蘇北盆地溱潼凹陷古近系阜寧組二段頁巖油形成條件及有利區評價

昝 靈，駱衛峰，印燕鈴，荊曉明

(中國石化 華東油氣分公司 勘探開發研究院，南京 210019)

頁巖油是指有效生烴泥頁巖層系內的液態石油以及各種狀態賦存的非氣態烴類[1-2]，包括源儲一體型、源儲分異型、純頁巖型油藏，儲集巖包括泥頁巖、粉—細砂巖、碳酸鹽巖等，儲層致密，常規技術難以開采。淡水—微咸水—咸水環境均可形成陸相頁巖油，時代從二疊紀到古近紀。陸相泥頁巖非均質性強，有機碳含量(TOC)為1.0%～9.0%，鏡質體反射率(Ro)為0.5%～1.3%，熱演化程度相對較低。有機質普遍有陸源高等植物貢獻，原油含蠟量高，密度高，普遍為0.83～0.92 g/cm3，氣油比低，可流動性較差。陸相泥頁巖泥質含量較高，為10%～50%，硅質礦物含量低于20%，成巖作用弱，普遍處于中成巖階段，塑性強，可壓裂性較差[3-4]。近年來，準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組源儲一體型、渤海灣盆地濟陽坳陷沙河街組夾層型和江漢盆地鹽間頁巖油勘探均獲得突破，建立了不同賦存狀態頁巖油熱釋法定量表征方法、頁巖油可動性分子地球化學評價方法，以及巖心現場液氮冷凍和多溫階熱解實驗技術流程[5-6]；揭示紋層狀巖相是優質儲集巖相類型，提出OSI>100 mg/g[OSI=S1/ω(TOC)]是頁巖油甜點預測的有效參數；創建了可壓裂性評價分類標準[3],明確微裂縫、優質巖相發育的混合型頁巖油是優選突破的重點目標[7]；提出優質甜點鉆遇率是頁巖油高產的地質保障，密切割、高強度體積改造是頁巖油高產的工程保障[8-9]。

蘇北盆地已有455口井在泥頁巖中見油氣顯示，多口井獲得工業油流，展示了較好的頁巖油勘探前景[10]。溱潼凹陷位于蘇北盆地東臺坳陷的中部，總面積1 100 km2，已發現草舍、臺興、帥垛等21個油田；發育古近系阜寧組阜二段、阜四段和上白堊統泰州組泰二段3套烴源巖，整體熱演化程度不高，Ro為0.5%～1.3%；油源對比表明，已發現常規油藏的原油主要來自阜二段烴源巖11]。溱潼凹陷阜二段勘探程度低，鉆穿阜二段探井較少，14口井在內斜坡和深凹帶阜二段鉆遇油氣顯示，部分井試獲低產油流(圖1)。目前溱潼凹陷常規油資源探明率較高，常規油藏發現難度越來越大。隨著北美頁巖油勘探開發的成功，頁巖油資源也愈來愈引起人們的重視。前人[10，12-21]針對蘇北盆地阜寧組泥頁巖生烴、儲集條件和頁巖油勘探潛力進行了分析，認為阜二段具有較大的頁巖油勘探潛力。縱向上阜二段②、③亞段最有利，其次為④亞段；鈣質泥頁巖為最有利巖石相，脆性礦物含量較高，黏土礦物中蒙脫石含量較高。各類微裂縫和微孔隙發育，共發育5種構造裂縫，直立縫、平移式剪裂縫和正向剪切縫對于油氣保存和儲層發育有重要的影響。溱潼凹陷優質烴源巖主要分布在阜二段中部，阜二段沉積早期灰質泥巖在研究區廣泛發育，粉砂質泥巖僅局限于凹陷西南部；晚期以黑色泥巖為主，粉砂質泥巖集中分布于凹陷西南部和北部。目前溱潼凹陷阜二段頁巖油形成條件，尤其是儲集性、含油性分析等方面的研究較少。本文在對溱潼凹陷阜二段泥頁巖段生烴、儲集條件及含油性分析基礎上，落實有利勘探層段，綜合巖性、壓力、裂縫預測，評價有利區帶。這對于深化中等熱演化盆地的頁巖油勘探潛力認識，具有一定的理論和現實意義。

1 生烴條件

阜二段縱向上可劃分為5個亞段，底部為厚層泥灰巖夾薄層粉砂質泥巖，泥灰巖單層厚度最大可達10 m；中部為泥巖和泥灰巖組合，以及少量凝灰巖；頂部發育厚層深灰色泥巖(圖2)。有機質豐度呈現頂部和底部低、中間高的特征，TOC大于1%的泥頁巖廣泛分布，厚度為160～260m，其中TOC大于2%的泥頁巖主要分布在②—④亞段，生烴潛量(S1+S2)大于6 mg/g，氫指數(IH)大于400 mg/g(表1)。有機質類型以Ⅱ1型為主，有少量Ⅰ型；有機顯微組分中藻類體含量普遍大于50%，其中②、③亞段平均含量高于80%；有機質成熟度普遍達到成熟階段，阜二段成熟烴源巖分布范圍占整個凹陷的70%以上。

圖1 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段構造單元分布和層序剖面Fig.1 Structural units in second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin and stratigraphic profile

圖2 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段①—⑤亞段綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram showing five sections in the second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

2 儲集條件

2.1 巖石礦物組成

阜二段①亞段為灰黑色泥巖，頂部夾少量粉砂質泥巖，②亞段為厚層塊狀灰質泥巖，③亞段為灰黑色泥巖與泥灰巖互層，④—⑤亞段主要為灰質泥巖、泥灰巖，夾少量粉砂質泥巖。東斜坡部分井在③、④亞段發育1～2 m凝灰巖。

層—塊狀灰黑色、深灰色泥巖(圖3a)為均勻塊狀，偶見水平層理；礦物組成以黏土礦物、石英、方解石為主，白云石、黃鐵礦及石膏含量較低。其中黏土礦物含量最高，平均為47.7%；其次為石英，平均32.5%；長石含量平均3.4%，碳酸鹽礦物含量平均為12.7%。

塊狀含灰泥巖(圖3b)，其沉積、構造特征與層—塊狀泥巖相似，礦物組成以黏土礦物、石英和方解石為主，另有少量黃鐵礦、微量方沸石及石膏。其中黏土礦物含量最高，平均為40.5%；其次為石英，平均23.1%；碳酸鹽礦物含量平均為25.8%，長石含量平均4.9%。

紋層狀灰質泥巖、泥質灰巖(圖3c，d)，紋層比較發育，礦物組成以石英、黏土礦物、碳酸鹽礦物為主，黃鐵礦和方沸石含量較高。黏土礦物含量平均為36.9%，石英含量平均為23.2%；碳酸鹽礦物含量平均為27.5%，主要為方解石和白云石；長石含量平均7.3%，黃鐵礦含量平均為2.7%。

2.2 儲集空間

基于巖心、薄片和掃描電鏡等資料，將阜二段泥頁巖儲集空間劃分為裂縫和孔隙兩類。裂縫總體不發育，以微裂縫為主，少量構造剪切縫。孔隙主要為黏土礦物及碳酸鹽礦物晶間孔、溶蝕孔及少量有機孔。

2.2.1 裂縫

阜二段泥頁巖段的裂縫主要有剪切縫和微裂縫2種(圖4a-d)。剪切縫傾角小，多順層發育，裂縫寬約10～45 μm，部分裂縫被方解石充填。微裂縫較為常見，尺寸在納米級—微米級，裂縫寬約5～15 μm，主要為沉積形成的層理縫及后期構造活動或成巖作用形成的微裂縫，部分裂縫內硅質充填。微裂縫為主要的儲集空間。

表1 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段烴源巖生烴指標Table 1 Hydrocarbon generation indexes of source rocks in the second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

圖3 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段典型泥頁巖巖心照片 a．①亞段深灰色塊狀泥巖；b.②亞段深灰色灰質泥巖；c.③亞段灰黑色紋層狀灰質泥巖；d.④～⑤亞段紋層狀泥質灰巖Fig.3 Cores of typical shale in the second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

圖4 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段泥頁巖主要儲集空間微觀特征Fig.4 Microscopic characteristics of main reservoir spaces for shale in second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

2.2.2 孔隙

孔隙主要包括粒(晶)間孔隙和粒(晶)內孔隙2種(圖4d-e)。

粒(晶)間孔隙為原生孔，孔徑通常為數百納米—微米級，孔隙數量與礦物含量密切相關，主要有3類。(1)黏土礦物晶(粒)間孔，呈長條形、三角形或房室狀，發育于伊利石等黏土礦物之間，連通性好；(2)碳酸鹽礦物晶(粒)間孔，呈多邊形或環形，發育于方解石、白云石等碳酸鹽礦物間，多孤立分布；(3)其他顆粒晶(粒)間孔，多邊形或近橢圓形，位于顆粒周邊，多呈孤立分布。粒(晶)間孔是主要的微孔隙。

粒(晶)內孔隙主要是礦物受溶蝕后形成，溶孔形態取決于溶蝕程度和被溶顆粒，隨著溶蝕程度的增強，連通性逐漸增加。黃鐵礦粒(晶)內孔隙平面上為多邊形—橢圓形，平均直徑在200 nm左右。粒(晶)內溶孔呈多邊形或半環形，分布于晶(粒)周邊，連通性隨溶蝕作用增強而增加。

2.2.3 儲集物性

溱潼凹陷阜二段泥頁巖孔隙度介于3.49%～19.9%,平均8.9%，隨埋深增大，受壓實作用影響，泥頁巖孔隙度逐漸降低，埋深3 500 m的孔隙度為8%左右，埋深超過4 000 m的孔隙度低于6%(圖5)。

圖5 蘇北盆地溱潼凹陷泥頁巖孔隙度隨深度變化趨勢Fig.5 Distribution of shale porosity with depth, Qintong Sag, Subei Basin

納米CT掃描揭示泥灰巖孔隙較發育，直徑大于100 nm的孔隙占90%以上(圖6)；但孔隙的孔喉半徑較小，以孔徑2～35 nm的介孔為主(圖7)，介孔孔隙體積占總孔隙體積的80%以上；另含少量孔徑小于2 nm的微孔，微孔體積占總孔隙體積低于20%。滲透率為(0.02～14.1)×10-3μm2，大多數滲透率較低。滲透性主要取決于裂縫發育程度，裂縫發育段具有較好的滲透性，MS1井泥灰巖裂縫發育段(圖4a)實測滲透率為14.1×10-3μm2。基于巖心觀察和測井裂縫評價，③—⑤亞段裂縫較發育，在測井曲線上表現為較高的聲波時差值，部分井段有聲波時差跳躍特征(圖2)。

3 有利層段評價

3.1 含油性

泥頁巖含油性包括滯留油中的吸附油和游離油兩部分[6]。滯留油含量與有機質豐度和成熟度相關，相同成熟度下，有機質豐度越高，滯留油含量也越高。由于阜二段泥頁巖主要成熟度為0.7%～1.1%，總滯留油量(S1+S2)、游離油量(S1)與TOC均呈正相關關系(圖8)；總滯留油量大于6 mg/g的樣品占總數的46%，S1>0.2 mg/g的樣品占總數的41%。隨埋藏深度的增大，吸附油的比例逐漸降低，游離油含量逐漸增大(圖9a)，其中③—⑤亞段S1為0.1～2.7 mg/g，平均為0.54 mg/g。

圖6 蘇北盆地溱潼凹陷Y201井阜二段泥灰巖孔隙直徑分布Fig.6 Distribution of pore diameters of marl in the second member of Funing Formation, well Yu201, Qintong Sag, Subei Basin

圖7 蘇北盆地溱潼凹陷MS1井阜二段泥灰巖孔喉半徑分布Fig.7 Distribution of pore throat radius of marl in the second member of Funing Formation, well MS1, Qintong Sag, Subei Basin

圖8 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段烴源巖(S1+S2)、S1與TOC交會圖Fig.8 Cross plots of residual oil S1+S2 and free oil(S1)and TOC in source rocks of the second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

圖9 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段S1和OSI隨深度變化趨勢Fig.9 Distribution of S1 and OSI with depth in the second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

當泥頁巖OSI[S1/ω(TOC)]大于100 mg/g時，可形成較好的裂縫型頁巖油層；當OSI為75～100 mg/g時，致密頁巖段可作為頁巖油潛在層段[22]。從OSI隨深度變化趨勢看(圖9b)，埋深大于3 500 m后，S1含量顯著增加，是尋找基質型頁巖油藏的有利深度。目前溱潼凹陷阜二段泥頁巖OSI>75 mg/g的樣本較少。一方面是由于分析樣品放置時間較長，巖心未經過現場冷凍保存。根據前人研究[5]，常規手段較液氮冷凍碎樣造成的輕烴損失平均可達30%，樣品放置54 h以上輕烴平均損失率在38%左右。考慮到碎樣方式和放置時間對輕烴的影響，常規熱解方式游離油損失量達50%。另一方面，由于阜二段泥頁巖成熟度整體不高，鉆至3 500 m探井較少，因此高含油率數據點不多。但溱潼凹陷有多口井在內斜坡阜二段試獲油流，證實仍然具有較大的頁巖油勘探潛力。

3.2 有利層段

泥頁巖層系滯留油是重要的物質基礎[23]，主要包括吸附油和游離油，其中的吸附油主要以吸附—互溶態賦存于干酪根中，僅通過壓裂改造難以有效動用，因此游離油含量是評價頁巖油勘探潛力的關鍵指標。微裂縫既是游離油的主要賦存空間，同時對于頁巖油流動起關鍵作用，分析化驗表明，微裂縫發育段滲透性好。異常高壓能為頁巖油流動提供原始動力，對于頁巖油高產穩產至關重要。在后期壓裂改造過程中，硅質和碳酸鹽等脆性礦物含量高容易形成天然縫和誘導縫，有利于頁巖油開采。

綜合巖性、脆性、含油性及物性條件，評價出阜二段縱向上頁巖油最有利層段為③—④亞段。其有機質豐度高，TOC平均為2.2%，S1平均為0.61 mg/g，脆性礦物含量平均為62%，紋層和微裂縫均較發育；同時在溱潼凹陷東部還發育1～2 m厚的凝灰巖，具有夾層型頁巖油勘探前景，整體評價最好。阜二段⑤亞段TOC平均為1.01%，S1平均為0.52 mg/g，脆性礦物含量平均為65%；巖性為層—塊狀泥灰巖，紋層和微裂縫較發育，斜坡帶局部發育粉砂質泥巖，是尋找夾層型頁巖油的有利層系，因此綜合評價較好。阜二段②亞段巖性主要為塊狀含灰泥巖，TOC平均為2.1%，S1平均為0.35 mg/g，脆性礦物含量平均為60%，微裂縫不太發育，黏土礦物含量偏高，綜合評價較好。阜二段①亞段有機質豐度較高，但以塊狀泥巖為主，整體儲集性較差，S1平均為0.23 mg/g，綜合評價頁巖油潛力小。

4 有利區評價

有利區評價包括泥頁巖有機質豐度、厚度、成熟度、物性、裂縫、壓力、流體性質、埋深等要素的評價。研究表明，阜二段Ro介于1.0%～1.3%，滯留油中含有較多的輕質油和天然氣，氣油比高，流動性較好，是頁巖油開采有利的成熟度范圍。S1也是頁巖油評價的關鍵參數，根據TOC與S1建立相關關系，結合S1的恢復系數，編制了恢復后的S1平面分布圖(圖10)。綜合考慮源巖品質、儲集條件、地層能量以及工程條件，優選11項參數開展有利區帶評價(表2)；重點疊合TOC、Ro、S1、厚度和巖性等評價關鍵參數，溱潼凹陷阜二段頁巖油整體評價為Ⅱ類和Ⅲ類。Ⅱ類區最有利的為超壓范圍內的粉砂質泥巖分布帶，其次為泥灰巖分布帶；主要分布在溱潼凹陷的時堰和儲家樓深凹帶，埋深大于3 500 m，Ro>0.9%，ω(TOC)>2.0%的累計厚度大于60 m，壓力系數大于1.2，恢復后S1>0.9 mg/g(圖10)。Ⅲ類區主要是指常壓范圍內的含粉砂質泥巖、泥灰巖分布帶，主要分布在西斜坡，其次為凝灰巖分布帶，主要位于東斜坡；埋深介于2 700～3 500 m，Ro為0.7%～1.0%，ω(TOC)>2.0%的累計厚度為50～70 m，壓力系數為1.0～1.2，恢復后S1為0.75～0.9 mg/g(圖10)。

圖10 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段頁巖油有利區Fig.10 Favorable targets for shale oil exploration in the second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

表2 蘇北盆地溱潼凹陷阜寧組二段頁巖油評價標準Table 2 Evaluation criteria for shale oil in the second member of Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

5 結論

(1)溱潼凹陷阜二段有機碳含量大于1.0%的泥頁巖厚度為160～260 m，縱向上廣泛分布；Ro為0.5%～1.1%，成熟范圍廣；有機質類型好，有機顯微組分以藻類體為主，阜二段具備頁巖油形成的物質基礎。

(2)阜二段孔隙度平均為8.9%，儲集空間主要為溶孔、黏土和碳酸鹽礦物晶間孔；紋層狀泥灰巖和粉砂質泥巖微裂縫較發育，裂縫控制儲層滲透性。

(3)縱向上阜二段③—⑤亞段為頁巖油勘探的最有利層段，平均脆性礦物含量為62%～65%，以石英、方解石和白云石為主，S1為0.1～2.7 mg/g，平均為0.54 mg/g。

(4)根據Ro、厚度、巖性和S1等參數，溱潼凹陷阜二段頁巖油整體評價為Ⅱ類和Ⅲ類，其中時堰和儲家樓深凹帶是尋找粉砂質泥巖和泥灰巖油藏最有利區，東斜坡是尋找凝灰巖夾層型頁巖油藏有利區。