美國鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖油富集主控因素

秦長文，秦 璇

(1.中海油研究總院，北京 100028；2.盆地與油藏研究中心 中國石油大學(xué)，北京 102249)

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美國鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖油富集主控因素

秦長文1，秦 璇2

(1.中海油研究總院，北京 100028；2.盆地與油藏研究中心 中國石油大學(xué)，北京 102249)

頁巖油已經(jīng)成為石油勘探開發(fā)的一個新領(lǐng)域。運用綜合地質(zhì)研究的方法，以揭示頁巖油成藏條件為目的，對美國白堊系鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖的特征進行分析。研究認為，控制頁巖油富集高產(chǎn)的主要地質(zhì)因素包括：頁巖富含有機質(zhì)，TOC一般大于2%；成熟度適中，Ro以0.75%～1.10%為宜；儲層厚度較大，微孔發(fā)育；巖石脆性好，易于體積壓裂；構(gòu)造穩(wěn)定，埋藏適中，保存條件好；另外，最好發(fā)育天然裂縫。對頁巖油成藏特征的研究揭示了其形成的特殊性，對國內(nèi)頁巖油的勘探開發(fā)有一定指導(dǎo)意義。

頁巖油；白堊系；鷹灘頁巖；尼奧泊拉拉頁巖；有機質(zhì)

1 頁巖油與頁巖氣的異同

頁巖油與頁巖氣相同之處在于二者都是賦存在地下的富有機質(zhì)頁巖及其夾層孔隙中的非常規(guī)烴類。不同點在于頁巖油在地下的賦存狀態(tài)是游離的液態(tài)，而頁巖氣在地下的賦存狀態(tài)可以是游離、吸附的氣態(tài)，或溶解在頁巖油中。

頁巖油和頁巖氣可以存在于同一盆地中或同一層頁巖中，溶解在頁巖油中的頁巖氣可以與頁巖油同時產(chǎn)出。頁巖油與頁巖氣一樣，主要依靠水平井和多級壓裂技術(shù)開采。單井的產(chǎn)量特征表現(xiàn)為初期(首月)產(chǎn)量高，之后逐步遞減。但生產(chǎn)時間長，可達數(shù)年，甚至10 a以上[1-5]。

2 美國頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀及頁巖油分布

目前，美國已在其西南部、墨西哥灣沿岸和落基山前的多個盆地獲得了頁巖油勘探開發(fā)突破(圖1)。威利斯頓盆地的巴肯頁巖擁有豐富的油氣資源[6]，早在20世紀60年代就開始探索如何開發(fā)巴肯頁巖中的石油，但真正大規(guī)模的開發(fā)是在近幾年。福特沃斯盆地密西西比系的巴內(nèi)特頁巖是美國成功開發(fā)頁巖氣的典范，這些天然氣大多產(chǎn)自埋深較大、有機質(zhì)熱成熟度較高(Ro>1.1%)的頁巖，而埋深相對較小、仍處于生油窗的盆地北部成為開采頁巖油的主要地區(qū)[7-10]。墨西哥灣盆地的鷹灘頁巖是著名的優(yōu)質(zhì)頁巖，為上覆的奧斯汀灰?guī)r和下伏的布達灰?guī)r油氣藏提供了大量的油氣，近年來認識到這套頁巖不僅是優(yōu)質(zhì)烴源巖，還可以作為儲層，已成為頁巖油開采的一個新興地區(qū)。

圖1 美國頁巖油分布

然而頁巖油開采并不順利，在美國東部和大陸中部開采頁巖氣的一些廣大盆地并沒有發(fā)現(xiàn)頁巖油，在有些發(fā)現(xiàn)頁巖油的盆地雖然采取了長水平段水平井和多級壓裂措施，單井產(chǎn)量依然很低。

3 鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖巖性特征

鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖都沉積于晚白堊世，其所處的盆地在晚白堊世的沉積環(huán)境是半封閉的淺海，非常有利于灰質(zhì)頁巖的發(fā)育，并保存了大量的有機質(zhì)。

墨西哥灣盆地的鷹灘頁巖主要為紋層狀的灰黑色的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、夾灰白色的泥質(zhì)灰?guī)r，頁理發(fā)育。巖層中含較多的浮游有孔蟲和少量的殼類瓣鰓動物化石碎片，局部可見磷酸鹽晶體和球粒，以及分散的黃鐵礦晶體?？煞譃樯舷?段，下段比上段有機質(zhì)含量高、顏色深。下段厚為24～61 m，是水平井鉆探的主要目的層，也是主要產(chǎn)層。

粉河盆地和丹佛盆地的尼奧泊拉拉頁巖相似，宏觀上表現(xiàn)為灰黑色、灰色的泥質(zhì)灰?guī)r與灰白色、灰色的灰?guī)r互層，頁理發(fā)育。泥質(zhì)灰?guī)r的有機質(zhì)含量比灰?guī)r的高。粉河盆地灰?guī)r一般發(fā)育A、B、C 3層，中間的B層一般厚度為6～20 m，由于灰?guī)r硬度高、脆性好，水平井段主要在該層中延伸。B層灰?guī)r是石油產(chǎn)量的主要貢獻者，其上下的泥灰?guī)r層是次要貢獻者。

4 頁巖油富集高產(chǎn)的主控地質(zhì)因素

4.1 富含有機質(zhì)、成熟度適中的源巖

美國白堊系鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖均是優(yōu)質(zhì)的海相烴源巖，有機質(zhì)類型為Ⅱ型，豐度高。其中鷹灘頁巖的TOC為2%～8%，平均為5%；粉河盆地的尼奧泊拉拉頁巖的TOC為2%～7%，平均為5%；丹佛盆地的尼奧泊拉拉頁巖的TOC為2%～8%，平均為5%。

鷹灘頁巖的構(gòu)造形態(tài)為一個南東傾向的單斜，西北部埋藏淺，東南部埋藏深，既產(chǎn)頁巖油也產(chǎn)頁巖氣(圖2)。頁巖埋深為1 520～3 500 m，Ro為0.88%～1.10%。氣區(qū)產(chǎn)凝析油氣和干氣，頁巖埋藏較深，Ro一般大于1.10%，甚至可以到1.40%。

圖2 鷹灘頁巖頂面構(gòu)造

尼奧泊拉拉頁巖的有機質(zhì)熱演化程度較低，Ro小于1.00%，只產(chǎn)油和溶解氣。粉河盆地在尼奧泊拉拉頁巖中商業(yè)開采頁巖油的地區(qū)的Ro為0.75%～0.95%。低于0.75%的地區(qū)，即使鉆探水平井并采取壓裂措施產(chǎn)量也很低。

4.2 儲層厚度較大且微孔發(fā)育

盆地要擁有大量的頁巖油資源，必須有發(fā)育穩(wěn)定且厚度較大的頁巖和充足的儲集空間。

墨西哥灣盆地的鷹灘頁巖發(fā)育比較穩(wěn)定，厚度為42～122 m，主產(chǎn)層下段的厚度為24～61 m。泥質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r互層的尼奧泊拉拉頁巖地層發(fā)育很穩(wěn)定，粉河盆地的尼奧泊拉拉頁巖地層總厚度為90～137 m，丹佛盆地的尼奧泊拉拉頁巖地層總厚度為90～122 m。

在高倍的電子顯微鏡下，可以看到頁巖發(fā)育大量的微孔。鷹灘頁巖在方解石和石英晶體間存在1 μm左右的粒間孔隙，而在有機質(zhì)中則存在不規(guī)則的蜂窩狀孔隙，孔隙大小在幾到幾百納米。在有機質(zhì)含量高的鷹灘頁巖下段，有機質(zhì)孔隙占巖石總孔隙的80%～90%。可見，有機質(zhì)微孔是成熟富有機質(zhì)頁巖的主要孔隙。

富有機質(zhì)頁巖不但發(fā)育礦物粒間的微孔，有機質(zhì)內(nèi)部還發(fā)育大量的納米級的微孔，為油氣提供了充足的儲集空間，使得頁巖仍然具有一定的孔滲性。鷹灘頁巖的孔隙度為5%～8%，滲透率為0.3×10-6～3.0×10-6μm2，平均為0.7×10-6μm2。粉河盆地的尼奧泊拉拉頁巖的孔隙度為5%～8%，滲透率為0.1×10-6～2.0×10-6μm2，平均為0.8×10-6μm2。丹佛盆地的尼奧泊拉拉頁巖的孔隙度為5%～10%，滲透率為0.1×10-6～2.5×10-6μm2，平均為1.0×10-6μm2。

4.3 巖石脆性好、易于體積壓裂

頁巖本身的滲透性是有限的，要在頁巖中獲得較高的商業(yè)產(chǎn)能，必須在水平井段中進行多級體積壓裂，使頁巖產(chǎn)生大量的網(wǎng)狀裂縫，最大程度地溝通頁巖中的微孔隙，提高儲層滲透性。巖石的脆性決定壓裂的效果，對于較軟巖石(如煤層)，壓裂容易，但裂縫延伸距離??；對于較硬巖石(如砂巖)，壓裂往往形成單縫，不易產(chǎn)生網(wǎng)狀縫，對頁巖微孔隙的溝通作用有限。

頁巖的脆性可以用脆性礦物的含量表示，脆性礦物含量越高，巖石脆性越大。脆性礦物包括石英、方解石、白云石、長石等礦物。鷹灘頁巖巖石組成以方解石為主，約占巖石總質(zhì)量的62%，石英含量次之，約占11%，黏土礦物含量較低，約占17%，其中脆性礦物含量達80%左右。尼奧泊拉拉頁巖鈣質(zhì)含量占55%，石英含量為10%，黏土含量為10%～30%，其中脆性礦物約占70%。

美國白堊系的海相頁巖脆性礦物含量較高，巖石脆性好，易于開展體積壓裂，單井產(chǎn)量較高。鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖水平井的單井初期日產(chǎn)油都可達上百立方米。

4.4 天然裂縫發(fā)育，滲透性強

頁巖如果發(fā)育天然裂縫，不僅可以提高頁巖儲層本身的滲透性，還可以在壓裂時促進頁巖儲層產(chǎn)生網(wǎng)狀縫。鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖在地層有一定撓曲的局部地區(qū)均發(fā)育天然裂縫。粉河盆地的南部是頁巖油主生產(chǎn)區(qū)，單井產(chǎn)量比盆地其他地區(qū)的高，其重要原因是該區(qū)靠近南部沖斷帶，在尼奧泊拉拉地層中普遍發(fā)育天然裂縫。在地震剖面上表現(xiàn)為同向軸彎曲，在相干體平面圖上對應(yīng)出現(xiàn)一些斷斷續(xù)續(xù)的暗色條帶(圖3)。丹佛盆地尼奧泊拉拉頁巖有機質(zhì)的成熟度較低，頁巖油主要生產(chǎn)區(qū)在Ro>0.75%的范圍內(nèi)。在Ro為0.50%～0.75%的區(qū)域，只有在裂縫發(fā)育區(qū)才能可以獲得較高單井產(chǎn)量，裂縫不發(fā)育區(qū)單井產(chǎn)量很低。

圖3 尼奧泊拉拉頁巖裂縫分布特征

4.5 構(gòu)造穩(wěn)定，埋藏適中，保存條件好

鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖油生產(chǎn)區(qū)都處于盆地的構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，地層產(chǎn)狀變化小，不發(fā)育大型的斷裂，只有少量的小型斷裂，頁巖油的保存條件好。另外，小型斷裂的斷距一般只有數(shù)米，不會把頁巖地層完全錯開，對鉆探水平井和實施壓裂沒有太大影響。

頁巖生烴后可以向鄰近的砂巖等儲層排出部分油氣，但在沒有斷裂溝通的前提下，能有效排烴的一般只是鄰近砂巖20 m以內(nèi)的頁巖。對于厚達百米的源巖仍然有大量的石油殘留于頁巖地層中。

埋深對頁巖油的富集和開采很重要，如果地層抬升造成埋藏太淺，石油會因保存條件差變稠，難以從頁巖中開采出來；如果頁巖埋藏太深，有機質(zhì)熱演化程度變高，頁巖中的石油會逐漸裂解為氣。鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖在產(chǎn)油區(qū)埋藏適中，深度范圍為1 520～3 660 m。墨西哥灣盆地白堊系的埋藏由東南向西北逐漸變淺，單口水平井的初期石油產(chǎn)量從上百方下降到30 m3左右，石油API重度為35～60，屬輕質(zhì)原油。在鷹灘頁巖埋深小于1 500 m的地區(qū)，產(chǎn)量很低，石油API重度低到22，屬中質(zhì)原油，目前無法實現(xiàn)商業(yè)開采。而在埋深3 500～4 200 m的地區(qū)只產(chǎn)頁巖氣。

5 結(jié)論及啟示

(1) 豐富成熟的有機質(zhì)不僅為頁巖提供了充足的烴源，還提供了相對于砂巖來說額外的儲集空間，使得頁巖賦存大量的石油資源。應(yīng)對國內(nèi)外頁巖油資源引起重視，并在起步階段擇機參與海外頁巖油的開發(fā)。

(2) 產(chǎn)油頁巖富含有機質(zhì)，TOC一般大于2%；有機質(zhì)熱演化程度適中，最好在較高的生油窗范圍，Ro為0.75%～1.10%為宜，如果Ro較低，即使生油，也不易產(chǎn)出。

(3) 頁巖油的富集要求構(gòu)造穩(wěn)定，埋藏適中，保存條件好。如果構(gòu)造活動強，大斷裂發(fā)育多，頁巖中石油難以富集；埋藏太淺(一般小于1 500 m)，造成頁巖油散失；埋藏太深，石油會裂解成氣。

(4) 對頁巖油的勘探開發(fā)必須考慮巖石的脆性，較高的頁巖脆性才適宜鉆探水平井和實施多級壓裂措施，在頁巖中形成體積性裂縫，使石油通過大量的裂縫運移產(chǎn)出。

(5) 頁巖一般沒有油氣二次運移形成的局部聚集，但可以有垂向的初次運移形成的鄰近地層的油氣聚集，應(yīng)重視對灰?guī)r和泥巖、砂巖和泥巖等互層地層頁巖油氣的勘探開發(fā)。

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編輯 林樹龍

20141205；改回日期：20150405

中國海洋石油總公司科研項目“新一輪頁巖氣礦產(chǎn)資源保障程度論證研究”(2014-JSZC-001)

秦長文(1968-)，男，高級工程師，1991年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)學(xué)專業(yè)，2005年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事頁巖油氣等非常規(guī)油氣勘探開發(fā)方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.008

TE121

A

1006-6535(2015)03-0034-04