基于質量含油率的湖相頁巖油可動資源評價
——以渤海灣盆地滄東凹陷孔二段為例

竇煜， 韓文中， 王文東， 董姜暢， 王娜， 李昊東， 勐睿

1）大港油田勘探開發研究院，天津 300280；2）中國石油大學（華東）石油工程學院，青島 266580

中國湖相頁巖油在新疆吉木薩爾凹陷、鄂爾多斯盆地、松遼盆地和渤海灣盆地等均取得較好成效，頁巖油已成為保障國家能源安全的重要接替資源［1-5］，但由于中國湖相頁巖油地質條件復雜、勘探開發仍處于起步階段，頁巖油可動資源評價缺乏相應的標準及規范.近年來，學者們針對頁巖油資源評價方法和關鍵參數進行了研究探討.郭秋麟等［6］研究指出，夾層頁巖油資源評價適宜采用小面元容積法，純頁巖油資源評價適宜采用小面元體積法.薛海濤等［7］對頁巖油資源評價的關鍵參數——含油率進行了校正研究.朱日房等［8］利用熱解參數計算了東營凹陷沙三段頁巖滯留油總資源.MODICA 等［9-10］提出或改進了頁巖孔隙度的計算方法，并利用容積法評價頁巖油資源量.目前，對頁巖孔隙度的準確測量難度仍很大，容積法評價物性極差的頁巖中石油資源還有待商榷.

針對渤海灣盆地滄東凹陷孔店組二段（孔二段，Ek2）頁巖油的研究始于2013年，通過取心系統分析研究，明確了頁巖油存在7套甜點，自2017年規模開發頁巖油取得了較好效果［11-14］.由于先前的巖心放置時間久，無密閉取心，且新井只有巖屑樣，導致頁巖滯留烴含量尤其是滯留可動烴含量評價難以準確量化，頁巖油資源潛力不確定.本研究通過對新鉆井密閉取心放置24 h 前/后、密閉/開放條件碎樣以及不同增溫方式等熱解實驗游離烴質量分數w（游離烴）差異的對比分析，以及干酪根溶脹吸附實驗，確定地層條件下w（游離烴）值相對于油田現場常規熱解w（游離烴）值的恢復系數和頁巖吸附烴含量校正系數，以合理評價頁巖油可動資源量.

1 地質概況

渤海灣盆地滄東凹陷為黃驊坳陷南部的古近系沉積盆地，面積約1 760 km2（圖1（a）），孔店組是該區主力生烴及油氣富集成藏層系，細分為孔三段、孔二段和孔一段，頁巖油主要分布于孔二段，地層厚400～600 m.根據G108-8孔二段500 m系統取心及測井資料分析，孔二段縱向劃分為4個亞段（、、和），10 個5 級層序（SQ①—SQ⑩），以及21 個6 級層序（PS1—PS21）［11-12］.除SQ①、SQ②、SQ⑧和SQ⑩為發育砂巖外，其他均為高阻頁巖層系，具有高頻紋層、高有機質、高長英礦物和低黏土礦物等特點，該套頁巖中的油氣屬于純頁巖油［11，13］（圖1（b））.頁巖巖心層理厚度小于1 cm的共2 432層，占68%，薄片視域下每米紋層可達1.1 × 104層，單一紋層厚度為0.05～0.50 mm.頁巖主要由長石、石英、白云石、方解石和黏土礦物組成，長英質礦物質量分數為34%～60%，碳酸鹽礦物質量分數為35%～50%，黏土礦物質量分數為16%～25%，礦物粒徑一般為0.6～100.1 μm，平均約為3.2～4.9 μm，屬于泥級-粉砂巖級，泥級礦物顆粒占比大于75%；頁巖有機碳質量分數為2%～6%，最高可達12%（圖1（c））.孔二段頁巖油主要分布于孔西斜坡和孔東斜坡， 面積為400 km2.

圖1 滄東凹陷孔二段頁巖油甜點分布及G19-25井頁巖巖心和薄片特征 （a）頁巖油甜點分布； （b）單井G19-25的層序剖面；（c）G19-25的取心與巖石薄片Fig.1 Distribution map of shale oil desserts in Ek2 of Cangdong Sag and characteristics of shale core and slice of well G19-25. (a)Distribution map of shale oil desserts, (b) single well G19-25 sequence profile, and (c) characteristics of shale core and slice of G19-25.

2 頁巖油資源評價方法

頁巖油資源評價采用質量含油率法，計算公式如式（1）和式（2）.資源評價時可采用小面元，w（有機碳）和w（游離烴）（單位：mg/g）的取值為不同6級層序的各小面元內的平均值.頁巖油輕烴校正系數K校和有機質吸附系數K吸是頁巖油資源評價的關鍵參數.

其中，Q油為頁巖游離油資源（單位：t）；A為頁巖面積（單位：km2）；h為頁巖有效厚度（單位：m）；ρ為頁巖密度（單位：g/cm3）；wf為含油率，即油的質量分數（單位：mg/g）.

3 關鍵參數取值及分析方法

3.1 輕烴校正系數K校取值

基于G19-25 井密閉取心，埋深3 318～3 381 m，5 級層序為SQ⑨，6 級層序為PS1—PS4，鏡質體反射率Ro= 0.75%，針對烴類散失的3 類情況，設計3個對比實驗（圖2）：① 對比同深度點巖樣放置24 h前后常規巖石熱解實驗，分析放置一定時間后烴類的散失，以恢復“現場取心后運送至巖心庫、再鉆樣到實驗室測試”這一流程的烴散失，也可反映巖屑樣在返回地面過程中在井筒中的烴散失；② 在開放與密閉環境下分別碎樣，再做常規巖石熱解實驗，以恢復不同碎樣方法造成的烴散失；③ 巖樣在密閉條件碎樣，再進行多溫階與常規熱解實驗對比，獲取可動烴的合理最大含量［15］，以恢復不同實驗條件下烴散失.

圖2 G19-25井不同實驗方法樣品分布Fig.2 Sample distribution of G19-25 well with different experimental methods.

常規巖石熱解實驗儀器型號是ROCK-EVAL 6，實驗樣品質量100 mg 左右.實驗流程按照GB/T 18602—2012《巖石熱解分析》［16］執行，儀器90 ℃恒溫2 min 測試游離烴質量分數；再加熱到300 ℃，恒溫3 min 測試游離烴質量分數，兩者所測游離烴質量分數為頁巖中可動烴部分.

多溫階巖石熱解實驗儀器型號是ROCK-EVAL 6，實驗樣品質量100 mg 左右.實驗初始溫度為100 ℃，以25 ℃/min速度加熱到200 ℃，恒溫1 min測試輕質游離烴質量分數；再以25 ℃/min 速度加熱到350 ℃，恒溫1 min 測試輕中質游離烴質量分數［15］.兩者所測的多溫階游離烴質量分數為頁巖中可動烴部分.

冷凍-密閉碎樣流程是密閉液取心，干冰冷藏，冷凍液氮取樣，確保了取樣過程輕烴保存完好不損失.利用上海凈信公司冷凍研磨設備-快速組織低溫破碎勻漿儀JXFSTPRP-I-02 產品進行密閉取心樣品碎樣.

3.2 巖樣放置24 h前/后熱解烴差異

常規熱解23 個樣品，0 h 與24 h 常規熱解條件下w（游離烴）、損失量及損失率請掃描論文末頁右下角二維碼查看補充材料表S1.0 h 樣品測量得到的最小熱解w0（游離烴） = 0.34 mg/g，最大熱解w0（游離烴） = 4.54 mg/g，平均2.20 mg/g.對應深度24 h 樣品測量得到的最小熱解w24（游離烴） = 0.30 mg/g，最大熱解w24（游離烴） = 3.97 mg/g，平均為1.60 mg/g.兩者相比，游離烴損失值最小為0.04mg/g，最大為2.14 mg/g，平均為0.60 mg/g.游離烴損失率最小為11.3%，最大為52.7%，平均為29.4%（圖3）.

圖3 G19-25巖樣0 h與24 h常規熱解游離烴對比及損失率曲線Fig.3 Free hydrocarbon histogram and loss rate curve of 0 h (red) and 24 h (blue) coring in conventional pyrolysis. The solid line is light hydrocarbon loss ratio.

3.3 不同碎樣條件的熱解烴差異

常規熱解10 個樣品，對比密閉和開放條件下不同碎樣方式造成的烴類差異，結果請掃描論文末頁右下角二維碼查看補充材料表S2.密閉條件下碎樣，常規熱解w（游離烴）值最大為2.81 mg/g，最小為0.48 mg/g，平均為1.99 mg/g.開放條件下碎樣，常規熱解w（游離烴）值最大為2.34 mg/g，最小為0.35 mg/g，平均為1.61 mg/g.密閉條件和開放條件w（游離烴）值相差最大為0.67 mg/g，最小為0.13 mg/g，平均為0.38 mg/g.游離烴損失率最小為6.5%，最大為36.0%，平均為21.0%（圖4）.

圖4 不同樣品處理流程常規熱解烴w（游離烴）柱狀圖及損失率曲線Fig.4 Free hydrocarbon histogram and loss rate curve of conventional pyrolysis hydrocarbon in different sample treatment processes. The red columns are broken samples under closed condition, the yellow columns are broken samples under open condition, and the solid line is light hydrocarbon loss ratio.

3.4 不同實驗方法熱解烴差異

密閉條件下碎樣6塊，對比常規熱解與多溫階熱解條件下w（游離烴）和烴損失差異，結果請掃描論文末頁右下角二維碼查看補充材料表S3.常規熱解w（游離烴）最大為2.76 mg/g，最小為1.18 mg/g，平均為1.99 mg/g.多溫階熱解w（游離烴）最大為3.61 mg/g，最小為1.42 mg/g，平均為2.38 mg/g.常規熱解與多溫階熱解實驗w（游離烴）差值最大為0.85 mg/g，最小為0.20 mg/g，差值平均為0.39mg/g.損失率最大為24.0%，最小為7.8%，平均為15.6%（圖5）.

圖5 密閉碎樣不同實驗方法熱解w（游離烴）柱狀圖及損失率曲線Fig.5 Histogram and loss rate curve of pyrolysis free hydrocarbon content in different experimental methods of closed broken samples. The green columns are broken samples under closed condition, the yellow columns are broken samples under open condition, and the solid line is light hydrocarbon loss ratio.

開放條件下碎樣6塊，對比常規熱解與多溫階熱解的烴類差異（損失率請掃描論文末頁右下角二維碼查看補充材料表S4）.常規熱解w（游離烴）最大為3.02 mg/g，最小為0.35 mg/g，平均為1.58 mg/g.多溫階熱解w（游離烴）最大為3.67 mg/g，最小為0.41 mg/g，平均為1.89 mg/g.常規熱解與多溫階熱解實驗w（游離烴）值相差最大為0.65 mg/g，最小為0.06 mg/g，平均為0.31 mg/g.烴損失率最大為17.7%， 最小為13.3%， 平均為15.5%（圖6）.

圖6 開放條件下碎樣不同實驗方法熱解w（游離烴）柱狀圖及損失率曲線Fig.6 Histogram and loss rate curve of pyrolysis free hydrocarbon content of broken samples under open conditions and different experimental methods. The green columns are multiisothermal stage pyrolysis, the yellow columns are conventional pyrolysis, and the solid line is light hydrocarbon loss ratio.

3.5 輕烴損失綜合校正

對常規熱解實驗數據進行校正的輕烴恢復系數a為

其中，wor為原始地層狀態下輕烴質量分數（單位：mg/g）；w常規（游離烴）為常規熱解輕烴質量分數（單位：mg/g）；St為樣品放置一定時間t的輕烴損失率（單位：%）；Sc為開放條件下碎樣輕烴損失率（單位：%）；Sm為常規熱解輕烴損失率（單位：%）.

基于G19-25井3類實驗，樣品在井筒中輕烴損失率平均為29.4%，開放條件下碎樣輕烴損失率平均為21.0%，常規熱解輕烴損失率平均為15.5%，綜合平均損失率為47.1%，計算得到wor= 2.1 ×w（游離烴），平均校正系數取整數值2.0，該值為滄東凹陷孔二段頁巖樣品的平均取值，不同地區不同深度頁巖輕烴散失具有差異性.郭秋麟等［6］研究指出，輕烴恢復系數與Ro具有一定關系，當Ro＜ 1.2%時，恢復系數一般為1～2；當Ro＞ 1.2%時，恢復系數可達到3.0～3.5.薛海濤等［7，17-18］通過實驗及化學動力學方法研究了K校取值，當Ro為0.7%～1.5%時，K校一般為1.5～2.0.由于滄東凹陷孔二段頁巖Ro為0.7%～1.1%，同時基于頁巖的不同巖類高頻紋層結構，綜合將頁巖層系常規熱解烴校正系數K校= 2.0.

3.6 輕烴損失因素分析

巖石中輕烴損失量一般與w（有機碳）、物性呈正相關，即w（有機碳）或孔隙度越高，原始烴含量越高，輕烴損失量也越高，但輕烴損失比率與w（有機碳）一般呈弱負相關性，與物性呈弱正相關性（不同實驗條件熱解游離烴損失率與w（有機碳）或孔隙度相關關系請掃描論文末頁右下角二維碼查看補充材料圖S1）.0 h 和24 h 后游離烴損失率與w（有機碳）無明顯關系，可能是常規熱解實驗條件即開放環境將樣品碾碎至粒徑為0.3～0.4 mm的粉末，造成了烴類散失，從而消除了頁巖巖性的非均質性影響（不同巖性的w（有機碳）不同）.密閉和開放條件下碎樣游離烴損失率與w（有機碳）呈負相關，而與孔隙度呈正相關，進一步驗證了有機質對烴類具有較強的吸附作用，由此造成高w（有機碳）含量頁巖中可動烴比例相對較低.采用密閉條件下碎樣，可防止烴類的散失，呈現出常規與多溫階熱解的游離烴損失率與w（有機碳）或孔隙度具有一定的相關關系.

3.7 頁巖吸附烴K吸取值

頁巖吸附不可動烴主要為干酪根吸附滯留，黏土、無機礦物顆粒表面吸附等僅占少量部分.JARVIE［19］研究認為，有機質吸附烴量最小為100 mg/g；朱日房等［8］研究認為，沙三段泥頁巖在主要生烴初始階段頁巖中有機碳吸附烴量為200～300 mg/g，在埋深為4 km左右時（Ro＞ 1.0%），頁巖中單位有機碳吸附烴量約為100～150 mg/g.本研究基于頁巖油流動特征和吸附理論和［20-21］，以滄東凹陷孔二段實際巖心樣品為對象，挑選12 塊樣品開展不同成熟度干酪根開展溶脹吸附實驗，進而確定干酪根吸附油量與成熟度關系，建立不同成熟度系列的吸附模型（圖7）.從圖7 可見，不同成熟度的頁巖有機質吸附烴量不同，未成熟階段（Ro≈0.5%）有機質吸附烴量為194 mg/g，在生油窗階段，隨著成熟度的增加，干酪根吸附烴能力逐步減少，Ro為0.8%～1.1%的成熟階段，有機質吸附油量為82～110 mg/g，平均約為100 mg/g，故成熟階段K吸= 0.1.

圖7 干酪根溶脹吸附實驗吸附烴量與熱演化程度的關系Fig.7 Relationship between the amount of hydrocarbon adsorbed and the degree of thermal evolution in kerogen swelling adsorption experiment. The circles are the experimental data,and the solid line is the fitting curve.

4 孔二段頁巖油資源評價

以SQ⑨PS20六級層序為例，w（游離烴）高值區主要分布在孔西斜坡Z1605 至KN9 井區，w（游離烴）一般大于3 mg/g；南皮斜坡低部位G1608 至GD6-1 井區，w（游離烴）一般大于5 mg/g；孔店構造帶w（游離烴）一般小于20 mg/g（圖8（a））.w（有機碳）平面分布相對均一，一般大于20 mg/g，其中孔西斜坡和南皮斜坡低部位w（有機碳）含量較高，一般大于40 mg/g（圖8（b））.厚度分布較均一，一般大于10 m，厚值區主要分布于凹陷中部，厚度大于18 m（圖8（c））.利用本研究頁巖油可動資源評價的質量含油率和小面元法，計算PS20 小層資源量為2 580 × 104t，高資源豐度區主要分布在南皮斜坡，大于20 × 104t/km2（圖8（d））.通過上述方法評價孔二段SQ③—SQ⑨層系近400 m 地層頁巖油可動資源量約6.8 × 108t.

圖8 孔二段PS20層資源評價基本參數及資源豐度分布 （a）游離烴等值線分布； （b）有機碳等值線分布； （c） PS20地層厚度等值線； （d） 頁巖油資源豐度等值線Fig.8 Resource evaluation parameters and distribution map of resource abundance of Ek2. (a) Contour map of free hydrocarbon content,(b) contour mop of organic carbon content, (c) stratum thickness contour map of PS20, and (d) contour map of shale oil resource abundance.

結 語

由于湖相頁巖非均質強、物性極差，容積法和類比法等傳統的常規油氣評價方法難以適用，頁巖油尤其是純頁巖油資源評價宜采用質量含油率法.本研究確定的純頁巖油可動資源評價方法，可為頁巖油資源評價提供參考.

熱解輕烴恢復是頁巖油資源評價的關鍵.本研究通過3種情況45塊次樣品熱解對比分析，初步確定地下原始輕烴約是地面常規熱解烴w（游離烴）的2倍.若取心后在鉆井現場直接進行熱解分析，可不考慮時間損失的校正.由于頁巖是由不同巖類的高頻互層構成，對于10 m 級厚度頁巖的資源評價，輕烴恢復系數反映了頁巖滯留烴平均損失情況.