陸相斷陷盆地頁巖油氣評價方法

陸相斷陷盆地頁巖油氣評價方法

20世紀(jì)90年代以來，隨著水平井和含油氣孔的技術(shù)的成熟，國內(nèi)外許多盆地的商業(yè)含油氣孔開始成熟。目前,除美國和加拿大外,澳大利亞、德國、法國、瑞典、波蘭、中國等國家也開始了頁巖油氣的研究和勘探開發(fā)。據(jù)2011年4月美國能源信息署(EIA)公布的初步評估結(jié)果,全球頁巖氣資源量為716×1012m3,技術(shù)可采儲量為188×1012m3。據(jù)不同學(xué)者或機(jī)構(gòu)對中國頁巖氣資源的預(yù)測,中國頁巖氣資源量在(30~166)×1012m3,技術(shù)可采資源量介于(7~45)×1012m3;頁巖油的資源量大約有476×108t,可采資源量約100×108t,其主要分布在3大海相沉積區(qū)或盆地(南方揚(yáng)子地區(qū)、華北地區(qū)和塔里木盆地)和5大陸相盆地(準(zhǔn)噶爾、吐哈、鄂爾多斯、松遼和渤海灣),展示了頁巖油氣廣闊的勘探前景。濟(jì)陽坳陷為渤海灣盆地富油氣坳陷,已經(jīng)歷了50余年的勘探歷程,探井密度高達(dá)0.2口/km2,綜合含水率高達(dá)91.0%,整體進(jìn)入了隱蔽油氣藏勘探階段,常規(guī)油氣勘探的難度日益加大。為了確保勝利油田可持續(xù)發(fā)展,實現(xiàn)“百年創(chuàng)新百年勝利”愿景,中國石化提出了“東部硬穩(wěn)定、西部快上產(chǎn)、非常規(guī)大發(fā)展”戰(zhàn)略,非常規(guī)頁巖油氣勘探被提上日程。筆者嘗試通過對資料豐富的羅家地區(qū)頁巖油氣的精細(xì)剖析,探索陸相斷陷盆地頁巖油氣勘探的技術(shù)方法,為非常規(guī)油氣資源勘探評價提供理論和技術(shù)儲備。1濟(jì)陽出口表現(xiàn)在巖石學(xué)和油氣濟(jì)陽坳陷位于渤海灣盆地東南部,東鄰郯廬斷裂,西北以大型基巖斷裂與埕寧隆起相接,南鄰魯西隆起區(qū),面積為25510km2,是在華北地臺基底上發(fā)育的中生代、新生代斷陷—坳陷疊合盆地,其內(nèi)部被青城、濱縣、陳家莊、義和莊等凸起分隔成東營、惠民、沾化、車鎮(zhèn)共計4個凹陷(圖1)。濟(jì)陽斷陷湖盆在始新世早期進(jìn)入斷陷鼎盛期,構(gòu)造運(yùn)動相對穩(wěn)定,湖盆持續(xù)下沉,氣候溫暖潮濕,陸源碎屑向湖泊注入,帶來大量營養(yǎng)物質(zhì),湖生生物大量生長繁盛,發(fā)育了沙河街組四段(簡稱沙四段,Es4)上亞段、沙河街組三段(簡稱沙三段,Es3)下亞段與中亞段及沙河街組一段(簡稱沙一段,Es1)的烴源巖。根據(jù)鉆井資料揭示,濟(jì)陽坳陷頁巖層主要發(fā)育于古近系沙河街組沙四上亞段、沙三下亞段和沙一段;整體上具有厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高,有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型—混合型為主,有機(jī)質(zhì)成熟度分布范圍寬的特點。其中有機(jī)碳含量TOC大于2.0%,有機(jī)質(zhì)成熟度Ro大于0.5%,厚度大于50m的有利源巖區(qū)面積為5524km2,具備形成大量頁巖油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。在前期常規(guī)油氣勘探階段,古近系沙河街組頁巖層段就頻繁見到氣測異常和油氣顯示。1973年,在東營凹陷中央隆起帶鉆探河54井,沙三下亞段2928~2964.4m頁巖段中途測試,5mm油嘴放噴,產(chǎn)油91.4t/d,產(chǎn)氣2740m3/d,是濟(jì)陽坳陷第一口頁巖工業(yè)油氣流井。之后沾化凹陷羅42井、車鎮(zhèn)凹陷新郭3井、東營凹陷利深101井等也相繼在頁巖段獲得了高產(chǎn)油氣流。截至2011年底,濟(jì)陽坳陷共300余口探井在泥頁巖中見油氣顯示,其中30余口井獲得工業(yè)油氣流(表1),各凹陷、多層系均有分布,展現(xiàn)了濟(jì)陽坳陷頁巖油氣具有巨大的勘探潛力。2資料來源和分析方法優(yōu)選頁巖厚度大(100~300m)、油氣顯示井多(區(qū)內(nèi)24口井頁巖段均見顯示,其中3口井獲工業(yè)油流,5口井獲低產(chǎn)油流)、埋藏深度適中(2500~3500m)、資料豐富(羅69頁巖油氣參數(shù)井,對頁巖發(fā)育段進(jìn)行了系統(tǒng)取心,心長221.36m,化驗分析了17個項目8750塊次樣品;在常規(guī)測井基礎(chǔ)上,增加了三維電阻率、成像、核磁、伽馬能譜、多極子聲波、地層元素等6個項目測井)的羅家地區(qū)沙三下亞段,從選層、巖相、源巖、儲集性、含油氣性和產(chǎn)能6個方面開展頁巖油氣評價。2.1目的層段泥頁巖地層格架的初步確定在常規(guī)油氣勘探階段,往往把泥頁巖段作為均質(zhì)層看待,而頁巖油氣的勘探需要研究泥頁巖地層儲集性能、有機(jī)質(zhì)富集程度、含油氣性、油氣富集方式等方面的差異變化,以明確頁巖油氣有利發(fā)育層段,因此,前期常規(guī)油氣劃分方案已不能滿足頁巖油氣勘探的需要,需要深入細(xì)化研究。由于泥頁巖沉積不同于砂、礫巖沉積旋回,利用常規(guī)測井資料進(jìn)行泥頁巖段小層對比的精度較低。在前人已完善的三級地層層序格架內(nèi),利用能反映相對湖水深淺變化的釷鉀比(Th/K)分析技術(shù),結(jié)合巖心與常規(guī)測井資料,進(jìn)行了羅家地區(qū)沙三下亞段高頻層序識別與劃分對比,建立了目標(biāo)區(qū)高頻層序地層格架,初步明確目的層段泥頁巖分布特征。羅58—羅67高頻層序?qū)Ρ绕拭姹砻?羅家地區(qū)沙三下亞段可劃分為4個四級層序,從上到下依次命名為10、11、12和13層組。巖心觀察和錄井資料表明,油氣顯示段主要集中在12層組下部和13層組上部(圖2),結(jié)合前期勘探過程中獲得頁巖油氣流的頁巖段也主要集中在該段的特點,認(rèn)為羅家地區(qū)12層組下部和13層組上部為下步研究的重點層段。2.2利用“巖心觀察+微觀分析”進(jìn)行井-巖相組織分析北美頁巖油氣成熟探區(qū)主要為海相地層,沉積穩(wěn)定,巖相方面的研究常常不被重視,這方面可借鑒的研究成果很少。陸相湖盆巖相復(fù)雜,見工業(yè)油氣流的泥頁巖段巖性就多達(dá)10多種,相變快,非均質(zhì)性強(qiáng),且不同巖相儲集性能和生烴能力差異較大。因此,有必要進(jìn)行巖相研究,以明確有利巖相類型及分布,為“甜點”預(yù)測提供依據(jù)。大量巖心、薄片觀察表明,羅69井泥頁巖段普遍發(fā)育水平層理,主要由礦物組成、顏色和厚度的變化而顯示出來。薄片鑒定結(jié)果表明,巖石成分主要為泥質(zhì)和方解石,泥質(zhì)為鱗片結(jié)構(gòu),方解石以隱晶結(jié)構(gòu)為主,次為顯微晶—隱晶結(jié)構(gòu)和隱晶—顯微晶結(jié)構(gòu)。利用“巖心觀察+微觀分析”的手段,應(yīng)用巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征和成分特征組合法將羅家地區(qū)沙三下亞段泥頁巖進(jìn)行巖相劃分,認(rèn)為主要發(fā)育紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、層狀泥質(zhì)灰?guī)r相、層狀灰質(zhì)泥巖相(圖3)和一些過渡型巖相。不同巖相由于成分、結(jié)構(gòu)、含油氣性等方面的差異,測井響應(yīng)不同,常規(guī)測井相模型建立相對困難。筆者以巖心刻度成像測井,以成像測井標(biāo)定常規(guī)測井的方法,建立常規(guī)測井相模型,最終優(yōu)選密度(DEN)、聲波時差(AC)和電阻率(RT)3條曲線進(jìn)行巖相劃分(圖4)。紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相聲波時差和電阻率值高,表明其儲集空間發(fā)育程度和油氣富集程度均高;密度大,表明其碳酸鹽脆性礦物含量高,容易壓裂。綜合考慮,該類巖相是可能的“甜點”巖相。利用常規(guī)測井相模型,參考現(xiàn)代湖泊沉積特征,開展剖面相和平面相分析,明確了不同巖相縱向分布規(guī)律。認(rèn)為羅家地區(qū)紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相主要分布在12層組下部和13層組上部,紋層-層狀泥質(zhì)灰?guī)r相主要分布在12和13層組中部,層狀泥質(zhì)灰?guī)r相和層狀灰質(zhì)泥巖相主要分布在10和11層組以及13層組下部。2.3巖石地球化學(xué)參數(shù)參照北美地區(qū)頁巖油氣商業(yè)開采區(qū)的各項源巖評價參數(shù),主要包括有機(jī)碳含量(TOC)、成熟度(Ro)以及暗色頁巖厚度,以地球化學(xué)指標(biāo)分析和生烴模擬為手段,對羅家地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度等參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,建立濟(jì)陽坳陷頁巖油氣勘探的地球化學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),確定有利源巖。2.3.1游離態(tài)烴mg/g目前,一般將吸附烴S1與TOC的相對含量作為評估液態(tài)烴含量的參數(shù),以S1/TOC大于100mg/g為界限,小于100mg/g為吸附態(tài)液態(tài)烴,而高于100mg/g為游離態(tài)烴。濟(jì)陽坳陷沙三下亞段烴源巖S1/TOC與TOC關(guān)系表明,S1/TOC大于100mg/g時,TOC含量一般在2%以上[圖5(a)]。以此為標(biāo)準(zhǔn),羅69井沙三下亞段烴源巖絕大多數(shù)樣品有機(jī)碳含量達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn),其中12層組下部(3023~3055m)和13層組上部(3055~3062m)對應(yīng)的紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r有機(jī)質(zhì)豐度最高,大部分為2%~6%,13層組下部(3076~3127m)對應(yīng)的灰質(zhì)泥巖相有機(jī)質(zhì)豐度最差,大部分低于2%[圖5(b)]。2.3.2型/1型國外頁巖油氣產(chǎn)區(qū)均為海相地層,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和/或Ⅱ1型為主。羅家地區(qū)沙三下亞段有機(jī)質(zhì)均以Ⅰ型和Ⅱ1型為主,富含藻類化石,是類型很好的烴源巖。2.3.3成熟門限r(nóng)o根據(jù)黃第藩對濟(jì)陽坳陷烴源巖有機(jī)質(zhì)演化過程中烴類生成及其與母質(zhì)來源、油氣性質(zhì)及分布關(guān)系的研究,明確了濟(jì)陽坳陷烴源巖大量生油、生氣的成熟度門限Ro分別為0.5%和1.3%。羅家地區(qū)沙三下亞段成熟度Ro為0.70%~0.93%,埋藏深度2500~3500m,正處于大量生油階段。這與北美頁巖油氣產(chǎn)探區(qū)主要產(chǎn)氣或凝析油不同,需下步深入研究,因為油、氣分子直徑、密度和黏度差異較大,可能會導(dǎo)致其賦存機(jī)制、富集機(jī)理的不同。考慮到成熟油容易流動,初步認(rèn)為濟(jì)陽坳陷頁巖油氣的成熟度門限Ro應(yīng)大于0.5%。2.3.4海相地層的精細(xì)地層在北美頁巖氣的評價中,頁巖厚度應(yīng)該大于30m,而對于有機(jī)質(zhì)豐度很高的烴源巖,則要求不低于15m,這一原則主要針對分布相對穩(wěn)定的海相地層。為確定濟(jì)陽坳陷頁巖油氣產(chǎn)層有效厚度,對35口井頁巖產(chǎn)油氣段進(jìn)行了統(tǒng)計,結(jié)果表明,見油氣的頁巖厚度絕大部分為50~150m,僅很少部分井的泥巖厚度為45~50m(圖6)。根據(jù)這一結(jié)果,初步把濟(jì)陽坳陷頁巖的有效厚度最低界限確定為50m。羅家地區(qū)沙三下亞段優(yōu)質(zhì)頁巖集中段的12層組下部和13層組上部厚度已超過了這一標(biāo)準(zhǔn)(厚度為54m),因此,羅家地區(qū)沙三下亞段泥頁巖滿足最小厚度條件。2.4儲集層控技術(shù)研究針對泥頁巖儲集層孔隙度與滲透率低的特點,綜合利用電鏡觀察、陰極發(fā)光和X-衍射三維顯微成像等技術(shù),進(jìn)行頁巖儲集空間類型、組合及發(fā)育特征研究,結(jié)合儲集物性分析,進(jìn)行儲集性能評價與優(yōu)選優(yōu)質(zhì)儲集層。2.4.1巖相油氣儲集空間巖心觀察可見大量成巖順層縫、異常高壓縫、斜交構(gòu)造縫(分充填和未充填兩類)、差異壓實縫和溶蝕縫[圖7(a)—(c)]。這些裂縫的發(fā)育程度對頁巖油氣的富集成藏影響很大,裂縫的發(fā)育有利于游離相油氣的富集和滲透性,提高自然產(chǎn)能。電鏡觀察可見較多黏土礦物、碳酸鹽礦物晶間微孔(大小多在1~15μm)、層間微裂縫(寬度多在1~2μm)[圖7(d)—(e)]。熒光觀察可見部分裂縫、方解石發(fā)綠色熒光,晶間瀝青質(zhì)不發(fā)光。利用氬離子拋光技術(shù),發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)微孔隙[圖7(f)]?？傮w上,該區(qū)頁巖發(fā)育裂縫和微孔隙2類儲集空間,裂縫類型以順層微裂縫為主,其次為斜交構(gòu)造縫,孔隙類型以方解石(白云石)晶間孔為主。其中儲集空間主要發(fā)育在紋層發(fā)育、碳酸鹽巖含量高的紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r中,這可能與該類巖石有機(jī)質(zhì)成層分布、生烴能力強(qiáng)(生烴增壓)和脆性礦物碳酸鹽含量高有關(guān)。2.4.2儲集體的基本特征據(jù)羅69井364塊樣品孔隙度和496塊樣品滲透率數(shù)據(jù)分析(表2),沙三下亞段孔隙度變化于1.3%~13.6%,主要分布于2%~8%,平均值為5%;滲透率變化很大,最大可達(dá)493mD(可能與裂縫發(fā)育有關(guān)),一般分布于1~10mD,其次為0.1~1mD,均值為7.72mD。其中,紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相物性最好,平均孔隙度為5.9%,平均滲透率為17.1mD,是最有利的儲集體,主要分布在12層組下部和13層組上部;其次為紋層-層狀泥質(zhì)灰?guī)r相,平均孔隙度為5.1%,平均滲透率為3.4mD,主要分布在12和13層組中部;層狀灰質(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r相物性差,平均孔隙度為4.3%,平均滲透率為2.4mD,主要分布在10和11層組以及13層組下部。2.5含水飽和度模型以巖心資料為基礎(chǔ),以測井解釋評價為手段,以試油試采資料為驗證,建立飽和度模型,評價可動烴含量,開展含油氣性綜合判識。泥頁巖地層中,孔隙度與含水飽和度變化成反比,孔隙度越大,油氣充滿度越高,導(dǎo)致含水飽和度越低,黏土含量也在一定程度上制約著含水飽和度值。因此,利用實驗室測量的巖石含水飽和度與黏土含量、孔隙度和電阻率進(jìn)行多元回歸,得到含水飽和度計算模型:式中:Sw為含水飽和度,%;ue788為孔隙度,%;Vsh為黏土含量,%;Rt為電阻率,Ω·m?；貧w含水飽和度與實測飽和度吻合性較好(圖8),說明該解釋模型在羅家地區(qū)具有較好的實用性。從羅69井實驗測得的孔隙度與含油飽和度(So)乘積可以看出,整個頁巖段均存在游離態(tài)油氣,孔隙度與含油飽和度乘積高的位置對應(yīng)于12層組下部(3023~3055m)和13層組上部(3055~3062m)的紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相(圖9),表明該段儲集性能好,頁巖油氣富集。2.6頁巖油氣概況在已鉆井產(chǎn)量分析基礎(chǔ)上,結(jié)合巖石可壓性,分析產(chǎn)能影響因素,為有利靶點預(yù)測提供理論依據(jù)。羅家地區(qū)頁巖目的層段以產(chǎn)油為主(密度0.89~0.94t/m3,黏度16.1~208mPa·s),兼有頁巖氣(氣體以甲烷、乙烷和二氧化碳為主,相對密度為0.87~0.97),具有初期產(chǎn)量高、含水低、產(chǎn)能下降快的特征。烴源巖演化程度、巖相、異常壓力和斷裂發(fā)育程度是影響該區(qū)頁巖油氣產(chǎn)能的主要因素,其中烴源巖演化決定油氣賦存相態(tài),羅69井區(qū)沙三下亞段烴源巖埋藏淺(2500~3500m),有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型,Ro為0.7%~0.93%,正處于大量生液態(tài)烴階段,證明本區(qū)頁巖以產(chǎn)油為主;巖相發(fā)育程度決定了頁巖油氣富集程度,紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r為方解石和富含有機(jī)質(zhì)泥巖互層,有機(jī)質(zhì)含量高,儲集空間發(fā)育,有利于油氣富集;異常高壓和斷裂活動影響頁巖油氣產(chǎn)能,已發(fā)現(xiàn)靠近斷層的井中次生裂縫發(fā)育,產(chǎn)能較高。值得注意的是,頁巖油氣開采有別于常規(guī)油氣,主要采用水平井長井段壓裂技術(shù)進(jìn)行開采,其中造縫能力主要受控于地層脆性礦物的種類、產(chǎn)狀及其含量。羅家地區(qū)頁巖段脆性礦物以碳酸鹽為主,不同于脆性礦物以石英為主的北美地區(qū)頁巖油氣產(chǎn)層。因此,高碳酸鹽含量對頁巖儲集空間的影響及應(yīng)采取的相應(yīng)完井措施還有待深入研究,初步認(rèn)為碳酸鹽含量與可壓性成正比。2.7綜合評價通過巖相、源巖、儲集性、含油性和產(chǎn)能等多因素綜合分析,對羅家地區(qū)沙三下亞段頁巖進(jìn)行綜合評價,初步劃分為3類(表3)。2.7.1地層壓力和厚度該類頁巖孔隙度為4%~13.6%,電阻率(RT)為64~186Ω·m;自然電位(SP)異常幅度明顯,聲波時差(AC)、中子測井(CNL)大,密度(DEN)小,說明物性好;電阻率高,氯仿“A”含量和含油氣飽和度高,說明含油性好;縱、橫波速度增大,說明紋理較發(fā)育;地層異常壓力高,有利于油氣的富集和產(chǎn)出。綜合考慮,該類儲層最有利,定為I類儲層,主要分布在12層組下部和13層組上部紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相。2.7.2儲層及儲層性質(zhì)見表1該類頁巖孔隙度為4.2%~8.7%,電阻率為34~108Ω·m;R、AC、CNL、DEN值中等,SP曲線明顯無幅度差,說明物性較Ⅰ類差,含油飽和度也稍微遜色Ⅰ類儲層,氯仿“A”含量較高,定為Ⅱ類層,主要分布在13層組中部和12層組中部紋層-層狀泥質(zhì)灰?guī)r相。2.7.3泥質(zhì)及雙層質(zhì)巖相該類頁巖孔隙度為2.2%~10%,電阻率為13~54Ω·m;CNL、GR高,DEN低,說明泥質(zhì)含量較高,R偏低、SP無幅度差,說明物性差,氯仿“A”含量低,油氣充滿度低,定為Ⅲ類層,主要分布在10、11、12層組上部和13層組下部層狀泥質(zhì)灰?guī)r相和灰質(zhì)泥巖相。3儲層地質(zhì)特征通過巖相、源巖、儲集性、含油