鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段頁巖油勘探發現與資源潛力

付金華 劉顯陽 李士祥 郭芪恒 周新平 楊偉偉

（1 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室；2 中國石油長慶油田公司；3 中國石油長慶油田公司勘探開發研究院 ）

0 引言

頁巖油已成為全球非常規油氣資源勘探開發的熱點[1-3]，影響各國能源戰略布局。與美國海相頁巖油不同，中國主要為陸相頁巖油，普遍具有儲層非均質性強、厚度變化快、氣油比低、油質重、異常壓力不明顯的特點。中國各盆地頁巖油資源潛力巨大，隨著開采技術愈發成熟完善，頁巖油必將成為現實性戰略接替資源[4-9]。借鑒北美成功經驗，中國加大了陸相頁巖油地質研究、勘探攻關、開發試驗和產能建設力度，并取得實質性發現和突破，相繼在鄂爾多斯盆地[10]、準噶爾盆地[11-12]、松遼盆地[13]及渤海灣盆地[14-15]烴源巖層系內實現了頁巖油資源的重大突破及工業化開發，建立了陸相頁巖油富集模式[16-20]、儲層評價參數[21-23]，形成了關鍵的勘探開發技術[24-26]，對支撐中國陸相頁巖油“甜點”預測和產能建設具有重要意義。

鄂爾多斯盆地頁巖油儲層致密，油層改造前無自然工業產量，直井壓裂改造后雖然能達到工業試油產量，但穩產能力有限，累計產油量低。通過對三疊系長7段頁巖油形成富集機理研究，明確了甜點主控因素，攻關形成了水平井體積壓裂改造等系列配套技術，實現了頁巖油的規模效益開發，取得了系列勘探開發進展。本文重點對長慶油田分公司在“十三五”期間取得的頁巖油勘探成果、地質認識及勘探關鍵技術進行總結，明確勘探潛力，為“十四五”期間頁巖油勘探指明方向，為國內其他盆地頁巖油勘探提供參考。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，是一個多旋回的疊合含油氣盆地[27-28]。三疊系延長組發育一套內陸河流—三角洲—湖泊相碎屑巖系（圖1），延長組長7段沉積期為最大湖泛期，大型內陸坳陷淡水湖盆的形成為大面積細粒沉積發育奠定了地質基礎，沉積了一套廣覆式分布的富有機質泥頁巖夾粉—細砂巖沉積組合，面積廣、厚度大、生烴能力強的優質烴源巖為頁巖油規模富集成藏奠定了基礎[29-31]。長7段主要以半深湖—深湖亞相為主，整體發育泥質巖類沉積，地層厚度為110m 左右，自上而下可細分為長71亞段、長72亞段和長73亞段，其中長73亞段沉積期為湖泊發育的鼎盛時期。

中國陸相頁巖油分為夾層型、混積型、頁巖型三大類[32]，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油主要發育夾層型和頁巖型兩大類，結合相帶分布、巖性組合、源儲配置等特征，進一步劃分為重力流型、三角洲前緣型、紋層型、頁理型4 小類（表1）。聚焦4 類頁巖油類型，長慶油田分公司開展了為期10 余年的地質理論創新和關鍵技術攻關研究，夾層型頁巖油規模勘探開發取得革命性的突破，建成了國內第一個百萬噸整裝頁巖油示范區，成功探索出內陸湖盆低壓頁巖油規模效益開發模式，成為國內非常規頁巖油整裝規模效益開發的先行者[10，33-34]。

表1 鄂爾多斯盆地長7段頁巖油類型劃分表Table 1 Classification of shale oil type of Chang 7 member,Ordos Basin

2 頁巖油勘探發現

圍繞長7段多類型頁巖油的規模勘探評價，長慶油田分公司邊攻關、邊試驗、邊探索，持續深化地質理論認識，加大關鍵技術攻關，在湖盆中部發現了10×108t 重力流夾層型頁巖油，在湖盆周邊探明了1×108t 三角洲前緣夾層型頁巖油，紋層型頁巖油兩口風險水平井勘探獲得重要突破（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地長7段沉積相圖Fig.1 Sedimentary facies map of Chang 7 member，Ordos Basin

2.1 湖盆中部發現了10 億噸級慶城大油田

鄂爾多斯盆地長7段以往主要作為烴源巖進行研究，零星鉆遇的油層普遍被視為無開采價值，未引起足夠的重視。受美國頁巖革命的影響，特別是2011年以來，通過對鄂爾多斯盆地晚三疊世延長組沉積期沉積環境的恢復研究，構建了坳陷湖盆細粒沉積發育模式，創新提出“盆地周緣隆升、寬緩湖盆底形、廣闊的可容納空間”有利于在大型坳陷湖盆發育大面積細粒砂質和泥質混合沉積的重要認識，明晰了湖盆深水區烴源巖和儲集體互層共生關系，實現了長7段頁巖層系從“單一烴源巖”到“源儲一體”認識的重大轉變，開辟了陸相頁巖油勘探新領域。以地質理論創新為突破口，積極轉變勘探評價思路，借鑒國外非常規油氣勘探開發經驗，積極開展“水平井+體積壓裂”攻關，6 年時間內先后開辟了西233、莊183、寧89 等3 個先導試驗區，試油區完鉆的25 口水平井平均試油產量均超百噸，經過長期試采評價，穩產形勢較好，投產初期平均日產油超10t，目前日產油近5t，平均單井累計產油超過2×104t，其中YP7井累計產油超過4×104t，堅定了推進頁巖油規模勘探開發的信心。2018 年以來，按照“直井控藏、水平井提產”的思路，通過整體部署，分步實施，加快推進開發示范基地建設，實現了頁巖油勘探的重大突破。2019 年，在湖盆中部發現了儲量規模超10×108t 的中國最大的頁巖油田——慶城油田，其中新增探明地質儲量3.58×108t，新增探明和預測地質儲量合計超10×108t，實現了長7段頁巖油勘探的歷史性突破。2020 年慶城油田提交探明儲量1.43×108t，2021 年提交探明儲量5.50×108t，慶城油田探明儲量已達10.52×108t。2020 年慶城油田頁巖油年產油量達到93.1×104t，快速建成了百萬噸頁巖油規模開發區。同時，在慶城油田發現的基礎上，圍繞外圍“甜點”開展整體部署，新落實含油面積超2000km2。目前，隴東地區近6000km2有利范圍得到控制，重力流夾層型頁巖油整體規模儲量有望達30×108t，是頁巖油增儲上產的現實目標。

2.2 湖盆周邊探明了億噸級新安邊油田

2014 年，在陜北姬塬地區長72亞段三角洲前緣亞相中發現了億噸級的新安邊油田，新增探明地質儲量1.01×108t，預測地質儲量2.5×108t 以上，發現了儲量規模3.5×108t 以上的三角洲前緣夾層型頁巖油，表明湖盆周邊夾層型頁巖油具有一定的勘探潛力。為進一步拓展湖盆周邊側向運聚成藏的三角洲前緣夾層型頁巖油勘探目標（圖2），持續加大甩開勘探力度，在陜北吳起—志丹—安塞地區新落實有利含油面積近2000km2，初步發現了儲量規模預計近5×108t 的新區帶，三角洲前緣夾層型頁巖油勘探獲得重要苗頭。加上2014年在新安邊地區探明的億噸級新安邊油田，陜北新安邊—吳起—志丹—安塞地區在三角洲前緣末端砂體中發現有利含油面積累計達3000km2，提交探明地質儲量和預測地質儲量合計超3×108t，總體落實10×108t 儲量規模，是頁巖油增儲上產重要的后備領域。

圖2 陜北地區長7段三角洲前緣夾層型頁巖油成藏組合圖（剖面位置見圖1）Fig.2 Shale oil accumulation pattern of delta front interlayered type of Chang 7 member in Shaanbei area(section location is in Fig.1)

2.3 紋層頁巖型頁巖油風險勘探展現出新苗頭

紋層頁巖型頁巖油主要分布在長73亞段半深湖—深湖區，巖性組合以厚層泥頁巖夾薄層粉—細砂巖為主，烴源巖與儲集體互層共生，在異常高壓的持續充注下，流動性好的油氣就近持續充注，有利于形成大面積連續分布的高飽和度頁巖油。在巖相特征、儲集性能和烴類賦存特征等研究基礎上，針對紋層頁巖型頁巖油開展了頁巖段直井體積壓裂改造試驗，14 口井獲工業油流，突破了出油關。2019 年，在華池地區東南部部署CY1井和CY2井兩口水平井開展紋層頁巖型頁巖油風險勘探攻關試驗，兩口水平井試油分別獲121.38t/d 和108.38t/d 的高產油流，有力助推了紋層頁巖型頁巖油的勘探進展[35]。半深湖—深湖區厚層泥頁巖夾薄層粉—細砂巖分布面積廣，源儲配置條件有利，成熟—高成熟（Ro＞0.7%）區面積約為2.6×104km2，估算其遠景資源量約為60×108t，是頁巖油下一步攻關探索的潛在領域。

3 頁巖油勘探啟示

3.1 大型寬緩坳陷湖盆廣泛發育的細粒沉積造就了頁巖油規模富集

受印支運動的影響，晚三疊世形成了東部寬緩、西部陡窄的不對稱的鄂爾多斯大型寬緩內陸坳陷湖盆。延長組長7段沉積期為湖盆發育鼎盛期，形成了“面廣水深”的沉積格局，湖相烴源巖大面積分布，廣闊的可容納空間為三角洲前緣及深水重力流砂體發育提供了有利條件，數量眾多的微納米級孔喉提升了砂體儲集能力，為頁巖油規模富集成藏提供了具先天優勢的地質條件。

3.1.1 優質烴源巖為頁巖油富集奠定了物質基礎

火山物質蝕變、深部熱液作用為生物勃發提供了豐富的營養元素，絮凝作用使有機質富集，低陸源碎屑補償促進有機質進一步富集，沉積后的缺氧環境有利于有機質保存，在淡水湖盆形成了超富有機質烴源巖。長7段黑色頁巖面積達3.3×104km2[34]，平均厚度達20m，最大厚度達60m，平均TOC 為13.81%;暗色泥巖面積達5.1×104km2[34]，平均厚度達25m，最大厚度達120m，平均TOC 為3.75%，分布廣、厚度大、有機質含量高的優質烴源巖為頁巖油提供了良好的生烴物質基礎。長7段烴源巖熱演化程度適中（Ro為0.7%～1.2%），平均Tmax達447℃，已達成熟生油階段，處于生油高峰期，以生成液態烴為主，優質烴源巖生烴總量約為2000×108t。適中的有機質成熟度形成的源內自生自儲、持續高壓充注是長7段高含油飽和度頁巖油富集的關鍵，經歷快速成藏和持續充注富集兩個階段，最終含油飽和度高達70%以上。

3.1.2 多類型儲集空間為頁巖油聚集成藏提供了保證

受物源供給強度、坡度及水體變化控制，滑塌、砂質碎屑流、濁流等沉積在不同底形單元形成差異組合類型，在坡腳和湖底平原深水沉積區各類砂巖疊置連片分布，源內多類型優勢儲層大面積發育。粉—細砂巖夾層是長7段頁巖油主要的儲集體，通過微納米CT、掃描電鏡等手段開展儲層特性定量評價，砂巖中廣泛發育的粒間孔、溶蝕孔、黏土礦物晶間孔是頁巖油主要的儲集空間類型，儲層孔喉細小，普遍發育微米孔隙和納米喉道，孔隙半徑主要集中在2～8μm，密集分布、數量眾多的微納米孔喉提升了頁巖層系有效儲集能力（圖3），多類型的儲集空間是長7段頁巖油規模成藏、甜點高產的核心。

圖3 鄂爾多斯盆地CY1井長7段砂巖儲層三維孔喉分布特征Fig.3 3D pore-throat distribution of sandstone reservoir of Chang 7 member in Well CY1 in Ordos Basin

3.1.3 深水區廣泛發育的砂質沉積構成了頁巖油的勘探甜點

長7段沉積期整體以半深湖—深湖沉積為主，受古氣候、古地形、古水深有利因素控制，西南陡坡帶、湖盆中部等發育重力流沉積，東北緩坡帶以三角洲沉積為主，不同區域沉積了不同類型的砂體，是頁巖油勘探的有利目標（圖4）。

圖4 鄂爾多斯盆地頁巖油砂質巖夾層甜點示意圖（剖面位置見圖1）Fig.4 Schematic diagram of sandy interlayer sweet spots of shale oil in Ordos Basin (section location is in Fig.1)

由長73亞段沉積期至長71亞段沉積期，湖盆經歷了從鼎盛到逐漸萎縮的過程，在不同演化時期沉積了不同類型的砂體。長73亞段泥頁巖大面積分布，湖盆中部發育少量重力流砂質沉積;長72亞段湖盆中部發育重力流沉積砂體，周邊發育小規模三角洲沉積;長71亞段砂體規模進一步增大，形成了大面積復合連片的沉積砂體。

3.2 形成的勘探關鍵技術系列是規模儲量發現的重要保障

經歷10 余年的勘探技術攻關探索，針對長7段頁巖油已經形成一系列相對成熟的勘探配套技術，為長慶油田分公司頁巖油規模發現和效益開發提供了重要技術保證。

3.2.1 攻關形成黃土山地三維地震技術，實現頁巖油甜點的有效預測

鄂爾多斯盆地黃土塬地區經過長期剝蝕、切割，形成了復雜多變的溝、塬、梁、茆、坡等地形，黃土塬具有對地震信號的強吸收衰減、地表地形高差大及障礙物復雜等特點，是公認的地震勘探難區。針對巨厚黃土塬地震采集難點，通過多年地震持續攻關，首創了黃土塬地區高精度可控震源與井炮聯合激發（炮震混采）、無線節點儀接收的寬方位三維地震采集方法，創新研制了高通過性可控震源BV330CQ 地震激發裝備，發明了適用于黃土塬地貌的氣動鉆機，突破了黃土塬三維地震采集技術瓶頸，作業效率提高3 倍，獲得了高品質、寬頻帶、寬方位三維地震資料，單炮記錄視主頻由20Hz 提高到30Hz。創新了超深層微測井變網格約束層析靜校正、黃土層衰減補償、超級螺旋道集優化、五域處理和疊前Q深度偏移成像等黃土塬寬方位處理技術，有效解決了黃土塬地區地震波衰減嚴重、信噪比低的技術難題，處理后分方位角、分偏移距資料保真度高，目的層成像精度高，成果資料主頻達到45Hz。地震品質較以往二維地震資料大幅度提升，砂體識別精度由15m 提升至5m[10，36]。集成研發了井控變速建模、工程力學參數預測、井震多屬性融合概率甜點評價及水平井軌跡實時導向等五維地震解釋技術，指導慶城油田三維區開發水平井部署與隨鉆分析，甜點區預測符合率達85%，水平井有效儲層鉆遇率提高15%。

3.2.2 創新頁巖油測井精細評價技術，提高了甜點識別精度

針對頁巖油測井評價面臨的關鍵問題，建立了以微納米孔隙評價為核心的非常規測井采集模式，形成了儲層品質、烴源巖品質、工程力學品質定量解釋的“三品質”評價技術系列，可實現頁巖油地質甜點和工程甜點的測井綜合評價，有效支撐長71亞段、長72亞段夾層型頁巖油甜點優選[10]。結合細粒沉積巖礦分析，重新刻度了巖性掃描測井中元素與礦物含量的轉化系數，提高了巖石礦物組分含量計算精度，建立了基于測井M—N（M是聲波—密度交會圖上骨架點與水點連線的斜率;N是中子—密度交會圖上骨架點與水點連線的斜率）交會的常規測井資料泥質含量定量計算方法，消除了干酪根的影響，測井巖性剖面計算精度大幅提高，巖性識別準確率達到80%以上，并且有效識別出長73亞段烴源巖內部的薄層砂質甜點，為紋層頁巖型頁巖油風險勘探井位部署提供了依據。

3.2.3 形成頁巖油叢式水平井防塌優快鉆完井技術

創新形成以空間圓弧剖面設計方法+高增斜鉆具組合+強抑制防塌鉆井液為核心的水平井優快鉆井技術，系統應用在慶城油田百萬噸開發示范區建設中，最大偏移距達到800m以上，降低了實鉆摩阻扭矩，平均鉆井速度提高20%，平均鉆井周期由29 天縮短至18 天;通過優選高分子黏性堵漏劑，形成強抑制防塌堵漏鉆井液體系，有效解決洛河組漏失、直羅組坍塌問題，井身結構由三開優化為淺表層二開井身結構，實現安全鉆井;研發的球型化可變型材料、聚丙烯纖維等水泥添加劑，實現水泥漿增韌、增強，彈性模量顯著降低，抗壓強度大幅提高，水平井固井優質率由75%提高至90%。

3.2.4 構建水平井“超前蓄能、細分切割”體積壓裂技術

為提高單井產量和儲量動用程度，針對長7段脆性指數和地層壓力系數低、復雜裂縫系統形成難度大的問題，壓裂增產突破傳統理念束縛，水平井改造由早期分段壓裂向分段多簇壓裂再向細分切割體積壓裂轉變，形成以“細分切割提高縫控程度、超前蓄能提高地層能量、滲吸驅油提高采出程度”為特色的長水平段細分切割體積壓裂技術體系。以“接觸面積最大、滲流距離最短、累計產量最高”為目標，綜合復雜裂縫擴展、油藏工程及數值模擬方法優化裂縫間距5～10m，通過增加裂縫密度，微地震事件覆蓋程度達90%以上。為滿足壓裂造縫和補充能量兩方面需求，綜合數值模擬和礦場實踐，進液強度增至20～25m3/m，地層壓力系數由原始的0.8提高至1.3，超前補能將頁巖油產量年遞減率由40%～50%降至30%以下。針對長7段儲層微納米孔喉數量眾多，利用其自發滲吸特性，自主研發高效滲吸改善劑，將微孔、納米孔中不可動油部分置換為可動油，降低剩余油飽和度，發揮存地液最大功效，預測采出程度提高2～3 個百分點。

4 頁巖油資源潛力與攻關方向

4.1 半深湖—深湖沉積區，擴大重力流夾層型頁巖油勘探發現

以慶城油田為代表的湖盆中部重力流夾層型頁巖油是增儲上產的現實目標，半深湖—深湖沉積區具有與慶城油田相似地質條件，有望形成新的規模含油富集區（圖5）。在慶城油田發現的基礎上，通過系統開展甜點主控因素研究，明確甜點分布規律并開展部署，落實新的含油面積。“十四五”期間，圍繞儲量升級和擴大新發現，整體部署，加快實施三維地震，加強有利區與慶城油田儲量關鍵參數對標分析，加大湖盆深水區勘探評價力度，部署直井落實有利含油面積，在低井控、低試油區部署水平井評價產能，持續開展理論創新與關鍵技術攻關，擴大重力流夾層型頁巖油規模含油富集區。

圖5 慶城油田及其外圍油藏剖面圖（剖面位置圖1）Fig.5 Reservoir profile of Qingcheng Oilfield and its periphery (section location is in Fig.1)

4.2 三角洲前緣沉積區，開拓夾層型頁巖油新領域

湖盆周邊的三角洲前緣夾層型頁巖油主要以三角洲前緣末端砂體為主，有利面積約3000km2，預計儲量規模可達10×108t，是長7段頁巖油穩產上產的后備領域。在湖盆周邊頁巖油新領域，開展沉積相、砂體展布、油藏特征等研究，明確湖盆周邊頁巖油新領域油藏分布;在低井控、低試油率區開展水平井攻關，加快組織實施水平井試油，積極開拓三角洲前緣夾層型頁巖油勘探新領域。

4.3 深湖泥頁巖沉積區，積極探索頁巖型頁巖油勘探潛力

鄂爾多斯盆地中—高成熟度紋層頁巖型頁巖油面積約2×104km2，資源潛力大。“十四五”期間，繼續加快推進紋層頁巖型頁巖油風險勘探，深化細粒沉積模式、甜點主控因素研究，建立紋層頁巖型頁巖油甜點評價標準。加強三維地震薄層粉—細砂巖預測、測井甜點識別及評價研究。針對長73亞段紋層頁巖型頁巖油，開展立體化壓裂改造試驗研究，深入剖析復雜巖性儲集體在不同條件下人工裂縫起裂控制機理和延伸擴展規律，明確主控因素并建立表征參數體系，攻克砂巖—泥巖—頁巖互層支撐劑充填困難、壓裂液滲吸置換作用不明顯等瓶頸問題，建立適合紋層頁巖型頁巖油開發的試采制度，確保油水滲吸置換充分，控水增油。

地下原位加熱轉化技術是有望實現中—低成熟度頁理頁巖型頁巖油資源有效開發利用的關鍵技術[5-6，37]，基于原位加熱轉化技術對中—低成熟度頁理頁巖型頁巖油進行評價，中國頁巖油原位轉化資源潛力巨大。對比發現，中國陸相盆地中鄂爾多斯盆地延長組長7段頁巖油原位轉化的現實性最好[37]。“十四五”期間，將持續探索原位轉化油氣生成與產出機理，建立熱流固三場耦合和固液氣三相耦合理論模型，加快關鍵技術設備引進，推動現場實施進展。

“十三五”期間，利用超前蓄能、細分切割體積壓裂技術人工造縫，長慶油田實現了夾層型頁巖油規模效益開發，“十四五”期間頁巖油地下原位轉化如能實現突破，將有望實現夾層型頁巖油和頁巖型頁巖油立體一體化開發模式，提高頁巖油潛在資源量的有效動用（圖6）。

圖6 長慶油田夾層型頁巖油和頁巖型頁巖油立體一體化開發模式圖Fig.6 Diagram of integrated stereoscopic development model of interlayered type and shale type shale oil in Changqing Oilfield

5 結語

“十三五”期間，長慶油田分公司依靠地質理論創新明確了長7段多類型頁巖油規模富集成藏的地質條件，形成的配套技術為頁巖油效益開發提供了重要的技術保障。夾層型頁巖油儲量規模達40×108t，是近期長時間內增儲上產的現實目標;紋層頁巖型頁巖油有望成為頁巖油增儲上產重要的接替目標。

“十四五”期間，長慶油田分公司將圍繞頁巖油富集機理、多學科“甜點”綜合評價和壓裂增產等關鍵理論和技術問題，加強頂層設計，統籌規劃，通過地質、地震、測井、儲層改造等多學科聯手，創新內陸湖盆低壓頁巖油勘探理論和配套技術;繼續擴大慶城油田的勘探成果，加強慶城油田外圍勘探，落實規模含油富集區;積極拓展盆地周邊三角洲前緣夾層型頁巖油新領域，開拓新的含油富集區;持續加大科研攻關力度，積極探索頁巖型頁巖油新類型，為長慶油田二次加快發展和國家能源安全提供保障。