康德江

大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712

0 引言

致密油是致密儲(chǔ)層油的簡(jiǎn)稱(chēng)，賦存于致密砂巖或致密灰?guī)r等儲(chǔ)層中[1]，近年來(lái)，隨著北美開(kāi)發(fā)力度的增大，致密油正成為全球非常規(guī)石油勘探的亮點(diǎn)領(lǐng)域。目前，北美已發(fā)現(xiàn)致密油盆地19個(gè)，2009年致密油探明可采儲(chǔ)量達(dá)0.64 Gt，年產(chǎn)量12.3 Mt，EIA預(yù)測(cè)2017—2040年致密油將成為美國(guó)原油增長(zhǎng)的主力軍，年產(chǎn)量有望突破3億t[2--3]，經(jīng)評(píng)價(jià)，僅巴肯致密油資源量566億t(USGS)，可采資源量68億t(IHS)[4]。在中國(guó)，致密油的研究起步雖然相對(duì)較晚，但已經(jīng)認(rèn)識(shí)到致密油資源的巨大潛力。其中最具有代表性的一類(lèi)就是松遼盆地北部的源下河流相致密油藏，初步估算資源量達(dá)12億t。所謂源下致密油與通常意義的致密油區(qū)別在于其是位于烴源巖下方，兩者緊鄰，致密儲(chǔ)層成藏主要依靠烴源巖內(nèi)部的異常壓力和斷裂匹配形成油氣的倒灌后短距離成藏形成。

致密油在成藏方式與成藏動(dòng)力上都與常規(guī)油存在較大的差異，中國(guó)致密油主要有陸相湖盆體系、與良好生油巖互生、有機(jī)碳含量高、成熟度適宜、儲(chǔ)層類(lèi)型多樣、砂巖橫向變化大、部分為薄互層、面積和規(guī)模相對(duì)較小、晚期構(gòu)造變動(dòng)復(fù)雜[5]等特點(diǎn)。對(duì)于大面積分布的致密油藏，尤其是源下致密油藏，不論是通過(guò)斷裂溝通，還是依靠源儲(chǔ)緊鄰的裂縫溝通，都需要源儲(chǔ)壓差的直接作用[6--7]，這決定了致密油的富集程度和平面的分布特征。因此，致密油油源的下限以及源巖的分類(lèi)對(duì)于致密油成藏綜合研究已經(jīng)成為問(wèn)題的關(guān)鍵之一。

松遼盆地北部的扶余油層以上覆青山口組泥巖供烴為主，在源儲(chǔ)壓差的作用下，通過(guò)斷裂或裂縫向下進(jìn)入泉頭組地層中的河流相砂體富集成藏，這種倒灌式的上生下儲(chǔ)需要對(duì)源巖的排烴量有一定的要求，量越大，源儲(chǔ)壓差也會(huì)隨之增高，更有利于烴類(lèi)的向下充注，這在很大程度上決定了致密油的平面富集分布。目前普遍認(rèn)為優(yōu)質(zhì)烴源巖是致密油成藏的主控要素之一[8--10]，通常會(huì)采用物質(zhì)平衡法來(lái)計(jì)算排烴量大小[11--12]，但對(duì)于排烴量對(duì)下伏地層成藏的控制下限值還沒(méi)有開(kāi)展較為深入的研究，對(duì)于致密油的源巖分類(lèi)尚未形成廣泛共識(shí)。

筆者結(jié)合大量的源巖分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用測(cè)井技術(shù)建立了松遼盆地北部源巖化學(xué)熱演化動(dòng)力學(xué)模型，評(píng)價(jià)了青山口組地層烴源巖的生、排、留三個(gè)方面的烴量[13--16]。在恢復(fù)埋藏史、熱演化史的基礎(chǔ)上，利用Temis Flow盆地模擬軟件進(jìn)行了過(guò)剩壓力的恢復(fù)[17--19]，通過(guò)排烴量與源儲(chǔ)壓差的關(guān)系，確定致密油源巖下限，并建立了源巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，為松遼盆地北部源下致密油有利區(qū)帶的優(yōu)選提供參考依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

松遼盆地是中國(guó)大型陸相沉積盆地，是形成于中生代具有下斷上坳二元結(jié)構(gòu)的復(fù)合型盆地?？v向上可分為下部斷陷沉積層序(包括火石嶺組、沙河子組和營(yíng)城組)，中部坳陷沉積層序(包括登婁庫(kù)組、泉頭組、青山口組、姚家組和嫩江組)和上部反轉(zhuǎn)期沉積層序(包括四方臺(tái)組、明水組和新生界)三套大型層序。其中以斷陷期層序和坳陷期層序?yàn)橹?，坳陷期形成的青山口組一段和二、三段是盆地最主要生油巖層(圖1)。松遼盆地從勘探范圍上，北部屬于大慶油田，其中最為主要的致密油藏分布于中部坳陷層序的泉頭組四段和三段中上部，埋藏深度較大，一般分布在-1 750～-1 900 m，平均孔隙度<12%，地面滲透率<1 mD，屬于典型的致密油儲(chǔ)層，主要分布在構(gòu)造高部位和斜坡區(qū)。凹陷區(qū)由于埋深過(guò)大，物性差，目前發(fā)現(xiàn)的單體油藏規(guī)模相對(duì)較小。受南北兩個(gè)物源體系影響，主要發(fā)育三角洲平原、前緣和河流相沉積，整體上具有砂體規(guī)模小、連通性差、非均質(zhì)性強(qiáng)、縱向分散和疊置連片的特點(diǎn)，具有滿(mǎn)盆含砂的儲(chǔ)集優(yōu)勢(shì)(圖2)。青山口組烴源巖上覆于致密儲(chǔ)層，形成了上生下儲(chǔ)的成藏系統(tǒng)。其中最主要的青一段泥巖屬于Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，而且豐度和成熟度都很高，巨大的排烴量和過(guò)剩壓力為成藏期的油氣下排提供了重要物質(zhì)和動(dòng)力保障[20--24]。

圖1 松遼盆地北部地層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive stratigraphic histogram of northern Songliao Basin

圖2 松遼盆地北部三肇凹泉頭組沉積相圖Fig.2 Sedimentary facies diagram of Quantou Formation in Sanzhao sag, northern Songliao Basin

2 源下致密油有效源巖下限及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 成藏動(dòng)力和排烴量與致密油產(chǎn)量及平面分布

松北扶余油層作為源下致密油成藏的類(lèi)型，其在成藏動(dòng)力和排烴量方面與致密油的分布和產(chǎn)量貢獻(xiàn)具有直接關(guān)系。在致密油成藏過(guò)程中，主要的成藏動(dòng)力來(lái)自于烴源巖的排烴壓力，上生下儲(chǔ)式的成藏決定了排烴壓力即過(guò)剩壓力越大，油氣的下排深度就越大，含油層位就越多，這一點(diǎn)從扶楊油層成藏關(guān)鍵期(明水組末期)青一段的古超壓與原油下排深度的良好正相關(guān)關(guān)系可以得到印證(圖3)。與之相對(duì)應(yīng)的過(guò)剩壓力較大的地區(qū)，烴源巖相對(duì)發(fā)育成熟，排烴量也大，在縱向多期次疊置發(fā)育的河道砂體內(nèi)形成了較多的含油砂體，直接導(dǎo)致排烴強(qiáng)度越大的地區(qū)，其下伏扶楊油層的含油層厚度也越大，單井產(chǎn)量也隨之增大(表1)。兩者充分反映出在過(guò)剩壓力發(fā)育、排烴強(qiáng)度大的地區(qū)致密油藏相對(duì)發(fā)育且單井產(chǎn)量較高。因此，本文通過(guò)定量評(píng)價(jià)超壓和排烴量來(lái)區(qū)分和建立源下致密油烴源巖的下限和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 青一段源巖排烴強(qiáng)度與致密油單井產(chǎn)量關(guān)系表Table 1 Relationship between hydrocarbon expulsion intensity of source rock and single well production of tight oil in member 1 of Qingshankou Formation

圖3 青山口組(明水組末期)超壓與油氣下排深度關(guān)系Fig.3 Relationship between overpressure and oil and gas drainage depth in Qingshankou Formation (at end of Mingshui Formation)

2.2 有機(jī)碳與生烴量對(duì)比法

青山口組一段暗色泥巖是松遼盆地北部主要的烴源巖層，在過(guò)去常規(guī)油及源內(nèi)致密油研究中對(duì)于烴源巖要求達(dá)到成熟即為有效。但對(duì)于源下致密油成藏，烴源巖必須達(dá)到能生、能排，且具有一定的壓力強(qiáng)度，使得油氣倒灌進(jìn)入下伏泉頭組地層成藏才能稱(chēng)為有效。因此有效源巖下限和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)成為確定致密油藏平面發(fā)育部位和評(píng)價(jià)富集程度的重要參數(shù)。筆者基于實(shí)鉆樣品的熱解參數(shù)，利用物質(zhì)平衡法來(lái)確定最大排烴量與源巖剩余有機(jī)碳含量的相互關(guān)系。根據(jù)青一段排烴量與剩余有機(jī)碳散點(diǎn)圖(圖4)，烴源巖排烴量的變化隨著有機(jī)碳的增加成正相關(guān)的三段式變化。當(dāng)原始有機(jī)碳含量<1%時(shí)，源巖排烴量很小，表明此時(shí)烴源巖形成過(guò)程中缺乏

圖4 青一段排烴量與剩余有機(jī)碳散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagram of hydrocarbon expulsion and residual organic carbon in member 1 of Qing-shankou Formation

有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)積累，不能形成有效生排烴，成為有效烴源巖下限。至有機(jī)碳含量達(dá)到2%的過(guò)程，烴源巖排烴量處于緩慢增加階段，能夠?yàn)橹旅軆?chǔ)層提供成藏?zé)N類(lèi)；當(dāng)有機(jī)碳含量超過(guò)2%時(shí)，烴源巖排烴量迅速增加，成為保障致密油成藏最為優(yōu)質(zhì)的烴源巖。由此得到青山口組一段有效烴源巖下限標(biāo)準(zhǔn)為剩余有機(jī)碳1%。有效烴源巖內(nèi)部分為一般和優(yōu)質(zhì)兩類(lèi)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別為1%～2%和>2%。

2.3 過(guò)剩壓力與有機(jī)碳關(guān)聯(lián)法

過(guò)剩壓力的形成大都與烴源巖生排烴具有密切關(guān)系，但壓力的大小必須恢復(fù)到主要成藏期才能正確分析其在成藏過(guò)程中的作用。研究中利用TemisFlow盆地模擬軟件對(duì)松北青山口組一段泥巖進(jìn)行了壓力史的恢復(fù)，建立了排烴量與烴源巖過(guò)剩壓力之間的關(guān)系(圖5)，利用過(guò)剩壓力與剩余有機(jī)碳的聯(lián)系(圖6)，建立起排烴量與有機(jī)碳之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終達(dá)到利用可計(jì)算的排烴量和剩余有機(jī)碳評(píng)價(jià)烴源巖的質(zhì)量和分級(jí)的目標(biāo)。圖4中顯示曲線(xiàn)明顯變化的拐點(diǎn)出現(xiàn)在青一段排烴量為5 mg/g的位置，相應(yīng)的過(guò)剩壓力為8 MPa。圖5中8 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)剩余有機(jī)碳含量為2.0%，與前文排烴量法確定的有效烴源巖下限位置保持一致。當(dāng)剩余有機(jī)碳含量>2%時(shí)，青一段過(guò)剩壓力基本保持不變，說(shuō)明烴源巖已經(jīng)開(kāi)始較大量的排烴，通過(guò)烴類(lèi)不斷進(jìn)入下伏致密儲(chǔ)集層，過(guò)剩壓力已經(jīng)轉(zhuǎn)化為了倒灌成藏的動(dòng)力，因此壓力不再繼續(xù)增長(zhǎng)。同時(shí)圖5也顯示當(dāng)剩余有機(jī)碳含量<1%時(shí)所對(duì)應(yīng)的地層過(guò)剩壓力為1 MPa，當(dāng)壓力低于該值時(shí)，排烴量一般<1 mg/g，表明烴源巖沒(méi)有進(jìn)入大量生排烴階段，排烴量小，壓力低，與排烴量方法確定的有效烴源巖下限保持一致。

圖5 青一段過(guò)剩壓力與排烴量散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagram of excess pressure and hydrocarbon expulsion in member 1 of Qingshankou Formation

圖6 實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量與現(xiàn)今地層超壓關(guān)系圖Fig.6 Relationship between measured organic carbon content and current formation overpressure

按照兩種方法綜合分析的結(jié)果，最終建立起了松北青一段烴源巖致密油成藏的下限及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)，鑒于源下致密油的形成基本條件需要有充足的烴類(lèi)供給和壓力條件，因此烴源巖的成熟度、源巖厚度和排烴強(qiáng)度三個(gè)參數(shù)作為基本要素也要體現(xiàn)在分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)中。

表2 松遼盆地北部源下致密油源巖分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification and evaluation criteria of tight oil source rocks under source rocks in northern Songliao Basin

3 源下致密油分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用

為了將上述分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于勘探實(shí)踐，需要先利用已鉆井揭示的的資料，采用測(cè)井、地球化學(xué)等分析測(cè)試技術(shù)，對(duì)剩余有機(jī)碳、烴源巖排烴量、成熟度、源巖厚度和排烴強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)表2進(jìn)行烴源巖的等級(jí)劃分。同時(shí)利用盆地模擬軟件進(jìn)行現(xiàn)今過(guò)剩壓力的計(jì)算。

通過(guò)松北致密油實(shí)鉆資料的統(tǒng)計(jì)分析，從青山口組一段不同類(lèi)別、不同厚度源巖條件與下伏扶楊油層的含油厚度關(guān)系圖(圖7)可以看出，不同類(lèi)型源巖對(duì)下伏含油層的含油性控制作用存在較大差異。其中優(yōu)質(zhì)烴源巖物質(zhì)條件及排烴能力很好，其下伏油層厚度與優(yōu)質(zhì)源巖厚度成明顯的正相關(guān)關(guān)系。而有效烴源巖生排烴等能力相對(duì)減弱，雖然也呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，但正相關(guān)的斜率特征明顯降低，形成的油層厚度減小，一般<30 m。相比之下，無(wú)效烴源巖對(duì)下伏油層的含油性的影響沒(méi)有直接作用，不具備明顯的相互關(guān)聯(lián)，且下伏含油層的厚度普遍很小，一般不大于20 m。值得注意的是，此處所說(shuō)的無(wú)效烴源巖并不是不具備生排烴能力，而是已經(jīng)成熟的烴源巖，對(duì)于需要下排才能成藏的致密油來(lái)講，只是形成致密油藏的可能性相對(duì)較小，從效益勘探的角度講是規(guī)模成藏、優(yōu)質(zhì)富集的可能性很小。由此說(shuō)明源下致密油的成藏明顯受到不同類(lèi)型烴源巖的控制，烴源巖的發(fā)育條件直接影響致密油的富集程度，體現(xiàn)出與常規(guī)油類(lèi)似的“源控”成藏作用。

a.優(yōu)質(zhì)源巖；b.有效源巖；c.無(wú)效源巖。圖7 青一段不同級(jí)別源巖厚度與下伏致密油層厚度散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter diagrams of different levels of source rock thickness and underlying tight oil layer thickness of member 1 of Qingshankou Formation

同時(shí)，從致密油藏連井剖面上可以明顯看出，致密油的成藏與烴源巖的排烴強(qiáng)度和壓力具有很好的耦合關(guān)系(圖8)。在古龍和三肇兩大凹陷中，烴源巖發(fā)育程度較好，排烴強(qiáng)度大，過(guò)剩壓力高，致密油層的厚度最大，向兩側(cè)的斜坡部位油層發(fā)育隨著烴源巖發(fā)育的減弱而逐漸減薄，由此形成了一個(gè)典型的致密油藏發(fā)育包絡(luò)線(xiàn)，其與上覆青山口組一段構(gòu)造形態(tài)具有較好的一致性。

圖8 松北扶余油層致密油藏剖面圖Fig.8 Profile of tight oil reservoir of Fuyu oil layer in northern Songliao Basin

按照前文建立的烴源巖下限及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合目前的過(guò)剩壓力、排烴強(qiáng)度等地化參數(shù)，繪制了松北扶余油層致密油有利區(qū)平面分布預(yù)測(cè)圖(圖9)。有利區(qū)確定了致密油成藏富集的主要勘探范圍，平面上主要集中分布在三肇凹陷及齊家古龍的中部地區(qū)，長(zhǎng)垣受構(gòu)造變動(dòng)影響，其中南部地區(qū)是致密油成藏的有利范圍，這個(gè)認(rèn)識(shí)為后續(xù)致密油勘探提供了一個(gè)明確的勘探方向。

圖9 松遼盆地北部源下致密油有利區(qū)綜合預(yù)測(cè)圖Fig.9 Comprehensive prediction of favorable areas for tight oil under source in northern Songliao Basin

4 結(jié)論

(1)確定出源巖排烴量1 mg/g、過(guò)剩壓力1 MPa、剩余有機(jī)碳含量1%、成熟度0.8為致密油源巖的下限，確定源巖排烴量5 mg/g、過(guò)剩壓力8 MPa、剩余有機(jī)碳含量2%、成熟度1.2為致密油源巖的優(yōu)質(zhì)烴源巖標(biāo)準(zhǔn)。

(2)將致密油烴源巖劃分為無(wú)效烴源巖、有效烴源巖和優(yōu)質(zhì)烴源巖三類(lèi)。按照這個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可相對(duì)有效地在松遼盆地北部針對(duì)扶余油層致密油進(jìn)行有利區(qū)帶預(yù)測(cè)。