泌阳凹陷页岩油赋存状态及可动性探讨

2017-03-02柯思

石油地质与工程 2017年1期

关键词：泌阳孔喉运移

柯思

(中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南南阳 473132)

泌阳凹陷页岩油赋存状态及可动性探讨

柯思

(中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南南阳 473132)

泌阳凹陷页岩油资源丰富，具有广阔的勘探前景。利用岩心观察、常规扫描电镜、薄片鉴定、荧光观察，结合高分辨率场发射扫描电镜等分析测试手段，研究了泌阳凹陷页岩油赋存状态及可动性，结果表明：泌阳凹陷页岩油具有微孔型与微缝型两种储集空间；赋存状态有游离、吸附和溶解状态三种，以游离态和吸附态为主，含有少量溶解态页岩油；原油族组分分析及碳同位素分析均表明，泌阳凹陷页岩油无运移或运移距离极短，是自生自储式、源储一体的油气藏。泌阳凹陷页岩油可动性主要取决于泥页岩的特殊孔喉结构、裂缝发育与地层压力。

泌阳凹陷；赋存状态；运移特征；可动性；页岩油

据相关文献报道，中国页岩油地质资源量1 420×108t，可采资源量(30～60)×108t，页岩油资源潜力较大，勘探开发前景广阔。中国石化河南油田自2010年启动页岩油地质评价工作，通过国内外调研与对比分析，认为泌阳凹陷深凹区页岩油形成条件较好，油气资源丰富，具有广阔的勘探开发前景。2010 年在泌阳凹陷部署了页岩油探井-安深1 井, 该井经大型压裂后获日产4. 68 m3工业油流，使中国陆相页岩油勘探取得工业油流突破；2011 年在泌阳凹陷部署中国首口页岩油水平井-泌页HF1井, 该井1044 m 水平段15 级分段压裂获最高日产23.6 m3工业油流, 标志着中国陆相页岩油勘探取得实质性突破[1]。

本文通过对泌阳凹陷页岩油赋存状态、运移特征和可动性的分析，以期为陆相断陷盆地页岩油气勘探开发提供技术储备。

1 地质概况

泌阳凹陷位于南襄盆地东北部，是南襄盆地的次级构造单元，面积1 000 km2，为中新生代断陷盆地。凹陷由南至北分南部陡坡带、中部凹陷带和北部斜坡带。泌阳凹陷在始新世-古新世时期为初始断陷和稳定断陷，在渐新世早期为强烈断陷，湖盆持续下沉，气候温暖潮湿，陆源碎屑向湖泊注入，带来大量营养物质，湖生生物大量生长繁盛，形成了巨厚的湖泊相沉积。据钻井资料揭示，泌阳凹陷泥页岩层主要发育在核桃园组核二段、核三上段、核三下段，平面上分布在深凹区，为浅湖相-较深湖相沉积。这三套泥页岩累计厚度达1 900 m，叠合分布面积约640 km2，有机质丰度平均2.52%，有机质类型以Ⅰ型、Ⅱ1型为主，有机质成熟度为0.5%～1.7%，脆性矿物含量平均70%，孔隙度平均5.78%，具备形成页岩油气的良好条件和物质基础[2-3]。

2 页岩油特征

截至2015年底，泌阳凹陷48口探井在页岩中钻遇丰富的油气显示，表现为钻井取心岩心表面、裂缝面原油浸出下滴，泥浆槽面油膜、捞砂盆黏油明显；气测全烃含量最高达99.89%，甲烷最高达36%；槽面油花、气泡、沥青显示丰富。其中7口井获工业油流或低产油流，产油层岩性为厚层纯页岩及页岩中夹杂泥质粉砂岩、泥质白云岩、白云质泥岩。泌阳凹陷页岩油井产能较高的为核桃园组三砂组、二砂组，其他砂组产能较低或尚未试油。泌阳凹陷页岩油探井初期产能可达到23.6～28.1 m3/d，随后递减。第一个周期初期油气产能最高，后缓慢递减处于稳定；第二个周期初期产能和累积产油量都较低。总体上，页岩油井以第一个周期的产量为主，产量可占总产油量的85%以上。

页岩油密度0.76～0.86 g/cm3，70 ℃动力黏度0.74～15.78mPa·s，凝固点15～44℃，含蜡量2.12%～50.13%，气油比3～204，属于“高含蜡、高凝固点、高密度、低黏度、低气油比”原油；页岩油密度、黏度都有随深度增加而降低的趋势；页岩油气油比随埋深增大逐渐增高；页岩油层温度90～140 ℃，压力21.8～40.38 MPa 。页岩地层水的类型有碳酸氢钠、氯化钙、硫酸钠型三种。氯化钙型地层水代表封闭环境，碳酸氢钠型地层水代表过渡环境，硫酸钠型地层水可能是由于钻井液与压裂液浸入地层导致。其中，碳酸氢钠型地层水占70%，表明泌阳凹陷页岩油气所处的环境为过渡环境。

3 页岩油赋存状态分析

页岩油以游离、吸附或溶解赋存于富有机质的泥页岩层系中，主要赋存于泥页岩层系基质孔隙、砂岩或碳酸盐岩夹层基质孔隙及页岩裂缝中。针对泥页岩储层的特低孔致密的特殊性，利用岩心观察、常规扫描电镜、薄片鉴定、荧光观察，结合高分辨率场发射扫描电镜等分析测试手段，对泥页岩储集空间进行识别。泌阳凹陷泥页岩储集空间分为微孔型与裂缝型。微孔分为粒间孔、晶间孔、粒内溶蚀孔及有机质孔，粒间孔主要有石英粒间孔、云母片间孔，晶间孔主要有方解石晶间孔、黄铁矿晶间孔和黏土矿物晶间孔，粒内溶孔主要有方解石、白云石、长石的粒内溶孔，有机质孔主要为有机质内部干酪根转化为烃类形成的孔隙。裂缝分为高角度构造缝、水平层理缝及微裂缝，以水平层理缝为主，裂缝宽度最宽可达1 mm，一般为0.01～0.08 mm。相对于北美海相地层页岩石英含量高，泌阳凹陷泥页岩中碳酸盐岩矿物、长石等脆性矿物含量高，石英平均含量为19.5%，碳酸盐岩、长石、黄铁矿等脆性矿物含量为49.4%，易于形成裂缝。镜下观察也表明泥页岩中裂缝广泛发育，裂缝是页岩油气的主要储集空间之一，同时也连通了泥页岩孔隙，为页岩油气提供了运移通道，使页岩油气通过裂缝网状系统连续分布，易于页岩油气的开采[4]。

泌阳凹陷页岩油赋存状态有游离、吸附和溶解三种状态[5]，以游离态和吸附态为主，含有少量溶解态页岩油。游离态页岩油主要赋存在黏土、石英、长石、方解石、白云石等矿物基质孔隙、纳米级孔隙，以及构造缝、层理缝、微裂缝中，以油滴形式存在。吸附态石油主要吸附在干酪根及黏土颗粒表面，以油膜形式存在。利用扫描电镜结合能谱分析技术，发现泌阳凹陷页岩油分子主要以游离和吸附两种形式存在的证据，一是页岩基质颗粒间的游离态油滴(图1a)，二是黏土颗粒表面覆膜状吸附态油膜(图1b)，油滴、油膜能谱分析碳峰特征明显(表1)，为有机石油烃。从页岩油生产特征来看，页岩油生产井仅发现游离态和溶解态石油，吸附态尚未发现。泌页HF1井压后试采，初期最高日产油23.6 m3，随后逐渐递减至0.2 t，低效关井，累计生产1 082 d，累计产油1 478 t，平均日产油1.36 t。由于产出的主要为基质孔隙中的原油，没有解吸附原油补充，导致页岩油产量快速递减。泌页HF2井压后试采，初期最高日产油28.1 m3，随后逐渐递减至0.9 t，目前尚在产油，累计生产1 147 d，累计产油2 598 t，平均日产油2.26 t；该井产油过程中含水率上升，气油比、日产油上升，反映可能有部分溶解态页岩油产出。

图1 泌页HF1井扫描电镜照片

元素质量分数/%原子分数/%C61．4470．34O29．5625．40Mg0．260．15Al1．590．81Si5．982．93K0．420．15Ca0．410．14Fe0．330．08

4 页岩油运移特征及可动性分析

4.1 运移特征

页岩油气藏是自生自储、源储一体的油气藏，原油滞留原地或运移距离极短。原油族组分分析及碳同位素分析均表明泌阳凹陷页岩油无运移或运移距离极短(图2、图3)。图中安深1井为H32砂组3号页岩层原油样品，泌页HF1井为H33砂组5号页岩层原油样品，泌354井为H33砂组5号页岩层中砂层夹层原油样品。三个样品同位素值、族组分含量大致相同，表现为核三上原油特征，反映了页岩油仅在页岩系统内原地滞留成藏或短距离运移至页岩系统的砂岩夹层中，无长距离运移。

图2 页岩油同位素对比分析

图3 页岩油族组分分析

4.2 可动性

泌阳凹陷页岩发育的深凹区断层不发育，泥页岩中的生成油气只能原地滞留聚集在泥页岩中，或就近运移聚集在砂层夹层、碳酸盐岩夹层中。因此页岩油可动性主要取决于泥页岩的特殊孔喉结构、裂缝发育与地层压力。

4.2.1 孔喉结构

利用压汞仪方法研究页岩储层孔喉结构特征，泌阳凹陷48个页岩样品基质平均孔隙度为2%左右，平均基质渗透率2.51×10-3μm2，平均孔道迂曲度6.26。泌阳凹陷陆相页岩孔渗性差，孔喉直径小，孔道迂曲度高，导致了页岩油产量快速下降。

高性能全自动压汞孔隙度仪测试结果表明，泌阳凹陷页岩孔隙中小于100 nm的孔喉超过了90%，其中以处于3～10 nm的孔喉为主，占43%。国内最新研究表明，20 nm以下孔喉的油分子基本不能流动。因此，推测泌阳凹陷页岩孔喉半径小，导致油分子从基质到裂缝中运移很难，产量递减很快。正葵烷、卤水扩散实验也反映了页岩孔隙连通性较差。

利用正葵烷、卤水流体加示踪剂碘(I)、铼(Re)、镉(Cd)的流体扩散实验来表征页岩孔隙连通性。正葵烷流体是作为石油的代表物，它和含有的化学示踪剂将优先地在憎水性干酪根相的有机孔隙中运移；而基于卤水流体的示踪剂，则在页岩中亲水性矿物相的无机孔隙中运移，这样的实验设计，将能够帮助区分页岩不同组分相中的纳米孔隙的连通性与烃类运移能力。应用程2井2 810.6 m页岩，分别开展了正葵烷与卤水扩散实验。实验结果表明，流体扩散程度低，反映了页岩无机、有机孔隙连通性差的特点，油气分子不能很快地补给裂缝，导致油气产量快速下降。

4.2.2 裂缝发育

裂缝作为页岩油渗流通道，其发育程度影响页岩油可动性。从页岩岩心观察及显微观察来看，泌阳凹陷页岩主要发育水平层理缝、高角度构造斜交缝以及微裂缝三种类型。高角度构造斜交缝既有张裂缝，也有剪裂缝。本区微裂缝一般裂缝开度在100 μm以下，分为构造微裂缝、层间微裂缝、矿物收缩缝及生烃超压缝等。分析认为，脆性矿物的发育以及构造应力叠加导致了泌阳凹陷页岩裂缝的发育。泌阳凹陷页岩发育石英、长石、方解石、白云石等脆性矿物，石英含量一般为15%～20%，长石含量一般为19%～33%，方解石含量为8%～17%，白云石含量为10%～23%，脆性矿物总量为68%～83%，岩性较脆，裂缝发育；同时，脆性较好的方解石、白云石与塑型强的黏土矿物呈层层排列，导致层间页理缝发育。页岩发育的深凹区受北东向栗园-泌阳东部大断裂与北西向栗园-唐河南部大断裂两组构造应力叠加控制，导致页岩发育北西与北东向两组天然裂缝。由压后获得高产油流的泌页HF1井导眼井取心观察可知，页岩裂缝较发育。相干体分析、地层倾角属性、Refract多属性、曲率属性等多种方法也预测了泌页HF1井位于裂缝发育区。

4.2.3 地层压力

国内外勘探经验表明，地层超压为页岩油富集高产关键因素之一[6]，泌阳凹陷在大套页岩及其薄砂层存在地层超压，泌354井在钻遇页岩中的砂岩夹层时(井段2 761～2 777 m)，泥浆密度达1.35，地层压力系数达1.29。利用综合录井仪Dc指数也可进行页岩地层压力预测。通过正常趋势线及与dcs曲线的偏差，预测所钻地层岩性及地层压力，以判断地层压力是否异常。Dc指数法预测泌阳凹陷深凹区页岩地层Dc指数为0.66～1.23，地层压力系数为1.12～1.76。利用声波时差法预测页岩地层压力系数为1.0～1.45。综合研究表明，泌阳凹陷页岩地层存在地层超压。位于深凹区部署钻探的页岩油水平井泌页HF1、泌页2HF井页岩地层压力系数1.1～1.3，通过多级分段压裂均获得初期日产23.6～28.1 m3高产油流，表明地层超压有利于页岩油流动与富集高产。