渤海灣盆地博興洼陷沙四上亞段泥頁巖儲層含油性與可動性評價

黃文歡，陳全騰，丁慧霞

中石化勝利油田分公司 純梁采油廠，山東 博興 256600

0 引言

近些年來，隨著北美等地對頁巖油氣的成功勘探開發，中國亦針對這類非常規油氣資源在松遼、鄂爾多斯、四川和濟陽等東部斷陷含油氣盆地開展了大量的勘探和研究工作[1-6]。在頁巖油氣的儲集特征[7-10]與評價[11-15]等方面取得重要研究進展。勝利油田在濟陽坳陷的東營凹陷先后部署了牛頁1、樊頁1及利頁1等頁巖油專探井，同時通過老井復查等工作，其中有800多口探井在泥頁巖層系見到了一定的油氣顯示，38口油井獲得了工業油氣流，針對泥頁巖層系部署的頁巖油投產井也獲得了良好的產能，顯示出東營凹陷具有良好的頁巖油資源前景[16-17]。

近期，勝利油田重點針對東營凹陷的博興洼陷古近系沙河街組沙四上亞段泥頁巖層系進行陸相頁巖油勘探，但該區沙四上亞段泥頁巖層系巖性復雜，非均質性強，泥頁巖儲層物性、含油性與可動性等基礎地質認識尚存在不足，進而導致頁巖油勘探效果不理想，如F158等井的沙四上亞段泥頁巖層系中雖然見到了油氣顯示，個別探井也有工業油流產出，但總產量不高。因此為了解決上述問題，筆者對近些年來該區部署的相關探井巖芯進行了系統采集和分析，梳理博興洼陷沙四上亞段泥頁巖層析礦物巖石組合，探討頁巖油富集主控因素和可動性，為中國陸相頁巖油勘探開發提供新思路。

1 區域地質概況

東營凹陷中發育了利津、博興、牛莊及民豐等4個次級洼陷，其中博興洼陷是東營凹陷西南部的一個次級富油洼陷，也是當前東營凹陷頁巖油勘探與開發的熱點地區之一[16-17]。該洼陷西北方向緊鄰青城—平方王凸起，南部靠近魯西南隆起，勘探面積約2 000 km2。沙四上亞段泥頁巖層系中的烴源巖巖性以深灰色層狀-紋層狀泥頁巖、灰質泥巖等為主，烴源巖品質較好。此外，沙四上亞段沉積早期，湖泊存在頻繁的水體波動，在沉積轉換處形成的壩砂可成為該套地層中良好的儲集層。

2 樣品與實驗方法

本次研究過程中選取的樣品主要分布在博興洼陷中北部地區的沙四上亞段地層(圖1)，采集樣品包括F120井、FY1井、C113井等15口頁巖油相關鉆井，并對其進行了系統的地球化學、巖石學等分析，其中巖石的熱解地球化學參數通過法國Rock Eval 6型巖石熱解儀完成，總有機碳含量(TOC)使用碳-硫分析儀完成，孔隙度與滲透率參數使用美國巖芯公司CMS-300型覆壓孔-滲測定儀進行分析，儲層孔隙結構的微觀表征通過德國蔡司公司的Sigma300型高分辨率場發射電鏡進行系統刻畫。巖石及礦物組成的顯微結構與含油性特征通過德國蔡司的偏光顯微鏡和熒光顯微鏡進行系統分析。

圖1 東營凹陷沙四上亞段沉積相分布圖及采樣位置分布Fig.1 Sedimentary facies distribution map of the upper Es4 Formation in Dongying subsag showing sampling locations

3 頁巖油儲層的物性特征

沙四上亞段泥頁巖層系樣品的巖石物性實驗分析結果顯示，塊狀泥巖類孔隙度平均為3.42%，水平滲透率平均為0.038×10-3μm2；層狀-紋層狀灰質泥巖孔隙度平均為7.85%，水平滲透率平均為0.994×10-3μm2；層狀泥質白云巖孔隙度平均為5.8%，水平滲透率平均為0.758×10-3μm2；砂巖類樣品孔隙度平均為6.46%，水平滲透率平均為0.124×10-3μm2，通過對比不同巖性樣品的孔隙度與滲透率結果來看，具有層狀產狀的泥頁巖樣品的孔、滲性略好于砂巖類樣品，塊狀泥巖類樣品的孔、滲性能最差。FY1井中沙四上亞段泥頁巖層系中的不同巖石類型的物性特征也具有相似的特點，其層系內部含油砂巖的累積厚度約為8～10 m(單層厚度1～2 m)，占沙四上亞段總地層厚度比例大致為4%～5%，其對頁巖油的整體產量的貢獻可能相對較小，因此筆者重點對層狀-紋層狀泥頁巖樣品的儲集空間特征進行了詳細探討。

泥頁巖中的孔隙和裂縫是頁巖油氣資源儲集的重要場所，筆者通過氬離子拋光-場發射電鏡對沙四上亞段泥頁巖層系巖芯樣品中的6類儲集空間特征進行了系統分析。層間縫主要發育在深湖-半深湖相頁巖中，黏土礦物與有機質條帶等成層性較好，發育較多的順層層理與裂縫，裂縫寬度一般在幾微米左右(圖2a)；黏土間微孔為泥頁巖基質中最為常見的孔隙類型，主要呈片狀和彎片狀，縫寬一般<0.1 μm，部分黏土微孔呈片狀或不規則形狀，縫寬一般<50 nm(圖2b)；粒間孔常見于成薄片狀存在的黏土礦物之間，順層性特征十分明顯，由于黏土礦物顆粒相對較大，因此礦物顆粒間的孔隙通常呈現狹長狀，長度通常在5～20 μm，寬度一般不超過10 μm(圖2c)；方解石、白云石晶間孔在該套泥頁巖中較為常見，由于樣品中存在較多的方解石和白云石，因此其整體分布較多，且形成的孔隙類型也較多，包括顆粒間孔隙和一部分溶蝕孔隙等，孔隙大小一般不超過10 μm(圖2d)；黃鐵礦晶間孔常見于深湖-半深湖相泥頁巖中，梅球狀黃鐵礦晶型保存良好，晶間微孔發育，且長于有機質伴生(圖2e)；有機孔在沙三下亞段—沙四上亞段泥頁巖中具有一定的發育程度，但并不普遍發育，常見于層狀-紋層狀泥頁巖中的有機質條帶中，孔隙一般在10～300 nm(圖2f)。由于沙四上亞段泥頁巖目前主要處于生油期，有機質轉化成烴類物質排出后，其內部存在一定的有機質孔隙，但孔隙數量并不是很多，此外考慮到有機質和黏土礦物吸附等因素，有機質孔隙、黏土礦物中的粒間孔隙可能并不是主要的油氣儲集場所，無機礦物中的粒間孔隙、晶間孔隙及微裂縫等可能是頁巖油氣賦存的主要儲集空間。

a.F120井，3 095.08 m，沙四上亞段；b.F120井，3 183.49 m，沙四上亞段；c.F158井，3 191.59 m，沙四上亞段；d.C113井，3 183.08 m，沙四上亞段，黃色框內主要為碳酸鹽礦物，其中含有一定的溶蝕孔隙；e.FY1井，3 338.10 m，沙四上亞段；f.FY1井，3 439.84 m，沙四上亞段。圖2 博興洼陷沙四上亞段典型泥頁巖樣品的孔隙類型Fig.2 Pore types of typical shale samples of the upper Es4 Formation in Boxing subsag

4 頁巖油儲層的含油性特征

通過對采集的231塊沙四上亞段巖石樣品進行儲層含油性的顯微熒光分析，發現不同類型的巖石樣品中的烴類賦存方式或特征也存在一定的差異(圖3)：①塊狀泥頁巖的巖石類型包含前文所述的灰質泥巖和粉砂質泥巖等，這類樣品中的烴類主要分散賦存于礦物基質中，少量層內微裂縫見到烴類的充填，此外還有部分烴類在方解石粒間孔隙和親油礦物顆粒表面以吸附等方式賦存；②層狀泥頁巖的巖石類型包含前文所述的灰質泥巖和泥質灰巖等，這類樣品中烴類主要在順層發育裂縫及方解石條帶中賦存；③紋層狀泥頁巖的巖石類型包含前文所述的含灰質泥巖和泥質灰巖等，這類樣品中的烴類主要賦存于方解石顆粒等粒間孔隙之中，方解石層間裂縫也含有一定烴類；④頁狀泥頁巖包含的巖石類型有油頁巖和灰質頁巖等，其中油頁巖中的烴類以干酪根有機質吸附為主，其次為層間裂縫充填烴類，在含有方解石脈或透鏡體樣品中烴類主要賦存在粒間孔隙中?；屹|頁巖中的烴類主要以親油表面礦物顆粒吸附和粒間孔隙充填為主。

a1～a2. FY1，3 437.3 m，沙四上，塊狀粉砂質泥巖，烴類主要為親油礦物表面吸附；b1～b2.FY1，3 298.85 m，沙四上，層狀灰質泥巖，烴類主要富集在順層分布的鈣質條帶中； c1～c2.FY1，3 254.32 m，沙四上，灰褐色油頁巖，含方解石脈(透鏡體)，烴類除與有機質吸附外，粒間孔隙中也有發現；d1～d2.FY1，3 354.32 m，沙四上，棕褐色油頁巖，含方解石脈(透鏡體)，烴類除與有機質吸附外，粒間孔隙中也有發現。圖3 沙三下亞段與沙四上亞段典型樣品的顯微含油熒光特征Fig.3 Microscopic oil-bearing fluorescence characteristics of typical samples from the lower Es3 and the upper Es4 Formation

以取芯段440 m長，層位覆蓋沙三下亞段與沙四上亞段的FY1井為例(圖4)，烴源巖有機質豐度整體在2%以上(1%～8.83%，平均為2.48%)，有機質類型較為接近，基本以Ⅰ1～Ⅱ1型為主。游離烴含量S1(每克巖石)相對較高(1.17～8.7 mg，平均為3.23 mg)，屬于較為優質的烴源巖。自上而下烴源巖熱演化程度不斷升高，鏡質體反射率(Ro)由0.53%升高至0.93%，埋藏深度越大氫指數降低越明顯，有機質向烴類的轉化越多，成烴轉化率，即S1/(S1+S2)，由15%±升高至34%±。埋藏深度由3 050 m至3 430 m的過程中，氫指數IH(HC/TOC)由480 mg/g降低至200 mg/g，這反映出該段泥頁巖層系可能經歷了較為明顯的生烴作用。值得注意的是，氫指數(HC/TOC)自上至下降低了將近280 mg/g，粗略的計算來看，每克有機碳至少生成了280 mg的烴類， 但烴指數(S1/TOC)基本上保持在100 mg/g±，二者相差的180 mg烴類很有可能已經排出泥頁巖體系進入與其臨近的非源巖層系中聚集，其余的將近100 mg的烴類則賦存在泥頁巖層系的儲集空間之中。通過沙四上亞段不同類型樣品進行統計分析后發現，塊狀灰質泥巖S1(每克巖石)約為1.4～2 mg，層狀-紋層狀灰質泥頁巖的S1(每克巖石)一般高于2 mg，砂巖類樣品的S1(每克巖石)平均為22 mg。從地球化學特征來看，除砂巖類樣品外，層狀-紋層狀灰質泥頁巖類樣品的含油性整體相對較好。

通過沙四上亞段典型樣品的儲層特征及含油性分析工作，基本明確了博興洼陷沙四上亞段泥頁巖層系中不同巖性具有一定的儲集性能，其中除砂巖、粉砂巖等非源巖夾層外，層狀-紋層狀灰質泥頁巖具有良好的含油性特征。但也需要注意的是，泥頁巖層系中已經生成的油氣資源經歷了生排烴作用后，會在源巖和儲層巖石中見到一定的含油現象，但只有其中的流體具有良好的可動性，才會對頁巖油氣這類資源的有效開發具有現實意義，因此筆者在下文中對典型頁巖油專探井的原油可動性進行了系統分析和討論。

圖4 FY1單井熱解地球化學剖面Fig.4 Pyrolysis geochemical profiles of Well FY1

5 頁巖油儲層中原油可動性分析

近些年來，國外學者對北美頁巖油氣已經取得良好勘探開發的Bakken，Eagle Ford，Marcellus和Montney等4套地層的泥頁巖層系樣品的原油可動性進行了分析，并使用烴指數(OSI，即S1/TOC)作為評價泥頁巖層系油氣資源可動性的定量指標，并指出圖5中頁巖油含油量較高并且獲得良好開發效果的北美泥頁巖層系樣品的OSI普遍大于100 mg/g，具有一定油氣顯示的樣品普遍高于75 mg/g[18-21]。

將FY1井沙四上亞段泥頁巖、砂巖、粉砂巖或泥質粉砂巖樣品的OSI大多都高于100 mg/g，普遍分布在101.07～307.01 mg/g之間，平均136.85 mg/g。但沙四上亞段的砂巖并不是所有樣品的OSI都高于100 mg/g，這些砂巖本身的有機碳含量非常低，如果其中進入了少量的游離烴(S1)就會導致較高的OSI值，因此評價其含油性或可動性不能簡單的使用OSI來作為單一的衡量指標，黃振凱等[20-21]建議使用游離烴含量(S1)與OSI相結合的方法來評價頁巖油的可動性。圖5中S1(每克巖石)含量高于2 mg的沙四上亞段砂巖樣品恰恰是該井在3 210 m±進行現場試油時初次鉆遇具有良好油氣顯示的層段，而低于2 mg的砂巖樣品則主要是該井的含油較少或不含油的砂巖段。因此根據FY1井的不同類型巖石樣品的地球化學參數及勘探實踐效果，筆者建議以S1(每克巖石)為2 mg，OSI高于100 mg/g作為評價其可動性的標準。如果以上面兩個參數作為頁巖油可動性的判別標準，圖5中除砂巖樣品外，S1(每克巖石)>2 mg且OSI>100 mg/g多數為前文所述的具有良好含油性的層狀-紋層狀泥頁巖。也就是說在沙四上亞段泥頁巖層系中，層狀-紋層狀泥頁巖及非源巖的夾層應該是頁巖油可動性最好的巖性類型(脆性礦物含量高，可壓性好；游離烴含量相對較高，含油性和可動性好)，因此針對頁巖油的勘探應重點關注上述巖性類型。

圖5 博興洼陷典型泥頁巖層系樣品熱解S1與TOC關系圖Fig.5 Relationship between pyrolysis S1 and TOC of typical shale samples in Boxing subsag

對于頁巖油的可動性評價另外的重要參數就是原油密度與黏度，通過原油密度與原油日常量的關系圖來看，二者接近于負相關，即原油密度越高，原油日常量越低(圖6a)。但由于目前生產井中的原油密度數據較少，因此筆者建立了原油密度與黏度的關系圖，并發現二者呈現明顯的正相關關系，即原油密度越高，黏度也同樣越高(圖6b)。較高的原油黏度也使得流體可動性大幅下降，這也使得單井的原油日常量與原油黏度呈現明顯的負相關關系(圖6c)，這也從另外一個角度驗證了，較低的原油密度使得原油可動性較好，對應的單井原油日常量較高這一認識。

從博興洼陷沙四上亞段泥頁巖層系中的原油密度分布特征來看，洼陷西北部分區域的原油密度較低，約為0.82～0.84 g/cm3；洼陷中東部分區域原油密度中等，約為0.84～0.88 g/cm3；洼陷南部區域原油密度較高，約為0.88～0.9 g/cm3。從圖7原油密度分布特征來看，洼陷中原油可動性存在較為明顯的差異，其中以西北部分區域最好，中東部分區域次之，南部區域較差。

綜上所述，如針對該區的沙四上亞段泥頁巖層系中頁巖油的高效勘探開發，建議優先關注洼陷西北部分地區沙四上亞段的層狀-紋層狀泥頁巖及非源巖的夾層，其次為中東部分地區。南部地區因其原油密度較高，可動性相對較差，建議通過對原油進行降黏等工程措施后再進行開發。

6 結論

(1)層狀泥頁巖樣品和砂巖類樣品具有較好的物性特征，塊狀泥巖類樣品的孔、滲性能最差?？紤]到有機質和黏土礦物吸附等因素對油氣的束縛，無機礦物中發育的粒間孔隙、晶間孔隙及微裂縫等可能是頁巖油氣賦存的主要儲集空間。

圖6 原油密度、原油黏度與原油日常量之間的關系Fig.6 Relationship among crude oil density, crude oil viscosity and daily crude oil production

圖7 博興洼陷沙四上亞段原油密度等值線圖Fig.7 Contour map of crude oil density in the upper Es4 Formation in Boxing subsag

(2)綜合有機巖石學、地球化學分析結果發現，沙四上亞段泥頁巖層系中多數砂巖、粉砂巖等非源巖夾層和層狀-紋層狀灰質泥頁巖含油飽和度大多分布在101.07～307.01 mg/g之間，平均為136.85 mg/g，表明上述巖性具有良好的含油性特征。

(3)通過對頁巖油專探井的系統地球化學分析，建議以S1(每克巖石)為2 mg，OSI高于100 mg/g作為評價沙四上亞段頁巖油可動性的標準，通過結合原油密度等參數，筆者建議在頁巖油勘探開發過程中，研究區內西北地區的層狀-紋層狀泥頁巖及非源巖夾層可以作為首選目標。