美國鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖油富集主控因素

秦長文，秦 璇

(1.中海油研究總院，北京 100028；2.盆地與油藏研究中心 中國石油大學，北京 102249)

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美國鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖油富集主控因素

秦長文1，秦 璇2

(1.中海油研究總院，北京 100028；2.盆地與油藏研究中心 中國石油大學，北京 102249)

頁巖油已經成為石油勘探開發的一個新領域。運用綜合地質研究的方法，以揭示頁巖油成藏條件為目的，對美國白堊系鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖的特征進行分析。研究認為，控制頁巖油富集高產的主要地質因素包括：頁巖富含有機質，TOC一般大于2%；成熟度適中，Ro以0.75%～1.10%為宜；儲層厚度較大，微孔發育；巖石脆性好，易于體積壓裂；構造穩定，埋藏適中，保存條件好；另外，最好發育天然裂縫。對頁巖油成藏特征的研究揭示了其形成的特殊性，對國內頁巖油的勘探開發有一定指導意義。

頁巖油；白堊系；鷹灘頁巖；尼奧泊拉拉頁巖；有機質

1 頁巖油與頁巖氣的異同

頁巖油與頁巖氣相同之處在于二者都是賦存在地下的富有機質頁巖及其夾層孔隙中的非常規烴類。不同點在于頁巖油在地下的賦存狀態是游離的液態，而頁巖氣在地下的賦存狀態可以是游離、吸附的氣態，或溶解在頁巖油中。

頁巖油和頁巖氣可以存在于同一盆地中或同一層頁巖中，溶解在頁巖油中的頁巖氣可以與頁巖油同時產出。頁巖油與頁巖氣一樣，主要依靠水平井和多級壓裂技術開采。單井的產量特征表現為初期(首月)產量高，之后逐步遞減。但生產時間長，可達數年，甚至10 a以上[1-5]。

2 美國頁巖油勘探開發現狀及頁巖油分布

目前，美國已在其西南部、墨西哥灣沿岸和落基山前的多個盆地獲得了頁巖油勘探開發突破(圖1)。威利斯頓盆地的巴肯頁巖擁有豐富的油氣資源[6]，早在20世紀60年代就開始探索如何開發巴肯頁巖中的石油，但真正大規模的開發是在近幾年。福特沃斯盆地密西西比系的巴內特頁巖是美國成功開發頁巖氣的典范，這些天然氣大多產自埋深較大、有機質熱成熟度較高(Ro>1.1%)的頁巖，而埋深相對較小、仍處于生油窗的盆地北部成為開采頁巖油的主要地區[7-10]。墨西哥灣盆地的鷹灘頁巖是著名的優質頁巖，為上覆的奧斯汀灰巖和下伏的布達灰巖油氣藏提供了大量的油氣，近年來認識到這套頁巖不僅是優質烴源巖，還可以作為儲層，已成為頁巖油開采的一個新興地區。

圖1 美國頁巖油分布

然而頁巖油開采并不順利，在美國東部和大陸中部開采頁巖氣的一些廣大盆地并沒有發現頁巖油，在有些發現頁巖油的盆地雖然采取了長水平段水平井和多級壓裂措施，單井產量依然很低。

3 鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖巖性特征

鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖都沉積于晚白堊世，其所處的盆地在晚白堊世的沉積環境是半封閉的淺海，非常有利于灰質頁巖的發育，并保存了大量的有機質。

墨西哥灣盆地的鷹灘頁巖主要為紋層狀的灰黑色的灰巖、泥質灰巖、夾灰白色的泥質灰巖，頁理發育。巖層中含較多的浮游有孔蟲和少量的殼類瓣鰓動物化石碎片，局部可見磷酸鹽晶體和球粒，以及分散的黃鐵礦晶體。可分為上下2段，下段比上段有機質含量高、顏色深。下段厚為24～61 m，是水平井鉆探的主要目的層，也是主要產層。

粉河盆地和丹佛盆地的尼奧泊拉拉頁巖相似，宏觀上表現為灰黑色、灰色的泥質灰巖與灰白色、灰色的灰巖互層，頁理發育。泥質灰巖的有機質含量比灰巖的高。粉河盆地灰巖一般發育A、B、C 3層，中間的B層一般厚度為6～20 m，由于灰巖硬度高、脆性好，水平井段主要在該層中延伸。B層灰巖是石油產量的主要貢獻者，其上下的泥灰巖層是次要貢獻者。

4 頁巖油富集高產的主控地質因素

4.1 富含有機質、成熟度適中的源巖

美國白堊系鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖均是優質的海相烴源巖，有機質類型為Ⅱ型，豐度高。其中鷹灘頁巖的TOC為2%～8%，平均為5%；粉河盆地的尼奧泊拉拉頁巖的TOC為2%～7%，平均為5%；丹佛盆地的尼奧泊拉拉頁巖的TOC為2%～8%，平均為5%。

鷹灘頁巖的構造形態為一個南東傾向的單斜，西北部埋藏淺，東南部埋藏深，既產頁巖油也產頁巖氣(圖2)。頁巖埋深為1 520～3 500 m，Ro為0.88%～1.10%。氣區產凝析油氣和干氣，頁巖埋藏較深，Ro一般大于1.10%，甚至可以到1.40%。

圖2 鷹灘頁巖頂面構造

尼奧泊拉拉頁巖的有機質熱演化程度較低，Ro小于1.00%，只產油和溶解氣。粉河盆地在尼奧泊拉拉頁巖中商業開采頁巖油的地區的Ro為0.75%～0.95%。低于0.75%的地區，即使鉆探水平井并采取壓裂措施產量也很低。

4.2 儲層厚度較大且微孔發育

盆地要擁有大量的頁巖油資源，必須有發育穩定且厚度較大的頁巖和充足的儲集空間。

墨西哥灣盆地的鷹灘頁巖發育比較穩定，厚度為42～122 m，主產層下段的厚度為24～61 m。泥質灰巖和灰巖互層的尼奧泊拉拉頁巖地層發育很穩定，粉河盆地的尼奧泊拉拉頁巖地層總厚度為90～137 m，丹佛盆地的尼奧泊拉拉頁巖地層總厚度為90～122 m。

在高倍的電子顯微鏡下，可以看到頁巖發育大量的微孔。鷹灘頁巖在方解石和石英晶體間存在1 μm左右的粒間孔隙，而在有機質中則存在不規則的蜂窩狀孔隙，孔隙大小在幾到幾百納米。在有機質含量高的鷹灘頁巖下段，有機質孔隙占巖石總孔隙的80%～90%。可見，有機質微孔是成熟富有機質頁巖的主要孔隙。

富有機質頁巖不但發育礦物粒間的微孔，有機質內部還發育大量的納米級的微孔，為油氣提供了充足的儲集空間，使得頁巖仍然具有一定的孔滲性。鷹灘頁巖的孔隙度為5%～8%，滲透率為0.3×10-6～3.0×10-6μm2，平均為0.7×10-6μm2。粉河盆地的尼奧泊拉拉頁巖的孔隙度為5%～8%，滲透率為0.1×10-6～2.0×10-6μm2，平均為0.8×10-6μm2。丹佛盆地的尼奧泊拉拉頁巖的孔隙度為5%～10%，滲透率為0.1×10-6～2.5×10-6μm2，平均為1.0×10-6μm2。

4.3 巖石脆性好、易于體積壓裂

頁巖本身的滲透性是有限的，要在頁巖中獲得較高的商業產能，必須在水平井段中進行多級體積壓裂，使頁巖產生大量的網狀裂縫，最大程度地溝通頁巖中的微孔隙，提高儲層滲透性。巖石的脆性決定壓裂的效果，對于較軟巖石(如煤層)，壓裂容易，但裂縫延伸距離小；對于較硬巖石(如砂巖)，壓裂往往形成單縫，不易產生網狀縫，對頁巖微孔隙的溝通作用有限。

頁巖的脆性可以用脆性礦物的含量表示，脆性礦物含量越高，巖石脆性越大。脆性礦物包括石英、方解石、白云石、長石等礦物。鷹灘頁巖巖石組成以方解石為主，約占巖石總質量的62%，石英含量次之，約占11%，黏土礦物含量較低，約占17%，其中脆性礦物含量達80%左右。尼奧泊拉拉頁巖鈣質含量占55%，石英含量為10%，黏土含量為10%～30%，其中脆性礦物約占70%。

美國白堊系的海相頁巖脆性礦物含量較高，巖石脆性好，易于開展體積壓裂，單井產量較高。鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖水平井的單井初期日產油都可達上百立方米。

4.4 天然裂縫發育，滲透性強

頁巖如果發育天然裂縫，不僅可以提高頁巖儲層本身的滲透性，還可以在壓裂時促進頁巖儲層產生網狀縫。鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖在地層有一定撓曲的局部地區均發育天然裂縫。粉河盆地的南部是頁巖油主生產區，單井產量比盆地其他地區的高，其重要原因是該區靠近南部沖斷帶，在尼奧泊拉拉地層中普遍發育天然裂縫。在地震剖面上表現為同向軸彎曲，在相干體平面圖上對應出現一些斷斷續續的暗色條帶(圖3)。丹佛盆地尼奧泊拉拉頁巖有機質的成熟度較低，頁巖油主要生產區在Ro>0.75%的范圍內。在Ro為0.50%～0.75%的區域，只有在裂縫發育區才能可以獲得較高單井產量，裂縫不發育區單井產量很低。

圖3 尼奧泊拉拉頁巖裂縫分布特征

4.5 構造穩定，埋藏適中，保存條件好

鷹灘和尼奧泊拉拉頁巖油生產區都處于盆地的構造穩定區，地層產狀變化小，不發育大型的斷裂，只有少量的小型斷裂，頁巖油的保存條件好。另外，小型斷裂的斷距一般只有數米，不會把頁巖地層完全錯開，對鉆探水平井和實施壓裂沒有太大影響。

頁巖生烴后可以向鄰近的砂巖等儲層排出部分油氣，但在沒有斷裂溝通的前提下，能有效排烴的一般只是鄰近砂巖20 m以內的頁巖。對于厚達百米的源巖仍然有大量的石油殘留于頁巖地層中。

埋深對頁巖油的富集和開采很重要，如果地層抬升造成埋藏太淺，石油會因保存條件差變稠，難以從頁巖中開采出來；如果頁巖埋藏太深，有機質熱演化程度變高，頁巖中的石油會逐漸裂解為氣。鷹灘頁巖和尼奧泊拉拉頁巖在產油區埋藏適中，深度范圍為1 520～3 660 m。墨西哥灣盆地白堊系的埋藏由東南向西北逐漸變淺，單口水平井的初期石油產量從上百方下降到30 m3左右，石油API重度為35～60，屬輕質原油。在鷹灘頁巖埋深小于1 500 m的地區，產量很低，石油API重度低到22，屬中質原油，目前無法實現商業開采。而在埋深3 500～4 200 m的地區只產頁巖氣。

5 結論及啟示

(1) 豐富成熟的有機質不僅為頁巖提供了充足的烴源，還提供了相對于砂巖來說額外的儲集空間，使得頁巖賦存大量的石油資源。應對國內外頁巖油資源引起重視，并在起步階段擇機參與海外頁巖油的開發。

(2) 產油頁巖富含有機質，TOC一般大于2%；有機質熱演化程度適中，最好在較高的生油窗范圍，Ro為0.75%～1.10%為宜，如果Ro較低，即使生油，也不易產出。

(3) 頁巖油的富集要求構造穩定，埋藏適中，保存條件好。如果構造活動強，大斷裂發育多，頁巖中石油難以富集；埋藏太淺(一般小于1 500 m)，造成頁巖油散失；埋藏太深，石油會裂解成氣。

(4) 對頁巖油的勘探開發必須考慮巖石的脆性，較高的頁巖脆性才適宜鉆探水平井和實施多級壓裂措施，在頁巖中形成體積性裂縫，使石油通過大量的裂縫運移產出。

(5) 頁巖一般沒有油氣二次運移形成的局部聚集，但可以有垂向的初次運移形成的鄰近地層的油氣聚集，應重視對灰巖和泥巖、砂巖和泥巖等互層地層頁巖油氣的勘探開發。

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編輯 林樹龍

20141205；改回日期：20150405

中國海洋石油總公司科研項目“新一輪頁巖氣礦產資源保障程度論證研究”(2014-JSZC-001)

秦長文(1968-)，男，高級工程師，1991年畢業于中國地質大學(武漢)地質學專業，2005年畢業于中國石油大學(北京)地質資源與地質工程專業，獲博士學位，現主要從事頁巖油氣等非常規油氣勘探開發方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.008

TE121

A

1006-6535(2015)03-0034-04