趙文智，朱如凱，胡素云，侯連華，吳松濤

（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

美國頁巖油主要發(fā)育在海相層系。近10 年來，美國頁巖油產(chǎn)量平均增速超過25%，2018 年美國頁巖油產(chǎn)量為3.29×108t，占原油總產(chǎn)量的59%，助推美國原油產(chǎn)量達(dá)歷史第2 高峰[1]。美國“頁巖油革命”成功開啟了海相中高成熟度頁巖油產(chǎn)量大規(guī)模持續(xù)增長，帶給我們兩點(diǎn)啟示：①勘探思想革命，推動(dòng)油氣勘探從源外轉(zhuǎn)向源內(nèi)，使勘探領(lǐng)域、成藏理論與勘探技術(shù)都發(fā)生深刻變化，“進(jìn)源勘探”是石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向；②技術(shù)與成本革命，有力支撐了進(jìn)源勘探突破并實(shí)現(xiàn)規(guī)模發(fā)展，其中有利區(qū)優(yōu)選與“甜點(diǎn)”評價(jià)技術(shù)、超長水平井與體積改造技術(shù)和工廠化作業(yè)相結(jié)合，有效降本增效，大大降低了頁巖油氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)門檻[2-7]。

中國頁巖油主要發(fā)育在陸相層系。與北美海相頁巖油相比，地質(zhì)條件、資源品質(zhì)、開發(fā)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)門檻等都有很大差異?？傮w看，陸相沉積相變較快，非均質(zhì)性較強(qiáng)，礦物成分多樣，孔隙結(jié)構(gòu)和類型較復(fù)雜。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)成熟度偏低、流體黏度高，流動(dòng)能力較差，殘留量大，盡管中高成熟度頁巖油資源有一定規(guī)模，但經(jīng)濟(jì)可采總量偏小。相當(dāng)多的陸相頁巖油屬于中低成熟度，需要地下原位轉(zhuǎn)化技術(shù)才能有效開發(fā)。據(jù)評價(jià)，這部分資源潛力巨大，存在一場革命的新機(jī)遇[2-3,5]。

頁巖油能否規(guī)模開發(fā)取決于3 個(gè)條件：①單井日產(chǎn)量達(dá)到經(jīng)濟(jì)門限；②一定油價(jià)下單井累計(jì)采出量（EUR）有經(jīng)濟(jì)性；③頁巖油甜點(diǎn)有規(guī)模，足以支撐建設(shè)最小經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量且保持一段時(shí)期穩(wěn)產(chǎn)。滿足上述條件的頁巖油需要多項(xiàng)地質(zhì)條件的有利匹配：①烴源灶有機(jī)質(zhì)豐度高，質(zhì)量好（Ⅰ—Ⅱ1型母質(zhì)），規(guī)模較大，既保證頁巖內(nèi)部滯留烴數(shù)量大，又保證地下原位轉(zhuǎn)化時(shí)能有足夠多的有機(jī)物（液態(tài)烴、瀝青與固體有機(jī) 質(zhì)）參與降質(zhì)轉(zhuǎn)化；②頁理發(fā)育并保有一定數(shù)量基質(zhì)孔隙；③脆性礦物比例較高，可保證改造的有效性；④保存條件好，即頁巖油甜點(diǎn)段上下發(fā)育封閉性良好的蓋層[3,5,7]。上述條件在頁巖和泥巖中明顯不同。

目前中國陸相頁巖油勘探還處于初期階段，對“甜點(diǎn)區(qū)/段”選擇尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還處在探索總結(jié)中。在實(shí)踐中，不同巖性組合的壓裂效果差異明顯，測試產(chǎn)量差異大[8-9]。特別是純頁巖型（油田定義為Ⅲ類頁巖油[10]）的勘探開發(fā)，到底是優(yōu)選頁巖段還是泥巖段作為勘探主目的層，不同研究認(rèn)識分歧較大。如鄂爾多斯盆地三疊系延長組7 段（簡稱長7 段）頁巖油勘探，目前有兩種截然不同的觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為長7 段暗色塊狀泥巖是目前工藝技術(shù)條件下最有利的頁巖油勘探開發(fā)目標(biāo)[11-12]；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為黑色頁巖（含粉砂質(zhì)紋層黑色頁巖）比塊狀泥巖生烴條件更好，脆性更強(qiáng)，含油氣性更好，是有利勘探目標(biāo)區(qū)[13-17]。松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組中等有機(jī)碳含量（甜點(diǎn)段TOC 值為2%～3%）層狀長英質(zhì)頁巖相具有較好生烴潛力，儲集空間發(fā)育，是頁巖油優(yōu)勢巖相[18]。東部斷陷湖盆咸化環(huán)境中的頁巖油，紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r與黑色頁巖組合是頁巖油勘探開發(fā)的“甜點(diǎn)”巖相組合[8,19]；紋層發(fā)育的長英質(zhì)頁巖、混合質(zhì)頁巖利于頁巖油富集高產(chǎn)和壓裂改造[9]。

根據(jù)典型湖盆細(xì)粒沉積巖石學(xué)特征、有機(jī)地球化學(xué)、儲集性、脆性指數(shù)等研究，本文認(rèn)為頁巖與泥巖在沉積環(huán)境、組構(gòu)特征、有機(jī)質(zhì)豐度、生排烴量與效率、儲集性能等方面存在差異，決定二者在常規(guī)油氣藏和頁巖油氣藏形成中的地位不同。因此，開展陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖與泥巖成藏差異研究，對準(zhǔn)確選擇頁巖油甜點(diǎn)區(qū)/段、客觀評價(jià)頁巖油資源總量與經(jīng)濟(jì)性、減少低效和無效井意義重大。

1 頁巖與泥巖成藏條件差異

中國陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系分布廣泛。從層系看，主要分布在二疊系、上三疊統(tǒng)、下白堊統(tǒng)、古近系和新近系。從地域看，主要分布在鄂爾多斯、松遼、準(zhǔn)噶爾、渤海灣等盆地。陸相泥巖、頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度變化較大，從烴源巖有效性看，TOC 值下限為0.5%～0.8%、上限為8%～10%甚至更高。作為常規(guī)油氣藏形成的有效烴源巖，TOC 值主要為0.5%～0.8%和2%～3%。高TOC 值烴源巖雖然也是常規(guī)油氣藏的主力源巖，但有兩個(gè)條件限制了它們的貢獻(xiàn)：①高TOC 值頁巖集中段排烴不暢，效率偏低，唯有當(dāng)頁巖厚度適中且與儲集層間互時(shí)，排烴效率才高[20-21]；②富有機(jī)質(zhì)頁巖主要分布在半深湖—深湖區(qū)，且地理位置多在現(xiàn)今盆地向斜低部位，生儲蓋組合與成藏動(dòng)力都不利于常規(guī)油氣藏形成，中高TOC 值頁巖應(yīng)該是頁巖油氣藏形成的主力烴源巖。把頁巖和泥巖作為端元，開展成藏差異研究，對指導(dǎo)即將到來的頁巖油勘探“甜點(diǎn)”選區(qū)和選層評價(jià)有重要意義。

陸相頁巖層系巖石組合類型復(fù)雜多樣，既有頁巖、泥巖，也有粉細(xì)砂巖、碳酸鹽巖、混積巖和沉凝灰?guī)r等，其中頁巖和泥巖是公認(rèn)的生烴母巖，至于夾在其中的沉凝灰?guī)r和碳酸鹽巖是否參與供烴過程，目前數(shù)據(jù)還不夠系統(tǒng)，本文暫不做討論。總體上，頁巖有機(jī)質(zhì)含量都比較高，黑色頁巖TOC 值最高，是頁巖油氣藏主要形成層段；灰色頁巖TOC 值偏低，雖然頁理也發(fā)育，但因物質(zhì)基礎(chǔ)不雄厚難成為有效烴源巖；泥巖有機(jī)質(zhì)含量也較高，但相對頁巖來說總體含量偏低，加之塊狀結(jié)構(gòu)脆性差，不是頁巖油氣藏形成的主要層段，如厚度適中且與儲集層間互發(fā)育，多是常規(guī)油氣藏的主要源巖。

1.1 有機(jī)質(zhì)豐度與生排烴貢獻(xiàn)

中國陸相烴源巖主要發(fā)育于淡水和咸化湖盆兩類環(huán)境。研究表明，這兩類湖盆都可以發(fā)育高TOC 值頁巖和泥巖，同一環(huán)境下形成的頁巖和泥巖有機(jī)質(zhì)豐度和生排烴貢獻(xiàn)差異顯著。

鄂爾多斯盆地長7 段烴源巖是在淡水湖盆中沉積的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，平均厚度105 m，其中頁巖占比30%～50%，長71+2亞段以泥巖為主，長73亞段是頁巖集中段。從實(shí)測數(shù)據(jù)看，頁巖TOC 平均值為13.81%[11]、18.50%[17]、16.40%[22]，泥巖TOC 平均值為3.75%[11]、3.74%[17]、1.20%[22]，頁巖TOC 平均值是泥巖的3～14倍。從生烴動(dòng)力看，頁巖活化能分布比泥巖更集中，頁巖主生烴期對應(yīng)的Ro值（0.70%～0.87%）低于泥巖（1.06%～1.72%），在Ro值為0.9%～1.3%時(shí)頁巖總烴產(chǎn)率高于泥巖，生油量也高于泥巖[23]。根據(jù)生排烴模擬實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，頁巖平均生烴強(qiáng)度為249×104t/km2，泥巖平均生烴強(qiáng)度為48×104t/km2；頁巖平均排烴強(qiáng)度為193×104t/km2，泥巖平均排烴強(qiáng)度為20×104t/km2，頁巖生排烴強(qiáng)度是泥巖的5～9 倍。

準(zhǔn)噶爾盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組烴源巖發(fā)育于咸化湖盆，平均厚度200～300 m，其中頁巖占比30%～50%，TOC 值為5.0%～16.1%（平均6.1%）；泥巖TOC值為1%～5%（平均3.2%）。渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔店組二段頁巖 TOC 值為 2.32%～9.23%（平均4.87%），泥巖TOC 值為0.14%～8.41%（平均3.07%），頁巖是泥巖的近2 倍。

1.2 沉積環(huán)境與沉積動(dòng)力

頁巖、泥巖在沉積機(jī)理、組構(gòu)、化學(xué)組成等方面有明顯差異。頁巖呈紋層結(jié)構(gòu)，沿層面易剝離，受物源輸入和季節(jié)性氣候波動(dòng)，藻類及其他有機(jī)物、碳酸鹽、黏土、粉砂級長石和石英及火山灰等分別形成連續(xù)紋層。泥巖呈塊狀結(jié)構(gòu)，多發(fā)育于淺—濱湖環(huán)境，水體常受到擾動(dòng)，細(xì)粒沉積物注入量大，多數(shù)具密度流特征，不易形成頁理。

根據(jù)鄂爾多斯盆地長7 段、松遼盆地青山口組、準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組和渤海灣盆地古近系等典型陸相頁巖、泥巖的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，頁巖、泥巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物構(gòu)成、有機(jī)質(zhì)類型及含量、沉積機(jī)理都有明顯差異（見表1），認(rèn)識這些差異對于在勘探早期客觀識別和選擇有利鉆探靶區(qū)和目的層具有指導(dǎo)意義。

表1 中國典型盆地頁巖、泥巖特征比較

1.3 有機(jī)物發(fā)育與保存條件

富有機(jī)質(zhì)頁巖、泥巖的形成受原始有機(jī)物生產(chǎn)力和同沉積期及后期保存條件的雙重控制。通過對鄂爾多斯盆地長7 段、松遼盆地青山口組、準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組富有機(jī)質(zhì)頁巖、泥巖巖石學(xué)特征、有機(jī)碳含量分析發(fā)現(xiàn)，頁巖中有機(jī)質(zhì)為細(xì)紋層順層富集型，泥巖 中主要為分散型和生物碎屑型[17]。有4 種機(jī)制可導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)富集：火山灰沉落與深部熱液注入導(dǎo)致的“肥沃效應(yīng)”；放射性物質(zhì)促生物超量超速生長，提高生烴能力；咸化與水體分層利于有機(jī)質(zhì)高效率捕獲和保 存；深水厭氧環(huán)境與低沉積速率確保有機(jī)物堆積不被稀釋。

1.3.1 火山灰沉落與深部熱液注入導(dǎo)致的“肥沃效應(yīng)”

Lee 等[24]認(rèn)為海底火山噴發(fā)會(huì)導(dǎo)致海水溫度升高，海洋酸化，噴出的大量CO2造成生物窒息死亡甚至滅絕，隨后藻類生物出現(xiàn)繁盛，數(shù)量巨大，經(jīng)埋藏后形成富有機(jī)質(zhì)頁巖。鄂爾多斯盆地長7段露頭和巖心觀察發(fā)現(xiàn)，富有機(jī)質(zhì)頁巖段夾有多層凝灰?guī)r，厚度從毫米級至厘米級。統(tǒng)計(jì)顯示，沉凝灰?guī)r越多，烴源巖厚度和TOC 值越大[25-26]。如陜西銅川衣食村剖面長73亞段識別出156 層凝灰?guī)r，在一定區(qū)間凝灰?guī)r含量與TOC 值呈正相關(guān)性，當(dāng)凝灰?guī)r含量為5%～7%時(shí)，頁巖TOC 值最高（超過20%），揭示適量火山物質(zhì)注入可以促生物勃發(fā)和繁盛。在長7 段富有機(jī)質(zhì)頁巖中還發(fā)現(xiàn)有自生鈉長石、磷錳礦、層狀黃鐵礦及典型的白鐵礦等熱液礦物，微量元素Cu、Pb、Zn 出現(xiàn)富集，說明長7 段沉積期有深部熱液侵入。研究認(rèn)為，熱液活動(dòng)為生物繁盛提供了充足養(yǎng)料導(dǎo)致“肥沃效應(yīng)”。準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組有機(jī)質(zhì)以菌藻類為主，富有機(jī)質(zhì)頁巖中也普遍見微米級與中基性火山灰互層的藻紋層，分析認(rèn)為火山灰表面鹽膜快速水解促進(jìn)了水體中磷等營養(yǎng)元素富集，進(jìn)而促進(jìn)藻類勃發(fā)。上述實(shí)例證實(shí)，頻繁而規(guī)模有度的火山灰沉降與湖底熱液侵入是生物勃發(fā)的觸發(fā)因素，對優(yōu)質(zhì)烴源巖形成是建設(shè)性的有利因素。

1.3.2 放射性物質(zhì)促生物超量超速生長，提高生烴能力

幾乎所有富有機(jī)質(zhì)頁巖均富鈾，測井曲線顯示高自然伽馬值[11,25,27]。鈾在放射性衰變過程中釋放的粒子和能量對生物生長和有機(jī)質(zhì)向烴類的轉(zhuǎn)化均有促進(jìn)作用[27]。鄂爾多斯盆地長7 段富鈾烴源巖中超過50%的鈾賦存于膠磷礦，超過20%的鈾以吸附方式賦存于有機(jī)質(zhì)，頻繁的火山活動(dòng)為長7 段烴源巖提供了豐富的鈾源輸入[28]。長7 段凝灰?guī)r層也富含藍(lán)藻和超微生物化石，與之共生的頁巖中藻類極其豐富（見圖1），這些化石多出現(xiàn)在長73亞段底部，并常常出現(xiàn)在凝灰質(zhì)紋層附近，表現(xiàn)出短暫的微生物“勃發(fā)—消亡”特征[26]。適當(dāng)高濃度的富氮磷營養(yǎng)物質(zhì)和放射性物質(zhì)能夠促進(jìn)藍(lán)細(xì)菌的生長，提高古生產(chǎn)力[29]。鈾礦的放射性能夠?yàn)樯锏纳婧头毖芴峁┠芰縖30]。在含有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型干酪根的低成熟烴源巖中加入碳酸鈾酰溶液，進(jìn)行生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈾的參與可提高烴源巖生產(chǎn)率，總烴量增加，并可降低烴源巖生烴門限溫度，在相對較低溫階段生成液態(tài)烴[31-33]。對頁巖和干酪根中子輻照并對其產(chǎn)物進(jìn)行分析，證實(shí)放射性作用可以改變干酪根結(jié)構(gòu)，提升烴源巖的生油氣潛力[27]。

圖1 鄂爾多斯盆地瑤頁1 井長7 段223.95 m 金藻掃描電鏡照片

1.3.3 咸化與水體分層利于有機(jī)質(zhì)高效率捕獲和保存

咸化水體可以促進(jìn)有機(jī)質(zhì)絮凝，進(jìn)而提升有機(jī)質(zhì)捕獲效率。物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鹽度從1%增加到3%時(shí)，有機(jī)質(zhì)捕獲效率提高300%；當(dāng)沉積物濃度從2%上升至4%時(shí)，有機(jī)質(zhì)捕獲效率提高100%。同時(shí)，咸化湖盆易產(chǎn)生水體分層，可以保持相對良好的缺氧還原環(huán)境，利于有機(jī)質(zhì)堆積與保存。以準(zhǔn)噶爾盆地吉32井下甜點(diǎn)段為例，高TOC 值段V 與Cr 含量比值為2～4，Mo 含量為0.010‰～0.018‰，Cu、Mo 含量之和與Zn 含量比值為0.6～0.8；低TOC 值段V 與Cr 含量比值為1～2，Mo 含量為0.003‰～0.008‰，Cu、Mo 含量之和與Zn 含量比值為0.3～0.5。表明高TOC 值段沉積時(shí)水體還原性較強(qiáng)，保存條件明顯好于低TOC 值段。

1.3.4 深水厭氧環(huán)境與低沉積速率確保有機(jī)物堆積不被稀釋

湖盆水體低含氧量和厭氧環(huán)境對有機(jī)質(zhì)保存和富集必不可少。鄂爾多斯盆地長7 段的泥、頁巖中黃鐵礦含量普遍較高，在東部志丹、西部環(huán)縣以及南部銅川等地黃鐵礦含量均超過20%，有機(jī)質(zhì)豐度與黃鐵礦含量具明顯正相關(guān)性。利用黃鐵礦粒徑可對沉積環(huán)境中含氧量進(jìn)行半定量的判別，以衣食村剖面為例，通過掃描電鏡成像技術(shù)，統(tǒng)計(jì)了1 258 個(gè)草莓狀黃鐵礦的粒徑（見圖2），在TOC 值為15%～20%的層段，黃鐵礦粒徑普遍小于8 μm，平均粒徑小于6.5 μm，指示硫化還原環(huán)境；在TOC 值為2%～10%的層段，黃鐵礦粒徑普遍大于8 μm，平均粒徑大于10 μm，指示貧氧—弱氧化環(huán)境，且隨黃鐵礦粒徑變大，沉積水體的含氧量逐漸增大。

圖2 銅川衣食村剖面不同TOC 值樣品黃鐵礦粒徑分布直方圖（TOC—總有機(jī)碳含量；N—樣品數(shù)；D—平均粒徑）

圖3 鄂爾多斯盆地衣食村剖面與瑤頁1 井沉積速率與TOC 綜合柱狀圖（TOC1—總有機(jī)碳含量絕對值；V—沉積速率，cm/1 000 a）

低沉積速率和低陸源碎屑補(bǔ)償速度都有利于有機(jī)質(zhì)保存和富集。根據(jù)衣食村剖面和瑤頁1 井長7 段3塊凝灰?guī)r樣品的ID-TIMS 測年數(shù)據(jù)（見圖3）[34]，長 73頁巖段沉積速率為5 cm/1 000 a，遠(yuǎn)低于松遼盆地白堊紀(jì)沉積速率13.5 cm/1 000 a[35]和三疊紀(jì)陸相沉積速率24 cm/1 000 a[36]。利用米蘭科維奇旋回分析，長73頁巖段可劃分為5 個(gè)天文周期旋回，對每一旋回的上升半旋回段與下降半旋回段的TOC 值與沉積速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，沉積速率與TOC 值呈明顯負(fù)相關(guān)性（見圖3、圖4），說明長7 段沉積速率偏低，低陸源碎屑補(bǔ)償速度對有機(jī)質(zhì)稀釋作用降低，有利于富有機(jī)質(zhì)泥、頁巖的形成。

圖4 陜西銅川衣食村剖面與瑤頁1 井頁巖、泥巖TOC 分布與沉積速率關(guān)系

1.4 頁巖與泥巖的儲集性差異

陸相頁巖層系發(fā)育存在陸源輸入與內(nèi)源沉積兩種過程。受氣候、水動(dòng)力條件、物源輸入方式的變化與有機(jī)質(zhì)絮凝作用等多因素綜合影響，頁巖層系普遍發(fā)育紋層構(gòu)造，是頁巖油大面積形成與富集分布的重要條件之一。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，具有紋層構(gòu)造的多類頁巖具較好的儲集性能，孔隙分布呈雙峰態(tài)，微米孔隙發(fā)育?？傮w看，頁巖段是優(yōu)質(zhì)儲集巖相段[9,15-16]。

本文重點(diǎn)以準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組為例，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、氮?dú)馕降燃夹g(shù)手段，對泥巖與頁巖在儲集性能方面的差異進(jìn)行研究。蘆草溝組形成于咸化湖盆，頁巖普遍具紋層結(jié)構(gòu)，碳酸鹽-鈉長石-有機(jī)質(zhì)為最主要的組合類型（見圖5a—圖5c）。有機(jī)質(zhì)多呈紋層狀平行分布（見圖5b）?？紫吨饕园自剖ｉg孔與黏土礦物粒內(nèi)孔為主，其中白云石粒間孔發(fā)育比例高，且孔隙直徑明顯大于黏土礦物粒內(nèi)孔（見圖5d）。泥巖不發(fā)育紋層結(jié)構(gòu)，整體以碳酸鹽-鈉長石基質(zhì)礦物為主，有機(jī)質(zhì)呈分散狀分布于基質(zhì)礦物間（見圖5e—圖5g）。孔隙主要以綠泥石粒內(nèi)孔為主，白云石粒間孔發(fā)育比例低（見圖5h）?？傮w看，泥巖孔隙發(fā)育程度低于頁巖。頁巖比孔容（單位質(zhì)量頁巖所具有的孔總?cè)莘e）主體大于0.043 40 cm3/g，明顯高于泥巖的0.006 91 cm3/g；頁巖的BET 比表面達(dá)到8.07 m2/g，而泥巖僅為1.68 m2/g，前者是后者的5 倍多。頁巖孔徑大于泥巖，孔徑大于38 nm 的儲集空間，在頁巖中體積比例達(dá)80%，塊狀泥巖中該尺度孔徑體積僅為65%左右，巖石比表面同樣表現(xiàn)出相似特征（見圖6）。可見，頁巖儲集性能好于塊狀泥巖。

此外，渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷目前發(fā)現(xiàn)的頁巖油井絕大部分都在儲集性能好的富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、灰質(zhì)泥巖相及其薄夾層中[16,37]；松遼盆地青山口組中有機(jī)質(zhì)紋層狀長英質(zhì)巖相具有較好生烴潛力，儲 集空間發(fā)育，也說明頁巖段是頁巖油優(yōu)勢巖相段[15]。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地吉174 井蘆草溝組紋層狀頁巖與泥巖孔隙結(jié)構(gòu)典型特征

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地吉174 井蘆草溝組紋層狀頁巖與泥巖孔徑分布直方圖

1.5 造巖礦物組成與可改造性

準(zhǔn)噶爾、鄂爾多斯等盆地不同類型頁巖和泥巖的造巖礦物與元素組成統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示二者具明顯差異。準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組頁巖與泥巖礦物組成差異集中在白云石、鈉長石與石英含量。頁巖中白云石含量高，最高可超過30%，形成碳酸鹽紋層，并與有機(jī)質(zhì)形成紋層狀頁巖。此外，石英與鈉長石含量也高，約30%。泥巖中白云石含量低且相對分散，含量一般小于10%，主要分布在有機(jī)質(zhì)、石英、鈉長石及黏土礦物間；石英含量約30%，鈉長石含量最高可達(dá)50%。鄂爾多斯盆地長7 段頁巖的碎屑礦物含量較泥巖低，一般為20%～30%，長石含量一般小于5%，鉀長石含量平均為1%；碳酸鹽含量普遍較高，白云石含量平均為5.6%；頁巖的自生鐵礦物主要為黃鐵礦，含量平均為10%，是泥巖的10 倍。泥巖的碎屑礦物含量可高達(dá)35%～45%，除石英外，長石含量可達(dá)5%～15%；白云石含量偏低，平均為3.7%。泥巖的含鐵礦物主要為菱鐵礦，平均為3.2%。黏土礦物方面，泥巖與頁巖主體以伊蒙混層為主，頁巖中含量可達(dá)68.4%，泥巖中含量約60%；此外，泥巖中伊利石、高嶺石和綠泥石的含量均比頁巖高，但蒙脫石含量低于頁巖?？傮w上，泥巖中脆性礦物含量較低，影響了儲集層改造中人造裂縫的形成和儲集層的可壓裂性，造成產(chǎn)量難穩(wěn)定。

泥巖與頁巖的元素組成也有明顯差異。在元素組成上，常量元素主要反映了物源輸入、沉積環(huán)境和生物作用強(qiáng)弱的差異。以鄂爾多斯盆地長7 段為例，泥巖中CaO 平均含量為53.82%，高于頁巖，表明長7 段泥巖沉積時(shí)，陸源碎屑供給更為充足；頁巖中MgO 平均含量為1.64%，泥巖中MgO 平均含量為3.46%，說明頁巖形成于水體更為穩(wěn)定的環(huán)境；頁巖中的P2O5平均含量為0.61%，是泥巖的3 倍，說明長7 段頁巖沉積時(shí)有機(jī)質(zhì)原始生產(chǎn)力要高于同期的泥巖。長7 段泥巖和頁巖中的B、U、Ni、Sr、Cu、Mo、Mn、Mg、S 等多種元素分異現(xiàn)象特別明顯。如頁巖中Cu 的平均含量為0.060‰，U 的平均含量為0.012‰，都是泥巖的3倍，說明頁巖沉積環(huán)境更為缺氧。另外，頁巖中Mo的平均含量為0.02‰，是泥巖的10 倍，說明頁巖沉積時(shí)水體鹽度更低。

2 頁巖與泥巖在頁巖油勘探中的地位芻議

上述研究結(jié)果表明，頁巖與泥巖在沉積環(huán)境、有機(jī)物含量與分布、儲集性、造巖礦物組成等方面均有明顯差異。從頁巖油勘探開發(fā)工業(yè)實(shí)踐效果看，頁巖段TOC 值高，頁理發(fā)育，儲集性相對較好，脆性礦物含量相對較高，是頁巖油勘探開發(fā)最有利的巖相類型。但目前的研究及生產(chǎn)實(shí)踐中仍存在概念不清晰、相帶不明確等問題，成為制約頁巖油選區(qū)評價(jià)、“甜點(diǎn)區(qū)/段”優(yōu)選、壓裂改造與鉆井工藝設(shè)計(jì)、開發(fā)方案優(yōu)化的關(guān)鍵。有必要以頁巖、泥巖為端元，落實(shí)資源分布，確定“甜點(diǎn)”評價(jià)參數(shù)類型和標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選有利區(qū)塊，采用針對性有效開發(fā)技術(shù)，推動(dòng)陸相頁巖油勘探開發(fā)進(jìn)程。

2.1 中高成熟度頁巖油勘探實(shí)證

對于中高成熟度頁巖油選區(qū)宜盡快落實(shí)關(guān)鍵評價(jià)要素，盡早建立選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。如前述，有機(jī)質(zhì)豐度與類型是決定頁巖油能否經(jīng)濟(jì)性成礦的物質(zhì)基礎(chǔ)，顯然越高越好。目前，陸上幾個(gè)頁巖油重點(diǎn)探區(qū)把TOC 值下限定在1%～2%，取值有些偏低。如濟(jì)陽坳陷頁巖油富集區(qū)TOC 值下限為2%[37]，三塘湖盆地二疊系蘆草溝組頁巖油富集區(qū)TOC 值下限為4%[38]，泌陽凹陷頁巖油核心區(qū)TOC 值下限為1.7%[39]，吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油甜點(diǎn)區(qū)TOC 值下限為1%[40]，鄂爾多斯盆地目前正在鉆探的頁巖油靶區(qū) TOC 值為 2%～6%[12]，四川盆地侏羅系大安寨組頁巖油選區(qū)TOC 值下限為1%，黑色頁巖厚度大于20 m[4]。本文建議頁巖油選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為：①TOC 下限值調(diào)整為2%～3%，最好大于3%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為佳，可放寬到Ⅱ1型，Ⅱ2—Ⅲ型有機(jī)質(zhì)不是頁巖油經(jīng)濟(jì)成礦的母質(zhì)類型，不應(yīng)納入選區(qū)評價(jià)；②頁巖層系脆性礦物含量高的同時(shí)，黏土礦物含量要低，以25%～30%為宜；③頁巖段具備一定量基質(zhì)孔隙度的同時(shí)，頂?shù)装逡辛己玫姆馍w性，以保證可動(dòng)液態(tài)烴不散失。

2.1.1 鄂爾多斯盆地長7 段頁巖油

包括致密油—頁巖油過渡型與頁巖油兩大類，前者是指含有一定比例的致密砂巖夾層，且較大比例參與頁巖油產(chǎn)出；后者不夾砂層，是純頁巖段產(chǎn)出的油。長7 泥頁巖段有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ—Ⅱ型。頁巖集中段以長73亞段為主，有機(jī)質(zhì)以Ⅰ—Ⅱ1型為主，TOC 值最高32%，平均13.8%，脆性礦物含量小于35%，黏土礦物含量大于60%；泥巖段以長71+2亞段為主，有機(jī)質(zhì)以Ⅱ型為主，且Ⅱ2型比例偏高，TOC 值最高6%，平均3.8%。在長73頁巖集中段已有13 口井試油產(chǎn)量超過5 t/d，有3 口井試油產(chǎn)量大于20 t/d，其中寧148井在長73亞段試油獲24.23 t/d。但是，如果砂巖夾層比例偏低（砂地比小于5%），試油產(chǎn)量穩(wěn)定性差，當(dāng)TOC 值大于4.5%時(shí)，產(chǎn)量與TOC 值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)含量超過一定數(shù)值后對液態(tài)烴吸附量增加有關(guān)。長7 段目前獲得較高初始產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)的頁巖油井多位于砂地比大于15%的區(qū)域，顯然有致密砂巖的貢獻(xiàn)，實(shí)際是介于頁巖油和致密油之間的過渡類型。因此，鄂爾多斯盆地長73亞段頁巖因黏土含量過高而不宜使用水平井+體積改造技術(shù)開發(fā)，應(yīng)積極開展原位轉(zhuǎn)化技術(shù)開發(fā)，效果會(huì)比現(xiàn)有技術(shù)更好。

2.1.2 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段頁巖油

截至2019 年底已有12 口水平井投入試采，其中有7 口水平井試采效果較好，有2 口井因含硫化氫含量高關(guān)井，另有3 口井尚未轉(zhuǎn)入試采。官東1701H 和官東1702H 這2 口水平井目前累計(jì)產(chǎn)油量分別為7 663 t 和10 353 t，試采結(jié)果比較理想。從已有資料分析結(jié)果看，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主，TOC 值為2%～3%時(shí)滯留烴含量明顯升高，且在3%處出現(xiàn)拐點(diǎn)（見圖7），頁巖油“甜點(diǎn)段”TOC 下限值最低取2%，建議取3%。脆性長英質(zhì)礦物含量18%～42%，平均34%；碳酸鹽礦物含量12%～62%，平均34%；黏土礦物含量大于30%，平均16%[9,41]。歧口凹陷沙三段烴源巖厚100～500 m，TOC 值為1.09%～2.37%，Ro值為0.7%～1.2%，以混合質(zhì)頁巖、長英質(zhì)頁巖為主，長英質(zhì)礦物平均含量30%，碳酸鹽礦物平均26%，黏土礦物含量平均23%。20 口老井重新試油效果比較理想，但能否獲得較理想的累計(jì)采出量，還需試采過程的驗(yàn)證，主要制約因素是沙三段頁巖偏低的有機(jī)質(zhì)豐度導(dǎo)致地層能量不足。

圖7 渤海灣盆地滄東凹陷官頁1-1-1H 井孔二段滯留烴含量與有機(jī)碳含量關(guān)系圖

2.1.3 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組和瑪湖凹陷風(fēng)城組頁巖油

蘆草溝組頁巖油發(fā)育上、下“甜點(diǎn)”段，目前累計(jì)鉆探頁巖油井89 口，其中水平井37 口，投產(chǎn)28 口，日產(chǎn)油370 t[40,42]。吉172 水平井生產(chǎn)近1 800 d，累計(jì)產(chǎn)油近1.9×104t，目前日產(chǎn)油4 t 左右。有3 個(gè)要素決定頁巖油是否具經(jīng)濟(jì)可采性：①物質(zhì)基礎(chǔ)好，TOC值為2%～3%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主，Ro值為0.8%～0.9%；②可動(dòng)油儲量豐度高，為（25～30）×104t/km2；③頁巖集中段頂?shù)装灏l(fā)育良好的封閉層（如上甜點(diǎn)頂部梧桐溝組泥巖是否發(fā)育），蘆草溝組上、下“甜點(diǎn)”段黏土礦物含量小于15%，脆性礦物含量為80%～85%?？傮w看，成藏要素的有利匹配將決定該區(qū)頁巖油經(jīng)濟(jì)可采性與總量規(guī)模。

2.2 中低成熟度頁巖油甜點(diǎn)區(qū)/段選擇標(biāo)準(zhǔn)與選區(qū)評價(jià)

2.2.1 中低成熟度頁巖油資源潛力

中國陸相頁巖油資源潛力巨大，主體是中低成熟度頁巖油。據(jù)初步評價(jià)，中低成熟度頁巖油遠(yuǎn)景資源量為（700～900）×108t，天然氣約65×1012m3，大致與常規(guī)石油地質(zhì)資源量相當(dāng)；技術(shù)可采資源量為（200～250）× 108t，與常規(guī)石油可采資源量相當(dāng)[3]。陸相頁巖油資源主體分布在鄂爾多斯、松遼、準(zhǔn)噶爾3大盆地，其中頁巖油遠(yuǎn)景資源量約（620～650）×108t（見表2），技術(shù)可采資源量為（170～200）×108t，占比均在80%以上。

表2 鄂爾多斯、松遼、準(zhǔn)噶爾等盆地頁巖主要地質(zhì)參數(shù)

2.2.2 中低成熟度頁巖油原位轉(zhuǎn)化甜點(diǎn)區(qū)/段評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

適合地下原位轉(zhuǎn)化的頁巖段須滿足以下5 個(gè)條件：①頁巖集中段有機(jī)質(zhì)豐度高，TOC 值為6%～8%，且越高越好，Ⅰ—Ⅱ1型干酪根；②頁巖集中段厚度一般大于15 m，凈地比大于0.8；③熱成熟度適中，Ro值為0.5%～1.0%；④埋藏深度小于3 000 m，連續(xù)分布面積大于50 km2；⑤頁巖段具較好頂?shù)装灞４鏃l件，遮擋層厚度大于2 m，斷層不發(fā)育，地層含水小于5%，不存在活動(dòng)水。

2.2.3 鄂爾多斯盆地長7 段頁巖油原位轉(zhuǎn)化選區(qū)實(shí)例

鄂爾多斯盆地延長組長7 頁巖段，以長73亞段原位轉(zhuǎn)化現(xiàn)實(shí)性最好。長7 段TOC 值大于6%的平均厚度為16 m，最大厚度60 m，分布面積約3×104km2；其中厚度大于20 m 的面積占50%，約1.8×104km2。氫指數(shù)（HI）較高，最高可達(dá)750 mg/g，平均450 mg/g。頁巖層系中滯留烴含量（S1）大，據(jù)樂85 井現(xiàn)場測定，含油量8.80～26.77 mg/g（平均18.7 mg/g），其中C16-輕質(zhì)組分含量平均為 5.538 mg/g，占總含油量的31.4%。此外，頁巖殘余生烴潛力（S2）大，TOC 值大于6%的頁巖段殘余生烴潛力27.53～132.23 mg/g，平均63.88 mg/g。頁巖含水飽和度和含水率均低，不存在活動(dòng)水。頁巖成熟度分布適中，盆地長7 段頁巖Ro值為0.6%～1.2%，Ro值小于1.0%的區(qū)域面積較大，約占頁巖總面積的90%，原位轉(zhuǎn)化潛力可觀[3]。依據(jù)頁巖油原位轉(zhuǎn)化甜點(diǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)鄂爾多斯盆地長73亞段頁巖油原位轉(zhuǎn)化有利區(qū)面積大于1.5×104km2，技術(shù)可采資源量大于150×108t。

3 結(jié)論與建議

頁巖與泥巖在沉積環(huán)境與動(dòng)力、有機(jī)物發(fā)育與保存條件、頁理與儲集性、造巖礦物組成與可改造性等方面存在差異，決定二者在頁巖油經(jīng)濟(jì)成礦上地位不同。頁巖段因有機(jī)質(zhì)豐度高、頁理發(fā)育、基質(zhì)孔隙發(fā)育、黏土礦物含量低、脆性高、集中段連續(xù)分布范圍較大與保存條件較好等因素而成為頁巖油經(jīng)濟(jì)成礦的最佳層段與主要“甜點(diǎn)”富集區(qū)；泥巖段因有機(jī)質(zhì)豐度相對較低、頁理不發(fā)育、黏土礦物含量高、脆性差與基質(zhì)孔隙不發(fā)育等原因，不是頁巖油經(jīng)濟(jì)成礦的主要層段與目標(biāo)區(qū)。

中高成熟度頁巖油經(jīng)濟(jì)成礦現(xiàn)階段需要嚴(yán)格把握“甜點(diǎn)”選擇標(biāo)準(zhǔn)，以防止過多低效和無效井的出現(xiàn)，建議把以下參數(shù)作為頁巖油“甜點(diǎn)”區(qū)/層段選擇下限標(biāo)準(zhǔn)：①TOC 值為2%～3%，建議大于3%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主；②Ro值大于0.9%，最好大于1.0%；③黏土礦物含量小于 30%；④游離烴含量為 4～6 mg/g；⑤具備保存條件，即頁巖集中段頂?shù)装鍛?yīng)是連續(xù)性較好的致密層并具備封閉能力。

中低成熟度頁巖油開采技術(shù)與中高成熟度頁巖油明顯不同，但“甜點(diǎn)區(qū)/段”選擇也需要標(biāo)準(zhǔn)：①頁巖集中段厚度大于15 m；②TOC 值為6%～8%，Ⅰ—Ⅱ1型干酪根；③Ro值為0.5%～1.0%；④連續(xù)分布面積大于50 km2，且規(guī)模越大越好；⑤頁巖集中段具保存條件，頂?shù)装逭趽鯇雍穸却笥? m，且地層含水小于5%。