鄂尔多斯盆地长7页岩油与北美地区典型页岩油地质特征对比

高 辉，何梦卿，赵鹏云，窦亮彬,4，王 琛

(1.西安石油大学 石油工程学院，西安 710065；2.西安石油大学 西部低渗—特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心，西安 710065； 3.中国石油 长庆油田分公司 第十一采油厂，甘肃 庆阳 745000；4.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249)

随着经济持续高速发展以及常规油气资源逐渐枯竭，越来越多的学者将研究重点转移到非常规油气上。页岩油作为重要的非常规油气接替资源之一，受到了普遍关注。鄂尔多斯盆地长7页岩油潜力巨大，据杨华等研究，长7油层组页岩油资源量为10×108t[1]。国内学者对鄂尔多斯盆地长7页岩油已经做了大量的研究工作。卢进才等[2-3]在对长7页岩油沉积背景的研究中发现鄂尔多斯盆地相对简单的构造以及深湖—半深湖相的沉积环境，使得长7页岩油开发条件优越；张文正等[4-5]对于长7页岩地球化学特征的研究表明长7页岩有机质含量非常高，是优质油源岩；张烨毓等[6-8]从地化参数、岩矿组成、孔隙类型等方面评价长7页岩储集性能，提出下一步研究方向应采用扫描电镜、高压压汞、气体吸附等多尺度、多维度结合的方法。在北美地区，页岩油的理论研究已日趋完善[9-11]，国内关于北美典型页岩油的研究虽日益增多[12-16]，但关于长7页岩油与北美典型页岩油对比评价的研究较少。基于此，笔者通过分析长7段地质背景，结合X射线衍射、场发射扫描电镜氩离子抛光、高压压汞和气体等温吸附等测试结果，对长7页岩油的储集层特征进行了定性评价和定量表征，并将其与北美地区典型页岩油从地质背景、烃源岩特征、矿物组分和储集空间类型4个方面进行对比，发现共性及差异性特征，为鄂尔多斯盆地长7页岩油的勘探开发提供理论依据。

1 地质背景

1.1 鄂尔多斯盆地延长组长7段

鄂尔多斯盆地是一个稳定沉降、拗陷迁移、扭动明显的多旋回演化的克拉通盆地。晚三叠世，鄂尔多斯盆地拉张下陷，使盆地内部形成了大型淡水湖泊，沉积了一套以湖泊—河流相沉积为主的陆源碎屑岩系，即为延长组。延长组长7段沉积时为湖盆最大湖泛期，湖侵达到鼎盛，从而发育了大规模湖相页岩层[17-19](图1)。前人研究表明，长7湖相页岩层主要分布在长7段中下部，具有规模展布、横向连续性好、厚度变化较大等特征。页岩分布区域以姬塬—正宁的连线为对称线，向两侧扩展，一直延伸至研究区的南北两端。长7湖相页岩层厚度大、分布面积广，符合页岩油成藏的基本地质条件。

图1 鄂尔多斯盆地长7油页岩厚度等值线与沉积相据文献[2]略改。

1.2 北美地区典型页岩油

上泥盆统—下密西西比统的巴肯(Bakken)组页岩位于威利斯顿盆地。威利斯顿盆地与鄂尔多斯盆地都是典型的克拉通盆地，地层发育完全且次级构造较少。巴肯组整体上分为3段：上段和下段为具有放射性的半深海黑色页岩，富含有机质，形成于海平面上升阶段的低氧/缺氧陆架环境；中段为灰色贫有机质砂泥岩，形成于海退时期的有氧陆架环境[20]。目前巴肯页岩有利分布面积大于40 000 km2，油层厚度一般为5～15 m[13]。

西墨西哥湾盆地属于墨西哥湾盆地北部内陆带，自盆地形成以来，大部分时期一直处于稳定沉降和沉积期，至晚白垩世之后发生广泛海侵，沉积了一套海相的鹰滩(Eagle Ford)组泥页岩，面积超过51 800 km2[21-24]。鹰滩组页岩为一套黑色层状、富含有机质的页岩，页理发育。页岩大致分为2段，下段沉积在浅部温暖海洋环境中，页岩钙质含量相对较低，且富含有机质；上段页岩钙质含量相对较高，且有机质含量较低，在海滨部位发生沉积。

福特沃斯(Fort Worth)盆地是由于造山运动形成的前陆盆地，边缘陡、凹陷向北加深。巴奈特(Barnett)组沉积于早石炭世的浅海陆棚环境，为正常盐度较深水海相沉积，有效勘探面积超过12 950 km2[25]。巴奈特组依据岩相可以分为3个段位：上段和下段为泥岩夹灰泥岩、泥粒灰岩，中间的Forestburg层几乎全部为泥质灰泥岩[26]。

长7段沉积时期，发生迅速的构造沉降作用，为湖盆最大湖泛期，湖岸线随即向外扩展，形成了分布面积广、厚度大、含油率稳定的大型油页岩矿床。北美页岩均是海侵体系域产物，而长7页岩为湖相页岩层，其分布范围及沉积厚度比北美页岩小。除此，北美地区典型页岩层沉积盆地多为前陆盆地和克拉通盆地，与鄂尔多斯盆地相同，大部分时期处于稳定沉降期，地层平坦且发育完全，构造运动平缓，因此有利于富含有机质的页岩沉积，为页岩油成藏提供了条件。

2 烃源岩

2.1 鄂尔多斯盆地延长组长7段

由于晚三叠世长7早期地震活动形成了震积岩，使长7段出现油页岩夹泥岩、粉砂岩的岩性组合特征。因此，长7烃源岩可以划分为砂岩—页岩互层及厚层页岩。砂岩、粉砂质泥岩在测井综合图上表现出低自然伽马(GR)、低声波时差(AC)、高密度(DEN)等显著特征(图2a)。根据沉积背景、矿物组成和地化参数，本文将厚层页岩又划分为Ⅰ类页岩和Ⅱ类页岩，Ⅰ类页岩有机质丰度高，与Ⅱ类页岩相比，具有高自然伽马、低密度的特征，因此2种页岩可以根据自然伽马与密度测井进行区分。根据14口井的测井资料对比，Ⅰ类页岩的自然伽马值大于220API，密度小于2.4g/cm3(图2b)，将自然伽马值小于220 API，密度大于2.4 g/cm3的页岩划分为Ⅱ类页岩(图2c，d)。统计14口井的测井资料，烃源岩为砂岩—页岩互层的井有5口，所占比例为35.7%；烃源岩为厚层Ⅰ类页岩的井有5口，为厚层Ⅱ类页岩的井有4口，所占比例分别为35.7%和28.6%。可见长7页岩油烃源岩3种类型均有，且所占比例相近。长7页岩厚度变化较大，其中Ⅰ类页岩厚度较小，介于20～50 m的范围内，Ⅱ类页岩厚度较大，最大厚度可达到120 m。

图2 鄂尔多斯盆地长7段烃源岩岩相特征

长7段烃源岩有机质类型为Ⅰ—Ⅱ1型。湖相页岩干酪根以无定形体为主，母质主要为湖生低等生物等倾油性母质，利于生油[18]。长7段页岩层有机质丰度高，Ⅰ类页岩TOC含量在6%以上，Ⅱ类页岩分布在2%～6%。Ro分布在0.9%～1.2%，处于成熟阶段。因此，长7段页岩层不仅有机质含量高，且处于生油期，是优质烃源岩。

2.2 北美地区典型页岩油生烃母质

巴肯组上段和下段页岩为富含大量Ⅱ型干酪根的黑色页岩层，发育为烃源岩。巴肯组页岩的TOC平均值约为11.3%，镜质体反射率Ro为0.6%～1.5%，平均值达1.1%，有机质热演化程度为成熟阶段，以生油为主[27]。鹰滩页岩干酪根类型为Ⅱ型，其中鹰滩页岩的TOC含量分布在2%～8%，平均为5%，有机质丰度高。Ro为0.6%～1.5%，平均值可达1.4%，处于成熟—高熟阶段[21-24]。巴奈特页岩干酪根主要为Ⅰ—Ⅱ1型干酪根，以易于生油的Ⅱ型干酪根为主。根据测试数据，在沉积初期巴奈特页岩的TOC含量最高可达20%，现今TOC含量为3%～13%，平均为4.5%。镜质体反射率Ro在1.0%～1.5%的范围内，处于源岩成熟阶段[9,15]。

页岩油运聚成藏的动力是源储压差。有机质丰度和成熟度一定程度上能够影响生烃过程中所产生的超压大小，从而决定源储压差。在有机碳含量和热演化程度高的区域，页岩油富集条件就好。综上，长7烃源岩有机质成熟度与北美相似，有机质类型以Ⅰ、Ⅱ型为主，而北美地区烃源岩多为利于生油的Ⅱ型。此外，长7烃源岩与北美烃源岩TOC含量均大于2%，长7烃源岩TOC含量高，介于2%～18%的范围内，甚至大于鹰滩页岩油。长7烃源岩与北美烃源岩镜质组反射率Ro介于0.6%～1.5%，处于源岩成熟阶段，因此长7页岩具有很大的生油潜力和开发价值。

3 矿物组分

3.1 鄂尔多斯盆地延长组长7段矿物组成

长7段岩性主要为泥岩夹粉砂岩或油页岩夹泥岩、粉砂岩[6]。根据样品的X衍射全岩分析，长7页岩油矿物组分由石英、长石、碳酸盐、黄铁矿和黏土矿物组成，其中石英含量介于9.7%～52.8%之间，平均为28.99%；长石(钾长石、斜长石)含量介于1.2%～35.1%之间，平均为14.8%；碳酸盐(方解石、白云石)含量介于0～64.9%之间，平均为20.9%；黄铁矿含量介于2.4%～15.9%之间，平均为5.04%；黏土矿物(伊利石、高岭石、绿泥石)含量介于11.2%～52.6%之间，平均为30.27%。鄂尔多斯盆地长7页岩层脆性矿物含量为70%，可压性好，易形成裂缝，有利于后期压裂改造[28]。

3.2 北美地区典型页岩油产层矿物组成特征

巴肯组地层是一套海相碎屑岩沉积，呈上下黑色页岩夹粉砂质白云岩、砂岩的“三明治”岩性组合模式[16]。在威利斯顿盆地范围内，硅质碎屑物含量约为30%～60%，黏土矿物含量则较低。其中石英约占整个矿物成分的47.5%，长石约占18.9%，黏土矿物约占21.5%。

鹰滩组地层属于白垩系海相沉积，岩性为黑色层状、富含有机质的页岩、泥灰岩，页理发育。鹰滩页岩为钙质页岩，碳酸盐碎屑物含量高，矿物组分以方解石为主，黏土含量为30.4%。其中脆性矿物含量约达70%，说明页岩层易于产生裂缝，适合开展压裂等改造工艺[21-24]。

巴奈特组地层中间的Forestburg层段全部由层状泥质灰泥岩组成，上部和下部主要由硅质泥岩夹少量灰泥岩和骨架泥粒灰岩组成。根据薄片鉴定和X射线衍射分析结果，巴奈特页岩中黏土矿物含量介于7%～48%之间，平均为24.2%；石英为主要矿物，含量介于8%～58%之间，平均含量为34.5%；局部常见碳酸盐、少量黄铁矿和磷酸盐，平均含量分别为21.7%，9.7%和3.3%[29]。

对比分析表明，巴肯组和鄂尔多斯盆地延长组长7段地层，具有相似的地层组合关系和成藏方式，都是以源外成藏为主，而鹰滩组和巴奈特组油气成藏方式是以源内成藏为主。在矿物组分上，由于北美页岩中脆性矿物以生物成因和成岩成因为主，而长7页岩脆性矿物以陆源输入为主，因此巴肯组和巴奈特组页岩石英含量很高，分别为45%和47.5%，长7页岩仅为28.99%，比巴肯组和巴奈特组分别低16.01%和18.51%。鹰滩组为钙质页岩，碳酸盐矿物含量为53.5%，长7页岩碳酸盐矿物含量为20.9%，比鹰滩组低32.6%。然而对比页岩脆性矿物总量，北美典型页岩油页岩脆性矿物含量平均为71%，长7页岩层脆性矿物含量为69.73%，两者含量相当(表1)。脆性矿物含量能够影响页岩的储集空间类型、含气性以及压裂改造方式等。可见，鄂尔多斯盆地长7页岩层脆性矿物较为富集，可压性强，有利于页岩油的储集和开采。

表1鄂尔多斯盆地长7页岩油与北美地区典型页岩油矿物组分对比

Table1ComparisonofmineralcomponentsforChang7shaleoilinOrdosBasinandtypicalshaleoilinNorthAmerica%

产层岩石类型脆性组分石英长石碳酸盐黄铁矿合计黏土鄂尔多斯盆地长7页岩28．9914．8020．905．0469．7330．27巴奈特组[21]硅质页岩45．007．008．005．0065．0032．00鹰滩组[17]钙质页岩4．708．9053．502．4069．5030．40巴肯组[8]硅质页岩47．5018．907．004．1078．5021．50

4 储集空间类型

4.1 鄂尔多斯盆地延长组长7段孔渗特征

图3 鄂尔多斯盆地长7页岩油储集空间类型

a.Z70井，1 655.2 m，有机质与黏土间粒间孔；b.Y56井，3 021 m，黄铁矿晶粒与黏土间粒间孔；c.G135井，1 790.3 m，伊利石晶间粒内孔；d.Z70井，1 668.1 m，黏土颗粒内片状粒内孔；e.L254井，2 540.8 m，分散分布的有机质孔；f.Y56井，3 010.4 m，分散分布的有机质孔；g.H269，2 539.46 m，微裂缝穿透黏土基质；h.Z79井，1 416.7 m，微裂缝切穿黄铁矿；i.H269井，2 520 m，有机质微裂缝

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

实验测试结果显示，长7段页岩储层孔隙度和渗透率极低，孔隙度介于0.5%～2.1%之间，渗透率介于(0.000 4～0.03)×10-3μm2之间。笔者采用场发射扫描电镜氩离子抛光，并将气体吸附法和高压压汞法的测试结果有效结合，定性、定量分析长7段样品储集空间类型。

通过大量场发射扫描电镜氩离子抛光发现，长7页岩中发育纳米级孔隙及微裂缝。孔隙类型主要有粒间孔、粒内孔和有机质孔(图3)。样品中粒间孔多呈线性、三角形或棱角状，孔隙间连通性好。此外，样品中发育粒内孔，主要有黏土颗粒内片状粒内孔和伊利石晶间孔2种类型。与北美典型页岩油不同的是，长7段烃源岩中有机质孔发育差，多呈分散、孤立状分布。此外，本次研究也在14口井的岩心样品中发现了微裂缝。根据统计，20块样品161张场发射扫描电镜照片(自然断面)中观察到有微裂缝的为31张，占19.25%；212张场发射扫描电镜(氩离子抛光)照片中观察到有微裂缝的为73张，占34.43%，可以看出长7页岩能够观察到的微裂缝比例并不高。扫描电镜结果显示，微裂缝具有定向排列特征，或穿透黏土基质，或切穿黄铁矿等结晶矿物。通过计算微裂缝参数，发现长7页岩油储层中发育微米—纳米级微裂缝，样品微裂缝长度介于5.27～89.46 μm，微裂缝开度介于81.69～879.58 μm。

氮气吸附法能较为准确地反映孔径小于50 nm的微小孔隙分布情况，压汞法则能弥补氮气吸附法的不足，对大于50 nm的大孔进行分析。笔者将2种方法结合使用，能够详细地描述页岩的孔径分布情况[30]。根据对17块样品气体等温吸附和20块样品高压压汞测试结果的统计，长7页岩油孔隙直径分布在1.59～5 846.6 nm范围内。从孔径分布图(图4)中可以直观地看出，长7页岩油孔隙直径集中分布在小于700 nm的范围内。其中微孔相对含量分别为10.64%，0%和10.87%；中孔相对含量分别为78.72%，95.45%和78.26%，孔径非常相近，仅在2～10 nm这个范围内的孔隙相对含量就能够达到51.06%，63.64%和50%；大孔相对含量分别为10.64%，4.55%和10.87%，大孔各孔隙之间孔径差异很大。长7页岩油物性较差，储集空间致密，微小孔隙多。据杨华等[31]对长7页岩油的研究，综合以上实验测试结果，说明长7段页岩油符合油气存储和产出要求。

图4 鄂尔多斯盆地长7页岩油孔径分布

4.2 北美地区典型页岩油储层特征

巴肯组储层孔隙度和渗透率分别为2.5%～12%及(0.01～0.10)×10-3μm2(表2)。储层主要为中段的白云质、泥质粉砂岩，发育晶间孔、粒间孔和微裂缝。其上下段页岩由于微裂缝发育，也可作为储层，多发育有机质孔。巴肯组的石油主要赋存在大于40 nm的孔喉中，其中巴肯组中段孔喉大于40 nm的孔隙多位于上、下段[27，32]，是油气主要赋存层段。

鹰滩组储层由页岩和灰岩2类储集层构成，孔隙度主要为3.0%～10.0%，平均为6.0%，渗透率为(0.003～0.405)×10-3μm2，平均渗透率为0.180×10-3μm2[29]。鹰滩组灰岩主要由粒间孔、晶间孔组成，孔隙连通性较好。而泥页岩含有大量的有机质，有机质孔发育，这2类储集层都对烃类的储存有重要贡献[33-34]。

巴奈特组储层总孔隙度为4%～5%，基质渗透率低于0.01×10-3μm2[9,15]。储层为巴奈特组上部和下部的泥岩、灰泥岩，中间的Forestburg灰岩层段不具有储集性能。储层含有大量纳米级孔隙，储集空间类型主要为粒间孔、粒内孔和自生矿物的晶间孔。储层微裂缝较发育，但早期形成的裂缝，多在后期被方解石等胶结物所充填。这种现象虽然降低了储层渗透性，但对于人工压裂有很大的帮助。

长7页岩油孔隙度为0.5%～2.1%，北美地区典型页岩油孔隙度介于2.5%～12%的范围内。较北美页岩而言，长7储层物性差，尤其是渗透率，差了不止一个数量级。从储集空间类型分析，北美海相页岩不仅微裂缝发育，还发育构造裂缝、区域性裂缝和排烃裂缝，且有机质孔普遍发育良好。尤其是鹰滩组，由于其源储一体的特点和较高的生烃、排烃能力，发育大量的有机质孔。与北美地区典型页岩油不同的是，长7页岩油有机质孔发育差，且多呈分散、孤立状分布。长7页岩层含量较高的碳酸盐和黏土矿物对微观孔隙结构的影响大，因此储集空间以粒间孔、粒内孔和微裂缝为主，孔隙直径基本分布在小于700 nm的范围内，且细小孔隙含量高(表2)。

表2 鄂尔多斯盆地长7段页岩油和北美地区典型页岩油储层对比

5 结论

(1)长7页岩为湖相页岩层，因此其分布范围及沉积厚度均比北美页岩小。但两者沉积环境均较为稳定、地层平坦且发育完全、构造运动平缓，为页岩油成藏提供了有利条件。

(2)鄂尔多斯盆地长7段烃源岩可分为砂岩—页岩互层、厚层Ⅰ类页岩和厚层Ⅱ类页岩，有机质类型、成熟度与北美页岩油相似，TOC含量达到2%～18%，甚至高于鹰滩组，具有很大的生油潜力和开发价值。

(3)长7页岩油矿物组分由石英、长石、碳酸盐、黄铁矿和黏土矿物组成，其中石英含量比巴肯组和巴奈特组分别低16.01%和18.51%，碳酸盐矿物含量比鹰滩组低32.6%。长7页岩油脆性矿物总量达到69.73%，仅比北美页岩油低1.27%，说明长7页岩可压性好，有利于页岩油的储集和开采。

(4)长7段页岩较北美页岩而言，物性较差。北美海相页岩微裂缝发育且有机质孔普遍发育良好。长7页岩层有机质孔发育差，多呈分散、孤立状分布，储集空间以粒间孔、粒内孔和微裂缝为主，且细小孔隙含量高。因此，长7页岩油在具有较大资源潜力的同时亦具有较高的开发难度。

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