泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)及可動性探討

柯 思

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132)

泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)及可動性探討

柯 思

(中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽 473132)

泌陽凹陷頁巖油資源豐富，具有廣闊的勘探前景。利用巖心觀察、常規(guī)掃描電鏡、薄片鑒定、熒光觀察，結(jié)合高分辨率場發(fā)射掃描電鏡等分析測試手段，研究了泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)及可動性，結(jié)果表明：泌陽凹陷頁巖油具有微孔型與微縫型兩種儲集空間；賦存狀態(tài)有游離、吸附和溶解狀態(tài)三種，以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，含有少量溶解態(tài)頁巖油；原油族組分分析及碳同位素分析均表明，泌陽凹陷頁巖油無運移或運移距離極短，是自生自儲式、源儲一體的油氣藏。泌陽凹陷頁巖油可動性主要取決于泥頁巖的特殊孔喉結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育與地層壓力。

泌陽凹陷；賦存狀態(tài)；運移特征；可動性；頁巖油

據(jù)相關(guān)文獻報道，中國頁巖油地質(zhì)資源量1 420×108t，可采資源量(30～60)×108t，頁巖油資源潛力較大，勘探開發(fā)前景廣闊。中國石化河南油田自2010年啟動頁巖油地質(zhì)評價工作，通過國內(nèi)外調(diào)研與對比分析，認為泌陽凹陷深凹區(qū)頁巖油形成條件較好，油氣資源豐富，具有廣闊的勘探開發(fā)前景。2010 年在泌陽凹陷部署了頁巖油探井-安深1 井, 該井經(jīng)大型壓裂后獲日產(chǎn)4. 68 m3工業(yè)油流，使中國陸相頁巖油勘探取得工業(yè)油流突破；2011 年在泌陽凹陷部署中國首口頁巖油水平井-泌頁HF1井, 該井1044 m 水平段15 級分段壓裂獲最高日產(chǎn)23.6 m3工業(yè)油流, 標志著中國陸相頁巖油勘探取得實質(zhì)性突破[1]。

本文通過對泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)、運移特征和可動性的分析，以期為陸相斷陷盆地頁巖油氣勘探開發(fā)提供技術(shù)儲備。

1 地質(zhì)概況

泌陽凹陷位于南襄盆地東北部，是南襄盆地的次級構(gòu)造單元，面積1 000 km2，為中新生代斷陷盆地。凹陷由南至北分南部陡坡帶、中部凹陷帶和北部斜坡帶。泌陽凹陷在始新世-古新世時期為初始斷陷和穩(wěn)定斷陷，在漸新世早期為強烈斷陷，湖盆持續(xù)下沉，氣候溫暖潮濕，陸源碎屑向湖泊注入，帶來大量營養(yǎng)物質(zhì)，湖生生物大量生長繁盛，形成了巨厚的湖泊相沉積。據(jù)鉆井資料揭示，泌陽凹陷泥頁巖層主要發(fā)育在核桃園組核二段、核三上段、核三下段，平面上分布在深凹區(qū)，為淺湖相-較深湖相沉積。這三套泥頁巖累計厚度達1 900 m，疊合分布面積約640 km2，有機質(zhì)豐度平均2.52%，有機質(zhì)類型以Ⅰ型、Ⅱ1型為主，有機質(zhì)成熟度為0.5%～1.7%，脆性礦物含量平均70%，孔隙度平均5.78%，具備形成頁巖油氣的良好條件和物質(zhì)基礎(chǔ)[2-3]。

2 頁巖油特征

截至2015年底，泌陽凹陷48口探井在頁巖中鉆遇豐富的油氣顯示，表現(xiàn)為鉆井取心巖心表面、裂縫面原油浸出下滴，泥漿槽面油膜、撈砂盆黏油明顯；氣測全烴含量最高達99.89%，甲烷最高達36%；槽面油花、氣泡、瀝青顯示豐富。其中7口井獲工業(yè)油流或低產(chǎn)油流，產(chǎn)油層巖性為厚層純頁巖及頁巖中夾雜泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖。泌陽凹陷頁巖油井產(chǎn)能較高的為核桃園組三砂組、二砂組，其他砂組產(chǎn)能較低或尚未試油。泌陽凹陷頁巖油探井初期產(chǎn)能可達到23.6～28.1 m3/d，隨后遞減。第一個周期初期油氣產(chǎn)能最高，后緩慢遞減處于穩(wěn)定；第二個周期初期產(chǎn)能和累積產(chǎn)油量都較低。總體上，頁巖油井以第一個周期的產(chǎn)量為主，產(chǎn)量可占總產(chǎn)油量的85%以上。

頁巖油密度0.76～0.86 g/cm3，70 ℃動力黏度0.74～15.78mPa·s，凝固點15～44℃，含蠟量2.12%～50.13%，氣油比3～204，屬于“高含蠟、高凝固點、高密度、低黏度、低氣油比”原油；頁巖油密度、黏度都有隨深度增加而降低的趨勢；頁巖油氣油比隨埋深增大逐漸增高；頁巖油層溫度90～140 ℃，壓力21.8～40.38 MPa 。頁巖地層水的類型有碳酸氫鈉、氯化鈣、硫酸鈉型三種。氯化鈣型地層水代表封閉環(huán)境，碳酸氫鈉型地層水代表過渡環(huán)境，硫酸鈉型地層水可能是由于鉆井液與壓裂液浸入地層導致。其中，碳酸氫鈉型地層水占70%，表明泌陽凹陷頁巖油氣所處的環(huán)境為過渡環(huán)境。

3 頁巖油賦存狀態(tài)分析

頁巖油以游離、吸附或溶解賦存于富有機質(zhì)的泥頁巖層系中，主要賦存于泥頁巖層系基質(zhì)孔隙、砂巖或碳酸鹽巖夾層基質(zhì)孔隙及頁巖裂縫中。針對泥頁巖儲層的特低孔致密的特殊性，利用巖心觀察、常規(guī)掃描電鏡、薄片鑒定、熒光觀察，結(jié)合高分辨率場發(fā)射掃描電鏡等分析測試手段，對泥頁巖儲集空間進行識別。泌陽凹陷泥頁巖儲集空間分為微孔型與裂縫型。微孔分為粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)溶蝕孔及有機質(zhì)孔，粒間孔主要有石英粒間孔、云母片間孔，晶間孔主要有方解石晶間孔、黃鐵礦晶間孔和黏土礦物晶間孔，粒內(nèi)溶孔主要有方解石、白云石、長石的粒內(nèi)溶孔，有機質(zhì)孔主要為有機質(zhì)內(nèi)部干酪根轉(zhuǎn)化為烴類形成的孔隙。裂縫分為高角度構(gòu)造縫、水平層理縫及微裂縫，以水平層理縫為主，裂縫寬度最寬可達1 mm，一般為0.01～0.08 mm。相對于北美海相地層頁巖石英含量高，泌陽凹陷泥頁巖中碳酸鹽巖礦物、長石等脆性礦物含量高，石英平均含量為19.5%，碳酸鹽巖、長石、黃鐵礦等脆性礦物含量為49.4%，易于形成裂縫。鏡下觀察也表明泥頁巖中裂縫廣泛發(fā)育，裂縫是頁巖油氣的主要儲集空間之一，同時也連通了泥頁巖孔隙，為頁巖油氣提供了運移通道，使頁巖油氣通過裂縫網(wǎng)狀系統(tǒng)連續(xù)分布，易于頁巖油氣的開采[4]。

泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)有游離、吸附和溶解三種狀態(tài)[5]，以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，含有少量溶解態(tài)頁巖油。游離態(tài)頁巖油主要賦存在黏土、石英、長石、方解石、白云石等礦物基質(zhì)孔隙、納米級孔隙，以及構(gòu)造縫、層理縫、微裂縫中，以油滴形式存在。吸附態(tài)石油主要吸附在干酪根及黏土顆粒表面，以油膜形式存在。利用掃描電鏡結(jié)合能譜分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)泌陽凹陷頁巖油分子主要以游離和吸附兩種形式存在的證據(jù)，一是頁巖基質(zhì)顆粒間的游離態(tài)油滴(圖1a)，二是黏土顆粒表面覆膜狀吸附態(tài)油膜(圖1b)，油滴、油膜能譜分析碳峰特征明顯(表1)，為有機石油烴。從頁巖油生產(chǎn)特征來看，頁巖油生產(chǎn)井僅發(fā)現(xiàn)游離態(tài)和溶解態(tài)石油，吸附態(tài)尚未發(fā)現(xiàn)。泌頁HF1井壓后試采，初期最高日產(chǎn)油23.6 m3，隨后逐漸遞減至0.2 t，低效關(guān)井，累計生產(chǎn)1 082 d，累計產(chǎn)油1 478 t，平均日產(chǎn)油1.36 t。由于產(chǎn)出的主要為基質(zhì)孔隙中的原油，沒有解吸附原油補充，導致頁巖油產(chǎn)量快速遞減。泌頁HF2井壓后試采，初期最高日產(chǎn)油28.1 m3，隨后逐漸遞減至0.9 t，目前尚在產(chǎn)油，累計生產(chǎn)1 147 d，累計產(chǎn)油2 598 t，平均日產(chǎn)油2.26 t；該井產(chǎn)油過程中含水率上升，氣油比、日產(chǎn)油上升，反映可能有部分溶解態(tài)頁巖油產(chǎn)出。

圖1 泌頁HF1井掃描電鏡照片

元素質(zhì)量分數(shù)/%原子分數(shù)/%C61．4470．34O29．5625．40Mg0．260．15Al1．590．81Si5．982．93K0．420．15Ca0．410．14Fe0．330．08

4 頁巖油運移特征及可動性分析

4.1 運移特征

頁巖油氣藏是自生自儲、源儲一體的油氣藏，原油滯留原地或運移距離極短。原油族組分分析及碳同位素分析均表明泌陽凹陷頁巖油無運移或運移距離極短(圖2、圖3)。圖中安深1井為H32砂組3號頁巖層原油樣品，泌頁HF1井為H33砂組5號頁巖層原油樣品，泌354井為H33砂組5號頁巖層中砂層夾層原油樣品。三個樣品同位素值、族組分含量大致相同，表現(xiàn)為核三上原油特征，反映了頁巖油僅在頁巖系統(tǒng)內(nèi)原地滯留成藏或短距離運移至頁巖系統(tǒng)的砂巖夾層中，無長距離運移。

圖2 頁巖油同位素對比分析

圖3 頁巖油族組分分析

4.2 可動性

泌陽凹陷頁巖發(fā)育的深凹區(qū)斷層不發(fā)育，泥頁巖中的生成油氣只能原地滯留聚集在泥頁巖中，或就近運移聚集在砂層夾層、碳酸鹽巖夾層中。因此頁巖油可動性主要取決于泥頁巖的特殊孔喉結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育與地層壓力。

4.2.1 孔喉結(jié)構(gòu)

利用壓汞儀方法研究頁巖儲層孔喉結(jié)構(gòu)特征，泌陽凹陷48個頁巖樣品基質(zhì)平均孔隙度為2%左右，平均基質(zhì)滲透率2.51×10-3μm2，平均孔道迂曲度6.26。泌陽凹陷陸相頁巖孔滲性差，孔喉直徑小，孔道迂曲度高，導致了頁巖油產(chǎn)量快速下降。

高性能全自動壓汞孔隙度儀測試結(jié)果表明，泌陽凹陷頁巖孔隙中小于100 nm的孔喉超過了90%，其中以處于3～10 nm的孔喉為主，占43%。國內(nèi)最新研究表明，20 nm以下孔喉的油分子基本不能流動。因此，推測泌陽凹陷頁巖孔喉半徑小，導致油分子從基質(zhì)到裂縫中運移很難，產(chǎn)量遞減很快。正葵烷、鹵水擴散實驗也反映了頁巖孔隙連通性較差。

利用正葵烷、鹵水流體加示蹤劑碘(I)、錸(Re)、鎘(Cd)的流體擴散實驗來表征頁巖孔隙連通性。正葵烷流體是作為石油的代表物，它和含有的化學示蹤劑將優(yōu)先地在憎水性干酪根相的有機孔隙中運移；而基于鹵水流體的示蹤劑，則在頁巖中親水性礦物相的無機孔隙中運移，這樣的實驗設(shè)計，將能夠幫助區(qū)分頁巖不同組分相中的納米孔隙的連通性與烴類運移能力。應(yīng)用程2井2 810.6 m頁巖，分別開展了正葵烷與鹵水擴散實驗。實驗結(jié)果表明，流體擴散程度低，反映了頁巖無機、有機孔隙連通性差的特點，油氣分子不能很快地補給裂縫，導致油氣產(chǎn)量快速下降。

4.2.2 裂縫發(fā)育

裂縫作為頁巖油滲流通道，其發(fā)育程度影響頁巖油可動性。從頁巖巖心觀察及顯微觀察來看，泌陽凹陷頁巖主要發(fā)育水平層理縫、高角度構(gòu)造斜交縫以及微裂縫三種類型。高角度構(gòu)造斜交縫既有張裂縫，也有剪裂縫。本區(qū)微裂縫一般裂縫開度在100 μm以下，分為構(gòu)造微裂縫、層間微裂縫、礦物收縮縫及生烴超壓縫等。分析認為，脆性礦物的發(fā)育以及構(gòu)造應(yīng)力疊加導致了泌陽凹陷頁巖裂縫的發(fā)育。泌陽凹陷頁巖發(fā)育石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物，石英含量一般為15%～20%，長石含量一般為19%～33%，方解石含量為8%～17%，白云石含量為10%～23%，脆性礦物總量為68%～83%，巖性較脆，裂縫發(fā)育；同時，脆性較好的方解石、白云石與塑型強的黏土礦物呈層層排列，導致層間頁理縫發(fā)育。頁巖發(fā)育的深凹區(qū)受北東向栗園-泌陽東部大斷裂與北西向栗園-唐河南部大斷裂兩組構(gòu)造應(yīng)力疊加控制，導致頁巖發(fā)育北西與北東向兩組天然裂縫。由壓后獲得高產(chǎn)油流的泌頁HF1井導眼井取心觀察可知，頁巖裂縫較發(fā)育。相干體分析、地層傾角屬性、Refract多屬性、曲率屬性等多種方法也預測了泌頁HF1井位于裂縫發(fā)育區(qū)。

4.2.3 地層壓力

國內(nèi)外勘探經(jīng)驗表明，地層超壓為頁巖油富集高產(chǎn)關(guān)鍵因素之一[6]，泌陽凹陷在大套頁巖及其薄砂層存在地層超壓，泌354井在鉆遇頁巖中的砂巖夾層時(井段2 761～2 777 m)，泥漿密度達1.35，地層壓力系數(shù)達1.29。利用綜合錄井儀Dc指數(shù)也可進行頁巖地層壓力預測。通過正常趨勢線及與dcs曲線的偏差，預測所鉆地層巖性及地層壓力，以判斷地層壓力是否異常。Dc指數(shù)法預測泌陽凹陷深凹區(qū)頁巖地層Dc指數(shù)為0.66～1.23，地層壓力系數(shù)為1.12～1.76。利用聲波時差法預測頁巖地層壓力系數(shù)為1.0～1.45。綜合研究表明，泌陽凹陷頁巖地層存在地層超壓。位于深凹區(qū)部署鉆探的頁巖油水平井泌頁HF1、泌頁2HF井頁巖地層壓力系數(shù)1.1～1.3，通過多級分段壓裂均獲得初期日產(chǎn)23.6～28.1 m3高產(chǎn)油流，表明地層超壓有利于頁巖油流動與富集高產(chǎn)。

5 結(jié)論與建議

(1)泌陽凹陷頁巖油賦存狀態(tài)呈現(xiàn)了多樣性，以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，含有少量溶解態(tài)頁巖油。但產(chǎn)出過程中僅表現(xiàn)為游離態(tài)和少量溶解態(tài)頁巖油產(chǎn)出特征，如輔助一定的工藝措施，將大量吸附態(tài)頁巖油產(chǎn)出，或許能彌補頁巖油產(chǎn)量的快速下降，頁巖油勘探開發(fā)經(jīng)濟性或許更佳。

(2)泌陽凹陷目前鉆探的陸相頁巖層系為純頁巖，孔滲性差，孔喉直徑小，孔道迂曲度高，孔隙連通性較差，導致了頁巖油產(chǎn)量快速下降。下步應(yīng)尋找薄夾層發(fā)育、裂縫發(fā)育、地層超壓、原油性質(zhì)好的頁巖層系，以期實現(xiàn)產(chǎn)量的提升，結(jié)合工藝技術(shù)進步和成本降低，最終實現(xiàn)泌陽凹陷頁巖油規(guī)模經(jīng)濟有效勘探開發(fā)。

[1] 陳祥，嚴永新，章新文，等.中國陸相頁巖油勘探[M].北京：石油工業(yè)出版社，2015，16-20.

[2] 陳祥，嚴永新，章新文，等.南襄盆地泌陽凹陷陸相頁巖氣形成條件研究[J].石油實驗地質(zhì)，2011，33(2)：27-32.

[3] 陳祥，王敏，嚴永新，等.泌陽凹陷陸相頁巖油氣成藏條件分析[J].石油與天然氣地質(zhì)，2011，32(4)：568-576.

[4] 陳祥，丁連民，劉洪濤，等.南襄盆地泌陽凹陷陸相頁巖儲層壓裂技術(shù)研究及應(yīng)用[J].石油地質(zhì)與工程，2011，25(3)：21-24.

[5] 鄒才能，楊智，崔景偉，等.頁巖油形成機制、地質(zhì)特征及發(fā)展對策[J].石油勘探與開發(fā)，2013，40(1)：14-15．

[6] 寧方興.濟陽坳陷頁巖油富集主控因素[J].石油學報，2015，36(8)：908-909．

編輯：張 凡

1673-8217(2017)01-0080-04

2016-08-21

柯思，1983年生，2007年畢業(yè)于西南石油大學資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油勘探開發(fā)研究工作。

中國石化科技進步項目“泌陽凹陷陸相頁巖油富集主控因素研究”(P13106)。

TE112.9

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