黎茂穩(wěn)，金之鈞，董明哲，馬曉瀟，李志明，蔣啟貴，鮑云杰，陶國亮，錢門輝，劉 鵬，曹婷婷

(1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

借鑒美國頁巖革命的成功經(jīng)驗(yàn)，中國油氣行業(yè)于2010年前后陸續(xù)啟動(dòng)了頁巖油勘探開發(fā)的探索工作。中國石化在濟(jì)陽凹陷古近系沙河街組、江漢油田古近系潛江組、泌陽凹陷古近系核桃園組相繼突破了出油關(guān)；中國石油在準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組發(fā)現(xiàn)了中國第一個(gè)頁巖油田，三級(jí)儲(chǔ)量達(dá)10億噸[1-2]。隨后，在鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7段、松遼盆地白堊系青山口組、滄中凹陷孔店組烴源巖層系也分別突破了出油關(guān)。初步估算的全國頁巖油資源量高達(dá)203億噸[3]，其中高成熟度頁巖油是中國頁巖油戰(zhàn)略突破的重點(diǎn)領(lǐng)域，中低成熟度頁巖油規(guī)模經(jīng)濟(jì)開發(fā)具有更大潛力[4]。然而，由于中國陸相盆地構(gòu)造演化和沉積充填的特殊性，導(dǎo)致中國陸相頁巖油勘探開發(fā)面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究勢(shì)在必行。本文將結(jié)合本研究團(tuán)隊(duì)部分研究成果，系統(tǒng)評(píng)述國內(nèi)外在陸相細(xì)粒沉積過程、成巖作用、頁巖油形成演化與富集機(jī)理領(lǐng)域的研究進(jìn)展，探討進(jìn)一步深化研究需要解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

1 細(xì)粒沉積學(xué)研究進(jìn)展

細(xì)粒沉積學(xué)研究取得重要進(jìn)展，凸顯全球氣候變化和盆地構(gòu)造演化對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖形成分布的控制作用。POTTER等[5]編寫的《頁巖沉積學(xué)》對(duì)細(xì)粒沉積研究具有深遠(yuǎn)影響。全球各類沉積巖中約70%為細(xì)粒沉積巖[6]。細(xì)粒沉積巖的經(jīng)典定義為粒徑小于0.1 mm的顆粒含量大于50%的沉積巖。泥巖概念的提出已經(jīng)有200多年的歷史，薄片觀察奠定了對(duì)泥巖微觀結(jié)構(gòu)早期認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)[7]。X衍射和掃描電子顯微鏡等技術(shù)在20世紀(jì)20年代開始應(yīng)用于黏土礦物類型與顆粒形態(tài)的定量識(shí)別[8]。按照細(xì)粒沉積巖的系統(tǒng)分類方法[9]，細(xì)粒顆粒成分應(yīng)該分選良好，既可以是黏土礦物和粉砂等陸源碎屑顆粒，也可以是盆地內(nèi)生碳酸鹽、生物硅質(zhì)、磷酸鹽等顆粒。

近現(xiàn)代細(xì)粒沉積研究推動(dòng)了20世紀(jì)80年代以來生物化學(xué)和沉積機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，鈣質(zhì)、硅質(zhì)生物顆粒和非生物顆粒成為深海細(xì)粒沉積的分類端元[10]。對(duì)于半遠(yuǎn)洋沉積而言，季節(jié)性或年度性浮游生物繁盛與粉砂充注交替形成以粉砂級(jí)顆粒為主的半遠(yuǎn)洋細(xì)粒層，而后者又可能因風(fēng)暴影響與砂級(jí)或泥級(jí)的濁流沉積交互[11]。與此不同，湖相細(xì)粒沉積相帶分布往往會(huì)受到湖平面變化、構(gòu)造作用、沉積物源和盆地底形的影響，而盆地底形至關(guān)重要[12]。

以海相黑色頁巖為代表的細(xì)粒沉積發(fā)育模式多樣，通常受到海侵、屏障和洋流上涌的影響[13]。受物源和水動(dòng)力條件控制，滯流海盆、陸棚區(qū)局限盆地、邊緣海斜坡等低能環(huán)境是海相黑色頁巖的主要發(fā)育環(huán)境。“海洋雪”作用和藻類爆發(fā)是海相富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物的兩種主要形式[14]，而表層水高浮游生物產(chǎn)率、還原性沉積底水環(huán)境和陸源碎屑相對(duì)缺乏是海相富有機(jī)質(zhì)頁巖形成的必要條件[14-15]。陸相湖盆沉積水體規(guī)模有限，水體循環(huán)能力較差，水體分層和湖侵是湖相富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育的兩種主要沉積模式[9]。

全球性富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖層系與短暫地質(zhì)事件的密切聯(lián)系越來越受到重視[16-18]。大量研究表明，天文周期與地球系統(tǒng)過程之間具有顯著相關(guān)性[19-20]。地球旋回與地外隕擊事件、宇宙射線通量變化、太陽系在銀河系內(nèi)的軌道變化，共同揭示了地內(nèi)—地外事件協(xié)同演化的周期節(jié)律和相位關(guān)系[16]。太陽系—地球軌道周期變化驅(qū)動(dòng)了地球不同圈層地質(zhì)演變和生命演化[21]，地球各圈層演化在超大陸尺度、構(gòu)造尺度到軌道尺度甚至年際尺度都存在旋回性和周期性，對(duì)海相和陸相盆地細(xì)粒沉積過程具有不同級(jí)次天文周期的響應(yīng)[19,22-24]。

2 不同粒序沉積巖多尺度一體化研究

混合細(xì)粒沉積物非均質(zhì)性強(qiáng)，不同粒序沉積巖多尺度一體化研究是構(gòu)建陸相頁巖油儲(chǔ)層發(fā)育模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以往人們較多關(guān)注富有機(jī)質(zhì)頁巖的生烴潛力和熱成熟特征，而細(xì)粒沉積巖石學(xué)研究是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)[7,25]。隨著北美海相頁巖油氣的勘探開發(fā)，頁巖礦物學(xué)、構(gòu)造、生物相及結(jié)構(gòu)特征研究取得重要進(jìn)展，頁巖巖相類型劃分方案進(jìn)一步細(xì)化和具有可操作性[26]。頁巖油儲(chǔ)層一般具有巖石成分復(fù)雜、組構(gòu)粒度細(xì)、儲(chǔ)集空間尺度小及非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此用“混合細(xì)粒沉積巖”的概念更為恰當(dāng)[27-30]。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)陸相泥頁巖分類尚未達(dá)成共識(shí)，原因在于不同類型陸相細(xì)粒沉積環(huán)境的沉積過程存在顯著差異性，從而使得陸相泥頁巖巖石學(xué)特征異常復(fù)雜而且非均質(zhì)性極強(qiáng)[14,27,31-32]。

物源風(fēng)化、古氣候、古溫度、水體條件等因素控制了湖相沉積物成分、混合沉積作用、沉積速率、沉積組構(gòu)等特征，成為頁巖油儲(chǔ)層宏觀和微觀差異性的誘因。沉積環(huán)境和成巖作用過程制約了陸相頁巖的成因與有機(jī)質(zhì)含量，并對(duì)含油頁巖的微觀孔喉結(jié)構(gòu)具有決定性影響。通過泥頁巖微觀組構(gòu)分析及無機(jī)—有機(jī)相互作用過程研究，可以重建泥頁巖有機(jī)質(zhì)埋藏過程與古環(huán)境之間的聯(lián)系。夏季富營(yíng)養(yǎng)水體環(huán)境中藻類勃發(fā)促進(jìn)自生碳酸鹽巖形成，冬季缺氧環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)堆積，可能是柴達(dá)木盆地始新世—漸新世的富含文石礦物的湖相季候泥紋層的成因[33]。由于這些湖相紋層既有較好的生烴潛力又有較好的孔滲條件，它們是未來有利的勘探目的層[34]。

作為中國陸相生油理論的重要組成部分，中國學(xué)者根據(jù)構(gòu)造成因、地理位置和氣候條件對(duì)中國中—新生代湖泊類型進(jìn)行了劃分，揭示了淡水湖泊和咸化湖泊在沉積和生烴潛力等方面的差異性[35-38]。化學(xué)紋層發(fā)育和嗜鹽微生物是咸水頁巖與淡水頁巖在巖石成分和結(jié)構(gòu)上最主要的區(qū)別。海侵[39-42]、盆地物源區(qū)老地層風(fēng)化、深部鹵水上涌[43]和蒸發(fā)濃縮[44]都可能導(dǎo)致湖盆咸化。湖水適度咸化有利于水底有機(jī)質(zhì)保存，但鹽度過高又會(huì)抑制生物生長(zhǎng)，因此湖相沉積烴源巖質(zhì)量取決于湖泊水體由于溫度和鹽度差異導(dǎo)致的分層情況。古環(huán)境—古氣候控制下的海泛事件，對(duì)于渤海灣、蘇北、松遼、鄂爾多斯以及四川等盆地優(yōu)質(zhì)湖相烴源巖的形成，也有重要的影響[39-44]。

古代湖泊沉積亞相劃分，是生油巖與儲(chǔ)集巖分布預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。需要針對(duì)沉積巖組分、顏色、結(jié)構(gòu)、展布和生物化石等開展深入細(xì)致的工作，浪基面、枯水面和洪水面可以作為湖泊沉積亞相進(jìn)一步劃分的重要依據(jù)[35]。處于浪基面以下、缺氧的半深湖—深湖環(huán)境一般以細(xì)粒沉積為主，有利于黑色泥巖、暗色頁巖、薄層泥灰?guī)r或白云巖夾層發(fā)育。湖灣和沼澤環(huán)境形成的細(xì)粒沉積一般巖性較粗，主要發(fā)育粉砂巖和泥巖，有時(shí)也可發(fā)育黑色頁巖和碳質(zhì)泥巖，從而成為煤成氣和凝析油氣的烴源巖[45]。在中國陸相湖盆沉積研究的過程中，將沉積相、生物相、有機(jī)地球化學(xué)相結(jié)合，提出了“沉積有機(jī)相”的概念[46-47]；在具有一定豐度和特定成因類型有機(jī)質(zhì)的地層單元中進(jìn)一步劃分有機(jī)亞相[48]。陸相碎屑巖和海相碳酸鹽巖沉積有機(jī)相分類方案逐步成型[49-50]?，F(xiàn)代湖泊考察結(jié)果[56-58]深化了對(duì)于古代湖泊沉積的地質(zhì)認(rèn)識(shí)[31,51-55]，并且為湖泊沉積和早期成巖的物理—化學(xué)—生物作用過程研究提供了有益的啟示。

細(xì)粒沉積巖作為烴源巖不但控制常規(guī)油氣藏的形成與分布，而且與頁巖油氣和致密油氣等非常規(guī)油氣資源緊密相關(guān)[59]。例如，準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷發(fā)育上下2個(gè)含油系統(tǒng)，源儲(chǔ)一體，薄層疊置，整體厚度大，整體含油，連續(xù)分布[60]。中二疊統(tǒng)蘆草溝組主要認(rèn)為形成于咸水湖相、夾三角洲相沉積，具有強(qiáng)非均質(zhì)性[61-63]，地層巖性為混合細(xì)粒巖石組合[64]，富有機(jī)質(zhì)(TOC平均含量大于3.51%)[63-65]。渤南洼陷頁巖油主要目的層廣泛發(fā)育湖相碳酸鹽與黏土混合沉積，細(xì)分為骨架、顆粒和泥晶碳酸鹽巖3個(gè)亞相[66-68]?，F(xiàn)有研究多關(guān)注頁巖生油性和含油性，認(rèn)為亮晶方解石發(fā)育層段是頁巖油優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層[33,69-70]。但是，目前尚缺少對(duì)這類混合沉積中有機(jī)質(zhì)富集成因及形成時(shí)水體環(huán)境的系統(tǒng)研究。鄂爾多斯盆地中生界延長(zhǎng)組7段，為富有機(jī)質(zhì)的湖相黑色泥頁巖與重力流復(fù)合沉積[71]，其中油頁巖段有機(jī)質(zhì)堆積機(jī)制可能與厭氧的黑海模式(上升流模式)相似，烴源巖主要分布在斜坡帶[52,72-73]。

細(xì)粒沉積學(xué)是目前國內(nèi)外研究前沿，研究程度相對(duì)較低。急需在開展勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗(yàn)的同時(shí)，做好典型實(shí)例解剖研究[31,74]，從湖盆細(xì)粒沉積學(xué)發(fā)展的源頭出發(fā)，建立行之有效的細(xì)粒沉積巖研究方法體系，加強(qiáng)典型盆地巖石微觀組構(gòu)與宏觀分布規(guī)律等解剖研究，建立不同類型湖盆細(xì)粒沉積體系的成因模式。加強(qiáng)湖盆細(xì)粒沉積與粗粒沉積整體研究，揭示其相互控制機(jī)理，建立不同類型細(xì)粒沉積體系的分布模式，為區(qū)帶評(píng)價(jià)提供地質(zhì)依據(jù)。

3 孔縫結(jié)構(gòu)表征與成巖作用研究

湖相泥頁巖孔縫結(jié)構(gòu)表征技術(shù)發(fā)展迅速，但成巖過程動(dòng)態(tài)研究不能滿足頁巖油有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的要求。伴隨著頁巖油氣的成功開發(fā)，泥頁巖及其儲(chǔ)集特征受到廣泛關(guān)注，特別是在泥頁巖儲(chǔ)集空間的表征技術(shù)、成因、演化及其控制因素等方面取得了重要進(jìn)展。泥頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般以納米孔隙占優(yōu)勢(shì)[75-76]，可達(dá)80%以上[75]，多為小于50 nm的孔隙[77]。由于油氣分子的大小主要在100 nm以下，烴類分子和石油瀝青質(zhì)完全可以進(jìn)入納米級(jí)孔隙[78]，但是在納米級(jí)孔隙中毛細(xì)管阻力限制流體自由流動(dòng)，納米孔喉中流體與周圍介質(zhì)之間存在較大的粘滯力和分子作用力，烴類分子以吸附狀態(tài)附著于礦物和干酪根表面，或有可能以互溶態(tài)擴(kuò)散到固體有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，從而形成滯留[79]，納米孔隙網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上控制了頁巖油氣的賦存和富集[80]。以往泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布和孔隙度評(píng)價(jià)主要依賴壓汞、氣體吸附法、掃描電鏡等。目前，以聚焦離子束刻蝕和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡聯(lián)用技術(shù)(FIB/SEM)為代表的微—納米孔隙3D表征技術(shù)，已成為泥頁巖納米孔隙分析技術(shù)的主流趨勢(shì)[81]，該技術(shù)將泥頁巖結(jié)構(gòu)觀察尺度擴(kuò)展到納米級(jí)[76,81-82]。頁巖儲(chǔ)層描述表征技術(shù)的進(jìn)步，使儲(chǔ)層孔隙研究精度大大提高，為解決非常規(guī)儲(chǔ)層孔隙的形成、演化及其油氣聚集機(jī)理提供了前提條件。

目前針對(duì)湖相泥頁巖微觀結(jié)構(gòu)研究已有一些報(bào)道[83-84]，一定程度上揭示了孔隙結(jié)構(gòu)的沉積—成巖響應(yīng)。但是，在孔隙結(jié)構(gòu)的控制因素研究方面，仍然存在較多問題。例如，控制因素選擇不系統(tǒng)，忽略了地質(zhì)演化背景、沉積和地球化學(xué)環(huán)境，未考慮細(xì)粒巖(頁巖)沉積的基礎(chǔ)物理過程，對(duì)于黏土礦物物理化學(xué)性質(zhì)及動(dòng)力學(xué)控制反應(yīng)過程不清晰，對(duì)于不同成巖階段的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)過程及其對(duì)微觀孔隙網(wǎng)絡(luò)的改造不甚明了等。認(rèn)識(shí)到咸化湖盆水體含鹽度控制著膠結(jié)物成分和含量，早期膠結(jié)作用使鹽水環(huán)境的物性變差，而成巖演化過程中鹽類礦物的溶蝕也可以促進(jìn)有效孔隙的形成，進(jìn)而改善儲(chǔ)集層物性[85]。通過硅化作用對(duì)白云巖孔隙的改造作用研究，也表明有機(jī)質(zhì)含量與沉積時(shí)生產(chǎn)力和水體氧化還原環(huán)境有關(guān)[86]。

在泥頁巖儲(chǔ)層宏觀描述和預(yù)測(cè)方面，泥頁巖骨架礦物成分復(fù)雜多變，含有一定量有機(jī)質(zhì)后形成了一個(gè)非均質(zhì)性強(qiáng)、各向異性明顯的三相復(fù)合體[87]，富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖孔隙度和 TOC 之間常呈正相關(guān)[88]。以井震聯(lián)合方法為主體的儲(chǔ)層表征技術(shù)是頁巖油氣儲(chǔ)層識(shí)別與評(píng)價(jià)的核心[89-90]。頁巖油地球物理表征重點(diǎn)要解決巖石物理、測(cè)井解釋和地震預(yù)測(cè)3大核心技術(shù)。通過頁巖油層的巖石物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究頁巖油層的地球物理響應(yīng)特征[87]，基于知識(shí)表達(dá)分別建立巖石骨架、有機(jī)質(zhì)、裂縫[91]和壓力[92]參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，從理論上求解頁巖儲(chǔ)層的地震表征問題，認(rèn)識(shí)頁巖油儲(chǔ)層的地球物理響應(yīng)機(jī)理，最終建立頁巖油儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)集體的客觀全面刻畫。

頁巖儲(chǔ)層裂縫描述主要通過露頭和巖心裂縫的宏觀、微觀觀測(cè)，結(jié)合測(cè)井、地震等地球物理測(cè)定方法對(duì)裂縫信息歸納總結(jié)，確定儲(chǔ)層裂縫的有關(guān)參數(shù)，并建立各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系及各參數(shù)與地質(zhì)要素間的關(guān)系，最終確定裂縫成因和分布規(guī)律[93]。近年來測(cè)井及地震觀測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大大提高了人們對(duì)裂縫及裂縫性油氣藏直觀描述的準(zhǔn)確性[94]。通過實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[95]，目前初步形成了一套以有限元數(shù)值模擬方法為基礎(chǔ)的裂縫分布規(guī)律預(yù)測(cè)方法[96]。頁巖儲(chǔ)層裂縫的空間分布規(guī)律和定量預(yù)測(cè)，特別是頁巖中非構(gòu)造裂縫的定量表征，是石油地質(zhì)研究科學(xué)前緣性問題之一，也是成巖過程中孔縫結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化研究的基礎(chǔ)。

細(xì)粒沉積物成巖過程比常規(guī)油氣儲(chǔ)層更加復(fù)雜。物質(zhì)組成復(fù)雜，包括黏土礦物、石英、碳酸鹽，長(zhǎng)石、硫化物、瀝青和有機(jī)質(zhì)等不穩(wěn)定成分[6,97-98]。細(xì)粒沉積物成巖與有機(jī)質(zhì)熱演化和頁巖油氣形成過程交叉重疊[99-103]。盡管細(xì)粒沉積物成巖熱演化基本過程與常規(guī)油氣儲(chǔ)層沒有本質(zhì)的差異，但溫壓系統(tǒng)的閉合和開啟程度對(duì)產(chǎn)物有重要影響[104-106]。

目前細(xì)粒沉積物成巖研究主要針對(duì)硅質(zhì)頁巖。認(rèn)識(shí)到黏土礦物伊利石化形成自生石英是頁巖成巖的主要過程[29,107-108]，原生碎屑石英溶解和生物硅轉(zhuǎn)化是頁巖中自生石英的重要來源[25,109]。物質(zhì)平衡、成巖流體傳輸和有機(jī)—無機(jī)相互作用是頁巖成巖作用的主控因素[110-113]。硅質(zhì)頁巖成巖研究較多，重點(diǎn)在黏土礦物轉(zhuǎn)化、硅質(zhì)膠結(jié)物形成、長(zhǎng)石溶解及其對(duì)儲(chǔ)集物性影響。對(duì)富碳酸鹽頁巖和含蒸發(fā)鹽頁巖成巖研究較少，但許多研究已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了紋層的重要作用[114-116]。

需要重視細(xì)粒沉積成巖熱演化過程中的有機(jī)—無機(jī)相互作用。沉積物中有機(jī)質(zhì)可與活性鐵結(jié)合，形成有機(jī)OC-Fe 大分子結(jié)構(gòu)，抑制有機(jī)質(zhì)的微生物降解，有利于有機(jī)質(zhì)保存[117]。咸化水體沉積物中的微生物硫酸鹽還原作用，消耗有機(jī)質(zhì)，形成自生黃鐵礦及其晶間孔[76,118]。有機(jī)質(zhì)本身的孔隙度和滲透率高于巖石基質(zhì)，并能提供孔隙空間和滲流通道，而且有機(jī)質(zhì)生烴演化過程中，在有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)孔[76]。有機(jī)質(zhì)熱演化排出的有機(jī)酸對(duì)碳酸鹽、長(zhǎng)石等礦物進(jìn)行溶蝕，形成大量的溶蝕孔隙，導(dǎo)致重結(jié)晶作用，并改變巖石的力學(xué)性質(zhì)[116]。

4 陸相頁巖油賦存機(jī)理和資源分類評(píng)價(jià)

陸相頁巖熱演化過程中生排烴和頁巖油賦存機(jī)理逐漸清晰，不同構(gòu)造和沉積背景控制下的頁巖油資源分類評(píng)價(jià)方法有待完善。近20年來，烴源巖的生排烴理論研究取得了重要進(jìn)展[119-121]，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)并明確了排烴機(jī)理及其控制因素[122]，改進(jìn)了模擬實(shí)驗(yàn)方法[123]，建立了有機(jī)相化學(xué)動(dòng)力學(xué)分類和生排烴模型[124]，并使生排烴理論在地質(zhì)條件下得到廣泛應(yīng)用。由于泥頁巖集生烴、儲(chǔ)集和保存等條件為一體，有機(jī)地球化學(xué)條件制約了頁巖油生成、儲(chǔ)集和保存的各個(gè)環(huán)節(jié)[125-126]。沉積盆地超壓系統(tǒng)演化與油氣成藏條件的關(guān)系研究受到重視[127]。目前，石油生成動(dòng)力學(xué)逐漸向組分級(jí)水平發(fā)展，烴類組分的相態(tài)演化[122]以及原油族組分的生烴—滯留—排烴動(dòng)力學(xué)是頁巖油賦存機(jī)理研究的重要方向[128]。

在富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中，頁巖油主要呈干酪根內(nèi)部分子吸附/互溶相、親油顆粒表面分子吸附相和親油孔隙網(wǎng)絡(luò)游離相三種賦存類型，有機(jī)抽提物含量和可溶烴量(S1)與TOC的相關(guān)性，說明干酪根內(nèi)部分子吸附/互溶相油是頁巖油重要的賦存方式。在貧有機(jī)質(zhì)的碳酸鹽巖或砂巖夾層和微裂縫中，由于缺乏有機(jī)質(zhì)和黏土礦物的吸附作用，頁巖油主要以游離態(tài)賦存。頁巖油具有原地成藏的特點(diǎn)，其富集程度受富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層系的發(fā)育規(guī)模、成熟度以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等多種因素共同控制。

頁巖層系中烴類有效滯留的條件主要包括頁巖本身的裂縫發(fā)育程度和規(guī)模，以及頁巖鄰近蓋層的封堵能力。上覆或下伏的致密儲(chǔ)層或其他封蓋層會(huì)對(duì)頁巖油的保存起一定的作用。泥頁巖層系中有機(jī)質(zhì)豐度與賦存狀態(tài)不同，其對(duì)頁巖油的保存能力不同[129]。不同有機(jī)質(zhì)類型的泥頁巖在不同成熟階段的抑制封閉作用或替代封閉作用強(qiáng)度也有差異[130]。過于強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)勢(shì)必會(huì)造成源巖內(nèi)裂縫與其他高孔高滲儲(chǔ)層的連接，導(dǎo)致頁巖油儲(chǔ)集體的破壞，不利于頁巖油的保存[131]，造成油氣在常規(guī)儲(chǔ)層或淺層聚集[132]。

陸相頁巖含油性評(píng)價(jià)，面臨著柱塞樣獲取難、輕質(zhì)組分損失、洗油和萃取導(dǎo)致頁巖孔縫結(jié)構(gòu)變化以及游離油/束縛油動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化、紋理發(fā)育與強(qiáng)非均質(zhì)性帶來微觀表征成果尺度放大等諸多技術(shù)難題。通過國家“973”項(xiàng)目支持，本研究團(tuán)隊(duì)緊密結(jié)合東部探區(qū)勘探生產(chǎn)，建立了頁巖油探井現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)采樣規(guī)范和實(shí)驗(yàn)分析流程，研制了現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)評(píng)價(jià)專用設(shè)備[133]；發(fā)明了高保真頁巖含油性分析方法，研制了現(xiàn)場(chǎng)冷凍—在線密閉碎樣—熱解分析儀[134]。針對(duì)不規(guī)則頁巖樣品孔隙度測(cè)定難題，研制巖石總體積測(cè)定儀；改進(jìn)前處理分析流程，實(shí)現(xiàn)了一次進(jìn)樣，快速獲取大批量樣品有機(jī)分子地球化學(xué)參數(shù)；改進(jìn)X-射線熒光數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了陸相頁巖沉積非均質(zhì)性快速表征，為細(xì)粒巖相識(shí)別和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)定提供基礎(chǔ)參數(shù)[135-136]。

針對(duì)含油頁巖烴類流體定量恢復(fù)難題，創(chuàng)建了頁巖油賦存方式和含油性表征實(shí)驗(yàn)方法，形成了陸相頁巖油資源分類定量評(píng)價(jià)方法系列。一是發(fā)現(xiàn)升溫速率對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算參數(shù)沒有顯著影響，首次明確提出常規(guī)熱解結(jié)果計(jì)算方法，提高了生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取的效率[137]；二是揭示了非均質(zhì)紋層對(duì)頁巖油資源賦存的重要意義，提出了非均質(zhì)頁巖生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取方法[138]；三是在改進(jìn)傳統(tǒng)“兩步法”的基礎(chǔ)上，首次建立了高效環(huán)保的“單步”熱解頁巖總含油率計(jì)算方法[139]；四是建立了頁巖層系運(yùn)移烴識(shí)別標(biāo)志，提出基于生烴化學(xué)動(dòng)力學(xué)運(yùn)移烴校正方法，對(duì)正確認(rèn)識(shí)原地頁巖油資源量具有重要意義[140-141]；五是改進(jìn)開放熱解升溫程序，提出頁巖中游離油/束縛油快速定量表征和數(shù)值計(jì)算方法[142-143]；六是通過升溫程序優(yōu)化和化學(xué)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)信息挖掘，建立了頁巖中游離烴內(nèi)部化學(xué)組成計(jì)算和可動(dòng)性評(píng)價(jià)方法[144-145]。

針對(duì)中國東部古近系陸相頁巖油儲(chǔ)層表征和甜點(diǎn)預(yù)測(cè)難題，“973”項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)明確了斷陷湖盆咸化沉積泥頁巖具有優(yōu)越的成烴機(jī)制，發(fā)現(xiàn)紋層狀巖相是有利的儲(chǔ)集巖相[134]；揭示了陸相頁巖油賦存機(jī)理與地質(zhì)主控因素，發(fā)現(xiàn)頁巖中游離烴主要與基質(zhì)孔縫有關(guān)，而束縛烴含量明顯受TOC、巖相和熱成熟度控制；隨著成熟度增加，頁巖中游離烴比例增加但束縛烴/TOC比值降低，不同巖相顯示系統(tǒng)差異性[133]；盡管不同礦物對(duì)原油的吸附能力存在差異，但礦物吸附總量在生油窗隨成熟度變化不明顯[146-147]；干酪根與烴類產(chǎn)物結(jié)構(gòu)差異性變大，是導(dǎo)致高—過成熟階段干酪根滯烴能力下降的主要原因[148-149]。

因此，通過國家“973”項(xiàng)目和油氣重大專項(xiàng)的支持，中國東部陸相斷陷盆地頁巖熱演化過程中生排烴和頁巖油賦存機(jī)理研究進(jìn)展顯著。然而，建立和完善不同構(gòu)造和沉積背景控制下的頁巖油資源分類評(píng)價(jià)方法，特別是對(duì)揭示中西部盆地頁巖油賦存機(jī)理，仍然任重道遠(yuǎn)。

5 陸相烴類流動(dòng)機(jī)理、方式和時(shí)間尺度效應(yīng)

陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖中烴類多相多尺度流動(dòng)機(jī)理研究取得重要進(jìn)展，迫切需要明確不同頁巖微相的烴類流動(dòng)方式和時(shí)間尺度效應(yīng)。頁巖油儲(chǔ)層非常致密，富含有機(jī)質(zhì)，礦物組成復(fù)雜，孔隙類型和流體賦存狀態(tài)多樣[150-152]。頁巖油藏與常規(guī)油藏的一個(gè)最大區(qū)別是頁巖儲(chǔ)層中具有較高含量的干酪根，干酪根可以吸附和溶解大量的烴類流體，使得頁巖儲(chǔ)層含有兩種截然不同的多孔介質(zhì)[153-154]。頁巖儲(chǔ)層同時(shí)存在納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔隙和礦物晶間孔、微米級(jí)粒間孔和毫米級(jí)的裂縫，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性和復(fù)雜的多尺度特征。流體流動(dòng)會(huì)跨越多個(gè)尺度，使得流動(dòng)異常復(fù)雜?，F(xiàn)階段的研究主要集中于單相液體在納米尺度下的流動(dòng)現(xiàn)象及與其他各尺度的耦合。納米尺度下液體流動(dòng)的研究方法主要包括流動(dòng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)主要是選取納米多孔材料作為模型，代替天然頁巖中的納米孔隙。模型材料的實(shí)驗(yàn)指出油水組分無法滲入和穿透的孔隙閾值介于20～50 nm[155]。盡管可以修飾模板材料的表面，但是否可以真正模擬頁巖表面的化學(xué)性質(zhì)有待驗(yàn)證。干酪根孔隙的壁面粗糙度遠(yuǎn)高于碳納米管，與流體分子間的相互作用更加復(fù)雜，因此，有機(jī)孔中的流動(dòng)不能完全類比在碳納米管中的流動(dòng)。用親水的微流控芯片代表無機(jī)孔隙，較大的實(shí)驗(yàn)誤差使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性和可重復(fù)性受到限制，并且實(shí)驗(yàn)的分辨率很難真正達(dá)到納米級(jí)[156]。

由于實(shí)驗(yàn)研究的局限性，數(shù)值模擬被認(rèn)為是一種有效的研究方法。目前常采用的模擬方法為分子動(dòng)力學(xué)模擬和格子Boltzmann模擬方法。格子Boltzmann模擬是一種潛在的有效工具，但方法尚不成熟，仍在發(fā)展中。分子模擬是從統(tǒng)計(jì)力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，通過對(duì)合理的分子模型進(jìn)行模擬計(jì)算，可以得到微觀尺度的流動(dòng)規(guī)律。模擬結(jié)果顯示，流體在納米孔隙壁面的密度分布只與表面潤(rùn)濕性有關(guān)[157]，為多層吸附[158]，吸附層數(shù)與孔徑大小有關(guān)[159]，且吸附層內(nèi)的流體也有流速。但分子模擬受到模型構(gòu)建、計(jì)算速度、力場(chǎng)參數(shù)準(zhǔn)確性的影響，還未能得出一致認(rèn)可的結(jié)論。目前關(guān)于液體在納米尺度孔縫內(nèi)的流動(dòng)機(jī)理和流動(dòng)狀態(tài)尚無定論。而微米級(jí)以上尺度的孔隙是溝通納米孔隙的主力孔隙，在微米尺度以上，普遍認(rèn)為常規(guī)達(dá)西滲流等理論仍適用。

勝利油田勘探院研究團(tuán)隊(duì)綜合地質(zhì)資料和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料，明確了陸相泥頁巖不同巖相微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及差異，確定了濟(jì)陽頁巖油出油井段產(chǎn)能差異的主控地質(zhì)因素，建立了濟(jì)陽頁巖油6種有利巖相組合模式：泥頁巖、夾砂巖條的泥頁巖、夾白云巖條的泥頁巖、泥頁巖中帶砂巖層、砂巖—泥頁巖互層和灰?guī)r—泥頁巖互層[160]。國內(nèi)專家學(xué)者通過對(duì)比北美的海相頁巖油和中國的陸相頁巖油，梳理了頁巖油甜點(diǎn)分析的主要因素，指出巖性為紋層狀頁巖是篩選有利儲(chǔ)層的關(guān)鍵因素之一[160-161]。頁巖油流動(dòng)模擬中另一個(gè)重要問題是如何耦合各尺度的流動(dòng)。現(xiàn)有的研究中均為借鑒頁巖氣的研究思路，將各尺度的流動(dòng)形態(tài)通過竄流項(xiàng)來耦合[162-165]，形成多重介質(zhì)模型或等效介質(zhì)模型。陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖紋層發(fā)育，并且紋層間滲透率存在數(shù)量級(jí)的差別。因此，既要考慮各尺度介質(zhì)間的竄流，也要考慮不同紋層的層間竄流。而多重介質(zhì)模型和等效介質(zhì)模型均不能細(xì)致描述紋層間的竄流。董明哲等[166]建立了紋層發(fā)育的頁巖油儲(chǔ)層概念模型，分析了紋層間單相竄流機(jī)理，探討了彈性開采過程中砂巖紋層、天然裂縫和壓裂縫對(duì)加強(qiáng)紋層間流體傳遞的重要作用。而對(duì)于更加復(fù)雜的油水兩相頁巖儲(chǔ)層，不同巖層交互模式、比例、厚度、滲透率等地質(zhì)或滲流參數(shù)對(duì)頁巖油資源量、富集方式、滲流規(guī)律的影響尚需深入探索和研究。

關(guān)于頁巖油氣儲(chǔ)層地質(zhì)條件的研究認(rèn)為，低沉積速率控制紋層發(fā)育與富硅質(zhì)沉積，易于形成微裂縫，這是頁巖油氣甜點(diǎn)段形成的基本地質(zhì)條件之一[167-169]。較發(fā)育的層理縫和垂直于紋層發(fā)育的高角度天然微裂縫在一定程度上可改善頁巖儲(chǔ)集性，極大地提高頁巖的滲流能力，為頁巖油滲流提供必要通道[167,170-173]。同時(shí)，高角度天然微裂縫雖然長(zhǎng)度較小且孤立存在，但能溝通紋層結(jié)構(gòu)中的砂巖層和頁巖層，可有效提高頁巖層與砂巖層之間的竄流量，改善垂向流動(dòng)條件，且與人工壓裂縫互聯(lián)成為裂縫網(wǎng)絡(luò)，極大提高頁巖油氣動(dòng)用范圍[174]。因此，有必要深入開展不同巖相及組合模式下的頁巖油滲流機(jī)理及開發(fā)效率研究。

中國頁巖海陸相并存，巖石主要組分包括泥質(zhì)、碳酸鹽礦物、粉砂及砂質(zhì)三大類。黏土礦物含量分布較寬，如東營(yíng)凹陷泥頁巖陸源碎屑及黏土礦物含量為10%～50%，沾化凹陷羅家地區(qū)泥頁巖黏土礦物含量為10%～40%[175]；準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組頁巖中黏土礦物含量27%～56%[176]。頁巖油藏中的黏土礦物與流體的相互作用會(huì)顯著影響流體的流動(dòng)能力。黏土礦物水化膨脹的機(jī)理研究已較為深入，水化膨脹會(huì)使黏土礦物分散并產(chǎn)生沉淀，堵塞流動(dòng)通道，導(dǎo)致滲透率降低[177-178]。當(dāng)水相飽和度極低時(shí)，油與黏土礦物會(huì)有部分直接接觸而產(chǎn)生吸附[179]。當(dāng)水含量增加時(shí)，吸附油比例降低[180]，但由于水化膨脹的影響，油的流動(dòng)能力增幅有限[181]。但是，黏土礦物對(duì)頁巖油水兩相分布及滲流規(guī)律的影響目前未見研究，因此，建立新的實(shí)驗(yàn)方法，揭示黏土礦物對(duì)頁巖儲(chǔ)層的微觀結(jié)構(gòu)、多相滲流特征、巖石力學(xué)參數(shù)的影響，對(duì)提高頁巖油采收率具有重要的指導(dǎo)意義。

SANG等[182]根據(jù)不同流體在不同孔隙中的潤(rùn)濕及賦存特征，通過油氣水流體飽和實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了中國東部濟(jì)陽坳陷陸相頁巖巖石樣品的無機(jī)孔隙度、有機(jī)孔隙度、最大有機(jī)飽和度、最大無機(jī)飽和度和吸附互溶態(tài)流體飽和度。所測(cè)樣品的有機(jī)飽和油量(含有機(jī)游離態(tài)流體和吸附互溶態(tài)流體)占總飽和量的6%～55%，其中50%～90%為吸附互溶態(tài)，其余為有機(jī)孔隙中的游離態(tài)油相。通過擬合油、水自吸曲線得到所測(cè)頁巖的無機(jī)滲透率和有機(jī)滲透率，有機(jī)滲透率比無機(jī)滲透率約低1.5～2個(gè)數(shù)量級(jí)[183]。頁巖層系中流體包括油、氣、水等多個(gè)相態(tài)，多相流體在頁巖不同尺度介質(zhì)中流動(dòng)現(xiàn)象更為復(fù)雜。有機(jī)質(zhì)的親油性和黏土礦物的親水性將影響水相在不同尺度孔隙中的分布和流動(dòng)性，進(jìn)而影響油的連續(xù)性和流動(dòng)性。而不同巖性紋層中油水的飽和度和流動(dòng)性也將影響油從泥頁巖向砂巖的運(yùn)移能力。目前頁巖儲(chǔ)層多相流體流動(dòng)機(jī)制的研究方法尚未完善，有關(guān)其流動(dòng)機(jī)制及規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頁巖油的可動(dòng)性，陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖中的多相流動(dòng)機(jī)理已成為研究的重點(diǎn)之一。

盡管有水平井技術(shù)和體積壓裂技術(shù)的支持，頁巖油以彈性開采為手段的開發(fā)過程仍面臨生產(chǎn)周期短(<10年)和采收率低(3%～10%)的問題[184]。因此，各種提高頁巖油采收率方法的室內(nèi)研究已逐漸開展。頁巖具有低孔低滲和富含有機(jī)質(zhì)的特征，普遍認(rèn)為注水開發(fā)難度大，有研究認(rèn)為通過表面活性劑水溶液的自發(fā)滲吸來實(shí)現(xiàn)油藏潤(rùn)濕性由親油變?yōu)橛H水的轉(zhuǎn)變可以提高采收率[185-186]。室內(nèi)覆蓋基質(zhì)滲透率為(2～10)×10-3μm2巴肯巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面活性劑水溶液自發(fā)滲吸可以排出15%～60% 預(yù)先飽和的油相[187-189]。但自吸過程僅僅在很小距離范圍(如厘米級(jí))內(nèi)有效，油藏中必須使用高壓注入才行，同時(shí)要考慮泥頁巖黏土含量高、易水化膨脹以及對(duì)有機(jī)質(zhì)內(nèi)吸附互溶態(tài)的烴類動(dòng)用等問題。

對(duì)于低滲透儲(chǔ)層，注氣開發(fā)較水驅(qū)更為有效，它能夠有效地避免黏土水化膨脹及注入困難等問題，常用的有注CO2、CH4和N2等[190-191]。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究表明，在Wolfcamp頁巖油儲(chǔ)層利用CO2、CH4和N2三種氣體吞吐的增產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)中，CO2吞吐提高采收率效果最好，其次是N2和CH4[118,192]。頁巖儲(chǔ)層通常含有豐富的有機(jī)質(zhì)干酪根，CO2對(duì)頁巖中干酪根內(nèi)的吸附溶解的烴類化合物具有很強(qiáng)的萃取作用[174,193-194]，對(duì)不同類型的頁巖油樣品進(jìn)行CO2多輪次吞吐室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其最終采收率可達(dá)到33%～85%，且最終采收率與頁巖性質(zhì)、多輪次吞吐操作參數(shù)(燜井時(shí)間、吞吐次數(shù)等)有關(guān)[195]。同時(shí)，CO2與干酪根可以發(fā)生相互作用，導(dǎo)致頁巖比表面積、孔隙度和微觀結(jié)構(gòu)的改變[196-197]，CO2還能在干酪根中發(fā)生吸附和溶解作用[198]。這些性質(zhì)決定了CO2有望將頁巖中吸附互溶態(tài)的烴類化合物動(dòng)用，但巖心實(shí)驗(yàn)所用的吞吐壓力很高(6～25 MPa)，實(shí)際礦場(chǎng)應(yīng)用中不可能實(shí)現(xiàn)這樣的壓力梯度。如何使CO2深度進(jìn)入頁巖基質(zhì)并能有效將油相排至裂縫而產(chǎn)出，將是CO2提高頁巖油在采收率研究的難點(diǎn)和核心問題。相比于北美海相頁巖，中國陸相頁巖油具有分布范圍小、成熟度低、原油密度大、含蠟量高、粘度高等特征[199]，因此應(yīng)用CO2或類似的溶劑以降低油相黏度非常必要。但是CO2對(duì)游離態(tài)和吸附互溶態(tài)頁巖油的動(dòng)用程度究竟如何，目前還沒有報(bào)道。如何通過注水或表面活性劑等化學(xué)劑來調(diào)控CO2與頁巖油的混相能力及波及體積，提高CO2對(duì)干酪根中吸附互溶態(tài)原油的替代和萃取能力以及夾條帶的驅(qū)油效率，成為彈性開采后提高采收率急需解決的關(guān)鍵問題。

近年來，中國石油大學(xué)(華東)研究團(tuán)隊(duì)在頁巖油儲(chǔ)集性能與流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)表征、頁巖油氣數(shù)字巖心孔隙級(jí)流動(dòng)模擬和頁巖油氣多尺度流動(dòng)模擬理論與方法等方面，進(jìn)行了大量的工作并取得了良好的進(jìn)展和效果，并在頁巖油CO2提高采收率實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究領(lǐng)域展開了初步研究[174]。已改進(jìn)并搭建頁巖油多相多尺度流動(dòng)機(jī)理研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。設(shè)計(jì)了特制頁巖巖心實(shí)驗(yàn)裝置，建立了頁巖油巖心有機(jī)孔滲飽和無機(jī)孔滲飽的表征方法。搭建了多巖心串聯(lián)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)、彈性開采、溶解氣驅(qū)、混相驅(qū)、CO2驅(qū)替/吞吐等各類實(shí)驗(yàn)裝置，分析了頁巖油的流動(dòng)特征和流動(dòng)潛力。結(jié)合一維/多維核磁共振技術(shù)，表征各類動(dòng)態(tài)驅(qū)替過程中不同時(shí)刻、不同孔隙中單相/多相流體的飽和度變化，評(píng)價(jià)頁巖油可動(dòng)性及有效動(dòng)用條件。并建立了描述頁巖油藏的數(shù)字巖心、管流模型、毛管束模型、巖心尺度及開發(fā)尺度等5個(gè)不同尺度的流動(dòng)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示不同尺度孔隙空間中頁巖油的流動(dòng)機(jī)制?；陧搸r油流動(dòng)機(jī)理建立了頁巖油流動(dòng)模擬方法，分析不同流動(dòng)模式和參數(shù)對(duì)頁巖油流動(dòng)規(guī)律的影響。以上工作為陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖中烴類多相多尺度流動(dòng)機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)，也為研究不同頁巖微相的烴類流動(dòng)方式和開發(fā)頁巖油有效提高采收率方法提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

6 陸相頁巖油選區(qū)評(píng)價(jià)參數(shù)、甜點(diǎn)預(yù)測(cè)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

迄今為止，國外研究工作的重點(diǎn)在海相頁巖油氣領(lǐng)域，對(duì)陸相頁巖油富集機(jī)理關(guān)注不夠[200-201]。通過幾代石油地質(zhì)學(xué)家的共同努力，在中國東部陸相盆地的油氣勘探開發(fā)實(shí)踐中，逐步形成了具有中國特色的陸相生油理論，成功地指導(dǎo)了大慶、勝利等一系列大中型常規(guī)油氣田的發(fā)現(xiàn)。陸相頁巖油勘探開發(fā)是一個(gè)全新的探索領(lǐng)域。初步研究表明，頁巖油富集成藏特征與源儲(chǔ)分離的常規(guī)石油有很大不同，而與頁巖氣在聚集機(jī)理、儲(chǔ)集空間、流體和分布特征等方面有一定相似之處[153]，表現(xiàn)為：(1)源儲(chǔ)一體，滯留聚集；(2)較高成熟度富有機(jī)質(zhì)頁巖，含油性較好；(3)發(fā)育納米級(jí)孔縫系統(tǒng)，有利于頁巖油聚集；(4)儲(chǔ)層脆性指數(shù)較高的地層有利于壓裂改造；(5)地層壓力高、油質(zhì)輕，容易流動(dòng)和開采；(6)大面積連續(xù)分布，資源潛力大。

北美海相頁巖油氣勘探開發(fā)實(shí)踐結(jié)果表明，大規(guī)模頁巖油氣區(qū)帶多形成于克拉通內(nèi)部和邊緣凹陷、前陸盆地等穩(wěn)定寬緩的構(gòu)造背景區(qū)，大面積分布的優(yōu)質(zhì)烴源巖奠定了頁巖油氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)，大面積分布的致密碳酸鹽巖、膏巖或巨厚泥質(zhì)巖頂?shù)装逍纬蓞^(qū)域性壓力“分隔箱”，將已經(jīng)生成的油氣保持于烴源巖體系之中，合適的熱演化程度(生油—生氣高峰)有利于烴源巖層系中烴類原位滯留，與排烴不暢伴隨的欠壓實(shí)作用和微裂縫形成等因素構(gòu)成地質(zhì)和工程“甜點(diǎn)”，控制著海相頁巖油的規(guī)模富集[28,202-205]。海陸相沉積體系的差異，決定了二者在海陸相頁巖油的形成、演化和富集特征方面的差異性[206]。

隨著中國揚(yáng)子、塔里木和華北等3大古老克拉通的逐漸解體，在此基礎(chǔ)上形成的中國古老陸塊規(guī)模小、數(shù)量多，從石炭—二疊紀(jì)開始，從西向東，中國進(jìn)入陸相盆地發(fā)育階段，形成的陸相沉積盆地以類型多、分割性和后期活動(dòng)性強(qiáng)為特點(diǎn)。由于形成的構(gòu)造環(huán)境整體穩(wěn)定性較差，中國陸相頁巖油主要分布在沉積環(huán)境變化大的陸相湖盆。陸相沉積體系受到盆地類型和活動(dòng)強(qiáng)度多樣性的控制，在淡水湖泊、混積湖泊與咸化湖泊等環(huán)境，均可形成各具特色的細(xì)粒巖石沉積體系。理解陸相細(xì)粒沉積體系的復(fù)雜性，必須從理解陸相沉積體系多樣性、沉積相帶變化快、沉積巖性復(fù)雜多變、儲(chǔ)蓋組合樣式多變等特征著手[118,207]。

受全球性古氣候變遷的影響，中國陸相盆地經(jīng)歷了多個(gè)陸相大中型湖泊發(fā)育的巔峰期，適宜的氣候條件造就了多套優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成。與此同時(shí)，區(qū)域性大地構(gòu)造演化的差異性，造成了湖泊體系中陸源碎屑沉積、生物和化學(xué)沉積以及火山碎屑沉積的復(fù)雜性，從而帶來了烴源巖層系的多樣性和非均質(zhì)性。因此，古氣候背景與區(qū)域構(gòu)造環(huán)境疊加的雙重影響，是中國陸相頁巖油非均質(zhì)性的根源。這種非均質(zhì)性不僅體現(xiàn)在烴源巖的沉積類型、巖性、厚度和分布規(guī)模以及有機(jī)質(zhì)類型、豐度和熱演化行為，而且體現(xiàn)在烴源巖儲(chǔ)層的巖石力學(xué)性質(zhì)。

要取得中國陸相頁巖油勘探開發(fā)的重大突破，必須正確認(rèn)識(shí)陸相頁巖油資源潛力，找準(zhǔn)頁巖油富集區(qū)，攻克高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)工程工藝技術(shù)。前期我們對(duì)美國海相頁巖油氣成功經(jīng)驗(yàn)和中國陸相頁巖油勘探前期經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理[206]。在此基礎(chǔ)上，初步形成了在選區(qū)評(píng)價(jià)上重點(diǎn)關(guān)注TOC值大于2%和Ro值大于0.7%的區(qū)帶，鉆探目的層選擇上聚焦脆性礦物含量高的紋層、夾層或天然微裂縫發(fā)育段，在工程工藝上重視含油頁巖體積壓裂規(guī)模的認(rèn)識(shí)，提出了中國陸相頁巖油發(fā)展的三步走戰(zhàn)略建議[206,208]。由于中國陸相頁巖油富集機(jī)理研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于生產(chǎn)實(shí)踐，針對(duì)不同盆地特定頁巖層系的特殊地質(zhì)條件，建立陸相頁巖油資源分類定量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、勘探選區(qū)評(píng)價(jià)地質(zhì)參數(shù)、地質(zhì)和工程甜點(diǎn)預(yù)測(cè)方法以及關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)刻不容緩。

7 深化陸相頁巖油富集機(jī)理研究需要解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題

陸相頁巖油勘探開發(fā)是一個(gè)全新的探索領(lǐng)域，國內(nèi)走在世界油氣產(chǎn)業(yè)的前沿，在本領(lǐng)域已經(jīng)有很好的研究基礎(chǔ)。但是，隨著中國陸相頁巖油快速步入戰(zhàn)略突破期，這些研究的局限性也逐漸顯露出來：一是東部斷陷盆地的前期研究主要聚焦于富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層，而中西部盆地的研究重點(diǎn)在頁巖層系中的致密油儲(chǔ)層；二是前期研究以靜態(tài)描述為主，缺少對(duì)這些頁巖油儲(chǔ)集要素在盆地動(dòng)力學(xué)條件變化過程中動(dòng)態(tài)演化機(jī)理和分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)；三是對(duì)不同類型盆地陸相頁巖系統(tǒng)的沉積非均質(zhì)性及后續(xù)的成巖、成儲(chǔ)、成烴和富集成藏非均質(zhì)性認(rèn)識(shí)不足。

因此，需要從以下4個(gè)方面著手，加強(qiáng)不同類型陸相頁巖油層系的全過程動(dòng)態(tài)演化和頁巖油富集機(jī)理研究：

(1)頁巖在不同沉積環(huán)境與成巖作用影響下，經(jīng)歷了復(fù)雜的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)集空間演化。由于中國陸相盆地類型復(fù)雜，針對(duì)沉積時(shí)期水體性質(zhì)與外源輸入如何控制頁巖原始礦物組成的認(rèn)識(shí)尚不明確。同時(shí)，對(duì)埋深壓實(shí)與去壓實(shí)過程中頁巖礦物和儲(chǔ)集空間再次轉(zhuǎn)化關(guān)系認(rèn)知尚少。陸相頁巖沉積—成巖協(xié)同作用機(jī)制是陸相頁巖油勘探與開發(fā)首要解決的理論問題。

(2)中國中低成熟度(Ro<0.9 %)頁巖油資源在中國頁巖油資源中的占比為60%～70%。早期階段我們鉆探的大部分頁巖油井之所以低產(chǎn)，最主要原因是原油成熟度低、黏度大、含蠟量高、流動(dòng)性差。對(duì)這些原油地下流動(dòng)機(jī)理與動(dòng)用的物理化學(xué)條件認(rèn)識(shí)不清。揭示中低熟頁巖油的賦存方式、流動(dòng)機(jī)理與動(dòng)用邊界條件，是實(shí)現(xiàn)中低熟頁巖油有效開發(fā)的理論基礎(chǔ)。

(3)高成熟度(Ro>0.9%)頁巖油資源中，單井初始產(chǎn)量和最終控制可采儲(chǔ)量(EUR)明顯好于中低熟頁巖油，多數(shù)井大于30 t/d，最高單井初始產(chǎn)量大于100 t/d。但是，中國陸相頁巖油單井初始產(chǎn)量和EUR明顯低于美國海相頁巖油。導(dǎo)致這一差距的部分原因是陸相頁巖非均質(zhì)性強(qiáng)、黏土礦物含量高、水敏性強(qiáng)、脆性低，對(duì)于陸相頁巖油富集要素、人工壓裂機(jī)理及其主控因素的認(rèn)知也遠(yuǎn)不如海相頁巖，制約了陸相頁巖油鉆探目標(biāo)優(yōu)選、儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)與高效開發(fā)。

(4)鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾和渤海灣等陸相沉積盆地在構(gòu)造類型和演化歷史上存在顯著差異。研究這些不同沉積盆地的頁巖油富集規(guī)律，明確它們?cè)陧搸r層系與儲(chǔ)集性、含油性、可壓性、可動(dòng)性等“四性”的主控因素上的共性特征和差異性，有什么異同性。這些問題的回答也極大地影響著對(duì)中國頁巖油資源潛力的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，影響著選區(qū)選帶，進(jìn)而直接影響著中國頁巖油發(fā)展的速度與規(guī)模。

圍繞著陸相頁巖油井位部署與鉆完井工程面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步開展典型盆地陸相頁巖油動(dòng)態(tài)演化與富集機(jī)理研究，對(duì)于加快中國頁巖油開發(fā)進(jìn)程、保障石油安全具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

致謝：感謝中國石化油田事業(yè)部、科技發(fā)展部、勝利油田分公司和江漢油田分公司在項(xiàng)目研究過程中給予的大力支持。