鄂爾多斯盆地東南部延長組七段頁巖發育特征及勘探潛力

谷志宇，劉恩濤，王香增，李榮西，許家省，周 豹

（1.中國地質大學（武漢）海洋學院，湖北武漢 430074；2.陜西延長石油（集團）有限責任公司，陜西西安 710075；3.長安大學地球科學與資源學院，陜西西安 710054；4.湖北省地質調查院，湖北武漢 430030）

鄂爾多斯盆地東南部地區在中生代廣泛發育海陸過渡相沉積，發育分布穩定且厚度較大的泥質巖系，形成一套具有充足生烴潛力的沉積巖，經過長期的地質演化形成良好的生油巖，具有豐富的頁巖氣資源。延長石油（集團）有限責任公司于2008年開始對鄂爾多斯盆地東南部地區進行陸相頁巖氣資源勘探，發現盆地內部延長組陸相頁巖層系具備良好的頁巖氣成藏條件，具有相當規模的頁巖氣資源量。2011 年中國第1 口陸相頁巖氣井（柳評177 井）取得重大勘探突破，獲得工業氣流，顯示出鄂爾多斯盆地延長組具有巨大的頁巖氣勘探潛力［1-2］。

中外學者對鄂爾多斯盆地延長組頁巖的地質背景、成藏條件及富集規律等進行了大量的研究工作，但是針對盆地東南部長七段頁巖的研究較少，對其頁巖發育特征缺乏系統研究，頁巖氣勘探潛力不明確。楊超等研究表明，頁巖發育粒間孔、粒內孔、晶間孔、溶蝕孔、有機孔及微裂縫6 種微觀孔隙類型，其中黏土礦物集合體粒間孔和層間粒內孔對頁巖氣的賦存和運移貢獻最大［3］。姜呈馥等認為研究區長七段頁巖氣勘探資源潛力巨大，志丹-甘泉一線西南部為頁巖氣勘探的有利目標［4］。王香增等總結出鄂爾多斯盆地中生界陸相頁巖氣的地質特征，并采用容積法估算長七段頁巖氣總資源量為5 318.27×108m3［5］。王永煒等認為盆地熱演化差異性、低熟油氣生成機理以及生烴期古地層壓力研究等是解決鄂爾多斯盆地頁巖氣勘探地質研究的關鍵理論問題［6］。程玉群等認為延長組頁巖氣的成因為偏腐泥質型烴源巖熱解形成的原油伴生氣［7］。綜上所述，前人對鄂爾多斯盆地延長組頁巖氣勘探潛力評價主要參照傳統的油氣資源評價方法，僅考慮總有機碳含量（TOC）、鏡質組反射率（Ro）和脆性礦物含量等有限的參數，且以往研究通常以整個長七段為研究對象，評價精度不夠，不能準確地反映出長七段內部各層系勘探潛力的差異性。

近年來，國際上有許多關于頁巖氣勘探潛力評價方法及參數的探討和報道，強調多參數、多角度精細評價，但在中國頁巖氣勘探中應用較少。例如，JARVIE 等提出了頁巖氣五項星狀圖來評價頁巖氣潛力，綜合考慮各種儲層參數，可以準確揭示頁巖氣勘探潛力的主要影響因素［8］。ALEXANDER等通過在星狀圖中引入陰影區來構建頁巖油氣窗［9］。BURNAMAN 等認為有利的頁巖氣層系須具備高TOC值和一定的單層頁巖厚度（至少約為45 m），以此來確定水力壓裂的垂直作用范圍［10］。AN?NA 等首次在星狀圖中引入多頁巖地層數據，用于對比不同地區頁巖氣勘探潛力的差異性［11］。中國針對頁巖氣勘探潛力評價主要按照傳統的油氣資源評價方法，評價參數有限，效果不理想，不能滿足頁巖氣勘探開發需要，為此，筆者選用國際上最新提出的巖相法和五項指標法，從頁巖的生氣潛力、儲氣潛力和開發潛力3個方面對鄂爾多斯盆地東南部長七段頁巖進行評價，并綜合2 種方法獲得的分析結果，確定有利勘探潛力層段，以期為鄂爾多斯盆地頁巖氣靶區優選提供新思路。

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地位于華北板塊，為經歷多期構造運動疊加的殘余克拉通盆地，其地層以單斜形式向西傾斜［3］。研究區位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，區域上為傾角小于1°的平緩西傾單斜構造（圖1）。三疊系延長組為湖泊-三角洲沉積，地層厚度大，發育一套完整的陸相湖泊沉積體系。盆地三疊紀延長組的沉積過程也是湖盆出現、發展至消亡的過程，自長十段至長七段沉積時期反映出湖泊從生成到鼎盛階段的全過程［12］。

在長七段沉積時期，盆地受構造作用影響，湖盆擴張至最大，主要發育深湖-半深湖沉積。巖性主要為灰黑色泥巖、粉砂質砂泥巖互層，發育槽狀交錯層理。長七段頂面埋深從西部定邊地區近2 400 m 向東逐漸變淺，在甘泉—直羅地區埋深為1 500～1 800 m，埋深差異約為900 m，頁巖頂面埋深為800～900 m，呈現出東高西低的特征［2］。

2 頁巖發育特征

2.1 有機質豐度

圖1 鄂爾多斯盆地東南部長七段頂面構造特征Fig.1 Tectonic characteristics of top surface of Chang7 Member in the southeast of Ordos Basin

鄂爾多斯盆地東南部地化測試資料表明，長七段頁巖的TOC值為1.76%～5.88%，平均為3.24%，表現出中等偏高的特征；Ro值主要為0.51%～1.25%，平均為1.02%；高有機質成熟度頁巖主要分布于吳堡-馬家砭-張家灣一帶，Ro值一般大于1.1%，并以此為中心向東北、西南方向成熟度逐漸降低［13］。以上數據證實，鄂爾多斯盆地東南部長七段頁巖有機質處于成熟階段，具有較強的生排烴能力［14-16］。

2.2 有機質類型

顯微組分鑒定結果顯示，腐泥組所占比例最大，平均質量占比為42.1%；殼質組次之，平均質量占比為36.8%；惰質組一般不發育。根據范氏圖，長七段頁巖的H/C原子比較高，平均值為0.9；O/C原子比較低，平均值為0.05，樣品主要落在Ⅱ1型干酪根區域，僅有3 個樣品落入Ⅱ2型干酪根區域。頁巖樣品熱解分析結果顯示，長七段頁巖的氫指數偏低，為50～400 mg/g；最高熱解峰溫為349～459 ℃，平均為442 ℃；降解率為5.5%～42%。綜合以上分析認為，研究區長七段頁巖有機質類型以Ⅱ1型干酪根為主。

2.3 頁巖厚度

在晚三疊世早期，鄂爾多斯盆地處于湖盆發育期，發育三角洲-河流相沉積。三大湖盆的沉積中心位于吳堡、馬家砭和張家灣附近，最大沉積厚度依次為80，120 和110 m，且頁巖有效厚度以此為中心向東北、西南兩側逐漸變薄。但研究區東部的沉積厚度變化較明顯，安塞-延安一線的頁巖厚度低至10 m 以下，而西邊吳起一帶頁巖厚度仍有40 m［17-19］。

2.4 儲集特征

全巖X 射線衍射分析結果顯示，研究區長七段頁巖礦物成分主要為石英、長石和黏土礦物，少量的碳酸鹽和黃鐵礦。其中石英含量為18%～44%，平均為32.4%；長石含量為7%～44%，平均為19.8%；黏土礦物含量為37%～71%，平均為58.6%；碳酸鹽含量平均為5%，黃鐵礦含量平均為0.6%。對不同頁巖樣品的分析數據進行對比，發現差異性較大（圖2）［20-21］。礦物組成會影響頁巖的可壓裂性、孔裂隙發育程度及氣體吸附性能。實驗結果顯示：石英和長石等脆性礦物含量高，有利于后期壓裂改造形成裂縫；膨脹性黏土礦物不利于后期儲層的壓裂改造，也不利于后期壓裂注水開發等增產措施的實施［22-23］。

與中國陸相頁巖包括川西坳陷須五段頁巖、黃驊坳陷沙河街組頁巖、川東北自流井組頁巖和濟陽坳陷沙河街組頁巖礦物組成的對比結果（圖3，表1）表明，受沉積環境、物源和成巖作用影響，研究區長七段頁巖具有高黏土礦物、低石英、低碳酸鹽礦物的組成特征，與川西坳陷須五段頁巖部分儲層相似［24-32］。

圖2 鄂爾多斯盆地東南部長七段頁巖礦物組成分布Fig.2 Mineral composition distribution of shale in Chang7 Member in the southeast of Ordos Basin

圖3 中國主要含油氣盆地陸相頁巖礦物組成對比Fig.3 Ternary plot for mineral compositions of continental shale in main oil and gas bearing basins of China

頁巖的儲集物性主要受孔隙度、滲透率、儲層厚度及裂縫等因素影響，與常規儲層相比，頁巖的儲層物性往往更差，且即使在不同陸相頁巖儲層內，其物性差距也十分明顯（表1）。MONTGOMERY等總結了大量分析測試成果，認為美國主要產氣頁巖儲層巖心的總孔隙度為2.0%～14.0%，測井孔隙度為4.0%～12.0%，平均為5.2%；滲透率一般小于0.l mD，平均喉道半徑小于0.005 mm［33］。而中國陸相頁巖之間的孔隙度和滲透率參數相差巨大，孔隙度主要為0.5%～13.6%，滲透率主要為0.000 1～18 mD；其中，延長組頁巖巖心的物性實驗結果表明，其孔隙度的變化范圍較大，為0.5%～3.5%，平均為1.82%；滲透率為0.005 l～6 mD，平均為0.163 mD，為典型的低孔低滲透儲層［6，33-34］。

雖然研究區長七段頁巖自身的儲集物性較差，但其發育多種微觀孔隙類型，以粒內孔和粒間孔為主，少量有機孔，孔隙直徑一般小于0.005 mm，孔隙之間具有較好的連通性。除孔隙之外，裂縫也會極大地影響儲層的儲集性能和后期改造能力。研究區主要發育微裂隙，這些裂縫必將在改善頁巖儲集物性及后期壓裂改造過程中發揮重要作用。

表1 中國主要含油氣盆地陸相頁巖發育特征Table1 Distribution and characteristics of continental shale in main oil and gas bearing basins of China

3 勘探潛力

與常規油氣勘探技術將頁巖段作為均質層看待不同的是，頁巖油氣勘探往往需要更精細地研究頁巖儲層的儲集性能、有機地化參數和油氣富集方式等方面的差異變化，以明確頁巖油氣有利發育層段。基于常規測井資料，對鄂爾多斯盆地長七段頁巖進行小層對比，根據巖心觀察和錄井資料開展精細頁巖氣勘探潛力評價，將研究區長七段頁巖分為11層，分別命名為N1—N11（表2）。

頁巖氣勘探主要考慮3 個關鍵因素，即頁巖的含氣性、儲氣性和工業可開發性。頁巖含氣性與生氣潛力息息相關，只有具備生氣潛力的頁巖才具有形成大規模頁巖氣藏的物質基礎；頁巖儲氣性影響著頁巖氣的聚集與賦存；而頁巖氣的開發離不開壓裂這一增產手段，其中礦物成分，特別是石英、長石和碳酸鹽等脆性礦物的含量是影響頁巖可壓裂性的主要因素［35］。筆者根據巖相法和五項指標法評價出研究區頁巖氣勘探開發最有利層段，即利于生氣、儲氣且易于開發的層段，以此作為勘探開發的重點層段［36］。

3.1 巖相法評價

與北美地區頁巖氣和四川盆地龍馬溪組海相頁巖氣不同，鄂爾多斯盆地頁巖屬于陸相湖盆頁巖，其巖相復雜、相變快、非均質性強，且不同巖相儲集性能和生烴能力差異較大。因此，須進行巖相研究，以明確有利巖相類型及分布，為頁巖油氣“甜點”預測提供依據。

近年來，在北美頁巖氣勘探開發中針對頁巖巖相學進行了大量研究，WANG 等利用巖心測試數據和測井曲線將北美地區Marcellus頁巖識別出8個頁巖巖相，借此來判斷頁巖氣的儲氣潛力等［37-38］（圖4）。頁巖氣的主要成分為游離氣和吸附氣，天然氣可以游離態儲存于頁巖天然裂縫和粒間孔隙中，也可吸附于干酪根和黏土顆粒表面，故需從2 個方面考慮儲層儲氣能力的決定性因素［39-41］。為此，綜合考慮孔隙結構和黏土礦物對儲氣能力的影響，通過頁巖的TOC、脆性礦物（石英、長石和碳酸鹽等）含量和黏土礦物相對含量等，將研究區頁巖劃分為深色富有機質脆性頁巖、深色富有機質塑性頁巖、灰色脆性頁巖和灰色塑性頁巖共4 種巖相類型，并對其儲氣能力進行評價［42］。

深色富有機質脆性頁巖是指脆性礦物含量高（達45%）、TOC值大于2.5%的頁巖。高TOC值反映高生烴潛力，而脆性礦物含量高則有利于頁巖儲層發育良好的孔隙和喉道，有利于頁巖氣的儲存與運輸，所以深色富有機質脆性頁巖被認為是頁巖氣的高儲氣潛力層段。深色富有機質塑性頁巖富含黏土礦物和有機質，其中黏土礦物含量超過55%，TOC值大于1%；由于其具有較高的黏土礦物含量，孔隙與喉道被黏土礦物堵塞，導致儲層的孔隙度和滲透率大幅降低，難以儲氣，而后期又很難通過水力壓裂建立大范圍的人工裂縫網絡，因此儲氣潛力一般。灰色脆性頁巖以高脆性礦物含量和低TOC值為特征，其脆性礦物含量一般大于25%，TOC值小于1%，有利于壓裂，但有機質豐度低，生烴潛力低，因此儲氣潛力一般。灰色塑性頁巖的黏土礦物含量大于55%，TOC值小于1%，有機質豐度低，黏土礦物含量高，孔隙度和滲透率低，頁巖氣勘探潛力低，勘探開發時應盡量避免鉆遇該類型［37-38］。例如研究區延頁12井長七段N1—N11層頁巖，基于上述巖相學分類標準對該井進行巖相學分類，其中，N2—N10層因TOC值高、黏土礦物含量低被劃分為深色富有機質脆性頁巖，即為高儲氣潛力層段（表2）。

表2 延頁12井長七段頁巖勘探潛力評價結果Table2 Exploration potential evaluation of shale in Well YY12 of Chang7 Member

圖4 頁巖巖相法評價流程（據文獻［37-38］修改）Fig.4 Flowchart of shale petrographic analysis（Modified from References［37-38］）

3.2 五項指標法評價

筆者采用五項指標法來評價生氣潛力和開發潛力。五項指標法是利用頁巖氣的各項發育特征參數，如TOC，Ro和吸附氣比例等指標構建五項星狀圖，進而判定其生氣或儲氣潛力。只有當樣品的五項指標同時等于或大于標準值時，才表明該頁巖達標，具備形成工業化頁巖氣藏的潛力；如果其中任一項指標不達標（即低于標準），則表明該頁巖勘探潛力有限，為無潛力層段［43］。

3.2.1 生氣潛力

頁巖氣勘探潛力評價首先需確定其生氣潛力，具備生氣潛力的頁巖是勘探開發的前提，即具備形成天然氣條件、且已形成天然氣的頁巖，其中賦存的天然氣才能被開發利用。對于不具備生氣潛力，達不到生氣條件的頁巖，即使其物性再好、頁巖厚度再大、可壓裂性再好，也不具備頁巖氣勘探的條件。因此，頁巖生氣潛力評價是頁巖氣勘探潛力評價的先決條件和首要任務［42］。

基于鄂爾多斯盆地東南部實際情況，結合中國陸相頁巖氣指標選取標準，確定生氣潛力五項指標為吸附氣比例、有機質轉化率、氣體干燥系數、TOC和Ro，進而繪制延長組頁巖五項指標星狀圖（圖5）。與其他中國陸相頁巖相比，研究區長七段頁巖Ro值相對較低，而其中有機質轉化率、氣體干燥系數等指示熱演化程度的指標相對較高，吸附氣比例相差較小（圖5a）。綜合分析中國主要含油氣盆地陸相頁巖發育特征，認為研究區長七段頁巖氣生氣潛力指標的標準為：TOC值大于2.5%，Ro值大于1.0%，吸附氣比例大于55%，有機質轉化率大于65%，氣體干燥系數大于70%。由圖4 可以看出，研究區大部分長七段頁巖樣品的投影點均落于標準陰影區之外，表明其延長組頁巖的熱演化程度較高，具有較好的生氣潛力。

將研究區長七段N1—N11 層頁巖樣品進行分層統計，計算各層的五項指標平均值，分別投影至星狀圖中，觀察各層樣品五項指標是否均同時達到標準值。結果（圖5b，表2）表明，N1，N3，N5—N10共8層均為高生氣潛力層段。

3.2.2 開發潛力

作為一種非常規資源，頁巖儲層通常具有極低的孔隙度和滲透率，在沒有自然裂縫或人工壓裂的情況下難以開發利用［35］。從工業開發的角度來看，水力壓裂增產措施是頁巖氣開發不可缺少的技術，而水力壓裂效果受儲層性質影響。因此，評價頁巖儲層的勘探潛力，需對其可壓裂開發潛力進行評價。

圖5 延頁12井長七段頁巖生氣潛力五項指標對比Fig.5 Five-index method for evaluating gas generation potential of shale in Well YY12 of Chang7 Member

開發潛力的五項指標更多地借鑒北美頁巖氣勘探成果。頁巖開發潛力受多種因素影響，選取頁巖的厚度、脆性礦物含量、地層壓力系數、TOC和Ro五項指標構成星狀圖，確定指標標準陰影區（圖6a），進行頁巖開發潛力評價。其中，頁巖的厚度決定其生烴能力，影響頁巖氣的經濟效益，是頁巖氣勘探評價的重要指標；頁巖中的石英、長石和碳酸鹽等脆性礦物含量與可壓裂性相關，脆性礦物含量高，有利于水力壓裂及后期改造；TOC值控制頁巖氣的生成和賦存狀態，與頁巖氣含量也有密切關系；成熟度是控制頁巖產氣能力和產物組成的重要因素。

圖6 延頁12井長七段頁巖開發潛力五項指標對比Fig.6 Five-index method for evaluating development potential of shale in Well YY12 of Chang7 Member

結合北美頁巖氣勘探開發成果和中國主要陸相頁巖發育特征，認為頁巖開發潛力指標標準為：TOC值大于2.5%，Ro值大于1.0%，厚度大于55 m，地層壓力系數大于0.8，脆性礦物含量大于55%。由圖5a 可以看出，研究區延長組頁巖與中國其他陸相頁巖的五項指標星狀圖具有明顯差別，除TOC和地層壓力系數相對較高之外，其余三項指標均小于中國其他陸相頁巖的平均值［44-48］。與生氣潛力分層評價類似，將研究區長七段N1—N11 層樣品分層統計，計算各層五項指標平均值，分別投影至星狀圖中。結果（圖6b，表2）表明，N2—N7，N9—N10 共9 層頁巖樣品的開發潛力達標，均為高開發潛力層段。

3.3 綜合潛力評價

采用五項指標法和巖相法對頁巖的生氣性、儲氣性和易開采性3 個方面進行勘探潛力評價，獲得結果具有一定的差異性。五項指標法更趨向于研究區內參數平均值的篩選，而巖相法剔除了厚度的影響因素，著重針對精細層位的勘探潛力評價。綜合來看，五項指標法和巖相法共同評價出的最有利層段是通過各項參數評價出的利于生氣、儲氣、易于開采的頁巖層段。將2種方法所得出的有利層段進行疊加，優選出最終的高勘探潛力層段。綜合2種方法的各項評價標準，要求高勘探潛力層段需達到各項指標標準，而其余未達到標準的層段皆為低勘探潛力層段（表2，圖7）。其中，N3（埋深為1 615.8～1 617.9 m）、N5（埋深為1 622.2 m～1 623.7 m）、N6（埋深為1 627.4～1 629.3 m）、N7（埋深為1 632.6～1 634.3 m）和N10（埋 深 為1 651.9～1 654.1 m）層評價為高勘探潛力層段。自2011 年中國石油在研究區內針對長七段進行勘探開發，攻克了一批“卡脖子”技術難題，形成了適用于頁巖油氣的勘探開發配套技術，其中N3 和N7 層被列為開發重點層。2019年這2個重點層新增探明石油地質儲量為3.58×108t、預測石油地質儲量為6.93×108t，目前正在建設百萬噸級頁巖氣開發示范區。由此可以看出，本次研究所采用的勘探潛力評價方法具有很強的科學性和合理性，可以從生氣性、儲氣性和易開采性等方面較為全面地反映出頁巖氣的勘探潛力，該方法可以在其他區域的頁巖氣勘探潛力評價中推廣應用。研究區頁巖評價結果也顯示，N5（埋深為1 622.2～1 623.7 m）、N6（埋深為1 627.4～1 629.3 m）、N10（埋深為1 651.9～1 654.1 m）層可能為未來研究區頁巖氣取得突破的重點層，應引起重視。

圖7 延頁12井延長組頁巖勘探潛力評價結果Fig.7 Five-index method for evaluating exploration potential of shale in Well YY12 of Chang7 Member

4 結論

鄂爾多斯盆地東南部長七段頁巖主要礦物為黏土礦物、石英、長石及少量碳酸鹽和黃鐵礦，其礦物組成具有較強的差異性。有機地化分析結果顯示，研究區頁巖的有機質類型以Ⅱ1型（偏腐泥型）干酪根為主，TOC值為1.76%～5.88%，最高熱解峰溫為349～459 ℃，降解率為5.5%～42%，Ro值為0.5%～1.5%。儲層孔隙度的變化范圍較大，為0.5%～3.5%，平均為1.82%；滲透率為0.005 1～6.0 mD，平均為0.163 mD，屬于低孔低滲透儲層。

筆者提出一種多角度多參數綜合評價頁巖氣勘探潛力的方法。在有機地化、礦物組成及儲層特征分析的基礎上，綜合采用巖相法和五項指標法，從生氣潛力、儲氣潛力和開發潛力3 個方面進行頁巖氣勘探潛力評價。巖相法用于評價頁巖氣儲氣能力，根據TOC、脆性礦物含量和黏土礦物含量，將頁巖劃分為深色富有機質脆性頁巖、深色富有機質塑性頁巖、灰色脆性頁巖和灰色塑性頁巖4種類型；其中，深色富有機質脆性頁巖的勘探潛力最高，為高儲氣潛力頁巖。五項指標法用于評價頁巖氣生氣潛力和開發潛力，分別采用吸附氣比例、有機質轉化率、氣體干燥系數、TOC和Ro來評價生氣潛力。再通過選取頁巖的厚度、脆性礦物含量、地層壓力系數、TOC和Ro五項指標來判定頁巖的開發潛力。將2 種方法獲得的數據進行疊加，優選出5 個最有利的頁巖油氣勘探層段。最新勘探成果證實，N3和N7層為高產層段，顯示出該評價方法的科學性和合理性，應具有重要的推廣應用價值。