潿西南凹陷流沙港組頁巖油賦存特征及可動性評價

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

頁巖油作為非常規油氣的一種，具有連續分布、自生自儲、資源量巨大等特征，是中國油氣領域戰略性接替資源［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 個頁巖油國家級示范區［3-4］。頁巖油的賦存狀態是制約頁巖油開發的首要問題，這是因為頁巖油在巖石儲集空間中的賦存量和賦存形式決定了頁巖油的可動性，可動性則決定了頁巖油的開采效果［5-6］?，F階段，對于頁巖油賦存特征和可動性評價的研究方法包括多溶劑逐級抽提法、多溫階熱解法、激光共聚焦法、核磁共振法和分子動力學法等［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油流，標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階段，亟需明確頁巖油賦存特征及其可動性評價，為下一步有利區的優選提供參考。本文以流沙港組二段（流二段）下層序—流沙港組三段（流三段）上層序為研究對象，通過有機地球化學實驗明確其烴源條件，利用熒光薄片和激光共聚焦實驗明確不同類型頁巖油賦存特征，并應用多溫階熱解實驗定量表征其可動油質量分數，進一步明確不同類型頁巖油可動性的主控因素。

1 地質概況

潿西南凹陷位于南海西部北部灣海域（見圖1），是一個在前古近系基底上發育的以新生代沉積為主的斷陷湖盆［18-19］，經歷了古近紀裂陷和新近紀坳陷2 個演化階段。始新世時期，在強裂陷作用下，湖盆范圍擴大，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，同時發育薄層砂巖的優質頁巖油層系。

圖1 潿西南凹陷周緣構造區劃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—深湖相轉變，砂體發育逐漸減弱，厚度逐漸減薄。因此，基于沉積相和巖石組構特征的變化，利用砂地比和單層砂體厚度2 個參數，將該套頁巖油層系劃分為基質型、紋層型、夾層型、互層型4種類型（見圖2）：基質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，同時發育灰褐色粉砂質泥巖、 粉砂巖、 細砂巖薄層，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 實驗方法

本文實驗樣品來自W-1 井和A-1 井，巖心樣品共32 個，完成了熒光薄片、激光共聚焦、常規巖石熱解和多溫階熱解實驗。巖屑樣品139 個，完成了有機碳測定、 巖石熱解分析、 族組分分析和全巖礦物衍射等實驗。熒光薄片實驗樣品為塊狀樣，垂直層理面制作薄片，使用Axio Imager A2m 偏光顯微鏡，通過藍色熒光源進行鏡下觀察。激光共聚焦實驗樣品為塊狀樣，使用Zeiss LSM700 激光共聚焦顯微鏡，進行20 層切片掃描成像，其原理基于不同賦存狀態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行可視化表征。常規巖石熱解和多溫階熱解樣品為粉末樣，使用ROCK-EVAL 6 熱解儀，FID 檢測范圍介于100 V～125 mV。其中，多溫階熱解升溫程序設定為200 ℃恒溫1 min、350 ℃恒溫1 min、450 ℃恒溫1 min、600 ℃恒溫1 min。以上實驗樣品送至中海油湛江實驗中心完成。

3 結果與討論

3.1 有機地化特征

對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層開展烴源巖品質評價 （見圖3），由圖3 可知，基質型和紋層型屬于優烴源巖，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

基質型和紋層型的母質類型以Ⅰ型為主，少量為Ⅱ1型；總有機碳質量分數（TOC）為0.86%～10.30%，平均為5.11%；熱解烴質量分數（S1）為0.8～25.9 mg/g，平均為8.48 mg/g；含油飽和度指數（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，相對基質型和紋層型含油性偏低，但可動性更好。

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，整體烴源巖品質好，母質類型利于生油，可動性較好，為頁巖油的勘探開發提供了有利條件。

3.2 頁巖油賦存特征

基質型和紋層型頁巖油儲層鏡下顯示發育明顯的層理構造，主要為黏土層和有機質黏土混合層，局部發育小型透鏡狀粉砂體（見圖4a—e）。夾層型和互層型頁巖油儲層多發育薄層砂巖，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（見圖4f—i）。根據原油的不同組分在紫外光或藍光等激發下會發出不同顏色熒光的特征，可直觀地觀察到石油瀝青在儲層中的分布狀況，為巖石含油性、石油賦存狀態提供微觀可視化信息［21］。

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

在藍光激發下可以發現，4 種類型頁巖油儲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，油質瀝青、膠質瀝青和瀝青質瀝青都有發育，具有較高—中低級別含油性（見圖4）。其中：基質型和紋層型頁巖油儲層中，有機質浸染黏土層以中暗綠色熒光為主，發光強度較低，組分重；而黏土層以中亮褐橙色熒光為主，相對而言發光強度更高，同時可見部分透鏡狀瀝青發亮—中亮橙色、黃色熒光，為油質瀝青，組分相對更輕（見圖4c，e）。夾層型和互層型頁巖油儲層中，瀝青主要集中分布于長英質礦物粒間孔內泥質充填物中，局部豐度較高，發亮—中暗黃色、褐黃色、黃褐色熒光，以油質瀝青為主，瀝青質瀝青為輔，整體相對于基質型和紋層型頁巖油儲層的組分更輕（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，但熒光無法反映飽和烴的分布，而飽和烴是可動油中重要的組成部分。因此，本文通過激光共聚焦技術，利用不同分子結構的物質在同一激光源照射下產生不同波長的熒光來區分石油輕重組分，并運用軟件對頁巖油組分微觀分布進行可視化表征［22-23］。其中：綠色表示頁巖油輕質組分，以飽和烴和芳香烴為主，可動性相對較高；紅色表示頁巖油重質組分，以非烴和瀝青質為主，可動性相對較低。結果表明，不同類型頁巖油微觀分布存在一定共性，表現為輕、重組分呈點狀或彌漫狀分布于基質孔隙中，且分異性不明顯。但在局部區域，頁巖油輕、重質組分分別存在一定的富集現象。其中：頁巖油重質組分主要富集于部分有機質殘體內（見圖5a，b）； 而輕質組分一部分富集于部分透鏡狀粉砂體內相對較大的粒間孔隙內，一部分富集于層理縫內（見圖5c—f）。

圖5 不同類型頁巖油儲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 頁巖油可動性評價

多溫階熱解技術是現階段運用較多的對可動油和吸附油定量評價的方法之一。前人主要通過進一步細分常規熱解升溫階段，并結合熱解組分色譜分析對各階段熱解產物進行分析，驗證其烴組分。實驗結果中S1-1為輕油組分（200 ℃恒溫1 min），S1-2為輕中質油組分（350 ℃恒溫1 min），S2-1為重烴、膠質瀝青（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反映了現實可動油質量分數，S1-1+S1-2反映了最大可動油質量分數，S2-1反映了吸附油質量分數（含重烴和干酪根互溶烴），S1-1+S1-2+S2-1反映了總含油質量分數，（S1-1+S1-2）/（S1-1+S1-2+S2-1）反映了最大可動油占比［21］。實驗結果顯示： 基質型頁巖油儲層總含油質量分數為13.06～20.84 mg/g，平均為17.15 mg/g；最大可動油質量分數為6.88～11.61 mg/g，平均為9.09 mg/g；最大可動油占比為47.70%～59.97%，平均為52.90%。紋層型頁巖油儲層總含油質量分數為1.72～33.07 mg/g，平均為21.89 mg/g；最大可動油質量分數為1.05～19.29 mg/g，平均為12.53 mg/g； 最大可動油占比為48.98%～63.16%，平均為57.32%。夾層型頁巖油儲層總含油質量分數為13.37～20.72 mg/g，平均為17.05 mg/g；最大可動油質量分數為8.29～11.94 mg/g，平均為10.12 mg/g；最大可動油占比為62.00%～57.63%，平均為59.80%?；有晚搸r油儲層總含油質量分數為9.25～48.84 mg/g，平均為27.64 mg/g；最大可動油質量分數為7.94～42.63 mg/g，平均為24.45 mg/g； 最大可動油占比為85.84%～91.78%，平均為88.30%。

本次多溫階熱解實驗中，基質型、紋層型和夾層型頁巖油儲層樣品取自油頁巖，紋層型頁巖油儲層整體可動油質量分數和可動油占比較高，基質型和夾層型相當；而互層型頁巖油儲層的樣品取自砂巖薄層，可動油質量分數和可動油占比遠超過其他3 種類型（見圖6）。這表明互層型頁巖油儲層中相對較為發育的砂巖薄層最易于富集可動油，是潿西南凹陷頁巖油勘探開發的首要目標，該結果與前文所述的頁巖油賦存特征一致。

圖6 不同類型頁巖油儲層多溫階熱解實驗結果Fig.6 Experimental results of multi-temperature pyrolysis of different types of shale oil reservoirs

3.4 頁巖油可動性主控因素

3.4.1 有機質成熟度

有機質成熟度是影響頁巖油可動性的因素之一，在干酪根生烴的整個過程中，隨著成熟度增加，受干酪根及其產物降解作用的影響，產物相應地發生改變，飽和烴和芳香烴代表其中主要的輕質組分。成熟度主要受埋深的影響，成熟度與埋深呈正相關。結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現：隨著成熟度的增加，S1隨之增大，并逐漸趨于穩定，進入生烴高峰期；飽和烴+芳香烴質量分數同樣隨之增大，表明頁巖油可動性越來越好（見圖7）。

圖7 埋深對頁巖油可動性的影響Fig.7 Influence of burial depth on shale oil mobility

3.4.2 有機質豐度

吸附油（以瀝青質和非烴組分為主）中含有大量極性官能團，具有極性強、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］，可動油則具有相反的特征。如圖8a 所示：TOC 小于4%時，其與最大可動油質量分數呈正相關；TOC 大于4%時，最大可動油質量分數趨于穩定。這表明在TOC 小于4%時，有機質生烴主要滿足其自身吸附作用及充填自身儲集空間，有機質豐度越高，可動油質量分數越高，直至開始排烴，可動油質量分數趨于穩定。而對于有機質自身來說，總有機碳質量分數與吸附油質量分數呈正相關，與最大可動油占比呈負相關，與吸附油占比呈正相關（見圖8b—d）。這與前文有機質浸染黏土層和部分有機質殘體中多富集頁巖油重質組分認識一致，說明有機質對頁巖油重質組分具有強吸附性。

圖8 有機質豐度對頁巖油可動性的影響Fig.8 Influence of organic matter abundance on shale oil mobility

3.4.3 儲層物性及礦物組成

潿西南凹陷基質型、 紋層型和夾層型油頁巖儲層以頁巖為主，互層型則發育大量薄層砂巖，巖性的不同意味著儲層物性、礦物組成和儲集空間的變化，進一步影響頁巖可動油的富集?？紫抖?、長英質礦物質量分數與最大可動油質量分數呈正相關，黏土礦物質量分數與最大可動油質量分數呈負相關，碳酸鹽礦物質量分數與最大可動油質量分數未見明顯相關性（見圖9）。但這種相關性實際上是由砂巖樣品引起的，油頁巖樣品并未見明顯相關性。究其原因認為，對于純油頁巖層，由于具有相對較高的黏土礦物質量分數和總有機碳質量分數，因此一方面具有較強的吸附能力，另一方面塑性較強，難以形成有效孔隙。依據前文研究，其可動油的富集主要依靠于層理縫的發育。而對于薄層砂巖，其物性更好，易于發育孔徑較大的孔隙，為可動油的富集提供了有效的儲集空間，因此常形成薄層砂巖甜點段。在現階段技術條件下，薄層砂巖發育的互層型油頁巖儲層更有利于后期開發。

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

4 結論

1）潿西南凹陷流二段下層序—流三段上層序發育基質型、 紋層型、 夾層型和互層型4 種類型頁巖油儲層，整體有機質豐度高，生烴潛力大，母質類型以Ⅰ，Ⅱ1型為主，屬于好—優烴源巖，且整體處于生油階段。

2）潿西南凹陷流二段下層序—流三段上層序可動油賦存于基質型、 紋層型和夾層型頁巖油儲層發育的微裂縫、 透鏡狀粉砂體粒間孔隙以及互層型頁巖油儲層內的砂巖薄層，吸附油則賦存于有機質殘體表面。

3）互層型頁巖油儲層最大可動油質量分數為7.94～42.63 mg/g，平均為24.45 mg/g，可動油占比高達80%以上，是潿西南凹陷頁巖油勘探開發的首要目標?；|型、紋層型和夾層型頁巖油儲層可動油占比相當，但紋層型頁巖油儲層可動油質量分數相對較高，是潿西南凹陷頁巖油勘探開發的次要目標。

4）在生油窗內，埋深（成熟度）越大，頁巖油可動性越好；有機質豐度越高，生油量越大，TOC＞4%后趨于穩定，但對頁巖油吸附作用也越強；薄層砂巖相對發育的互層型頁巖油儲層更易于形成可動油富集甜點段。