陸相斷陷盆地頁巖油資源潛力評價
——以東營凹陷沙三段下亞段為例

朱日房 ，張林曄 ，李 政 ，王 茹 ，張守春 ，張 蕾

（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.國家能源局頁巖油研發(fā)中心勝利油田分室，山東東營257015；3.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室，山東東營257015；4.西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安710069）

北美頁巖油勘探開發(fā)成果極大地激勵了中國頁巖油的勘探研究，中國東部新生代斷陷湖盆發(fā)育多套陸相富有機質泥頁巖，并有多口探井發(fā)現(xiàn)了頁巖油氣流，顯示出良好的勘探前景［1-7］。近10 a來，許多研究者在頁巖的含油性［8-13］、儲集性及流動性方面進行了探索［14-18］。頁巖油資源潛力評價從最初以滯留油為主的原地資源量評價發(fā)展為以游離油為主要賦存方式的游離油量評價［19-21］。由于頁巖油資源評價技術的不斷進步、方法不斷完善，以及對頁巖中油氣賦存機理認識的加深，必然對頁巖油的資源潛力評價提出更高的要求。頁巖油資源潛力評價研究仍然是目前頁巖油勘探實踐中重要的研究內容之一。為此，根據近幾年頁巖含油性定量分析等方面的進展，以東營凹陷沙三段下亞段為例，探討陸相斷陷盆地頁巖油資源潛力評價。

1 地質概況

東營凹陷位于濟陽坳陷東南部，其東接青坨子凸起，南部與魯西隆起、廣饒凸起呈超覆接觸，西與惠民凹陷毗鄰，北與陳家莊凸起和濱縣凸起相鄰，東西長度約為90 km，南北寬度約為62 km，總面積為5 850 km2（圖1）。從大地構造區(qū)劃分上，東營凹陷屬于中國東部渤海灣盆地的一個次級構造單元，是在古生界基巖古地形背景上，經構造運動發(fā)育形成的中、新生代斷陷-坳陷盆地；由于基巖起伏以及中央隆起帶的分隔，凹陷內又分為4個次級洼陷，它們既是盆地的沉積中心，也是富含有機質泥頁巖發(fā)育區(qū)。凹陷內主要發(fā)育沙四段上亞段和沙三段下亞段2套成熟生烴的泥頁巖［22］，在110口井中的泥頁巖段發(fā)現(xiàn)油氣顯示，試油37口井，14口井獲得了工業(yè)油氣流，其中對河54井沙三段下亞段泥頁巖發(fā)育段試油，日產油量為 91.4 t/d［23］，累積產油量為27 896 t，顯示出良好的頁巖油勘探前景。

圖1 東營凹陷區(qū)域構造位置Fig.1 Regional tectonic location of Dongying Sag

2 頁巖油資源潛力評價方法

2.1 頁巖油資源量計算方法

頁巖油資源潛力評價方法主要分為動態(tài)法和靜態(tài)法2大類。動態(tài)法主要根據頁巖油在開發(fā)過程中的動態(tài)資料，通過一定的數(shù)學模型定量計算資源量。靜態(tài)法主要應用靜態(tài)參數(shù)計算資源量，按計算方式的不同細分為統(tǒng)計法、類比法和成因法3種。統(tǒng)計法需要大量典型樣本，適用于中-高勘探程度階段；類比法需要有可類比的刻度區(qū)，一般適用于低勘探程度區(qū)；成因法重視物質平衡原理的應用，更多是確定性評價，適用于盆地勘探的各個階段。目前由于缺少系統(tǒng)的頁巖油開采動態(tài)資料和典型樣本，難以應用動態(tài)法和統(tǒng)計法，同時中國東部陸相盆地的地質情況與北美具有較大差別，難以直接將北美成熟頁巖油開采區(qū)作為中國頁巖油資源潛力評價類比刻度區(qū)。因此，成因法是中國頁巖油資源潛力評價最常用的方法。

體積法是成因法中最常用的一種方法，其計算頁巖油資源量的原理簡單明確，將泥頁巖的質量（頁巖體積與密度乘積）與泥頁巖中頁巖油含量相乘即可獲得頁巖油資源量，其計算式為：

計算頁巖油資源量所需的參數(shù)主要包括泥頁巖的面積、有效厚度、密度和頁巖油含量。泥頁巖的面積和有效厚度主要通過頁巖厚度等值線圖獲取，密度由實測密度剖面獲取。由于頁巖油主要以游離油的形式賦存于泥頁巖中，因此，泥頁巖中的頁巖油含量用游離油量來近似代替，而游離油量的定量分析是頁巖油資源量計算中的難點之一。

2.2 滯留油量與吸附油量計算方法

游離油量的定量分析主要有2種方法，一種是孔隙度和含油飽和度法，另一種是地化參數(shù)法。對于常規(guī)砂巖儲層來說，孔隙度和含油飽和度法表征游離油量簡單明確，然而對于非均質性強、孔隙結構復雜、以納米孔為主的泥頁巖來說，其孔隙度和含油飽和度的測量非常困難，數(shù)據點少，難以用于宏觀的頁巖油資源量計算；因此，地化參數(shù)法成為最常用的游離油量定量分析方法。

應用地化參數(shù)法很難直接獲取游離油量和吸附油量，但能夠確定頁巖中的滯留油量和巖石對油的吸附潛量。在飽和吸附時，頁巖對油的吸附潛量近似于頁巖的吸附量，頁巖中的滯留油量與頁巖的吸附潛量之間的差值即為頁巖的游離油量。

表征頁巖滯留油量最常用的參數(shù)為氯仿瀝青“A”含量和熱解參數(shù)，相應的計算式分別為：

頁巖對油的吸附能力與巖石的結構、礦物組分和有機質豐度、類型及演化程度等因素密切相關［22-28］。不同的礦物組分對油的吸附能力明顯不同，有機質對油的吸附能力遠大于無機礦物對油的吸附能力［27-28］，不同類型的有機質以及熱演化程度不同的有機質對油的吸附能力也有明顯區(qū)別［24］?？紫督Y構影響無機礦物與油的接觸面積，從而影響無機礦物對油的吸附能力［25］。因此，可以分別計算干酪根及不同孔隙度條件下各礦物組分的吸附潛量來表征整個巖石對油的吸附能力，同時，在計算無機礦物吸附潛量時加入與孔隙結構有關的泥頁巖比表面積相關系數(shù)。頁巖對油吸附潛量的計算式為：

其中

在獲取滯留油量和頁巖對油的吸附潛量后，就可以計算頁巖的吸附油量和游離油量。當頁巖中滯留油量小于頁巖對油的吸附潛量時，為欠飽和吸附，吸附油量就等于滯留油量，此時沒有游離油；當頁巖中滯留油量大于或等于頁巖對油的吸附潛量時，為飽和吸附，吸附油量就等于頁巖對油吸附潛量，游離油量則為滯留油量與吸附油量的差值。

2.3 可動油資源量計算方法

可動油主要指在地層條件下，采用一定的工程措施能夠采出的原油。可動油資源量對頁巖油的勘探開發(fā)具有重要意義，是頁巖油資源潛力最直接的衡量指標。可動油資源量表達式為：

頁巖油可動率與泥頁巖的骨架、原油、地層水性質等有關，還與地層流體壓力有關，巖石骨架、原油和水的壓縮性越大、地層流體壓力越高、能量越大，頁巖油可動率就越高。

3 東營凹陷沙三段下亞段頁巖油資源潛力評價

3.1 頁巖油地質條件

東營凹陷沙三段下亞段為半咸水沉積，主要為灰色、灰褐色頁巖與深灰色泥巖組成的不等厚互層，其厚度一般為100～300 m。地化分析資料表明，研究區(qū)沙三段下亞段總有機碳含量（TOC）分布范圍較寬，為0.5%～18.6%，平均值為4.9%；氯仿瀝青“A”含量為0.11%～2.94%，平均值為0.92%；有機質類型以Ⅰ型干酪根為主，少部分為Ⅱ1型干酪根，埋深為1 500～4 000 m，各洼陷內基本上處于成熟生烴階段。沙三段下亞段泥頁巖有機質豐度高、類型好、主體處于成熟生烴階段，是一套生烴潛力大、分布穩(wěn)定的主力烴源巖。

3.2 頁巖油資源潛力評價參數(shù)

3.2.1 頁巖含油性分級

后綴法：“詞根+后綴”。 如：-meter“計量儀器”，可后綴派生出 barometer氣壓計,telemeter測距儀,spectrometer分光儀,oscilloscope示波器等多個新詞。

湖相泥頁巖的含油性在平面上和縱向上均具有很強的非均質性，頁巖含油性分級描述能有效地消除頁巖非均質性的影響［29-31］。按照頁巖含油性參數(shù)（TOC、氯仿瀝青“A”含量和S1）及其相關性，結合東營凹陷沙三段下亞段烴源巖具體特征，將頁巖含油性分為Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ共3個級別。具體劃分方案見表1。

表1 東營凹陷頁巖含油性分級劃分方案Table1 Division scheme for the oil-bearing abundance of shale in Dongying Sag

采用系統(tǒng)取心井與測井曲線相結合，應用改進的Δlog R模型［32］建立TOC、氯仿瀝青“A”含量和S1的解釋模型，進而計算頁巖含油性參數(shù)。根據計算結果和表1劃分方案，可以對研究區(qū)各單井的頁巖含油性進行分級、統(tǒng)計各級厚度及含油性參數(shù)，編制各級的厚度等值線和地化參數(shù)等值線（圖2，圖3）。從圖2可以看出，東營凹陷Ⅰ級頁巖的厚度中心為各洼陷中心，厚度均在150 m以上，其中利津、民豐達到200 m；各含油性參數(shù)也具有類似的分布特征，利津洼陷中心處TOC、氯仿瀝青“A”含量和S1值分別為6.0%，1.2%和5.0 mg/g，博興洼陷中心處分別為5.0%，1.0%和4.0 mg/g，民豐洼陷中心處分別為4.0%，1.0%和4.0 mg/g。Ⅱ級頁巖與Ⅰ級頁巖具有相似的特征，牛莊、利津洼陷中心頁巖厚度達到了200 m，博興、民豐洼陷為100 m，各洼陷中心的TOC、氯仿瀝青“A”含量和S1值分別為2.0%，0.4%和2.0 mg/g。

圖2 東營凹陷沙三段下亞段Ⅰ級頁巖含油性參數(shù)等值線分布Fig.2 Contour map of oil content parameters of GradeⅠshale of Lower Es3Member in Dongying Sag

3.2.2 頁巖密度

根據實測的密度資料（圖4）發(fā)現(xiàn)，東營凹陷泥頁巖密度表現(xiàn)出隨埋深增加、壓實程度增強而增大的特征，但在不同埋深段密度隨埋深的變化曲線呈不同的斜率。在同一埋深下，烴源巖密度與TOC呈一定程度的負相關關系，即TOC越高，密度越小。由此，泥頁巖的密度可以由不同TOC在不同埋深下的密度-埋深關系曲線（圖4）來獲取。

3.2.3 輕烴恢復系數(shù)及重烴比例系數(shù)

輕烴恢復系數(shù)及重烴比例系數(shù)采用文獻［8］的資料，各系數(shù)隨埋深的增加而增大。在主要的生油窗范圍內，東營凹陷氯仿瀝青“A”恢復系數(shù)為1.0～1.5，熱解輕烴散失系數(shù)為0.1～0.4，熱解S2中重烴比例系數(shù)則為 0.1～0.8［8］。

根據東營凹陷沙三段下亞段實際樣品的地化資料、巖礦資料和物性資料，以及不同組分對油的吸附能力，應用（4）式就可計算不同樣品對油的吸附潛量。在生油窗范圍內，東營凹陷沙三段下亞段干酪根對油的單位TOC吸附潛量為50～120 mg/g［28］，無機礦物中粘土礦物、石英、碳酸鹽和黃鐵礦對油的吸附潛量分別為18.0，3.0，1.8和10.0 mg/g［25］，泥頁巖的初始孔隙度為 50%，現(xiàn)今孔隙度為5%～15%。東營凹陷沙三段下亞段頁巖油吸附潛量計算結果（圖5）表明，東營凹陷沙三段下亞段泥頁巖在主要生烴初始階段頁巖油單位TOC吸附潛量為200～300 mg/g，略大于國外的 200 mg/g［29］，與應用A/TOC確定的230 mg/g結果較一致［19，28］。在埋深為4 000 m左右，頁巖油單位TOC吸附潛量約為100～150 mg/g。

圖3 東營凹陷沙三段下亞段Ⅱ級頁巖含油性參數(shù)等值線分布Fig.3 Contour map of oil content parameters of GradeⅡshale of Lower Es3Member in Dongying Sag

圖4 東營凹陷泥頁巖密度隨深度變化曲線Fig.4 Variation curves of shale density with depth in Dongying Sag

圖5 東營凹陷沙三段下亞段頁巖油吸附潛量演化剖面Fig.5 Evolution of adsorption oil capacity of shale in Lower Es3Member in Dongying Sag

3.3 頁巖油資源潛力及分布特征

在確定不同深度下的氯仿瀝青“A”輕烴恢復系數(shù)、熱解輕烴散失系數(shù)、熱解S2中重烴比例系數(shù)、頁巖油吸附潛量以及泥頁巖密度等參數(shù)后，根據研究區(qū)不同級別的泥頁巖總有機碳含量、氯仿瀝青“A”含量、S1、有效厚度、埋深等參數(shù)，計算濟陽坳陷不同級別泥頁巖的滯留油量和游離油量。計算過程中，為求精確，將不同級別泥頁巖分布區(qū)在平面上均分為500 m×500 m的網格區(qū)，分別應用氯仿瀝青“A”參數(shù)法和熱解參數(shù)法計算各網格區(qū)的滯留油量和游離油量，所有網格的滯留油量之和為總滯留油量，游離油量之和為總頁巖油量即頁巖油資源量。

研究結果表明，2種方法的計算結果（表2）非常接近，采用氯仿瀝青“A”參數(shù)法和熱解參數(shù)法，東營凹陷沙三段下亞段總滯留油量分別為65.44×108和64.26×108t；頁巖油資源量分別為11.39×108和11.57×108t。其中利津洼陷頁巖油最豐富，資源量超過6.00×108t，占比超過50%，其次為牛莊洼陷。應用張林曄等建立的“彈性驅動+溶解氣驅動可動油率曲線”［28］作為頁巖油可動率來計算頁巖油可動資源量，得到東營凹陷沙三段下亞段頁巖油可動資源量為1.50×108t。

表2 東營凹陷沙三段下亞段頁巖油資源量計算結果Table2 Calculation results of shale oil resources of Lower Es3Member in Dongying Sag

從東營凹陷沙三段下亞段頁巖油資源豐度的平面分布特征看（圖6），其頁巖油資源量主要分布在各洼陷帶，從洼陷中心向邊部逐漸減少，洼陷中心的資源豐度以利津洼陷最高，可達250×104t/km2，其次是牛莊洼陷和博興洼陷，分別為150×104和100×104t/km2，民豐洼陷最低。縱向上，埋深為3 000～3 500 m最高，為7.01×108t，明顯高于埋深為3 500～4 000 m的4.37×108t；可動油資源量則2個埋深段相當，3 000～3 500 m 為 0.75×108t，可動率為10.75%，3 500～4 000 m 為 0.73×108t，可動率為16.70%，反映出深部頁巖具有更高的可動油資源量。從頁巖油資源豐度和埋深大于3 500 m頁巖分布范圍疊合圖發(fā)現(xiàn)（圖6），利津洼陷的洼陷帶沙三段下亞段頁巖主體埋深大于3 500 m，具有高頁巖油資源豐度和高可動率特征，是沙三段下亞段有利的頁巖油勘探區(qū)。

圖6 東營凹陷沙三段下亞段頁巖油資源豐度等值線分布Fig.6 Contour map of shale oil abundance of Lower Es3Member in Dongying Sag

4 結論

應用體積法能很好地計算陸相斷陷盆地頁巖油資源量，其中滯留油定量分析可以選用氯仿瀝青“A”參數(shù)法或熱解參數(shù)法，2種方法計算的滯留油量有較好的一致性，具有較高的可信度。吸附油量可以通過吸附潛量進行估算，頁巖中各組分的吸附潛量通過一定的模型能很好地表征頁巖的吸附能力，進而進行頁巖油資源量的計算。

東營凹陷沙三段下亞段頁巖油主要分布在各洼陷中心，資源豐度最高可達250×104t/km2，主要分布在埋深為3 000～3 500 m，但在3 500～4 000 m具有更高的可動頁巖油資源豐度。利津洼陷帶沙三段下亞段頁巖油資源豐度和可動率均相對較高，為研究區(qū)沙三段下亞段頁巖油有利的勘探區(qū)。

符號解釋：

Q資源量——頁巖油資源量，108t；S——泥頁巖面積，km2；h——泥頁巖有效厚度，m；ρ——泥頁巖密度，t/m3；a——泥頁巖中頁巖油含量，t/t；Qa——利用氯仿瀝青“A”含量計算的滯留油質量分數(shù)，%；Ka——氯仿瀝青“A”輕烴恢復系數(shù)；A——氯仿瀝青“A”測量值，%；Qs——利用熱解參數(shù)計算的滯留油質量分數(shù)，%；KS1——熱解輕烴散失系數(shù)；S1，S2——熱解烴量，mg/g；KS2——熱解S2中重烴比例系數(shù)；Sp——頁巖油吸附潛量，mg/g；po——有機質在泥頁巖中所占比例；xo——有機質吸附潛量，mg/g；γ——泥頁巖比表面積相關系數(shù)；pi——第i種礦物在泥頁巖中所占比例；xi——第i種礦物的吸附潛量，mg/g；S0，S——孔隙壓實前和壓實后的比表面積，m2/g；?，?0——泥頁巖現(xiàn)今孔隙度和初始孔隙度；Q可動油資源量——可動油資源量，108t；Er——頁巖油可動率，%。