陸相富有機質(zhì)泥頁巖中夾層特征及其作用
——以濟陽坳陷為例

劉雅利，劉 鵬，2

（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.中國石化勝利油田博士后流動工作站，山東東營257000）

近年來，北美海相頁巖油的勘探開發(fā)取得了巨大成功［1-3］，對世界能源格局產(chǎn)生重大影響。由此，中國針對陸相頁巖油也開展了系統(tǒng)攻關，其中在地質(zhì)評價方面取得的成果與認識主要涵蓋泥頁巖巖相、含油性、儲集性、可動性等幾個方面［4-7］，但以往的研究主要關注于泥頁巖基質(zhì)［8-10］，即細粒沉積部分，而對于泥頁巖中夾雜的砂質(zhì)、灰質(zhì)、白云質(zhì)這類中、粗粒夾層關注較少。頁巖油首選的鉆探類型應是富含有機質(zhì)的泥頁巖基質(zhì)［11-13］，但濟陽坳陷在以往常規(guī)油氣勘探過程中偶遇的泥頁巖高產(chǎn)油氣流段大都有中、粗粒夾層存在［14-16］。為此，筆者以濟陽坳陷為例，以夾層儲集性特征分析為基礎，探討夾層在頁巖油勘探中的作用，建議陸相頁巖油首選的鉆探類型，以期為中國陸相頁巖油勘探取得全面突破提供理論支撐。

1 夾層概念及分類

1.1 概念

目前，北美是全球頁巖油勘探開發(fā)最為成熟的地區(qū)之一，其海相泥頁巖中普遍夾雜砂質(zhì)、灰質(zhì)、白云質(zhì)等夾層［1-3，17-18］。事實上，北美將其發(fā)育的頁巖油類型已劃分為致密型、裂縫型及夾層型3類，并將多個頁巖油的高產(chǎn)區(qū)定義為“夾層型”頁巖油發(fā)育區(qū)［19-20］，其通常將富有機質(zhì)泥頁巖層段所夾雜的貧有機質(zhì)條帶稱為夾層，陸相頁巖油亦是如此，但鑒于陸相與海相沉積及成巖環(huán)境的巨大差異，陸相頁巖油夾層厚度界限與海相頁巖油有所區(qū)別。

1.2 厚度界限

北美海相頁巖油對于夾層厚度界限沒有明確標準［21-27］，但從其夾層型頁巖油的實際結(jié)構(gòu)組成來看，單層厚度高至30 m、低至0.1 m的貧有機質(zhì)條帶均可稱為夾層。如北美威利斯頓盆地巴肯頁巖即是一套分布穩(wěn)定的厚夾層型頁巖油，被富有機質(zhì)頁巖夾持的中部夾層厚度為10～30 m，分布非常穩(wěn)定［22-25］；而對于北美二疊紀盆地Wolfcamp統(tǒng)薄夾層型頁巖油而言，其夾層厚度多為0.1～0.5 m，厚度較?。?6-27］。

濟陽坳陷是常規(guī)油與頁巖油都較富集的陸相盆地，在其常規(guī)油氣探明儲量上報過程中儲集體單層有效厚度多大于3 m，而在獲油氣流的泥頁巖試油段中夾層厚度多小于3 m，因此將夾層厚度上限界定為3 m較符合濟陽坳陷陸相常規(guī)油與頁巖油的勘探實際，同時單層厚度為3 m的儲集體在常規(guī)油氣勘探中往往不受重視，因此將3 m及以下的夾層納入到頁巖油評價范疇，利于油氣勘探目標的全面性。此外，對于夾層厚度下限則較難以確定，這是因為從指導油氣勘探角度出發(fā)，認為對于頁巖油富集、產(chǎn)出具有積極作用的貧有機質(zhì)條帶均可稱為夾層，但所起積極作用與否與夾層厚度并無必然關系，如薄至0.1 mm的碳酸鹽巖條帶可能晶間孔隙較為發(fā)育，對頁巖油富集、產(chǎn)出都具有積極作用，但此類夾層只有借助顯微鏡等特殊工具才可識別，在油氣勘探過程中不易操作，因此從可操作性角度出發(fā)，暫將夾層厚度下限界定為常規(guī)測井方法在理論上可識別的最小厚度，約為0.5 m。

1.3 分類

目前，根據(jù)北美海相頁巖油層段與濟陽坳陷陸相頁巖油層段鉆井取心情況，發(fā)現(xiàn)的夾層類型依據(jù)礦物成分差異主要劃分為砂巖夾層、灰?guī)r夾層與白云巖夾層3類。其中砂巖夾層在濟陽坳陷各個烴源巖沉積時期都較為發(fā)育，多是與近源扇體同步沉積或經(jīng)二次搬運后在深水區(qū)形成的重力流砂體，砂體厚度不一，在濟陽坳陷泥頁巖系統(tǒng)取心井——濟頁參1井中可見大量砂體，多為錄井、測井無法識別的薄層砂體（圖1a），單砂體厚度多為1～100 cm，厚度大于0.5 m的砂巖夾層數(shù)量不多，且與泥巖夾雜，質(zhì)不純，單砂巖夾層自下向上粒度變細，呈明顯的正韻律性（圖2a，2b），砂巖與泥頁巖頻繁互層，局部層段砂地比可達30%以上；灰?guī)r夾層與白云巖夾層是咸化水體環(huán)境下的產(chǎn)物，在濟陽坳陷主要集中發(fā)育在沙四段上亞段沉積時期及沙三段下亞段沉積初期，這一時期水體為半咸水或微咸水［28］，沉積成因的碳酸鹽巖夾層厚度大小不均，存在錄井、測井可識別的0.5～3 m灰?guī)r或白云巖夾層（圖1b），巖心中碳酸鹽巖夾層多呈白色或灰白色，多夾雜暗色泥巖，質(zhì)不純，且呈現(xiàn)出一定紋層狀層理構(gòu)造（圖2c，2d）。

2 夾層特征

2.1 儲集空間類型

圖1 濟陽坳陷泥頁巖系統(tǒng)取心井柱狀圖Fig.1 Column diagram of shale cored wells in Jiyang Depression

圖2 濟陽坳陷泥頁巖系統(tǒng)取心井巖心照片F(xiàn)ig.2 Photographs of cores from shale cored wells in Jiyang Depression

濟陽坳陷發(fā)育的砂巖夾層多以細砂巖、粉砂巖以及泥質(zhì)粉砂巖為主，砂巖與泥巖分界面清晰可見（圖3a—3d），砂巖中礦物顆粒較小，偏光顯微鏡下主要可見粒間溶蝕孔隙，且普遍被黑色有機質(zhì)所充填（圖3a—3d）；碳酸鹽巖夾層中的儲集空間多為晶間溶蝕孔隙（圖3e，3f）及碳酸鹽巖重結(jié)晶收縮孔（圖3g，3h），孔隙中普遍可見黑色有機質(zhì)充填，同時在掃描電鏡下還可見方解石、白云石溶蝕形成的晶間溶蝕微孔（圖3i，3j）。

在濟陽坳陷97塊樣品的氬離子剖光基礎上，利用場發(fā)射掃描電鏡對其儲集空間構(gòu)成進行分析，結(jié)果表明，砂巖夾層、灰?guī)r夾層與白云巖夾層的面孔率分別約為7.88%，3.61%和11.50%（圖4），各類夾層的主要儲集空間由粒間/晶間孔隙、粒間/晶間微縫以及粒內(nèi)/晶內(nèi)孔隙組成，其中砂巖夾層與灰?guī)r夾層中3種儲集空間類型占比基本相當，而白云巖夾層中晶間孔隙占比相對較高，可達5.66%（圖4）。

2.2 物性特征

濟陽坳陷5口泥頁巖系統(tǒng)取心井中，濟頁參1井開展過較多的泥頁巖和砂巖夾層樣品點物性測試，而其余系統(tǒng)取心井的常規(guī)物性測試主要關注于泥頁巖。因此，主要以濟頁參1井為例，探討砂巖夾層物性特征。濟頁參1井共計開展過地面條件下70塊樣品的物性分析測試，其中16塊為砂巖夾層樣品，其滲透率峰值為0.1～1 mD（圖5a），存在少量1～10 mD樣品點；而孔隙度峰值則為5%～7%，同時存在相當數(shù)量的孔隙度為3%～5%與大于7%的樣品（圖5b）。相比之下，泥巖基質(zhì)滲透率的峰值與砂巖夾層類似，都集中在0.1～1 mD，但除此之外，其小于0.1 mD的樣品占比較砂巖夾層多，大于1 mD的樣品占比較砂巖夾層少（圖5c），同時其孔隙度峰值為3%～5%（圖5d）?？傮w上反映出在地面條件下，泥巖基質(zhì)物性略差于砂巖夾層的特征。

圖3 濟陽坳陷泥頁巖夾層儲集空間類型及填隙物特征Fig.3 Reservoir space types and interstitial matter characteristics of shale interlayers in Jiyang Depression

圖4 濟陽坳陷各類型夾層儲集空間類型面孔率直方圖Fig.4 Histogram of plane porosity of different interlayer reservoir space types in Jiyang Depression

2.3 孔喉結(jié)構(gòu)特征

圖5 濟頁參1井砂巖夾層與泥巖基質(zhì)物性直方圖Fig.5 Histograms of physical properties of sandstone interlayer and shale matrix in Well Jiyecan1

基于掃描電鏡對夾層儲集空間類型及其所占比例的分析，結(jié)合氮氣比表面吸附、高壓壓汞以及核磁共振等技術開展了夾層孔喉結(jié)構(gòu)特征研究。對于砂巖夾層，其數(shù)量占比最多的孔隙孔徑集中于100～300 nm，占總孔隙數(shù)量的34.69%；而孔徑大于1 000 nm的微米孔隙占比相對較少，為5.33%左右，微米孔隙數(shù)量雖少，但對面孔率的貢獻率卻較大，可高達70.63%（圖6a）?；?guī)r夾層的孔隙孔徑分布呈現(xiàn)出“雙峰”特征，孔徑小于60 nm以及孔徑為100～300 nm的孔隙數(shù)量占比較多，分別占總孔隙數(shù)量的39.73%和30.22%，孔徑大于1 000 nm的微米孔隙數(shù)量較少，僅占總孔隙數(shù)量的1.49%，但此類孔隙對面孔率的貢獻卻可達51.4%（圖6b），表明為數(shù)不多的微米孔隙是面孔率的主要貢獻者。白云巖夾層中數(shù)量最多的孔隙孔徑也主要為100～300 nm，此外在1 000～2 000 nm又出現(xiàn)了局部峰值，表明白云巖夾層中微米孔隙發(fā)育數(shù)量較多，孔喉結(jié)構(gòu)相對較好，孔徑大于1 000 nm的微米孔隙數(shù)量占比可達12.72%，微米孔隙對面孔率的貢獻高達90.08%（圖6c）?？傮w上，濟陽坳陷泥頁巖系統(tǒng)取心井段97塊樣品的分析測試表明，白云巖夾層微米孔隙最發(fā)育，孔喉結(jié)構(gòu)最好，其次為砂巖夾層，灰?guī)r夾層孔喉結(jié)構(gòu)相對較差。

3 夾層作用

3.1 油氣的有效儲集體

據(jù)夾層儲集性特征分析可知，濟陽坳陷各類夾層普遍具有多類型的儲集空間，且微米級孔喉發(fā)育，具有一定的儲集性和滲透性，其與富有機質(zhì)頁巖共生，可以成為油氣初次運移的指向區(qū)，含油性應較好，實際鏡下觀察也表明夾層中普遍含油（圖3a—3h）。此外，通過對濟陽坳陷12口泥頁巖段試油并投產(chǎn)的井統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，頁巖油初期日產(chǎn)油量超過20 t/d的泥頁巖投產(chǎn)段普遍含有夾層，而3口不含夾層泥頁巖段投產(chǎn)井初期日產(chǎn)油量相對較低，約為10 t/d（圖7a）。分析認為含夾層的泥頁巖段試油初產(chǎn)較高是因為夾層自身具有一定的儲集油氣能力，得益于夾層較好的滲透性，試油初期首先產(chǎn)出的是夾層中的油氣；而不含夾層的泥頁巖段在試油初期產(chǎn)出的是泥頁巖基質(zhì)中的油氣，受限于泥頁巖基質(zhì)相對較差的滲透性，日產(chǎn)油量相對較低。因此，夾層是油氣的有效儲集體，且被富有機質(zhì)頁巖所夾持的夾層含油性普遍較好。

3.2 頁巖油產(chǎn)出的有效通道

含夾層的泥頁巖段投產(chǎn)井，夾層中的油氣在高效產(chǎn)出之后，鄰近泥頁巖基質(zhì)中的油氣會逐漸向夾層中運移，并通過夾層進行產(chǎn)出，使得夾層成為頁巖油產(chǎn)出的有效通道。事實上，濟陽坳陷含夾層的泥頁巖段投產(chǎn)井基本上都呈現(xiàn)初期高產(chǎn)、高遞減，初期低產(chǎn)、低遞減的特征（圖7a），半年遞減率有高有低（圖7b），而不含夾層的泥頁巖段投產(chǎn)井基本都呈現(xiàn)初期低產(chǎn)、高遞減的特征（圖7a），半年遞減率普遍超過45%。勘探實踐表明，含夾層的泥頁巖段油氣產(chǎn)出遞減率總體上小于不含夾層的泥頁巖段，因此夾層可溝通鄰近泥頁巖基質(zhì)中的油氣，使油氣充分產(chǎn)出，是頁巖油產(chǎn)出的有效通道。

圖6 濟陽坳陷不同類型夾層孔隙孔徑占比Fig.6 Histograms of pore diameter proportion about different interlayer types in Jiyang Depression

圖7 濟陽坳陷泥頁巖段投產(chǎn)井產(chǎn)能、遞減率與夾層關系Fig.7 Relationship of productivity and decline rate of production wells with interlayer of shale section in Jiyang Depression

此外，在理論上雖然地面條件下夾層與泥頁巖基質(zhì)滲透率相差無幾（圖5），但泥頁巖基質(zhì)的滲透率對壓力變化更為敏感，在地層條件下，壓力升高，泥頁巖基質(zhì)滲透率迅速降低，而砂巖、碳酸鹽巖滲透性降低有限［29］，夾層與泥頁巖基質(zhì)滲透率相差幾十倍乃至近百倍，因此地層條件下夾層是頁巖油的主要產(chǎn)出通道。泥頁巖基質(zhì)滲透率之所以會對壓力敏感性強，是因為基質(zhì)中的喉道多呈片狀、彎片狀，喉道填隙物主要是伊利石、高嶺石、伊/蒙混層等這類抗壓能力非常差的黏土礦物（圖3k），喉道對壓力增大十分敏感，當上覆應力增加時，細小的喉道就極易受壓閉合，造成孔喉尺寸大幅減小，滲透率迅速降低，而砂巖夾層的喉道填隙物主要是長石、石英、方解石這類抗壓能力相對強的礦物（圖3l），喉道對壓力敏感性相對較低，因此在恢復到地層條件下時，基質(zhì)的滲透率遞減非?？欤鴬A層的滲透率遞減較慢，地層條件下夾層的滲透率遠遠高于基質(zhì)的滲透率。實際上，對濟陽坳陷系統(tǒng)取心井——利頁1井泥頁巖基質(zhì)樣品在不同壓力下的滲透率測試結(jié)果也表明，在上覆壓力為2.1 MPa時滲透率峰值為1～10 mD（圖8），但在上覆壓力增大到30 MPa時，滲透率峰值降低到0.01～0.1 mD（圖8），降低了接近百倍。因此，地層條件下夾層的滲透率明顯高于泥頁巖基質(zhì)的滲透率，使得夾層成為頁巖油產(chǎn)出的有效通道。

圖8 不同壓力環(huán)境下泥頁巖基質(zhì)滲透率分布區(qū)間Fig.8 Distribution intervals of shale matrix permeability at different pressures

3.3 發(fā)育段利于大型壓裂改造

中外頁巖油的勘探實踐證明，頁巖油的效益開發(fā)需要借助大型壓裂手段，因此巖石的可壓性是決定頁巖油能否有效采出的因素之一。濟陽坳陷夾層中的礦物類型決定了其具有較好的可壓性，夾層發(fā)育段利于大型壓裂改造，這是因為砂巖夾層多含石英，而碳酸鹽巖夾層的礦物類型多為方解石與白云石。一般而言，石英含量與泊松比成負相關，與楊氏模量成正相關，因此石英含量較高代表著脆性系數(shù)較高，巖石破裂壓力相對較小，利于人工壓裂改造，因此砂巖夾層發(fā)育段往往脆性較好，在進行大型壓裂改造時易形成裂縫；此外，方解石與白云石是典型的脆性礦物，二者的富集代表著灰質(zhì)含量較高，在濟陽坳陷頁巖油勘探實踐中也正是選取灰質(zhì)含量高值段開展大型壓裂，近期針對頁巖層段試油的老井——義176、樊159井等也正是在碳酸鹽巖夾層發(fā)育的灰質(zhì)含量高值段開展大型壓裂，事實證明壓裂液和支撐劑能順利壓入地層，返排也較好，取得了不錯的試油效果。因此夾層發(fā)育段脆性好、能壓開，易造縫且裂縫延伸遠，總體上利于大型壓裂改造。

4 夾層型頁巖油勘探地位探討

北美海相頁巖油的勘探實踐以及濟陽坳陷陸相頁巖油研究進展都已證實夾層型、裂縫型、基質(zhì)型是組成頁巖油的3種主要類型，其中夾層型、裂縫型頁巖油得益于夾層、裂縫自身的儲集和產(chǎn)出能力，產(chǎn)能相對較高、開發(fā)效果較好，是北美主要的頁巖油勘探開發(fā)類型，但目前泥頁巖中的裂縫預測技術還不成熟，裂縫可遇不可求，使裂縫型頁巖油鉆探具有偶然性。因此，夾層型頁巖油應是濟陽坳陷頁巖油勘探突破的首選類型，原因有三。

其一，夾層型頁巖油作為頁巖油類型之一在北美頁巖油勘探實踐中早已得到重視，其頁巖油富集高產(chǎn)的地區(qū)和層段大都存在各類型夾層［1-3］。例如威利斯頓盆地巴肯頁巖，主力產(chǎn)油層段縱向上由富有機質(zhì)頁巖、碳酸鹽巖或砂巖及富有機質(zhì)頁巖構(gòu)成三層結(jié)構(gòu)，被富有機質(zhì)頁巖夾持的夾層厚度為10～30 m，分布穩(wěn)定；又如德州奧斯汀白堊紀Eagle Ford頁巖主力產(chǎn)油層段為頂?shù)状筇滋妓猁}巖夾中間大套泥頁巖，泥頁巖中又夾薄層碳酸鹽巖，碳酸鹽巖單層厚度為0.1～0.5 m；此外，北美頁巖油主要產(chǎn)區(qū)之一的二疊系盆地Wolfcamp，Bonespring，Spraberry和Delaware頁巖油都有夾層存在。因此，夾層發(fā)育是北美頁巖油取得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關鍵要素之一。

其二，夾層型頁巖油是中國眾多凹陷近期積極評價的方向，并在部分凹陷實現(xiàn)了勘探突破。滄東凹陷在孔二段頁巖油勘探中取得一定成果，多口探井獲得工業(yè)油流，實際上其評價過程中考慮的首要地質(zhì)因素即是夾層存在與否及夾層厚度［11，30］，其獲得高產(chǎn)的2口頁巖油水平井——GD1701H和GD1702H井都鉆遇了大量白云巖夾層；吉木薩爾凹陷蘆草溝組、三塘湖盆地蘆草溝組、瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組頁巖油“甜點”段都對應于富有機質(zhì)頁巖中碳酸鹽巖夾層發(fā)育段；此外，鄂爾多斯和松遼盆地頁巖油勘探也是針對被富有機質(zhì)頁巖夾雜的砂巖夾層發(fā)育段。

其三，夾層型頁巖油已在濟陽坳陷泥頁巖段試油井中證實在初期產(chǎn)能和遞減率兩個方面都比不含夾層頁巖油具有明顯優(yōu)勢。據(jù)濟陽坳陷66口泥頁巖段試油井統(tǒng)計，不含夾層泥頁巖段初期產(chǎn)能都較低，日產(chǎn)油量普遍在10 t/d以下，而產(chǎn)能較高的高產(chǎn)井段基本都含夾層（圖9）。

綜上所述，中外勘探實踐已表明夾層型頁巖油具有較高產(chǎn)能，同時據(jù)初步估算，夾層型頁巖油約占總頁巖油資源量的1/3，具有可觀的資源規(guī)模。因此，夾層型頁巖油是濟陽坳陷頁巖油取得勘探突破的現(xiàn)實選擇，勘探地位突出。

圖9 濟陽坳陷不同類型泥頁巖段試油井產(chǎn)能Fig.9 Histograms of well testing productivity in different shale sections in Jiyang Depression

5 結(jié)論

陸相富有機質(zhì)泥頁巖層段所夾雜的貧有機質(zhì)條帶稱為夾層，夾層單層厚度一般為0.5～3 m，包括砂巖、灰?guī)r和白云巖3種類型夾層；各類夾層的儲集空間主要由粒間/晶間孔隙、粒間/晶間微縫以及粒內(nèi)/晶內(nèi)孔隙組成，白云巖夾層中微米孔隙最為發(fā)育，孔喉結(jié)構(gòu)最好，砂巖夾層次之，灰?guī)r夾層孔喉結(jié)構(gòu)相對較差。地層條件下，各類夾層具有遠高于泥頁巖基質(zhì)的物性條件，是油氣的有效儲集體與產(chǎn)出通道，同時夾層中普遍富集脆性礦物，利于大型壓裂改造。夾層型頁巖油勘探開發(fā)在中外已取得較好效果，也應是濟陽坳陷頁巖油突破的首選類型。