大民屯泥頁(yè)巖非均質(zhì)性及對(duì)頁(yè)巖油分布的控制

畢君偉，張巨星，寧松華，張澤慧，馮右倫

(1.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100;2.中油遼河油田公司，遼寧 盤錦 124010;3.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 武漢 430100;4.中油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

引 言

近年來(lái)研究表明，包括頁(yè)巖油在內(nèi)的非常規(guī)油氣將成為未來(lái)一個(gè)時(shí)期重要的接替資源，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外能源行業(yè)的重視。泥頁(yè)巖可能富含著大量的油氣資源，這些資源可稱為頁(yè)巖油，也可稱為頁(yè)巖型致密油，不同學(xué)者對(duì)頁(yè)巖油的定義不同。鄒才能認(rèn)為頁(yè)巖油是以滯留形式在純泥巖或頁(yè)巖中的石油聚集[1]，張金川認(rèn)為頁(yè)巖油是以游離、吸附或溶解態(tài)等多種方式賦存于泥頁(yè)巖層系中的液態(tài)烴類[2]。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研[3-11]，結(jié)合油田勘探實(shí)際問(wèn)題，本文將泥頁(yè)巖及其薄夾層中產(chǎn)出的石油確定為研究對(duì)象。

大民屯凹陷主力源巖層系泥頁(yè)巖厚度累計(jì)超過(guò)千米，頁(yè)巖油富集層段的確定是油氣勘探的關(guān)鍵所在。因受泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度、類型、水體環(huán)境、礦物組分以及地質(zhì)演化過(guò)程中有機(jī)質(zhì)熱成熟度等因素影響，不同地區(qū)、不同層段的泥頁(yè)巖中所含有的油氣量會(huì)有著較大的差別。一般在縱向上主要表現(xiàn)為頁(yè)巖中的有機(jī)非均質(zhì)性差異較大，已成熟生油的泥頁(yè)巖中必須具有高豐度的有機(jī)質(zhì)才有可能形成富集狀態(tài)的頁(yè)巖油氣。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及改進(jìn)模型的測(cè)井方法對(duì)大民屯凹陷成熟源巖層內(nèi)泥頁(yè)巖進(jìn)行有機(jī)非均質(zhì)性評(píng)價(jià)，即總有機(jī)碳含量TOC、含油氣性氯仿瀝青“A”，熱解液烴含量S1等參數(shù)變化情況，目的是在剖面上找到有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)高的富集段，進(jìn)一步可延伸到聯(lián)井剖面和平面上，可找到頁(yè)巖油的富集層和富集區(qū)，討論富集段的發(fā)育特征及其對(duì)頁(yè)巖油分布的控制，指出頁(yè)巖油勘探的目標(biāo)層段，為頁(yè)巖油勘探提供部署依據(jù)。

1 泥頁(yè)巖有機(jī)非均質(zhì)性評(píng)價(jià)

1.1 泥頁(yè)巖有機(jī)非均質(zhì)性評(píng)價(jià)方法與建模

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試單井泥巖樣品的總有機(jī)碳含量TOC、含油氣性氯仿瀝青“A”，熱解液烴含量S1等有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)，研究單井縱向上有機(jī)非均質(zhì)性。但通常由于樣品數(shù)量的限制，以及有機(jī)質(zhì)散失引起的樣品質(zhì)量等問(wèn)題的影響，難以精細(xì)準(zhǔn)確、全面連續(xù)地描述單井及多井剖面上有機(jī)質(zhì)含量變化。

前人研究發(fā)現(xiàn)，利用分辨率較高的測(cè)井資料等方法，對(duì)單井泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)含量變化可進(jìn)行較好的描述及評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)[7-8]。泥頁(yè)巖本身固有一定的物理化學(xué)性質(zhì)，如果形成環(huán)境為低能，沉積物中含有大量有機(jī)質(zhì)，這些沉積有機(jī)質(zhì)形成的干酪根一般具有低密度、高時(shí)差，成熟生油氣后還具有高電阻率等測(cè)井響應(yīng)，相對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量少的沉積巖有不同的響應(yīng)特征。通常地層的總有機(jī)碳含量較高時(shí)，會(huì)在時(shí)差和電阻率等測(cè)井曲線響應(yīng)上有較大異常，且為正相關(guān)關(guān)系。由此可以利用這些測(cè)井曲線的異常值進(jìn)行反算獲得頁(yè)巖層的總有機(jī)碳含量。這就是由Passey等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和推導(dǎo)得出的ΔlogR技術(shù)[9]，并在世界各地得到了廣泛的推廣應(yīng)用。該技術(shù)先將算術(shù)坐標(biāo)下的聲波時(shí)差和對(duì)數(shù)坐標(biāo)下電阻率曲線基線進(jìn)行基線疊合，除疊合部分之外，2條曲線間分開(kāi)的距離為ΔlogR，ΔlogR與總有機(jī)碳呈下列的線性相關(guān):

式中:TOC為計(jì)算的總有機(jī)碳含量，%;LOM反映有機(jī)質(zhì)成熟度，可以根據(jù)大量樣品分析(如鏡質(zhì)體反射率、熱變指數(shù)、Tmax分析)得到;ΔTOC為有機(jī)碳含量背景值。

但Passey的ΔlogR方法需要對(duì)不同坐標(biāo)的測(cè)井曲線進(jìn)行基線疊合，以及LOM值與ΔTOC背景值的求取。本文則對(duì)該ΔlogR模型進(jìn)行了改進(jìn)。首先利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(有機(jī)碳含量TOC、氯仿瀝青“A”與熱解液烴含量S1)與相應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立有機(jī)質(zhì)含量與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的定量關(guān)系模型:

式中:a、b、c為依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的系數(shù);Δt為聲波時(shí)差，μs/m。

改進(jìn)的模型無(wú)需測(cè)量成熟度LOM和背景參數(shù)ΔTOC，可直接計(jì)算出有機(jī)質(zhì)的含量。

在大民屯凹陷的多口已完成的鉆井中，選取具有連續(xù)的巖性剖面和較多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并具有完整的高分辨率測(cè)井資料的井為標(biāo)準(zhǔn)井。首先分析測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的可靠性、井徑異常的部位，剔除異常值和非泥頁(yè)巖層段數(shù)據(jù)。然后與有機(jī)質(zhì)豐度實(shí)測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出實(shí)測(cè)TOC與ΔlogR之間的關(guān)系式，當(dāng)相關(guān)系數(shù)較高時(shí)(≥0.85)，表明用擬合方程計(jì)算的數(shù)據(jù)值是可靠的。不僅建立了測(cè)井曲線與TOC關(guān)系量化模型(圖1、表1)，同時(shí)建立了測(cè)井曲線與頁(yè)巖含油氣性指標(biāo)(氯仿瀝青“A”、熱解液烴含量S1)之間的關(guān)聯(lián)性(圖2、表1)。

圖1 R25-AC泥頁(yè)巖測(cè)井識(shí)別TOC(沈224井段為例)

利用該模型可以計(jì)算泥頁(yè)巖段連續(xù)的總有機(jī)碳含量和含油量。這種方法可以有效地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室樣品測(cè)試方法評(píng)價(jià)有機(jī)非均質(zhì)性的局限和不足，提供更多井、更合理、更連續(xù)的有機(jī)質(zhì)分布參數(shù)，同時(shí)也能夠揭示厚層泥頁(yè)巖中局部有機(jī)質(zhì)含量的精細(xì)差異，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖油氣的富集層段。

1.2 泥頁(yè)巖有機(jī)非均質(zhì)性評(píng)價(jià)結(jié)果

利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與改進(jìn)模型的測(cè)井方法相結(jié)合，評(píng)價(jià)了數(shù)十口單井有機(jī)質(zhì)非均質(zhì)性。結(jié)果表明:在大民屯凹陷3套成熟泥頁(yè)巖中，E2s42亞段泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量明顯優(yōu)于E2s41亞段和E2s44亞段;即使在E2s42亞段內(nèi)部，仍呈現(xiàn)顯著的非均質(zhì)性特征(圖3)。

以沈224井為例，用測(cè)井方法全井泥頁(yè)巖計(jì)算TOC、氯仿瀝青A和S1，在2 826～2 898 m及2 952～3 024 m之間的泥頁(yè)巖段，聲波時(shí)差和電阻率曲線間存在明顯間隔，表明這兩段的泥頁(yè)巖中富含成熟的烴類。計(jì)算的TOC、S1和氯仿瀝青“A”3條曲線總體趨勢(shì)相互吻合。全井段有機(jī)質(zhì)含量高值段和低值段交錯(cuò)發(fā)育，即使在對(duì)高值段內(nèi)部，曲線也呈鋸齒狀，峰值轉(zhuǎn)換迅速，10 m深度間隔內(nèi)存在數(shù)個(gè)峰值。各曲線值幅度差顯著，變化區(qū)間較大，如TOC值在0.5% ～18.0%之間，熱解液烴含量S1值在0.1～5.0 mg/g之間，氯仿瀝青“A”值在0.2%～5.0%之間。無(wú)論高值段或低值段，鄰近的2個(gè)深度點(diǎn)，各計(jì)算值大小有起伏，相差幾倍或數(shù)倍以上，變化頻率較快，顯示了整體與局部都具有明顯的有機(jī)非均質(zhì)性。

表1 測(cè)井計(jì)算TOC、S1、氯仿瀝青“A”識(shí)別模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 R25-AC泥頁(yè)巖測(cè)井識(shí)別S1(沈224井E2s42段為例)

2 有機(jī)質(zhì)富集段識(shí)別及其對(duì)頁(yè)巖含油量分布的控制

2.1 頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集段識(shí)別及地質(zhì)特征

通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，熱解S1和氯仿瀝青“A”隨TOC的增大表現(xiàn)出明顯的三段性特征[11](圖4):當(dāng)TOC較高(≥4%)時(shí)，熱解S1和氯仿瀝青“A”為相對(duì)穩(wěn)定的高值;當(dāng)TOC較低(≤2%)時(shí)，熱解S1和氯仿瀝青“A”保持穩(wěn)定低值;當(dāng)TOC為2% ～4%時(shí)，熱解S1和氯仿瀝青“A”則呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。

分析認(rèn)為:①當(dāng)某一層段的TOC的值達(dá)到一定的臨界值(4%)時(shí)，有機(jī)質(zhì)所生成的油量能夠賦存于泥頁(yè)巖中，當(dāng)豐度達(dá)到更高時(shí)，泥頁(yè)巖含的油量達(dá)基本到飽和，然后就會(huì)有多余的油被排出。這種類型的泥頁(yè)巖的含油量最為豐富，應(yīng)該作為近期頁(yè)巖油評(píng)價(jià)和勘探的最現(xiàn)實(shí)也是最優(yōu)的對(duì)象，一般稱之為有機(jī)質(zhì)富集段;②當(dāng)TOC的值低于一定的臨界值(2%)時(shí)，這時(shí)有機(jī)質(zhì)豐度較低，產(chǎn)生的油量還很難以滿足泥頁(yè)巖本身殘留的需要，因此可以認(rèn)為含油量還很低。這一類型泥頁(yè)巖近期不適宜進(jìn)行開(kāi)采，由于這一類型的泥頁(yè)巖的油量少且分散，并且多以吸附相態(tài)吸附于有機(jī)質(zhì)表面或者分布于烴源巖孔隙中，還難以被有效地開(kāi)發(fā)，這類巖層一般稱之無(wú)效段;③如果TOC值介于這2種類型間的上升段的泥頁(yè)巖含油量居中，在未來(lái)，待開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展到新的階段后，這種類型的巖層才會(huì)有望成為新的有經(jīng)濟(jì)潛力開(kāi)發(fā)對(duì)象，這樣的層段稱之為低效段。

測(cè)井計(jì)算的有機(jī)質(zhì)含量單井剖面圖3上可識(shí)別出:TOC＞4%以及氯仿瀝青“A”＞0.5%的有機(jī)質(zhì)高值段也即頁(yè)巖油氣的富集段，在沙四下亞段內(nèi)發(fā)育兩段，上部富集段厚度為72 m，下部富集段厚度為72 m，共144 m，其巖性主要為油頁(yè)巖和鈣質(zhì)頁(yè)巖。

2.2 有機(jī)質(zhì)富集段對(duì)頁(yè)巖油分布的控制

圖3 大民屯凹陷測(cè)井綜合評(píng)價(jià)(沈224井沙四段為例)

有機(jī)質(zhì)是油氣生成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，源巖有機(jī)質(zhì)總含量的多少直接影響其生烴量的多少。因此，若要形成具有工業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖油聚集，巖層中有機(jī)質(zhì)含量必須達(dá)到一定界限。成熟源巖的有機(jī)質(zhì)豐度越高，其本身產(chǎn)油量也越高。同時(shí)還會(huì)具有較高的有機(jī)孔隙度以及賦存更多油氣的能力，這些都直接影響頁(yè)巖油的富集。氯仿瀝青“A”含量和熱解液烴含量(S1)是直接反映頁(yè)巖含油量的地球化學(xué)首推指標(biāo)。圖3中，當(dāng)TOC≥4%時(shí)，S1≥0.75 mg/g，氯仿瀝青“A”≥0.5%;而當(dāng) TOC≤2%，S1≤0.25 mg/g，氯仿瀝青“A”≤0.1%。頁(yè)巖含油量與其TOC呈正相關(guān)關(guān)系，明顯受泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)總含量的控制。在大民屯凹陷內(nèi)找到TOC≥4%的源巖有機(jī)質(zhì)“富集段”就基本找到頁(yè)巖油資源富集的層段。

大民屯凹陷沙四早期為裂谷盆地沉降初期，該時(shí)期氣候溫暖潮濕，凹陷大部分為淺水覆蓋，水體比較閉塞、安靜，凹陷中部集中發(fā)育一套油頁(yè)巖和鈣質(zhì)泥巖，發(fā)育規(guī)模受盆地內(nèi)的古隆起和水體介質(zhì)特征的雙重控制，頁(yè)巖和鈣質(zhì)泥巖最大厚度可以達(dá)到300 m，平均厚度在150 m左右，但是潛山古隆起部位的巖層厚度較小，一般為50～150 m。中低的伽馬蠟烷、相對(duì)高的C24四環(huán)萜和4-甲基甾烷含量，以及較低的Pr/Ph比值，顯示當(dāng)時(shí)湖盆的洼陷區(qū)為微咸水還原環(huán)境，細(xì)菌和藻類等水生生物和低等浮游生物豐富。有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，Ⅱ1型次之[10]。在凹陷的東西側(cè)洼陷區(qū)，油頁(yè)巖有機(jī)碳含量高達(dá)14%以上，在地層相對(duì)較薄的潛山古隆起部位，有機(jī)碳含量也在2%以上;油頁(yè)巖埋深多在2 300 m以深，成熟度Ro＞0.45%?？傊?，該地區(qū)發(fā)育的沙四下亞段源巖整體有機(jī)質(zhì)豐度很高，類型很好、基本都進(jìn)入了成熟生油階段，該亞段的上部和下部是頁(yè)巖型油氣資源勘探的主要目的層位，已先后在沈224、安95等多井沙四下亞段頁(yè)巖層獲得了數(shù)千噸工業(yè)油流的證實(shí)，可望進(jìn)一步推廣。

圖4 大民屯凹陷沙四段泥頁(yè)巖TOC-S1和TOC-“A”相關(guān)圖

值得注意的是，可動(dòng)頁(yè)巖油的量并不僅與源巖本身的地球化學(xué)特征相關(guān)，頁(yè)巖層理結(jié)構(gòu)和巖石本身的脆性使頁(yè)巖產(chǎn)生足夠裂縫來(lái)增加烴類的儲(chǔ)集，也會(huì)很大程度上增加可動(dòng)頁(yè)巖油的富集量。另一方面，有機(jī)質(zhì)豐度增加，可動(dòng)頁(yè)巖油量不一定隨之線性增加，泥頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)本身對(duì)油氣吸附性也增加，從而影響可動(dòng)頁(yè)巖油資源量。

3 結(jié)論

(1)采用改進(jìn)的測(cè)井模型計(jì)算和評(píng)價(jià)單井泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)非均質(zhì)性，研究區(qū)泥頁(yè)巖有機(jī)非均質(zhì)性很強(qiáng)，呈現(xiàn)出高值段相對(duì)集中，高值段和低值段交錯(cuò)發(fā)育的特點(diǎn)。在高值段內(nèi)部，非均質(zhì)性仍很明顯，各項(xiàng)參數(shù)變化區(qū)間較大，TOC值為0.5% ～18.0%，S1為 0.1～5.0 mg/g，氯仿瀝青“A”值為0.2%～5.0%。計(jì)算曲線呈鋸齒狀，峰值轉(zhuǎn)換迅速，10 m深度間隔內(nèi)存在數(shù)個(gè)峰值。

(2)大民屯凹陷沙四段泥頁(yè)巖熱解S1和氯仿瀝青“A”隨TOC的增大表現(xiàn)出明顯的三段性特征，依此建立大民屯頁(yè)巖油資源分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其中富集段有機(jī)質(zhì)含量高，TOC≥4%，生烴潛力大，熱解S1≥0.75 mg/g，氯仿瀝青“A”≥0.5%。富集段對(duì)頁(yè)巖含油量分布有重要控制作用，是近期頁(yè)巖油勘探的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)，主要發(fā)育在沙四下亞段內(nèi)上部和下部。

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