頁(yè)巖油地質(zhì)特征及初步判斷

頁(yè)巖油地質(zhì)特征及初步判斷

0頁(yè)巖油的開(kāi)采現(xiàn)狀能源需求的增加和傳統(tǒng)油氣資源的持續(xù)消耗，導(dǎo)致油氣供應(yīng)的矛盾。因此,非常規(guī)能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注。頁(yè)巖氣勘探和開(kāi)發(fā)首先在北美取得了巨大成功,全球范圍內(nèi)掀起了頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)熱潮。受頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的啟迪,投資者開(kāi)展了頁(yè)巖油的勘探與開(kāi)發(fā)。全球頁(yè)巖油資源量已證實(shí),頁(yè)巖油、致密油資源潛力巨大,41個(gè)國(guó)家的頁(yè)巖油技術(shù)可采儲(chǔ)量為493億t(我國(guó)以45.7億t位居第三)。松遼盆地北部古龍凹陷青山口組泥頁(yè)巖層系中頁(yè)巖油資源量為11.5億t①。盡管一些分析人士從頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)技術(shù)、開(kāi)采成本、環(huán)保、運(yùn)輸及土地權(quán)方面認(rèn)為美國(guó)頁(yè)巖油發(fā)展前景可能不會(huì)像預(yù)計(jì)的那么快,但近幾年的產(chǎn)能已足以顯示出這類(lèi)資源的廣闊前景。此外,在加利福尼亞州中新世Antelope頁(yè)巖、科羅拉多州白堊系Niobrara頁(yè)巖、英國(guó)侏羅系Kimmeridge頁(yè)巖和西伯利亞Bazhenov頁(yè)巖中都有油產(chǎn)出。在我國(guó)東部中新生代斷陷盆地中,均已不同程度地獲得了頁(yè)巖油流,如遼河坳陷曙古165井(24m3/d)、東濮凹陷濮深18-1井(420m3/d)、泌陽(yáng)凹陷安深1井(4.68m3/d)和泌頁(yè)HF1井(23.6m3/d);部分單井累積產(chǎn)油量可達(dá)數(shù)萬(wàn)噸,如勝利油田的羅42井和新義深9井及吉林油田的新197井,累積產(chǎn)原油分別達(dá)到1.36萬(wàn)t,1.13萬(wàn)t和3.03萬(wàn)t。由于頁(yè)巖油的開(kāi)采比常規(guī)油氣開(kāi)采難度大,世界范圍內(nèi)的頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)未取得像頁(yè)巖氣那樣的成效,因此我國(guó)的頁(yè)巖油勘探處于初期階段。這類(lèi)石油能源包括3種:①裂縫油,如Monterey頁(yè)巖、Pierre頁(yè)巖、Bazhenov頁(yè)巖及國(guó)內(nèi)的泥巖裂縫油氣藏;②純頁(yè)巖油,如FortWorth盆地Barnett頁(yè)巖油及國(guó)內(nèi)泌陽(yáng)凹陷泌頁(yè)HF1井核三段泥頁(yè)巖油;③混合層系油(產(chǎn)自泥頁(yè)巖及薄夾層,以薄夾層為主),如落基山脈地區(qū)Niobrara頁(yè)巖、Bakken頁(yè)巖以及國(guó)內(nèi)準(zhǔn)噶爾盆地二疊系風(fēng)城組泥頁(yè)巖。筆者在前期完成的我國(guó)東部主要含油盆地頁(yè)巖油資源潛力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,將我國(guó)東部主要盆地頁(yè)巖與美國(guó)頁(yè)巖油產(chǎn)出井區(qū)的地質(zhì)、地球化學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,探討頁(yè)巖油、致密油的有利發(fā)育層段參數(shù),以期對(duì)我國(guó)頁(yè)巖油勘探有所幫助。1頁(yè)巖含油率特性在常規(guī)油資源富集的盆地(凹陷),同樣也富集頁(yè)巖油。頁(yè)巖油評(píng)價(jià)與頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)同樣都要進(jìn)行頁(yè)巖質(zhì)量的好壞(包括有機(jī)質(zhì)豐度和頁(yè)巖體積)、有機(jī)質(zhì)的生油(氣)階段劃分、巖石的脆性以及裂縫發(fā)育等的評(píng)價(jià),不同的是頁(yè)巖油評(píng)價(jià)還需關(guān)注另一關(guān)鍵參數(shù),即含油率。在含油率方面,國(guó)外一般采用實(shí)測(cè)的熱解參數(shù)S1(殘留烴含量)來(lái)表征,除此之外,國(guó)內(nèi)還采用氯仿瀝青“A”。由于熱解參數(shù)S1的普遍性,而且其更易代表地下可流動(dòng)烴類(lèi),推薦采用S1進(jìn)行頁(yè)巖油潛力分析。本次分析主要是對(duì)國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖含油率參數(shù)進(jìn)行對(duì)比?，F(xiàn)在普遍采用含油飽和指數(shù)OSI(oilsaturationindex)來(lái)指示頁(yè)巖油潛力的相對(duì)大小。OSI為S1與TOC(有機(jī)碳)的比值,若比值大于100mgoil/gTOC,則認(rèn)為存在油跨越(OilCrossover)現(xiàn)象,其范圍段可定位為頁(yè)巖油的有利段。1.1油氣運(yùn)移及產(chǎn)油以Coastal油氣公司的3-Hunter-Careaga井(圖1)為例,該井TOC變化比較快,非均質(zhì)性強(qiáng),從0.5%到3.0%均有分布,在TOC較低的地方,隱約顯示油跨越現(xiàn)象?？傮w來(lái)看:比較有利的水平井段應(yīng)為2903~2940m處(OSI大于100mgoil/gTOC),且TOC及S2均較低,有機(jī)質(zhì)的吸附烴較少;油的初期產(chǎn)能為53.9m3/d(API為33°),天然氣為1.85萬(wàn)m3/d,地層水為15m3/d,氣油比為343;在2740~3711m處多處射孔,最大產(chǎn)油為8.2m3/d,產(chǎn)氣為2.2萬(wàn)m3/d,累積產(chǎn)出2.6萬(wàn)m3油、636.9萬(wàn)m3天然氣和13.9萬(wàn)m3地層水,5年后關(guān)井停產(chǎn)。Monterey頁(yè)巖裂縫油已經(jīng)累積產(chǎn)出1.43億t。同類(lèi)型的頁(yè)巖油還有Pierre盆地的Niobrara頁(yè)巖油、上Bakken頁(yè)巖油、Antelope頁(yè)巖油,西西伯利亞侏羅系Bazhenov頁(yè)巖油,松遼盆地南部新站油田泥巖裂縫油,渤南洼陷羅家油田裂縫油等。1.2parshall和saisa油田1995年DickFindley建議在Bakken中段進(jìn)行射孔,這一建議直接驗(yàn)證了ElmCoulee大油田的發(fā)現(xiàn)(Montana東部),并在2000年完鉆了第一口水平井。根據(jù)這一啟示,在北Dakota的Bakken中段進(jìn)行射孔,其中1-36H-Parshall井日產(chǎn)原油為73.6m3,API為42°,產(chǎn)氣為3624.5m3/d,氣油比為49。近期從Parshall和Sanish油田產(chǎn)出的油為318~636m3/d。Parshall油田是主要產(chǎn)油區(qū),面積為3840km2。代表井為1-05HN&D井(圖2),此井產(chǎn)油為204m3/d,產(chǎn)氣為11440m3/d,氣油比為55.9。上段w(TOC)為5.36%~21.40%,平均為14.3%;下段w(TOC)為8.87%~24.70%,平均為15.17%。上段碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)為10%;下段碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)為6%;中段碳酸鹽的體積分?jǐn)?shù)(主要是白云巖)為21%~70%,平均為38%。在Bakken中段存在OilCrossover現(xiàn)象,含油度較高,絕對(duì)含油率平均值為0.00747m3/m3,中段S1和S2(其中的S2主要是滯留烴所致)較低,可動(dòng)油較多(OSI指標(biāo)很高,可達(dá)600mgoil/gTOC),上段和下段的S1及TOC值均較高,致使大部分烴類(lèi)被干酪根吸附,難以產(chǎn)出。此類(lèi)頁(yè)巖油還包括EagleFord頁(yè)巖油、Niobrara頁(yè)巖油、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系風(fēng)城組頁(yè)巖油、東濮凹陷沙三下亞段頁(yè)巖油及遼河油田大民屯凹陷沙四上亞段頁(yè)巖油等。1.3頁(yè)巖油的產(chǎn)能Barnett頁(yè)巖油大部分來(lái)自于盆地西部和北部處于生油窗階段的頁(yè)巖。FourSevens油公司在FortWorth盆地西北部的Clay縣鉆探了1口直井,油的初期產(chǎn)能為32m3/d,而在Barnett頁(yè)巖油產(chǎn)區(qū)最好的地方,平均油的初始產(chǎn)能為39.7~159.0m3/d,天然氣為2.83~5.66萬(wàn)m3/d。盡管在Barnett頁(yè)巖下部呈現(xiàn)出OilCrossover現(xiàn)象(圖3),但是由于較高的TOC,以及較低的碳酸鹽含量、孔隙度和滲透率,不發(fā)育裂縫,故頁(yè)巖油的產(chǎn)能并不高。油井產(chǎn)能的迅速降低也反映了這一情況。近期美國(guó)EOG公司完鉆了一批頁(yè)巖油直井,油的初期產(chǎn)能達(dá)159m3/d,產(chǎn)氣56634m3/d。通過(guò)對(duì)ArgonIon-Milled掃描電子顯微鏡下觀察,頁(yè)巖中并不存在有機(jī)孔隙,但是基質(zhì)孔隙為2%~3%,喉徑為4000~7000nm,大約是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的100倍。此類(lèi)頁(yè)巖油還包括Tuscaloosa頁(yè)巖油、Antelope頁(yè)巖油、泌陽(yáng)凹陷核三上亞段頁(yè)巖油及松遼盆地齊家-古龍凹陷青山口組頁(yè)巖油等。2中國(guó)巖油勘探的例子2.1巖石礦物及理化性質(zhì)渤南洼陷沙三下亞段巖性為深灰色泥巖、深灰色和灰色灰質(zhì)泥巖、灰褐色油頁(yè)巖與油泥巖互層,夾少量灰褐色灰?guī)r、灰色泥質(zhì)白云巖、灰色砂質(zhì)泥巖和白云質(zhì)粉砂巖,厚度為300~500m,w(TOC)為0.71%~9.32%,平均為3.1%,IH(氫指數(shù))為160~1040mgoil/gTOC,平均為496mgoil/gTOC,Tmax(巖石熱解參數(shù)S2最大峰溫)為424~447℃(Ro為0.7%~0.9%),處于大量生烴階段,干酪根類(lèi)型以Ⅰ和Ⅱ1型為主。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)普遍小于40%,平均為18%,并以伊利石和伊/蒙混層為主,其他礦物(脆性礦物)體積分?jǐn)?shù)為80%以上,以碳酸鹽礦物為主①。前期的勘探成果揭示出渤南洼陷羅家油田以裂縫型頁(yè)巖油為主,該油田羅42井已累積產(chǎn)頁(yè)巖油1.36萬(wàn)t。羅69井地球化學(xué)剖面顯示(圖4),在2989~3011m和3095.4~3130.0m處的OSI大于100mgoil/gTOC,較高的OSI暗示泥頁(yè)巖中存在開(kāi)啟裂縫,尤其上段OSI平均為120mgoil/gTOC,是較有利的、潛在的頁(yè)巖油層段。齊家-古龍凹陷青山口組巖性為黑色、深灰色泥巖,黑色、深灰色、灰色粉砂質(zhì)泥巖,灰色粉砂巖及砂巖,夾少量介形蟲(chóng)層,灰色鈣質(zhì)砂巖,灰色鈣質(zhì)介形蟲(chóng)層。青山口組上段以砂巖為主,下段以泥巖為主,厚度為200~600m,w(TOC)為0.4%~12.1%,平均為2.1%,IH為27~1187mgoil/gTOC,平均為433mgoil/gTOC,干酪根類(lèi)型以Ⅰ和Ⅱ1型為主,Tmax為425~467℃(Ro為0.25%~1.85%),青山口組泥頁(yè)巖大多處于成熟與高成熟階段。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)為7%~49%,平均為37%,并以蒙脫石、伊利石及伊/蒙混層為主,其他礦物體積分?jǐn)?shù)為60%以上,以石英長(zhǎng)石為主②。2011年在齊家凹陷設(shè)計(jì)完鉆了齊平1井,并進(jìn)行了水平井分段壓裂,在壓裂段最前端的純泥巖段進(jìn)行了壓后抽汲,試油0.3m3/d,累積油5.55m3(15d)。齊平1井地球化學(xué)剖面(圖5)顯示,OSI大多數(shù)為80~90mgoil/gTOC,表明裂縫并不發(fā)育,屬于純頁(yè)巖油類(lèi)型。2.2東實(shí)行地層泥巖裂縫油氣藏東濮凹陷沙三下亞段巖性為灰色、深灰色泥巖,灰質(zhì)泥巖夾粉砂巖,厚度為300~550m,w(TOC)為0.11%~4.15%,平均為0.82%,IH為9~644mgoil/gTOC,平均為194.1mgoil/gTOC,干酪根類(lèi)型以ⅡB和Ⅲ型為主,Tmax為421~449℃,多數(shù)進(jìn)入成熟階段。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)普遍小于50%,平均為34.3%,并以伊利石和伊/蒙混層為主,其他礦物(脆性礦物)體積分?jǐn)?shù)為60%以上,以碳酸鹽礦物為主①。前期的勘探成果揭示出東濮凹陷在高壓區(qū)、超高壓區(qū)、鹽巖分布區(qū)及構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶等地帶存在泥巖裂縫油氣藏,并已在文留、濮城、衛(wèi)城、胡狀、慶祖和劉莊等地區(qū)發(fā)現(xiàn)泥巖裂縫油氣顯示。截至2003年,東濮凹陷共有70口井泥巖裂縫中見(jiàn)油氣顯示,6口井測(cè)試或試油,主要分布在文留地區(qū)。白廟平1井產(chǎn)油40t/d,產(chǎn)氣1.92萬(wàn)m3/d,至2012年6月28日,累積產(chǎn)油2736t、產(chǎn)氣243萬(wàn)m3。由濮6-55井地球化學(xué)剖面(圖6)可知,在3421.48~3436.52m和3454.08~3463.32m處的OSI大于100mgoil/gTOC,但對(duì)應(yīng)的TOC值較高,干酪根吸附油的能力也較高,又由于這2處存在較多的砂巖薄夾層,故這2段是較好的混合型頁(yè)巖油的發(fā)育段。從國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖油區(qū)頁(yè)巖地球化學(xué)參數(shù)及頁(yè)巖油流情況來(lái)看,國(guó)內(nèi)頁(yè)巖平均有機(jī)碳低于美國(guó)Bakken及EagleFord頁(yè)巖有機(jī)碳,國(guó)內(nèi)頁(yè)巖S1也低于美國(guó)Bakken及EagleFord頁(yè)巖S1,但與其他盆地類(lèi)似(表1)。國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度較為接近,而國(guó)內(nèi)的略高。國(guó)內(nèi)濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖OSI與Monterey,Barnett及EagleFord頁(yè)巖OSI較為接近。在脆性礦物含量上,國(guó)內(nèi)頁(yè)巖并不低于國(guó)外頁(yè)巖。盡管準(zhǔn)噶爾盆地風(fēng)城組頁(yè)巖缺少OSI地球化學(xué)參數(shù),但是從有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)質(zhì)豐度、頁(yè)巖油類(lèi)型及初始產(chǎn)能上來(lái)看,風(fēng)城組頁(yè)巖油(風(fēng)3井區(qū)初期單井日產(chǎn)油6.5~123.0t,平均17.9t)與美國(guó)EagleFord頁(yè)巖油近似。此外,含有白云質(zhì)的泥頁(yè)巖層系往往具有較多的裂縫,可作為頁(yè)巖油的有利富集區(qū)。3多地層油氣潛在層段型頁(yè)巖油地層(1)本次研究對(duì)比了國(guó)內(nèi)外3種類(lèi)型頁(yè)巖油的地球化學(xué)特征及產(chǎn)油情況。從OSI上來(lái)看,當(dāng)OSI大于100mgoil/gTOC時(shí),致密頁(yè)巖段可確定為較好的裂縫型頁(yè)巖油層,砂巖、粉砂巖段可與致密頁(yè)巖段一起作為混合型頁(yè)巖油層,這種情況下頁(yè)巖油產(chǎn)能大,是有利的水平井井身