北美典型致密油地質特征對比及分類

趙俊龍，張君峰，許　浩，喻廷旭，趙　達，耿昀光

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083；2.中國石油勘探與生產公司，北京100007）

北美典型致密油地質特征對比及分類

趙俊龍1，張君峰2，許浩1，喻廷旭1，趙達1，耿昀光1

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京100083；2.中國石油勘探與生產公司，北京100007）

為全面認識致密油，汲取國外成功的開發經驗，從而推動我國致密油發展，通過詳細對比北美地區巴肯組、鷹灘組和卡爾蒂姆組的地質特征，從方便儲量計算的角度，提出了更為完善的致密油定義，并系統劃分了致密油的類型。結果表明：致密油主要是指以吸附或游離狀態賦存于未納入常規油田產區的低滲儲層（卡爾蒂姆組）或地層深部致密沉積巖（巴肯組、鷹灘組）中，且必須通過水平井或多級壓裂等開發技術才能實現經濟采出的輕質非常規石油聚集，可以劃分為2個大類、5個亞類，其中，巴肯組致密油資源量最大，具有“大而肥”的特點，主要賦存在滲透率為0.01～1.00 mD的致密砂巖中，卡爾蒂姆組致密油資源量次之，主要賦存在滲透率為0.1～10.0 mD的砂質泥巖中，而鷹灘組致密油資源量最低，主要賦存在滲透率為0.000 001～0.000 100 mD的致密灰巖中。

致密油；地質特征；對比及分類；儲量計算；北美地區

0　引言

近年來，在石油需求量高速增長的刺激下，隨著勘探開發技術的不斷進步，致密油資源逐漸成為世界各國石油工業爭相介入的熱點領域之一［1］。然而，全球致密油探明儲量較豐富、商業化開發較成功的油藏集中在北美，如美國的巴肯組和鷹灘組，加拿大的卡爾蒂姆組［2］。這3套地層致密油儲量和產量提升幅度均較快，特別是成為當年全球油氣領域十大發現之一的巴肯組致密油實現了規模化開發［3］，逆轉了北美石油產量持續走低的趨勢，使美國原油生產占世界總產量的10%以上，在一定程度上改變了世界傳統能源格局［4］。與國外致密油的成功開發相比，國內致密油資源雖然豐富、分布范圍廣、資源潛力大，包括鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖、四川盆地侏羅系泥頁巖及粉砂巖、渤海灣盆地沙河街組湖相碳酸鹽巖、酒泉盆地白堊系泥灰巖及準噶爾盆地二疊系云質巖等［5-8］，但其研究尚處于起步階段，不僅缺乏有效的勘探開發技術，更為重要的是，當前國內對致密油地質特征認識尚淺，對致密油的定義并不統一。因此，全面認識致密油這一非常規輕質油，對我國致密油勘探開發具有指導意義。筆者深入剖析對比巴肯組、鷹灘組和卡爾蒂姆組三大致密油地層的地質特征，并從儲量計算的角度提出更為完善的致密油定義，對致密油類型進行系統分類，以期對加快動用我國豐富的致密油資源起到推動作用，為我國致密油開發提供借鑒。

1　巴肯組致密油地質特征

巴肯組致密油生產區位于地跨美國和加拿大2個國家的威利斯頓盆地中北部（圖1），是北美目前致密油產量最大的生產基地［9］，面積約為7萬km2。2005年以來，隨著油價的飆升及鉆井與完井和數值模擬技術的再次引入，巴肯組致密油開發取得了較大突破。據EIA（美國能源信息署）統計，2012年6月巴肯組生產井超過4141口，平均日產量達8.3萬t，至2012年年底則達到14萬t，占北達科他州致密油總產量的90%［2］。

1.1構造與地層

威利斯頓盆地次級構造較少，主要有位于北達科他州的南北走向的奈森背斜、比林斯背斜和小刀背斜，以及位于蒙大拿州的北西—南東走向的雪松河背斜（圖1）。巴肯組致密油地層埋深為2 900～3 300 m，地層傾角通常小于0.5°。

巴肯組屬于泥盆—密西西比系，分為上、中、下3個亞段。表1為巴肯組內部地層特征統計。從表1可以看出，巴肯組上段和下段是具有放射性的、富含有機質的黑色頁巖，中段主要為鈣質灰色粉砂巖、砂巖和碳酸鹽巖。上段和下段是巴肯組致密油的烴源巖，原油經過短距離運移到達滲透率較低的中段地層聚集，形成巴肯組中段的致密油藏（圖2）。巴肯組下段為低氧陸架環境，中段為有氧陸架環境，上段為缺氧陸架環境，其中缺氧陸架環境是由層狀水文流態造成的，其存在的證據包括缺乏底棲生物群和掘穴生物遺跡以及高TOC含量［11］。

圖1　威利斯頓盆地巴肯組位置（據文獻［10］和［11］修改）Fig.1　Location of Bakken Formation in Williston Basin

表1　巴肯組內部地層特征統計Table1　Characteristics of inner Bakken Formation

圖2　威利斯頓盆地巴肯組內部結構特征（據文獻［10］修改）Fig.2　Structure characteristics of inner Bakken Formation in Williston Basin

1.2烴類系統

巴肯組烴類系統由巴肯組、洛奇波爾組和斯里福克斯組3套地層組成，是一個在地層深部形成的連續型油氣藏［12］。巴肯組與斯里福克斯組在盆地深部可能為整合接觸關系，在盆地周緣為不整合接觸關系，而與洛奇波爾組之間為整合接觸關系，下伏于洛奇波爾組。巴肯組地層在北達科他州西北部的奈森背斜東部最厚，超過42.7 m。在巴肯組烴類系統中，上段和下段有機質豐富的頁巖是整個油氣系統的烴源巖，而巴肯組中段及洛奇波爾組、斯里福克斯組是良好的儲層。

1.3儲層物性

巴肯組致密油主要產于盆地內部的超壓區，如埃爾姆古力油田，儲層有效厚度為1.83～4.57 m，平均孔隙度為8%～12%，平均滲透率為0.05～0.50 mD。然而，郭永奇等［13］認為，巴肯組為雙孔隙系統，在油藏壓力條件下，巖石基質孔隙度僅為2%～3%，裂縫孔隙度為0.2%～0.3%，基質滲透率為0.02～0.05 mD［13］。

1.4儲量特征

巴肯組致密油勘探潛力巨大，估計地質儲量為280～570億t［13］。USGS（美國地質調查局）在2008年評估指出，巴肯組致密油區的總資源量為230億t，待發現資源量為3.7億t，可采資源量為6億t，其中油、伴生或溶解氣及石油液化氣的技術可采資源量分別為5.2億t，518億m3和2 100萬t。根據EIA 2012年最新數據，巴肯致密油儲量已達到4.4億t。

2　鷹灘組致密油地質特征

位于德克薩斯州南部的鷹灘致密油生產區，是美國最新的油氣工業區塊［14］。鷹灘組地層呈北東—南西向展布，南部邊界平行于斯萊戈陸架邊緣，向北部大范圍延伸，環繞馬弗里克盆地，面積為4萬km2（圖3）。鷹灘組油氣生產始于2008年10月鉆成的水平井STS#1，2009年開始實施大量鉆井及完井工程，到2010年，已有約1 103口井陸續鉆成并成功完井，目前勘探活動正在快速增長。鷹灘組產油氣能力極高，2008年原油產量為1.8萬t，到2010年已達到42.3萬t，僅2011年前2個月產量（8.6萬t）就是2008年的4倍多［16］，至2012年，年產量為29.3百萬t，較2011年增加了19.3百萬t。

圖3　鷹灘頁巖地理位置及油、濕氣和干氣分布（據文獻［15］修改）Fig.3　Location of Eagleford shale and distribution of oil，wet gas and dry gas

2.1構造與地層

鷹灘組是一套晚白堊系地層，上部為奧斯汀白堊組，下部與布達組不整合接觸（圖4），沉積在一個非常平緩的斜坡上［16］。鷹灘頁巖由上、下2個部分組成：上部以海退開始的高位體系域為特征，在海濱附近發生了沉積；下部海進層主要是沉積在淺部溫暖海洋環境中的黑色層狀、富含有機質的頁巖。海退剖面由互層的鈣質頁巖、黏土巖、互層的灰巖和石英質粉砂巖組成。鷹灘組沉積于缺氧環境，底棲生物化石及生物潛穴的缺乏，有利于生烴和有機質的保存。鷹灘組TOC的質量分數為1%～7%，有機質豐度隨埋深增加而增大。

圖4　德克薩斯地區白堊系地層柱狀圖（據文獻［15］修改）Fig.4　StratigraphiccolumnofUpperCretaceousinTexasarea

2.2烴類系統

鷹灘組是一個自生自儲式的油氣系統，含有的油氣種類較多，干酪根類型是Ⅱ，Ⅱ—Ⅲ和Ⅲ型［17］。烴類的運移主要是在驅替階段沿著巖層層面的運移［14］。由于沒有圈閉，在垂向上烴類是向著區域裂縫或斷層處運移；在橫向上，鷹灘頁巖從北向南依次相變為3個成熟區，即油、濕氣與凝析油、干氣（參見圖3）。可見，區塊北部液態烴和氣態烴的比例大于南部。但最新研究表明，在液態烴含量很高的地區，也可以產生氣態烴和凝析油［14］。

2.3儲層物性

鷹灘組的埋深為1 200～4 500 m，壓力梯度為1.0～1.5 MPa/100 m，厚度一般為30～90 m。鷹灘頁巖的巖石組成中石英、碳酸鹽巖、泥質和有機質的體積分數分別為20%，67%，7.5%及2.0%～6.5%［18］，孔隙度為3%～10%，平均為6%，有氣體充填處的孔隙度為2.1%～11.9%，滲透率為（3～405）×10-6mD，平均為180×10-6mD［14］。因此，盡管將鷹灘組稱之為鷹灘頁巖，實際上更多的是致密灰巖。

2.4儲量特征

鷹灘組致密油主要賦存于產區北部，地質儲量為1.26億t，天然氣地質儲量為11.3～63.1億m3，目前日產油量為560 t［19］。然而，位于鷹灘組產區中心的1 041口井的產量已經遞減，原油遞減速率為76%，天然氣遞減速率為60%，遞減指數分別為0.25和0.40。采用雙曲線遞減法，將天然氣按照價格比（20∶1）換算成油，評價單井技術可采儲量表明，平均技術可采儲量為2.9萬t，平均值為2.2萬t。使用水平井鉆井技術后，產量有所提高，但平均值變化不大。產量最好的深度位于1 200～1 700 m處［20］。整體來看，鷹灘組致密油在2012年儲量為4.7億t，較2011年增長了2.9億t，首次超過了巴肯組地層（4.4億t），成為美國致密油儲量增長最快的地層。

3　卡爾蒂姆組致密油地質特征

卡爾蒂姆組致密油生產區位于北美落基山以東的阿爾伯達盆地中部（圖5）。針對卡爾蒂姆組的致密油勘探主要集中在常規砂巖儲層周邊或常規油藏之間的致密巖層中，此類非常規致密油被稱為“裙邊油”。裙邊油藏與常規油藏上下疊置，側向上相互過渡，無明顯邊界，大面積分布，在空間上難以區分［21］。2008年卡爾蒂姆組第一口多段壓裂水平井完鉆，產量十分驚人，平均日產油約17.2 t，而且不產水，標志著卡爾蒂姆組的油氣勘探開始從常規資源向非常規資源轉型。2009年又鉆了12口井，至2011年年初約80%的鉆井具有水平段［22-23］。目前，阿爾伯達已有水平井300多口，投產第一年單井日產量最高為28 t左右。鉆井非常密集是卡爾蒂姆組主導西加拿大致密油工業的主要原因。

圖5　西加拿大沉積盆地卡爾蒂姆組區域位置（據文獻［4］和［21］修改）Fig.5　Location of Cardium Formation in the western Canada sedimentary basin

3.1構造與地層

西加拿大沉積盆地地層主要沉積于北美板塊與太平洋板塊碰撞所形成的前陸盆地中，垂向上由2套地層組成：下部主要為一套沉積在穩定地臺上的古生界碳酸鹽巖，上部為一套前陸中—新生界碎屑巖。盆地地層厚度在西部落基山山前最大，近6 000 m，向東逐漸變薄，尖滅在加拿大地盾之上［24］（圖6）。

圖6　過西加拿大沉積盆地的A—A′區域地質剖面（剖面位置見圖5，據文獻［22］修改）Fig.6　Geological section of A-A′across the western Canada sedimentary basin

卡爾蒂姆組為一套夾在上部碎屑巖中，以細、粉砂為主的白堊系砂巖，為濱、淺海相沉積。砂體呈席狀、條帶狀或透鏡狀，主要分布在西加拿大前陸盆地西部，向東一直延伸到阿爾伯達中部，巖性逐漸變為泥頁巖［25-26］。卡爾蒂姆組致密油聚集在砂巖邊緣的砂質泥巖中，以巖性－地層油氣藏為主。

3.2烴類系統

卡爾蒂姆組位于科羅拉多群。科羅拉多群是由多個次級海進—海退沉積旋回組成的一套以海相頁巖為主的地層，其中，魚鱗組頁巖、第一白斑組頁巖和第二白斑組頁巖是該含油氣系統的3套主力烴源巖［27］（圖7），其分布范圍廣，TOC質量分數平均為2.5%左右，最高可達12%，干酪根以Ⅱ型為主。隨著海平面的變化，沿岸沉積的礫巖和砂巖形成主要的常規儲層，而礫巖周圍由低滲透性泥質砂巖組成的邊緣區成為致密油勘探的首選目標，如卡爾蒂姆組。地球化學分析和含油氣系統研究表明，第二白斑組頁巖是卡爾蒂姆組致密油的主力烴源巖［25］。

圖7　西加拿大沉積盆地的科羅拉多群含油氣系統特征（據文獻［23］修改）Fig.7　Petroleum system characteristics of the Colorado Group in the western Canada sedimentary basin

3.3儲層物性

卡爾蒂姆組由向上變粗，且多具生物擾動構造并呈斑點狀分布的近岸砂巖、粉砂巖組成，具有較高的孔隙度和滲透率。然而，包裹在砂巖周圍的具有不連續特征的砂質泥巖具有較低的孔隙度（5%～12%）和滲透率（0.1～10.0 mD）［21］，賦存于這部分儲層的石油無法納入常規開采，是加拿大重要的致密油富集區。

3.4儲量特征

卡爾蒂姆組是在常規油氣藏邊緣或油氣藏之間發育的非常規致密油資源，石油總地質資源量為40.5億t，待發現地質資源量為25.5億t，在目前的技術和經濟條件下可采資源量為0.97億t，不到待發現地質資源量的4%，約占卡爾蒂姆組總可采資源量的38%［22］。其中，致密油地質儲量約14.8億t（Pembina油田占13.1億t），可采儲量為0.18億t。由于Pembina油田非常規油氣藏尚處于生產和開發的早期，故采收率一般比較低（通常低于17%）［24］。可見，在勘探程度很高的卡爾蒂姆組致密油資源開發具有非常大的潛力。

4　致密油地質條件對比與分類

4.1地質條件對比

巴肯組、鷹灘組和卡爾蒂姆組是北美目前最重要的3套致密油產層。上述分析表明，三大產層蘊藏有豐富的致密油資源，有著巨大的開發潛力。表2統計了上述致密油地層的地質特征與資源量。整體來看，致密油是賦存在埋深大于1 000 m的致密沉積巖中的烴類聚集，儲層孔隙度低于10%，分布范圍較廣，烴源巖有機碳含量及成熟度均較高，原油密度較小，壓力系數一般高于1.3，為超壓儲層。

對比三大產層資源量與儲層特征表明：巴肯組致密油資源量最大，具有“大而肥”的特點，主要賦存在致密砂巖中，滲透率一般為0.01～1.00 mD；卡爾蒂姆致密油資源量次之，主要賦存在滲透率更大（0.1～10.0 mD）的砂質泥巖中；鷹灘組致密油資源量較低，主要賦存在致密灰巖中，滲透率為0.000001～0.000 100 mD。正是儲層“致密”的特征決定了此類原油經濟開發必須依賴于多級水力壓裂技術、多分支水平井技術及數值模擬技術等資金密集型技術。因此，要實現致密油的經濟開發不僅需要政府提供有效的監管與扶持政策，同時，在制定稅收規則與環保法規時，應充分考慮致密油的開發特點，以保障致密油勘探開發能夠積極有效地進行。

表2　北美地區三大致密油產層地質特征Table2　Geological characteristics of three tight oil formations in North America

4.2致密油分類

為方便儲量計算，結合北美三大致密油儲層特點，筆者從儲層的角度提出更加豐富與完善的致密油的定義：致密油是指以吸附或游離狀態賦存于未納入常規油田產區的低滲儲層或地層深部致密沉積巖（包括原地致密烴源巖，如泥頁巖；與烴源巖互層或緊鄰的致密儲層，如致密砂巖和致密碳酸鹽巖等）中，且必須通過水平井或多級壓裂等開發技術才能實現經濟采出的輕質非常規石油聚集。然而，從現階段的地質能源礦種及經濟性角度來看，其主要類型包括位于頁巖儲層中的石油和經過短距離運移后賦存于其他致密儲層中的石油兩大類，進一步又可分為5個亞類，這些致密油類型的主要區別如表3所列。

表3　北美地區致密油分類及特征Table3　Types and characteristics of tight oil in North America

5　結論

（1）致密油是賦存在埋深大于1 000 m的致密沉積巖中的烴類聚集，儲層孔隙度低于10%，分布范圍較廣，烴源巖有機碳含量及成熟度均較高，原油密度較小，壓力系數一般高于1.3，為超壓儲層。

（2）北美三大致密油儲層中，巴肯組致密油資源量最大，具有“大而肥”的特點，主要賦存在致密砂巖中，滲透率為0.01～1.00 mD；卡爾蒂姆組致密油資源量次之，主要賦存在滲透率為0.1～10.0 mD的砂質泥巖中；鷹灘組致密油資源量最低，主要賦存在滲透率為0.000 001～0.000 100 mD的致密灰巖中。

（3）從方便儲量計算的角度，致密油主要是指以吸附或游離狀態賦存于未納入常規油田產區的低滲儲層（卡爾蒂姆組）或地層深部致密沉積巖（巴肯組、鷹灘組）中，且必須通過水平井或多級壓裂等開發技術才能實現經濟采出的輕質非常規石油聚集，可以分為2個大類、5個亞類。

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（本文編輯：于惠宇）

Comparison of geological characteristics and types of typical tight oil in North America

ZHAO Junlong1，ZHANG Junfeng2，XU Hao1，YU Tingxu1，ZHAO Da1，GENG Yunguang1
（1.School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2.PetroChina Exploration and Production Company，Beijing 100007，China）

In order to understand tight oil comprehensively，learn the successful development experiences and then promote the development of tight oil in our country，this paper analyzed and compared the geological characteristics of Bakken Formation，Eagleford Formation and Cardium Formation in North America.From the aspect of the convenient reserve calculation，more reasonable tight oil definition was put forward，and the types were divided systematically. The study results show that tight oil is an unconventional light petroleum accumulation in tight sedimentary rocks，including tight source rocks（mudstones）in place in a free or adsorbed state and tight sandstones and carbonates interbedded with or adjacent to source rocks（Bakken Formation and Eagleford Formation），as well as the reservoirs which have not been developed with conventional technology（Cardium Formation）.The reservoir permeability is extremely low and the reservoir oil can’t achieve economic recovery unless using horizontal well and multistage fracturing techniques.Among the three tight oil reservoirs，tight oil resource of Bakken Formation is the largest and mainly occurs in the tight sandstone，of which the permeability is between 0.01 mD and 1.00 mD.Tight oil resource of Cardium Formation comes the second，and the lithology is mainly sandy mudstone and the permeability is between 0.1 mDand 10.0 mD.Eagleford Formation has the minimum amount of tight oil，and this kind of tight oil mainly occurs in the tight limestone and the range of permeability is 0.000 001 mD to 0.000 100 mD.

tight oil；geological characteristics；comparison and classification；reserve calculation；North America

TE122.1

A

1673-8926（2015）01-0044-07

2014-07-08；

2014-08-06

國家重大科技專項“煤層氣排采工藝與數值模擬技術”（編號：2011ZX05038-001）和國家自然科學基金項目“中高煤階煤儲層煤層氣產出的煤巖學控制機理研究——以沁南和韓城地區為例”（編號：41272175）聯合資助

趙俊龍（1989-），男，中國地質大學（北京）在讀博士研究生，研究方向為非常規油氣地質與開發。地址：（100083）北京市海淀區學院路29號中國地質大學能源學院。E-mail：zhao739264823@126.com

許浩（1979-），男，博士，副教授，主要從事能源地質方面的教學與研究工作。E-mail：xuhao600@163.com。