蘇北盆地金湖凹陷北港次洼古近系阜寧組二段頁巖油富集特征及主控因素

昝 靈

(中國石化 華東油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，南京 210019)

近年來，隨著北美海相頁巖油實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，針對國內(nèi)陸相頁巖油的勘探開發(fā)也越來越引起油氣公司的重視。通過加強(qiáng)頁巖油基礎(chǔ)地質(zhì)研究，中石油相繼在準(zhǔn)噶爾盆地的二疊系蘆草溝組、渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔店組等探區(qū)獲得頁巖油勘探開發(fā)突破；中石化在渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷、南襄盆地泌陽凹陷、江漢盆地潛江凹陷、蘇北盆地等也取得了頁巖油勘探突破[1-5]。其中部署在蘇北盆地金湖凹陷北港深凹帶的大斜度井獲得初產(chǎn)油22t/d，提交預(yù)測儲量四百多萬噸。蘇北盆地位于郯廬斷裂東側(cè)，屬于后生斷陷盆地，整體劃分為兩坳一隆，其中東臺坳陷是目前油氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場。金湖凹陷北港次洼位于東臺坳陷西側(cè)，總面積202 km2，熱演化程度較高，是探索蘇北盆地頁巖油的有利區(qū)帶。該區(qū)縱向上發(fā)育古近系阜二段、阜四段2套烴源巖，其中阜二段是探索頁巖油藏最有利層系。阜二段自上而下劃分為5個亞段：①亞段為深灰色泥巖；②亞段為深灰色泥巖和厚層泥灰?guī)r；③～④亞段為灰質(zhì)泥巖夾薄層泥灰?guī)r；⑤亞段為灰色泥巖、粉砂巖和泥灰?guī)r，巖性與蘆草溝組的碳酸鹽巖、砂巖等有一定差異[6]。目前國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的陸相頁巖油藏仍然較少，本文在對北港阜二段頁巖油藏解剖的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)剖析烴源及儲集條件，明確富集主控因素，總結(jié)富集規(guī)律，以期對評價(jià)蘇北盆地頁巖油勘探有利區(qū)與勘探部署決策提供參考。

1 地質(zhì)背景

金湖凹陷是蘇北盆地東臺坳陷最西端的一個新生代沉積凹陷，總面積約5 000 km2，經(jīng)歷了晚白堊世的初始拉張階段、阜寧期的坳陷階段、戴南—三垛期的斷陷階段和鹽城期的萎縮階段[7]；發(fā)育石港、銅城和楊村3條區(qū)域性大斷層，平面上發(fā)育三河、汊澗、龍崗、氾水4個次凹；凹陷內(nèi)自西向東依次為西部斜坡帶、石港斷裂帶、汊澗斜坡帶、卞閔楊構(gòu)造帶、唐港構(gòu)造帶、寶應(yīng)斜坡帶6個正向構(gòu)造單元[8-9]，呈現(xiàn)南斷北超、南陡北緩的構(gòu)造格局。研究區(qū)位于石港斷階帶的下降盤，緊鄰西部斜坡帶。阜二段巖性具三分性，上部發(fā)育灰黑色泥巖，中部為灰黑色泥灰?guī)r、含灰—灰質(zhì)泥巖及泥質(zhì)白云巖互層，下部為粉、細(xì)砂巖與灰黑色泥巖、泥灰?guī)r不等厚互層，沉積厚度180～240 m；頁巖油主要位于中部泥灰?guī)r段，常規(guī)油主要聚集于下部砂泥巖互層段。

2 北港頁巖油藏基本特征

2.1 北港頁巖油藏概述

三河深凹是金湖凹陷2大沉積中心之一，東部以石港斷階帶為界，西部向西逐漸過渡到金湖凹陷西斜坡(圖1),阜二段埋深3 000～4 000 m，是金湖凹陷主要生油中心之一[10]。該深凹烴源巖厚度大，演化程度高，阜二段烴源巖Ro>1.0%，阜四段烴源巖Ro達(dá)0.7%～1.0%，油源條件充足，是石港斷階帶的主要油源區(qū)。北港次洼為三河深凹南部的次級凹陷，整體為一凹中隆構(gòu)造，受數(shù)條北東東向展布的反向正斷層分割，從而形成一系列鼻狀構(gòu)造。阜二段中部為泥灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖，局部發(fā)育生屑灰?guī)r和鮞?；?guī)r，厚度90～100 m，發(fā)育源儲一體型泥灰質(zhì)頁巖油藏(圖2)。目前鉆遇北港深洼帶阜二段的鉆井僅1口——BG1井，原油、烴源巖和儲集性等數(shù)據(jù)均來自該井。油藏埋深3 660～3 735 m，地面原油密度為0.867 g/cm3，地面原油黏度18.4 mPa·s，平均初餾點(diǎn)116.43 ℃，為輕質(zhì)油；聲波時(shí)差計(jì)算壓力系數(shù)1.3，頁巖油藏具有“四高一發(fā)育”特征，即高有機(jī)質(zhì)豐度、高脆性礦物、高演化程度、高異常壓力，裂縫發(fā)育。

圖1 蘇北盆地金湖凹陷北港次洼構(gòu)造及取樣井位置

圖2 蘇北盆地金湖凹陷北港次洼BG1井阜寧組二段綜合柱狀圖

原油的飽和烴生物標(biāo)志物特征反映成熟度較高，正構(gòu)烷烴碳數(shù)呈雙峰型，主峰碳為C17和C21，Pr/Ph為1.17(圖3a，b)；成熟度參數(shù)αααC29甾烷20S/(20S+20R)為0.24，C31S/(S+R)為0.57。原油形成于咸化烴源巖，伽馬蠟烷/C30藿烷值為0.25，三環(huán)萜烷含量中等，C20、C21、C23三環(huán)萜烷呈上升型分布(圖3c)；孕甾烷、升孕甾烷含量較高(圖3d)，ααα20RC27、C28、C29甾烷呈“V”型分布(圖3d)，ααα20RC27/C29為0.69。

圖3 蘇北盆地金湖凹陷北港次洼BG1井阜二段原油(3 690～3 700 m)飽和烴生物標(biāo)志物特征

2.2 烴源條件

阜二段頂部為灰黑色泥巖，底部為粉砂巖夾灰質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r，中部為灰黑色灰質(zhì)泥巖、泥晶灰?guī)r，局部發(fā)育生物灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r。烴源巖厚度90～100 m，阜二段中部優(yōu)質(zhì)烴源巖TOC為0.53%～3.73%，平均為1.83%(n=34)；S1+S2為0.96～34.27 mg/g，平均為9.16 mg/g(n=34)，含量大于6 mg/g的樣品占總量的62%；氫指數(shù)(IH)為176～840 mg/g，平均為523 mg/g(n=34)；飽芳比為2.17～7.36，平均為3.67(n=11)；硫含量為0.44%～1.5%，平均為0.98%(n=12)；黃鐵礦含量為1.3%～5.5%，平均為3.6%(n=12)；鍶鋇比為0.08～5.15，平均為0.72(n=51)，反映源巖形成于半咸水的還原環(huán)境[11]。

有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，有機(jī)顯微組分中腐泥組平均為70%(n=11)，有機(jī)質(zhì)以黃綠色熒光的層狀藻類體為主，少量亮黃綠色熒光的結(jié)構(gòu)藻類體(圖4a，b)，含少量黃色熒光的富氫次生組分；殼質(zhì)組平均為12.7%(n=11)，含有的鏡質(zhì)體呈條帶狀或碎屑狀，反光下呈灰色(圖4c，d)；少量棕色熒光的瀝青質(zhì)體，含有一定量貧氫次生組分，顆粒在反光下呈灰白色。阜二段泥灰?guī)r在垛一段沉積末期達(dá)到低成熟，開始生油，在垛二段沉積中期達(dá)到成熟階段，開始大量生烴，現(xiàn)今Ro為1.1%，處于高成熟階段。

圖4 蘇北盆地金湖凹陷北港次洼BG1井阜二段(3 662～3 668 m)灰黑色灰質(zhì)泥巖有機(jī)顯微組分

2.3 含油性特征

BG1井阜二段泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，因此含油性也較好，氯仿瀝青“A”為0.12%～0.54%，平均為0.30%(n=11)；成熟度較高，滯留油和游離油含量均與TOC呈較好正相關(guān)關(guān)系(圖5a，b)，S1為0.03～2.26 mg/g，平均為0.59 mg/g，S1>0.2 mg/g的樣品占總量82%，S1>0.5 mg/g的樣品占總量38%?，F(xiàn)場鉆井過程中氣測異常層累計(jì)厚度達(dá)91 m，異常值最高達(dá)99.989 9%；C1-C5組分齊全，以C1為主，泥灰?guī)r巖心普遍見裂隙含油。由于取心后未及時(shí)開展冷凍和熱解分析，造成輕烴損失較大，后期實(shí)測S1值偏低，含油飽和度(OSI)不高，OSI>50 mg/g的樣品占總樣品的12%(圖5c)。但現(xiàn)場的氣測和巖心的含油顯示均證實(shí)，北港阜二段泥灰?guī)r具有較好的含油性。

圖5 蘇北盆地金湖凹陷北港次洼BG1井阜二段泥頁巖有機(jī)碳與含油性的相關(guān)性

2.4 儲集特征

2.4.1 礦物組成

阜二段泥灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖的黏土礦物含量為11.2%～54.8%，平均39.3%(n=11)；脆性礦物含量較高，平均為60.7%(n=11)，以石英、白云石和方解石為主，石英含量8.0%～24.1%，平均為18.8%(n=11)，白云石含量為2.4%～35.1%，平均為17.4%(n=11)，方解石含量1.5%～72%，平均為17%(n=11)，其他脆性礦物包括長石、黃鐵礦、菱鐵礦，含量低于5.5%。北美頁巖油產(chǎn)層脆性礦物含量為65%～78.5%[12]，比北港阜二段略高，脆性礦物含量影響儲集空間、含油性及后期改造方式。北港阜二段脆性礦物較富集，有利于后期壓裂改造。

2.4.2 儲集物性與儲集空間

泥灰?guī)r實(shí)測孔隙度為4.24%～8.76%，平均7.04%。實(shí)測孔隙度為6.94%的泥灰?guī)r平均孔喉半徑為5 nm，孔喉半徑2～20 nm之間的介孔占總孔隙的50%，孔喉半徑小于2 nm的微孔占總孔隙的21%，孔喉半徑大于20 nm孔隙占總孔隙的27%(圖6)。滲透率為(0.005～84.9)×10-3μm2，無天然裂縫發(fā)育段泥灰?guī)r滲透率低于0.01×10-3μm2，孔隙連通性較差(圖7)，裂縫控制泥頁巖滲透性，3 695～3 720 m偶極聲波測井顯示出良好的裂縫發(fā)育特征，實(shí)測滲透率達(dá)到84.9×10-3μm2。泥灰?guī)r巖心可見大量溶蝕孔，孔內(nèi)富含褐色原油(圖8a)，掃描電鏡下溶蝕孔較發(fā)育(圖8b)。泥灰?guī)r鏡下表現(xiàn)為晶粒結(jié)構(gòu)，含少部分生屑，可見浮游類生物，紋層非常發(fā)育(圖8c，d)，層厚約60 μm；發(fā)育多條層理縫(圖8e，f)，裂縫間近乎平行，裂縫寬約10～15 μm，粉砂質(zhì)泥巖鏡下見粉晶方解石，裂隙含油。溶孔、黏土礦物晶(粒)間孔、碳酸鹽晶(粒)間孔為主要微孔隙。生物灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖、紋層狀泥灰?guī)r儲集條件較好，主要分布在③、④亞段。

圖6 蘇北盆地金湖凹陷北港次洼BG1井阜二段泥灰?guī)r孔喉半徑分布

圖7 蘇北盆地金湖凹陷北港次洼BG1井阜二段泥灰?guī)r孔隙空間分布

圖8 蘇北盆地金湖凹陷北港次洼BG1井阜二段泥灰?guī)r微觀儲集特征

2.5 封蓋條件

北港阜二段泥灰質(zhì)頁巖油藏為源儲一體型油藏，泥灰?guī)r頂部的深湖相泥巖厚度70～80 m，在整個金湖凹陷普遍發(fā)育；該泥巖突破壓力高，達(dá)到25.9 MPa，是金湖凹陷阜二段的良好蓋層。阜二段底部為灰黑色泥巖、泥灰?guī)r與灰色粉、細(xì)砂巖不等厚互層，地層厚度為80～100 m，砂巖厚度為1～4 m，滲透率為(0.146～0.025)×10-3μm2，滲透性較差，油氣顯示不活躍，證實(shí)底板條件比較好。北港次洼位于金湖凹陷深凹帶，后期活動性斷層不發(fā)育[13]，構(gòu)造破壞作用小，因此北港阜二段頁巖油藏保存條件好。

3 富集主控因素探討

3.1 大面積分布的優(yōu)質(zhì)烴源是頁巖油藏形成的物質(zhì)基礎(chǔ)

北港次洼處于金湖凹陷生烴中心，阜二段優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度大、分布范圍廣、成熟度高。阜二段沉積時(shí)期，浮游藻類、介形蟲等生物發(fā)育，水體鹽度適中，有利于有機(jī)質(zhì)后期保存。研究表明，咸化烴源巖在低熟階段即開始生烴[14]，早期生烴可以滿足孔隙本身的吸附；在垛二段沉積時(shí)期已經(jīng)達(dá)到成熟階段，開始大規(guī)模生烴，油氣以短距離運(yùn)移為主，大多在原地聚集成藏；現(xiàn)今烴源巖處于高成熟階段，因此原油油質(zhì)輕，有利于流動。

3.2 地質(zhì)甜點(diǎn)控制頁巖油局部富集

泥灰?guī)r儲層本身較致密，基質(zhì)滲透率僅0.001×10-3μm2，但孔滲條件受到沉積微相、成巖作用及天然裂縫控制，空間上發(fā)育局部甜點(diǎn)。泥灰?guī)r生烴過程中會生成大量有機(jī)酸，有利于形成次生孔隙，掃描電鏡、薄片等揭示烴源巖內(nèi)部發(fā)育大量溶蝕孔。同時(shí)，早期生成的烴類進(jìn)一步抑制烴源巖內(nèi)部礦物的成巖作用，有利于原生孔隙保存[15-16]。巖石的組成和沉積結(jié)構(gòu)是影響巖石物性的重要因素，富有機(jī)質(zhì)的紋層狀泥灰?guī)r比塊狀泥巖具有更好的儲集物性；石英、長石等脆性礦物發(fā)育的層段晶間孔也比較發(fā)育，為烴類聚集提供充足空間；后期的壓裂改造也有利于溝通這些原生孔隙。

天然裂縫發(fā)育也有利于油氣聚集和后期開發(fā)[17]。薄片下也可以見到北港次洼阜二段泥灰?guī)r段水平裂縫發(fā)育，主要是有機(jī)質(zhì)生烴過程中形成的。在有機(jī)質(zhì)大量生烴階段，生成的液態(tài)烴和天然氣會使烴源巖孔隙中烴類體積增大，形成生烴增壓微裂縫[1]，裂縫能顯著提高泥頁巖儲層的滲透率。BG1井阜二段裂縫發(fā)育段實(shí)測滲透率達(dá)到84.9×10-3μm2，既改善了儲層滲透性，又有利于油氣橫向大面積運(yùn)聚成藏，有機(jī)質(zhì)生烴增壓形成的天然裂縫為后期壓裂增產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.3 高異常壓力是頁巖油藏富集高產(chǎn)的關(guān)鍵

泥巖聲波壓實(shí)曲線表明，北港次洼阜二段存在明顯的異常高壓，壓力系數(shù)達(dá)到1.3。阜二段屬于細(xì)粒沉積，沉積速率低，不存在欠壓實(shí)，異常高壓主要由有機(jī)質(zhì)生烴增壓形成。異常高壓使地層保持較高的能量，對于后期頁巖油穩(wěn)產(chǎn)很有幫助。BG1井后期實(shí)施的大斜度井單段(85 m)壓裂后初產(chǎn)油達(dá)到22 t/d，截至目前累產(chǎn)油一千多噸，揭示了阜二段泥灰質(zhì)頁巖油藏具有較好的勘探開發(fā)前景。

4 結(jié)論

(1)北港泥灰質(zhì)頁巖油藏縱向上位于阜二段③～④亞段，具有高有機(jī)質(zhì)豐度、高演化程度、高脆性礦物含量、高異常壓力、天然裂縫發(fā)育的特征。

(2)阜二段③～④亞段灰質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r為優(yōu)質(zhì)烴源巖，實(shí)測TOC含量平均為1.83%，S1平均為0.59 mg/g，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，Ro為1.1%，成熟度較高。原油的植烷、伽馬蠟烷、孕甾烷、三環(huán)萜烷含量中等，形成于半咸水的烴源巖。

(3)阜二段泥灰?guī)r脆性礦物含量平均為60.7%，以石英、白云石和方解石為主。實(shí)測孔隙度為4.24%～8.76%，平均為7.04%，局部溶蝕孔和天然裂縫發(fā)育。

(4)大面積分布的優(yōu)質(zhì)烴源是頁巖油藏形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，地質(zhì)甜點(diǎn)控制了頁巖油局部富集，高異常壓力是頁巖油藏高產(chǎn)的關(guān)鍵，阜二段泥灰質(zhì)頁巖油藏具有較好的勘探開發(fā)前景。