濟(jì)陽坳陷頁巖油富集機(jī)理

寧方興

(中石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015)

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濟(jì)陽坳陷頁巖油富集機(jī)理

寧方興

(中石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015)

近年來，由于對(duì)頁巖油富集機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，濟(jì)陽坳陷頁巖油勘探未獲得突破。在大量巖心、分析化驗(yàn)資料、模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，明確了濟(jì)陽坳陷頁巖油富集機(jī)理：有機(jī)質(zhì)是頁巖油生成的基礎(chǔ)，頁巖儲(chǔ)集空間是頁巖油富集的空間基礎(chǔ)，異常壓力是頁巖油富集動(dòng)力，有機(jī)質(zhì)演化程度控制了烴類流體類型，油氣的可動(dòng)性利于頁巖油富集，巖相決定了頁巖油類型。在此基礎(chǔ)上建立了頁巖油富集模式，對(duì)濟(jì)陽坳陷頁巖油勘探有一定的指導(dǎo)意義。

頁巖油；富集機(jī)理；可動(dòng)性；富集模式；濟(jì)陽坳陷

引 言

近年來，頁巖油氣在北美地區(qū)勘探和開發(fā)取得了良好的效果[1-7]，勝利油田開始重視頁巖油氣的勘探和研究[8-13]。截至2014年底，濟(jì)陽坳陷共有800多口探井在泥頁巖中見到油氣顯示，其中38口井獲工業(yè)油氣流。頁巖油投產(chǎn)井初期產(chǎn)能最高可達(dá)127.6 t/d，累計(jì)產(chǎn)油最高達(dá)27 896 t，具有較好的產(chǎn)能特點(diǎn)，展示了濟(jì)陽坳陷頁巖油的巨大勘探潛力。立足于濟(jì)陽坳陷頁巖油氣的勘探實(shí)踐，在大量巖心、分析化驗(yàn)資料、生排烴模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)頁巖油富集機(jī)理進(jìn)行分析，建立了頁巖油的富集模式。

1 頁巖油特征

濟(jì)陽坳陷的頁巖油可劃分為基質(zhì)型、裂縫型、砂巖夾層型和碳酸鹽巖夾層頁巖油4種類型[14]。

基質(zhì)型頁巖油平面上相對(duì)于其他類型頁巖油更靠近洼陷帶，層位上主要分布在沙三下亞段三層組；裂縫型頁巖油在斷層附近分布，層位上主要分布在沙三下亞段三層組和沙四上亞段二層組；砂巖夾層型頁巖油平面分布在深洼處或大型扇體前端，層位上主要分布在沙三下亞段三層組；碳酸鹽巖夾層型頁巖油以沙一段和沙三下亞段三層組頁巖油井最多。

基質(zhì)型頁巖油井只出油，裂縫型頁巖油油氣同出井最多，其次是碳酸鹽巖夾層型，砂巖夾層型僅有一口井油氣同出。隨著埋深的增大，頁巖油氣油比逐漸增高，裂縫型頁巖油氣油比較低，而灰?guī)r夾層型頁巖油氣油比較高。

頁巖油密度、黏度都隨著深度的增加而降低。夾層型頁巖油密度、黏度要小于泥頁巖型；基質(zhì)型頁巖油密度、黏度最大，其次是裂縫型，砂巖夾層型最小。

基質(zhì)型頁巖油以油水混溶態(tài)為主，裂縫型、砂巖夾層型和碳酸鹽巖夾層型頁巖油以游離態(tài)為主。

不同類型頁巖油井的產(chǎn)能存在差異。裂縫型頁巖油井產(chǎn)能最高，其次是碳酸鹽巖夾層型、砂巖夾層型，基質(zhì)型頁巖油井的產(chǎn)能最低。

2 頁巖油富集機(jī)理

2.1 有機(jī)質(zhì)是頁巖油生成的基礎(chǔ)

有機(jī)質(zhì)是頁巖油生成的物質(zhì)基礎(chǔ)。濟(jì)陽坳陷泥頁巖主要發(fā)育在半深湖—深湖內(nèi)的咸化環(huán)境內(nèi)，有機(jī)顯微組分以低等水生生物藻類為主，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ型為主。有機(jī)質(zhì)的賦存狀態(tài)一般為順層富集型和順層分散型2類。順層富集型泥頁巖多紋層發(fā)育，巖性以鈣質(zhì)頁巖和油頁巖為主，有機(jī)質(zhì)豐度高，一般為3.0%～5.0%，最高可達(dá)19.6%，多平行或基本平行層理分布，呈現(xiàn)較強(qiáng)的褐黃色或棕黃色熒光。順層分散型多呈塊狀，巖性以暗色泥巖為主，有機(jī)質(zhì)豐度較低，一般為1.5%～3.0%，呈分散狀，總體順層定向分布，呈現(xiàn)暗—中褐黃—黃綠色熒光[9，15-17]。順層富集型泥頁巖生排烴效率要遠(yuǎn)高于順層分散型泥頁巖。這是因?yàn)轫槍痈患湍囗搸r非均質(zhì)性較強(qiáng)，水平紋層理非常發(fā)育，平行層面方向易形成有機(jī)網(wǎng)絡(luò)，易于形成平行層面的微裂隙，水平方向的滲透性遠(yuǎn)高于垂直方向，是垂直方向滲透率的20～30倍，側(cè)向生排烴效率高。而順層分散型的泥頁巖由于有機(jī)質(zhì)呈分散狀態(tài)，不易形成有機(jī)網(wǎng)絡(luò)，也很難形成裂縫，水平方向滲透率與垂直方向滲透率都較低，側(cè)向生排烴效率低。

頁巖油一般分布在有機(jī)碳含量大于2%的地區(qū)。但濟(jì)陽坳陷頁巖油并不是分布在有機(jī)質(zhì)豐度最高的洼陷中心，而是分布在洼陷中心到斜坡帶過渡的地方，顯示了頁巖油可能并非滯留原地，而是發(fā)生了初次運(yùn)移。

2.2 頁巖儲(chǔ)集空間是頁巖油富集的空間基礎(chǔ)

頁巖的儲(chǔ)集空間為頁巖油的富集提供了場(chǎng)所。濟(jì)陽坳陷泥頁巖儲(chǔ)集空間是由頁巖孔隙和裂縫組成的。頁巖孔隙包括黏土礦物晶間微孔、碳酸鹽晶間微孔、黃鐵礦晶間微孔及砂質(zhì)微孔，孔徑為1～10 μm，最大可達(dá)50 μm。裂縫包括水平層理縫和構(gòu)造裂縫(直立縫和斜交縫)，且以水平層理縫為主，裂縫寬度小于0.01 mm，最寬可達(dá)0.80 mm，一般為0.02～0.10 mm。鏡下觀察表明，濟(jì)陽坳陷泥頁巖中裂縫廣泛發(fā)育，裂縫在地下既是油氣儲(chǔ)集空間，同時(shí)也連通了泥頁巖孔隙，通過裂縫網(wǎng)狀系統(tǒng)連續(xù)分布，頁巖油氣匯集到頁巖裂縫發(fā)育和孔隙較大的地方[9]。但由于濟(jì)陽坳陷為陸相沉積，非均質(zhì)強(qiáng)，地層年代新(古近系)，成巖較晚，含有伊蒙間層水敏性礦物，具有一定塑性，可壓性相對(duì)北美地區(qū)差，難開采。

2.3 異常壓力是頁巖油富集的動(dòng)力

在Ed—Nm生油時(shí)期，濟(jì)陽坳陷沙四上—沙三下亞段的泥頁巖受生烴增壓的控制，絕大部分存在異常高壓，異常壓力為頁巖油初次運(yùn)移提供了動(dòng)力，使得高壓區(qū)頁巖油具有較高的產(chǎn)能。頁巖油富集區(qū)位于已大規(guī)模生油的、成熟度較高的、富有機(jī)質(zhì)的頁巖地層中，地層能量較高。濟(jì)陽坳陷頁巖油井大都分布在壓力系數(shù)大于1.2的異常超壓帶內(nèi)。但在壓力系數(shù)最大地區(qū)，頁巖油井分布很少；頁巖油氣大都分布在壓力過渡帶(圖1)。

圖1 壓力系數(shù)與產(chǎn)能關(guān)系

從圖1可以看出，頁巖油井產(chǎn)量是正態(tài)分布的，壓力系數(shù)低的地方和壓力系數(shù)最高的地方，油井產(chǎn)量都不高。這表明頁巖油生成后發(fā)生了初次運(yùn)移，這種運(yùn)移導(dǎo)致了可動(dòng)油氣富集區(qū)的壓力會(huì)相對(duì)下降。頁巖油大多呈連續(xù)相態(tài)產(chǎn)出，以油潤(rùn)濕相為主，油氣生成后運(yùn)移過程中毛細(xì)管力減小，容易采出。因此，異常壓力過渡段最有利于頁巖油富集，表明過渡帶可能已發(fā)生排烴，是排烴的主要通道。

2.4 有機(jī)質(zhì)演化程度控制了烴類流體類型

濟(jì)陽坳陷鏡質(zhì)體反射率隨埋深的增大而增大。隨著埋藏深度逐漸增大，地溫不斷升高，有機(jī)質(zhì)成熟度增高，在厭氧還原環(huán)境下，原始有機(jī)質(zhì)由生成石油轉(zhuǎn)化為天然氣。有機(jī)質(zhì)成熟階段Ro值為0.5%～1.3%，以生油為主。當(dāng)Ro值大于1.3時(shí)，以生氣為主。濟(jì)陽坳陷頁巖油主要深度分布為2 500～3 900 m，3 900～4 500 m為凝析油—濕氣階段，4 500 m以下主要為頁巖氣階段。

2.5 油氣的可動(dòng)性利于頁巖油富集

頁巖油的賦存狀態(tài)有吸附態(tài)、游離態(tài)和混溶態(tài)。由于油的分子大，可流動(dòng)性差，頁巖油可動(dòng)性越好，越易開采，而吸附態(tài)的頁巖油很難開采。因此，濟(jì)陽坳陷頁巖油以尋找游離態(tài)和可動(dòng)的頁巖油為主。游離態(tài)和可動(dòng)性好的頁巖油經(jīng)過一段距離的運(yùn)移后，在頁巖中較大的孔隙或裂縫中聚集起來。

通過羅家地區(qū)羅69井和羅42井油源對(duì)比分析可知，該2口井頁巖油碳同位素組分相似，生物標(biāo)志化合物最為接近，兩者具有親緣關(guān)系。由此表明，羅69井的原油極有可能運(yùn)移到了羅42井，研究區(qū)頁巖油具有動(dòng)態(tài)富集的特征。

根據(jù)離心和核磁共振實(shí)驗(yàn)表明，富有機(jī)質(zhì)紋層狀巖相的流體可動(dòng)性較好，在3 600 r/min的情況下，紋層狀巖相流體已流動(dòng)，而層狀和塊狀巖相流體尚未流動(dòng)。通過對(duì)東營(yíng)凹陷不同巖相的頁巖樣品進(jìn)行了測(cè)試，建立了可動(dòng)油比例變化剖面(圖2)，可動(dòng)油比例為8%～32%。

圖2 東營(yíng)凹陷可動(dòng)油比例變化剖面

隨著深度增加，可動(dòng)油比例明顯增大，可能與原油性質(zhì)及流動(dòng)性有關(guān)，深部原油密度、黏度低，可動(dòng)性好。而不同巖相的泥頁巖，可動(dòng)油比例差異較大，從目前數(shù)據(jù)來看，紋層狀泥頁巖的可動(dòng)油比例最高，層狀泥頁巖次之，塊狀泥頁巖可動(dòng)油比例最低。流體可動(dòng)性的差異，導(dǎo)致產(chǎn)能特征不同。紋層狀巖相可動(dòng)性較好，因此紋層狀巖相產(chǎn)能較高。

2.6 巖相決定了頁巖油類型

通過各層系的巖心觀察、薄片鑒定等資料分析表明，見到頁巖油氣顯示的巖相主要為紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、層狀—紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、紋層狀—層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、層狀灰質(zhì)泥巖相、紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾碳酸鹽條帶巖相、層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾碳酸鹽條帶巖相，以及受邊界物源或碳酸鹽含量影響形成的紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r夾砂質(zhì)條帶巖相[14]。濟(jì)陽坳陷頁巖油主要分布在紋層狀—層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、灰質(zhì)泥巖相和砂巖、碳酸鹽巖條帶中。生排烴模擬實(shí)驗(yàn)表明，紋層狀—層狀巖相里殘留烴多，而前面也述及紋層狀、層狀巖相比塊狀巖相可動(dòng)性好，因此濟(jì)陽坳陷頁巖油多賦存在紋層狀—層狀巖相中。紋層狀—層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、灰質(zhì)泥巖相層間微孔隙和方解石或白云石晶間孔發(fā)育，且方解石或白云石含量高，脆性大，在斷層附近易于產(chǎn)生裂縫，形成裂縫型頁巖油，遠(yuǎn)離斷層易于形成基質(zhì)型頁巖油。在砂巖和碳酸鹽巖條帶中易于形成砂巖型頁巖油和碳酸鹽巖型頁巖油。

3 頁巖油富集模式

由頁巖油的富集機(jī)理可知，濟(jì)陽坳陷頁巖油的富集是由有機(jī)質(zhì)、頁巖儲(chǔ)集空間、異常壓力、有機(jī)質(zhì)演化程度、油氣的可動(dòng)性和巖相決定的。

沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下亞段的烴源巖在埋深大于3 000 m時(shí)，烴源巖達(dá)到成熟階段大規(guī)模生油，產(chǎn)生異常高壓，之后在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下壓力封存廂破裂，烴源巖排烴，四扣—渤南洼陷中心與洼陷邊部控?zé)N斷層之間產(chǎn)生瞬時(shí)壓差，一部分油氣隨斷層排到義和莊凸起、埕東凸起、孤島凸起、沾化凹陷南斜坡、陳家莊凸起等砂巖地層中成為常規(guī)油藏，剩下的油氣滯留在洼陷帶頁巖地層中。在洼陷帶邊部的斜坡帶控?zé)N斷層附近，在構(gòu)造和異常高壓雙重控制下裂縫發(fā)育，多發(fā)育裂縫型頁巖油，向洼陷帶過渡為基質(zhì)型頁巖油。洼陷帶砂巖和碳酸鹽巖夾層發(fā)育的地方易于形成夾層型頁巖油。由于紋層狀巖相多發(fā)育在斜坡帶，從洼陷帶到斜坡帶可動(dòng)頁巖油增加，吸附烴減少。

因此，濟(jì)陽坳陷頁巖油富集模式：從洼陷中心到斜坡帶依次發(fā)育吸附烴、碳酸鹽巖夾層型頁巖油、砂巖夾層型頁巖油、基質(zhì)型頁巖油和裂縫型頁巖油，從洼陷中心到斜坡帶可動(dòng)頁巖油增加，吸附烴減少(圖3)。

4 結(jié) 論

(1) 濟(jì)陽坳陷頁巖油富集機(jī)理：有機(jī)質(zhì)是頁巖油生成的基礎(chǔ)，頁巖儲(chǔ)集空間是頁巖油富集的空間基礎(chǔ)，異常壓力是頁巖油富集的動(dòng)力，有機(jī)質(zhì)演化程度控制了烴類流體類型，油氣的可動(dòng)性利于頁巖油富集，巖相決定了頁巖油類型。

(2) 濟(jì)陽坳陷頁巖油富集模式：在斜坡帶斷層附近多發(fā)育裂縫型頁巖油，向洼陷帶過渡為基質(zhì)型頁巖油；砂巖和碳酸鹽巖夾層發(fā)育的地方易于形成夾層型頁巖油；從洼陷帶到斜坡帶可動(dòng)頁巖油增加，吸附烴減少。

圖3 濟(jì)陽坳陷頁巖油富集模式

(3) 濟(jì)陽坳陷具有形成頁巖油的有利條件，具有廣闊的勘探前景。隨著對(duì)頁巖油富集機(jī)理和富集模式認(rèn)識(shí)的深入，更便于尋找頁巖油。如在斜坡帶斷層附近以尋找裂縫型頁巖油為主，向洼陷方向遠(yuǎn)離斷層的地方以尋找基質(zhì)型頁巖油為主，砂巖和碳酸鹽巖夾層發(fā)育的地方尋找夾層型頁巖油。

致謝：在論文撰寫和修改過程中，得到了中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院地層室和地化室科研人員的幫助，感謝他們提供的分析測(cè)試資料。

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編輯 黃華彪

20141223；改回日期：20150315

國家“973”計(jì)劃“陸相頁巖油富集要素與有利區(qū)預(yù)測(cè)”(2014CB239104)

寧方興(1972-)，男，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)于西北大學(xué)石油與天然氣地質(zhì)專業(yè)，2012年至2013年美國休斯頓大學(xué)訪問學(xué)者，現(xiàn)從事油氣勘探及油氣成藏研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.006

TE122.2

A

1006-6535(2015)03-0027-04