渤南洼陷沙一段夾層型頁巖油界定標準及富集主控因素

朱德順，王　勇，朱德燕，寧方興，楊萬芹，宗　邈，銀　燕，丁桔紅

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015；2.長江大學地球環(huán)境與水資源學院，湖北武漢430100）

渤南洼陷沙一段夾層型頁巖油界定標準及富集主控因素

朱德順1，王勇1，朱德燕1，寧方興1，楊萬芹1，宗邈2，銀燕1，丁桔紅1

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營257015；2.長江大學地球環(huán)境與水資源學院，湖北武漢430100）

渤南洼陷沙一段泥頁巖中發(fā)育厚度不等的夾層，借鑒頁巖氣國家界定標準和中國石化頁巖油厚度企業(yè)標準來確定頁巖油夾層的厚度，將單個夾層厚度小于2 m、累積夾層厚度小于層組厚度的20%作為渤南洼陷夾層型頁巖油的劃分依據。渤南洼陷沙一段泥頁巖夾層的巖性以白云巖為主，測井響應上具有明顯的高阻特征，油氣產出過程中含水率逐漸上升，表現為以游離態(tài)為主的油氣賦存狀態(tài)。通過分析夾層型頁巖油富集要素與產量之間的相關性，認為夾層型頁巖油富集產出主要受控于生排烴條件、夾層厚度、夾層物性、地層壓力和原油物性等因素。

夾層頁巖油沙一段賦存狀態(tài)主控因素渤南洼陷

渤南洼陷是濟陽坳陷沾化凹陷中部的一個次級洼陷，其沙一段主要為深湖—半深湖沉積環(huán)境，發(fā)育一套厚層泥頁巖，平均厚度大于50 m。前期油氣勘探主要將渤南洼陷沙一段厚層泥頁巖作為常規(guī)油氣成藏的烴源巖進行研究，著重分析其對上、下砂巖儲層油氣成藏的地質意義，但從勘探效果來看，多口探井在沙一段泥頁巖中獲得工業(yè)油氣流，最高產油量為62 t/d，產油層段巖性以厚層泥頁巖含薄夾層為主。目前陸相頁巖油勘探的理論與技術尚不完善，勘探成本高昂，為此，筆者從淺層泥頁巖入手，研究渤南洼陷沙一段夾層型頁巖油的分布規(guī)律及富集主控因素，以期為降低勘探成本和高效勘探頁巖油提供參考和依據。

1　界定標準

根據頁巖油在泥頁巖中的賦存方式及賦存空間，將頁巖油分為基質型和夾層型2種類型［1］。近年來，為了規(guī)范夾層型頁巖油氣的勘探開發(fā)研究，GB/T 0254—2014［2］規(guī)定，當累積夾層厚度小于層組總厚度的20%時，夾層中產出的頁巖氣稱為夾層型頁巖氣。但迄今為止尚未出臺夾層型頁巖油的界定標準，使得對夾層型頁巖油厘定存在困難，若要明確夾層型頁巖油的富集主控因素，首先要確定濟陽坳陷夾層型頁巖油的界定標準，目前主要根據累積夾層厚度及單個夾層厚度來界定夾層型頁巖油。

1.1累積夾層厚度占層組厚度比例

對濟陽坳陷在泥頁巖地層中獲得工業(yè)油流探井鉆遇的巖性進行統(tǒng)計，篩選出22口以夾層為主產出油氣的探井，分析其累積夾層厚度占層組厚度的比例發(fā)現，縱向上累積夾層厚度占層組厚度比例大多小于40%，其中累積夾層厚度占層組厚度比例為0～20%的探井有18口，占總探井數的81.9%，借鑒夾層型頁巖氣劃分的國家標準，確定夾層型頁巖油的界定標準為累積夾層厚度占層組厚度的比例應小于20%。

1.2單個夾層厚度

根據Q/SH 0505—2013［3］，在累積夾層厚度小于層組厚度20%的基礎上，將大段泥頁巖中厚度小于2 m且產出原油的夾層定義為頁巖油夾層。為了準確確定夾層型頁巖油中單個夾層的厚度，對濟陽坳陷的單個夾層厚度進行統(tǒng)計，其中泥頁巖中厚度為0～2 m的夾層數量占夾層總數的91.76%。另外，通過分析勝利油區(qū)探明儲量單個夾層有效厚度發(fā)現，有效儲層中厚度小于2 m的夾層占總有效儲層數量的11%。

綜合濟陽坳陷頁巖油工業(yè)油流井夾層厚度分布情況，將濟陽坳陷大套泥頁巖中單個夾層厚度小于2 m，且累積夾層厚度占層組厚度比例小于20%的夾層產出的頁巖油稱為夾層型頁巖油。

圖1　渤南洼陷沙一段夾層型頁巖油剖面分布示意Fig.1　Schematic sectional view of interlayer shale oil of Es1in Bonan subsag

分析夾層的含油氣特征發(fā)現，沙一段底部白云巖發(fā)育于具有高阻測井響應的褐色油斑、油浸泥頁巖中，探井綜合油氣顯示良好且油氣產量高，與之相比，其上部泥頁巖顏色以灰色為主，油氣顯示較差，致使灰?guī)r夾層及砂巖夾層的出油能力較差。另外，通過統(tǒng)計工業(yè)油流和低產油流段的巖性可知，渤南洼陷62.6%的夾層型頁巖油產自白云巖夾層。因此，白云巖夾層對油氣產出的貢獻是3種巖性夾層中最大的，最有利于頁巖油的富集。

2　頁巖油類型及賦存狀態(tài)

渤南洼陷沙一段夾層巖性主要包括砂巖、灰?guī)r和白云巖。砂巖夾層的巖性以薄層泥質砂巖、粉砂巖和細砂巖為主，厚度為0.5～2 m，縱向上集中分布在沙一段下亞段頂部，橫向上連續(xù)性差，平面上發(fā)育零星、分散，成因上砂巖夾層屬于深水濁積巖沉積體系，發(fā)育在深洼處或大型扇體前端［4-5］；灰?guī)r夾層的巖性以泥晶灰?guī)r為主，含部分生物灰?guī)r，縱向上集中在沙一段上亞段和沙一段下亞段頂部，受沉積水深控制，灰?guī)r在平面上分布較廣，在構造斜坡帶厚度相對較大；白云巖夾層的巖性以白云巖和灰質白云巖為主，縱向上集中分布在沙一段底部，厚度穩(wěn)定且橫向連續(xù)性好，延伸可達2～3 km（圖1），平面上集中分布在洼陷帶及斷裂附近［6-7］。

渤南洼陷以義18和義21等井為夾層型頁巖油典型井，屬于20世紀70年代在泥頁巖中鉆遇的高產頁巖油氣井；其中義18井累積產油量為0.97×104t，累積產氣量為24.79×104m3，義21井累積產油量為1.04×104t，累積產氣量為26.08×104m3。夾層型頁巖油與基質型頁巖油的油氣產出過程不同，前者隨著油氣的開采，含水率逐漸上升，而后者的含水率基本保持不變。結合巖心掃描電鏡觀察結果，認為基質型頁巖油的賦存狀態(tài)以油水混合態(tài)為主，部分為游離態(tài)。夾層型頁巖油的賦存狀態(tài)以游離態(tài)為主，部分學者認為，夾層型頁巖油富集過程為泥頁巖中油氣短距離初次運移聚集過程，其油氣性質及產出特征常介于同深度或同層位常規(guī)油氣與泥頁巖抽提物之間［8-9］。

3　富集主控因素

通過對老井的復查和實驗數據的整理分析，從提高頁巖油產能的角度出發(fā)，分析多個控制因素與頁巖油產量的關系，結果表明，夾層型頁巖油能否富集并具有有效產能，主要受控于生排烴條件、夾層厚度、夾層物性、地層壓力和原油物性等因素。

3.1生排烴條件

生烴條件是頁巖油生成的物質基礎，生烴能力主要取決于泥頁巖的性質和發(fā)育規(guī)模［10］。在沙一段下亞段沉積時期，基底開始下沉，氣候逐漸潮濕，湖水擴張，為咸化、半咸化環(huán)境為主的深湖—半深湖相沉積，自下而上主要由白云巖、泥質白云巖、油頁巖、灰質泥巖和暗色泥巖組成［11］。

決定烴源巖生烴能力的指標包括有機質類型、有機質含量、鏡質組反射率、有效烴源巖的厚度及面積等［12］。濟陽坳陷碳酸鹽巖夾層型頁巖油集中分布于沾化凹陷沙一段和東營凹陷沙三段，渤南洼陷沙一段暗色泥巖沉積厚度大，有利于頁巖油的生成，其泥頁巖有機質類型以Ⅰ和Ⅱ1型干酪根為主，有機碳含量主要為2%～7%，生烴潛量較大。將夾層型頁巖油井產量與泥頁巖有機碳含量進行對比，發(fā)現單井頁巖油產量最高為12.1 t/d，有機碳含量為3.9%，隨著有機碳含量的增大，頁巖油產量增大，兩者成正相關關系（圖2a），在洼陷帶中央區(qū)域，泥頁巖的生烴強度最高達450×106t/km2，頁巖油高產井主要集中分布在生烴強度大于300×106t/km2的地區(qū)。另外，沙一段烴源巖鏡質組反射率為0.29%～1.16%，有機質演化程度較低，以生油為主，生成的頁巖油為低成熟油—成熟油。

圖2　夾層型頁巖油產量與生排烴條件的關系Fig.2　Relationship between production capacity of interlayer shale oil and hydrocarbon generation and expulsion conditions

除優(yōu)質的生烴條件外，排烴條件對夾層型頁巖油產量同樣具有重要意義。分析位于洼陷內構造低部位的義21和義26井巖心樣品的排烴實驗數據可知，其排烴強度最高達158×106t/km2，頁巖油高產井集中分布在排烴強度中心區(qū)域。在此基礎上，將獲取的排烴強度與夾層型頁巖油井產量進行交會分析，發(fā)現兩者之間成明顯的正相關關系，排烴強度越大，頁巖油的產量越高，相關系數為0.723（圖2b）。因此，從油氣的生排烴角度來看，生烴條件越好、排烴強度越大，越有利于夾層型頁巖油產量的提高。

3.2夾層厚度

夾層是夾層型頁巖油儲存并富集的載體，是油氣存在的物質基礎，為了明確碳酸鹽巖類夾層對頁巖油產出的貢獻，將研究區(qū)沙一段碳酸鹽巖累積厚度等值線圖、白云巖累積厚度等值線圖分別與夾層型頁巖油井平面分布圖進行疊合，結果表明，高產井與白云巖夾層關系密切，具有油氣顯示的井主要分布在碳酸鹽巖厚度大于10 m，或白云巖厚度大于5 m的區(qū)域；頁巖油工業(yè)油流井主要集中分布在碳酸鹽巖厚度為10～20 m，或白云巖厚度為5～15 m的區(qū)域；碳酸鹽巖厚度大于20 m或白云巖厚度大于15 m的區(qū)域，頁巖油的產量并沒有明顯提高，義8井碳酸鹽巖累積厚度達31 m（圖3），但油氣顯示以油斑為主，測井綜合解釋為干層。

圖3　渤南洼陷沙一段碳酸鹽巖厚度等值線Fig.3　Contour map of carbonate rock thickness of Es1in Bonan subsag

為了進一步明確夾層厚度與產量的關系，對單井的夾層厚度進行分析。當累積夾層厚度占泥頁巖厚度的比例小于7%時，頁巖油的產量較高；平均夾層厚度與頁巖油的產量也存在一定正相關關系，對于厚度小于2 m的單個夾層，平均夾層厚度越大，頁巖油的產量越大。從生儲配置分析，若累積夾層厚度過大，泥頁巖厚度相對較小，則烴源巖生烴潛力有限；累積夾層厚度過小，會使頁巖油氣的排烴通道和儲集空間相對局限。在厚層泥頁巖中，單個夾層厚度越大，越有利于頁巖油的輸導富集。從工程的角度來講，現今技術條件下難以保證對較薄夾層地質錄井工作和射孔作業(yè)的精度，在一定程度上也會影響油氣的采出程度。因此，厚層暗色泥頁巖與碳酸鹽巖夾層在空間上的合理配置關系對頁巖油產量的提高具有重要意義，當累積夾層厚度與泥頁巖厚度比例小于7%時，單個夾層的厚度越大，越有利于夾層型頁巖油的富集和油氣產量的提高。

3.3夾層物性

夾層物性是影響頁巖油產量的關鍵因素，與基質型頁巖油相比，夾層的發(fā)育可改善泥頁巖地層的孔滲性，使頁巖油聚集并富集成藏。當泥頁巖夾砂質條帶或砂巖夾層時，砂質顆粒對泥頁巖具有一定的支撐作用，使巖石的滲透性得以改善。濟陽坳陷東風1、利深101和濱172等產量大于1 t/d的砂巖夾層型頁巖油井的巖心鏡下觀察結果顯示，巖屑、長石等顆粒之間的孔隙發(fā)育且有油氣賦存，但在研究區(qū)工業(yè)油氣流井中，鉆遇泥頁巖夾砂質條帶的探井在平面上分布分散且所占比例較低［13］。當泥頁巖夾碳酸鹽巖條帶時，碳酸鹽成分對改變儲層物性主要起2方面作用：一是碳酸鹽巖的重結晶作用、白云巖化作用有利于產生晶間溶孔和晶間孔等，使地層具有更好的孔隙性和滲透性；二是增加了巖石的脆性，使地層更容易產生裂縫［14］。

碳酸鹽巖儲層結構具有明顯的不均一特征，其儲集空間的大小、形態(tài)和連通性的變化很大，溶蝕空間、裂縫的規(guī)模、發(fā)育程度的變化更大，由小至微米級，到大至厘米級以上。研究區(qū)70%左右的碳酸鹽巖夾層型頁巖油與白云巖有關，渤南洼陷夾層型頁巖油的夾層巖性以白云巖為主，白云石與方解石相比，白云石的脆性更大，因而在白云巖中構造裂縫相對較發(fā)育。對于泥頁巖中的白云巖夾層，構造裂縫為重要的頁巖油儲集空間，在薄片及電鏡下均能見到，其裂縫寬度平均約為0.03 mm，部分被方解石、泥質充填，裂縫兩端有油跡，且電鏡下放電現象明顯。巖心觀察發(fā)現，厚層暗色泥頁巖中偶然會見到淺色的白云巖夾層，其中淺色的白云巖較破碎，且含油性好，除構造裂縫外，淺色白云巖微裂縫大量發(fā)育，見錯斷層理，且延伸長度、寬度較大，而暗色泥頁巖微裂縫相對較少且錯斷較小。

白云巖化作用對碳酸鹽巖儲層物性的影響還包括白云巖化過程中的溶蝕作用、等摩爾交代、等體積交代、過白云巖化和提高滲透率5個方面［15］。通過掃描電鏡發(fā)現，白云石的晶間孔十分發(fā)育，尤其是在自形程度較高的白云石所構成的白云巖中，晶間孔更豐富，多數直徑約為0.003 mm的晶間微孔，但是晶間微孔的孔隙度太小，且多為毛細管孔隙，因此在沙一段白云巖儲層中，真正具有頁巖油儲集能力的是由后期溶蝕作用所產生的溶蝕孔隙，通過掃描電鏡可以清晰發(fā)現，溶蝕孔隙多表現為形態(tài)與大小各異的特點［16-18］。

通過建立測井模型恢復了渤南洼陷夾層型頁巖油探井單井縱向的孔隙度參數，白云巖、泥質白云巖、泥灰?guī)r的物性要好于與其上、下相鄰的泥巖、油頁巖，油斑及以上油氣顯示集中分布在碳酸鹽巖夾層，部分夾層飽含油。單井夾層型頁巖油產量與夾層孔隙度的相關性分析結果（圖4）表明，頁巖油的產量與夾層孔隙度相關系數為0.917 6，表現為孔隙性越好，油氣的產量越高，兩者之間呈現明顯的正相關關系。

3.4地層壓力和原油物性

泥頁巖型頁巖油產出地層普遍具有異常高壓，與之相比，夾層型頁巖油產出地層同樣具有一定的高壓特點，分析地層高壓產生原因認為，烴源巖生烴是地層高壓形成的主要機制，烴源巖開始生烴的深度與地層出現高壓的深度具有較好的吻合性，也表明生烴作用是超壓形成的主要機制［19］。地層高壓間接反映了泥頁巖的生烴能力，高壓可導致烴源巖破裂，有利于裂縫的發(fā)育和油氣的產出［20］。分析試油井段實測的壓力和產量特征發(fā)現，夾層型頁巖油產量隨著壓力系數的增大而增大，兩者具有較好的正相關關系（圖5）。

圖4　夾層型頁巖油產量與夾層孔隙度的關系Fig.4　Relationship between daily production and porosity of interlayer shale oil

圖5　夾層型頁巖油單井產量與壓力系數的關系Fig.5　Relationship between daily production per well and pressure coefficient of interlayer shale oil

除地層壓力外，原油物性也是影響頁巖油開采的重要因素之一。美國Eagleford等頁巖油高產地區(qū)地面原油密度約為0.82 g/cm3，而渤南洼陷頁巖油地面密度主要為0.88 g/cm3，對于較致密的泥頁巖地層，高密度、高粘度的原油更難被采出。研究發(fā)現影響原油物性的因素主要有2方面：一是原油中的瀝青質、膠質含量，原油在從烴源巖中排出進入夾層的初次運移過程中會發(fā)生組分分餾，使烴類組分更多地被排出，而瀝青質和膠質則主要殘留在泥頁巖中，渤南洼陷沙一段夾層型頁巖油高產井地面原油密度為0.86～0.87 g/cm3，地面原油粘度為24～33.9 mPa·s，原油性質介于同深度泥頁巖抽提物與常規(guī)原油之間；二是原油中溶解的天然氣量，頁巖油高產井產出過程中通常伴隨著較多的天然氣產出，如義18井沙一段初期產氣量為2 862 m3/d，義21井產氣量為1 680 m3/d，氣體的產出量直接影響著頁巖油的產能，東營凹陷樊頁1井試油初期，氣體優(yōu)先產出并伴隨著少量輕質原油，隨著地層壓力迅速下降，產出原油量下降并且原油密度和粘度增大，天然氣的脫溶會導致原油粘度增大，從而不利于頁巖油的產出，最終導致頁巖油產量下降。因此，生產過程中應盡量保持地層高壓能量，延緩儲層壓力的降低，使頁巖氣更多地以溶解態(tài)產出，而不是游離態(tài)，從而達到提高頁巖油采收率的目的［21］。

4　結論

渤南洼陷沙一段夾層型頁巖油資源潛力豐富，夾層的巖性以白云巖為主，部分單井產量較高，結合鏡下資料及油水產出規(guī)律認為，夾層型頁巖油的賦存狀態(tài)以游離態(tài)為主。夾層型頁巖油的富集主要受控于生排烴條件、夾層厚度、夾層物性、地層壓力和原油物性等因素。單井頁巖油產量與有機質含量、排烴強度、夾層的孔隙度以及壓力系數等參數之間的正相關關系明顯，且當累積夾層厚度占泥頁巖厚度的比例小于7%時，單個夾層的平均厚度越大，頁巖油的產量越高。原油中含天然氣對改善頁巖油可動性具有積極意義，開采過程中應盡量延緩地層壓力降低，保證天然氣以溶解態(tài)產出，從而延長頁巖油的產出時間并提高采收率。

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編輯常迎梅

Analysis on recognition criteria and enrichment factors of interlayer shale oil of Es1in Bonan subsag

Zhu Deshun1，Wang Yong1，Zhu Deyan1，Ning Fangxing1，Yang Wanqin1，Zong Miao2，Yin Yan1，Ding Juhong1

（1.Research Institute of Exploration and Development，Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying City，Shandong Province，257015，China；2.School of Earth Environment and Water Resources，Yangtze University，Wuhan City，Hubei Province，430100，China）

Limestone interlayers with different thickness develop in thick shale formation of Es1in Bonan subsag.Learning from the national standard of shale gas and SINOPEC standard of shale oil，the thickness of interlayer that produces oil was determined.The criteria，the thickness of single interlayer is less than two meters and the cumulative thickness of interlayer is less than 20%of that of the formation，were regarded as the recognition standard for interlayer shale oil in Bonan subsag. The interlayer at the lower part of Es1mainly consists of dolomite and its log response is characterized by obvious high resistivity.The water cut is gradually increased in the process of oil and gas output，which supports the point that the shale oil from interlayer mainly exists in free state.By analyzing the correlation between production capacity and enrichment factors of interlayer shale oil，it is found that whether interlayer shale oil can effectively accumulate is mainly controlled by four factors including generation and discharge condition of hydrocarbon，thickness of interlayer，physical conditions of interlayer and formation pressure and oil properties.

interlayer；shale oil；Es1；existing state；main controlling factors；Bonan subsag

TE112

A

1009-9603（2015）05-0015-06

2015-07-04。

朱德順（1987—），男，山東聊城人，助理工程師，碩士，從事油氣勘探研究工作。聯系電話：15263826959，E-mail：zhudeshun. slyt@sinopec.com。

國家“973”計劃“中國東部古近系陸相頁巖油富集機理及分布規(guī)律”子課題“陸相頁巖油富集要素與有利區(qū)預測”（2014CB239104）。