頁巖油“三類、三性”錄井評價(jià)方法及其在饒陽凹陷的應(yīng)用

張文雅 顏懷羽 李 娟 張秀峰 郝 麗 陳京原 郭素杰 張君子 陳 燕

(中國石油渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司)

0 引 言

饒陽凹陷蠡縣斜坡內(nèi)帶-河間洼槽帶沙一下亞段發(fā)育了一套包含油頁巖、鈣質(zhì)頁巖、生物灰?guī)r、鮞灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等多種巖石類型的“特殊巖性段”，埋深3 200～4 200 m，分布面積3 093 km2，厚度100～200 m，計(jì)算資源量5.97億噸，整體分布穩(wěn)定，周邊構(gòu)造簡單，儲集層厚度大、烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，母質(zhì)類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主，是該區(qū)生烴主力層系，也是頁巖油富集的有利區(qū)帶，具有非常廣闊的勘探潛力。由于該區(qū)沙一下亞段已鉆探井獲工業(yè)油流井?dāng)?shù)僅占總井?dāng)?shù)的5%，且低產(chǎn)井占總井?dāng)?shù)的15%，受地質(zhì)認(rèn)識、勘探技術(shù)、試油工藝等因素影響始終未獲較大突破。

饒陽凹陷沙一下亞段為基質(zhì)含油型頁巖油，存在巖性定名難、源巖指標(biāo)新、儲集層評價(jià)難、主控因素多等諸多難點(diǎn)，不能依賴巖相模式多為夾層富集型頁巖油的鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、渤海灣等沉積盆地[1-5]錄井技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)油氣藏的評價(jià)方法無法滿足該頁巖油藏的技術(shù)需求。通過對饒陽凹陷沙一下亞段特殊巖性段119口已鉆新老探井?dāng)?shù)據(jù)采集，尤其是10口取心井234.12 m長度巖心分析描述，以錄井油氣層評價(jià)巖性、物性、含油性、脆性、原油性質(zhì)的“五性”研究成果為基礎(chǔ)，應(yīng)用錄井評價(jià)技術(shù)手段從“三類”即巖石類型、烴源巖類型、源儲組合類型，“三性”即物性、含油性、脆性6個(gè)方面形成了適用于饒陽凹陷頁巖油的錄井綜合評價(jià)方法。

應(yīng)用該方法對新鉆探11口井沙一下亞段頁巖油儲集層進(jìn)行跟蹤評價(jià)，解釋符合率達(dá)81.5%，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 頁巖油“三類”評價(jià)

以往認(rèn)為饒陽凹陷蠡縣斜坡內(nèi)帶-河間洼槽帶沙一下亞段“特殊巖性段”含油顯示主要集中在碳酸鹽巖地層，而泥頁巖為生油層或?yàn)榉馍w層而非儲集層，未受到重視。通過人工識別結(jié)合薄片鑒定、XRD礦物含量分析等錄井方法，首先明確了沙一下亞段巖石類型為一套既能生油又能儲油的頁巖油層，應(yīng)用地化錄井資料對源巖的富集程度進(jìn)行烴源巖類型評價(jià)，針對其源儲共生的特點(diǎn)，對源儲組合模式、配置關(guān)系進(jìn)行分類，形成該地區(qū)頁巖油巖石類型、烴源巖類型、源儲組合類型“三類”基礎(chǔ)特征評價(jià)指標(biāo)，其結(jié)果為該區(qū)頁巖油的發(fā)現(xiàn)提供了精準(zhǔn)的依據(jù)[6]。

1.1 巖石類型

沙一下亞段為濱淺湖-半深湖-深湖區(qū)沉積，泥頁巖層系發(fā)育，總體東厚西薄，埋深適中，巖石類型復(fù)雜，通過1985-2003年6口井107.41 m及2019年針對沙一下亞段特殊巖性取心的4口井126.71 m長度巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中泥頁巖類共占層厚的92%，碳酸鹽巖類僅占層厚的2%,證實(shí)饒陽凹陷沙一下亞段巖性屬以泥頁巖為主的基質(zhì)含油型頁巖油。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用XRD礦物含量分析的337塊鉆井取心加密樣品數(shù)據(jù)，以黏土礦物、陸源碎屑和與其共生的碳酸鹽巖為3個(gè)端元建立圖板，將沙一下亞段頁巖集中段分為云灰質(zhì)頁巖、長英質(zhì)頁巖、混合質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖4種類型[6](圖1)。這種頁巖類巖性精細(xì)識別方法確保了“特殊巖性段”剖面的準(zhǔn)確還原，從而滿足現(xiàn)今頁巖油勘探開發(fā)的需要,為下步的泥頁巖水平井地質(zhì)導(dǎo)向提供可靠的決策依據(jù)[7-8]。

圖1 XRD巖性識別頁巖細(xì)分類圖板

1.2 烴源巖類型

1.2.1 定性評價(jià)

沙一下亞段泥頁巖為頁巖油形成提供了資源基礎(chǔ)，其富集程度與有機(jī)質(zhì)豐度、類型及熱演化程度三方面密切相關(guān)，故應(yīng)用地化錄井巖石熱解數(shù)據(jù)S1、S2、TOC、熱解瀝青“A”、Tmax等指標(biāo)對烴源巖類型定性評價(jià)，進(jìn)而綜合判斷烴源巖好壞。另外，在國內(nèi)外的頁巖油氣勘探和研究過程中還發(fā)現(xiàn)，頁巖油氣烴源巖中普遍含有黃鐵礦，常與有機(jī)質(zhì)伴生疊置，與頁巖油含量正相關(guān)。通過新老鉆井巖心、井壁取心、巖屑樣品的熱解、X衍射分析黃鐵礦含量建立了饒陽凹陷烴源巖分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，分區(qū)帶對應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)選河間洼槽帶沙一下亞段有機(jī)質(zhì)豐度高、可動烴S1含量大、母質(zhì)類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主、熱演化程度高、黃鐵礦含量大于10%的泥頁巖，為頁巖油勘探首選的優(yōu)質(zhì)烴源巖[9-12]。

表1 饒陽凹陷烴源巖分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2 頁巖油資源分級評價(jià)

泥頁巖的含油氣量有明顯差別，評價(jià)這種差別的有效指標(biāo)為頁巖油資源分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中所含油氣量越高，能被有效開發(fā)的可能性也越大。直接反映泥質(zhì)巖中含油量多寡的地球化學(xué)指標(biāo)首推熱解瀝青“A”和熱解烴量S1，與相對穩(wěn)定的TOC的含量指標(biāo)呈很好正相關(guān)關(guān)系，基于饒陽凹陷沙一下亞段97口井965個(gè)熱解參數(shù)值建立了TOC與S1交會、TOC與熱解瀝青“A”交會關(guān)系圖(圖2、圖3)，從圖中可以看出，頁巖含油量隨TOC的變化呈現(xiàn)明顯的三段性[13]。

(1)穩(wěn)定高值段(Ⅰ級資源)：為富集資源，是首選的勘探對象，TOC>2.0%，S1>1.2 mg/g，熱解瀝青“A”含量>0.4 mg/g。

(2)上升段(Ⅱ級資源)：為低效資源，有待技術(shù)進(jìn)步，或與富集資源一起作為開發(fā)對象，TOC為1.0%～2.0%，S1為0.5～1.2 mg/g，熱解瀝青“A”含量為0.2～0.4 mg/g。

(3)穩(wěn)定低值段(Ⅲ級資源)：為難以開發(fā)的無效資源，含油少，強(qiáng)吸附，欠飽和，TOC<1%，S1<0.5 mg/g，熱解瀝青“A”含量<0.2 mg/g。

應(yīng)用饒陽凹陷沙一下亞段頁巖油資源分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)河間洼槽為Ⅰ級富集資源，蠡縣斜坡內(nèi)帶和任西洼槽為Ⅰ-Ⅱ級資源，具備頁巖油資源勘探開發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 S1與TOC交會

圖3 熱解瀝青“A”與TOC交會

1.3 源儲組合類型

針對頁巖油源儲共生的特點(diǎn)，對以上建立的巖石類型和源巖類型進(jìn)行源儲組合模式劃分，借鑒大港油田劃分模式[6]，將沙一下亞段泥頁巖從結(jié)構(gòu)構(gòu)造結(jié)合巖石成分劃分為3類混積巖模式，分別是微層狀(塊狀)、紋層狀和薄層狀(表2)。從巖心實(shí)物可見，薄層狀、紋層狀混積巖模式是因不同礦物組成巖性相互疊合、共生分布，頁巖頁理結(jié)構(gòu)發(fā)育，具有較好的儲集層品質(zhì)，是頁巖油勘探最為有利的巖相，而微層狀雖具有一定頁理，但其頁理密度大，非常致密，儲集層品質(zhì)相應(yīng)較差(圖4)。

源儲配置關(guān)系是頁巖油是否能富集的重要地質(zhì)因素，從巖電組合特征及相關(guān)錄井參數(shù)進(jìn)行源儲組合模式劃分，不同巖性形成的不同源儲組合類型其對應(yīng)熱解分析數(shù)據(jù)變化較大，黏土質(zhì)頁巖有較高的TOC含量，具有良好的生烴能力，而薄層長英質(zhì)、云灰質(zhì)頁巖模式可動烴S1含量普遍較高，其次是紋層狀及微層狀混積巖模式，均具有良好的產(chǎn)油能力[14]。

表2 沙一下亞段泥頁巖層系源儲組合模式劃分

圖4 泥頁巖層系源儲組合模式巖心實(shí)物

2 頁巖油“三性”特征

2.1 物性

饒陽凹陷沙一下亞段巖性是典型的源儲共生基質(zhì)含油型頁巖油，雖然巖性單一，無明顯的優(yōu)勢巖性，但礦物組成復(fù)雜，富含有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦，依據(jù)XRD礦物含量分析數(shù)據(jù)劃分的巖石類別可以輔助識別物性。受沉積環(huán)境變化及壓實(shí)程度影響，不同層段紋層密度相差較大，密度越大巖性越致密，間接反映物性，礦物組成成分和結(jié)構(gòu)決定了頁巖油儲集層的物性，不同的紋層組合和比例構(gòu)成不同的源儲組合類型，不同礦物含量巖性相互疊置的紋層狀、薄層狀混積巖模式儲集層最為有利。

通過巖心精細(xì)描述、薄片鏡下觀察，饒陽凹陷沙一下亞段泥頁巖類紋層結(jié)構(gòu)較為發(fā)育，儲集空間類型多樣，為頁巖油賦存提供了重要的儲集空間，不同巖性儲集層賦存空間多表現(xiàn)為頁理縫+孔隙雙重介質(zhì)特征，長英質(zhì)頁巖以層間縫、粒間孔為主；云灰質(zhì)頁巖以溶蝕孔為主；混合質(zhì)、黏土質(zhì)頁巖以有機(jī)孔為主(圖5)。

沙一下亞段孔隙度多低于15%，滲透率低于10 mD，屬特低孔隙度、超低滲透率儲集層，儲集性能總體較差，在斜坡帶頁巖油儲集層頁理較為發(fā)育，由于物源供給豐富，儲集物性相對較好，但靠近洼槽區(qū)由于沉積環(huán)境變化及壓實(shí)程度影響，埋深增加厚度增大，泥頁巖紋層致密導(dǎo)致物性相對較差，但生烴能力較強(qiáng)。

2.2 含油性

頁巖油氣藏形成的影響因素眾多，一般需要有一定規(guī)模連續(xù)分布富有機(jī)質(zhì)泥頁巖、良好的儲集條件和保存條件等，通過對沙一下亞段巖心、巖屑實(shí)物觀察可見熒光-油斑級顯示，含油部位以微裂縫、頁理縫為主，氣測顯示活躍，背景值較高，全烴值在0.07%～100%之間；熒光薄片觀察發(fā)現(xiàn)，泥頁巖類普遍發(fā)光，但受巖性及烴類富集程度的影響發(fā)光程度各有不同，其中長英質(zhì)、云灰質(zhì)頁巖游離烴含量高，熒光強(qiáng)度較大，含油性較好；混合質(zhì)、黏土質(zhì)頁巖，發(fā)光強(qiáng)度次之，反映含油性較差(圖6)。

圖5 泥頁巖類薄片分析圖片

該地層靠近洼槽區(qū)附近泥頁巖段形成于半深湖-深湖環(huán)境，埋深3 472～4 150 m，地層厚48～160 m，保存條件好，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度較大，熱演化程度適中，氣測值較高；而斜坡內(nèi)帶泥頁巖形成于半深湖環(huán)境，埋深3 122～3 410 m，地層厚50～70 m，厚度較薄，熱演化程度較低，油質(zhì)較重，氣測值相對較低。

圖6 長英質(zhì)頁巖、云灰質(zhì)頁巖、混合質(zhì)頁巖及黏土質(zhì)頁巖熒光薄片

2.3 脆性

頁巖油氣勘探中，儲集層壓裂改造是提高開發(fā)成效的必要手段，脆性好壞直接影響到泥頁巖儲集層網(wǎng)狀裂縫的形成效果，因此脆性評價(jià)是指導(dǎo)開發(fā)工作的重要一環(huán)。泥頁巖中脆性礦物含量達(dá)到較高時(shí)才能獲得較好的壓裂效果，通過對沙一下亞段XRD礦物含量分析中的石英、長石、碳酸鹽巖等脆性礦物含量作為因子進(jìn)行脆性指數(shù)計(jì)算，脆性指數(shù)(BI)=(石英含量+長石含量+碳酸鹽巖含量)/(石英含量+長石含量+碳酸鹽巖含量+黏土含量)，得出的數(shù)值一般越大表明地層可壓性越強(qiáng)；另外在鉆遇泥頁巖地層鉆時(shí)相對較低也可以表明石英、長石、碳酸鹽巖等脆性礦物含量高，地層可鉆性強(qiáng)，脆性指數(shù)相對較高[15]。

總體來看，該地區(qū)沙一下亞段頁巖油儲集層應(yīng)該滿足：(1)黏土質(zhì)含量相對較低，一般低于30%；(2)石英、碳酸鹽巖等脆性礦物含量超過 55%；(3)鉆時(shí)低于上下圍巖，為宜于壓裂改造的有利儲集層段。

3 應(yīng)用效果與實(shí)例

應(yīng)用“三類、三性”頁巖油錄井評價(jià)方法，明確了饒陽凹陷蠡縣斜坡內(nèi)帶-河間洼槽帶沙一下亞段的巖石、烴源巖及其源儲組合類型，總結(jié)了物性、含油性、脆性的相應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對沙一下亞段2019年新鉆11口井跟蹤評價(jià)，通過對泥頁巖段817.5 m的8 443個(gè)地化、薄片、XRD分析等數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，共解釋頁巖油產(chǎn)層157.01 m/71層，其中4口井獲工業(yè)油流，解釋符合率達(dá)81.5%，取得良好的應(yīng)用效果，滿足頁巖油錄井評價(jià)的定量化及準(zhǔn)確化的需要，為該地區(qū)頁巖油下一步勘探部署提供了有利地質(zhì)依據(jù)。

下面以XL 25X井為例，應(yīng)用常規(guī)地質(zhì)、地化、氣測、XRD礦物含量分析等錄井技術(shù)對頁巖油層段3 534.8～3 553 m的55號、56號、63號、64號、66號、67號層從“三類、三性”六方面進(jìn)行綜合評價(jià)(圖7)。

3.1 “三類”評價(jià)

通過XL 25X井巖心XRD礦物成分分析數(shù)據(jù)對解釋層巖石類型進(jìn)行劃分，數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖板上多落于長英質(zhì)、云灰質(zhì)頁巖區(qū)(圖8)；巖石熱解指標(biāo)TOC平均為2.7%，S1為1.15 mg/g，S1+S2為22.92 mg/g，Tmax為437℃；熱解瀝青“A”為0.56 mg/g，黃鐵礦含量為9.5%，均達(dá)到最好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)；該段巖心觀察頁理發(fā)育，密度較小，平均13層/cm，結(jié)合巖電組合特征(圖7)綜合評價(jià)儲集層為紋層狀、薄層狀混積巖模式，具有較好的儲集層品質(zhì)。

3.2 “三性”評價(jià)

XL 25X井3 534.8～3 553 m井段的55號、56號、63號、64號、66號、67號層鉆時(shí)均低于圍巖，頁理密度較小，黃鐵礦含量較高，XRD礦物含量分析除66號層下段和67號層泥質(zhì)含量較重外，其余層泥質(zhì)含量較低，薄片分析共10塊，多見微裂縫、收縮縫，還可見介形類生物碎屑等，整體物性較好；巖屑錄井見熒光-油跡顯示，氣測錄井組分齊全，C1為65.56%～72.95%，C3>C2，呈油層特征，濕度比27%～34%，巖心頁理縫和斷面上均可以見到原油，熒光薄片見黃褐色、淺褐色、淺綠黃色熒光，油氣顯示較好；鉆時(shí)均低于圍巖，脆性指數(shù)平均64.2%，屬于中-好級別，綜合解釋為Ⅰ類頁巖油層。

圖7 XL 25X井錄井綜合圖

圖8 XL 25X井解釋層巖性分類圖板

XL 25X井“三類、三性”評價(jià)結(jié)果表明，該套頁巖油產(chǎn)層巖石類型好，烴源巖類型佳，并具有較好含油性和儲集層品質(zhì)，最終射流泵試油獲6.9 t/d的工業(yè)油流。

4 結(jié)論與建議

通過對錄井資料的精細(xì)分析，總結(jié)出“三類、三性”頁巖油評價(jià)方法，對饒陽凹陷蠡縣斜坡內(nèi)帶-河間洼槽帶沙一下亞段頁巖油產(chǎn)層進(jìn)行評價(jià)，取得了較好的應(yīng)用效果，其中巖石類型、儲集層物性、脆性指標(biāo)等平面展布特征還為頁巖油甜點(diǎn)區(qū)帶指明方向，為下一步水平井甜點(diǎn)層鉆遇率和沙三上亞段頁巖油勘探具有一定的指導(dǎo)意義。

該地區(qū)沙一下亞段巖性單一，是典型的以泥頁巖為主的基質(zhì)含油型頁巖油，但礦物組成復(fù)雜，洼槽區(qū)是以微層狀(塊狀)泥頁巖為主，斜坡內(nèi)帶以紋層狀、薄層狀泥頁巖較為發(fā)育。在洼槽區(qū)附近富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度較大，熱演化程度適中，氣測值較高，而斜坡內(nèi)帶厚度相對較薄，熱演化程度相對較低，油質(zhì)較重，氣測值較低，建議優(yōu)選富有機(jī)質(zhì)泥頁巖連續(xù)分布的河間洼槽區(qū)作為下一步沙一下亞段頁巖油水平井鉆探的首選目標(biāo)，有望獲得頁巖油勘探的突破。

總之，頁巖油氣資源的勘探開發(fā)，為錄井技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間，同時(shí)也對錄井技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，今后還將不斷探索和嘗試錄井新技術(shù)和新方法在頁巖油領(lǐng)域中的應(yīng)用，爭取做到最大化地滿足頁巖油勘探開發(fā)的需要[16]。