè)自南向北抬升的箕狀構(gòu)造，分為南部陡坡構(gòu)造帶、中部深凹構(gòu)造帶和北部斜坡構(gòu)造帶3個(gè)構(gòu)造單元[24](圖1)。泌陽(yáng)凹陷發(fā)育有多套沉積地層，自下而上包括玉皇頂組、大倉(cāng)房組、核桃園組、廖莊組、鳳凰鎮(zhèn)組和平原組，其中古近系核桃園組富有機(jī)質(zhì)湖相頁(yè)巖為主要的生油與儲(chǔ)集巖段[25-27]。核桃園組主要分布在中部深凹構(gòu)造帶，面積約為400 km2，沉積厚度為2 000～3 000 m。核二段、核三上段和核三下段是核桃園組主要的頁(yè)巖巖層，TOC含量較高，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型較好(以Ⅰ型和Ⅱ1型為主)，有機(jī)質(zhì)成熟度為0.5%～1.7%。目前泌陽(yáng)凹陷資源探明率已經(jīng)達(dá)到70%左右，屬于高成熟勘探期[28]。

圖1 泌陽(yáng)凹陷構(gòu)造位置(a)與地層綜合柱狀圖(b)Fig.1 The structural map(a) and composite stratigraphic column(b) of Biyang Depression

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品信息

本次研究的樣品主要來(lái)自于泌陽(yáng)凹陷的8口頁(yè)巖層位取心井，包括安深1井(AS1)、泌頁(yè)1井(BY1)和程2井(C2)等關(guān)鍵井。樣品深度為1 700～3 400 m，主要為核二、核三段樣品，巖性主要包括泥巖、粘土頁(yè)巖、粉質(zhì)頁(yè)巖、灰色頁(yè)巖和白云質(zhì)頁(yè)巖等。

2.2 實(shí)驗(yàn)

針對(duì)相關(guān)問(wèn)題本次研究設(shè)計(jì)進(jìn)行了包括TOC、巖石熱解、低溫氮?dú)馕胶晚?yè)巖油吸附、高壓壓汞和核磁共振等實(shí)驗(yàn)。其中TOC、熱解實(shí)驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，先前的工作[29]已經(jīng)對(duì)頁(yè)巖油(純礦物和頁(yè)巖樣品)吸附實(shí)驗(yàn)和低溫氮?dú)馕降葘?shí)驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，在此僅做簡(jiǎn)單的介紹。

2.2.1 低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)

低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)采用ASAP 2460-2HD比表面積及孔徑分析儀，吸附介質(zhì)為純度為99.9%的氮?dú)狻?0～80目的樣品在240 ℃的溫度下真空脫氣12 h，之后在-195.8 ℃的溫度條件下測(cè)量不同壓力下氮?dú)獾奈搅?，從而得到比表面積及平均孔徑等參數(shù)。

2.2.2 頁(yè)巖油吸附實(shí)驗(yàn)

頁(yè)巖油吸附實(shí)驗(yàn)應(yīng)用3H-2000PW多站重量法蒸汽吸附儀，分別設(shè)計(jì)了純礦物吸附實(shí)驗(yàn)及泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖樣品吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行24 h烘干預(yù)處理，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，飽和蒸汽壓為0.07 kPa。

2.2.3 高壓壓汞實(shí)驗(yàn)

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)采用Autopore IV 9520全自動(dòng)壓汞儀，孔徑測(cè)量范圍為3 nm～1 000 μm，進(jìn)汞和退汞體積精度小于0.1 μL。樣品制要經(jīng)過(guò)24 h的干燥處理，試驗(yàn)最高進(jìn)汞壓力達(dá)到200 MPa。

2.2.4 核磁共振實(shí)驗(yàn)

對(duì)頁(yè)巖樣品分別進(jìn)行原始樣品、飽和MnCl2、真空加熱和洗油烘干等不同狀態(tài)下的核磁共振實(shí)驗(yàn)。核磁實(shí)驗(yàn)采用的是MARAN-2型核磁共振儀，參數(shù)為0.3 ms，等待時(shí)間6 s，掃描次數(shù)128次。

3 結(jié)果與討論

3.1 頁(yè)巖油富集主控因素

頁(yè)巖含油量高是頁(yè)巖油可開(kāi)發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖油的研究表明，有機(jī)質(zhì)豐度、頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力(孔隙尺寸、無(wú)機(jī)孔含量和孔隙復(fù)雜程度)是制約頁(yè)巖油富集量的主要因素。

3.1.1 有機(jī)質(zhì)豐度

一定厚度的高豐度成熟烴源巖是常規(guī)、非常規(guī)油氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。相對(duì)常規(guī)油氣而言，致密油氣運(yùn)移距離較短，受構(gòu)造控制作用較弱，具有更加明顯的源控性。

表征頁(yè)巖含油性的參數(shù)包括熱解參數(shù)S1和氯仿瀝青“A”含量，由于實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，殘留烴含量S1應(yīng)用更為廣泛[30]。S1為烴源巖樣品加熱到300 ℃時(shí)的熱解產(chǎn)物，約為巖樣中的C7—C32烴[31]，富輕質(zhì)組分而貧重質(zhì)組分；氯仿瀝青“A”是恒重過(guò)程中在巖樣未經(jīng)鹽酸處理前用氯仿抽提出來(lái)的物質(zhì)，其中小于C14的輕烴組分基本上損失殆盡，因此氯仿瀝青“A”缺乏輕烴組分。因此，綜合S1與氯仿瀝青“A”含量這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)分析頁(yè)巖含油性比較準(zhǔn)確，更加符合實(shí)際情況。

圖2a和圖2b為泌陽(yáng)凹陷核桃園組TOC與S1和氯仿瀝青“A”含量的關(guān)系圖。圖中使用包絡(luò)線(xiàn)來(lái)表示在本次研究區(qū)其他條件(有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、成熟度、儲(chǔ)集條件)取最優(yōu)值時(shí)，TOC對(duì)S1的影響。通過(guò)圖中包絡(luò)線(xiàn)可以看出，隨TOC含量的變化S1與氯仿瀝青“A”含量有著相似的變化趨勢(shì)，即當(dāng)TOC含量小于2%時(shí)隨著TOC含量的升高，S1與氯仿瀝青“A”的含量均升高；當(dāng)TOC含量達(dá)到2%時(shí)，S1與氯仿瀝青“A”的含量均達(dá)到穩(wěn)定的高值。這與盧雙舫等人[32]提出的含油量與TOC關(guān)系的“三分性”相一致。當(dāng)TOC小于2%時(shí)，生成的烴類(lèi)物質(zhì)較少，無(wú)法使頁(yè)巖達(dá)到飽和，隨著TOC含量的增加，生成的原油量逐漸增多，頁(yè)巖中含油量逐漸增加。當(dāng)TOC達(dá)到界限值(2%)時(shí)，所生成的烴類(lèi)物質(zhì)的量已經(jīng)足夠是頁(yè)巖自身達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)TOC含量繼續(xù)增加時(shí)，由于頁(yè)巖的儲(chǔ)集空間有限，多生成的烴類(lèi)會(huì)發(fā)生運(yùn)移從而排出源巖。由此，頁(yè)巖油含量保持穩(wěn)定高值，不隨TOC的增加而增加。由于不同地區(qū)的地質(zhì)情況并不相同，因此TOC的界線(xiàn)值會(huì)有所差異。

3.1.2 儲(chǔ)集能力

原油初次運(yùn)移過(guò)程中會(huì)首先在孔隙度較高、大孔隙較發(fā)育的源內(nèi)“甜點(diǎn)”區(qū)聚集，之后才會(huì)從源巖中排出，運(yùn)移至儲(chǔ)集層。因此良好的儲(chǔ)集能力是制約頁(yè)巖油富集的重要因素，頁(yè)巖油勘探應(yīng)著力尋找高孔滲“甜點(diǎn)”區(qū)。而頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力又主要與孔隙度、孔隙尺寸和孔隙類(lèi)型等因素相關(guān)。

1) 孔隙

頁(yè)巖油屬于原位聚集成藏，因此頁(yè)巖的孔隙發(fā)育程度即孔隙度的大小決定了頁(yè)巖油含量的上限。結(jié)合“S1”與氦測(cè)孔隙度和壓汞孔隙度的散點(diǎn)圖(圖2c和2d)，可以發(fā)現(xiàn)S1即頁(yè)巖的含油性與孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，隨著孔隙度的增加頁(yè)巖的含油性逐漸增加。這是因?yàn)闊N源巖生成的石油會(huì)優(yōu)先儲(chǔ)集在自身的孔隙之中，之后才會(huì)通過(guò)幕式排烴作用排出源巖，而頁(yè)巖油是由于排烴不暢而殘留在烴源巖中的石油，因此頁(yè)巖內(nèi)孔隙度的大小決定了頁(yè)巖油的富集程度，高孔隙度的源內(nèi)“甜點(diǎn)”區(qū)是頁(yè)巖油勘探的重點(diǎn)。

圖2 核桃園組頁(yè)巖含油性與各影響因素關(guān)系Fig.2 The relationship between oil-bearing property and influencing factors of Hetaoyuan shale in Biyang Depressiona. S1與TOC含量關(guān)系;b.氯仿瀝青“A”含量與TOC含量關(guān)系;c. S1與氦測(cè)孔隙度關(guān)系;d. S1與壓汞孔隙度關(guān)系;e. S1與DFT模型總孔體 積關(guān)系; f.氯仿瀝青“A”含量與DFT模型總孔體積關(guān)系;g. S1與平均孔徑關(guān)系;h.氯仿瀝青“A”含量與平均孔徑關(guān)系

2) 孔隙尺寸

本次研究應(yīng)用氦測(cè)、壓汞和低溫N2吸附等實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量頁(yè)巖孔隙度。氦測(cè)和壓汞實(shí)驗(yàn)可以揭示出頁(yè)巖中較大的孔隙(宏孔)，而低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)主要揭示頁(yè)巖中的小孔隙(微孔和介孔)。將孔隙度實(shí)驗(yàn)指標(biāo)和含油性指標(biāo)(S1和氯仿瀝青“A”含量)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖含油性與氦測(cè)孔隙度和壓汞孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，與低溫N2吸附揭示的微、介孔等相對(duì)較小的孔隙呈負(fù)相關(guān)(圖2e，f)。這說(shuō)明頁(yè)巖油主要富集在較大空隙中，微、介孔等小孔隙對(duì)頁(yè)巖油富集程度的貢獻(xiàn)較小。

圖3 泌陽(yáng)凹陷核桃園組頁(yè)巖比表面積和總孔隙體積與TOC含量的關(guān)系Fig.3 Special surface area and total pore volume vs.TOC of Hetaoyuan shale,Biyang Depression

通過(guò)圖2g和圖2h中的包絡(luò)線(xiàn)可以看出，S1和氯仿瀝青“A”含量與平均孔徑大小呈正相關(guān)關(guān)系，隨著平均孔徑的變大，S1和氯仿瀝青“A”含量逐漸增加；當(dāng)孔徑大小達(dá)到30 nm時(shí)，S1和氯仿瀝青“A”含量達(dá)到最高值。泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖含油性較好的點(diǎn)均具有較高的平均孔徑，頁(yè)巖的含油性上限受平均孔徑大小的控制，頁(yè)巖油主要儲(chǔ)集在較大的孔隙中。

3) 孔隙類(lèi)型

從成因角度來(lái)講，頁(yè)巖孔隙可以被分為有機(jī)孔隙、無(wú)機(jī)孔隙和微裂縫[33]。有機(jī)孔隙賦存于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，主要是有機(jī)質(zhì)生烴過(guò)程中固態(tài)物質(zhì)的消耗形成的。中國(guó)南方高成熟度頁(yè)巖由于有機(jī)質(zhì)大量生烴，微-納米級(jí)有機(jī)孔隙十分發(fā)育，TOC含量與有效孔隙體積呈明顯的正相關(guān)關(guān)系[34]。本次研究發(fā)現(xiàn)，隨TOC含量的增高，BJH模型總孔隙體積與BET模型比表面積均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)(圖3)，這表明頁(yè)巖中有機(jī)孔隙不發(fā)育。這主要是因?yàn)槊陉?yáng)凹陷有機(jī)質(zhì)成熟度較低，有機(jī)質(zhì)孔尚未大量生烴形成。通過(guò)掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，在研究區(qū)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)中未發(fā)現(xiàn)有機(jī)孔隙的存在(圖4a—c)，這也證明了上述觀(guān)點(diǎn)。在掃描電鏡下也觀(guān)察到無(wú)機(jī)孔隙的發(fā)育，主要包括粒間孔和溶蝕孔，此外還發(fā)育微裂縫(圖4d—f)。綜上可以確定無(wú)機(jī)孔隙是頁(yè)巖油富集的主要場(chǎng)所，有機(jī)孔隙對(duì)頁(yè)巖油的存儲(chǔ)作用有限。

圖4 泌陽(yáng)凹陷核桃園組頁(yè)巖掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of the Hetaoyuan shale,Biyang Depressiona.有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育，程2井，埋深2 823.22 m; b.有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育，程2井，埋深2 789.00 m; c.有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育，泌93井，埋深3 220.00 m; d.溶蝕孔隙,泌頁(yè)HF1井，埋深2 208.00 m; e.微裂縫,泌頁(yè)HF1井,埋深2 207.60 m;f.礦物粒間孔,泌頁(yè)HF1井,埋深度2 450.00 m

4) 油水賦存空間的差異

核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中區(qū)域①代表頁(yè)巖中水信號(hào)、②為可動(dòng)油信號(hào)、③為不可動(dòng)油信號(hào)、④為基底信號(hào)，其中②+③即為總油信號(hào)。因此可以用總油信號(hào)(②+③)與全部信號(hào)的比值表示頁(yè)巖中的含油比，用總油信號(hào)(②+③)與水信號(hào)(①)的比值表示油水比。結(jié)合低溫氮?dú)馕紹JH模型平均孔徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著B(niǎo)JH平均孔徑增大，泥頁(yè)巖層中含油比不斷增高，油水比也在升高(圖6)，說(shuō)明油相對(duì)于水更多地賦存在大孔隙中。

圖5 不同處理?xiàng)l件核磁共振T2譜對(duì)比Fig.5 The comparison of NMR T2 spectrums under different processing conditions

圖6 BJH模型平均孔徑與含油比及油水比關(guān)系Fig.6 BJH average pore size vs.oil-bearing property and oil-to-water ratioa. BJH模型平均孔徑與含油比的關(guān)系; b. BJH模型平均孔徑與油水比的關(guān)系

3.2 頁(yè)巖油可動(dòng)性主控因素

頁(yè)巖油可動(dòng)性是頁(yè)巖油可采的重要因素，與產(chǎn)能密切相關(guān)。頁(yè)巖油相對(duì)富集且可動(dòng)性較好的區(qū)域是頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)的有利目標(biāo)區(qū)域[35-36]。本文通過(guò)對(duì)生產(chǎn)資料及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等資料的分析揭示了頁(yè)巖油可動(dòng)性的主要控制因素。

3.2.1 可動(dòng)油量

對(duì)于可動(dòng)油量評(píng)價(jià)，Jarvie[37]基于勘探經(jīng)驗(yàn)提出了含油飽和度指數(shù)OSI[S1/(100TOC)]>100 mg/g的可動(dòng)性判別指標(biāo)。該指標(biāo)最初應(yīng)用于利用井剖面或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)識(shí)別烴類(lèi)的運(yùn)移，即識(shí)別低有機(jī)質(zhì)豐度的非源儲(chǔ)層，當(dāng)有原油充注時(shí)，該類(lèi)儲(chǔ)層會(huì)呈現(xiàn)S1/TOC明顯增高的特征[37-38]。不可否認(rèn)，對(duì)于夾層型(三明治型，比如Bakken)該指標(biāo)是適用的。但對(duì)于自生自?xún)?chǔ)的源巖層這種方法可能并不適合，因?yàn)樵磶r層具有較高的有機(jī)碳含量，從而導(dǎo)致S1/TOC往往較低。而實(shí)際上賦存在源巖層中的頁(yè)巖油資源量可能更為可觀(guān)[37-38]。本次研究應(yīng)用生排烴理論對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新厘定。

伴隨著排烴作用的發(fā)生，有機(jī)質(zhì)的生烴潛力指數(shù)將出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，依據(jù)這一特點(diǎn)結(jié)合泌陽(yáng)凹陷樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以判斷泌陽(yáng)凹陷排烴門(mén)限在埋深2 000 m左右(圖7a)。排烴門(mén)限對(duì)應(yīng)的含油性可作為頁(yè)巖油可動(dòng)的含油性下限。由圖7b，c可以看出，應(yīng)用排烴門(mén)限法所確定的頁(yè)巖油可動(dòng)的含油性下限為S1/(100TOC)=60 mg/g和A/TOC=220 mg/g(A表示氯仿瀝青“A”含量)。超出排烴門(mén)限的含油量部分(黃色和藍(lán)色部分)是因排烴不暢而殘留在泥頁(yè)巖內(nèi)部的，實(shí)施壓裂作業(yè)后，超出的油量可排出泥頁(yè)巖?？蓜?dòng)油量在埋深2 800～3 100 m達(dá)到最大。

飽和烴極性較小、吸附作用較弱，膠質(zhì)瀝青質(zhì)極性較強(qiáng)、易于在粘土礦物表面產(chǎn)生吸附。由于吸附作用的差異，原油初次運(yùn)移過(guò)程中飽和烴會(huì)優(yōu)先運(yùn)移，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)滯后運(yùn)移，從而發(fā)生成分分餾作用，即地質(zhì)色層效應(yīng)。由此，當(dāng)頁(yè)巖含油性較好時(shí)，其排烴效率一般較低，飽和烴含量較高，原油吸附作用較弱，可動(dòng)性較好。對(duì)原油族組分統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，含油性超過(guò)S1/(100TOC)=60 mg/g，A/TOC= 220 mg/g的界限值時(shí)，其飽和烴含量一般超過(guò)50%，瀝青質(zhì)含量低于5%。而且，隨著S1/(100TOC)和A/TOC的逐漸升高，頁(yè)巖油中飽和烴含量逐漸增加，瀝青質(zhì)含量逐漸降低(圖8)。由此可以說(shuō)明頁(yè)巖油可動(dòng)性與頁(yè)巖含油性存在內(nèi)在的必然聯(lián)系，頁(yè)巖油含量越高，頁(yè)巖油可動(dòng)性越好。

圖7 泌陽(yáng)凹陷核桃園組(S1+S2)/TOC，S1/TOC和A/TOC與深度的關(guān)系Fig.7 (S1+S2)/TOC,S1/TOC and A/TOC vs.depth of the Hetaoyuan Formation,Biyang Depressiona. (S1+S2)/TOC與深度的關(guān)系; b. S1/TOC與深度的關(guān)系; c. A/TOC與深度的關(guān)系

圖8 泌陽(yáng)凹陷泥頁(yè)巖S1/TOC與原油族組分關(guān)系Fig.8 The relationship between S1/TOC and oil group components in the shale of Biyang Depressiona. S1/TOC與飽和烴含量關(guān)系; b. A/TOC與飽和烴含量關(guān)系; c. S1/TOC與瀝青質(zhì)含量關(guān)系; d. A/TOC與瀝青質(zhì)含量關(guān)系

確定了頁(yè)巖油可動(dòng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)便可對(duì)可動(dòng)油量進(jìn)行計(jì)算，本次研究采用S1可動(dòng)=S1-60TOC/100方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算表明，隨TOC含量的升高，可動(dòng)S1含量也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。TOC<1%時(shí)，平均可動(dòng)S1為0.39 mg/g；1%3%時(shí)，平均可動(dòng)S1為1.02 mg/g。

3.2.2 物質(zhì)組成

1) 礦物組成的影響

頁(yè)巖油主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于泥頁(yè)巖中。吸附態(tài)頁(yè)巖油主要吸附在礦物顆粒和有機(jī)質(zhì)表面。通過(guò)圖9可以看出，粘土礦物與頁(yè)巖中可動(dòng)S1的含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而石英含量與頁(yè)巖中可動(dòng)S1含量具有一定的正相關(guān)關(guān)系。圖10表明，隨著石英含量的增加壓汞孔隙度即宏孔孔隙度逐漸增加，頁(yè)巖的儲(chǔ)集能力增大，頁(yè)巖含油量增大，從而頁(yè)巖油可動(dòng)性變好；隨著粘土含量的增加大孔孔隙度逐漸變小，頁(yè)巖含油量變小，可動(dòng)性變差。

先前的研究已經(jīng)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)探討，結(jié)果表明粘土礦物含量與BET模型比表面積和DFT模型總孔隙體積均呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，粘土礦物含量增多，BET模型比表面積和DFT模型總孔隙體積均逐漸增大，表明粘土礦物是比表面積和總孔隙度的主要貢獻(xiàn)者。而當(dāng)BET模型比表面積和DFT模型總孔隙度增加時(shí)，頁(yè)巖油的吸附能力也有所增加[29]。粘土礦物含量越高，頁(yè)巖油吸附作用越強(qiáng)，頁(yè)巖油可動(dòng)性越差。

2) 有機(jī)質(zhì)的影響

由圖3可以看出，TOC與比表面積及總孔隙體積均呈負(fù)相關(guān)，由此可以說(shuō)明有機(jī)質(zhì)對(duì)頁(yè)巖油吸附量的貢獻(xiàn)較小。這表明了粘土礦物是比表面積的主要貢獻(xiàn)者，相對(duì)石英等脆性礦物及TOC而言粘土礦物具有更強(qiáng)的吸附性能，是頁(yè)巖油吸附的主要載體。且研究區(qū)有機(jī)質(zhì)演化程度較低，有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育(圖4a—c)，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)集能力的貢獻(xiàn)有限。因此有機(jī)質(zhì)對(duì)頁(yè)巖油可動(dòng)性的影響較小。

3.2.3 原油性質(zhì)

API度是美國(guó)石油協(xié)會(huì)制定的一種表示石油密度的量度，API=141.5/ρ15.6 ℃-131.5(ρ15.6 ℃表示15.6 ℃時(shí)的石油相對(duì)密度)。國(guó)外致密油API度一般高于40，主要為輕質(zhì)油和凝析油，密度較小，粘度較低，可動(dòng)性較好，產(chǎn)量較高，且穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。相比于美國(guó)頁(yè)巖油，泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖油API度較低為30～40(圖11a)，頁(yè)巖油產(chǎn)能較低，減產(chǎn)速度快。

原油組分會(huì)對(duì)原油的密度和粘度產(chǎn)生重要的影響，進(jìn)而影響其可動(dòng)性。當(dāng)頁(yè)巖油中輕質(zhì)組分較多，重質(zhì)組分較少時(shí)，原油API度較高，頁(yè)巖油密度和粘度較小，可動(dòng)性較好。本次研究發(fā)現(xiàn)，隨著埋深的增加頁(yè)巖油中膠質(zhì)瀝青質(zhì)的含量逐漸減少，飽和烴含量逐漸增多，頁(yè)巖油密度逐漸降低，原油粘度逐漸減小，可動(dòng)性逐漸變好(圖11b—d)。當(dāng)深度達(dá)到3 000 m時(shí)，泌陽(yáng)凹陷有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到1.2%左右，原油組分中飽和烴組分達(dá)到60%，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量降至20%，API度升至36左右(圖11a)，粘度驟減(圖11b)。因此可知隨著深度的增加，頁(yè)巖油可動(dòng)性逐漸變好，泌陽(yáng)凹陷3 000 m以深的頁(yè)巖油具有較好的可動(dòng)性。Tian等[39]通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)研究表明，隨著埋深的增加，地層溫度逐漸升高，頁(yè)巖油吸附層數(shù)減少，吸附相密度變小，總吸附量減少；同時(shí)頁(yè)巖油組分變輕，密度與粘度均減小，吸附相密度變小，可動(dòng)性變好。雖然埋深的增加會(huì)導(dǎo)致壓力增加，吸附作用增強(qiáng)，密度與粘度變大，但是變化趨勢(shì)較溫度引起的變化小。因此，總體來(lái)說(shuō)隨著深度的增加頁(yè)巖油可動(dòng)性逐漸變好。

圖9 泌陽(yáng)凹陷核桃園組可動(dòng)頁(yè)巖油隨礦物含量變化的趨勢(shì)Fig.9 The trend of movable shale oil content changing with mineral contents in the Hetaoyuan Formation,Biyang Depressiona.可動(dòng)S1與粘土礦物含量關(guān)系; b.可動(dòng)S1與石英含量關(guān)系

圖10 核桃園組頁(yè)巖石英含量和粘土礦物含量與壓汞孔隙度的關(guān)系Fig.10 Quartz content and clay mineral contents vs.mercury pressure porosity in the Hetaoyuan Formation,Biyang Depressiona.壓汞孔隙度與粘土礦物含量關(guān)系; b.壓汞孔隙度與石英含量關(guān)系

圖11 泌陽(yáng)凹陷原油組分、粘度及API度與深度的關(guān)系Fig.11 Crude oil composition,viscosity and API degree vs.depth in Biyang Depressiona. API隨深度的變化趨勢(shì); b.動(dòng)力粘度隨深度的變化趨勢(shì); c.飽和烴含量隨深度的變化趨勢(shì); d.膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量隨深度的變化趨勢(shì)

通過(guò)S1/TOC表征頁(yè)巖的含油性(圖7)，發(fā)現(xiàn)泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖油富集的最佳深度為2 800 m；通過(guò)A/TOC指數(shù)得到的最佳深度為3 100 m。頁(yè)巖油可動(dòng)性較好的深度為3 000 m以下。因此結(jié)合上述研究認(rèn)為泌陽(yáng)凹陷勘探應(yīng)該向深處進(jìn)行(3 000 m以深)，而目前泌頁(yè)HF1井、安深1井深度為2 400～2 500 m，還未達(dá)到頁(yè)巖含油性的最佳深度段，此外受有機(jī)質(zhì)成熟度較低影響，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量較高，原油API度較低，吸附作用較強(qiáng)，粘度較大，可動(dòng)性較差，不利于頁(yè)巖油的開(kāi)采。因此泌陽(yáng)凹陷的深層(3 000 m以深)是該區(qū)未來(lái)的有利勘探目標(biāo)。

3.2.4 異常高壓

超壓的存在為頁(yè)巖油的開(kāi)發(fā)提供了能量支持。頁(yè)巖油氣田的產(chǎn)量和地層壓力系數(shù)有著密切的關(guān)系，在其他地質(zhì)條件相似的情況下，地層壓力系數(shù)越大頁(yè)巖油產(chǎn)量越高，地層壓力高的地層通常是頁(yè)巖油開(kāi)采價(jià)值較高的目的層位[40-41]。

目前主要應(yīng)用異常高的聲波時(shí)差值來(lái)測(cè)井識(shí)別異常高壓。對(duì)于高壓砂巖層段，地層孔隙流體的壓力大于地層靜水壓力，因而地層流體承受了部分上覆地層的壓力，使巖石骨架承受的壓力減小，降低了聲波通過(guò)巖石的速度，延長(zhǎng)了聲波在地層中的傳播時(shí)間，在聲波時(shí)差測(cè)井上顯示出異常段[42]。

實(shí)測(cè)地層壓力多為正常壓力，壓力系數(shù)介于0.90～1.10[41]，這對(duì)于頁(yè)巖油開(kāi)采是一個(gè)不利因素同時(shí)也說(shuō)明，泥頁(yè)巖中高聲波時(shí)差值有時(shí)為高TOC含量的響應(yīng)，因此應(yīng)用聲波時(shí)差測(cè)井預(yù)測(cè)泥頁(yè)巖的超壓段具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

1) 頁(yè)巖油主要富集在有機(jī)質(zhì)豐度較高，儲(chǔ)集能力較好的頁(yè)巖層段。較高的TOC含量是頁(yè)巖油大量富集的物質(zhì)基礎(chǔ)；無(wú)機(jī)大孔較發(fā)育、孔隙均質(zhì)性較強(qiáng)的頁(yè)巖儲(chǔ)集能力教好，是頁(yè)巖油富集的重要保障。

2) 頁(yè)巖油富集時(shí)，飽和烴含量較高，膠質(zhì)瀝青質(zhì)含量較低，原油密度較低，粘度較小，可動(dòng)性較好。粘土礦物是頁(yè)巖油吸附的主要載體，粘土礦物含量越低，頁(yè)巖油可動(dòng)性越好。

3) 隨著深度的增加頁(yè)巖油油質(zhì)逐漸變好，吸附作用較弱，可動(dòng)性變好。綜合分析認(rèn)為3 000 m以深是泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖油可動(dòng)性較好的區(qū)域，是未來(lái)頁(yè)巖油勘探的有利目標(biāo)區(qū)。異常超壓的存在有利于頁(yè)巖油的開(kāi)采，但運(yùn)用聲波時(shí)差識(shí)別頁(yè)巖的超壓層有一定風(fēng)險(xiǎn)性。