潿西南凹陷流沙港組頁巖油賦存特征及可動(dòng)性評(píng)價(jià)

胡德勝，游君君，孫文釗，白楠，周剛

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

頁巖油作為非常規(guī)油氣的一種，具有連續(xù)分布、自生自儲(chǔ)、資源量巨大等特征，是中國油氣領(lǐng)域戰(zhàn)略性接替資源［1-2］。我國頁巖油資源豐富，目前已先后建立了新疆吉木薩爾、長慶隴東和大慶古龍3 個(gè)頁巖油國家級(jí)示范區(qū)［3-4］。頁巖油的賦存狀態(tài)是制約頁巖油開發(fā)的首要問題，這是因?yàn)轫搸r油在巖石儲(chǔ)集空間中的賦存量和賦存形式?jīng)Q定了頁巖油的可動(dòng)性，可動(dòng)性則決定了頁巖油的開采效果［5-6］。現(xiàn)階段，對(duì)于頁巖油賦存特征和可動(dòng)性評(píng)價(jià)的研究方法包括多溶劑逐級(jí)抽提法、多溫階熱解法、激光共聚焦法、核磁共振法和分子動(dòng)力學(xué)法等［7-16］。

2022 年5 月，中海油在潿西南凹陷部署了我國海上首口頁巖油探井潿1（W-1）井，壓裂測試成功并獲得商業(yè)油流，標(biāo)志著我國海上頁巖油勘探取得重大突破，展示了海上頁巖油領(lǐng)域廣闊的勘探前景［17］。但潿西南凹陷頁巖油勘探仍處于初級(jí)階段，亟需明確頁巖油賦存特征及其可動(dòng)性評(píng)價(jià)，為下一步有利區(qū)的優(yōu)選提供參考。本文以流沙港組二段（流二段）下層序—流沙港組三段（流三段）上層序?yàn)檠芯繉?duì)象，通過有機(jī)地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)明確其烴源條件，利用熒光薄片和激光共聚焦實(shí)驗(yàn)明確不同類型頁巖油賦存特征，并應(yīng)用多溫階熱解實(shí)驗(yàn)定量表征其可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步明確不同類型頁巖油可動(dòng)性的主控因素。

1 地質(zhì)概況

潿西南凹陷位于南海西部北部灣海域（見圖1），是一個(gè)在前古近系基底上發(fā)育的以新生代沉積為主的斷陷湖盆［18-19］，經(jīng)歷了古近紀(jì)裂陷和新近紀(jì)坳陷2 個(gè)演化階段。始新世時(shí)期，在強(qiáng)裂陷作用下，湖盆范圍擴(kuò)大，水體急劇加深，在流沙港組二段下層序—流沙港組三段上層序沉積了一套以油頁巖、泥巖和頁巖為主，同時(shí)發(fā)育薄層砂巖的優(yōu)質(zhì)頁巖油層系。

圖1 潿西南凹陷周緣構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Tectonic division of the periphery of Weixi′nan Sag

從底部流沙港組三段上層序—頂部流沙港組二段下層序，潿西南凹陷沉積相從前三角洲亞相濁積水道、席狀砂微相向半深湖—深湖相轉(zhuǎn)變，砂體發(fā)育逐漸減弱，厚度逐漸減薄。因此，基于沉積相和巖石組構(gòu)特征的變化，利用砂地比和單層砂體厚度2 個(gè)參數(shù)，將該套頁巖油層系劃分為基質(zhì)型、紋層型、夾層型、互層型4種類型（見圖2）：基質(zhì)型巖性主要為黑褐色油頁巖，砂地比小于1%，單層砂體厚度小于0.005 m；紋層型巖性主要為黑褐色油頁巖，偶見灰褐色泥質(zhì)粉砂巖薄層，砂地比介于1%～5%，單層砂體厚度介于0.005～0.200 m；夾層型巖性主要為黑褐色油頁巖夾灰褐色粉砂巖薄層，砂地比介于5%～20%，單層砂體厚度介于0.200～2.000 m；互層型巖性主要為灰褐色泥巖，同時(shí)發(fā)育灰褐色粉砂質(zhì)泥巖、 粉砂巖、 細(xì)砂巖薄層，砂地比介于20%～30%，單層砂體厚度介于2.000～4.000 m。

圖2 W-1 井地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Well W-1

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文實(shí)驗(yàn)樣品來自W-1 井和A-1 井，巖心樣品共32 個(gè)，完成了熒光薄片、激光共聚焦、常規(guī)巖石熱解和多溫階熱解實(shí)驗(yàn)。巖屑樣品139 個(gè)，完成了有機(jī)碳測定、 巖石熱解分析、 族組分分析和全巖礦物衍射等實(shí)驗(yàn)。熒光薄片實(shí)驗(yàn)樣品為塊狀樣，垂直層理面制作薄片，使用Axio Imager A2m 偏光顯微鏡，通過藍(lán)色熒光源進(jìn)行鏡下觀察。激光共聚焦實(shí)驗(yàn)樣品為塊狀樣，使用Zeiss LSM700 激光共聚焦顯微鏡，進(jìn)行20 層切片掃描成像，其原理基于不同賦存狀態(tài)原油反射激光波長的差異，后期利用軟件將激光聚焦圖像進(jìn)行可視化表征。常規(guī)巖石熱解和多溫階熱解樣品為粉末樣，使用ROCK-EVAL 6 熱解儀，F(xiàn)ID 檢測范圍介于100 V～125 mV。其中，多溫階熱解升溫程序設(shè)定為200 ℃恒溫1 min、350 ℃恒溫1 min、450 ℃恒溫1 min、600 ℃恒溫1 min。以上實(shí)驗(yàn)樣品送至中海油湛江實(shí)驗(yàn)中心完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 有機(jī)地化特征

對(duì)潿西南凹陷流三段上層序—流二段下層序不同類型的頁巖油儲(chǔ)層開展烴源巖品質(zhì)評(píng)價(jià) （見圖3），由圖3 可知，基質(zhì)型和紋層型屬于優(yōu)烴源巖，夾層型和互層型屬于好烴源巖。

圖3 W-1 井流三段上層序—流二段下層序生烴品質(zhì)Fig.3 Hydrocarbon generation quality from the upper sequence of the third Member to the lower sequence of the second Member of Well W-1

基質(zhì)型和紋層型的母質(zhì)類型以Ⅰ型為主，少量為Ⅱ1型；總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）為0.86%～10.30%，平均為5.11%；熱解烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)（S1）為0.8～25.9 mg/g，平均為8.48 mg/g；含油飽和度指數(shù)（OSI）為86.65～426.92 mg/g，平均為169.70 mg/g，整體含油性較好。夾層型和互層型的母質(zhì)類型以Ⅰ型、Ⅱ1型為主；TOC 為0.76%～7.83%，平均為2.15%；S1為2.61～14.35 mg/g，平均為4.40 mg/g；OSI 為49.94～500.72 mg/g，平均為260.92mg/g，相對(duì)基質(zhì)型和紋層型含油性偏低，但可動(dòng)性更好。

潿西南凹陷流沙港組生烴門限約為2 400 m［20］，W-1 井該段頁巖油層系埋深介于2 944～3 253 m，正處于生油階段，整體烴源巖品質(zhì)好，母質(zhì)類型利于生油，可動(dòng)性較好，為頁巖油的勘探開發(fā)提供了有利條件。

3.2 頁巖油賦存特征

基質(zhì)型和紋層型頁巖油儲(chǔ)層鏡下顯示發(fā)育明顯的層理構(gòu)造，主要為黏土層和有機(jī)質(zhì)黏土混合層，局部發(fā)育小型透鏡狀粉砂體（見圖4a—e）。夾層型和互層型頁巖油儲(chǔ)層多發(fā)育薄層砂巖，以石英、長石和巖屑礦物為主，粒徑介于100～500 μm，粒間充填泥質(zhì)（見圖4f—i）。根據(jù)原油的不同組分在紫外光或藍(lán)光等激發(fā)下會(huì)發(fā)出不同顏色熒光的特征，可直觀地觀察到石油瀝青在儲(chǔ)層中的分布狀況，為巖石含油性、石油賦存狀態(tài)提供微觀可視化信息［21］。

圖4 不同類型頁巖油儲(chǔ)層熒光薄片特征Fig.4 Characteristics of fluorescent thin sections of different types of shale oil reservoirs

在藍(lán)光激發(fā)下可以發(fā)現(xiàn)，4 種類型頁巖油儲(chǔ)層整體都顯示出明顯的熒光特征，以中亮橙色、褐橙色、黃色和中暗綠色等為主，油質(zhì)瀝青、膠質(zhì)瀝青和瀝青質(zhì)瀝青都有發(fā)育，具有較高—中低級(jí)別含油性（見圖4）。其中：基質(zhì)型和紋層型頁巖油儲(chǔ)層中，有機(jī)質(zhì)浸染黏土層以中暗綠色熒光為主，發(fā)光強(qiáng)度較低，組分重；而黏土層以中亮褐橙色熒光為主，相對(duì)而言發(fā)光強(qiáng)度更高，同時(shí)可見部分透鏡狀瀝青發(fā)亮—中亮橙色、黃色熒光，為油質(zhì)瀝青，組分相對(duì)更輕（見圖4c，e）。夾層型和互層型頁巖油儲(chǔ)層中，瀝青主要集中分布于長英質(zhì)礦物粒間孔內(nèi)泥質(zhì)充填物中，局部豐度較高，發(fā)亮—中暗黃色、褐黃色、黃褐色熒光，以油質(zhì)瀝青為主，瀝青質(zhì)瀝青為輔，整體相對(duì)于基質(zhì)型和紋層型頁巖油儲(chǔ)層的組分更輕（見圖4g，i）。

熒光薄片雖然能夠在一定程度上反映頁巖油的賦存狀態(tài)，但熒光無法反映飽和烴的分布，而飽和烴是可動(dòng)油中重要的組成部分。因此，本文通過激光共聚焦技術(shù)，利用不同分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)在同一激光源照射下產(chǎn)生不同波長的熒光來區(qū)分石油輕重組分，并運(yùn)用軟件對(duì)頁巖油組分微觀分布進(jìn)行可視化表征［22-23］。其中：綠色表示頁巖油輕質(zhì)組分，以飽和烴和芳香烴為主，可動(dòng)性相對(duì)較高；紅色表示頁巖油重質(zhì)組分，以非烴和瀝青質(zhì)為主，可動(dòng)性相對(duì)較低。結(jié)果表明，不同類型頁巖油微觀分布存在一定共性，表現(xiàn)為輕、重組分呈點(diǎn)狀或彌漫狀分布于基質(zhì)孔隙中，且分異性不明顯。但在局部區(qū)域，頁巖油輕、重質(zhì)組分分別存在一定的富集現(xiàn)象。其中：頁巖油重質(zhì)組分主要富集于部分有機(jī)質(zhì)殘?bào)w內(nèi)（見圖5a，b）； 而輕質(zhì)組分一部分富集于部分透鏡狀粉砂體內(nèi)相對(duì)較大的粒間孔隙內(nèi)，一部分富集于層理縫內(nèi)（見圖5c—f）。

圖5 不同類型頁巖油儲(chǔ)層激光共聚焦成像特征Fig.5 Laser confocal imaging features of different types of shale oil reservoirs

3.3 頁巖油可動(dòng)性評(píng)價(jià)

多溫階熱解技術(shù)是現(xiàn)階段運(yùn)用較多的對(duì)可動(dòng)油和吸附油定量評(píng)價(jià)的方法之一。前人主要通過進(jìn)一步細(xì)分常規(guī)熱解升溫階段，并結(jié)合熱解組分色譜分析對(duì)各階段熱解產(chǎn)物進(jìn)行分析，驗(yàn)證其烴組分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中S1-1為輕油組分（200 ℃恒溫1 min），S1-2為輕中質(zhì)油組分（350 ℃恒溫1 min），S2-1為重?zé)N、膠質(zhì)瀝青（450 ℃恒溫1 min），S2-2為干酪根熱解再生烴（600 ℃恒溫1 min）。其中，S1-1反映了現(xiàn)實(shí)可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，S1-1+S1-2反映了最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，S2-1反映了吸附油質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含重?zé)N和干酪根互溶烴），S1-1+S1-2+S2-1反映了總含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)，（S1-1+S1-2）/（S1-1+S1-2+S2-1）反映了最大可動(dòng)油占比［21］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示： 基質(zhì)型頁巖油儲(chǔ)層總含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.06～20.84 mg/g，平均為17.15 mg/g；最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.88～11.61 mg/g，平均為9.09 mg/g；最大可動(dòng)油占比為47.70%～59.97%，平均為52.90%。紋層型頁巖油儲(chǔ)層總含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.72～33.07 mg/g，平均為21.89 mg/g；最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.05～19.29 mg/g，平均為12.53 mg/g； 最大可動(dòng)油占比為48.98%～63.16%，平均為57.32%。夾層型頁巖油儲(chǔ)層總含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.37～20.72 mg/g，平均為17.05 mg/g；最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.29～11.94 mg/g，平均為10.12 mg/g；最大可動(dòng)油占比為62.00%～57.63%，平均為59.80%。互層型頁巖油儲(chǔ)層總含油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.25～48.84 mg/g，平均為27.64 mg/g；最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.94～42.63 mg/g，平均為24.45 mg/g； 最大可動(dòng)油占比為85.84%～91.78%，平均為88.30%。

本次多溫階熱解實(shí)驗(yàn)中，基質(zhì)型、紋層型和夾層型頁巖油儲(chǔ)層樣品取自油頁巖，紋層型頁巖油儲(chǔ)層整體可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)和可動(dòng)油占比較高，基質(zhì)型和夾層型相當(dāng)；而互層型頁巖油儲(chǔ)層的樣品取自砂巖薄層，可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)和可動(dòng)油占比遠(yuǎn)超過其他3 種類型（見圖6）。這表明互層型頁巖油儲(chǔ)層中相對(duì)較為發(fā)育的砂巖薄層最易于富集可動(dòng)油，是潿西南凹陷頁巖油勘探開發(fā)的首要目標(biāo)，該結(jié)果與前文所述的頁巖油賦存特征一致。

圖6 不同類型頁巖油儲(chǔ)層多溫階熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of multi-temperature pyrolysis of different types of shale oil reservoirs

3.4 頁巖油可動(dòng)性主控因素

3.4.1 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是影響頁巖油可動(dòng)性的因素之一，在干酪根生烴的整個(gè)過程中，隨著成熟度增加，受干酪根及其產(chǎn)物降解作用的影響，產(chǎn)物相應(yīng)地發(fā)生改變，飽和烴和芳香烴代表其中主要的輕質(zhì)組分。成熟度主要受埋深的影響，成熟度與埋深呈正相關(guān)。結(jié)合潿西南凹陷其他鉆遇流三段上層序—流二段下層序的井資料發(fā)現(xiàn)：隨著成熟度的增加，S1隨之增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)入生烴高峰期；飽和烴+芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣隨之增大，表明頁巖油可動(dòng)性越來越好（見圖7）。

圖7 埋深對(duì)頁巖油可動(dòng)性的影響Fig.7 Influence of burial depth on shale oil mobility

3.4.2 有機(jī)質(zhì)豐度

吸附油（以瀝青質(zhì)和非烴組分為主）中含有大量極性官能團(tuán)，具有極性強(qiáng)、分子量大的特征，這使得其更易通過離子鍵或氫鍵等形式吸附在干酪根表面［24］，可動(dòng)油則具有相反的特征。如圖8a 所示：TOC 小于4%時(shí)，其與最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)；TOC 大于4%時(shí)，最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。這表明在TOC 小于4%時(shí)，有機(jī)質(zhì)生烴主要滿足其自身吸附作用及充填自身儲(chǔ)集空間，有機(jī)質(zhì)豐度越高，可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，直至開始排烴，可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定。而對(duì)于有機(jī)質(zhì)自身來說，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸附油質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，與最大可動(dòng)油占比呈負(fù)相關(guān)，與吸附油占比呈正相關(guān)（見圖8b—d）。這與前文有機(jī)質(zhì)浸染黏土層和部分有機(jī)質(zhì)殘?bào)w中多富集頁巖油重質(zhì)組分認(rèn)識(shí)一致，說明有機(jī)質(zhì)對(duì)頁巖油重質(zhì)組分具有強(qiáng)吸附性。

圖8 有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)頁巖油可動(dòng)性的影響Fig.8 Influence of organic matter abundance on shale oil mobility

3.4.3 儲(chǔ)層物性及礦物組成

潿西南凹陷基質(zhì)型、 紋層型和夾層型油頁巖儲(chǔ)層以頁巖為主，互層型則發(fā)育大量薄層砂巖，巖性的不同意味著儲(chǔ)層物性、礦物組成和儲(chǔ)集空間的變化，進(jìn)一步影響頁巖可動(dòng)油的富集。孔隙度、長英質(zhì)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)未見明顯相關(guān)性（見圖9）。但這種相關(guān)性實(shí)際上是由砂巖樣品引起的，油頁巖樣品并未見明顯相關(guān)性。究其原因認(rèn)為，對(duì)于純油頁巖層，由于具有相對(duì)較高的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此一方面具有較強(qiáng)的吸附能力，另一方面塑性較強(qiáng)，難以形成有效孔隙。依據(jù)前文研究，其可動(dòng)油的富集主要依靠于層理縫的發(fā)育。而對(duì)于薄層砂巖，其物性更好，易于發(fā)育孔徑較大的孔隙，為可動(dòng)油的富集提供了有效的儲(chǔ)集空間，因此常形成薄層砂巖甜點(diǎn)段。在現(xiàn)階段技術(shù)條件下，薄層砂巖發(fā)育的互層型油頁巖儲(chǔ)層更有利于后期開發(fā)。

圖9 物性、礦物組成對(duì)頁巖油可動(dòng)性影響分析Fig.9 Analysis of the influence of physical property and mineral composition on shale oil mobility

4 結(jié)論

1）潿西南凹陷流二段下層序—流三段上層序發(fā)育基質(zhì)型、 紋層型、 夾層型和互層型4 種類型頁巖油儲(chǔ)層，整體有機(jī)質(zhì)豐度高，生烴潛力大，母質(zhì)類型以Ⅰ，Ⅱ1型為主，屬于好—優(yōu)烴源巖，且整體處于生油階段。

2）潿西南凹陷流二段下層序—流三段上層序可動(dòng)油賦存于基質(zhì)型、 紋層型和夾層型頁巖油儲(chǔ)層發(fā)育的微裂縫、 透鏡狀粉砂體粒間孔隙以及互層型頁巖油儲(chǔ)層內(nèi)的砂巖薄層，吸附油則賦存于有機(jī)質(zhì)殘?bào)w表面。

3）互層型頁巖油儲(chǔ)層最大可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.94～42.63 mg/g，平均為24.45 mg/g，可動(dòng)油占比高達(dá)80%以上，是潿西南凹陷頁巖油勘探開發(fā)的首要目標(biāo)。基質(zhì)型、紋層型和夾層型頁巖油儲(chǔ)層可動(dòng)油占比相當(dāng)，但紋層型頁巖油儲(chǔ)層可動(dòng)油質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，是潿西南凹陷頁巖油勘探開發(fā)的次要目標(biāo)。

4）在生油窗內(nèi)，埋深（成熟度）越大，頁巖油可動(dòng)性越好；有機(jī)質(zhì)豐度越高，生油量越大，TOC＞4%后趨于穩(wěn)定，但對(duì)頁巖油吸附作用也越強(qiáng)；薄層砂巖相對(duì)發(fā)育的互層型頁巖油儲(chǔ)層更易于形成可動(dòng)油富集甜點(diǎn)段。