鄂爾多斯盆地延長探區(qū)頁巖油地質(zhì)特征與勘探實(shí)踐

杜克鋒 魏笑笑

摘 要：鄂爾多斯盆地延長探區(qū)三疊系延長組長7油層組廣泛發(fā)育頁巖油資源，該區(qū)域長7油頁巖厚度在30-100m。通過巖心觀察、實(shí)驗(yàn)分析、測井分析和多年的地質(zhì)研究和勘探實(shí)踐，認(rèn)為延長探區(qū)長7油層組廣泛分布黑色頁巖、暗色頁巖和夾薄砂層泥巖，長7泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度為2.5%-14.3%，其中黑色頁巖最高、暗色頁巖次之;通過泥地比和砂層發(fā)育情況，依據(jù)巖性組合特征，將長7油層組頁巖油資源分為三類：I類（多期砂巖疊置發(fā)育型）、II類（頁巖夾薄砂巖型）、III類（純頁巖型）;延長油田針對I類頁巖油均有效動用，并且提交規(guī)模儲量，達(dá)到一定產(chǎn)能，II類、III類頁巖油目前正在通過地質(zhì)工程一體化勘探思路開展試驗(yàn)攻關(guān)，II類頁巖油水平探井FTP1井日前取得日產(chǎn)27方的工業(yè)油流，取得烴源巖層系II類頁巖油勘探重大突破，推動頁巖油勘探開發(fā)研究和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：延長探區(qū);長7油層組;頁巖油;地質(zhì)工程一體化

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消費(fèi)持續(xù)增長。2018年全球一次能源消費(fèi)總量已達(dá)135.1×108t 油當(dāng)量，其中原油和天然氣的占比分別為34.2%和23.4%。油氣仍是全球最重要的一次能源類型。預(yù)計到2050年，油氣在世界一次能源消費(fèi)中的占比仍然在50%左右，油氣主體地位的保持在很大程度上將得益于頁巖油氣的貢獻(xiàn)。隨中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣需求大幅度增加，國內(nèi)油氣產(chǎn)量增長卻后續(xù)乏力。2018年，中國石油和天然氣對外依存度已分別達(dá)到了69.8%和45.3%。因此，大力推動頁巖油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展對于確保我國油氣安全與經(jīng)濟(jì)增長具有重要意義。2019年，我國原油產(chǎn)量1.91億噸，原油進(jìn)口量5.06億噸，石油對外依存度高達(dá)70.8%，亟待尋找新的資源接替。美國2018年頁巖油產(chǎn)量達(dá)3.29億噸，占其原油產(chǎn)量的59%，并且成本控制在40美元/桶左右。因此，非常規(guī)油氣是我國尋找接替石油資源的不二選擇，但是其研究、勘探、開發(fā)與美國非常規(guī)油氣不同，均存在很大的難度。目前，與美國大規(guī)模開發(fā)的海相頁巖油相比，我國陸相頁巖油也有豐富的儲量，具有良好的勘探開發(fā)前景。其中鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7油層組沉積時期發(fā)育一套深灰色、灰黑色泥頁巖，湖盆深，被認(rèn)為是良好的烴源巖，具有極大的生烴能力。

1 國內(nèi)外頁巖油研究技術(shù)發(fā)展趨勢

頁巖孔隙、喉道、裂縫及礦物組成的定量表征是成儲機(jī)理研究的基礎(chǔ)，下一步的研究方向是需要建立“全息”、“簡約”、有一定普適性的數(shù)字巖心。同時，還應(yīng)結(jié)合油-巖相互作用（賦存機(jī)理）和流體可動性研究，認(rèn)識孔喉大小、礦物組成與可流動性之間的關(guān)系，由此明確頁巖成儲的下限，認(rèn)識其成儲機(jī)理。

頁巖油賦存機(jī)理和狀態(tài)的研究需要在巖石組分及孔喉表征的基礎(chǔ)上，通過油-巖相互作用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)合，才能有效認(rèn)識并定量表征;數(shù)模需要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)和校正，兩者最終需要與地質(zhì)實(shí)例解剖相結(jié)合。

頁巖油可動性、可動量的評價。應(yīng)用納米學(xué)科的理論和技術(shù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)可能是有效的思路和途徑。對其認(rèn)識和表征需要以儲層表征和油-巖相互作用研究取得的認(rèn)識作為數(shù)值模擬的初始條件和邊界條件，并接受實(shí)驗(yàn)?zāi)M的校正和檢驗(yàn)，同時也服務(wù)于成儲機(jī)理和賦存機(jī)理的研究。

2 鄂爾多斯盆地頁巖油地質(zhì)特征

2.1 儲層巖石類型主要為砂巖和泥頁巖

大量的鉆井取心資料表明，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油儲層巖石類型主要為砂巖和泥頁巖兩大類。其中砂巖以致密細(xì)砂巖為主，粉砂巖次之。巖心及含油性分析表明長7段泥頁巖也含油，并且礦場實(shí)踐表明泥頁巖可產(chǎn)出石油。根據(jù)巖性差異和有機(jī)質(zhì)類型與含量不同，泥頁巖又可分為暗色泥巖和黑色頁巖兩類。Ⅰ類頁巖油儲層主要為中厚層細(xì)砂巖，巖石中石英+長石含量一般為55%～78%。Ⅱ類頁巖油儲層主要為泥頁巖中夾的薄層細(xì)砂巖、粉砂巖，粉砂巖中石英+長石含量一般在50%以上。Ⅲ類頁巖油儲層主要為富有機(jī)質(zhì)暗色泥巖和黑色頁巖，巖石中石英+長石含量可達(dá)30%以上。長7段頁巖油砂泥巖儲層較高的石英及長石等脆性礦物含量，為頁巖油儲層體積壓裂改造提供了有利條件。

2.2 儲層類型在平面上分帶性清晰且大面積分布

受沉積環(huán)境控制，鄂爾多斯盆地長7段不同巖性的頁巖油儲層在平面上分帶分布規(guī)律明顯。細(xì)砂巖主要發(fā)育于東北部三角洲前緣分流河道及湖盆中部重力流沉積中。粉砂巖主要發(fā)育于東北部三角洲前緣前端及湖盆中部的半深湖—深湖。暗色泥巖和黑色頁巖主要分布于湖盆中部的半深湖、深湖環(huán)境，長73—長71期，暗色泥巖、黑色頁巖分布范圍逐漸減小。受物源供應(yīng)、構(gòu)造運(yùn)動、盆地演化等因素影響，長7段具大面積富砂、廣覆式分布富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的特征，為發(fā)育大面積頁巖油提供了有利的儲集條件。

2.3 儲層致密但流體可動性較好

大量的巖心物性分析表明，鄂爾多斯盆地長7段致密砂巖儲層孔隙度一般為6%～12%，滲透率一般小于0.3mD;泥頁巖更為致密，孔隙度一般小于2%，滲透率小于0.01mD。巖石礦物定量掃描（QEMSCAN）、場發(fā)射掃描電鏡等多方法研究表明，殘余粒間孔、溶蝕孔、伊利石晶間孔是長7段頁巖油儲層主要的孔隙類型。長7段細(xì)砂巖儲層以微米孔隙為主，孔隙半徑主要集中在2～8μm，對儲集空間貢獻(xiàn)最大。長7段泥頁巖儲層以納米孔隙為主，暗色泥巖孔隙半徑主要為60～220nm，喉道半徑為20～160nm;黑色頁巖孔隙半徑主要為20～100nm，喉道半徑為40～100nm。頁巖油儲層喉道半徑一般為20～120nm，連通性較好（孔隙配位數(shù)每孔1～3個），納米級喉道連通微米級孔隙形成簇狀復(fù)雜孔喉單元，有效提升了儲集性能。核磁共振測試表明，長7段致密砂巖儲層可動流體飽和度為20%～60%，平均為48%，具有較高的可動性流體飽和度，為Ⅰ類、Ⅱ類頁巖油規(guī)模有效開發(fā)提供了有利條件。

2.4 發(fā)育廣覆式優(yōu)質(zhì)烴源巖

由于晚三疊世印支運(yùn)動形成了鄂爾多斯面廣水深的大型坳陷湖盆的沉積格局，為烴源巖發(fā)育提供了有利的沉積條件。同時，長7期頻繁火山噴發(fā)為生物勃發(fā)提供了豐富的P、Fe等營養(yǎng)元素，湖盆內(nèi)深部活躍的熱液作用具“施肥”效應(yīng)觸發(fā)生物勃發(fā)，湖盆水體富營養(yǎng)化觸發(fā)高生物生產(chǎn)力，沉積期后的缺氧環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存，低陸源碎屑補(bǔ)償速度促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的相對富集。上述因素綜合作用形成盆地長7段發(fā)育廣覆式優(yōu)質(zhì)富有機(jī)質(zhì)烴源巖。

根據(jù)沉積構(gòu)造、巖石組構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量特征，盆地長7段富含有機(jī)質(zhì)烴源巖可劃分為黑色頁巖和暗色泥巖兩類。烴源巖有機(jī)質(zhì)母源以湖生藻類為主，生油母質(zhì)條件好。其中黑色頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，暗色泥巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1型和Ⅱ2型。黑色頁巖平均TOC為13.81%，暗色泥巖平均TOC為3.75%，兩類烴源巖均為陸相優(yōu)質(zhì)烴源巖。長7段烴源巖Ro分布于0.9%～1.1%，平均Tmax達(dá)到447℃，已達(dá)生油成熟階段，處于生油高峰期。殘留瀝青“A”法計算烴源巖排烴效率高，其中黑色頁巖排烴率平均為76%，烴源巖發(fā)生了強(qiáng)烈的排烴作用，利于長7段頁巖油規(guī)模成藏。兩類烴源巖大面積分布，其中黑色頁巖面積達(dá)4.3×104km2，平均厚度達(dá)16m，最厚達(dá)60m;暗色泥巖面積達(dá)6.2×104km2，平均厚度達(dá)17m，最厚達(dá)124m。廣覆式烴源巖為頁巖油規(guī)模成藏提供了良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.5 近源高壓持續(xù)充注成藏，油藏含油飽和度高、含油性好

鄂爾多斯盆地中生界長7段發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，與致密砂巖緊鄰接觸或互層共生，源儲配置好，油氣近源充注，利于頁巖油規(guī)模成藏。長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖生烴強(qiáng)度大，黑色頁巖平均生烴強(qiáng)度為235.4×104t/km2，生烴量為1012.2×108t;暗色泥巖平均生烴強(qiáng)度為34.8×104t/km2，生烴量為216.4×108t，合計生烴量為1228.6×108t。而生烴模擬實(shí)驗(yàn)及成藏古壓力分析表明，排烴前封閉條件下其生烴增壓可達(dá)到38.5MPa，成藏期儲層古壓力為18～26MPa，烴源巖、致密砂巖過剩壓力差一般為8～16MPa。因此，在近源持續(xù)高壓條件下，儲層中含油飽和度呈先快、后慢式增長，經(jīng)歷快速成藏和持續(xù)充注富集兩個階段，致密砂巖儲層最終含油飽和度高達(dá)70%以上，含油性好。長7段泥頁巖含油性測試表明，泥頁巖自身可動烴平均含量達(dá)4.74mg/g，具有一定含油性。

2.6 油質(zhì)輕、氣油比較高、埋藏淺，利于開發(fā)

鄂爾多斯盆地長7段頁巖油密度為0.80～0.86g/cm3，國外威利斯頓盆地和二疊盆地致密油密度為0.82g/cm3，國內(nèi)準(zhǔn)噶爾盆地二疊系致密油密度為0.88～0.92g/cm3，松遼盆地白堊系致密油密度為0.78～0.87g/cm3，四川盆地侏羅系致密油密度為0.76～0.87g/cm3，與國內(nèi)外致密油密度相比差異不大，總體原油密度較小。鄂爾多斯盆地長7段頁巖油平均原油黏度為1.55mPa·s，高于北美二疊盆地致密油黏度（0.15～0.53mPa·s）。國內(nèi)準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組致密油黏度為0.4～4.1mPa·s，松遼盆地白堊系致密油黏度為4.0～8.0mPa·s，相比而言，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油原油黏度明顯較小。總體來看，長7段頁巖油油質(zhì)輕，流動性好，有利于開發(fā)。

3 頁巖油勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 頁巖油“三品質(zhì)”評價方法

圍繞頁巖油識別評價和鉆完井工程應(yīng)用需求，在常規(guī)儲層“四性”評價基礎(chǔ)上，建立了儲層、烴源巖、工程力學(xué)3類品質(zhì)12項(xiàng)參數(shù)的定量解釋模型，為頁巖油地質(zhì)甜點(diǎn)和工程甜點(diǎn)的預(yù)測提供了依據(jù)。

儲層品質(zhì)定量評價：以孔隙結(jié)構(gòu)和砂體結(jié)構(gòu)為核心，建立頁巖油儲層微觀、宏觀非均質(zhì)性定量表征參數(shù)。通過核磁共振T2譜計算毛細(xì)管壓力曲線，定量評價可動流體飽和度和喉道中值半徑。

烴源巖品質(zhì)定量評價：按照源儲配置精細(xì)解釋思路，建立了烴源巖品質(zhì)量化及分類評價參數(shù)，以電阻率與孔隙度曲線重疊ΔlgR法和測井參數(shù)多元統(tǒng)計回歸法評價TOC，為尋找優(yōu)質(zhì)烴源巖提供了依據(jù)。

工程力學(xué)品質(zhì)定量評價：基于陣列聲波測井與三軸應(yīng)力試驗(yàn)，形成了巖石脆性指數(shù)與基于各向異性模型的地應(yīng)力計算方法，為壓裂設(shè)計優(yōu)化提供技術(shù)支持。

3.2 長水平井快速優(yōu)化鉆井技術(shù)

針對長水平井鉆井摩阻高、扭矩高、鉆井速度低等難題，攻關(guān)形成了以井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、強(qiáng)化鉆井參數(shù)、優(yōu)化鉆井液體系、配套關(guān)鍵提速設(shè)備為核心的快速鉆井技術(shù)，采用強(qiáng)抑制防塌堵漏鉆井液技術(shù)和儲層保護(hù)完井液技術(shù)，解決了漏失、坍塌問題，有效保護(hù)儲層，長水平井鉆井周期大幅縮短，平均鉆井周期由2016年的31.6天縮短至20天以內(nèi)。

3.3 水平井體積壓裂技術(shù)

長水平井細(xì)切割壓裂見到明顯增產(chǎn)效果：為了進(jìn)一步提高水平井單井產(chǎn)量和儲量動用程度，體積壓裂設(shè)計思路由增大裂縫接觸面積向細(xì)分切割精準(zhǔn)改造發(fā)展，工藝技術(shù)由引進(jìn)試驗(yàn)向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，整體改造效果穩(wěn)步提升。水平段長度大幅增加，由1200～1500m增加到1500～3000m;布井間距不斷縮小，由600～1000m縮小到200～400m;裂縫布放更加精準(zhǔn)，由均勻分段多簇轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷鶆蚣?xì)分切割;縫控程度大幅提升，由50%～70%提高到90%～95%;改造工藝更加高效，由速鉆橋塞轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軜蛉?球座;體積壓裂改造段數(shù)增大，由8～12段提高到20～25段;水平井單井產(chǎn)量不斷攀升，由9.6t/d提高到17.3t/d。

4 鄂爾多斯盆地延長探區(qū)頁巖油勘探成效

頁巖油是非常重要的戰(zhàn)略接替資源，為賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖層系中的石油（長7油層組），單砂體厚度不大于5m，累計砂地比小于30%，無自然產(chǎn)能或低于工業(yè)石油產(chǎn)量下限。頁巖油研究中主要引用地質(zhì)工程一體化勘探思路，開展“烴源巖-儲層-工程”三類品質(zhì)評價，積極開展“七性”特征綜合研究?，F(xiàn)場實(shí)踐中，依據(jù)其巖性組合和砂地比等特征，將頁巖油劃分為I類、II類和III類，延長石油集團(tuán)針對不同類型頁巖油開展不同的勘探思路研究和攻關(guān)，取得了一定的效果。

I類多期疊置砂巖發(fā)育型頁巖油，采取直井控儲、水平井求產(chǎn)的勘探開發(fā)方式，目前累計探明儲量5600萬噸，落實(shí)三級儲量1.83億噸。2020年LTP19井最高日產(chǎn)油達(dá)91噸，目前累計產(chǎn)液5870方，累計產(chǎn)油1921噸，平均日產(chǎn)油10噸以上。

II類頁巖夾薄砂巖型頁巖油，采取直井體積壓裂試驗(yàn)、水平探井一體化勘探開展重點(diǎn)攻關(guān)工作，目前完鉆3口水平探井，其中FTP1井已累計生產(chǎn)頁巖油2100余噸，當(dāng)前日產(chǎn)油7噸。

III類純頁巖型頁巖油，采取水平探井在裂縫帶、薄砂體積極開展遠(yuǎn)景探索，目前GQ1井已完成壓裂，正在試油。

5 結(jié)論

根據(jù)巖性組合、砂地比、連續(xù)砂體厚度等因素，將鄂爾多斯盆地中生界長7段烴源巖發(fā)育層系內(nèi)致密砂巖和泥頁巖中未經(jīng)過長距離運(yùn)移而形成的石油聚集統(tǒng)稱為頁巖油，并將其細(xì)分為3種類型。

鄂爾多斯盆地長7段頁巖油定義的明確及類型的細(xì)分，為盆地內(nèi)頁巖油勘探開發(fā)明確了攻關(guān)方向及地質(zhì)對象。鄂爾多斯盆地中生界長7段頁巖油具有大面積規(guī)模成藏的重要特征，雖然砂泥巖儲層總體致密，但由于油藏含油飽和度較高、油質(zhì)輕、氣油比較高及埋藏較淺等，長7段頁巖油具備規(guī)?？碧介_發(fā)有利條件，是持續(xù)上產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要接替領(lǐng)域。

近年來，通過系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油地質(zhì)理論認(rèn)識、測井評價、水平井鉆完井、體積壓裂及工廠化作業(yè)等方面取得了系列進(jìn)展，推動鄂爾多斯盆地長7段Ⅰ類頁巖油實(shí)現(xiàn)了規(guī)模有效勘探與開發(fā)。同時針對Ⅱ、Ⅲ類頁巖油積極開展探索攻關(guān)，直井勘探突破出油關(guān)，展現(xiàn)出巨大的勘探潛力。隨著理論認(rèn)識的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油已成為石油上產(chǎn)的重要接替領(lǐng)域，同時對中國陸相頁巖油規(guī)模勘探開發(fā)起到了重要的引領(lǐng)和推動作用。

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作者簡介：

杜克鋒（1992-），男，河南新鄉(xiāng)人，研究生在讀，工程師，主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)與勘探研究。

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083;2.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710065）