金旭，李國欣，孟思煒，王曉琦，劉暢，陶嘉平,，劉合

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京100007；3. 中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京100083；4. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

0 引言

頁巖油是指富有機(jī)質(zhì)頁巖層系中，以游離、與干酪根互溶或吸附方式賦存于泥頁巖基質(zhì)孔隙、微裂縫及非烴源巖薄夾層中的石油資源[1-3]。依托水平井與水力壓裂等工程技術(shù)進(jìn)步，美國率先實現(xiàn)頁巖油商業(yè)開發(fā)，改變了全球能源格局[4-7]。良好的資源稟賦條件是美國頁巖油革命成功的基礎(chǔ)：①產(chǎn)層主要分布于海相克拉通或前陸盆地，沉積面積大、連續(xù)性好，巖性相對穩(wěn)定；②TOC值普遍較高（平均值多為3%～5%），油層多存在異常高壓（壓力系數(shù)為1.3～1.5）；③適中的熱演化程度，Ro值為1.0%～1.7%，使富有機(jī)質(zhì)頁巖內(nèi)生成大量烴類，經(jīng)過短距離運(yùn)移后主要賦存于與頁巖間互發(fā)育的致密儲集層中，原油中重?zé)N組分被過濾，氣油比高（100～500 m3/t）、流動性好[1,8-11]。

美國海相頁巖油即使擁有得天獨(dú)厚的地質(zhì)和工程條件，在80余個沉積盆地、近千套頁巖層系中，也僅找到Eagle Ford、Bakken和Permian等幾大產(chǎn)區(qū)十幾套層系實現(xiàn)工業(yè)化開發(fā)[4]，顯示出頁巖油勘探開發(fā)投資極強(qiáng)的不確定性[12]。在此背景下，2016年以來美國頁巖油研究方向已逐漸由工程技術(shù)攻關(guān)轉(zhuǎn)向提高采收率技術(shù)創(chuàng)新，其中基于多尺度精細(xì)評價的儲集層經(jīng)濟(jì)開采價值評估及開采技術(shù)匹配設(shè)計研究已成為熱點(diǎn)[13-15]。

中國陸相頁巖油資源較為豐富，是現(xiàn)階段最具現(xiàn)實意義的接替資源。與美國海相頁巖油相比，中國陸相頁巖油聚集規(guī)模相對較小，主要分布在10個盆地、30余個區(qū)帶或凹陷中，部分凹陷面積不足百平方千米，資源量為幾千萬噸[16]。如何科學(xué)評判其開發(fā)潛力與工業(yè)價值，針對性設(shè)計開發(fā)方案并估算工程成本，成為頁巖油規(guī)模效益開發(fā)的關(guān)鍵科學(xué)問題。油氣資源可動用性不同于油氣可動性，是評價當(dāng)前技術(shù)條件下油氣藏被經(jīng)濟(jì)有效動用的難易程度的重要指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于致密油、致密氣、煤層氣等多種類型非常規(guī)油氣評價[17-21]。在此背景下，本文在簡要梳理中國陸相頁巖油開發(fā)現(xiàn)狀與面臨挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，引入資源可動用性概念作為衡量頁巖油業(yè)務(wù)投資的重要參考指標(biāo)，依據(jù)頁巖油資源稟賦特點(diǎn)對評價方法及流程形成集成創(chuàng)新，并從微觀角度、在同一平臺對中國主要陸相頁巖油資源可動用性開展綜合對比研究。

1 中國陸相頁巖油開發(fā)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

中國發(fā)育中低、中高成熟度兩類頁巖油資源，后者是當(dāng)前主體開發(fā)對象，在開采方式與核心技術(shù)等方面與美國頁巖油具有一定相似性，但效益開發(fā)難度更大[1]，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①頁巖油主要產(chǎn)層多分布于陸相沉積的坳陷、斷陷型盆地中，分布范圍小，非均質(zhì)性強(qiáng)；②烴源巖TOC值多數(shù)偏低（2%～3%），儲集層壓力系數(shù)整體偏?。?.0～1.2）；③熱成熟度整體偏低（Ro值主要為0.75%～1.00%），發(fā)生濃度擴(kuò)散、短距離運(yùn)移到間互致密薄夾層內(nèi)的液態(tài)烴相對較少，大量原油滯留在頁巖基質(zhì)孔隙中構(gòu)成資源主體[22-24]，油品較重，氣油比低（主體小于100 m3/t），流動性差，開發(fā)難度大。

目前，中國陸相頁巖油普遍沿用北美水平井與體積壓裂開發(fā)模式[25-32]，但地質(zhì)特征差異性決定了該技術(shù)體系難以普遍適用。準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷已建成中國首個國家級頁巖油示范區(qū)，目前完鉆頁巖油井178口，已基本進(jìn)入規(guī)模建產(chǎn)階段。鄂爾多斯盆地三疊系延長組長71+2亞段至2019年底投產(chǎn)117口井，年產(chǎn)油26.3×104t，顯示出良好穩(wěn)產(chǎn)效果；但湖盆中心長73亞段純頁巖區(qū)尚未突破，目前29口試油井有13口井獲工業(yè)油流，產(chǎn)量難穩(wěn)定。大港油田在渤海灣盆地古近系孔店組孔二段完鉆38口井，壓裂17口，累計產(chǎn)油達(dá)2.9×104t，已初步實現(xiàn)勘探突破向規(guī)模開發(fā)轉(zhuǎn)變。2018—2019年吉林油田在松遼盆地白堊系青山口組完鉆探井18口，僅10口獲得工業(yè)油流，頁巖油效益開發(fā)面臨較大困難。

可以看出，中國不同盆地、甚至同一盆地不同層系間的頁巖油資源開發(fā)效果差異顯著[16,33-34]，說明復(fù)雜地質(zhì)條件和資源可動用性認(rèn)識不清、開采技術(shù)不匹配的難題已嚴(yán)重制約頁巖油資源效益開發(fā)。前期研究因不同盆地采用的實驗測試條件與評價手段不同，難以獲取多盆地頁巖油可動用性差異的準(zhǔn)確評價和系統(tǒng)認(rèn)識。

準(zhǔn)噶爾、鄂爾多斯、渤海灣、松遼這 4大盆地地質(zhì)資源量分別為 25.1×108，60.5×108，27.4×108和 54.6×108t，總量占比約 60%，是中國頁巖油勘探開發(fā)重點(diǎn)地區(qū)[16]。在此背景下，本文選取現(xiàn)階段重點(diǎn)開發(fā)的準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組（P2l）、鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)三疊系延長組（T3y）長73亞段、渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔店組（E2k）孔二段、松遼盆地長嶺凹陷白堊系青山口組（K2qn）青一段等 4個地區(qū)作為研究對象，對483塊巖心樣品開展了1 385塊/次實驗分析（見表 1），在同一評價技術(shù)體系和相同實驗測試條件下進(jìn)行不同類型頁巖油資源可動用性評價方法和應(yīng)用對比研究。

特別指出，盡管賦存于間互致密薄夾層的頁巖油滲流條件與原油流動性相對較好，是當(dāng)前中國頁巖油主體開發(fā)對象。然而，隨著勘探開發(fā)逐漸步入規(guī)?；A段，優(yōu)質(zhì)儲量比例下降，頁巖基質(zhì)孔隙中大量的滯留原油作為資源主體勢必逐漸成為主戰(zhàn)場。因此，本文對資源可動用性的研究聚焦于富有機(jī)質(zhì)頁巖。

表1 研究樣品基本信息

2 頁巖油可動用性評價方法

頁巖油儲集層非均質(zhì)性強(qiáng)，孔喉結(jié)構(gòu)細(xì)小，孔隙空間展布、有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)、流體相態(tài)與含油氣性復(fù)雜，許多傳統(tǒng)的分析手段不適用。頁巖油可動用性一般受儲集空間有效性、儲集層含油飽和度、原油可動性及儲集層可改造性等主控因素共同控制[17-21]，單方面的儲集層評價結(jié)果不能很好地反映儲集層特性。

儲集層有效性即儲集層提供原油儲集空間及運(yùn)移通道的能力，主要由孔隙-裂縫發(fā)育程度、有效孔隙度與連通性等主控因素共同控制。原油可動性即原油在儲集層孔喉系統(tǒng)中有效流動的能力，主要由地層溫壓驅(qū)動力、原油物性、原油在有效孔隙中的分布等主控因素共同控制。儲集層可改造性即儲集層被有效改造的難易程度，主要由地應(yīng)力、礦物組成、力學(xué)弱面分布等主控因素控制。

數(shù)字巖石技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，利用多尺度表征手段獲取巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)等數(shù)字化信息，通過多種算法重建數(shù)字巖心進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從而對儲集層實現(xiàn)數(shù)字化表征[35-40]。本文針對頁巖油儲集層有效性、含油及原油可動性、儲集層可改造性 3個方面，采用場發(fā)射掃描電鏡大面積高分辨孔縫配置關(guān)系分析、儲集空間三維展布刻畫、有效連通性計算、礦物組成與定量分布、荷電效應(yīng)可動油識別、數(shù)字巖石裂縫擴(kuò)展模擬仿真等多尺度數(shù)字巖石評價技術(shù)的有效結(jié)合，通過評價方法集成創(chuàng)新，建立頁巖油可動用性評價流程與技術(shù)體系。

儲集層有效性評價方面，對于頁巖微納米尺度孔隙空間需要使用孔隙有效性與連通性作為主要描述參數(shù)。本文利用雙束場發(fā)射掃描電鏡大面積圖像拼接（MAPS）技術(shù)獲取富有機(jī)質(zhì)頁巖儲集空間孔縫發(fā)育與孔徑分布特征，利用三維孔隙結(jié)構(gòu)圖像和有效連通性自編軟件，計算頁巖樣品中相互連通的孔隙體積與總孔隙體積的比值，獲得孔隙連通率參數(shù)，進(jìn)而計算不同地區(qū)頁巖巖心樣品有效孔隙度[39]。

含油性及頁巖油可動性評價方面，傳統(tǒng)熱解、氯仿瀝青“A”抽提等地球化學(xué)分析方法只能獲得可動烴定量數(shù)值而無法獲得原油在樣品中的分布。頁巖基質(zhì)孔隙以微納米尺度為主，孔隙類型千差萬別，具有同樣含油性的粉末樣品，其儲集空間連通性和有效性往往大不相同。本文利用電子束荷電效應(yīng)開展頁巖可動油分布定量評價，通過成像參數(shù)的精細(xì)調(diào)節(jié)，使原油分布區(qū)域表現(xiàn)出荷電效應(yīng)。導(dǎo)電性測試、極性溶劑抽提、加熱去除可動油等系列實驗證實，可動油是導(dǎo)致荷電效應(yīng)的主要原因，因此本文方法可以直接獲得可動油分布，并進(jìn)一步結(jié)合傳統(tǒng)熱解分析定量計算可動油飽和度。

儲集層可改造性評價方面，陸相頁巖非均質(zhì)性極強(qiáng)，細(xì)觀尺度下存在大量頁理紋層等結(jié)構(gòu)弱面，礦物組成與分布特征也較為復(fù)雜，現(xiàn)有評價方法由于分析因素不夠全面導(dǎo)致評價效果不理想。本文基于數(shù)字巖石圖像重構(gòu)和礦物組成定量識別，結(jié)合有限元方法模擬頁巖巖心起裂特征與擴(kuò)展機(jī)制，系統(tǒng)評價頁巖儲集層可改造性。

3 儲集空間有效性評價

陸相頁巖油儲集空間在多個尺度上均表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性：在米級尺度，根據(jù)頁巖油地質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，富有機(jī)質(zhì)頁巖層系可以存在單層厚度不大于5 m的粉砂巖、細(xì)砂巖、碳酸鹽巖，表明頁巖層系存在米級的泥頁巖段與其他巖性段的過渡與交替；在厘米級尺度，水體鹽度等古環(huán)境的差異和水動力條件等因素不斷變化導(dǎo)致陸相頁巖頁理紋層發(fā)育；在毫微米級尺度，仍存在微觀生物作用、礦物溶蝕差異等因素導(dǎo)致的儲集空間以及有機(jī)質(zhì)分布的非均質(zhì)性，有機(jī)質(zhì)類型與成熟度差異也導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)-無機(jī)礦物之間接觸關(guān)系、孔縫特征及原油吸附的差異。本文選取 4個頁巖油代表性盆地的基質(zhì)型泥頁巖樣品，開展厘米—納米跨越 7個數(shù)量級尺度的儲集空間評價。

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲集層受構(gòu)造、氣候、水體、沉積物供給等因素影響，廣泛發(fā)育泥晶白云巖、粉砂巖和混積巖[25-26]。儲集空間主要包括原生孔和次生孔，原生孔主要包含粒間孔和晶間孔，次生孔主要包括溶蝕擴(kuò)大粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶內(nèi)溶孔及少量裂縫。樣品TOC值較高，發(fā)育大量干酪根條帶，主要孔隙類型包括粒間孔、黏土礦物粒間孔、有機(jī)質(zhì)部分填充粒間孔和部分有機(jī)質(zhì)孔隙（見圖 1）。有機(jī)孔也是頁巖油賦存的重要儲集空間，研究樣品可見部分有機(jī)質(zhì)條帶發(fā)育有機(jī)孔，而有些不發(fā)育，反映了成烴生物的多樣性和有機(jī)孔隙分布的非均質(zhì)性。在厘米級尺度富有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)區(qū)域附近往往有泥晶白云質(zhì)區(qū)，發(fā)育大量未被充填的粒間孔，為發(fā)生短距離運(yùn)移的液態(tài)烴提供了良好的儲集空間。此外，大量的溶蝕次生孔隙為頁巖油大規(guī)模聚集提供了主要的儲集空間。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組宏觀（a）及局部放大（b—d）孔隙特征

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長73亞段頁巖油儲集層主要分布于深湖泥頁巖沉積區(qū)，儲集層連續(xù)性相對較好，巖性以薄層細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主[27-28]。典型的長73亞段富有機(jī)質(zhì)頁巖的沉積層理及微觀孔隙特征顯示（見圖2），在電子顯微鏡下可見的儲集空間并不十分發(fā)育，主要孔隙類型為粒間孔、微裂縫及黏土礦物粒間孔等，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙較少。但考慮到樣品TOC值較高，有機(jī)質(zhì)條帶連接成片，吸附原油從而不呈現(xiàn)出可視孔隙，可以成為頁巖油重要的儲集體。

渤海灣盆地滄東凹陷孔二段沉積期構(gòu)造相對穩(wěn)定，形成了400～600 m厚的細(xì)粒沉積層系，既發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖又發(fā)育有效儲集層，極具潛力?？锥蝺?yōu)質(zhì)頁巖層系巖性主要為長英質(zhì)頁巖、灰云質(zhì)頁巖及碳酸鹽巖等[29-30]。典型富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品可見孔隙類型以粒間孔、微裂縫、有機(jī)質(zhì)孔及有機(jī)質(zhì)收縮孔等，有機(jī)質(zhì)豐度較高，部分區(qū)域發(fā)育有機(jī)質(zhì)納米孔，構(gòu)成了多級儲集系統(tǒng)（見圖3）。

松遼盆地長嶺凹陷青一段頁巖油層為厚—巨厚暗色泥巖與薄層砂質(zhì)巖互層，形成典型的“泥包砂”生儲蓋組合特征，富有機(jī)質(zhì)頁巖均屬特低孔特低滲儲集層[31-32]。典型頁巖油樣品中可見大量的黏土礦物粒間孔，微裂縫發(fā)育，有機(jī)質(zhì)在毫米級尺度離散分布，難以連片富集，有機(jī)質(zhì)孔隙在電鏡觀察下并不發(fā)育，儲集空間為基質(zhì)微裂縫型（見圖4）。

圖4 松遼盆地長嶺凹陷青一段宏觀（a）及局部放大（b—d）孔隙特征

前期研究結(jié)果表明[41]，孔隙尺寸對頁巖油的聚集、運(yùn)移有重要影響，當(dāng)孔隙直徑小于20 nm時，頁巖油無法滲出；當(dāng)孔隙直徑為20～200 nm時，需要外部驅(qū)動力滲出；當(dāng)孔隙直徑大于200 nm時，頁巖油可以從孔喉中自由滲出。為此，進(jìn)一步統(tǒng)計了4個地區(qū)頁巖樣品孔徑分布（見表2），結(jié)果顯示孔徑分布范圍以20～200 nm為主，其中蘆草溝組孔徑大于200 nm的孔隙比例最高（為30%），而青一段頁巖小于20 nm孔徑的無效孔比例相對較高。

表2 4個地區(qū)典型頁巖油樣品孔徑分布特征

通過數(shù)字巖石技術(shù)分析4個地區(qū)FIB-SEM三維孔隙結(jié)構(gòu)模型（見圖5），利用自編Matlab腳本對4個地區(qū)頁巖樣品進(jìn)行連通性檢測與分析，并將孔隙連通域按連通性由差向好分級為死連通域Cr、1級連通域Cr1、2級連通域Cr2和3級連通域Cr3共4類，結(jié)果顯示頁巖的孔隙連通性很差，4個地區(qū)頁巖孔隙總連通率均不足 60%，其中蘆草溝組與孔二段頁巖孔隙連通性相對較好，有效孔隙度相對較高；而青一段頁巖連通性相對較差（見表3）。

圖5 蘆草溝組（a）、長73亞段（b）、孔二段（c）、青一段（d）頁巖油巖心樣品三維孔隙空間展布特征（紅色代表內(nèi)部孔隙）

表3 4個地區(qū)典型頁巖油樣品連通性分析

4 儲集層含油性與頁巖油可動性評價

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組烴源巖氫指數(shù)（HI）多大于350 mg/g，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主（見圖 6a），樣品油飽和指數(shù)（OSI）較高（見圖 6b），烴源巖Ro值主體為 0.6%～1.1%，處于低成熟—成熟階段。地層壓力系數(shù)較大（1.1～1.3），但氣油比低（10～20 m3/t）、原油黏度較高（50～120 mPa·s），流動性差。典型的蘆草溝組基質(zhì)型頁巖樣品TOC值為3.96%、S1值為2.21 mg/g，樣品中離散分布著狹長有機(jī)質(zhì)顆粒，可動油與干酪根伴生分布，吸附在干酪根顆粒內(nèi)部，少部分填充在礦物顆粒粒間孔中，具有良好開發(fā)潛力（見圖 7）。對于蘆草溝組頁巖，往往基質(zhì)區(qū)與儲集區(qū)緊密伴生，在微觀層面形成較好的源儲配置體系。

圖6 典型頁巖油樣品的有機(jī)地球化學(xué)特征（HI—?dú)渲笖?shù)；Tmax—熱解峰溫；PI—產(chǎn)率指數(shù)；OSI—油飽和指數(shù)；TOC—總有機(jī)碳含量；S1—游離烴含量）

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組荷電區(qū)頁巖油宏觀分布（a）及局部放大（b—d）圖（紅色代表提取后的殘留油區(qū)域）

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長73亞段頁巖油樣品非均質(zhì)性較強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型、Ⅱ型為主；TOC值整體大于5%，OSI值中等（見圖6b），Ro值為0.6%～1.1%，處于低成熟—成熟階段。盡管具有輕質(zhì)原油特征（氣油比為60～120 m3/t，黏度為5～20 mPa·s），但地層能量不足，壓力系數(shù)主體僅為0.7～1.0。樣品HI平均值為300 mg/g，S1值大于1.5 mg/g（見圖6a）。典型樣品TOC值為5.43%，S1值為2.79 mg/g，有機(jī)質(zhì)相對較少，頁巖油與有機(jī)質(zhì)呈伴生分布狀態(tài)，但通過超高分辨率電鏡觀察與三維刻畫，微裂縫及大量黏土礦物孔隙溝通，形成較好的有效連通儲集輸運(yùn)體系（見圖8）。

圖8 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長73亞段荷電區(qū)頁巖油宏觀分布（a）及局部放大（b—d）圖（紅色代表提取后的殘留油區(qū)域）

渤海灣盆地滄東凹陷孔二段陸相頁巖整體達(dá)到很好的烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，干酪根主要為Ⅱ1、Ⅱ2型，TOC值為0.13%～12.92%，OSI值相對較低（見圖6b），Ro值為0.66%～0.91%，屬于中低成熟度范圍；壓力系數(shù)整體較高但差異較大（1.0～1.8），氣油比為50～130 m3/t，原油黏度10～100 mPa·s，流動性適中。典型樣品整體面孔隙度很低，礦物粒間孔基本被干酪根占據(jù)，可動油主要吸附分布在干酪根顆粒的表面，或存在于干酪根與礦物顆粒之間的裂隙中，干酪根整體表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)狀，形成了很好的儲集排烴網(wǎng)絡(luò)（見圖9）。

圖9 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段荷電區(qū)頁巖油宏觀分布（a）及局部放大（b—d）圖（紅色代表提取后的殘留油區(qū)域）

松遼盆地長嶺凹陷青一段頁巖油樣品TOC值相對較低，主要為1.4%～2.5%，平均值為1.9%，S1值整體較高，約 0.86～2.90 mg/g（見圖 6c），OSI值與長 73亞段類似（見圖6b），Ro值為0.70%～1.13%，成熟度相對較高；地層壓力系數(shù)較高（1.0～1.5），氣油比50～100 m3/t，原油黏度10～200 mPa·s，流動性相對較差。柳波等[31]將青山口組富有機(jī)質(zhì)頁巖按TOC值分為高有機(jī)質(zhì)塊狀泥巖相、中有機(jī)質(zhì)塊狀泥巖相與中有機(jī)質(zhì)紋層狀泥巖相，其基質(zhì)孔隙連通性及含油性差異明顯。典型樣品的荷電分布圖顯示頁巖油在孔隙中呈繁星狀均勻分散，雖未連片但仍形成一定的規(guī)模（見圖10）。另外，荷電顯示區(qū)往往部分填充于微小粒間孔隙中，可見部分孔隙顯露，推測原始樣品孔隙中填充了大量的可動油，在真空中被抽走后暴露出部分粒間孔。因此，青山口組樣品即使TOC值相對較低，但大多數(shù)有機(jī)碳為已生成的液態(tài)烴，OSI值（見圖 6b）也顯示出樣品含油飽和度較高。

圖10 松遼盆地長嶺凹陷青一段荷電區(qū)頁巖油宏觀分布（a）及局部放大（b—d）圖（紅色代表提取后的殘留油區(qū)域）

綜上所述，處于生油高峰的陸相頁巖樣品中，可動油主要以吸附、溶脹等形式聚集于干酪根內(nèi)部、干酪根與礦物的粒間孔及鄰近儲集層孔隙中。4個地區(qū)頁巖層系均具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，在甜點(diǎn)區(qū)均有較好的原油富集顯示。其中蘆草溝組頁巖源于混積巖特征，源儲一體近源聚集，大量可動油填充在儲集空間，是良好的頁巖油甜點(diǎn)層；青一段頁巖油呈零星狀分布、長73亞段有機(jī)質(zhì)與頁巖油伴生分布，但均有大量黏土礦物粒間孔或微裂縫溝通，可形成較好頁巖油排烴網(wǎng)絡(luò)；孔二段頁巖成熟度相對較低，但具有較高氫指數(shù)，有大量原油生成且富集于有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，儲集層厚度較大，具備規(guī)模開發(fā)潛力。原油荷電分布結(jié)果展現(xiàn)了可動油與孔隙、有機(jī)質(zhì)條帶的伴生情況，為原油可動性綜合評價提供定量參數(shù)和重要依據(jù)。進(jìn)一步結(jié)合游離烴含量等有機(jī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)得到 4個地區(qū)頁巖樣品可動油占比分別為蘆草溝組 5%～30%、長 73亞段15%～30%、孔二段2%～10%、青一段10%～25%。

5 儲集層可改造性評價

5.1 縱向非均質(zhì)性表征

陸相沉積頁巖層多、層薄，縱向非均質(zhì)性極強(qiáng)，發(fā)育大量頁理紋層等力學(xué)弱面，將其充分有效開啟是提高裂縫復(fù)雜程度、增加泄油面積的關(guān)鍵。本文隨機(jī)選取大量典型頁巖樣品進(jìn)行大面積 X射線熒光光譜（XRF）分析，獲得各元素在樣品表面沿沉積方向的分布特征（見圖11）。4個地區(qū)頁巖在縱向上均呈現(xiàn)出顯著分層特征，圖像法統(tǒng)計蘆草溝組、長 73亞段、孔二段、青一段平均每米發(fā)育頁理紋層數(shù)分別為90、107、93、71。測試結(jié)果顯示長 73亞段頁巖縱向非均質(zhì)性最強(qiáng)，隨機(jī)互層特征最為明顯。

圖11 蘆草溝組（a）、長73亞段（b）、孔二段（c）、青一段（d）典型頁巖樣品XRF元素分布掃描結(jié)果

為進(jìn)一步表征頁巖樣品縱向上的非均質(zhì)性特征，以前述紋層劃分為基礎(chǔ)，在各條帶內(nèi)隨機(jī)選取區(qū)域進(jìn)一步制樣進(jìn)行掃描電鏡礦物定量（QEMSCAN）評價。以長73亞段1號樣品為例，縱向上依據(jù)元素分布劃分為 5層（編號為 A、B、C、D、E），在每層內(nèi)隨機(jī)制取樣品進(jìn)行礦物分析，掃描結(jié)果顯示 A層（厚度 4.1 mm）主要礦物為碳酸鹽類礦物（含量67.2%）；B層（厚度13.6 mm）以黏土礦物為主（含量58.1%）；C層（厚度21.5 mm）優(yōu)勢礦物包括脆性礦物（含量48.3%）與碳酸鹽類礦物（含量35.8%）；D層（厚度6.4 mm）以脆性礦物為主導(dǎo)（含量62%）；E層則沒有顯著優(yōu)勢礦物，脆性礦物、碳酸鹽類礦物、黏土礦物分別占比43.6%、30.7%和 25.7%，進(jìn)一步證實了陸相頁巖縱向非均質(zhì)性特征（見圖12）。對該樣品礦物組成按層厚進(jìn)行加權(quán)平均，得到平均礦物組成分別為脆性礦物42%、碳酸鹽類礦物30%、黏土礦物28%。

圖12 長73亞段1號樣品各層礦物分布掃描結(jié)果

5.2 礦物組成評價

不同類型的礦物組分含量直接影響巖石脆性，是儲集層可改造性評價的重要指標(biāo)。使用 X射線衍射（XRD）方法分別對 4個地區(qū)頁巖樣品進(jìn)行全巖及黏土分析，并將礦物組分進(jìn)一步劃分為3類：第1類為脆性礦物，包括石英、長石、黃鐵礦、云母等；第 2類為碳酸鹽類礦物，包括方解石、白云石等；第 3類為黏土礦物，包括高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石等。圖13顯示不同地區(qū)間頁巖樣品礦物組分差異顯著。蘆草溝組頁巖樣品脆性礦物占比主體分布于 40%～65%，黏土礦物含量較低（平均 15.97%）。長 73亞段頁巖樣品脆性礦物含量較高，占比約 40%～80%，黏土礦物含量也較高（平均30.65%）。孔二段頁巖樣品脆性礦物含量為 45%～60%，黏土礦物含量極低（平均13.91%）。青一段頁巖樣品3類礦物分布差異較大，但整體來看脆性礦物含量較低（平均44.89%），黏土礦物含量較高（平均39.52%），儲集層塑性較強(qiáng)。

圖13 4個地區(qū)典型頁巖樣品礦物組成分布

5.3 儲集層可改造性評價

以上述紋層劃分與礦物表征為基礎(chǔ)，對各層礦物分布進(jìn)行隨機(jī)重構(gòu)得到巖心巴西圓盤數(shù)值模型。以長73亞段1號樣品為例，巴西盤試樣的直徑為60 mm，厚度為30 mm，模型按礦物分布劃分為5層（編號為A、B、C、D、E），為充分考慮礦物組成與紋層對造縫過程的影響，選擇力的加載與水平紋層夾 45°角方向，裂縫的生成與擴(kuò)展過程如圖14所示。

由于紋層強(qiáng)度較弱，初始裂縫在BC、CD、DE界面同時產(chǎn)生并不斷擴(kuò)展（見圖 14a—圖 14d）。隨著載荷持續(xù)施加，裂縫在沿界面持續(xù)擴(kuò)展（見圖14e）的同時產(chǎn)生新的分支縫（見圖14f），最終形成3條紋層縫和雙“S”形2條巖石基質(zhì)裂縫（見圖14g）。巖石基質(zhì)部分的裂縫主要產(chǎn)生于脆性礦物含量較高的層C、D、E中，黏土礦物含量較高的層 B中的裂縫較短且形態(tài)相對簡單，并且阻礙了裂縫向?qū)覣中擴(kuò)展，層A中最終無裂縫產(chǎn)生。陸相頁巖隨機(jī)互層特征對造縫過程產(chǎn)生了顯著影響，頁理紋層等結(jié)構(gòu)弱面的開啟與擴(kuò)張，并與主裂縫貫通，能夠有效提升裂縫復(fù)雜程度，改善儲集層滲流條件。但紋層的開啟會導(dǎo)致壓裂液在近井地帶濾失加劇，造成裂縫延伸受限，降低改造體積。同時，高黏土層對裂縫縱向延伸也有顯著抑制作用。

圖14 長73亞段1號樣品巴西圓盤模型45°載荷下破壞過程

進(jìn)一步引入計盒維數(shù)來表征破壞裂縫的復(fù)雜程度，將其作為裂縫復(fù)雜性評價指標(biāo)的量化值[42]。計盒維數(shù)是為了描述裂縫形態(tài)提出的一種分維描述法，反映巖石破壞裂縫對空間的占有程度，可以刻畫巖石破壞裂縫的復(fù)雜性，其數(shù)值越大裂縫越復(fù)雜。統(tǒng)計蘆草溝組、長73亞段、孔二段、青一段樣品巴西圓盤數(shù)值模型破裂的平均三維計盒維數(shù)分別為 2.601，2.554，2.647，2.419，4個地區(qū)頁巖樣品以孔二段可改造性最佳，主要原因是其紋層相對發(fā)育且黏土礦物含量較低，樣品在破裂過程中易于產(chǎn)生相對復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)；與孔二段相比，蘆草溝組黏土礦物含量稍高且紋層分布略少，可改造性稍差于孔二段；長 73亞段樣品紋層最為發(fā)育，紋層開啟顯著提升裂縫系統(tǒng)復(fù)雜程度，但受限于黏土礦物含量偏高，黏土層裂縫形態(tài)較為單一，裂縫縱向延伸相對受限；青一段樣品黏土礦物含量最高、紋層相對不發(fā)育，巖石破裂的復(fù)雜程度最低，可改造性差。

6 可動用性特征對比分析

本文提出了頁巖油有效動用微觀綜合評價方法，主要包括儲集層有效性、儲集層含油性、原油可動性及儲集層可改造性 4個方面，重點(diǎn)參數(shù)包括有效孔隙度、大于20 nm孔徑體積占比、可動油比例、計盒維數(shù)等?；谕惶自u價方法，對準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組、鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長73亞段、渤海灣盆地滄東凹陷孔二段、松遼盆地長嶺凹陷青一段共計 483塊樣品開展系統(tǒng)對比研究，形成了重點(diǎn)盆地陸相頁巖油可動用性初步認(rèn)識（見表 4）。受限于取樣井?dāng)?shù)與樣品數(shù)量，以及陸相頁巖強(qiáng)非均質(zhì)性，尚未覆蓋全部類型與特征樣本，但本文基于同一測試平臺條件提供的微觀綜合評價技術(shù)與對比研究方法，可拓展至全球頁巖油氣系統(tǒng)儲集空間評價和資源計算等相關(guān)研究。

表4 4個地區(qū)頁巖油可動用性對比分析

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組呈現(xiàn)混積巖特征，源儲一體近源聚集，與其他 3個地區(qū)相比孔隙最為發(fā)育，有效連通性好。儲集空間內(nèi)有大量原油填充，可動油占比較高，儲集層改造復(fù)雜程度較高，是當(dāng)前最為現(xiàn)實的開發(fā)對象。因原油黏度偏高，應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)體積壓裂與注氣吞吐等提高采收率技術(shù)相結(jié)合的開發(fā)模式，有效提高原油流動性。

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長73亞段與孔二段、青一段樣品具有相似儲集空間展布特征，孔隙有效性與連通性相對一般。長73亞段頁巖地層壓力系數(shù)較小，但可動油占比高，原油以輕質(zhì)原油為主，氣油比高、流動性好。黏土礦物含量雖較高，但頁理紋層發(fā)育，仍有較好的可改造性，體積壓裂過程應(yīng)注重頁巖結(jié)構(gòu)弱面的充分改造與溝通，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)并適當(dāng)提高施工規(guī)模補(bǔ)充地層能量。同時建議重點(diǎn)關(guān)注長 73亞段頁巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)規(guī)模應(yīng)用可行性和經(jīng)濟(jì)性評價。

渤海灣盆地滄東凹陷孔二段樣品孔隙有效連通性僅次于蘆草溝組，且孔徑分布優(yōu)于其他 3個地區(qū)，有利于原油運(yùn)移。成熟度與可動油占比盡管相對較低，但仍有大量原油已經(jīng)生成且富集于有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。其地層壓力高，原油黏度適中，儲集層可改造性極佳，有望通過體積壓裂實現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)。

松遼盆地長嶺凹陷青一段樣品成熟度較高，有機(jī)質(zhì)大部分已轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴，可動油飽和度較高，且具備地層高壓有利特征，資源潛力較大。但儲集層孔隙有效連通性差、孔徑整體偏小，儲集空間有效性明顯差于其他 3個地區(qū)。原油黏度偏高、儲集層塑性強(qiáng)，當(dāng)前工程技術(shù)條件下效益動用難度較高，需開展高塑性儲集層增產(chǎn)改造技術(shù)及原油降黏提高采收率技術(shù)攻關(guān)，如研發(fā)低黏壓裂液體系提高儲集層力學(xué)弱面開啟效果、探索深部酸化增產(chǎn)技術(shù)以改善滲流條件等。

7 結(jié)論

頁巖油納米尺度儲集空間有效性、含油性、原油可動性、儲集層可改造性更為復(fù)雜，傳統(tǒng)的儲集層分析手段不適用于頁巖油。本文建立頁巖油多尺度多參數(shù)可動用性綜合評價技術(shù)系列，基于同一評價技術(shù)體系和相同實驗測試條件對 4大盆地頁巖油巖心樣品開展系統(tǒng)對比評價研究，形成微觀尺度下各盆地頁巖油資源可動用性系統(tǒng)認(rèn)識，為宏觀尺度下頁巖油資源潛力評價與開發(fā)工程設(shè)計提供指導(dǎo)。后續(xù)研究將進(jìn)一步增加不同地區(qū)頁巖油巖心樣品分析樣本數(shù)量，重點(diǎn)開展基于關(guān)鍵參數(shù)的跨尺度協(xié)同驗證研究，繼續(xù)完善對儲集層非均質(zhì)性和頁巖油賦存分布規(guī)律認(rèn)識，形成中國陸相頁巖油可動用性跨尺度綜合評價技術(shù)和多參數(shù)對比圖版。