頁巖油儲層“七性”關系評價研究
——以蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段為例

李小龍，孫 偉

(中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，南京 210019)

0 引言

頁巖油是指有效生烴泥頁巖層系內的液態(tài)石油以及各種狀態(tài)賦存的非氣態(tài)烴類[1]。頁巖油儲量計算規(guī)范中明確了探明儲量對頁巖油儲層的地質認識程度。規(guī)范要求，應用適合研究區(qū)頁巖油的測井系列(如常規(guī)、核磁共振、陣列聲波、電成像及元素測井等)，進行儲層“七性”關系評價，以滿足巖性、物性、含油性、電性、脆性、水平地應力各向異性及烴源巖特性的“七性”評價和有效厚度下限確定需要；測井資料應滿足儲量參數解釋需求[2]。2012年趙政璋等提出“七性”關系評價方法，“七性”關系在于實現烴源巖品質評價、儲集層品質評價和工程品質評價[3]。常用的評價方法主要是通過薄片鑒定、掃描電鏡及X射線衍射黏土礦物分析，這些研究目前皆處于單因素的模糊對比分析與評價階段[4]，尚未建立明確的“七性”關系標準。該文利用工區(qū)測井資料與巖心(巖屑)化驗分析資料建立相關性分析，用巖心實驗數據與測井解釋成果相互驗證，總結規(guī)律；綜合阜二段沉積特征、泥頁巖巖石類型劃分、地化特征、巖性對物性的影響、孔隙度與三孔隙度測井曲線的對應特征、含油性與物性的關系以及物性與電性的相關性分析，對脆性及地應力特性進行分析評價，明確工區(qū)頁巖油儲層的“七性”關系特征。

1 研究區(qū)概況

蘇北盆地溱潼凹陷為新生代斷陷湖盆，阜二段沉積時期為斷坳沉積，湖擴體系域，地層分布穩(wěn)定，深凹帶暗色泥巖厚度最大在400 m以上，絕大多數地區(qū)暗色泥巖厚度均在150 m以上(如圖1所示)。阜二段暗色泥巖展布主要受沉積中心控制，呈連續(xù)沉積，深凹和斜坡均有分布，呈現出深凹帶厚、向斜坡減薄的特征，為頁巖油的形成及富集成藏提供了基本地質條件。阜寧組二段是該區(qū)優(yōu)質烴源巖層系，為半深湖-深湖相沉積，主要是一套以暗色泥頁巖為主的沉積巖系，顏色以灰黑色和黑色為主。該套地層主要形成于咸水-半咸水的還原環(huán)境，按巖相組合變化自下而上分為Ⅴ～Ⅰ亞段(如圖2所示)。阜二段沉積早期，即Ⅴ亞段沉積時期，湖盆處于相對封閉狀態(tài)，氣候干燥少雨，蒸發(fā)作用明顯，發(fā)育了厚層灰質泥巖、薄層泥灰?guī)r與厚層泥頁巖；阜二段沉積中期，即Ⅳ～Ⅲ亞段沉積時期，氣候由干熱向濕熱逐漸過渡，降雨頻發(fā)，湖平面頻繁震蕩，發(fā)育了厚層灰黑色泥頁巖夾薄層灰色塊狀泥巖(如圖3所示)。

圖1 蘇北盆地阜二段泥頁巖沉積相分布圖Fig.1 Distribution map of mud shale sedimentary facies of Fu2 Member in Subei Basin

圖3 溱潼凹陷阜二段地層厚度圖Fig.3 Stratum thickness of Fu2 Member in Qintong Sag

2 儲層“七性”關系評價

2.1 巖性特征

阜二段頁巖主要為呈薄層或塊狀產出的灰黑色細顆粒的沉積巖。在化學成分、礦物組成、結構和沉積構造上豐富多樣。根據標準Q/SH 0678—2016《泥頁巖儲層地質評價技術方法》，從分布圖上分析得出，與國內其他陸相頁巖油泥頁巖不同，溱潼凹陷阜二段主要為長英質-黏土質-碳酸鹽三元混合巖相。基于“含油性、層理發(fā)育特征和巖性”，細分為6種巖相類型，頁巖巖石類型主要富有機質紋層狀/層狀，為硅質黏土質混合泥頁巖、硅質碳酸鹽質混合泥頁巖以及黏土質碳酸鹽質混合泥頁巖，含部分含黏土硅質泥頁巖、含碳酸鹽硅質泥頁巖、含硅黏土質泥頁巖、含碳酸鹽黏土質泥頁巖及含硅碳酸鹽質泥頁巖(如圖4所示)。

圖4 阜二段頁巖巖相識別圖版Fig.4 Identification chart of shale facies of Fu2 Member shale

2.2 物性特征

溱潼凹陷為典型的陸相湖盆，阜二段巖相主要為泥頁巖、含灰泥巖、灰質泥巖及灰云質泥巖。泥頁巖孔隙度為1.50%～7.80%，平均孔隙度為3.65%，滲透率為0.003～0.440 mD，總體表現為超低孔超低滲的物性特征。孔隙主要以微孔-中孔為主，孔徑為0.1～0.5 μm。該區(qū)不同巖相孔隙度整體差異不大，平均孔隙度為3.5%～4.0%，其中含黏土硅質頁巖孔隙度最大，平均值為4.0%，說明物性受巖性控制。三孔隙度曲線在研究區(qū)優(yōu)質頁巖油層段主體表現出相對高的聲波時差、相對低的密度和相對低的中子值特征。聲波時差為230～270 μs/m；聲波時差與孔隙度呈正相關趨勢(如圖5所示)。補償中子為10%～22%；補償密度為2.44～2.62 t/m3，補償密度一般小于2.68 t/m3，與孔隙度呈負相關趨勢(如圖6所示)。

圖5 阜二段有效孔隙度與聲波時差關系圖Fig.5 Relationship between effective porosity and acoustic time difference in Fu2 Member

圖6 阜二段有效孔隙度與密度關系圖Fig.6 Relationship between effective porosity and density of Fu2 Member

2.3 地化特征

有機碳測試和熱解參數顯示，溱潼凹陷阜二段泥頁巖層有機質豐度高， 生烴能力強。統計結果表明，TOC為0.79%～4.66%，平均值為1.34%，生烴潛量(S1+S2)平均值為4.2 mg/g。從5個亞段生烴指標來看，有機質豐度呈現頂部和底部低、中間高的特征，Ⅱ～Ⅳ亞段TOC>2%，(S1+S2)>6 mg/g，氫指數HI>400 mg/g，生烴能力更強(見表1)。

表1 溱潼凹陷阜二段烴源巖有機地球化學特征Table 1 Organic geochemical characteristics of source rocks of Fu2 Member in Qintong Sag

溱潼凹陷阜二段泥頁巖層具有較高的氫指數，氫指數HI平均値為283 mg/g，有機質類型較好，為親油性母質。干酪根顯微組分定量統計表明，阜二段烴源巖鏡質組和腐泥組的含量較高，惰質組和殼質組含量較低。溱潼凹陷阜二段烴源巖熱解參數圖版可以看出,阜二段泥頁巖層Ⅰ型和Ⅱ1型指數為12.9%～95.3%,平均值為71.47%,烴源巖從Ⅰ型～Ⅲ型均有分布，但以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，母質類型優(yōu)，利于生油(如圖7所示)。

圖7 溱潼凹陷阜二段烴源巖熱解參數圖版Fig.7 Pyrolysis parameter chart of Fu2 Member source rocks in Qintong Sag

溱潼凹陷阜二段泥頁巖樣品最高熱解峰值Tmax為400～447 ℃，大多數烴源巖樣品Tmax大于435 ℃，鏡質體反射率Ro為0.5%～1.3%，以生油為主。2 700 m以內淺的外斜坡帶成熟度較低，主要處于未成熟-低成熟階段；內斜坡和深凹帶成熟度較高，Ro為0.7%～1.3%，泥頁巖有機質成熟度普遍達到成熟-高成熟階段，成熟烴源巖分布面積約為510 km2，范圍占凹陷的42%。阜二段烴源巖埋深普遍大于生烴門限深度，說明溱潼凹陷80%以上地區(qū)的阜二段烴源巖已進入成熟階段。

2.4 脆性特征

儲層巖石脆性是指其在破裂前未察覺到的塑性變形的性質，亦即巖石在外力作用(如壓裂)下容易破碎的性質。脆性礦物含量大小與頁巖層段壓裂改造密切相關，要獲得較好的壓裂效果，頁巖中的脆性礦物含量一般應大于30%。研究區(qū)阜二段泥頁巖巖石礦物組成主要為黏土礦物、石英、斜長石、方解石、白云石及少量鉀長石和黃鐵礦(圖4所示)。通過對阜二段儲層巖石礦物成分及巖石力學測試結果分析，建立的適用于研究區(qū)的巖石脆性指數公式為:脆性指數=(硅質+鈣質)/礦物總量。分析得知研究區(qū)脆性礦物含量整體較高，長石、石英和方解石等脆性礦物含量平均值為52.3%～66.9%，其中Ⅳ～Ⅴ亞段大于60%,黏土礦物含量平均值為33.1%～47.7%，具有良好的可壓性(如圖8所示)。

圖8 阜二段頁巖段小層脆性礦物含量柱狀圖Fig.8 Histogram of brittle mineral content in shale substrata of Fu2 Member shale

2.5 含油性特征

鉆井揭示研究區(qū)不同巖相含油飽和度參數整體差異不大，平均含油飽和度為58.3%～64.4%，含黏土硅質頁巖飽和度最大，平均值為64.4%，硅質碳酸鹽質頁巖次之，平均值為62.8%，含油飽和度一定程度上受巖性控制。溱潼凹陷阜二段前期26口井見油氣顯示，2020年5月實施的風險探井D1井在阜二段鉆遇暗色泥巖380 m，氣測異常段255 m/12層，其中全烴大于10%的高氣測異常段厚度80 m/5層，位于阜二段下部，TOC>1.0%，厚度為58 m；解釋裂隙含油氣292.4 m/8層。高氣測異常段S1含量為0.14～2.00 mg/g，平均值為0.74 mg/g (如圖9所示)。該井阜二段經壓裂試獲50 t高產油流，取得了點上的突破，顯示出良好的頁巖油勘探潛力。

圖9 D1井阜二段(導眼)錄井綜合柱狀圖Fig.9 Comprehensive histogram of logging in Fu2 Member (guide hole) of well D1

2.6 地應力特征

聲波掃描測井能提供縱波和橫波時差資料，可進行各向異性分析處理，判斷水平最大地層應力的方向，計算水平最大與最小主應力，求取巖石的泊松比、楊氏模量、剪切模量及破裂壓力等重要的巖石力學參數，滿足巖石學參數計算建模的要求，指導頁巖儲層的壓裂改造。該地區(qū)通過聲波各向異性分析有效儲層段最大水平主應力中值為69.9 MPa；兩向水平主應力差值為5.8 MPa，最大主應力與最小主應力相差不大，該套儲層在體積壓裂條件下更易形成復雜縫網，有助于提高儲層壓裂效果。誘導縫走向為北東東—南西西向(約70°)，井壁崩落方位為北西西—南南東向。井旁最大水平主應力方向為北東東—南西西向(70°)?？鞕M波方位約為70°，指示現今最大水平主應力方向為北西—南東向，與誘導縫走向基本一致。各小層可壓性特征柱狀圖表明，縱向上IV亞段和V亞段可壓性最好(如圖10所示)。

圖10 Q1井阜二段可壓性綜合柱狀圖Fig.10 Comprehensive histogram of compressibility of Fu2 Member of well Q1

2.7 電性特征

該地區(qū)阜寧組二段頁巖油層段表現出高自然伽馬、高鈾、相對高聲波時差、相對高電阻率、低密度、相對低中子以及相對低無鈾伽馬的“四高三低”測井響應特征，具體電性特征表現如下：

1)自然伽馬及自然伽馬能譜測井曲線

自然伽馬測井值整體為高值，自然伽馬值GR為75～120 API，平均為99 API。自然伽馬能譜測井反應頁巖儲層段無鈾伽馬值整體為中-高值，為60～102 API；阜寧組二段鈾值為2～7 mg/L，與有機碳含量關系相關性較差。

2)電阻率測井曲線

頁巖油層段電阻率值為5～38 Ω·m，平均值為9 Ω·m。電阻率值與巖石礦物含量(黏土、碳酸鹽巖、硅質含量等)、特殊礦物含量(如黃鐵礦等)及總有機碳含量等因素關系密切。當黏土含量較高時,電阻率相對降低(如圖11所示)。黏土含量大于40%時,電阻率一般低于6 Ω·m；純泥巖電阻率一般低于2 Ω·m；當鈣質含量增加時,電阻率值相對增大。總體上,深電阻率隨孔隙度呈正相關(如圖12所示),與泥質含量呈負相關趨勢。

圖11 阜二段泥質含量與深電阻率關系圖Fig.11 Relationship between shale content and deep resistivity in Fu2 Member

圖12 阜二段有效孔隙度與深電阻率關系圖Fig.12 Relationship between effective porosity and deep resistivity of Fu2 Member

3)FMI成像測井

電成像測井具有很高的縱、橫向分辨能力(分辨率5 mm)，是常規(guī)測井分辨率的100倍，可以十分清楚地反映井壁的地質特征，主要用于識別巖性，進行沉積特征分析、構造分析、薄層分析、裂縫分析以及地應力分析等。不同顏色代表電阻率高低(深色代表低阻，亮色代表高阻)。在FMI成像測井成果圖上，阜寧組二段頁巖油層段巖石結構特征以弱層狀和強層狀為主，部分層段見塊狀、變形構造和富鈣質結核狀特征(如圖13所示)。

圖13 阜二段頁巖層段FMI成像測井特征(深色代表低阻，亮色代表高阻)Fig.13 FMI imaging logging characteristics of shale of Fu2 Member(Dark colors represent low resistance, bright colors represent high resistance)

3 結論

結合巖性、物性、含油性、烴源巖特性和脆性特征進行分析，溱潼凹陷阜二段泥頁巖儲層段“七性”相關性表現出如下特征：

1)溱潼凹陷阜二段主要為層狀灰黑色、深灰色頁巖，脆性礦物含量高，分布較穩(wěn)定。該區(qū)不同巖相孔隙度整體差異不大，含黏土硅質頁巖孔隙度最大，物性一定程度上受巖性控制。

2)阜二段頁巖油儲層段總體表現為低孔超低滲的物性特征，聲波時差與孔隙度呈正相關趨勢，補償密度與孔隙度呈負相關趨勢。最大主應力與最小主應力相差不大，在體積壓裂條件下更易形成復雜縫網，縱向上Ⅳ亞段和Ⅴ亞段可壓性最好。

3)阜二段頁巖油層段具有高自然伽馬、高鈾、相對高聲波時差、相對高電阻率、低密度、相對低中子以及相對低無鈾伽馬的“四高三低”的測井響應特征，儲層段物性與電性相關性較差。深電阻率與泥質含量呈負相關趨勢，與孔隙度呈正相關趨勢。

4)該區(qū)不同巖相含油飽和度參數整體差異不大，含油飽和度一定程度上受巖性控制，含黏土硅質頁巖飽和度最大，硅質碳酸鹽質頁巖次之。優(yōu)質頁巖油層段主體表現為相對高聲波時差及相對低密度值特征。高聲波時差和相對低密度值反映孔隙度增大特征，由此得知含油飽和度與孔隙度呈現正相關關系，含油飽和度受物性控制。