威利斯頓盆地巴肯組泥頁巖排烴效率地質研究

胡　瑩，盧雙舫，李文浩，張鵬飛，張　晗，李　倩

(1.中國石油大學(華東)非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島 266580；2.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

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威利斯頓盆地巴肯組泥頁巖排烴效率地質研究

胡瑩1，2，盧雙舫1，李文浩1，張鵬飛1，2，張晗1，2，李倩1，2

(1.中國石油大學(華東)非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島 266580；2.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

為了弄清造成威利斯頓盆地巴肯組泥頁巖相對含油量低，而致密砂(灰)巖中含油量高的原因，對巴肯組泥頁巖的排烴特征進行研究具有重要的意義。本文在油氣勘探相關資料的分析基礎上，結合薄片鑒定和地球化學分析方法，探討了巴肯組泥頁巖的排烴特征。結果表明，巴肯組泥頁巖的高排烴效率是造成巴肯組中段致密層段相對含油量高、而泥頁巖相對含油量較低的根本原因。巴肯組泥頁巖產率指數與其有機碳含量的明顯不匹配，可溶有機質族組成的低飽/芳值以及巴肯組中段粉砂質白云巖強熒光性都說明巴肯組泥頁巖發(fā)生過大量的排烴。泥頁巖的生烴增壓引起的超壓誘導泥頁巖產生的微裂縫與干酪根網絡構成了石油初次運移的通道，也利于泥頁巖排烴。

致密油；含油量；排烴效率；巴肯組；威利斯頓盆地

近年來，在石油需求量高速增長的刺激下，隨著勘探開發(fā)技術的不斷進步，致密油資源逐漸成為世界各國石油工業(yè)爭相介入的熱點領域之一[1]。目前，美國的巴肯組和鷹灘組、加拿大的卡爾蒂姆組致密油開發(fā)已獲得了成功。因此，致密油有可能成為繼頁巖氣之后，未來又一重要的接替能源。

致密油是一種非常規(guī)油氣資源，主要以吸附或游離狀態(tài)賦存于生油巖中，或與生油巖互層、緊鄰致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集巖中，是未經過大規(guī)模長距離運移的石油聚集，主要包括致密砂(灰)巖油和頁巖油2大類[2]，其中致密砂(灰)巖油是泥頁巖排出油中的一部分，而頁巖油氣是殘留在泥頁巖中未排出的油。因此無論是頁巖油還是致密砂(灰)巖油的富集性應與泥頁巖的排烴效率密切相關，并且兩者成負相關關系。雖然前人對致密油氣富集性及泥頁巖排烴效率已都有研究，但均是割裂開來進行研究的，缺少相應的對照。實際上二者的對照研究有利于加深對致密油的富集規(guī)律的認識。本文利用有機碳、巖石熱解等常規(guī)地化數據對泥頁巖排油效率及其對致密油富集的影響進行了研究，旨在為中國含油氣盆地致密油勘探提供參考。

1　地質背景

威利斯頓盆地位于北美板塊內部，靠近北美克拉通西部邊緣[3]，是一個大型克拉通內沉積盆地，橫跨北達科他州、蒙大拿州、南達科他州、薩斯喀徹溫省及馬尼托巴省。盆地起源于克拉通邊緣或大陸架型的盆地，在科迪勒拉造山運動期發(fā)生的變形作用和隨后西部大陸邊緣地殼連續(xù)增加的背景下使之轉變?yōu)榭死▋炔颗璧?，整體上呈較對稱的東西向負構造展布[4](圖1)。

圖1　威利斯頓盆地構造單元圖(據文獻[9]和[10]修改)

盆地在寒武紀開始發(fā)育，至奧陶紀結束，地層發(fā)育齊全，賓夕法尼亞紀之前為海相碳酸鹽巖沉積，到密西西比紀之后轉變?yōu)楣栀|碎屑沉積。上泥盆統-下密西西比統的巴肯組地層以海相碎屑巖沉積為主，其中黑色泥頁巖與粉砂質白云巖、白云質粉砂巖、細砂巖頻繁交互疊置，局部夾薄層碳酸鹽巖，是該盆地內的一套重要烴源巖，也是一套非常規(guī)油氣儲層[5-6]。巴肯組地層明顯分為三段：上段和下段為具放射性的、富含有機質的黑色頁巖，沉積于海平面上升階段缺氧或者氧氣比較有限的環(huán)境中；中段為粉砂質白云巖或者灰?guī)r到砂巖巖性，沉積于海退時期快速海平面下降情況下的淺水環(huán)境(圖2)。

圖2　威利斯頓盆地巴肯組地層柱狀圖(據文獻[11]修改)

威利斯頓盆地巴肯區(qū)帶已經發(fā)現了(4×108～6×108)t致密油的可采儲量，資源豐富。目前的單井初期產量已超過274t/d[8]，產量也呈逐年迅猛上升的趨勢，是全球致密油開發(fā)最成功的范例之一。

2　巴肯組含油性評價及規(guī)律研究

對于泥頁巖中含油量的表征我們通常采用熱解殘留烴(S1)和氯仿瀝青“A”兩個指標。由于泥頁巖儲層的低滲透性，目前開采的致密油主要以輕質或凝析油為主。因此，本文采用S1作為泥頁巖含油性的評價指標[12]。

威利斯頓盆地巴肯組的致密油主要包括上下巴肯頁巖的頁巖油和中巴肯中的致密砂(灰)巖油。圖1繪出了威利斯頓盆地巴肯組泥頁巖含油性與有機碳含量的關系。對于絕對含油量，從上包絡線變化規(guī)律可以看出，泥頁巖含油性隨有機碳含量的增加表現出三階段演化特征。首先，在低有機質豐度階段泥頁巖含油量緩慢增大，之后階段含油量迅速增加，最后階段含油量增加速度逐漸減小，直至平穩(wěn)。根據變化趨勢轉折點所對應的含油量，我們可以將泥頁巖含油性劃分為三個等級：分散、低效和富集。其中，富集資源是近期頁巖油勘探、開發(fā)最為現實的目標，低效和分散資源開發(fā)則有待未來技術的進一步發(fā)展。在本次研究中威利斯頓盆地巴肯組兩個轉折點S1值分別為2mg/g和6mg/g(見圖3)。從含油量(S1)這個指標來看，巴肯組泥頁巖主要為富集資源和低效資源，而中巴肯組的致密砂(灰)巖為低效資源和無效資源。然而，這種分類方案沒有考慮致密油氣的可采性，因此這種方法對于指導致密油氣勘探具有一定的局限性。

圖3　威利斯頓盆地巴肯組含油性與有機碳關系

Jarvie等研究認為，地層中單位有機碳的含烴量(S1/TOC)一方面可用來判斷烴源巖的成熟度，另一方面可用來評價儲層含油性。儲層含油性高，S1/TOC通常大于1，對于頁巖油儲層的判斷這一標準同樣適用[13]。另外，由于干酪根對頁巖油具有較強的吸附、溶解作用，影響頁巖油的可采性，這也

說明我們還應結合相對含油量來評價泥頁巖的含油性，因此這個指標可以同時用來判斷巴肯組中的頁巖油和致密砂(灰)巖油的含油性高低。從相對含油量(S1/TOC)來看，巴肯組絕大部分泥頁巖S1/TOC小于1，含油性較低，而中巴肯組的致密砂(灰)巖S1/TOC通常大于1，含油性高。對于其原因本文從排烴效率中找到了答案，這與目前美國威利斯頓盆地巴肯組致密油開采主要集中在巴肯組中的致密砂(灰)巖相一致。

3　泥頁巖排烴效率特征分析

3.1強排烴的地球化學證據

烴源巖的地球化學研究表明，巴肯組泥頁巖形成于缺氧的半深海環(huán)境，為盆地內一套重要的烴源巖，有機碳含量非常高，平均值為11.3%，干酪根類型以Ⅰ、Ⅱ型為主，鏡質體反射率主要介于0.6%～0.9%，最高可達1.1%，屬于熱催化生油氣成熟階段[14-16]，因此巴肯組泥頁巖具備生成大量烴類的物質和條件基礎。

巖石熱解分析結果顯示，巴肯組黑色泥頁巖整體上產率指數S1/(S1+S2)較低，與其有機碳含量明顯不匹配，當TOC小于15%時，產率指數主要介于0.15～0.30，最高可達到0.48；而當巴肯組泥頁巖TOC大于15%時，產率指數小于0.15(圖4(a))。氯仿瀝青“A”族組成的低飽/芳值以及飽/芳值隨TOC增高而降低的趨勢明顯與Ⅰ-Ⅱ型的母質類型相矛盾(圖4(b))。巴肯組中段粉砂質白云巖的顯微照片熒光觀察證實白云石內的晶間孔和石英顆粒和碳酸鹽晶體之間的粒間孔中富含油(圖5)。以上證據都說明巴肯組泥頁巖發(fā)生過大量的排烴。

圖4　巴肯組泥頁巖產率指數-TOC關系圖(a)和飽/芳值-TOC關系圖(b)

圖5　巴肯組中段的粉砂質白云巖熒光薄片(據文獻[17]修改)

3.2排烴率的定量研究

排烴效率可用排烴量與生烴量的比值定量計算，它是衡量傳統烴源巖有效性的重要指標，泥頁巖排烴過程中，排烴效率越高，與泥頁巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲集巖中的聚集的油氣就越多，因此對于致密砂巖(碳酸鹽巖)油氣我們希望泥頁巖排出盡可能多的油氣供運聚成藏，而在排烴過程中不可避免的會有一定量的烴類殘留在泥頁巖內部，這部分烴類即是頁巖油氣，對于頁巖油氣我們則希望泥頁巖中殘留盡可能多的油氣，因此致密油氣的勘探開發(fā)同樣需要考慮排烴效率的

問題。在排烴效率的計算過程中，排烴量可通過生烴潛力達到最高值后的減小幅度確定，殘烴量可通過烴指數獲得，根據物質平衡原理二者相加即為生烴量。由圖6可以看出，隨著有機質類型逐漸變差，相應泥頁巖的生、排門限逐漸變深，反映生、排烴過程依次滯后。同時，I型有機質泥頁巖排烴量遠高于其它類型，而殘烴量相差不大，由此可以計算出I型有機質泥頁巖排烴效率遠高于其它類型。比如，在3200m深度，I型、Ⅱ1型和Ⅱ2型烴源巖的排烴效率分別為55%、45%和30%(圖6)。因此巴肯組泥頁巖高排烴效率是造成巴肯組中段致密層段相對含油量高，上、下段泥頁巖相對含油量較低的根本原因。

圖6　威利斯頓盆地巴肯組不同類型干酪根烴指數和生烴潛力指數

3.3排烴機制分析

致密油成藏特征表明，致密油從烴源巖排出后在儲集層中聚集的主要動力為生烴增壓，即源儲壓差[18]。而生烴增壓引起的超壓將會誘導泥頁巖產生微裂縫。當微裂縫形成后，泥頁巖產生的烴類將會排出并釋放壓力。當泥頁巖內的壓力小于圍壓時，這些微裂縫將重新閉合，開始下一循環(huán)。這些層理縫和微裂縫相互交叉形成裂縫網絡，作為泥頁巖油氣排出的輸導系統，因此排烴效率會在很大程度上提高。威利斯頓盆地巴肯組存在高異常流體壓力，為0.73PSI/ft，并證實其高壓分布與生烴中心分布一致，因此推測其異常壓力與深部有機質生烴作用有關[19]。從不同成熟度有機顯微組分圖像的觀測可知，隨著成熟度增加，巴肯組泥頁巖生成大量的烴類，形成高壓流體，產生微裂縫(圖7)。另一方面，由于巴肯組泥頁巖有機質豐度高，因而干酪根在巖石體積中所占的比例高(約為15%～35%)，具備形成“干酪根網絡”的物質條件(圖7)。干酪根具有親油性，因此石油通過干酪根網絡運移所需克服的阻力大大降低，極有利于石油的初次運移(排烴)。因此，有機質類型越好，豐度越高，成熟度越高，泥頁巖產生大量的烴類并發(fā)育大量的微裂縫，有利于泥頁巖排烴。

圖7　上巴肯組泥頁巖不同成熟度的有機顯微組分照片(據文獻[20])

4　結　論

1) 巴肯組泥頁巖產率指數與其有機碳含量明顯不匹配，可溶有機質族組成中低飽/芳值以及巴肯組中段粉砂質白云巖強熒光性都說明巴肯組泥頁巖發(fā)生過大量的排烴。

2) 相對含油量(S1/TOC)這個指標比S1更適合評價威利斯頓盆地巴肯組含油性好壞。巴肯組泥頁巖排烴效率高造成是巴肯組中段相對含油量高，泥頁巖相對含油量較低的根本原因。

3) 巴肯組泥頁巖的生烴增壓引起的超壓誘導泥頁巖產生的微裂縫與干酪根網絡構成了石油初次運移的通道，利于泥頁巖的排烴。

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Geological research on hydrocarbon expulsion efficiency of shale in Bakken Formation in the Williston Basin

HU Ying1，2，LU Shuang-fang1，LI Wen-hao1，ZHANG Peng-fei1，2，ZHANG Han1，2，LI Qian1，2

(1.Research Institute of Unconventional Hydrocarbon and Renewable Energy，China University of Petroleum(East China)， Qingdao 266580，China；2.School of Geosciences，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China)

To find out the cause of relatively low oil content of the shale and high oil content in dense zone in bakken formation in the Williston basin，is of great significance in order to reveal the characteristics of hydrocarbon expulsion of shale in bakken formation.Through the detailed analysis of basic geological data of petroleum exploration，combined the methods of thin section and geochemistry，the characteristics of hydrocarbon expulsion of shale in bakken formation is discussed.The results are showed as below：high hydrocarbon expulsion efficiency of shale is the root cause of relatively high oil content in the middle dense zone and low oil content of shale.The dismatches between production rate index and organic carbon content，the low ratio of saturated hydrocarbon and aromatic hydrocarbon of soluble organic matter，as well as strong fluorescence of silty dolomite in the middle bakken group，suggest that the shale in bakken formation have happened a lot of hydrocarbon expulsion.Microfracture and kerogen network inducted by overpressure caused by hydrocarbon-generating pressurization of shale constitutes the channel of the oil primary migration，and is also conducive to hydrocarbon expulsion of the shale.

tight oil；oil content；hydrocarbon expulsion efficiency；Bakken Formation；Williston Basin

2015-08-26

國家自然科學基金青年基金項目資助(編號：41402122)；博士后科學基金面上項目資助(編號：2014M561980) ；中石油勘探院項目資助(編號：RIPEO-2014-JS-305)

胡瑩(1991-)，女，漢族，江西宜春人，碩士研究生，中國石油大學(華東)礦產普查與勘探專業(yè)，主要從事非常規(guī)油氣方面的研究工作。E-mail：775113513@qq.com。

P59

A

1004-4051(2016)10-0163-05