蘇北盆地陸相“斷塊型”頁巖油地質特征及勘探實踐

方志雄，肖秋生，張殿偉，段宏亮

（1.中國石化 江蘇油田分公司，江蘇 揚州 225009；2.中國石化 石油勘探開發研究院，北京 102206）

頁巖油是繼頁巖氣之后又一新的資源接替領域［1-4］，目前已在北美Permian 盆地和Williston 盆地等取得巨大成功［5-6］。與北美前陸盆地、克拉通盆地沉積并穩定保存的海相頁巖層系不同［6-8］，中國頁巖油主要分布于東部斷陷盆地陸相頁巖層系中，這些頁巖普遍形成于盆地演化伸展斷陷期［9-10］，頁巖縱、橫向非均質性強［11］；后期普遍遭受斷層切割、錯斷，形成若干獨立的斷塊，具有斷塊寬度窄、面積小、現今應力場復雜的特征［12-14］。目前已經取得突破的渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔（孔店組）二段頁巖水平兩向應力差可達21.0～25.4 MPa［15］，蘇北盆地高郵凹陷古近系阜（阜寧組）二段頁巖水平兩向應力差平均為12.5 MPa，渤海灣盆地沾化凹陷古近系沙河街組三段下亞段頁巖水平兩向應力差較小，為7.8～7.9 MPa［16］；較大的水平兩向應力差限制了水平井的布井方位，影響了儲層壓裂改造效果［17］，頁巖油勘探開發難度大，能否獲得穩定的商業油流是勘探開發面臨的首要問題。筆者針對蘇北盆地阜二段斷層發育、斷塊面積小、地應力條件復雜等現狀，在阜二段頁巖地質特征分析和綜合評價的基礎上，結合有利頁巖層厚度和斷層斷距之間的配置關系，提出了“斷塊型”頁巖油的勘探思路，并劃分出了3 種典型的“斷塊型”頁巖油勘探類型，對其分別進行了勘探實踐和分析，優選了有利的勘探目標類型，以期為中國陸相頁巖油勘探提供參考。

1 地質背景

蘇北盆地是中國東部陸相斷陷盆地群的重要組成部分［18-19］，是晚白堊世發育起來的陸相中-新生代沉積盆地。盆地北以嘉山-響水斷裂與魯蘇隆起為界，西以郯廬斷裂帶與張八嶺隆起為界，南鄰蘇南隆起，東與南黃海盆地相接（圖1a），面積約3.5×104km2。盆地經歷了斷-拗、斷陷和拗陷等3 個演化階段，對應沉積了泰州組-阜寧組（K2t-E1f）、戴南組-三垛組（E2d-E2s）、鹽城組（Ny）等3套地層［20-22］（圖1d）。受構造演化和沉積體系控制，晚白堊世—古新世拗陷期盆內廣泛發育了泰二段（K2t2）、阜二段（E1f2）和阜四段（E1f4）3套半深湖-深湖相暗色泥頁巖層系，其中E1f2頁巖厚度大、分布范圍廣，生油條件有利，熱演化程度適中，是頁巖油勘探的首選層位［23-26］。

圖1 高郵凹陷阜二段斷裂體系及地層綜合柱狀圖Fig.1 Fault system in the Fu 2 Member in the Gaoyou Sag and the composite stratigraphic column for the Subei Basin

阜二段沉積后，盆地經歷了吳堡、真武、三垛、鹽城等多期構造運動，形成了NEE 向和近EW 向兩組不同規模、不同性質的斷裂系統［27-28］（表1；圖1b，圖1c），其中吳堡期斷層和長期活動斷層將連續穩定分布的阜二段頁巖切割、錯斷。以高郵凹陷北斜坡為例，這些不同級別斷層相互切割、圍限，形成一系列NEE 走向斷塊，斷塊以條帶狀為主，部分為楔狀和不規則多邊形狀；長度多介于4.0～16.0 km，平均為8.0 km；寬度介于0.5～4.0 km，平均為1.5 km；面積介于2～32 km2，普遍小于20 km2。

表1 高郵凹陷斷塊及其邊界斷層要素統計Table 1 Parameter statistics for fault blocks and their boundary faults in the Gaoyou Sag

2 “斷塊型”頁巖油基礎地質特征

高郵凹陷阜二段整體為一套深湖-半深湖相泥頁巖，厚250～350 m，縱向上非均質性強。依據巖性和電性等特征，可細分為5 個亞段（圖2）。其中，Ⅰ亞段—Ⅲ亞段厚度均在30～40 m；Ⅳ亞段和Ⅴ亞段厚度分別介于90～100 m和100～110 m，根據巖性、電性特征又分別被細分為8個和10個小層。

圖2 高郵凹陷阜二段綜合柱狀圖Fig.2 Composite stratigraphic column of the Fu 2 Member，Gaoyou Sag

2.1 泥頁巖特征

高郵凹陷阜二段整體以暗色泥頁巖為主，縱向非均質性強。其中Ⅰ亞段和Ⅱ亞段為層-塊狀結構，見少量生物碎屑。Ⅲ—Ⅴ亞段以層-紋層狀結構為主，紋層以極細粒粉砂質紋層、泥質紋層及灰云質紋層為主，局部發育白云石條帶和順層方解石脈，單個紋層厚度在0.3～1.5 mm，白云石條帶厚度一般在5～15 cm；紋層狀頁巖厚度累計占比小于40 %。

阜二段巖石礦物組分以石英、長石、方解石、白云石和黏土礦物為主。其中，長英質礦物含量在30 %～60 %，碳酸鹽礦物含量在15 %～55 %，黏土礦物含量在15 %～45 %（圖2），具有明顯的混積頁巖特征，且以長英質-泥質混積頁巖和長英質-灰云質混積頁巖為主（圖3）。

圖3 高郵凹陷阜二段頁巖巖石礦物組分三端元圖解Fig.3 Ternary diagram of mineral compositions in shales of the Fu 2 Member，Gaoyou Sag

2.2 生烴特征

高郵凹陷阜二段暗色泥頁巖有機質豐度中等，總有機碳含量（TOC）介于0.72 %～3.65 %，平均為1.62 %；游離烴含量（S1）介于0.65～5.12 mg/g，平均為2.23 mg/g?？v向上各亞段頁巖品質存在差異，自下而上具有有機質豐度由低變高（圖2）、有機質類型由Ⅲ型向Ⅰ型過渡的趨勢。其中，Ⅴ亞段有機質類型多為Ⅱ型和Ⅲ型，Ⅰ—Ⅳ亞段有機質類型以Ⅰ和Ⅱ1型為主。阜二段各亞段含油飽和度指數（OSI，OSI=S1/TOC）普遍高于100 mg/g，可動性較好［29-30］，其中Ⅳ-3—Ⅳ-7 小層和Ⅴ-6—Ⅴ-8 小層可動性最好，OSI最高可達412 mg/g。

平面上，高郵凹陷阜二段頁巖鏡質體反射率（Ro）在0.4 %～1.1 %，其中埋深大于2 900 m 的中坡帶-內坡帶頁巖Ro介于0.7 %～1.1 %，有機質熱演化程度適中，是頁巖油勘探有利區（圖1b）。

2.3 儲集特征

高郵凹陷阜二段頁巖物性差異較大（圖2），其中Ⅱ亞段和Ⅲ亞段孔隙度一般大于3.0 %，最高為5.56 %；Ⅳ亞段和Ⅴ亞段各小層平均孔隙度均大于4.0 %，最高可達6.29 %，儲集物性相對較好。頁巖發育構造裂縫、層理縫和微孔隙等多種類型儲集空間，其中天然裂縫發育，既發育宏觀大-中尺度裂縫，又有豐富的微-小裂縫。巖心普遍見高角度剪切縫，裂縫切穿白云石條帶和順層方解石脈，形成縫洞，并與層理縫、順層方解石脈等構成復雜的裂縫網絡，普遍含油（圖4a，b），是頁巖油的主要儲集空間。此外，長英質粒間孔、白云石粒（內）間（溶）孔、黏土礦物晶間孔和有機質孔等是主要的孔隙類型（圖4c—h）?？v向上，Ⅳ亞段—Ⅴ亞段紋層、白云石條帶和順層方解石脈發育程度高，儲集性能更好。

圖4 高郵凹陷阜二段富有機質頁巖主要儲集空間類型顯微照片Fig.4 Micrographs showing the primary storage space types of organic-rich shales in the Fu 2 Member，Gaoyou Sag

除Ⅰ亞段、Ⅳ-6 小層和Ⅳ-7 小層外，其余小層脆性礦物含量均高于60 %（圖2），在縱向上具有較好脆性；但巖石力學實驗結果表明，阜二段頁巖水平兩向應力差為12.5 MPa，應力差異系數為0.19，造復雜縫難度較大。

2.4 綜合評價

基于頁巖生油性、含油性、可動性、儲集性和可壓性等關鍵參數（表2），對比可知阜二段Ⅴ亞段—Ⅲ亞段各小層孔隙度和脆性礦物含量相差不大，將TOC小于1 %或OSI小于100 的小層均評價為Ⅲ類，TOC大于1 %且OSI大于100 的小層評價為Ⅰ類，其余的評價為Ⅱ類；Ⅱ亞段孔隙度略低，評價為Ⅱ類；Ⅰ亞段各項指標參數均較低，評價為Ⅲ類。綜合評價結果顯示：高郵凹陷阜二段發育3 套有利層（綜合評價為一類和二類儲層），分別位于Ⅱ-Ⅲ亞段、Ⅳ-2—Ⅳ-7小層和Ⅴ-4—Ⅴ-9 小層（圖2；表2）。其中Ⅱ-Ⅲ亞段有利層厚約65 m，頁巖生油性、含油性和可動性較好；Ⅳ-2—Ⅳ-7有利層厚約72 m，總體具有較好的生油性和含油性，儲集性和可動性好；Ⅴ-4—Ⅴ-9 有利層厚約65 m，生油性中等偏低，但含油性、儲集性、可動性和可壓性較好。3 套有利層厚度大，具備“多層樓”立體勘探開發的條件；Ⅳ亞段有利層和Ⅴ亞段有利層之間發育厚約39 m的隔層。

表2 高郵凹陷阜二段各頁巖層段關鍵參數Table 2 Key parameters of the shale intervals in the Fu 2 Member，Gaoyou Sag

3 “斷塊型”頁巖油類型與特征

與北美海相連續穩定分布的頁巖不同，蘇北盆地阜二段頁巖受同沉積正斷層和后期正斷層切割，形成了一系列NEE 走向的分割斷塊，斷塊短軸方向與水平最小主應力方向一致，長度多小于2 km；斷塊內頁巖層水平主應力差較大，水平兩向應力差異系數平均為0.19。為確保水平井壓裂改造效果，其軌跡方向應平行于斷塊短軸方向；但受斷塊短軸長度影響，水平井在同一斷塊內穿行距離有限，從而會影響頁巖油單井產能。

基于上述地質現狀，結合區內阜二段發育多套厚層有利層和發育不同級別斷層的地質特點，提出水平井在同一斷塊內或跨斷塊、在同一有利層或多個有利層長距離穿行的“斷塊型”頁巖油勘探思路。與北美大面積連續穩定分布的頁巖油對比，“斷塊型”頁巖油具有如下典型特征：①發育多套有利層，后期被不同級別斷層切割、錯斷成獨立斷塊，沿斷塊長軸方向可成排進行水平井部署；②斷層斷距小于頁巖層厚度，斷層兩側有利層對置；③水平井在同一斷塊內或跨斷層在同一有利層或多個有利層可實現長距離穿行；④通過相對長的水平段鉆井和大型體積壓裂改造，能夠獲得穩定商業油流。

根據斷塊短軸長度、斷層斷距與有利層厚度配置關系，將“斷塊型”頁巖油劃分為“連續穩定”型、“微斷層切割”型和“跨斷塊多甜點”型等3種類型（圖5）。

3.1 “連續穩定”型頁巖油

“連續穩定”型頁巖油是指當斷塊面積大，斷塊內部不發育斷層，地層橫向分布連續穩定，水平井能夠在同一斷塊、同一有利層內穩定穿行1 000 m以上（圖5）。高郵凹陷該類斷塊邊界斷層斷距一般小于200 m，小于阜二段泥頁巖層系的厚度，斷層的封閉性較好，有利于頁巖油的保存，是最有利的勘探目標類型。

3.2 “微斷層切割”型頁巖油

“微斷層切割”型頁巖油與“連續穩定”型頁巖油基本相似，不同之處在于斷塊與頁巖層系內部發育一條或多條地震能識別的微斷層，錯斷但未錯開有利層，水平井穿過斷層可在同一有利層內穿行1 000 m 以上（圖5）。高郵凹陷上述微斷層發育在頁巖層內，平面上延伸距離較短，且呈現為互相孤立的形態；縱向上斷距一般小于40 m，小于有利層厚度。

3.3 “跨斷塊多甜點”型頁巖油

“跨斷塊多甜點”型頁巖油是指水平井跨斷塊在不同有利層內長距離穿行的勘探目標（圖5）。在高郵凹陷，當阜二段斷塊分割斷層斷距介于12～151 m 時，可跨斷層在Ⅲ+Ⅳ亞段有利層穿行；當斷距介于39～178 m 時，可在Ⅳ+Ⅴ亞段有利層穿行；當斷距在125～255 m時，可在Ⅲ+Ⅴ亞段有利層穿行。

4 “斷塊型”頁巖油勘探實踐

近年來，江蘇油田針對“斷塊型”頁巖油勘探難點問題，通過加強斷層精細描述與水平井軌跡設計技術、隨鉆地質導向技術、優快鉆完井技術和體積壓裂改造技術攻關與試驗，能夠精細識別和刻畫20 m 級小斷層，確保水平井跨斷層有利層鉆遇率、優快鉆完井和壓裂改造效果。在高郵凹陷花莊地區阜二段針對“連續穩定”型、“微斷層切割”型和“跨斷塊多甜點”型頁巖油分別開展勘探實踐，均獲得穩定的商業油流。

4.1 “連續穩定”型勘探效果

針對“連續穩定”型頁巖油勘探目標類型，在高郵凹陷花莊地區部署實施了H2CHF 井（圖6，圖7a），靶窗為IV-3—IV-7有利層。

圖6 高郵凹陷花莊地區阜二段Ⅴ亞段頂面構造（構造位置見圖1b）Fig.6 Structural map showing the top of the submember V of the Fu 2 Member in the Huazhuang area，Gaoyou Sag（see Fig.1b for the structural location）

圖7 高郵凹陷典型鉆井軌跡示意圖Fig.7 Schematic diagrams showing the trajectories of typical wells in the Gaoyou Sag

H2CHF井所在斷塊為兩條近EW 向展布的斷層夾持的長條形斷塊，斷塊寬1 500～1 700 m，目的層傾向SE，埋深3 350～3 750 m。斷塊南、北邊界斷層均為四級斷層，縱向上均斷穿E1f，向上延伸至E2s；北部邊界斷層斷距為120 m，南部邊界斷層斷距為45 m（圖7a）。該井井口至井底水平位移1 309 m，水平段未鉆遇斷層，有利層鉆遇率100 %。分20 段進行大型體積壓裂改造后，于2022年5月底放噴試采，日產油由20 t逐步上升到30～40 t，目前3.5 mm 油嘴控壓生產，日產油超50 t。該井壓裂過程平穩，返排生產過程中壓力平穩，證實斷塊邊界斷層封閉性較好，“連續穩定”型頁巖油是有利的勘探目標。

4.2 “微斷層切割”型勘探效果

針對該類頁巖油，在高郵凹陷花莊地區部署實施HY1HF井（圖6，圖7b），靶窗為Ⅴ-4—Ⅴ-8有利層。

HY1HF 井所在斷塊面積較大，寬度在2 400～2 500 m。北部邊界斷層（FN）傾向SSE，斷距50 m；南部邊界斷層（FS）傾向NW，斷距大于2 000 m，為控凹邊界斷層。斷塊內部發育5條微斷層（F1—F5）（圖7b；表3），其中A 靶前鉆遇斷層1 條，斷距20 m；B 靶處鉆遇斷層1 條，斷距25 m；A，B 靶間水平段鉆遇斷層2條（F3，F4），斷距分別為14 m和19 m。該井跨斷層在V-4—V-8有利層穿行1 278 m，靶窗鉆遇率95 %。分22 段進行大型體積壓裂改造后，于2022 年2 月初放噴試采，3.5 mm油嘴日產油29.7 t；目前3 mm 油嘴控壓生產，日產油穩定在20 t以上；示蹤劑檢測結果顯示，各壓裂段對產油均有貢獻。該井鉆進過程中在微斷層附近未見鉆具放空、井涌、井漏及氣測異常等現象；壓裂過程中通過在斷層兩側采取15～20 m 避射距離等措施，斷層兩側壓裂施工曲線反映壓裂裂縫未溝通斷層；返排生產過程中壓力平穩，未見明顯套變，斷層兩側液量無明顯異常，反映有利層內低序級微斷層封閉性較好，對鉆井、壓裂和產液影響不明顯，“微斷層切割”型也是較為有利的勘探目標。

表3 蘇北盆地HY1HF井鉆遇斷層要素統計Table 3 Parameter statistics of faults encountered in drilling well HY1HF in the Subei Basin

4.3 “跨斷塊多甜點”型勘探效果

針對該類型部署實施HY3HF 井和HY4-2HF 井（圖6，圖7c，圖7d），其中HY3HF 井水平段跨斷層分別穿行于Ⅳ-3—Ⅳ-7有利層和Ⅴ-5—Ⅴ-9有利層。

HY3HF 井跨花頁1 和花頁1 北兩個斷塊，斷塊間分割斷層（FD）傾向SSW，斷距58 m。該井在花頁1 斷塊于Ⅳ-3—Ⅳ-7有利層穿行1 521 m，后于B靶點穿過斷層（FD）進入花頁1 北斷塊Ⅴ-5 小層，其后在Ⅴ-5—Ⅴ-10有利層穿行310 m（圖7c），有利層鉆遇率100 %。分32 段進行大型體積壓裂改造后，于2022 年7 月中旬放噴試采，最高日產油26.1 t；示蹤劑分析表明，斷層前、后各壓裂段均有產油貢獻，得到有效動用。該井鉆進過程中在斷塊間分割斷層（FD）附近未見鉆具放空、井涌、井漏及氣測異常等現象；壓裂過程中通過采取合理的避射距離，以及暫堵轉向等工藝，并未發生濾失等異?，F象，有效降低了中等尺度斷層對頁巖油勘探開發的影響。

上述實踐表明，3 種“斷塊型”頁巖油勘探目標類型均可獲得穩定的商業油流。其中，“連續穩定”型和“微斷層切割”型是首要的勘探目標；“跨斷塊多甜點”型目標通過加強斷層精細描述與水平井軌跡設計技術，并采用合理的分段分簇優化及暫堵和轉向壓裂工藝，能夠確保有利層鉆遇率，有效降低斷層對水平井壓裂改造影響，是較有利勘探目標。

5 結論

1）蘇北盆地高郵凹陷阜二段頁巖具有厚度大、有機質豐度中等、熱演化程度適中、可動性可壓性較好等特點。阜二段頁巖后期被斷層切割、錯斷形成寬度窄、面積小的斷塊，斷塊內頁巖水平最小主應力方向與斷塊短軸方向一致，且水平兩向應力差較大；水平井在同一斷塊內穿行距離有限。

2）根據蘇北盆地阜二段頁巖地質特點，提出水平井在同一斷塊內或跨斷塊在同一有利層或多個有利層長距離穿行的“斷塊型”頁巖油勘探思路。依據斷層斷距和阜二段有利層厚度的配置關系，劃分出“連續穩定”型、“微斷層切割”型和“跨斷塊多甜點”型3種典型“斷塊型”頁巖油類型?？碧綄嵺`證實，“連續穩定”型和“微斷層切割”型是頁巖油勘探首要目標類型，采用適應的工程、工藝技術，可確保有利層鉆遇率和壓裂改造效果，形成穩定商業油流。

3）斷層對頁巖油富集及開發影響的定量評價（包括斷層附近套變、套損風險評估），以及中高水平應力差條件下沿斷塊長軸方向布井的可行性和相關技術是“斷塊型”頁巖油下步攻關的主要方向。