金之鈞 ，朱如凱 ，梁新平，沈云琦

（1. 北京大學(xué) 能源研究院，北京 100871；2. 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100083；3. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；4. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

全球頁巖油資源豐富，美國頁巖油勘探開發(fā)取得了重大突破，頁巖油已經(jīng)成為原油產(chǎn)量增長的主體[1]。2019年美國頁巖油產(chǎn)量為3.85×108t，占其原油總產(chǎn)量的65.2%[2]。美國海相頁巖油成功勘探與經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)首先得益于基礎(chǔ)地質(zhì)認(rèn)識的不斷提高，理論上突破了傳統(tǒng)的圈閉找油模式，極大地擴(kuò)展了找油區(qū)域，實現(xiàn)了全盆地勘探開發(fā)的革命[3]。美國頁巖油主要產(chǎn)自威利斯頓盆地上泥盆統(tǒng)—下石炭統(tǒng)巴肯區(qū)帶（Bakken）、墨西哥灣白堊系鷹灘區(qū)帶（Eagle Ford）、二疊盆地二疊系伯恩斯普林和沃夫坎等區(qū)帶（Spraberry and Wolfcamp）、阿帕拉契亞盆地奧陶系尤提卡區(qū)帶（Utica）等[4-5]。目前二疊盆地頁巖油的產(chǎn)量上億噸[6-7]，2019年開始頁巖油勘探開發(fā)的阿納達(dá)科盆地，早期開發(fā)的富有機(jī)質(zhì)層系頁巖油單井直井產(chǎn)量并不高，后期勘探在盆地深凹處4 500 m以深獲得了高產(chǎn)[8-9]。

美國海相頁巖油的勘探開發(fā)歷經(jīng)長期探索。1953年，在威利斯頓盆地巴肯組發(fā)現(xiàn)了Antelope油田，但是由于長期低產(chǎn)無人關(guān)注。1987年，受頁巖氣探索的影響，在巴肯組上段打了頁巖油第 1口水平井，但產(chǎn)量低，無經(jīng)濟(jì)效益。2000年轉(zhuǎn)向巴肯組中段的致密層段，獲得了巨大成功[4]，該層系平均厚度為15～20 m，盆地中心是碳酸鹽巖，盆地邊緣是碎屑巖，在盆地中心發(fā)現(xiàn)了美國第1個頁巖油田Elm Coulee，總體處在盆地的中央部位，具有低緩背斜的背景。2007年巴肯組產(chǎn)量突破 110×104t，距離第 1個油田發(fā)現(xiàn)共用了 7年的時間[10]。繼巴肯組產(chǎn)量突破之后，美國頁巖油勘探開發(fā)先后在南部鷹灘（Eagle Ford）、中部二疊盆地等地展開，頁巖油產(chǎn)量迅速上升，最高峰時期每年增長5 000×104t，2019 年美國頁巖油總產(chǎn)量達(dá) 3.85×108t[10]。巴肯組在2009年之前的單井產(chǎn)量低，2012年實現(xiàn)平均產(chǎn)量約 8.22×104t[5]，2017年以來平均日產(chǎn)量超過20.55×104t/d；鷹灘組的日產(chǎn)量也超過 54.8×104t。美國目前的高產(chǎn)頁巖油井多分布在威利斯頓盆地、二疊盆地和海灣盆地鷹灘組[7]。

鷹灘組是一套泥灰?guī)r、泥巖、灰?guī)r互層的混積巖，主要礦物成分是方解石，根據(jù)其含量可分為鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r和灰?guī)r，有機(jī)質(zhì)主要賦存于泥灰?guī)r中。其富有機(jī)質(zhì)頁巖優(yōu)質(zhì)儲集層可分為兩段，下段平均碳酸鹽含量約50%，平均TOC值約5.1%；上段平均碳酸鹽含量約67%，平均TOC值約3.2%[4]。野外剖面中，在下甜點段底部有1套Buda致密灰?guī)r，其作為頁巖油主力產(chǎn)層的底板保存條件非常好，這是此處頁巖油富集的一個重要因素。與上甜點段相比，下甜點段的有機(jī)碳含量較高，總體評價更好。該區(qū)TOC值最高達(dá)12%；Ro值約0.6%～2.6%；黏土礦物含量低，為10%～30%。

中國頁巖油勘探主要面向陸相盆地。根據(jù)目前新疆油田頁巖油實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，劃分初始產(chǎn)能高于30 t/d為Ⅰ類，低于10 t/d為Ⅲ類，中間則為Ⅱ類，當(dāng)前吉木薩爾凹陷Jx23井最高頁巖油日產(chǎn)88.3 t，Jx25井最高日產(chǎn)油108.3 t，瑪湖凹陷MY1井最高日產(chǎn)量可達(dá)31 t，都具有非常大的資源潛力[11]。2018年以來，中國頁巖油發(fā)展戰(zhàn)略研究專家組完成了全國幾大盆地的調(diào)研，一致認(rèn)為各盆地都獲得了勘探上的重大突破。從準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷到鄂爾多斯盆地中部，再到江漢盆地潛江凹陷，以及渤海灣盆地的黃驊坳陷和濟(jì)陽坳陷均有突破，近期在松遼盆地北部的古龍凹陷白堊系下部青山口組一、二段深湖相頁巖中也獲得了大于30 t的單井日產(chǎn)量，2020年5月30日古龍凹陷YP1井日產(chǎn)油35.3 m3，日產(chǎn)氣11 992 m3，油嘴6.3 mm，套壓8.3 MPa[12]。然而，這只是單井的突破，整體來說，當(dāng)前頁巖油勘探開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)之一仍然包括單井產(chǎn)量低，效益差，尤其是在低油價背景下，規(guī)模開發(fā)遇到了極大的挑戰(zhàn)。

中國陸相頁巖油資源發(fā)展戰(zhàn)略研究報告指出，中高成熟度頁巖油是中國頁巖油戰(zhàn)略突破的重點領(lǐng)域，加強(qiáng)陸相頁巖油氣勘探開發(fā)是保障國家能源供應(yīng)安全的重要途徑[4]。中國多套湖相泥頁巖層系具有分布范圍廣、時代較新、有機(jī)質(zhì)豐度高、厚度大、埋藏淺、成熟度低、以生油為主的特點，且陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖黏土礦物含量高、基質(zhì)滲透率低、碎屑含量和可壓性變化大，因此規(guī)模有效勘探開發(fā)面臨資源規(guī)模不清、富集規(guī)律不明和可動用資源分布預(yù)測困難等重大挑戰(zhàn)。當(dāng)前中國陸相頁巖油勘探中單井產(chǎn)量普遍較低，且高產(chǎn)、低產(chǎn)井分布極不均勻，頁巖油富集主控因素不清，甜點評價標(biāo)準(zhǔn)不一，預(yù)測評價難度大，制約了中國陸相頁巖油的勘探部署和規(guī)?；_采。

綜上，筆者結(jié)合中國陸相頁巖油的特點和研究現(xiàn)狀，重點分析致密油與頁巖油的概念、陸相與海相的區(qū)別、中低成熟度和中高成熟度、垂直滲透率與水平滲透率、源儲與源蓋、地質(zhì)與工程、選區(qū)與選甜點標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究這 8個在陸相頁巖油勘探開發(fā)中值得關(guān)注的問題。

1 致密油與頁巖油的概念

威利斯頓盆地巴肯區(qū)帶最早獲得突破的是烴源巖層的中段，該段在盆地的加拿大部分是粉砂巖或者鈣質(zhì)粉砂巖的碎屑巖沉積，在美國部分處于湖盆中心的是碳酸鹽巖沉積，厚度約7～8 m，屬于烴源巖層系中的夾層。筆者贊同美國學(xué)者Donovan的定義，致密油主要應(yīng)屬于經(jīng)過二次運(yùn)移到致密砂巖或者致密碳酸鹽巖儲集層中的石油，在烴源巖層系（頁巖以及頁巖層系中的致密砂巖和碳酸鹽巖）中的滯留烴均稱為頁巖油（見圖1）[13]。

圖1 頁巖油與致密油的劃分標(biāo)準(zhǔn)（據(jù)文獻(xiàn)[17]修改，油頁巖為出露地表淺層的富有機(jī)質(zhì)頁巖層系，可提煉出液態(tài)烴類物質(zhì)）

頁巖油是指蘊(yùn)藏在富有機(jī)質(zhì)頁巖層系內(nèi)，包括泥頁巖孔隙和裂縫中以及泥頁巖層系中致密碳酸鹽巖或碎屑巖等夾層中，一般具有超低孔隙度和滲透率的烴源巖層系中的石油資源，其開發(fā)需要使用水平井和壓裂改造技術(shù)才能得以實現(xiàn)[4]。此概念是基于2019年第二屆頁巖油勘探開發(fā)國際會議多位專家達(dá)成的共識。盡管目前中國不同專家學(xué)者對頁巖層系中致密碳酸鹽巖或碎屑巖夾層單層厚度及占比定義有差異，如《頁巖油地質(zhì)評價方法》國家標(biāo)準(zhǔn)[14]強(qiáng)調(diào)富含有機(jī)質(zhì)頁巖層系烴源巖內(nèi)粉砂巖、細(xì)砂巖、碳酸鹽巖單層厚度不大于 5 m，累計厚度占頁巖層系總厚度比例小于30%。2019年，黎茂穩(wěn)等將夾層界定為單層厚度不超過 1 m、累計厚度不超過烴源巖層系總厚度 20%的非烴源巖夾層，單層厚度大于1 m、累計厚度超過烴源巖層系總厚度 20%的非烴源巖夾層則屬于源內(nèi)致密儲集層的范疇[15]。2020年，宋明水等強(qiáng)調(diào)富有機(jī)質(zhì)頁巖體系中的碳酸鹽巖、砂巖薄夾層單層厚度小于2 m，累計厚度占比小于 30%[16]。上述定義的差異隨著勘探開發(fā)資料的豐富及認(rèn)識上的發(fā)展，可以逐步統(tǒng)一。但要轉(zhuǎn)變頁巖中不容易產(chǎn)出石油的傳統(tǒng)觀念，這是共識，應(yīng)把關(guān)注點轉(zhuǎn)移到頁巖本身，畢竟頁巖作為好的油源，可形成大規(guī)模的石油聚集。

這種概念的轉(zhuǎn)變代表著實質(zhì)性的勘探思路的轉(zhuǎn)變?？碧介_發(fā)如果定位在致密油，則與低滲透和超低滲儲集層類似，如果定位為頁巖油，整個勘探思路都要轉(zhuǎn)變，首先頁巖層系中的砂巖或者碳酸鹽巖夾層仍是重要的層段，但只是重要甜點段之一。其次，頁巖本身，特別是具有頁理結(jié)構(gòu)的頁巖也是重要的甜點層段。頁巖氣就是很好的例子：涪陵頁巖氣田的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組最高產(chǎn)量在 100×104m3/d以上，現(xiàn)在一般穩(wěn)產(chǎn)在（6～8）×104m3/d，一些老勘探家最開始不相信頁巖層系有如此高的產(chǎn)量（當(dāng)時志留系小河壩組致密砂巖最高日產(chǎn)量只有6×104m3），經(jīng)過現(xiàn)場巖心觀察、測井曲線以及地震剖面的確認(rèn)，在現(xiàn)場討論才最終接受這個事實，然而導(dǎo)致高產(chǎn)的原因在當(dāng)時并不清楚。

2 垂直滲透率與水平滲透率

常規(guī)油氣勘探開發(fā)中很少區(qū)分水平滲透率和垂直滲透率。事實上，與砂巖相比，頁巖垂直滲透率和水平滲透率相差很大，水平滲透率普遍是垂向滲透率的數(shù)十至數(shù)百倍及以上[17-18]。地層條件下滲透率測試實驗時，當(dāng)圍壓增加到 35 MPa時可模擬地下的真實情況，無論是垂直滲透率還是水平滲透率都在減小，但二者差值仍然很大，始終是水平滲透率高，約為垂直滲透率的38.9倍[19]。此外，水平滲透率和垂直滲透率的差值還受巖性變化的影響，阿帕拉契亞盆地的Marcellus頁巖滲透率范圍為（0.000 01～0.1）×10-3μm2，變化范圍為4個數(shù)量級，水平滲透率為（0.01～0.10）×10-3μm2，垂直滲透率為（0.000 01～0.001）×10-3μm2，比水平滲透率低至少兩個數(shù)量級[20]。西加盆地的頁巖滲透率受礦物組分的控制[21]，在硅質(zhì)頁巖中，水平滲透率比垂直滲透率大3～4個數(shù)量級；在鈣質(zhì)頁巖中，水平滲透率比垂直滲透率高2～3個數(shù)量級，各向異性隨有效應(yīng)力的增大而增大；泥質(zhì)頁巖滲透率的應(yīng)力敏感性大于硅質(zhì)頁巖和鈣質(zhì)頁巖[22]。對德國北部侏羅系Scandinavian Alum頁巖進(jìn)行了測試，水平滲透率比垂直滲透率高 5倍左右，氦氣測得的滲透率大于甲烷測得的滲透率，這是因為氦氣分子小更容易穿透地層，有效應(yīng)力與滲透率呈指數(shù)關(guān)系。同一樣品，濕潤條件下滲透率小于干燥條件下滲透率[23]。

常壓下，江漢盆地潛江凹陷層理縫發(fā)育的樣品水平滲透率與垂直滲透率相差 5個左右數(shù)量級，層理縫不發(fā)育的樣品水平滲透率與垂直滲透率相差 20倍左右，如第 1523號樣品的平行層理滲透率為 1.283 90×10-3μm2，垂直層理滲透率為 0.000 03×10-3μm2，第3603 號樣品的平行層理滲透率為 0.001 22×10-3μm2，垂直層理滲透率為 0.000 06×10-3μm2，樣品照片見圖 2。濟(jì)陽坳陷頁巖滲透率的差異性和美國海相頁巖差不多，頁巖儲集層水平滲透率與垂直滲透率差異的變化范圍遠(yuǎn)大于潛江凹陷頁巖（見圖 3），當(dāng)層理縫發(fā)育時，頁巖儲集層水平滲透率與垂直滲透率相差數(shù)倍至數(shù)百倍不等，當(dāng)層理縫不發(fā)育時，水平滲透率與垂直滲透率相差 0.4～50.0倍，其中相差倍數(shù)小于 1時，發(fā)育切穿層理的構(gòu)造微裂縫，滲透率相差0.4倍意味著垂直滲透率大于0，是構(gòu)造縫，在切片中也發(fā)現(xiàn)有大量構(gòu)造縫。因此，頁巖油的開采，孔縫比孔隙度重要得多，具紋理結(jié)構(gòu)的頁巖水平滲透率大于垂直滲透率的認(rèn)知，合理解釋了為什么頁巖油可以高產(chǎn)。

圖2 潛江凹陷富有機(jī)質(zhì)頁巖層系樣品層理發(fā)育程度對比

圖3 濟(jì)陽坳陷古近系沙河街組沙四段上亞段—沙三段下亞段頁巖儲集層水平滲透率與垂直滲透率差異的變化

3 陸相與海相的區(qū)別

頁巖油的地質(zhì)特征可概述為“四性”：即儲集性、含油性、可動性和可壓性，考慮經(jīng)濟(jì)效益評價還有可采性?？刹尚陨婕肮芾沓杀竞陀蛢r，故本文主要就“四性”討論陸相與海相頁巖油的異同點。儲集性主要體現(xiàn)在沉積環(huán)境和成巖作用的不同；含油性主要與有機(jī)質(zhì)含量和成熟度相關(guān)；黏土礦物含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、微粒結(jié)構(gòu)都對可壓性有重要影響；中國陸相頁巖油以中低成熟度為主，含蠟量高，同等條件下流動性較海相差。中國陸相頁巖油與北美海相頁巖油地質(zhì)條件的巨大差異（見表1）決定我們無法直接復(fù)制美國的相關(guān)理論和勘探開發(fā)技術(shù)。中國富有機(jī)質(zhì)頁巖以陸相湖泊沉積為主，盆地形成時間晚，熱演化程度偏低，陸相頁巖油具有油質(zhì)重、黏度高、流動能力差、黏土礦物含量高、脆性較低等特點。

表1 中國陸相頁巖油與北美海相頁巖油地質(zhì)條件的差異（據(jù)文獻(xiàn)[3]修改）

頁巖最主要的儲集空間是無機(jī)孔與層理縫，紋層狀頁巖是最有利的巖相，富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥頁巖游離油含量高，是首要的勘探突破方向。當(dāng)前大慶油田、大港油田和勝利油田的頁巖油勘探都是在富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥頁巖中取得了突破。如大慶油田古龍凹陷白堊系青山口組層狀、紋層狀頁巖累計厚度占青山口組一、二段（簡稱青一段、青二段）厚度的 90%以上，頁巖中有機(jī)成因和無機(jī)成因的頁理縫極為發(fā)育，占總面孔率的 22%～79%，其水平滲透率是垂直滲透率的 10～100倍[12]。大港油田滄東凹陷古近系孔店組二段泥頁巖段頁理發(fā)育，紋層狀長英質(zhì)頁巖組構(gòu)相頁巖油最為富集，次有利的組構(gòu)相類型為紋層狀混積質(zhì)頁巖組構(gòu)相，是孔二段最佳甜點體所在[24-25]。濟(jì)陽坳陷沙四段上亞段—沙三段下亞段富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰質(zhì)泥巖相、富有機(jī)質(zhì)層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、富有機(jī)質(zhì)層狀灰質(zhì)泥巖相和富有機(jī)質(zhì)塊狀灰質(zhì)泥巖相 5類巖相最為發(fā)育，富有機(jī)質(zhì)紋層狀巖相為地質(zhì)甜點巖相[15]。阿根廷Neuquen盆地、美國二疊盆地及鷹灘海相頁巖的頁理比中國陸相頁巖更加發(fā)育。這主要是因為天文周期（米蘭科維奇旋回）驅(qū)動的紋層結(jié)構(gòu)在海相地層中的響應(yīng)更敏感，微觀尺度的紋層韻律結(jié)構(gòu)揭示了天文旋回驅(qū)動的氣候波動對初級生產(chǎn)力和有機(jī)質(zhì)保存的控制作用。陸相頁巖層系容易受局部構(gòu)造運(yùn)動、區(qū)域古地理格局和多物源供給的干擾，富有機(jī)質(zhì)紋層發(fā)育的控制因素更加復(fù)雜。

黏土礦物含量是海相與陸相頁巖可壓性的關(guān)鍵。美國頁巖油勘探實踐表明，黏土礦物含量是控制工程甜點的最核心因素，實現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)量的頁巖油區(qū)帶黏土含量普遍低于 30%，加拿大頁巖油區(qū)帶也具有類似的特征[7]。陸相頁巖的黏土礦物含量相對較高，但各盆地有較大差異，如大港油田孔店凹陷孔二段黏土礦物含量低，小于 20%。松遼盆地古龍頁巖為黏土質(zhì)長英頁巖，黏土礦物含量高，碳酸鹽含量低，青一段頁巖黏土礦物含量平均值為36.3%，青二段黏土礦物含量平均值為34.5%，古龍頁巖整體處于中成巖晚期，黏土礦物演化程度高，埋深超過1 650 m，蒙脫石大量轉(zhuǎn)化為伊利石，轉(zhuǎn)化過程中析出硅質(zhì)，鏡下可見自生石英，剛性成分增加，脆性增大，頁巖中伊利石經(jīng)成巖壓實作用定向排列，使巖石沿層面易剝裂，改善了儲集層可壓性[12]。濟(jì)陽坳陷黏土礦物含量雖平均不到 30%，但LY1井黏土礦物含量為6%～51%，F(xiàn)Y1井為2%～62%，NY1井為4%～59%，L69井為2%～48%，某些層段均有不同程度的高黏土礦物含量。但在一些盆地中，含有蒙脫石和高嶺石，具有強(qiáng)水敏性，遇水膨脹，容易堵塞納米孔喉，這是當(dāng)前導(dǎo)致中國陸相頁巖油單井產(chǎn)量低的重要影響因素。河南油田兩口頁巖油水平井，初始日產(chǎn)量為 23～25 t，其中 1口井的產(chǎn)量在很短時間內(nèi)快速衰竭，之后在地下抽出來5 t多遇水膨脹的黏土礦物黏稠液體，大量孔喉已經(jīng)被堵塞，導(dǎo)致產(chǎn)量上不去。隨著成巖作用的演化，蒙脫石可以向伊利石或者綠泥石轉(zhuǎn)化，這取決于成巖環(huán)境是酸性還是堿性，也涉及礦物成分轉(zhuǎn)化過程中是否有足夠的鉀離子參與。

頁巖油可動性與游離油含量、成熟度、埋深、物性、巖相等因素關(guān)系密切?？蓜酉禂?shù)與成熟度、埋深、巖相相關(guān)較明顯，與孔隙度和TOC相關(guān)性相對較差，演化程度與裂縫發(fā)育程度是控制頁巖油可動性的關(guān)鍵因素[26]。陶國亮等分析了江漢盆地潛江凹陷構(gòu)造凸起區(qū)和深凹區(qū)鹽間頁巖的含油性差異，凸起區(qū)含油性好的主要原因是深凹區(qū)的成熟—高熟油通過側(cè)向運(yùn)移，在凸起部位聚集，深凹區(qū)存在豐富的原位頁巖油富集，同時，儲集性能也是影響頁巖含油性的關(guān)鍵因素[27]。

4 中低成熟度和中高成熟度

流動性較好的頁巖油成熟度偏高，Ro值多為0.9%～1.3%，具有油質(zhì)輕、含油飽和度高、氣油比高、地層壓力系數(shù)高等特點，通過現(xiàn)有的水平井體積改造技術(shù)和“井工廠作業(yè)模式”可實現(xiàn)規(guī)模效益開發(fā)。

有機(jī)質(zhì)在熱演化階段會經(jīng)歷生油高峰和生氣高峰，傳統(tǒng)的石油地質(zhì)理論認(rèn)為Ro值在 0.5%左右或者低于0.7%為低成熟度[28]。最初的頁巖油成熟度劃分也認(rèn)為Ro值低于0.7%為低熟，Ro值為 0.7%～0.9%為中熟，Ro值大于0.9%為高熟。中國陸相頁巖油資源按成熟度一般可分為以下兩大類。

第1類是中高成熟度頁巖油，Ro值大于0.9%（見圖4）或Ro大于1.0%[3,13,18,29-30]。原始有機(jī)質(zhì)（干酪根）開始進(jìn)入大量生烴階段，而滯留烴（石油、瀝青等）填充泥頁巖有機(jī)/無機(jī)孔隙。美國開采的頁巖油絕大部分為此類，采用的主體技術(shù)是水平井多段水力壓裂技術(shù)。近期中國石油天然氣股份有限公司和中國石油化工股份有限公司先后在松遼盆地古龍凹陷、準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地滄東凹陷和濟(jì)陽坳陷等陸續(xù)成功建產(chǎn)多口頁巖油井[31-33]，實現(xiàn)了陸相中高成熟度頁巖油的勘探開發(fā)突破，但規(guī)模經(jīng)濟(jì)開采仍然受關(guān)鍵理論和技術(shù)瓶頸的制約，特別是受富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積—成巖—成烴動態(tài)演化規(guī)律，以及動態(tài)演化過程中有效儲集空間形成、頁巖油賦存流動狀態(tài)、陸相細(xì)粒沉積巖強(qiáng)不均一性與可壓裂性等關(guān)鍵問題的制約[34-37]。

第2類是中低成熟度頁巖油，Ro值小于0.9%[3,29-30]。該類資源勘探開發(fā)前景規(guī)模大，但面臨的理論與技術(shù)挑戰(zhàn)亦大。就理論而言，該類頁巖油由于沒有進(jìn)行規(guī)模開發(fā)，研究程度極低，頁巖油賦存狀態(tài)、可壓性、可動性及其控制因素尚不清楚，合適的經(jīng)濟(jì)開采技術(shù)路線尚不明晰。早期鉆探的大部分頁巖油井之所以低產(chǎn)，最主要的原因是原油成熟度低、黏度大、含蠟量高、流動性差（見表2），對原油的地下流動機(jī)理與動用的物理化學(xué)條件認(rèn)識尚不清[30,38]。揭示中低成熟度頁巖油的賦存方式、流動機(jī)理與動用邊界條件，是實現(xiàn)中低成熟度頁巖油有效開發(fā)的理論基礎(chǔ)。

原油含蠟量主要與生烴母質(zhì)有關(guān)，氣油比含量與體系的封閉與開放程度、成熟度等相關(guān)，在相同的體系下，成熟度越高，含蠟量越低，汽油比越高。如準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組上甜點段和下甜點段原油性質(zhì)存在差異，橫向上不同埋深的原油性質(zhì)也存在差異。上甜點段地面原油密度由西部凹陷部位的0.875 9 g/cm3增大到東部斜坡部位的0.895 8 g/cm3，50 ℃黏度由凹陷中部的43.03 mPa·s向東部的凹陷邊緣逐漸增加到 133.16 mPa·s，含蠟量由 8.1%增大到24.1%，凝固點由14.3 ℃到37.0 ℃，初餾點由86.3 ℃到 167.5 ℃。下甜點段地面原油密度由西部凹陷部位的0.900 9 g/cm3增大到東部斜坡部位的0.923 1 g/cm3，50 ℃黏度由凹陷中部的 94.20 mPa·s向東部增大至407.08 mPa·s，含蠟量由3.7%增大到8.6%，凝固點由1.9 ℃到15.8 ℃，初餾點90.0 ℃到153.0 ℃[39]。

筆者認(rèn)為，頁巖油成熟度分類應(yīng)結(jié)合盆地自身特點，針對不同盆地中的成熟度對地下石油流動性的影響做出合適的分類，中低與中高成熟度的分類界限Ro值是 0.8%、0.9%還是 1.0%，需要進(jìn)一步研究。我們過去總是在埋藏淺的邊坡上打井，產(chǎn)量不高，主要是因為成熟度低，原始有機(jī)質(zhì)還未大量生烴（見圖 4），原油黏性高，流動性差（見表 2）。美國頁巖油勘探開發(fā)早期也經(jīng)歷了這個階段。美國現(xiàn)在開發(fā)的原油產(chǎn)量有3.85×108t，95%以上都是輕質(zhì)原油，處在生油窗附近，Ro值為 0.9%～1.3%，但是確定 0.9%這個界限是個很難的問題。目前Ro值的測試方式存在一定問題，比如瑪湖凹陷烴源巖測出的Ro值是 0.5%，而采出的是較為輕質(zhì)的原油，因此測出來的Ro值被懷疑是不可信的，未來Ro值的準(zhǔn)確測定對油氣勘探非常重要，它決定著成熟度為主要依據(jù)的頁巖油開發(fā)方案的擬定。渤海灣盆地勝利油田的勘探開發(fā)也經(jīng)歷了曲折，為了便于施工和壓裂改造，早期鉆井都集中在盆地邊部，深度在3 000 m以深，雖然見油但是產(chǎn)量很低，2020年12月在盆地中心的深洼處打出了高產(chǎn)井Fx1井，測試獲得 119.74 t高產(chǎn)油氣流。因此，對于陸相頁巖油的勘探開發(fā)應(yīng)加深對頁巖層系演化程度和地層能量的認(rèn)識，促使勘探由淺部斜坡轉(zhuǎn)向高成熟度的生烴凹陷區(qū)。

圖4 頁巖生、排、滯留烴模式（據(jù)文獻(xiàn)[18]修改）

表2 中低成熟度與中高成熟度頁巖油地質(zhì)特征對比

5 源儲與源蓋

一方面，頁巖的儲集性至關(guān)重要，另一方面，在沉積環(huán)境和熱演化條件一定的情況下，泥頁巖層系的相對保存條件也是陸相頁巖油富集的關(guān)鍵要素[34,38]。因此，既要研究“源儲”，更要研究“源蓋”。深洼區(qū)不僅富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層規(guī)模發(fā)育和熱演化程度高，而且保存條件相對好。具有穩(wěn)定分布的膏鹽層頂?shù)装鍟r，頁巖油氣一般原位-近源順層聚集，穿越蓋層垂向運(yùn)移較難，因而豐度較高[18,30,40]。無穩(wěn)定分布的頂?shù)装鍟r，頁巖油氣一般沿構(gòu)造或?qū)娱g裂縫、斷裂運(yùn)移散失或重新聚集，導(dǎo)致頁巖油豐度低，甚至不發(fā)育。

保存條件與蓋層有關(guān)，這個蓋層既指上部的蓋層，也指下部的蓋層。傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)理論對蓋層的定義是位于儲集層的上方，對石油和天然氣起到遮擋作用的致密層。對頁巖油氣來說，底部的蓋層同樣重要。鷹灘區(qū)帶的頁巖層油氣富集，就是因為它底部存在一套致密的灰?guī)r蓋層[39]。在野外剖面觀測中，吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖底部是一套致密凝灰?guī)r還是粉砂巖仍有待研究，但也可被認(rèn)為是蓋層。江漢盆地某些井的產(chǎn)量過千噸，也是因為頁巖夾在兩套鹽巖之間，烴源巖的游離烴含量（S1）特別高，可動性非常好。相比于江漢盆地，蘇北盆地頁巖油的可動性差，因為其蓋層條件差，保存條件差，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性輕烴散失，原油黏度增高，流動性降低。因此，保存條件對頁巖油的富集同樣至關(guān)重要。

6 地質(zhì)與工程

首先是井型與井距。中美頁巖油的勘探開發(fā)方式有很大的差別，美國頁巖油氣開發(fā)獲得成功是“地下”和“地上”多個因素共同作用的結(jié)果，其中“地上”因素更復(fù)雜多變。美國頁巖油氣在初期開采階段，更專注各項基礎(chǔ)試驗，針對不同井距和井長設(shè)計了一批井，根據(jù)實際產(chǎn)量效果做開發(fā)方案的優(yōu)化，形成最優(yōu)方案后再全面推廣，打井建產(chǎn)[1,3-4,41-43]。中國頁巖油的開發(fā)已有初步經(jīng)驗，比如說1 500～1 800 m水平段，200 m 的井距設(shè)計開發(fā)方案[4]，但這或許并不是最優(yōu)的方案。對比巴肯頁巖油開發(fā)可見，在井距100 m的情況下再做重復(fù)壓裂，產(chǎn)油量比初始壓裂還要高，這是由于頁巖油流動非常緩慢，壓裂范圍十分有限導(dǎo)致的，這對于中國的頁巖油開發(fā)有重要參考價值。巴肯頁巖油開發(fā)的水平井段優(yōu)化為3 000～3 500 m，最長達(dá)5 800 m，水平段越長，施工越復(fù)雜，成本就越高，優(yōu)化投資效益比最好的是 3 500 m。鑒于此，中國頁巖油的前期基礎(chǔ)工作還要進(jìn)一步研究總結(jié)，實驗摸索適合自己的最優(yōu)方案。另外，陸相頁巖油開發(fā)是否都打水平井仍然值得進(jìn)一步探索，瑪湖凹陷直井能夠獲得30 t的產(chǎn)量，這是有效益的產(chǎn)量，如果以8 000 t/a的產(chǎn)量穩(wěn)產(chǎn)3年，經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。關(guān)于是直井還是水平井的開發(fā)方式，還需要進(jìn)一步探索。

二是水力壓裂與非水力壓裂。水力壓裂往往以長縫為主，從分形理論的角度，二氧化碳的壓裂效果比水力壓裂高很多，但因是整體的體積壓裂，影響其應(yīng)用的障礙主要是攜砂能力差。為此，有石油企業(yè)開發(fā)了能使攜砂能力提高50倍的添加劑；然而，現(xiàn)場實際仍然很難推廣二氧化碳壓裂，主要困難在于二氧化碳?xì)庠吹牟蛔愫团涮椎膲毫衍嚒?/p>

三是關(guān)于產(chǎn)量和產(chǎn)能。過去筆者反對在頁巖油開發(fā)中提產(chǎn)能，因為中國基本上是自然開采，沒有產(chǎn)能，基本上都是在講產(chǎn)量。但是最近從美國的一些做法得到啟發(fā)，可通過限產(chǎn)增加累計產(chǎn)量：從圖 5中可以看出，控制壓差生產(chǎn)的 EnCana公司，其產(chǎn)油井的前3個月產(chǎn)量僅下降了17%，而自然放噴的依歐格資源公司（EOG Resources INC.，簡稱EOG）公司的油井，其產(chǎn)量下降了 54%。產(chǎn)量受兩個方面因素影響較大，一是微裂縫的閉合導(dǎo)致產(chǎn)量下降，衰竭性的開采往往使一些微裂縫容易閉合。另外，相態(tài)的轉(zhuǎn)化也會導(dǎo)致產(chǎn)量快速下降。自第9個月開始，EnCana公司生產(chǎn)井的產(chǎn)量超過了 EOG公司，并持續(xù)至生產(chǎn)周期結(jié)束，其累計產(chǎn)量也高于后者，但采取限產(chǎn)后的開發(fā)成本回報期較長，EnCana公司為12個月，EOG公司為8個月。

圖5 EnCana公司與EOG公司得克薩斯州Karnes縣兩口頁巖油井產(chǎn)量對比圖[6]

EOG公司和 EnCana公司在同一個地區(qū)的開發(fā)方案不同，可以看出自然產(chǎn)量生產(chǎn)導(dǎo)致早期階段快速回收成本，但最終的EUR（估算的最終采收量）比控制壓差的生產(chǎn)利潤低，這一案例對當(dāng)前中國的生產(chǎn)有重要參考價值。

7 選區(qū)與選甜點標(biāo)準(zhǔn)

中國陸相頁巖油典型實例包括鄂爾多斯盆地三疊系延長組 7段、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系、渤海灣盆地沙河街組—孔店組、松遼盆地白堊系、三塘湖盆地二疊系、江漢盆地古近系、四川盆地侏羅系、柴達(dá)木盆地第三系、吐哈盆地侏羅系，不同盆地與區(qū)帶地質(zhì)條件具有明顯差異。結(jié)合每個盆地地質(zhì)條件與勘探開發(fā)現(xiàn)狀，鄂爾多斯盆地延長組 7段、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系、松遼盆地白堊系、三塘湖盆地二疊系與渤海灣盆地沙河街組—孔店組和江漢盆地古近系鹽間是近期和未來中國陸相頁巖油最為重要的勘探開發(fā)領(lǐng)域。

按照TOC＞2%、S1＞2 mg/g、S1/TOC＞100 mg/g、孔隙度大于 5%、水平滲透率大于 0.01×10-3μm2、脆性礦物含量大于 60%的評價標(biāo)準(zhǔn)及成熟度指標(biāo)（分別為Ro＞0.9%，0.7%≤Ro≤0.9%，Ro＜0.7%），將頁巖油資源劃分為好、中、差 3類資源。目前提出的選區(qū)與甜點的評價標(biāo)準(zhǔn)雖全面，但很難操作，筆者建議抓主要矛盾，在陸相盆地頁巖油選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)中考慮TOC、Ro和壓力系數(shù)，將選區(qū)類型分為好、中、差 3種。陸相盆地頁巖油甜點評價標(biāo)準(zhǔn)中考慮水平滲透率、黏土礦物含量和應(yīng)力差值 3項，將甜點類型分為好、中、差 3種類型，由此提出簡潔易操作的劃分方案供參考（見表3、表4、圖6）：

表3 中國陸相盆地頁巖油選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)

表4 中國陸相盆地頁巖油甜點評價標(biāo)準(zhǔn)

圖6 中國陸相盆地頁巖油選區(qū)選甜點示意圖

8 基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究

圍繞頁巖油勘探開發(fā)生產(chǎn)難題開展應(yīng)用研究，特別是低成本技術(shù)研發(fā)是十分必要的。筆者認(rèn)為，基礎(chǔ)研究同等重要，歸納起來有以下 3個關(guān)鍵科學(xué)問題需要研究。

①細(xì)粒沉積物理化學(xué)生物作用過程與陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖形成機(jī)理。應(yīng)從大陸演化與湖盆形成機(jī)制著手，結(jié)合沉積盆地構(gòu)造背景、古氣候、古環(huán)境、古沉積動力學(xué)，查明細(xì)粒沉積物形成過程，明確天文旋回與湖盆細(xì)粒沉積作用、深部流體與層圈盆內(nèi)流體相互作用、關(guān)鍵地質(zhì)事件與有機(jī)質(zhì)富集的關(guān)系，揭示陸相細(xì)粒沉積巖非均質(zhì)性的成因、有機(jī)質(zhì)富集機(jī)理以及有利儲集體和有利壓裂巖相組合和發(fā)育模式。

②細(xì)粒沉積物成巖成烴動態(tài)演化過程與陸相頁巖油賦存富集機(jī)理。陸相頁巖油賦存方式、富集機(jī)理與分布規(guī)律和常規(guī)油氣存在很大差異，應(yīng)闡明陸相細(xì)粒沉積層系埋藏演化過程中的非均質(zhì)成巖成烴作用機(jī)理、孔縫結(jié)構(gòu)演化機(jī)理、烴類滯留機(jī)理與賦存機(jī)理，是發(fā)展和完善陸相頁巖油差異化富集理論的基礎(chǔ)。

③不同成熟度陸相頁巖致裂機(jī)理、陸相頁巖油多相多尺度流動機(jī)理與有效開發(fā)方式。陸相含油頁巖中黏土礦物與紋層發(fā)育，人工壓裂成縫的制約因素復(fù)雜。應(yīng)研究不同成熟度頁巖對壓裂的影響，不同巖礦組合，不同溫壓條件下人工致裂形成縫網(wǎng)機(jī)理，在自然和人工壓裂干預(yù)條件下，不同尺度孔縫空間中的烴類流體在不同流體動力條件下的流動機(jī)制及對應(yīng)的開發(fā)方式。

與此同時，也要回答以提高單井產(chǎn)量為目標(biāo)的具體問題，包括以下 5個方面：①黏土礦物含量、紋理、孔喉結(jié)構(gòu)等對產(chǎn)量的影響；②有機(jī)質(zhì)類型、含量與成熟度等對產(chǎn)量的影響；③水力與非水壓裂效果評價及其對單井產(chǎn)量的影響；④潤濕性、地層能量等對單井產(chǎn)量影響；⑤高產(chǎn)甜點段、甜點區(qū)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

9 建議

①加強(qiáng)陸相頁巖油氣富集機(jī)理的理論研究和關(guān)鍵勘探開發(fā)技術(shù)的研發(fā)。中國陸相盆地發(fā)育多套湖相頁巖層系，具有分布范圍廣、有機(jī)質(zhì)豐度高、厚度大、埋藏淺、以生油為主的特點，具有巨大的頁巖油資源潛力。陸相頁巖油將是穩(wěn)產(chǎn)2×108t的重要資源接替領(lǐng)域。與海相沉積相比，陸相湖盆沉積受構(gòu)造背景、物源供應(yīng)、氣候變化、水動力條件等影響，時空變化大，非均質(zhì)性強(qiáng)。因此，陸相頁巖油氣勘探開發(fā)當(dāng)前面臨富集規(guī)律不明、可動用資源分布預(yù)測困難和開發(fā)成本高等理論技術(shù)瓶頸問題。應(yīng)聚焦陸相細(xì)粒沉積物理化學(xué)生物作用過程與陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖形成機(jī)理、成巖-成烴-成儲動態(tài)演化與烴類賦存富集機(jī)理、不同成熟度陸相頁巖致裂與頁巖油多相多尺度流動機(jī)理 3個關(guān)鍵科學(xué)問題，以靜態(tài)描述為基礎(chǔ)，以動態(tài)演化為主線，宏觀與微觀結(jié)合，以地球系統(tǒng)科學(xué)和全球變化視域研究沉積環(huán)境與盆地充填過程中細(xì)粒沉積的生物物理化學(xué)行為，揭示成烴動態(tài)演化與烴類賦存機(jī)理、人工壓裂和流動機(jī)理，闡明不同成熟度頁巖油儲集性、含油性、可壓性與可動性的主控因素，建立陸相頁巖油富集模式，構(gòu)建頁巖油選區(qū)評價方法體系，探索陸相頁巖油的有效開發(fā)方式，為中國陸相頁巖油規(guī)模經(jīng)濟(jì)勘探開發(fā)提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

②加強(qiáng)實驗技術(shù)方法的探索和創(chuàng)新。頁巖層系油氣聚集是孔隙、礦物、裂縫、流體多因素綜合作用的結(jié)果，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，目前依托常規(guī)實驗方法，測得的實驗數(shù)據(jù)難以有效支撐頁巖油地質(zhì)評價與工程技術(shù)方案的設(shè)計優(yōu)化。如含油飽和度、游離烴含量等實驗分析數(shù)據(jù)，不同實驗室測定的結(jié)果差異大；頁巖取心和傳統(tǒng)抽提過程中存在輕烴散失、含油量定量不準(zhǔn)確，應(yīng)攻關(guān)頁巖油輕組分準(zhǔn)確定量恢復(fù)技術(shù)，為頁巖油資源量尤其是可動油資源評價提供關(guān)鍵參數(shù)；目前實驗室傳統(tǒng)方法難以精細(xì)評價頁巖可動油含量，應(yīng)攻關(guān)頁巖中不同組成和賦存狀態(tài)原油的精細(xì)定量評價方法，提出表征頁巖層系含油性的新參數(shù)；湖相Ⅰ/Ⅱ型有機(jī)質(zhì)和原油成熟度難以表征和對比，應(yīng)攻克烴類全組分成熟度表征技術(shù)，實現(xiàn)頁巖成熟度和原油成熟度的準(zhǔn)確表征；頁巖層系紋層發(fā)育，孔隙類型多樣，微裂縫（層理縫、頁理縫）發(fā)育，應(yīng)開展掃描電鏡、三維CT、氮氣吸附及高壓壓汞分析，定量評價有機(jī)質(zhì)孔與無機(jī)質(zhì)孔比例、產(chǎn)狀、微裂縫特征及三維連通性；基于正演模擬和數(shù)值計算等技術(shù)，明確基質(zhì)孔、層理縫、微裂縫等的形成演化過程和滲流特征，預(yù)測有效儲集層孔隙平面和垂向分布，解決頁巖有效儲集層評價與優(yōu)選問題。需要針對頁巖油特點，完善頁巖油實驗分析設(shè)備裝置，提供準(zhǔn)確的實驗分析測試數(shù)據(jù)，支撐陸相頁巖油領(lǐng)域發(fā)展。

③中高成熟度頁巖油是增儲上產(chǎn)的主要領(lǐng)域，中低成熟度頁巖油做好技術(shù)儲備。資源是基礎(chǔ)，科技是關(guān)鍵，政策是保障，效益是根本。中高成熟度頁巖油是中國頁巖油戰(zhàn)略突破的重點領(lǐng)域，鄂爾多斯盆地長7段、準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組、瑪湖凹陷二疊系風(fēng)城組、松遼盆地白堊系青山口組和嫩江組、渤海灣盆地孔店組和沙河街組均發(fā)育大面積富有機(jī)質(zhì)頁巖層系，是中國未來石油增儲上產(chǎn)的重要接替領(lǐng)域。但各盆地頁巖層系發(fā)育特征、儲集空間、油氣相態(tài)及物性、頁巖油富集規(guī)律、頁巖力學(xué)性質(zhì)等均有明顯的差異，勘探開發(fā)成效也有顯著差異，建議按 3個層次部署：重點突破區(qū)設(shè)立先導(dǎo)試驗區(qū)，探索適合各自頁巖油特點的勘探開發(fā)一體化技術(shù)體系，提高單井產(chǎn)能并規(guī)模上產(chǎn)；面上發(fā)現(xiàn)區(qū)，加快優(yōu)質(zhì)甜點區(qū)分布評價，落實資源，力爭實現(xiàn)突破；地質(zhì)評價有利區(qū)，實施風(fēng)險勘探，準(zhǔn)備接替資源，尋求新的發(fā)現(xiàn)。中國中低成熟度頁巖油資源潛力巨大，在松遼、渤海灣、鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾等盆地廣泛發(fā)育，是未來資源接替的重要領(lǐng)域。研發(fā)低成本開發(fā)技術(shù)是關(guān)鍵，建議國家與企業(yè)加大研發(fā)力度，做好技術(shù)儲備。

10 結(jié)論

頁巖層系中的砂巖或者碳酸鹽巖夾層與具有頁理結(jié)構(gòu)的頁巖均是重要的甜點層段。頁巖最主要的儲集空間是無機(jī)孔、有機(jī)孔與層理縫，紋層狀頁巖是最有利的巖相，富有機(jī)質(zhì)紋層狀泥頁巖游離油含量高，是首要的勘探突破方向。頁巖成巖作用與有機(jī)質(zhì)成熟度是控制頁巖油聚集區(qū)分布的首要影響因素，勘探應(yīng)由淺部斜坡轉(zhuǎn)向高成熟度的生烴凹陷區(qū)。黏土礦物含量是陸相頁巖可壓性的關(guān)鍵，是控制工程甜點的最核心因素，實現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)量的頁巖油區(qū)帶黏土含量普遍低于30%。頂?shù)装灞４鏃l件對頁巖油的富集同樣至關(guān)重要。工程技術(shù)方面應(yīng)考慮井型與井距、水力壓裂與非水壓裂、產(chǎn)量與產(chǎn)能等方面，實驗摸索適合自己的最優(yōu)方案，可以通過限產(chǎn)增加累計產(chǎn)量。在選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)中主要考慮TOC、Ro和壓力系數(shù)，將選區(qū)類型分為好、中、差3類，在甜點評價標(biāo)準(zhǔn)中主要考慮水平滲透率、黏土礦物含量和應(yīng)力差值，將甜點類型分為好、中、差 3種類型。應(yīng)加強(qiáng)陸相頁巖油氣富集機(jī)理研究和關(guān)鍵勘探開發(fā)技術(shù)的研發(fā)、實驗技術(shù)方法的探索和創(chuàng)新，探索適合不同區(qū)帶頁巖油特點的勘探開發(fā)一體化技術(shù)體系，提高單井產(chǎn)能并規(guī)模上產(chǎn)。

致謝：感謝中國石油天然氣股份有限公司科技管理部、新疆油田、長慶油田、大慶油田、中國石油勘探開發(fā)研究院和中國石油化工股份有限公司科技管理部、勝利油田、中國石化石油勘探開發(fā)研究院提供數(shù)據(jù)資料和樣品分析測試，感謝趙文智院士對本文的審核并提出的建設(shè)性意見。