蘇北盆地溱潼凹陷古近系阜寧組二段頁巖油富集高產(chǎn)主控因素與勘探重大突破

姚紅生，昝 靈，高玉巧，花彩霞，余文端，駱衛(wèi)峰，馬曉東

(中國石化 華東油氣分公司， 南京 210019)

中國陸相頁巖油資源潛力巨大，主體是中低成熟頁巖油。據(jù)初步評價，中國陸相頁巖油資源量最低為74×108t，最高為372×108t[1]。頁巖油資源豐富，是我國石油增產(chǎn)重要的戰(zhàn)略性接替資源[2]。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，與北美海相頁巖油相比，地質(zhì)條件、資源品質(zhì)、開發(fā)技術(shù)與經(jīng)濟門檻等都有很大差異[3-8]。對比國內(nèi)外頁巖油資源，共性特征是富有機質(zhì)源巖段分布范圍大、厚度較大、有機質(zhì)豐度較高、源巖生烴潛力大、納米級孔隙為主、對烴類有很強的吸附性、儲集空間油氣充滿程度高、大面積連續(xù)分布、資源規(guī)模大等。相比于北美頁巖油氣，中國頁巖油形成分布特點更為復(fù)雜，受構(gòu)造作用影響更大，儲集層縱橫向分布的非均質(zhì)性更強，油氣水關(guān)系相對更加多變，“甜點區(qū)”的評價預(yù)測難度更大，已發(fā)現(xiàn)的頁巖油以陸相中—低成熟度地層為主[9]。

蘇北盆地位于郯廬斷裂東側(cè)，是一個后生的新生代斷陷盆地，主要發(fā)育阜寧組四段、二段和泰州組二段三套烴源巖，已有數(shù)十口井在泥頁巖段獲得工業(yè)油流，展示了較好的頁巖油勘探前景[10]。溱潼凹陷位于蘇北盆地東臺坳陷的中部，總面積1 100 km2，2020年溱潼凹陷深凹帶沙垛地區(qū)阜二段頁巖油勘探取得突破(圖1)，試獲工業(yè)油流50.89t/d，目前累產(chǎn)油9 000余噸，揭示了蘇北盆地溱潼凹陷阜二段具有良好的陸相頁巖油勘探潛力。黎茂穩(wěn)[11]提出陸相頁巖油富集機理研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于生產(chǎn)實踐，迫切需要建立不同地質(zhì)條件的頁巖油選區(qū)評價參數(shù)和甜點預(yù)測方法。沙垛地區(qū)阜二段泥頁巖出油段TOC為1%，具有較低有機質(zhì)豐度、較高的熱演化程度和高氣測全烴值特征，巖性以灰質(zhì)泥巖和含灰泥巖為主，生烴指標(biāo)較濟陽坳陷等偏低，有一定的區(qū)域特色。本文在對溱潼凹陷阜二段泥頁巖生烴特征、含油性、儲集性研究的基礎(chǔ)上，剖析頁巖油富集高產(chǎn)主控因素，深化陸相頁巖油富集高產(chǎn)規(guī)律認(rèn)識，以期為相似盆地的頁巖油勘探提供借鑒。

圖1 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段頁巖油綜合評價Fig.1 Comprehensive evaluation of shale oil in second member of Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

1 烴源巖地化特征

阜二段沉積時期，蘇北盆地溱潼凹陷整體為半深湖—深湖，沉積了一套厚層的暗色泥頁巖，厚度為200～400 m。依據(jù)沉積旋回，縱向上阜二段可分為5個亞段(圖2)[12-13]：Ⅰ亞段巖性主要為灰黑色泥巖，Ⅱ亞段為厚層塊狀含灰泥巖，Ⅲ亞段為灰黑色泥巖與泥灰?guī)r互層，Ⅳ—Ⅴ亞段主要為灰質(zhì)泥巖、灰色泥巖夾少量泥質(zhì)灰?guī)r。沙垛地區(qū)位于阜二段沉積中心，地層厚度達(dá)到390 m，其中Ⅴ亞段為138 m；有機碳含量(TOC)大于2%的泥頁巖厚度大于30 m，主要分布在Ⅲ—Ⅳ亞段，TOC大于1%的泥頁巖廣泛分布，深凹帶大于160 m。

圖2 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive bar chart of second member of Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

阜二段烴源巖母質(zhì)從Ⅰ型到Ⅲ型均有分布，但以Ⅰ型、Ⅱ型為主(圖3)，母質(zhì)類型優(yōu)，利于生油。從殘余有機質(zhì)豐度來看，阜二段烴源巖有機質(zhì)豐度中等，其中Ⅰ亞段實測TOC為0.4%～3.8%，平均為1.15%，氫指數(shù)(IH)為435mg/g；Ⅱ亞段TOC為0.1%～1.8%，平均為1.2%，IH為210 mg/g；Ⅲ亞段TOC為0.2%～0.8%，平均為0.6%，IH為116 mg/g；Ⅳ亞段TOC為0.5%～1.9%，平均為1.2%，IH為262 mg/g；Ⅴ亞段TOC為0.4%～2.5%，平均為0.89%，IH為205 mg/g。阜二段烴源巖實測有機質(zhì)成熟度Ro為0.9%～1.0%，熱演化程度適中。成熟度中等、厚度大、分布廣泛的阜二段泥頁巖,為頁巖油形成與富集提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 蘇北盆地溱潼凹陷阜二段有機質(zhì)類型分布Fig.3 Organic matter type distribution of second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

2 含油性和可動性分析

反映泥頁巖含油性的指標(biāo)為OSI，即單位質(zhì)量有機碳中的游離烴含量(S1)，目前認(rèn)為OSI>100 mg/g是判斷頁巖油有利開發(fā)段的重要指標(biāo)[14]?？蓜有宰钣行У闹笜?biāo)為氣測全烴和S1，由于氣測全烴直接在井口檢測獲取，且組分在C5以下，更能反映原油中輕質(zhì)組分的含量。S1為巖石在熱解儀中加熱到300 ℃時獲取的烴類組分，既包括輕質(zhì)油也有中質(zhì)油，也是判斷可動性的重要指標(biāo)。阜二段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ亞段實測S1平均分別為1.10，1.35，0.50，0.89，0.68 mg/g；OSI平均分別為84，128，92，98，72 mg/g；氣測全烴分別為0.5%～7.6%(平均2.5%)，0.9%～5.8%(平均3.1%)，0.3%～1.2%(平均0.7%)，0.5%～3.1%(平均2.0%)，1.2%～82.1%(平均24.6%)(圖2)。主要根據(jù)氣測全烴含量，結(jié)合S1和OSI參數(shù)，明確阜二段3 790～3 860 m為含油性甜點段。

3 儲集特征

溱潼凹陷阜二段巖性主要為泥巖、含灰泥巖、灰質(zhì)泥巖、灰云質(zhì)泥巖，埋深超過3 500 m，孔隙度為1.5%～7.8%，平均3.9%，滲透率為(0.003～0.12)×10-3μm2，總體為低孔超低滲的物性特征。其中Ⅰ亞段孔隙度為2.4%～7.8%，平均5.0%，平均滲透率為0.03×10-3μm2；Ⅱ亞段孔隙度為1.5%～3.7%，平均2.1%，平均滲透率為0.003×10-3μm2；Ⅲ亞段孔隙度為2.2%～5.3%，平均3.9%，平均滲透率為0.085×10-3μm2；Ⅳ亞段孔隙度為1.9%～5.5%，平均3.4%，平均滲透率為0.12×10-3μm2；Ⅴ亞段孔隙度為2.0%～5.7%，平均3.85%，平均滲透率為0.10×10-3μm2。從不同亞段儲集特征來看，Ⅲ—Ⅴ亞段儲集性能更優(yōu)。

孔隙主要以微孔—中孔為主，孔徑范圍在0.1～0.5μm。通過巖心及微觀鏡下觀察，阜二段儲集空間主要為晶間孔、溶蝕孔、層理縫和微裂縫(圖4)。掃描電鏡可觀察到泥頁巖微觀儲集空間主要為黏土礦物晶間孔和碳酸鹽巖晶間孔、粒間孔(圖4a,b)，其次為微裂縫(圖4c)、有機孔(圖4d)、方解石溶蝕孔(圖4e)；晶間孔和粒間孔孔隙形態(tài)主要為不規(guī)則多邊形，孔隙直徑從幾納米到幾微米不等，微裂縫長多為幾微米到十幾微米，有機孔孔徑范圍在幾納米至幾百納米，分布相對較少，另外存在少量更小孔徑的溶蝕孔；宏觀的儲集空間主要為層理縫和裂縫，巖心可見層理縫較為發(fā)育，部分層段發(fā)育高角度縫，裂縫平直，最長可斷切0.5 m。泥頁巖中層理縫和裂縫為油氣提供了有效的儲集空間，也為油氣提供了主要的滲流通道(圖4f)。

圖4 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段泥頁巖儲集空間特征(掃描電鏡及薄片)Fig.4 Pore structure of mud shale in second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

4 阜二段頁巖油高產(chǎn)主控因素

4.1 成熟度和有機碳含量

溱潼凹陷阜二段烴源巖熱演化程度和TOC適中，頁巖油流動性較好。阜二段成熟烴源巖Ro>0.7%的范圍占70%以上[10]，深凹帶Ro為0.9%～1.0%；火成巖附近泥頁巖實測Ro最高達(dá)1.54%，火山活動具有一定的催熟作用。阜二段S1為0.5～3 mg/g，游離烴含量較高；原油氣油比為40～80 m3/t，原油伴生氣組分齊全，甲烷和乙烷占74%。隨熱演化程度增加，游離油含量逐漸增高，Ro介于0.9%～1.3%時，游離油中的輕質(zhì)組分增多，頁巖油可動性好[15]。埋深大于3 400 m后，S1顯著增加，是尋找頁巖油藏的有利深度(圖5)。研究表明，同等含油量的頁巖中，TOC越低，吸附油量就越少，可動油比例就越高[16]。V亞段甜點段TOC為0.99%～1.61%，S1>0.66 mg/g，氣測全烴大于13.2%，原油組成中輕烴含量達(dá)到21.1%，飽和烴和芳烴含量為67.8%，非烴和瀝青質(zhì)含量低，反映了游離油多、吸附油少。由于深凹帶阜二段有機質(zhì)熱演化程度和有機質(zhì)豐度均比較適中，頁巖油輕組分多、可動性好。

圖5 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組泥頁巖含油飽和度指數(shù)(OSI)隨深度變化趨勢Fig.5 Variation trend of oil saturation index with depthof shale in Paleogene Funing Formation,Qintong Sag, Subei Basin

4.2 保存條件和地層壓力

溱潼凹陷深凹帶構(gòu)造穩(wěn)定，沿構(gòu)造傾向為一簡單的單斜構(gòu)造。從地震剖面可以看出(圖6)，斷層多終止于阜四段，阜二段斷裂不發(fā)育，這為頁巖油富集提供了良好的保存條件?？v向上，Ⅴ亞段上部存在物性較差的致密層(圖2)，對于下部甜點層起到較好的封蓋作用。隔層具有低聲波時差、低電阻率和低TOC的特征；隔層橫向連續(xù)性好，平面上分布穩(wěn)定，厚度為30～50 m，區(qū)域封堵能力強，是頁巖油富集高產(chǎn)的主要因素之一。

圖6 蘇北盆地溱潼凹陷過SD1井地震剖面Fig.6 Seismic profile through well SD1, Qintong Sag, Subei Basin

地層熱演化史分析表明，阜二段泥頁巖在三垛組垛一段沉積時期進入低成熟階段(圖7)，開始生烴，在垛二段沉積初期進入成熟階段，大規(guī)模生烴。與烴類包裹體共生的鹽水包裹體均一化溫度為109～115 ℃，對應(yīng)成藏期為垛二段沉積初期，這與烴源巖熱演化史相對應(yīng)。后期隨著地層溫度不斷升高，阜二段泥頁巖生成的油氣大量在原地聚集成藏，形成源儲一體型頁巖油藏。受良好保存的影響，三垛組沉積期以來持續(xù)生烴形成異常高壓，壓力系數(shù)為1.25，地層能量高，為頁巖油自然高產(chǎn)提供了有利保障。

圖7 蘇北盆地溱潼凹陷深凹帶阜寧組二段烴源巖熱演化史Fig.7 Thermal evolution history of source rocks in second memberof Paleogene Funing Formation in deep subsag of Qintong Sag, Subei Basin

4.3 脆性礦物含量和紋層發(fā)育程度

脆性礦物含量直接影響頁巖油可壓性，是頁巖油能否有效產(chǎn)出且高產(chǎn)的保證。較高脆性礦物有利于壓裂施工，增加人工滲流通道。阜二段中上部泥頁巖儲層黏土礦物含量為21%～37%，平均30.4%，下部泥頁巖黏土礦物含量為23.9%～36%，平均為27.8%；黏土礦物主要以伊/蒙混層為主，平均相對含量為71.4%。Ⅲ—Ⅴ亞段脆性礦物主要以石英、長石、方解石、鐵白云石為主，含量較高為70.5%～86.5%，平均76.4%，而Ⅰ—Ⅱ亞段主要以黏土、石英礦物為主，黏土礦物含量為41.1%～58.6%，平均為48.3%。脆性礦物含量越高，加砂越容易，破裂壓力越低[17]，證實了脆性礦物含量高，具有良好的可壓性，是頁巖油高產(chǎn)的保證。

密集層理縫是頁巖油富集的關(guān)鍵因素[18]。頁巖油屬于源內(nèi)自生自儲型富集模式，富集程度取決于儲層孔縫的發(fā)育程度。阜二段泥頁巖儲層整體相對致密，層理的發(fā)育程度直接影響泥頁巖孔、滲系統(tǒng)，層理縫為油氣提供了良好的儲集空間，提高了地層的滲透性，是頁巖油富集的關(guān)鍵[19]。阜二段紋層狀構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育層段為Ⅲ—Ⅴ亞段，成像測井顯示紋層厚度為0.2～0.5 mm，Ⅴ亞段紋層密度可達(dá)45層/m(圖8)。由于阜二段沉積時期為廣盆沉積，該巖相在凹陷內(nèi)分布范圍廣，橫向上可對比性強。富有機質(zhì)紋層狀泥頁巖微裂縫、層理縫和溶孔較發(fā)育(圖9)，與塊狀泥頁巖相比，儲集性能更好，滲透率是后者的十倍以上，紋層面是頁巖油流動的有利通道[20]。

圖8 蘇北盆地溱潼凹陷富有機質(zhì)紋層狀泥巖測井圖Fig.8 Imaging log of organic-rich laminated mudstone in Qintong Sag, Subei Basin

圖9 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段不同巖相泥頁巖巖心特征Fig.9 Core characteristics of shale with different lithofacies in second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

5 勘探重大突破及其意義

受國內(nèi)外頁巖油勘探開發(fā)成功實踐的啟發(fā)，為尋找資源戰(zhàn)略接替，根據(jù)溱潼凹陷頁巖油有利區(qū)帶研究成果[13]，優(yōu)選溱潼深凹帶沙垛構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)部署SD1井。該井阜二段泥巖厚390 m，TOC大于1.0%厚160 m，鉆遇高氣測異常段80 m(全烴大于10%)，槽面見5%～10%油花、10%～20%氣泡。其中阜二段V亞段3 790～3 860 m氣測全烴為4%～81%，平均28%，孔隙度為1.5%～7.2%，平均3.6%，Ro為0.9%～1.0%，S1平均為0.9mg/g，脆性礦物含量72.2%，黏土礦物中伊/蒙混層含量為50%，具有高氣測、儲層物性好、熱演化程度適中、脆性礦物含量高的特征，優(yōu)選該井段實施壓裂改造。

根據(jù)阜二段泥頁巖埋深大、微裂縫發(fā)育、塑性強的儲層特點，SD1井采用“大規(guī)模注液、以水換油”壓裂新理念，應(yīng)用“大規(guī)模注液+表活劑改性驅(qū)油+超低密陶粒遠(yuǎn)端支撐”工藝，實現(xiàn)儲層有效改造。分七段實施壓裂，壓裂單段長56～88 m，總加砂量為506.3 m3，總壓裂液為27 886.2 m3，平均單段縫長192 m，縫高38 m，總改造體積1 021×104m3。2020年11月16日放噴試油，返排率為1.86%時開始出油，測試最高日產(chǎn)油50.9 t；目前返排率29.86%，套壓7.16 MPa，3 mm油嘴試采，日產(chǎn)油22 m3，氣油比67～76 m3/t，原油密度0.866 8 g/cm3，動力黏度27.53 mPa·s，含硫量0.16%～0.51%，含蠟量18.19%，凝固點33 ℃，屬于中質(zhì)油。天然氣組分以甲烷和乙烷為主(74%)，累計產(chǎn)油9 042 t，預(yù)測單井最終可采儲量為2.23×104t。

沙垛阜二段頁巖油具有低TOC(1%)、低氣油比(40～80 m3/t)、高異常壓力(1.25 MPa)的特征，突破了以往陸相頁巖油產(chǎn)量遞減快、自然產(chǎn)能低的規(guī)律，證實了基質(zhì)型頁巖油藏具有較好的穩(wěn)產(chǎn)特征。中國石化頁巖油資源主要為基質(zhì)型，其中蘇北盆地頁巖油資源量7×108t，SD1井的成功，降低了陸相頁巖油評價門限標(biāo)準(zhǔn)，拓展了頁巖油的發(fā)展空間，為頁巖油規(guī)?？碧介_發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)，對其他陸相盆地頁巖油研究及勘探具有重要的借鑒意義。

6 結(jié)論

(1)溱潼凹陷深凹帶阜二段TOC大于1%的泥頁巖厚度大于160 m，Ro為0.9%～1.0%。泥頁巖厚度大，熱演化程度適中，具備頁巖油富集的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)阜二段泥頁巖孔隙度為1.5%～7.8%，平均3.9%，滲透率(0.003～0.12)×10-3μm2，總體為低孔超低滲的物性特征；主要儲集空間為晶間孔、溶蝕孔、層理縫和微裂縫。

(3)連續(xù)性大面積分布的優(yōu)質(zhì)泥頁巖是油氣富集的基礎(chǔ)，保存條件是成藏的關(guān)鍵，熱演化程度是含油性的決定因素，異常高壓、紋層發(fā)育和較高脆性礦物含量是高產(chǎn)的重要因素。

(4)沙垛阜二段頁巖油具有低TOC(1%)、低氣油比(40～80 m3/t)、高異常壓力(1.25 MPa)的特征，SD1井的成功，降低了陸相頁巖油的評價門限標(biāo)準(zhǔn)，拓展了頁巖油的勘探開發(fā)前景。