高 輝，何夢卿，趙鵬云，竇亮彬,4，王 琛

(1.西安石油大學 石油工程學院，西安 710065；2.西安石油大學 西部低滲—特低滲油藏開發(fā)與治理教育部工程研究中心，西安 710065； 3.中國石油 長慶油田分公司 第十一采油廠，甘肅 慶陽 745000；4.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249)

隨著經濟持續(xù)高速發(fā)展以及常規(guī)油氣資源逐漸枯竭，越來越多的學者將研究重點轉移到非常規(guī)油氣上。頁巖油作為重要的非常規(guī)油氣接替資源之一，受到了普遍關注。鄂爾多斯盆地長7頁巖油潛力巨大，據(jù)楊華等研究，長7油層組頁巖油資源量為10×108t[1]。國內學者對鄂爾多斯盆地長7頁巖油已經做了大量的研究工作。盧進才等[2-3]在對長7頁巖油沉積背景的研究中發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地相對簡單的構造以及深湖—半深湖相的沉積環(huán)境，使得長7頁巖油開發(fā)條件優(yōu)越；張文正等[4-5]對于長7頁巖地球化學特征的研究表明長7頁巖有機質含量非常高，是優(yōu)質油源巖；張燁毓等[6-8]從地化參數(shù)、巖礦組成、孔隙類型等方面評價長7頁巖儲集性能，提出下一步研究方向應采用掃描電鏡、高壓壓汞、氣體吸附等多尺度、多維度結合的方法。在北美地區(qū)，頁巖油的理論研究已日趨完善[9-11]，國內關于北美典型頁巖油的研究雖日益增多[12-16]，但關于長7頁巖油與北美典型頁巖油對比評價的研究較少?；诖?，筆者通過分析長7段地質背景，結合X射線衍射、場發(fā)射掃描電鏡氬離子拋光、高壓壓汞和氣體等溫吸附等測試結果，對長7頁巖油的儲集層特征進行了定性評價和定量表征，并將其與北美地區(qū)典型頁巖油從地質背景、烴源巖特征、礦物組分和儲集空間類型4個方面進行對比，發(fā)現(xiàn)共性及差異性特征，為鄂爾多斯盆地長7頁巖油的勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質背景

1.1 鄂爾多斯盆地延長組長7段

鄂爾多斯盆地是一個穩(wěn)定沉降、拗陷遷移、扭動明顯的多旋回演化的克拉通盆地。晚三疊世，鄂爾多斯盆地拉張下陷，使盆地內部形成了大型淡水湖泊，沉積了一套以湖泊—河流相沉積為主的陸源碎屑巖系，即為延長組。延長組長7段沉積時為湖盆最大湖泛期，湖侵達到鼎盛，從而發(fā)育了大規(guī)模湖相頁巖層[17-19](圖1)。前人研究表明，長7湖相頁巖層主要分布在長7段中下部，具有規(guī)模展布、橫向連續(xù)性好、厚度變化較大等特征。頁巖分布區(qū)域以姬塬—正寧的連線為對稱線，向兩側擴展，一直延伸至研究區(qū)的南北兩端。長7湖相頁巖層厚度大、分布面積廣，符合頁巖油成藏的基本地質條件。

圖1 鄂爾多斯盆地長7油頁巖厚度等值線與沉積相據(jù)文獻[2]略改。

1.2 北美地區(qū)典型頁巖油

上泥盆統(tǒng)—下密西西比統(tǒng)的巴肯(Bakken)組頁巖位于威利斯頓盆地。威利斯頓盆地與鄂爾多斯盆地都是典型的克拉通盆地，地層發(fā)育完全且次級構造較少。巴肯組整體上分為3段：上段和下段為具有放射性的半深海黑色頁巖，富含有機質，形成于海平面上升階段的低氧/缺氧陸架環(huán)境；中段為灰色貧有機質砂泥巖，形成于海退時期的有氧陸架環(huán)境[20]。目前巴肯頁巖有利分布面積大于40 000 km2，油層厚度一般為5～15 m[13]。

西墨西哥灣盆地屬于墨西哥灣盆地北部內陸帶，自盆地形成以來，大部分時期一直處于穩(wěn)定沉降和沉積期，至晚白堊世之后發(fā)生廣泛海侵，沉積了一套海相的鷹灘(Eagle Ford)組泥頁巖，面積超過51 800 km2[21-24]。鷹灘組頁巖為一套黑色層狀、富含有機質的頁巖，頁理發(fā)育。頁巖大致分為2段，下段沉積在淺部溫暖海洋環(huán)境中，頁巖鈣質含量相對較低，且富含有機質；上段頁巖鈣質含量相對較高，且有機質含量較低，在海濱部位發(fā)生沉積。

福特沃斯(Fort Worth)盆地是由于造山運動形成的前陸盆地，邊緣陡、凹陷向北加深。巴奈特(Barnett)組沉積于早石炭世的淺海陸棚環(huán)境，為正常鹽度較深水海相沉積，有效勘探面積超過12 950 km2[25]。巴奈特組依據(jù)巖相可以分為3個段位：上段和下段為泥巖夾灰泥巖、泥粒灰?guī)r，中間的Forestburg層幾乎全部為泥質灰泥巖[26]。

長7段沉積時期，發(fā)生迅速的構造沉降作用，為湖盆最大湖泛期，湖岸線隨即向外擴展，形成了分布面積廣、厚度大、含油率穩(wěn)定的大型油頁巖礦床。北美頁巖均是海侵體系域產物，而長7頁巖為湖相頁巖層，其分布范圍及沉積厚度比北美頁巖小。除此，北美地區(qū)典型頁巖層沉積盆地多為前陸盆地和克拉通盆地，與鄂爾多斯盆地相同，大部分時期處于穩(wěn)定沉降期，地層平坦且發(fā)育完全，構造運動平緩，因此有利于富含有機質的頁巖沉積，為頁巖油成藏提供了條件。

2 烴源巖

2.1 鄂爾多斯盆地延長組長7段

由于晚三疊世長7早期地震活動形成了震積巖，使長7段出現(xiàn)油頁巖夾泥巖、粉砂巖的巖性組合特征。因此，長7烴源巖可以劃分為砂巖—頁巖互層及厚層頁巖。砂巖、粉砂質泥巖在測井綜合圖上表現(xiàn)出低自然伽馬(GR)、低聲波時差(AC)、高密度(DEN)等顯著特征(圖2a)。根據(jù)沉積背景、礦物組成和地化參數(shù)，本文將厚層頁巖又劃分為Ⅰ類頁巖和Ⅱ類頁巖，Ⅰ類頁巖有機質豐度高，與Ⅱ類頁巖相比，具有高自然伽馬、低密度的特征，因此2種頁巖可以根據(jù)自然伽馬與密度測井進行區(qū)分。根據(jù)14口井的測井資料對比，Ⅰ類頁巖的自然伽馬值大于220API，密度小于2.4g/cm3(圖2b)，將自然伽馬值小于220 API，密度大于2.4 g/cm3的頁巖劃分為Ⅱ類頁巖(圖2c，d)。統(tǒng)計14口井的測井資料，烴源巖為砂巖—頁巖互層的井有5口，所占比例為35.7%；烴源巖為厚層Ⅰ類頁巖的井有5口，為厚層Ⅱ類頁巖的井有4口，所占比例分別為35.7%和28.6%?？梢婇L7頁巖油烴源巖3種類型均有，且所占比例相近。長7頁巖厚度變化較大，其中Ⅰ類頁巖厚度較小，介于20～50 m的范圍內，Ⅱ類頁巖厚度較大，最大厚度可達到120 m。

圖2 鄂爾多斯盆地長7段烴源巖巖相特征

長7段烴源巖有機質類型為Ⅰ—Ⅱ1型。湖相頁巖干酪根以無定形體為主，母質主要為湖生低等生物等傾油性母質，利于生油[18]。長7段頁巖層有機質豐度高，Ⅰ類頁巖TOC含量在6%以上，Ⅱ類頁巖分布在2%～6%。Ro分布在0.9%～1.2%，處于成熟階段。因此，長7段頁巖層不僅有機質含量高，且處于生油期，是優(yōu)質烴源巖。

2.2 北美地區(qū)典型頁巖油生烴母質

巴肯組上段和下段頁巖為富含大量Ⅱ型干酪根的黑色頁巖層，發(fā)育為烴源巖。巴肯組頁巖的TOC平均值約為11.3%，鏡質體反射率Ro為0.6%～1.5%，平均值達1.1%，有機質熱演化程度為成熟階段，以生油為主[27]。鷹灘頁巖干酪根類型為Ⅱ型，其中鷹灘頁巖的TOC含量分布在2%～8%，平均為5%，有機質豐度高。Ro為0.6%～1.5%，平均值可達1.4%，處于成熟—高熟階段[21-24]。巴奈特頁巖干酪根主要為Ⅰ—Ⅱ1型干酪根，以易于生油的Ⅱ型干酪根為主。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，在沉積初期巴奈特頁巖的TOC含量最高可達20%，現(xiàn)今TOC含量為3%～13%，平均為4.5%。鏡質體反射率Ro在1.0%～1.5%的范圍內，處于源巖成熟階段[9,15]。

頁巖油運聚成藏的動力是源儲壓差。有機質豐度和成熟度一定程度上能夠影響生烴過程中所產生的超壓大小，從而決定源儲壓差。在有機碳含量和熱演化程度高的區(qū)域，頁巖油富集條件就好。綜上，長7烴源巖有機質成熟度與北美相似，有機質類型以Ⅰ、Ⅱ型為主，而北美地區(qū)烴源巖多為利于生油的Ⅱ型。此外，長7烴源巖與北美烴源巖TOC含量均大于2%，長7烴源巖TOC含量高，介于2%～18%的范圍內，甚至大于鷹灘頁巖油。長7烴源巖與北美烴源巖鏡質組反射率Ro介于0.6%～1.5%，處于源巖成熟階段，因此長7頁巖具有很大的生油潛力和開發(fā)價值。

3 礦物組分

3.1 鄂爾多斯盆地延長組長7段礦物組成

長7段巖性主要為泥巖夾粉砂巖或油頁巖夾泥巖、粉砂巖[6]。根據(jù)樣品的X衍射全巖分析，長7頁巖油礦物組分由石英、長石、碳酸鹽、黃鐵礦和黏土礦物組成，其中石英含量介于9.7%～52.8%之間，平均為28.99%；長石(鉀長石、斜長石)含量介于1.2%～35.1%之間，平均為14.8%；碳酸鹽(方解石、白云石)含量介于0～64.9%之間，平均為20.9%；黃鐵礦含量介于2.4%～15.9%之間，平均為5.04%；黏土礦物(伊利石、高嶺石、綠泥石)含量介于11.2%～52.6%之間，平均為30.27%。鄂爾多斯盆地長7頁巖層脆性礦物含量為70%，可壓性好，易形成裂縫，有利于后期壓裂改造[28]。

3.2 北美地區(qū)典型頁巖油產層礦物組成特征

巴肯組地層是一套海相碎屑巖沉積，呈上下黑色頁巖夾粉砂質白云巖、砂巖的“三明治”巖性組合模式[16]。在威利斯頓盆地范圍內，硅質碎屑物含量約為30%～60%，黏土礦物含量則較低。其中石英約占整個礦物成分的47.5%，長石約占18.9%，黏土礦物約占21.5%。

鷹灘組地層屬于白堊系海相沉積，巖性為黑色層狀、富含有機質的頁巖、泥灰?guī)r，頁理發(fā)育。鷹灘頁巖為鈣質頁巖，碳酸鹽碎屑物含量高，礦物組分以方解石為主，黏土含量為30.4%。其中脆性礦物含量約達70%，說明頁巖層易于產生裂縫，適合開展壓裂等改造工藝[21-24]。

巴奈特組地層中間的Forestburg層段全部由層狀泥質灰泥巖組成，上部和下部主要由硅質泥巖夾少量灰泥巖和骨架泥?；?guī)r組成。根據(jù)薄片鑒定和X射線衍射分析結果，巴奈特頁巖中黏土礦物含量介于7%～48%之間，平均為24.2%；石英為主要礦物，含量介于8%～58%之間，平均含量為34.5%；局部常見碳酸鹽、少量黃鐵礦和磷酸鹽，平均含量分別為21.7%，9.7%和3.3%[29]。

對比分析表明，巴肯組和鄂爾多斯盆地延長組長7段地層，具有相似的地層組合關系和成藏方式，都是以源外成藏為主，而鷹灘組和巴奈特組油氣成藏方式是以源內成藏為主。在礦物組分上，由于北美頁巖中脆性礦物以生物成因和成巖成因為主，而長7頁巖脆性礦物以陸源輸入為主，因此巴肯組和巴奈特組頁巖石英含量很高，分別為45%和47.5%，長7頁巖僅為28.99%，比巴肯組和巴奈特組分別低16.01%和18.51%。鷹灘組為鈣質頁巖，碳酸鹽礦物含量為53.5%，長7頁巖碳酸鹽礦物含量為20.9%，比鷹灘組低32.6%。然而對比頁巖脆性礦物總量，北美典型頁巖油頁巖脆性礦物含量平均為71%，長7頁巖層脆性礦物含量為69.73%，兩者含量相當(表1)。脆性礦物含量能夠影響頁巖的儲集空間類型、含氣性以及壓裂改造方式等?？梢姡鯛柖嗨古璧亻L7頁巖層脆性礦物較為富集，可壓性強，有利于頁巖油的儲集和開采。

表1鄂爾多斯盆地長7頁巖油與北美地區(qū)典型頁巖油礦物組分對比

Table1ComparisonofmineralcomponentsforChang7shaleoilinOrdosBasinandtypicalshaleoilinNorthAmerica%

產層巖石類型脆性組分石英長石碳酸鹽黃鐵礦合計黏土鄂爾多斯盆地長7頁巖28．9914．8020．905．0469．7330．27巴奈特組[21]硅質頁巖45．007．008．005．0065．0032．00鷹灘組[17]鈣質頁巖4．708．9053．502．4069．5030．40巴肯組[8]硅質頁巖47．5018．907．004．1078．5021．50

4 儲集空間類型

4.1 鄂爾多斯盆地延長組長7段孔滲特征

圖3 鄂爾多斯盆地長7頁巖油儲集空間類型

a.Z70井，1 655.2 m，有機質與黏土間粒間孔；b.Y56井，3 021 m，黃鐵礦晶粒與黏土間粒間孔；c.G135井，1 790.3 m，伊利石晶間粒內孔；d.Z70井，1 668.1 m，黏土顆粒內片狀粒內孔；e.L254井，2 540.8 m，分散分布的有機質孔；f.Y56井，3 010.4 m，分散分布的有機質孔；g.H269，2 539.46 m，微裂縫穿透黏土基質；h.Z79井，1 416.7 m，微裂縫切穿黃鐵礦；i.H269井，2 520 m，有機質微裂縫

Fig.3 Reservoir space type of Chang 7 shale oil in Ordos Basin

實驗測試結果顯示，長7段頁巖儲層孔隙度和滲透率極低，孔隙度介于0.5%～2.1%之間，滲透率介于(0.000 4～0.03)×10-3μm2之間。筆者采用場發(fā)射掃描電鏡氬離子拋光，并將氣體吸附法和高壓壓汞法的測試結果有效結合，定性、定量分析長7段樣品儲集空間類型。

通過大量場發(fā)射掃描電鏡氬離子拋光發(fā)現(xiàn)，長7頁巖中發(fā)育納米級孔隙及微裂縫?？紫额愋椭饕辛ｉg孔、粒內孔和有機質孔(圖3)。樣品中粒間孔多呈線性、三角形或棱角狀，孔隙間連通性好。此外，樣品中發(fā)育粒內孔，主要有黏土顆粒內片狀粒內孔和伊利石晶間孔2種類型。與北美典型頁巖油不同的是，長7段烴源巖中有機質孔發(fā)育差，多呈分散、孤立狀分布。此外，本次研究也在14口井的巖心樣品中發(fā)現(xiàn)了微裂縫。根據(jù)統(tǒng)計，20塊樣品161張場發(fā)射掃描電鏡照片(自然斷面)中觀察到有微裂縫的為31張，占19.25%；212張場發(fā)射掃描電鏡(氬離子拋光)照片中觀察到有微裂縫的為73張，占34.43%，可以看出長7頁巖能夠觀察到的微裂縫比例并不高。掃描電鏡結果顯示，微裂縫具有定向排列特征，或穿透黏土基質，或切穿黃鐵礦等結晶礦物。通過計算微裂縫參數(shù)，發(fā)現(xiàn)長7頁巖油儲層中發(fā)育微米—納米級微裂縫，樣品微裂縫長度介于5.27～89.46 μm，微裂縫開度介于81.69～879.58 μm。

氮氣吸附法能較為準確地反映孔徑小于50 nm的微小孔隙分布情況，壓汞法則能彌補氮氣吸附法的不足，對大于50 nm的大孔進行分析。筆者將2種方法結合使用，能夠詳細地描述頁巖的孔徑分布情況[30]。根據(jù)對17塊樣品氣體等溫吸附和20塊樣品高壓壓汞測試結果的統(tǒng)計，長7頁巖油孔隙直徑分布在1.59～5 846.6 nm范圍內。從孔徑分布圖(圖4)中可以直觀地看出，長7頁巖油孔隙直徑集中分布在小于700 nm的范圍內。其中微孔相對含量分別為10.64%，0%和10.87%；中孔相對含量分別為78.72%，95.45%和78.26%，孔徑非常相近，僅在2～10 nm這個范圍內的孔隙相對含量就能夠達到51.06%，63.64%和50%；大孔相對含量分別為10.64%，4.55%和10.87%，大孔各孔隙之間孔徑差異很大。長7頁巖油物性較差，儲集空間致密，微小孔隙多。據(jù)楊華等[31]對長7頁巖油的研究，綜合以上實驗測試結果，說明長7段頁巖油符合油氣存儲和產出要求。

圖4 鄂爾多斯盆地長7頁巖油孔徑分布

4.2 北美地區(qū)典型頁巖油儲層特征

巴肯組儲層孔隙度和滲透率分別為2.5%～12%及(0.01～0.10)×10-3μm2(表2)。儲層主要為中段的白云質、泥質粉砂巖，發(fā)育晶間孔、粒間孔和微裂縫。其上下段頁巖由于微裂縫發(fā)育，也可作為儲層，多發(fā)育有機質孔。巴肯組的石油主要賦存在大于40 nm的孔喉中，其中巴肯組中段孔喉大于40 nm的孔隙多位于上、下段[27，32]，是油氣主要賦存層段。

鷹灘組儲層由頁巖和灰?guī)r2類儲集層構成，孔隙度主要為3.0%～10.0%，平均為6.0%，滲透率為(0.003～0.405)×10-3μm2，平均滲透率為0.180×10-3μm2[29]。鷹灘組灰?guī)r主要由粒間孔、晶間孔組成，孔隙連通性較好。而泥頁巖含有大量的有機質，有機質孔發(fā)育，這2類儲集層都對烴類的儲存有重要貢獻[33-34]。

巴奈特組儲層總孔隙度為4%～5%，基質滲透率低于0.01×10-3μm2[9,15]。儲層為巴奈特組上部和下部的泥巖、灰泥巖，中間的Forestburg灰?guī)r層段不具有儲集性能。儲層含有大量納米級孔隙，儲集空間類型主要為粒間孔、粒內孔和自生礦物的晶間孔。儲層微裂縫較發(fā)育，但早期形成的裂縫，多在后期被方解石等膠結物所充填。這種現(xiàn)象雖然降低了儲層滲透性，但對于人工壓裂有很大的幫助。

長7頁巖油孔隙度為0.5%～2.1%，北美地區(qū)典型頁巖油孔隙度介于2.5%～12%的范圍內。較北美頁巖而言，長7儲層物性差，尤其是滲透率，差了不止一個數(shù)量級。從儲集空間類型分析，北美海相頁巖不僅微裂縫發(fā)育，還發(fā)育構造裂縫、區(qū)域性裂縫和排烴裂縫，且有機質孔普遍發(fā)育良好。尤其是鷹灘組，由于其源儲一體的特點和較高的生烴、排烴能力，發(fā)育大量的有機質孔。與北美地區(qū)典型頁巖油不同的是，長7頁巖油有機質孔發(fā)育差，且多呈分散、孤立狀分布。長7頁巖層含量較高的碳酸鹽和黏土礦物對微觀孔隙結構的影響大，因此儲集空間以粒間孔、粒內孔和微裂縫為主，孔隙直徑基本分布在小于700 nm的范圍內，且細小孔隙含量高(表2)。

表2 鄂爾多斯盆地長7段頁巖油和北美地區(qū)典型頁巖油儲層對比

5 結論

(1)長7頁巖為湖相頁巖層，因此其分布范圍及沉積厚度均比北美頁巖小。但兩者沉積環(huán)境均較為穩(wěn)定、地層平坦且發(fā)育完全、構造運動平緩，為頁巖油成藏提供了有利條件。

(2)鄂爾多斯盆地長7段烴源巖可分為砂巖—頁巖互層、厚層Ⅰ類頁巖和厚層Ⅱ類頁巖，有機質類型、成熟度與北美頁巖油相似，TOC含量達到2%～18%，甚至高于鷹灘組，具有很大的生油潛力和開發(fā)價值。

(3)長7頁巖油礦物組分由石英、長石、碳酸鹽、黃鐵礦和黏土礦物組成，其中石英含量比巴肯組和巴奈特組分別低16.01%和18.51%，碳酸鹽礦物含量比鷹灘組低32.6%。長7頁巖油脆性礦物總量達到69.73%，僅比北美頁巖油低1.27%，說明長7頁巖可壓性好，有利于頁巖油的儲集和開采。

(4)長7段頁巖較北美頁巖而言，物性較差。北美海相頁巖微裂縫發(fā)育且有機質孔普遍發(fā)育良好。長7頁巖層有機質孔發(fā)育差，多呈分散、孤立狀分布，儲集空間以粒間孔、粒內孔和微裂縫為主，且細小孔隙含量高。因此，長7頁巖油在具有較大資源潛力的同時亦具有較高的開發(fā)難度。

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