陸相富有機質頁巖與泥巖的成藏差異及其 在頁巖油評價中的意義

趙文智，朱如凱，胡素云，侯連華，吳松濤

（中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

美國頁巖油主要發(fā)育在海相層系。近10 年來，美國頁巖油產(chǎn)量平均增速超過25%，2018 年美國頁巖油產(chǎn)量為3.29×108t，占原油總產(chǎn)量的59%，助推美國原油產(chǎn)量達歷史第2 高峰[1]。美國“頁巖油革命”成功開啟了海相中高成熟度頁巖油產(chǎn)量大規(guī)模持續(xù)增長，帶給我們兩點啟示：①勘探思想革命，推動油氣勘探從源外轉向源內(nèi)，使勘探領域、成藏理論與勘探技術都發(fā)生深刻變化，“進源勘探”是石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向；②技術與成本革命，有力支撐了進源勘探突破并實現(xiàn)規(guī)模發(fā)展，其中有利區(qū)優(yōu)選與“甜點”評價技術、超長水平井與體積改造技術和工廠化作業(yè)相結合，有效降本增效，大大降低了頁巖油氣開發(fā)的經(jīng)濟門檻[2-7]。

中國頁巖油主要發(fā)育在陸相層系。與北美海相頁巖油相比，地質條件、資源品質、開發(fā)技術與經(jīng)濟門檻等都有很大差異。總體看，陸相沉積相變較快，非均質性較強，礦物成分多樣，孔隙結構和類型較復雜。同時，有機質成熟度偏低、流體黏度高，流動能力較差，殘留量大，盡管中高成熟度頁巖油資源有一定規(guī)模，但經(jīng)濟可采總量偏小。相當多的陸相頁巖油屬于中低成熟度，需要地下原位轉化技術才能有效開發(fā)。據(jù)評價，這部分資源潛力巨大，存在一場革命的新機遇[2-3,5]。

頁巖油能否規(guī)模開發(fā)取決于3 個條件：①單井日產(chǎn)量達到經(jīng)濟門限；②一定油價下單井累計采出量（EUR）有經(jīng)濟性；③頁巖油甜點有規(guī)模，足以支撐建設最小經(jīng)濟產(chǎn)量且保持一段時期穩(wěn)產(chǎn)。滿足上述條件的頁巖油需要多項地質條件的有利匹配：①烴源灶有機質豐度高，質量好（Ⅰ—Ⅱ1型母質），規(guī)模較大，既保證頁巖內(nèi)部滯留烴數(shù)量大，又保證地下原位轉化時能有足夠多的有機物（液態(tài)烴、瀝青與固體有機 質）參與降質轉化；②頁理發(fā)育并保有一定數(shù)量基質孔隙；③脆性礦物比例較高，可保證改造的有效性；④保存條件好，即頁巖油甜點段上下發(fā)育封閉性良好的蓋層[3,5,7]。上述條件在頁巖和泥巖中明顯不同。

目前中國陸相頁巖油勘探還處于初期階段，對“甜點區(qū)/段”選擇尚無統(tǒng)一標準，還處在探索總結中。在實踐中，不同巖性組合的壓裂效果差異明顯，測試產(chǎn)量差異大[8-9]。特別是純頁巖型（油田定義為Ⅲ類頁巖油[10]）的勘探開發(fā)，到底是優(yōu)選頁巖段還是泥巖段作為勘探主目的層，不同研究認識分歧較大。如鄂爾多斯盆地三疊系延長組7 段（簡稱長7 段）頁巖油勘探，目前有兩種截然不同的觀點，一種觀點認為長7 段暗色塊狀泥巖是目前工藝技術條件下最有利的頁巖油勘探開發(fā)目標[11-12]；另一種觀點認為黑色頁巖（含粉砂質紋層黑色頁巖）比塊狀泥巖生烴條件更好，脆性更強，含油氣性更好，是有利勘探目標區(qū)[13-17]。松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組中等有機碳含量（甜點段TOC 值為2%～3%）層狀長英質頁巖相具有較好生烴潛力，儲集空間發(fā)育，是頁巖油優(yōu)勢巖相[18]。東部斷陷湖盆咸化環(huán)境中的頁巖油，紋層狀泥質灰?guī)r與黑色頁巖組合是頁巖油勘探開發(fā)的“甜點”巖相組合[8,19]；紋層發(fā)育的長英質頁巖、混合質頁巖利于頁巖油富集高產(chǎn)和壓裂改造[9]。

根據(jù)典型湖盆細粒沉積巖石學特征、有機地球化學、儲集性、脆性指數(shù)等研究，本文認為頁巖與泥巖在沉積環(huán)境、組構特征、有機質豐度、生排烴量與效率、儲集性能等方面存在差異，決定二者在常規(guī)油氣藏和頁巖油氣藏形成中的地位不同。因此，開展陸相富有機質頁巖與泥巖成藏差異研究，對準確選擇頁巖油甜點區(qū)/段、客觀評價頁巖油資源總量與經(jīng)濟性、減少低效和無效井意義重大。

1 頁巖與泥巖成藏條件差異

中國陸相富有機質頁巖層系分布廣泛。從層系看，主要分布在二疊系、上三疊統(tǒng)、下白堊統(tǒng)、古近系和新近系。從地域看，主要分布在鄂爾多斯、松遼、準噶爾、渤海灣等盆地。陸相泥巖、頁巖的有機質豐度變化較大，從烴源巖有效性看，TOC 值下限為0.5%～0.8%、上限為8%～10%甚至更高。作為常規(guī)油氣藏形成的有效烴源巖，TOC 值主要為0.5%～0.8%和2%～3%。高TOC 值烴源巖雖然也是常規(guī)油氣藏的主力源巖，但有兩個條件限制了它們的貢獻：①高TOC 值頁巖集中段排烴不暢，效率偏低，唯有當頁巖厚度適中且與儲集層間互時，排烴效率才高[20-21]；②富有機質頁巖主要分布在半深湖—深湖區(qū)，且地理位置多在現(xiàn)今盆地向斜低部位，生儲蓋組合與成藏動力都不利于常規(guī)油氣藏形成，中高TOC 值頁巖應該是頁巖油氣藏形成的主力烴源巖。把頁巖和泥巖作為端元，開展成藏差異研究，對指導即將到來的頁巖油勘探“甜點”選區(qū)和選層評價有重要意義。

陸相頁巖層系巖石組合類型復雜多樣，既有頁巖、泥巖，也有粉細砂巖、碳酸鹽巖、混積巖和沉凝灰?guī)r等，其中頁巖和泥巖是公認的生烴母巖，至于夾在其中的沉凝灰?guī)r和碳酸鹽巖是否參與供烴過程，目前數(shù)據(jù)還不夠系統(tǒng)，本文暫不做討論?？傮w上，頁巖有機質含量都比較高，黑色頁巖TOC 值最高，是頁巖油氣藏主要形成層段；灰色頁巖TOC 值偏低，雖然頁理也發(fā)育，但因物質基礎不雄厚難成為有效烴源巖；泥巖有機質含量也較高，但相對頁巖來說總體含量偏低，加之塊狀結構脆性差，不是頁巖油氣藏形成的主要層段，如厚度適中且與儲集層間互發(fā)育，多是常規(guī)油氣藏的主要源巖。

1.1 有機質豐度與生排烴貢獻

中國陸相烴源巖主要發(fā)育于淡水和咸化湖盆兩類環(huán)境。研究表明，這兩類湖盆都可以發(fā)育高TOC 值頁巖和泥巖，同一環(huán)境下形成的頁巖和泥巖有機質豐度和生排烴貢獻差異顯著。

鄂爾多斯盆地長7 段烴源巖是在淡水湖盆中沉積的富有機質泥頁巖，平均厚度105 m，其中頁巖占比30%～50%，長71+2亞段以泥巖為主，長73亞段是頁巖集中段。從實測數(shù)據(jù)看，頁巖TOC 平均值為13.81%[11]、18.50%[17]、16.40%[22]，泥巖TOC 平均值為3.75%[11]、3.74%[17]、1.20%[22]，頁巖TOC 平均值是泥巖的3～14倍。從生烴動力看，頁巖活化能分布比泥巖更集中，頁巖主生烴期對應的Ro值（0.70%～0.87%）低于泥巖（1.06%～1.72%），在Ro值為0.9%～1.3%時頁巖總烴產(chǎn)率高于泥巖，生油量也高于泥巖[23]。根據(jù)生排烴模擬實驗與計算，頁巖平均生烴強度為249×104t/km2，泥巖平均生烴強度為48×104t/km2；頁巖平均排烴強度為193×104t/km2，泥巖平均排烴強度為20×104t/km2，頁巖生排烴強度是泥巖的5～9 倍。

準噶爾盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組烴源巖發(fā)育于咸化湖盆，平均厚度200～300 m，其中頁巖占比30%～50%，TOC 值為5.0%～16.1%（平均6.1%）；泥巖TOC值為1%～5%（平均3.2%）。渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔店組二段頁巖 TOC 值為 2.32%～9.23%（平均4.87%），泥巖TOC 值為0.14%～8.41%（平均3.07%），頁巖是泥巖的近2 倍。

1.2 沉積環(huán)境與沉積動力

頁巖、泥巖在沉積機理、組構、化學組成等方面有明顯差異。頁巖呈紋層結構，沿層面易剝離，受物源輸入和季節(jié)性氣候波動，藻類及其他有機物、碳酸鹽、黏土、粉砂級長石和石英及火山灰等分別形成連續(xù)紋層。泥巖呈塊狀結構，多發(fā)育于淺—濱湖環(huán)境，水體常受到擾動，細粒沉積物注入量大，多數(shù)具密度流特征，不易形成頁理。

根據(jù)鄂爾多斯盆地長7 段、松遼盆地青山口組、準噶爾盆地蘆草溝組和渤海灣盆地古近系等典型陸相頁巖、泥巖的系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，頁巖、泥巖的結構、構造、礦物構成、有機質類型及含量、沉積機理都有明顯差異（見表1），認識這些差異對于在勘探早期客觀識別和選擇有利鉆探靶區(qū)和目的層具有指導意義。

表1 中國典型盆地頁巖、泥巖特征比較

1.3 有機物發(fā)育與保存條件

富有機質頁巖、泥巖的形成受原始有機物生產(chǎn)力和同沉積期及后期保存條件的雙重控制。通過對鄂爾多斯盆地長7 段、松遼盆地青山口組、準噶爾盆地蘆草溝組富有機質頁巖、泥巖巖石學特征、有機碳含量分析發(fā)現(xiàn)，頁巖中有機質為細紋層順層富集型，泥巖 中主要為分散型和生物碎屑型[17]。有4 種機制可導致有機質富集：火山灰沉落與深部熱液注入導致的“肥沃效應”；放射性物質促生物超量超速生長，提高生烴能力；咸化與水體分層利于有機質高效率捕獲和保 存；深水厭氧環(huán)境與低沉積速率確保有機物堆積不被稀釋。

1.3.1 火山灰沉落與深部熱液注入導致的“肥沃效應”

Lee 等[24]認為海底火山噴發(fā)會導致海水溫度升高，海洋酸化，噴出的大量CO2造成生物窒息死亡甚至滅絕，隨后藻類生物出現(xiàn)繁盛，數(shù)量巨大，經(jīng)埋藏后形成富有機質頁巖。鄂爾多斯盆地長7段露頭和巖心觀察發(fā)現(xiàn)，富有機質頁巖段夾有多層凝灰?guī)r，厚度從毫米級至厘米級。統(tǒng)計顯示，沉凝灰?guī)r越多，烴源巖厚度和TOC 值越大[25-26]。如陜西銅川衣食村剖面長73亞段識別出156 層凝灰?guī)r，在一定區(qū)間凝灰?guī)r含量與TOC 值呈正相關性，當凝灰?guī)r含量為5%～7%時，頁巖TOC 值最高（超過20%），揭示適量火山物質注入可以促生物勃發(fā)和繁盛。在長7 段富有機質頁巖中還發(fā)現(xiàn)有自生鈉長石、磷錳礦、層狀黃鐵礦及典型的白鐵礦等熱液礦物，微量元素Cu、Pb、Zn 出現(xiàn)富集，說明長7 段沉積期有深部熱液侵入。研究認為，熱液活動為生物繁盛提供了充足養(yǎng)料導致“肥沃效應”。準噶爾盆地蘆草溝組有機質以菌藻類為主，富有機質頁巖中也普遍見微米級與中基性火山灰互層的藻紋層，分析認為火山灰表面鹽膜快速水解促進了水體中磷等營養(yǎng)元素富集，進而促進藻類勃發(fā)。上述實例證實，頻繁而規(guī)模有度的火山灰沉降與湖底熱液侵入是生物勃發(fā)的觸發(fā)因素，對優(yōu)質烴源巖形成是建設性的有利因素。

1.3.2 放射性物質促生物超量超速生長，提高生烴能力

幾乎所有富有機質頁巖均富鈾，測井曲線顯示高自然伽馬值[11,25,27]。鈾在放射性衰變過程中釋放的粒子和能量對生物生長和有機質向烴類的轉化均有促進作用[27]。鄂爾多斯盆地長7 段富鈾烴源巖中超過50%的鈾賦存于膠磷礦，超過20%的鈾以吸附方式賦存于有機質，頻繁的火山活動為長7 段烴源巖提供了豐富的鈾源輸入[28]。長7 段凝灰?guī)r層也富含藍藻和超微生物化石，與之共生的頁巖中藻類極其豐富（見圖1），這些化石多出現(xiàn)在長73亞段底部，并常常出現(xiàn)在凝灰質紋層附近，表現(xiàn)出短暫的微生物“勃發(fā)—消亡”特征[26]。適當高濃度的富氮磷營養(yǎng)物質和放射性物質能夠促進藍細菌的生長，提高古生產(chǎn)力[29]。鈾礦的放射性能夠為生物的生存和繁衍提供能量[30]。在含有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型干酪根的低成熟烴源巖中加入碳酸鈾酰溶液，進行生烴熱模擬實驗，發(fā)現(xiàn)鈾的參與可提高烴源巖生產(chǎn)率，總烴量增加，并可降低烴源巖生烴門限溫度，在相對較低溫階段生成液態(tài)烴[31-33]。對頁巖和干酪根中子輻照并對其產(chǎn)物進行分析，證實放射性作用可以改變干酪根結構，提升烴源巖的生油氣潛力[27]。

圖1 鄂爾多斯盆地瑤頁1 井長7 段223.95 m 金藻掃描電鏡照片

1.3.3 咸化與水體分層利于有機質高效率捕獲和保存

咸化水體可以促進有機質絮凝，進而提升有機質捕獲效率。物理模擬實驗結果表明，當鹽度從1%增加到3%時，有機質捕獲效率提高300%；當沉積物濃度從2%上升至4%時，有機質捕獲效率提高100%。同時，咸化湖盆易產(chǎn)生水體分層，可以保持相對良好的缺氧還原環(huán)境，利于有機質堆積與保存。以準噶爾盆地吉32井下甜點段為例，高TOC 值段V 與Cr 含量比值為2～4，Mo 含量為0.010‰～0.018‰，Cu、Mo 含量之和與Zn 含量比值為0.6～0.8；低TOC 值段V 與Cr 含量比值為1～2，Mo 含量為0.003‰～0.008‰，Cu、Mo 含量之和與Zn 含量比值為0.3～0.5。表明高TOC 值段沉積時水體還原性較強，保存條件明顯好于低TOC 值段。

1.3.4 深水厭氧環(huán)境與低沉積速率確保有機物堆積不被稀釋

湖盆水體低含氧量和厭氧環(huán)境對有機質保存和富集必不可少。鄂爾多斯盆地長7 段的泥、頁巖中黃鐵礦含量普遍較高，在東部志丹、西部環(huán)縣以及南部銅川等地黃鐵礦含量均超過20%，有機質豐度與黃鐵礦含量具明顯正相關性。利用黃鐵礦粒徑可對沉積環(huán)境中含氧量進行半定量的判別，以衣食村剖面為例，通過掃描電鏡成像技術，統(tǒng)計了1 258 個草莓狀黃鐵礦的粒徑（見圖2），在TOC 值為15%～20%的層段，黃鐵礦粒徑普遍小于8 μm，平均粒徑小于6.5 μm，指示硫化還原環(huán)境；在TOC 值為2%～10%的層段，黃鐵礦粒徑普遍大于8 μm，平均粒徑大于10 μm，指示貧氧—弱氧化環(huán)境，且隨黃鐵礦粒徑變大，沉積水體的含氧量逐漸增大。

圖2 銅川衣食村剖面不同TOC 值樣品黃鐵礦粒徑分布直方圖（TOC—總有機碳含量；N—樣品數(shù)；D—平均粒徑）

圖3 鄂爾多斯盆地衣食村剖面與瑤頁1 井沉積速率與TOC 綜合柱狀圖（TOC1—總有機碳含量絕對值；V—沉積速率，cm/1 000 a）

低沉積速率和低陸源碎屑補償速度都有利于有機質保存和富集。根據(jù)衣食村剖面和瑤頁1 井長7 段3塊凝灰?guī)r樣品的ID-TIMS 測年數(shù)據(jù)（見圖3）[34]，長 73頁巖段沉積速率為5 cm/1 000 a，遠低于松遼盆地白堊紀沉積速率13.5 cm/1 000 a[35]和三疊紀陸相沉積速率24 cm/1 000 a[36]。利用米蘭科維奇旋回分析，長73頁巖段可劃分為5 個天文周期旋回，對每一旋回的上升半旋回段與下降半旋回段的TOC 值與沉積速率進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，沉積速率與TOC 值呈明顯負相關性（見圖3、圖4），說明長7 段沉積速率偏低，低陸源碎屑補償速度對有機質稀釋作用降低，有利于富有機質泥、頁巖的形成。

圖4 陜西銅川衣食村剖面與瑤頁1 井頁巖、泥巖TOC 分布與沉積速率關系

1.4 頁巖與泥巖的儲集性差異

陸相頁巖層系發(fā)育存在陸源輸入與內(nèi)源沉積兩種過程。受氣候、水動力條件、物源輸入方式的變化與有機質絮凝作用等多因素綜合影響，頁巖層系普遍發(fā)育紋層構造，是頁巖油大面積形成與富集分布的重要條件之一。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，具有紋層構造的多類頁巖具較好的儲集性能，孔隙分布呈雙峰態(tài)，微米孔隙發(fā)育?？傮w看，頁巖段是優(yōu)質儲集巖相段[9,15-16]。

本文重點以準噶爾盆地二疊系蘆草溝組為例，利用光學顯微鏡、掃描電鏡、氮氣吸附等技術手段，對泥巖與頁巖在儲集性能方面的差異進行研究。蘆草溝組形成于咸化湖盆，頁巖普遍具紋層結構，碳酸鹽-鈉長石-有機質為最主要的組合類型（見圖5a—圖5c）。有機質多呈紋層狀平行分布（見圖5b）?？紫吨饕园自剖ｉg孔與黏土礦物粒內(nèi)孔為主，其中白云石粒間孔發(fā)育比例高，且孔隙直徑明顯大于黏土礦物粒內(nèi)孔（見圖5d）。泥巖不發(fā)育紋層結構，整體以碳酸鹽-鈉長石基質礦物為主，有機質呈分散狀分布于基質礦物間（見圖5e—圖5g）。孔隙主要以綠泥石粒內(nèi)孔為主，白云石粒間孔發(fā)育比例低（見圖5h）。總體看，泥巖孔隙發(fā)育程度低于頁巖。頁巖比孔容（單位質量頁巖所具有的孔總容積）主體大于0.043 40 cm3/g，明顯高于泥巖的0.006 91 cm3/g；頁巖的BET 比表面達到8.07 m2/g，而泥巖僅為1.68 m2/g，前者是后者的5 倍多。頁巖孔徑大于泥巖，孔徑大于38 nm 的儲集空間，在頁巖中體積比例達80%，塊狀泥巖中該尺度孔徑體積僅為65%左右，巖石比表面同樣表現(xiàn)出相似特征（見圖6）。可見，頁巖儲集性能好于塊狀泥巖。

此外，渤海灣盆地濟陽坳陷目前發(fā)現(xiàn)的頁巖油井絕大部分都在儲集性能好的富有機質紋層狀泥質灰?guī)r相、灰質泥巖相及其薄夾層中[16,37]；松遼盆地青山口組中有機質紋層狀長英質巖相具有較好生烴潛力，儲 集空間發(fā)育，也說明頁巖段是頁巖油優(yōu)勢巖相段[15]。

圖5 準噶爾盆地吉174 井蘆草溝組紋層狀頁巖與泥巖孔隙結構典型特征

圖6 準噶爾盆地吉174 井蘆草溝組紋層狀頁巖與泥巖孔徑分布直方圖

1.5 造巖礦物組成與可改造性

準噶爾、鄂爾多斯等盆地不同類型頁巖和泥巖的造巖礦物與元素組成統(tǒng)計結果顯示二者具明顯差異。準噶爾盆地蘆草溝組頁巖與泥巖礦物組成差異集中在白云石、鈉長石與石英含量。頁巖中白云石含量高，最高可超過30%，形成碳酸鹽紋層，并與有機質形成紋層狀頁巖。此外，石英與鈉長石含量也高，約30%。泥巖中白云石含量低且相對分散，含量一般小于10%，主要分布在有機質、石英、鈉長石及黏土礦物間；石英含量約30%，鈉長石含量最高可達50%。鄂爾多斯盆地長7 段頁巖的碎屑礦物含量較泥巖低，一般為20%～30%，長石含量一般小于5%，鉀長石含量平均為1%；碳酸鹽含量普遍較高，白云石含量平均為5.6%；頁巖的自生鐵礦物主要為黃鐵礦，含量平均為10%，是泥巖的10 倍。泥巖的碎屑礦物含量可高達35%～45%，除石英外，長石含量可達5%～15%；白云石含量偏低，平均為3.7%。泥巖的含鐵礦物主要為菱鐵礦，平均為3.2%。黏土礦物方面，泥巖與頁巖主體以伊蒙混層為主，頁巖中含量可達68.4%，泥巖中含量約60%；此外，泥巖中伊利石、高嶺石和綠泥石的含量均比頁巖高，但蒙脫石含量低于頁巖?？傮w上，泥巖中脆性礦物含量較低，影響了儲集層改造中人造裂縫的形成和儲集層的可壓裂性，造成產(chǎn)量難穩(wěn)定。

泥巖與頁巖的元素組成也有明顯差異。在元素組成上，常量元素主要反映了物源輸入、沉積環(huán)境和生物作用強弱的差異。以鄂爾多斯盆地長7 段為例，泥巖中CaO 平均含量為53.82%，高于頁巖，表明長7 段泥巖沉積時，陸源碎屑供給更為充足；頁巖中MgO 平均含量為1.64%，泥巖中MgO 平均含量為3.46%，說明頁巖形成于水體更為穩(wěn)定的環(huán)境；頁巖中的P2O5平均含量為0.61%，是泥巖的3 倍，說明長7 段頁巖沉積時有機質原始生產(chǎn)力要高于同期的泥巖。長7 段泥巖和頁巖中的B、U、Ni、Sr、Cu、Mo、Mn、Mg、S 等多種元素分異現(xiàn)象特別明顯。如頁巖中Cu 的平均含量為0.060‰，U 的平均含量為0.012‰，都是泥巖的3倍，說明頁巖沉積環(huán)境更為缺氧。另外，頁巖中Mo的平均含量為0.02‰，是泥巖的10 倍，說明頁巖沉積時水體鹽度更低。

2 頁巖與泥巖在頁巖油勘探中的地位芻議

上述研究結果表明，頁巖與泥巖在沉積環(huán)境、有機物含量與分布、儲集性、造巖礦物組成等方面均有明顯差異。從頁巖油勘探開發(fā)工業(yè)實踐效果看，頁巖段TOC 值高，頁理發(fā)育，儲集性相對較好，脆性礦物含量相對較高，是頁巖油勘探開發(fā)最有利的巖相類型。但目前的研究及生產(chǎn)實踐中仍存在概念不清晰、相帶不明確等問題，成為制約頁巖油選區(qū)評價、“甜點區(qū)/段”優(yōu)選、壓裂改造與鉆井工藝設計、開發(fā)方案優(yōu)化的關鍵。有必要以頁巖、泥巖為端元，落實資源分布，確定“甜點”評價參數(shù)類型和標準，優(yōu)選有利區(qū)塊，采用針對性有效開發(fā)技術，推動陸相頁巖油勘探開發(fā)進程。

2.1 中高成熟度頁巖油勘探實證

對于中高成熟度頁巖油選區(qū)宜盡快落實關鍵評價要素，盡早建立選區(qū)標準。如前述，有機質豐度與類型是決定頁巖油能否經(jīng)濟性成礦的物質基礎，顯然越高越好。目前，陸上幾個頁巖油重點探區(qū)把TOC 值下限定在1%～2%，取值有些偏低。如濟陽坳陷頁巖油富集區(qū)TOC 值下限為2%[37]，三塘湖盆地二疊系蘆草溝組頁巖油富集區(qū)TOC 值下限為4%[38]，泌陽凹陷頁巖油核心區(qū)TOC 值下限為1.7%[39]，吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油甜點區(qū)TOC 值下限為1%[40]，鄂爾多斯盆地目前正在鉆探的頁巖油靶區(qū) TOC 值為 2%～6%[12]，四川盆地侏羅系大安寨組頁巖油選區(qū)TOC 值下限為1%，黑色頁巖厚度大于20 m[4]。本文建議頁巖油選區(qū)標準為：①TOC 下限值調整為2%～3%，最好大于3%，有機質類型以Ⅰ型干酪根為佳，可放寬到Ⅱ1型，Ⅱ2—Ⅲ型有機質不是頁巖油經(jīng)濟成礦的母質類型，不應納入選區(qū)評價；②頁巖層系脆性礦物含量高的同時，黏土礦物含量要低，以25%～30%為宜；③頁巖段具備一定量基質孔隙度的同時，頂?shù)装逡辛己玫姆馍w性，以保證可動液態(tài)烴不散失。

2.1.1 鄂爾多斯盆地長7 段頁巖油

包括致密油—頁巖油過渡型與頁巖油兩大類，前者是指含有一定比例的致密砂巖夾層，且較大比例參與頁巖油產(chǎn)出；后者不夾砂層，是純頁巖段產(chǎn)出的油。長7 泥頁巖段有機質類型為Ⅰ—Ⅱ型。頁巖集中段以長73亞段為主，有機質以Ⅰ—Ⅱ1型為主，TOC 值最高32%，平均13.8%，脆性礦物含量小于35%，黏土礦物含量大于60%；泥巖段以長71+2亞段為主，有機質以Ⅱ型為主，且Ⅱ2型比例偏高，TOC 值最高6%，平均3.8%。在長73頁巖集中段已有13 口井試油產(chǎn)量超過5 t/d，有3 口井試油產(chǎn)量大于20 t/d，其中寧148井在長73亞段試油獲24.23 t/d。但是，如果砂巖夾層比例偏低（砂地比小于5%），試油產(chǎn)量穩(wěn)定性差，當TOC 值大于4.5%時，產(chǎn)量與TOC 值呈負相關關系，與有機質含量超過一定數(shù)值后對液態(tài)烴吸附量增加有關。長7 段目前獲得較高初始產(chǎn)量和穩(wěn)產(chǎn)的頁巖油井多位于砂地比大于15%的區(qū)域，顯然有致密砂巖的貢獻，實際是介于頁巖油和致密油之間的過渡類型。因此，鄂爾多斯盆地長73亞段頁巖因黏土含量過高而不宜使用水平井+體積改造技術開發(fā)，應積極開展原位轉化技術開發(fā)，效果會比現(xiàn)有技術更好。

2.1.2 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段頁巖油

截至2019 年底已有12 口水平井投入試采，其中有7 口水平井試采效果較好，有2 口井因含硫化氫含量高關井，另有3 口井尚未轉入試采。官東1701H 和官東1702H 這2 口水平井目前累計產(chǎn)油量分別為7 663 t 和10 353 t，試采結果比較理想。從已有資料分析結果看，有機質類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主，TOC 值為2%～3%時滯留烴含量明顯升高，且在3%處出現(xiàn)拐點（見圖7），頁巖油“甜點段”TOC 下限值最低取2%，建議取3%。脆性長英質礦物含量18%～42%，平均34%；碳酸鹽礦物含量12%～62%，平均34%；黏土礦物含量大于30%，平均16%[9,41]。歧口凹陷沙三段烴源巖厚100～500 m，TOC 值為1.09%～2.37%，Ro值為0.7%～1.2%，以混合質頁巖、長英質頁巖為主，長英質礦物平均含量30%，碳酸鹽礦物平均26%，黏土礦物含量平均23%。20 口老井重新試油效果比較理想，但能否獲得較理想的累計采出量，還需試采過程的驗證，主要制約因素是沙三段頁巖偏低的有機質豐度導致地層能量不足。

圖7 渤海灣盆地滄東凹陷官頁1-1-1H 井孔二段滯留烴含量與有機碳含量關系圖

2.1.3 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組和瑪湖凹陷風城組頁巖油

蘆草溝組頁巖油發(fā)育上、下“甜點”段，目前累計鉆探頁巖油井89 口，其中水平井37 口，投產(chǎn)28 口，日產(chǎn)油370 t[40,42]。吉172 水平井生產(chǎn)近1 800 d，累計產(chǎn)油近1.9×104t，目前日產(chǎn)油4 t 左右。有3 個要素決定頁巖油是否具經(jīng)濟可采性：①物質基礎好，TOC值為2%～3%，有機質類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主，Ro值為0.8%～0.9%；②可動油儲量豐度高，為（25～30）×104t/km2；③頁巖集中段頂?shù)装灏l(fā)育良好的封閉層（如上甜點頂部梧桐溝組泥巖是否發(fā)育），蘆草溝組上、下“甜點”段黏土礦物含量小于15%，脆性礦物含量為80%～85%?？傮w看，成藏要素的有利匹配將決定該區(qū)頁巖油經(jīng)濟可采性與總量規(guī)模。

2.2 中低成熟度頁巖油甜點區(qū)/段選擇標準與選區(qū)評價

2.2.1 中低成熟度頁巖油資源潛力

中國陸相頁巖油資源潛力巨大，主體是中低成熟度頁巖油。據(jù)初步評價，中低成熟度頁巖油遠景資源量為（700～900）×108t，天然氣約65×1012m3，大致與常規(guī)石油地質資源量相當；技術可采資源量為（200～250）× 108t，與常規(guī)石油可采資源量相當[3]。陸相頁巖油資源主體分布在鄂爾多斯、松遼、準噶爾3大盆地，其中頁巖油遠景資源量約（620～650）×108t（見表2），技術可采資源量為（170～200）×108t，占比均在80%以上。

表2 鄂爾多斯、松遼、準噶爾等盆地頁巖主要地質參數(shù)

2.2.2 中低成熟度頁巖油原位轉化甜點區(qū)/段評價標準

適合地下原位轉化的頁巖段須滿足以下5 個條件：①頁巖集中段有機質豐度高，TOC 值為6%～8%，且越高越好，Ⅰ—Ⅱ1型干酪根；②頁巖集中段厚度一般大于15 m，凈地比大于0.8；③熱成熟度適中，Ro值為0.5%～1.0%；④埋藏深度小于3 000 m，連續(xù)分布面積大于50 km2；⑤頁巖段具較好頂?shù)装灞４鏃l件，遮擋層厚度大于2 m，斷層不發(fā)育，地層含水小于5%，不存在活動水。

2.2.3 鄂爾多斯盆地長7 段頁巖油原位轉化選區(qū)實例

鄂爾多斯盆地延長組長7 頁巖段，以長73亞段原位轉化現(xiàn)實性最好。長7 段TOC 值大于6%的平均厚度為16 m，最大厚度60 m，分布面積約3×104km2；其中厚度大于20 m 的面積占50%，約1.8×104km2。氫指數(shù)（HI）較高，最高可達750 mg/g，平均450 mg/g。頁巖層系中滯留烴含量（S1）大，據(jù)樂85 井現(xiàn)場測定，含油量8.80～26.77 mg/g（平均18.7 mg/g），其中C16-輕質組分含量平均為 5.538 mg/g，占總含油量的31.4%。此外，頁巖殘余生烴潛力（S2）大，TOC 值大于6%的頁巖段殘余生烴潛力27.53～132.23 mg/g，平均63.88 mg/g。頁巖含水飽和度和含水率均低，不存在活動水。頁巖成熟度分布適中，盆地長7 段頁巖Ro值為0.6%～1.2%，Ro值小于1.0%的區(qū)域面積較大，約占頁巖總面積的90%，原位轉化潛力可觀[3]。依據(jù)頁巖油原位轉化甜點評價標準，評價鄂爾多斯盆地長73亞段頁巖油原位轉化有利區(qū)面積大于1.5×104km2，技術可采資源量大于150×108t。

3 結論與建議

頁巖與泥巖在沉積環(huán)境與動力、有機物發(fā)育與保存條件、頁理與儲集性、造巖礦物組成與可改造性等方面存在差異，決定二者在頁巖油經(jīng)濟成礦上地位不同。頁巖段因有機質豐度高、頁理發(fā)育、基質孔隙發(fā)育、黏土礦物含量低、脆性高、集中段連續(xù)分布范圍較大與保存條件較好等因素而成為頁巖油經(jīng)濟成礦的最佳層段與主要“甜點”富集區(qū)；泥巖段因有機質豐度相對較低、頁理不發(fā)育、黏土礦物含量高、脆性差與基質孔隙不發(fā)育等原因，不是頁巖油經(jīng)濟成礦的主要層段與目標區(qū)。

中高成熟度頁巖油經(jīng)濟成礦現(xiàn)階段需要嚴格把握“甜點”選擇標準，以防止過多低效和無效井的出現(xiàn)，建議把以下參數(shù)作為頁巖油“甜點”區(qū)/層段選擇下限標準：①TOC 值為2%～3%，建議大于3%，有機質類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主；②Ro值大于0.9%，最好大于1.0%；③黏土礦物含量小于 30%；④游離烴含量為 4～6 mg/g；⑤具備保存條件，即頁巖集中段頂?shù)装鍛沁B續(xù)性較好的致密層并具備封閉能力。

中低成熟度頁巖油開采技術與中高成熟度頁巖油明顯不同，但“甜點區(qū)/段”選擇也需要標準：①頁巖集中段厚度大于15 m；②TOC 值為6%～8%，Ⅰ—Ⅱ1型干酪根；③Ro值為0.5%～1.0%；④連續(xù)分布面積大于50 km2，且規(guī)模越大越好；⑤頁巖集中段具保存條件，頂?shù)装逭趽鯇雍穸却笥? m，且地層含水小于5%。