張 順

(中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，東營 257015)

陸相油氣勘探工作從盆地邊緣向盆地中心進(jìn)源找油[1-2]，渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷古近系烴源巖厚度大，范圍廣，有機(jī)質(zhì)豐度高，資源基礎(chǔ)落實(shí)，已經(jīng)支撐勝利油田發(fā)展數(shù)十年。濟(jì)陽坳陷頁巖油勘探歷程以2008年為界限，2008年以后由偶遇試油試采階段進(jìn)入主動探索評價階段，部署并完鉆4口頁巖系統(tǒng)取芯井[3]。

中外勘探實(shí)踐表明[4-6]，頁巖油成藏的關(guān)鍵要素是“甜點(diǎn)”的發(fā)育程度，甜點(diǎn)越發(fā)育，含油氣性越好。頁巖層系液態(tài)烴地質(zhì)甜點(diǎn)區(qū)關(guān)注烴源巖、儲集層、天然裂縫、地層能量、局部構(gòu)造等綜合評價，在縱向上具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。北美地區(qū)頁巖油主要產(chǎn)自海相地層[7-9]，中國頁巖油主要產(chǎn)自陸相深水頁巖地層，面臨非均質(zhì)性強(qiáng)、黏土礦物含量高、有機(jī)質(zhì)成熟度較低、原油流動性較差、水平井壓裂技術(shù)不適用等難題[10-13]。渤南洼陷的羅42、新義深9及東營凹陷的河54、永54等10口井的累積產(chǎn)量過萬噸，但針對頁巖層部署的專探井卻未取得理想的產(chǎn)油效果。近年來，諸多專家針對陸相頁巖油甜點(diǎn)展開了系統(tǒng)研究，在頁巖油甜點(diǎn)劃分[14]、井震聯(lián)合評價[15]及砂巖夾層在頁巖油勘探中的作用[16]等方面做了有益探討。由于低油價和甜點(diǎn)分布規(guī)律不明，甜點(diǎn)評價標(biāo)準(zhǔn)、有利區(qū)與目標(biāo)評價方面需要進(jìn)一步深化。為此，以濟(jì)陽坳陷東營凹陷和沾化凹陷古近系頁巖為研究對象，對頁巖油富集要素進(jìn)行分析，對頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)進(jìn)行分類，為甜點(diǎn)區(qū)的評價和優(yōu)選提供理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)，對油田的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 地質(zhì)背景

濟(jì)陽坳陷位于渤海灣盆地東南部，由車鎮(zhèn)、沾化、東營、惠民等地的次級凹陷組成(圖1)。面積約2.5×104km2[13，18]。東營凹陷和沾化凹陷面積較大，平面上以復(fù)合半地塹為特征[10,12，19]。盆地的構(gòu)造演化包括裂陷、斷陷和坳陷期。濟(jì)陽坳陷由中生代至新生代充填盆地地層組成，由下至上依次為孔店組、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組、平原組[12，19]。沙河街組自底部至頂部又可進(jìn)一步細(xì)分為沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)、沙一段(Es1)4個子單元。

圖1 濟(jì)陽坳陷位置及主要構(gòu)造單元

2 濟(jì)陽坳陷頁巖油富集類型及產(chǎn)能

2.1 頁巖油的富集類型

中國石化2018年陸相頁巖油選區(qū)評價工作規(guī)范中定義的頁巖油是指主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖，殘余有機(jī)碳含量(TOC)大于1%、粒徑小于0.005 mm的細(xì)粒碎屑巖及其碳酸鹽巖、砂巖薄夾層中的液態(tài)烴，為富有機(jī)質(zhì)泥頁巖生成但未能完全排出而滯留或僅經(jīng)過極短距離運(yùn)移而就地聚集的產(chǎn)物，屬于自生自儲型油氣類型。含油頁巖層段中，泥頁巖厚度占到地層厚度的60%以上。結(jié)合中國石化探區(qū)陸相頁巖油的地質(zhì)條件，規(guī)定TOC含量大于1%頁巖的連續(xù)厚度原則上應(yīng)大于30 m，TOC小于0.5%的其他巖性夾層原則上厚度小于3 m。借鑒張金川等[20]分類，結(jié)合濟(jì)陽坳陷陸相頁巖自身地質(zhì)特征，根據(jù)巖性組合和儲集空間特點(diǎn)可將頁巖油儲層大致劃分為基質(zhì)型、裂縫型、夾層型及復(fù)合型。

2.2 頁巖油產(chǎn)能情況

目前，濟(jì)陽坳陷已發(fā)現(xiàn)的頁巖油埋藏淺、成熟度低，高成熟度輕質(zhì)頁巖油尚未開展評價，低成熟度重質(zhì)頁巖油產(chǎn)能差異大。根據(jù)頁巖油分類型單井產(chǎn)量數(shù)據(jù)，日產(chǎn)量最高的為復(fù)合型甜點(diǎn)，其次為裂縫型和夾層型，基質(zhì)型產(chǎn)能最低。從產(chǎn)出情況來看，裂縫型甜點(diǎn)初期高產(chǎn)，但高產(chǎn)持續(xù)周期較短，產(chǎn)量遞減快，綜合含水上升快4%～26.7%。夾層型頁巖油開采初期不含水，隨著頁巖油的開采，綜合含水率逐漸升高，由0升至30%，以義21井和河54井為代表。對累計產(chǎn)量較高頁巖油井遞減率進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)含夾層頁巖油高產(chǎn)高遞減、低產(chǎn)低遞減，而不含夾層頁巖油都是低產(chǎn)高遞減(圖2)。進(jìn)一步推測夾層是頁巖油產(chǎn)出的有效通道。對于裂縫型頁巖油，由于地質(zhì)理論和預(yù)測技術(shù)還不足以支持對裂縫型頁巖油的系統(tǒng)研究，現(xiàn)階段，夾層型地頁巖油質(zhì)基礎(chǔ)較好，井控壓裂試驗(yàn)見效，為首選的突破類型。

圖2 累計產(chǎn)量較高頁巖油井初產(chǎn)與遞減關(guān)系

3 濟(jì)陽坳陷頁巖油富集要素

3.1 巖相(及其組合)和儲集物性

結(jié)合前人研究[12-13，17-23]，濟(jì)陽坳陷古近系這套富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育多種巖石和巖相類型，現(xiàn)一般將沉積構(gòu)造作為巖相大類劃分的主要依據(jù)。富有機(jī)質(zhì)的紋層狀巖相(紋層狀灰?guī)r相根據(jù)碳酸鹽礦物的晶體形貌又可以進(jìn)一步分為紋層狀泥晶、微晶、亮晶灰?guī)r相等)中，有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽礦物多以富集條帶狀分布，在不同礦物之間存在接觸面，這些接觸面可作為流體保存的有利儲存空間，而在部分紋層狀頁巖內(nèi)，也存在著大量重結(jié)晶礦物[24]，包括重結(jié)晶的白云石、鐵白云石、方解石和鐵方解石等，這些重結(jié)晶礦物對開啟縫隙具有支撐作用[圖3(f)]，并且礦物之間也存在一定量的粒間孔，以微米級及超微米級儲集空間為主。

圖3 富有機(jī)質(zhì)紋層狀微晶-亮晶灰?guī)r電子探針元素分析

利用壓汞法和GRI法對頁巖儲層物性進(jìn)行聯(lián)測，通過巖石薄片和掃描電鏡觀察孔隙類型、測量孔徑?？傮w上，紋層狀頁巖孔隙度最高，分布于8.1%～13.5%，平均值為11.3%(表1)，孔隙主峰值在10 nm以上，多尺度的孔隙處于連續(xù)分布狀態(tài)，孔隙類型多樣(圖4)且連通率較高，10 nm以上的孔隙連通率高一般大于50%，滲透率一般在1×10-3～10×10-3μm2。層狀泥頁巖以方解石晶間孔和黏土礦物片間孔為主，孔隙度分布范圍為5.9%～12.3%，平均值為7.9%，10 nm以上的孔隙連通率高一般為20%～50%，滲透率一般在0.1×10-3～1×10-3μm2。塊狀泥巖有機(jī)質(zhì)、黏土及碳酸鹽礦物大多呈分散狀分布，以介孔尺度的黏土礦物片間孔、收縮縫和有機(jī)質(zhì)收縮孔為主，孔隙度分布在2.7%～4.5%，平均值為3.9%，孔隙主峰值在10 nm以下，孔隙呈不連續(xù)分布，孔隙連通率差，10 nm以上的孔隙連通率高一般小于20%，滲透率一般小于0.1×10-3μm2。因此，富含碳酸鹽礦物的紋層狀巖相是陸相頁巖油儲集的最有利巖相(表1、圖4)。

圖4 濟(jì)陽坳陷古近系頁巖儲層主要儲集空間類型對孔隙度貢獻(xiàn)

表1 富有機(jī)質(zhì)紋層狀頁巖孔隙類型及孔徑大小

富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段雖然高含油，但難以有效動用[25]。夾層不但自身產(chǎn)油，而且是頁巖油的重要產(chǎn)出通道，夾層的發(fā)育自然增加了供油體積。就夾層型頁巖油本身而言，夾層的類型和厚度不同，頁巖油的產(chǎn)能也有所不同。哪一種夾層類型更優(yōu)，現(xiàn)在還并不十分明確。

3.2 成巖作用及演化

目前，對于海相頁巖成巖作用的研究主要強(qiáng)調(diào)硅質(zhì)、生物成巖和膠結(jié)作用[22-24]，陸相頁巖成巖作用的研究聚焦在碳酸鹽礦物和黏土礦物的演化[25-28]。一般地，碳酸鹽礦物溶蝕與重結(jié)晶、黏土礦物轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)熱演化控制了陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖微納米儲集空間形成與演化[29-30]。

湖相深水頁巖儲集體孔隙類型及演化特征與成巖時間和成巖階段密切相關(guān)。咸化湖泊富有機(jī)質(zhì)、富含碳酸鹽的紋層狀巖相在中成巖B期(Ro>0.7)以后，泥晶向微晶、亮晶方解石演化，次生孔隙類型增多，部分孔隙開始溝通合并(圖5)；至埋深3 100 m，亮晶方解石形成的厚度約1 cm以上的灰?guī)r夾層在頁巖層系中廣泛發(fā)育；而白云巖化作用下形成的孔徑較大的(鐵)白云石晶間孔也開始發(fā)育。因此，進(jìn)入中成巖階段中期-后期，紋層狀頁巖普遍發(fā)育次生孔隙為主的高孔發(fā)育帶，層狀巖相增孔效應(yīng)明顯，也演化為有利巖相。

圖5 紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r不同尺度下微觀孔隙類型(95#)

3.3 地層壓力

一般地，壓力系數(shù)大于1的屬于超壓儲層，中美主力含油氣頁巖都屬于超壓狀態(tài)。沾化凹陷羅69井試油井段實(shí)測壓力超過54 MPa，壓力系數(shù)為1.82；新義深9井在埋深3 355～3 430 m試油段實(shí)測壓力為60.02 MPa，壓力系數(shù)為1.79。

以濟(jì)陽坳陷東營凹陷為例，2 800 m以淺，超壓主要為他源超壓，主要分布在溝通深部的斷層附近深部超壓流體傳遞所致[30-32]；2 800～2 900 m以深，主要為自源超壓，為生烴成因，超壓強(qiáng)度由凹陷中心向邊緣減弱，超壓強(qiáng)度由凹陷中心向某些斷層減弱。采用Eaton法計算濟(jì)陽坳陷巖層破裂下限的壓力系數(shù)平均約為1.2。以濟(jì)陽坳陷東營凹陷壓力系數(shù)高于1.2和其他常規(guī)儲層含油性壓力系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果為例，在壓力系數(shù)≥1.2的儲層中，水層所占比例僅為1.86%，其他儲層水層所占比例高達(dá)21.11%；480余個超壓試油層中，只有9個為水層，而且9個水層中還有4個有油產(chǎn)出。因此，幾乎所有超壓層均含油(數(shù)據(jù)源于勝利油田勘探開發(fā)研究院地球化學(xué)研究室)。

現(xiàn)今自源超壓發(fā)育深度與泥頁巖滯留烴含量峰值段(或生烴高峰)具有很好的對應(yīng)關(guān)系。生烴高峰導(dǎo)致超壓和次生孔隙發(fā)育，次生孔隙發(fā)育為滯留烴提供儲集空間，超壓條件為頁巖油產(chǎn)出提供天然能量。烴類流體超壓段、滯留烴含量高峰帶、次生孔隙發(fā)育帶三者一致(3 200～3 800 m)。

3.4 烴類流體性質(zhì)

地層原油密度隨深度增加而變小，主要受氣油比、液態(tài)烴組成、壓力和溫度控制。北美頁巖油高產(chǎn)區(qū)主要為輕質(zhì)油、少量中質(zhì)油原油密度較低，其中鷹灘頁巖原油密度 0.898 4～0.738 9 cm3/g，主要在0.82～0.87 cm3/g；蒙特里頁巖原油密度 1.029 1～0.852 0 cm3/g,主要在0.876 2 cm3/g，主要為中質(zhì)油。

目前，濟(jì)陽坳陷已發(fā)現(xiàn)的頁巖油埋藏淺，成熟度低，密度>0.88 cm3/g，較北美流動性較差；高成熟度輕質(zhì)頁巖油尚未開展評價，低成熟度重質(zhì)頁巖油產(chǎn)能差異大。埋深與日產(chǎn)油量有較好的相關(guān)關(guān)系，對于中低演化成熟度的陸相頁巖，氣油質(zhì)量比(油性)作為衡量演化程度的指標(biāo)可能更具有代表性。通過分析滯留油氯仿瀝青A族組成，結(jié)合生烴物理模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物分析，考慮溫度壓力等因素，建立了烴類流體性質(zhì)綜合演化剖面(圖6)。

圖6 頁巖有機(jī)質(zhì)生烴演化、孔隙結(jié)構(gòu)、地層壓力、烴類流體性質(zhì)綜合演化剖面

4 頁巖油甜點(diǎn)類型

4.1 頁巖油甜點(diǎn)類型劃分的必要性

濟(jì)陽坳陷近期開展的頁巖油水平井鉆探和大量直斜井試油已取得初步成果，通過跟蹤評價，進(jìn)一步深化頁巖油甜點(diǎn)認(rèn)識，這對陸相頁巖油勘探具有重要意義。而對頁巖油甜點(diǎn)類型進(jìn)行合理劃分，對完善綜合評價技術(shù)，優(yōu)選有利區(qū)以及降低勘探風(fēng)險都具有重要意義。不同頁巖油類型的控制因素不盡相同，籠統(tǒng)地討論這些控制因素對于頁巖油甜點(diǎn)預(yù)測的意義是有限的，且一定程度上缺乏理論依據(jù)。每一個層段頁巖巖相及其組合類型不同，因此儲集空間組合及微觀孔隙結(jié)構(gòu)存在非均質(zhì)性，即便在同一埋深條件下，由于頁巖油富集方式、儲集性能和控制因素存在差異，儲集空間發(fā)育演化不同，導(dǎo)致不同類型頁巖油“甜”的演化階段是不一樣。針對陸相深水頁巖油儲層甜點(diǎn)的劃分應(yīng)該在頁巖油類型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分。這樣可能找到真正有利的甜點(diǎn)。這對于優(yōu)選頁巖油有利儲集層段和有利相帶有直接、現(xiàn)實(shí)的意義。

4.2 頁巖油甜點(diǎn)類型劃分方案和依據(jù)

前人關(guān)于濟(jì)陽坳陷甜點(diǎn)劃分為基質(zhì)型、裂縫型以及夾層型等，但即使同一類甜點(diǎn)內(nèi)部也存在較明顯差異性，顯然，這一劃分方案已不能滿足下一步勘探目標(biāo)評價以及預(yù)測的需求。在濟(jì)陽坳陷陸相頁巖儲層基本礦物巖石學(xué)特征、地化特征的基礎(chǔ)上將這些主控因素作為頁巖油甜點(diǎn)類型劃分的重要依據(jù)。不同埋深、不同頁巖巖相及其組合類型具有不同的儲集空間組合(基質(zhì)型、基質(zhì)夾層型、基質(zhì)裂縫型及復(fù)合型)、烴類流體性質(zhì)(正常油、輕質(zhì)油)和壓力場特征(常壓、高壓)。因此劃分時充分考慮了頁巖油富集、可動及高產(chǎn)要素，在原本頁巖油類型劃分的基礎(chǔ)上，使頁巖油類型更加具體。采取生油-儲油-產(chǎn)油等因素先后排列的順序進(jìn)行命名。以夾層型頁巖油為例，按照分類命名方案可分為富有機(jī)質(zhì)-夾層型-輕質(zhì)油-高壓甜點(diǎn)、富有機(jī)質(zhì)-夾層型-重質(zhì)油-高壓甜點(diǎn)、含有機(jī)質(zhì)-夾層型-重質(zhì)油-常壓甜點(diǎn)等。根據(jù)頁巖層系中夾層巖石類型不同及復(fù)合類型(基質(zhì)-裂縫復(fù)合，裂縫夾層復(fù)合，基質(zhì)-裂縫-夾層復(fù)合)等可以進(jìn)一步細(xì)分。根據(jù)濟(jì)陽坳陷XY1井3 190～3 210 m深度段頁巖巖心及成像測井資料，白云巖夾層發(fā)育于頁巖層系中，白云巖夾層上下為紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和塊狀灰質(zhì)泥巖。3 200 m埋深，地層壓力大于1.2，該井段整體有機(jī)質(zhì)含量大于1.5%，白云巖夾層部分不僅發(fā)育白云石晶間孔，還發(fā)育規(guī)模較大的裂縫。按照甜點(diǎn)命名方案，屬于富有機(jī)質(zhì)-白云巖夾層型-輕質(zhì)油-高壓甜點(diǎn)。

地質(zhì)甜點(diǎn)分類方案強(qiáng)調(diào)了夾層的作用。盡管從儲集物性角度，夾層并不是理想的頁巖甜點(diǎn)，但對于非均質(zhì)性很強(qiáng)的陸相頁巖油儲層，夾層是頁巖油產(chǎn)出的有效通道。關(guān)于夾層所扮演的角色，張守鵬[33]認(rèn)為，陸相頁巖所夾的砂條可形成獨(dú)立的巖性油氣藏，可作為直接勘探目標(biāo)，但這些砂條對頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)儲集空間的開發(fā)動用意義更為重要，表現(xiàn)在陸相頁巖的可塑性強(qiáng)，由于富含碳酸鹽礦物而使得整個巖性抗壓能力差，壓裂增產(chǎn)時，人工支撐劑被塑形圍巖“壓嵌”，支撐結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，油層滲流能力遭到破壞。

而利用小型砂體的滲透性獲經(jīng)改善的滲透能力，則可以作為周圍頁巖基質(zhì)內(nèi)頁巖油產(chǎn)出的天然支撐條件。因此重視夾層，尤其是砂巖夾層的發(fā)育及分布，是下一步頁巖油勘探工作的重要方向。

5 結(jié)論

(1)富含碳酸鹽礦物的紋層狀巖相是濟(jì)陽坳陷頁巖油儲集的最有利巖相；巖相(組合)、埋深和成巖演化，地層壓力以及總有機(jī)碳含量是控制頁巖油富集的關(guān)鍵因素；頁巖油高產(chǎn)富集要素之間存在密切關(guān)聯(lián)，儲集空間有利深度區(qū)間(孔隙度及孔隙結(jié)構(gòu))與頁巖油富集深度區(qū)間一致，即中高演化高孔隙發(fā)育帶與游離油窗吻合較好(3 200～3 800 m)。

(2)伴隨頁巖油勘探開發(fā)工作的深入，頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)類型應(yīng)當(dāng)有別于頁巖油富集類型。針對陸相深水頁巖油儲層甜點(diǎn)的劃分應(yīng)該在頁巖油類型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分。充分考慮頁巖油富集、可動及高產(chǎn)要素，在原本頁巖油類型劃分的基礎(chǔ)上，使頁巖油類型更加具體。采取生油-儲油-產(chǎn)油等因素先后排列的順序進(jìn)行命名，根據(jù)頁巖層系中夾層巖石類型不同及復(fù)合類型(基質(zhì)-裂縫復(fù)合，裂縫夾層復(fù)合，基質(zhì)-裂縫-夾層復(fù)合)等可以進(jìn)一步細(xì)分。重視夾層，尤其是砂巖夾層的發(fā)育及分布，是下一步頁巖油勘探工作的重要方向。