辽河坳陷大民屯凹陷沙四段湖相页岩油综合评价及勘探实践

2019-11-15李晓光刘兴周李金鹏

中国石油勘探 2019年5期

李晓光刘兴周李金鹏田志

（中国石油辽河油田公司勘探开发研究院）

0 引言

页岩油勘探已经从传统的圈闭走向生油层系，在国内外取得了突出的勘探效果，成为非常规油气勘探领域的新热点[1-5]。近年来，在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩层系勘探获得突破，发现规模整装油气聚集[6]。鄂尔多斯盆地延长组页岩油资源的勘探开发也展现出良好前景[7-8]。渤海湾盆地沧东凹陷多口井孔二段页岩层系获得发现，打开了陆相页岩油勘探的局面[9-14]，证实了陆相湖盆传统烃源岩区页岩油资源具有巨大的勘探潜力。

辽河坳陷页岩油资源量巨大，是现实的接替资源之一。随着近年来页岩油勘探在理论和工程上的突破，国内外许多地区的页岩油勘探开发均取得了成效，这为辽河坳陷大民屯凹陷页岩油勘探起到了很好的启示作用。2012年开始，开展了大民屯凹陷页岩油研究工作。本文针对大民屯凹陷沙四段页岩油的特殊地质条件，以沉积环境研究为突破口，综合利用各种地质与地球物理资料，对烃源岩及储层特征进行分析与评价，提出页岩油“三品质”评价方法，分别从烃源岩品质、流动品质及工程品质3个方面评价页岩油的有利分布区，最后综合分析优选最佳甜点区。在该方法指导下，采取“三步走”方式开展页岩油勘探部署工作，首先通过探井（资料井）部署，进行系统取心，获取丰富的分析化验资料，完善“三品质”评价技术;然后优选老井试油，验证含油情况;最后通过部署水平井，实现效益开发。

1 基本地质特征

大民屯凹陷位于辽河坳陷北部，是辽河坳陷内的三大凹陷之一，其在平面上呈南宽北窄的三角形，是在太古宇和元古宇基底之上发育的中—新生代陆相凹陷。大民屯凹陷古近系平面展布范围约800km2，主要发育沙河街组和东营组。沙四段油页岩是该凹陷的主力烃源岩之一。本文研究区分布在大民屯凹陷中央（图1），面积为220km2，地层厚度为30～200m，目的层为沙四段下部一套油页岩、泥质云岩、含碳酸盐油页岩、含粉砂油页岩及粉砂岩沉积的混合体，生烃潜力巨大，为页岩油资源的形成提供了重要的物质基础[15-16]。

图1 大民屯凹陷沙四段沉积相及研究区位置图Fig.1 Location of the study area and sedimentary facies of the Sha 4 Member in Damintun sag

1.1 岩性特征

岩石学研究表明，页岩储层主要由黏土矿物、脆性矿物和有机质三部分组成。研究区页岩储层的矿物组成主要包括伊利石和高岭石两种黏土矿物，此外还含有石英、长石、方解石、黄铁矿等。岩矿分析鉴定结果表明，研究区致密层段的主要岩性可总结归纳为油页岩、含粉砂油页岩、粉砂岩、含碳酸盐油页岩及泥质云岩5类[17-18]。目的层段根据岩石类型组合的不同可进一步细分为3个层组，上部的Ⅰ组为含碳酸盐油页岩、油页岩及含粉砂油页岩，中部的Ⅱ组为泥质云岩、粉砂岩和含碳酸盐油页岩，位于底部的Ⅲ组主要发育泥质云岩及含碳酸盐油页岩、含粉砂油页岩（图2）。

图2 大民屯凹陷s352井沙四段地层沉积序列Fig.2 Sedimentary sequence of the Sha 4 Member in Well s352 in Damintun sag

岩矿分析结果表明，研究区沙四段下部Ⅰ组中黏土矿物含量很高，高达36%，石英含量次之，约为35%;Ⅱ组脆性矿物含量较高，白云石平均含量为44%，长石平均含量为22%，石英含量约为25%，黏土矿物含量仅为17%，有利于在压力作用下形成裂缝;Ⅲ组黏土矿物含量为35%，石英含量约为33%，方解石含量为15%，这种矿物组成特征无疑有利于该组裂缝和溶蚀孔洞的发育（表1）。

表1 大民屯凹陷沙四段主要矿物含量统计结果Table 1 Statistics of the contents of primary minerals in the Sha 4 Member in Damintun sag

1.2 烃源岩特征

烃源岩有机碳含量是有机质丰度的重要指标，丰富的有机质为大量生烃和运聚成藏提供了坚实的物质基础。根据地球化学实验分析结果，研究区烃源岩有机碳含量集中分布于3%～10%，具有一定的生烃潜力（图2）。生烃潜量（S1+S2）是指某一质量烃源岩中的有机质，能反映烃源岩中的有机质含量[19]。研究区烃源岩生烃潜量主要为30～50mg/g，最大值为81.6mg/g;仅个别取样点的生烃潜量不足10mg/g，其中最低值为0.4mg/g。

一般认为，页岩油成熟度评价的下限标准应当低于常规油藏，这是由于页岩油烃源岩自身的有机质丰度明显偏高、有机质类型也相对较好，相比于常规泥岩可以提前生/排烃，故生烃门限与常规烃源岩相比偏低。一般情况下，成熟度评价指标Ro达到0.4%即可生烃形成页岩油，略低于常规油0.5%的下限标准。研究区油页岩段镜质组反射率主要分布在0.6%～0.89%，个别井段Ro值较低，约为0.47%，但如前所述，也已经达到了页岩油的生烃门限（图3）。

图3 大民屯凹陷s352井沙四段Ro与深度关系图Fig.3 Ro vs. depth of the Sha 4 Member in Well s352 in Damintun sag

1.3 储层物性特征

如何寻找最有利的“甜点”是页岩油勘探的核心。研究区致密储层具有低孔渗的特征，其孔隙度集中分布在1.2%～7.8%，平均值约为5.4%，渗透率一般不超过0.1mD，因此属于致密储层。依据国内外统计结果，根据孔隙度特征可将致密储层划分为3类：Ⅰ类储层孔隙度为7%～10%，Ⅱ类储层孔隙度为4%～7%，Ⅲ类储层孔隙度小于4%[15]。研究区页岩油储层整体上为Ⅱ类储层，其中，Ⅰ组孔隙度变化范围为1.2%～6.7%，渗透率约为0.045mD;Ⅱ组孔隙度集中分布于3.1%～7.8%范围内，渗透率分布范围为0.049～0.086mD;Ⅲ组孔隙度变化范围为3.3%～7.6%，渗透率分布范围约为0.237～2.14mD。可见，研究区Ⅱ组、Ⅲ组储层属于Ⅱ类储层，部分区域达到Ⅰ类储层标准，其物性好于Ⅰ组储层，是有利的页岩油储层。

1.4 储层脆性特征

前已述及，研究区目的层主要包括五大类主要岩性，即油页岩、含粉砂油页岩、粉砂岩、含碳酸盐油页岩及泥质云岩。一般认为，高杨氏模量、低泊松比的岩石脆性较好，更容易产生裂缝。s352井岩石力学实验数据表明，在研究区目的层的5种主要岩性中，泥质云岩和含碳酸盐油页岩的杨氏模量明显高于其他岩性（图4），相对更适合压裂改造。

图4 大民屯凹陷沙四段杨氏模量与泊松比关系图Fig.4 Young’s modulus vs. Poisson’s ratio of the Sha 4 Member in Damintun sag

在致密储层中，脆性矿物（如石英、长石、碳酸盐矿物等）的含量越高，岩石的脆性越强，在地应力作用下越容易发育构造裂缝和诱导裂缝[20]。多条裂缝相互交织、沟通，形成树状/网状的裂缝系统，可为油气富集提供充足的储集空间。相比之下，黏土类矿物的含量越高，岩石的塑性越强，不易产生脆性形变，不易形成构造裂缝。

研究区目的层段3个层组主要矿物含量如表1所示。Ⅰ组主要岩性为含碳酸盐油页岩，富含黏土矿物，含量为8%～57%，总体上超过30%，脆性矿物含量最低;Ⅱ组主要为泥质云岩，局部分布粉砂岩，黏土矿物含量最低，平均仅为17%，脆性矿物含量最高;Ⅲ组为含碳酸盐油页岩与泥质云岩互层，脆性介于Ⅰ组与Ⅱ组之间。从统计分析来看，Ⅰ组中脆性矿物成分所占比重最低，其储集物性相对较差，Ⅱ组和Ⅲ组中脆性矿物所占比重明显偏高，储集物性较好。

1.5 储集空间

通过取心井的系统岩性观察结合扫描电镜、铸体薄片、激光共聚焦等多种技术手段描述，研究区沙四段下部储层储集空间主要分为基质孔隙和裂缝两大类。基质孔隙主要类型包括残余的原生孔隙、微孔隙、长石及方解石等矿物遇酸溶蚀产生的溶蚀孔隙及有机质孔隙等。裂缝可划分为构造裂缝、层理缝与收缩缝（图5）。Ⅱ组主要发育构造裂缝，其发育程度与褶皱、断裂等相关，从成像测井资料及取心描述上看，研究区内多表现为高角度的垂直裂缝。层理缝和收缩缝的发育程度受成岩作用的影响，当上覆地层压力产生变化、岩石发生干裂重结晶等作用时易产生该类裂缝，Ⅰ组、Ⅲ组主要发育该类裂缝。

图5 大民屯凹陷沙四段页岩储层裂缝发育特征Fig.5 Fracture development of Sha 4 shale reservoirs in Damintun sag

2 甜点评价

针对大民屯凹陷页岩油的地质特征，认为页岩油地质评价的重点应放在烃源岩品质、流动品质及工程品质上，概括为“三品质”评价。具体来说，烃源岩品质评价包括烃源岩特征及分布的评价;流动品质评价包括流体特征、压力特征、渗流特征的综合评价;工程品质评价包括地应力特征和储层脆性特征的评价。“三品质”评价基本涵盖了致密油“七性”评价的内容[16]，这样归类的好处在于其针对性更强，更适合大民屯凹陷沙四段页岩油勘探的研究工作的开展。

2.1 烃源岩品质评价

烃源岩品质评价最重要的两个标准是烃源岩特性及分布特征。与国内外其他页岩油的烃源岩指标相比，大民屯凹陷沙四段烃源岩品质较好（表2）。

表2 s352井烃源岩分组评价Table 2 Grouping evaluation of source rocks in Well s352

根据Jarvie研究表明，S1值和TOC的相对大小能够表征页岩层系油气聚集的差异性[21]。分析s352井的S1值和TOC的相对比值大小关系发现，Ⅰ组的S1/TOC＞100，体现出部分近源成藏的特点;Ⅱ组及III组的S1/TOC＜100，更多地表现出源储共生的特点。

从平面分布特征上看，大民屯凹陷沙四段I组S1+S2分布在6.3～81.6mg/g，平均为47.35mg/g，TOC分布在1.9%～19.3%，平均为8.5%;在a95—a49—a10等井西侧TOC相对较高，普遍大于4%，在东侧仅局部区域TOC能够达到4%以上，整体上，TOC大于2%的面积为188km2，TOC大于4%的面积为73km2（图6）。Ⅱ组的S1+S2分布在0.4～8.54mg/g，平均为4.35mg/g;TOC分布在1.62%～3.1%，平均为2.15%，TOC大于2%的面积为115km2（图7）。III组S1+S2分布在4.3～63.21mg/g，平均为37.35mg/g;TOC分布范围为2.1%～10.6%，平均为6.3%，在局部区域达到4%以上，TOC大于2%的面积为160km2，TOC大于4%的面积为23km2（图8）。

图6 研究区Ⅰ组TOC分布图Fig.6 TOC distribution of Group Ⅰin the study area

图7 研究区Ⅱ组TOC分布图Fig.7 TOC distribution of Group Ⅱin the study area

图8 研究区Ⅲ组TOC分布图Fig.8 TOC distribution of Group Ⅲin the study area

Ⅰ组主要发育含碳酸盐油页岩、含粉砂油页岩两种岩性，含粉砂油页岩面积为110km2，含碳酸盐油页岩面积为65km2;Ⅱ组主要岩性为粉砂岩，面积为177km2，局部发育泥质白云岩和玄武岩，面积分别为18km2和5km2;Ⅲ组岩性比较复杂，主要岩性为含碳酸盐油页岩、泥质云岩和含粉砂油页岩，面积分别为74km2、17km2和42km2。根据矿物组分分析结果，泥质云岩的脆性矿物含量最高，达到86.5%;含碳酸盐油页岩次之，为76.2%;粉砂岩和含粉砂油页岩脆性矿物含量分别为66.1%和59.7%;泥页岩最差，为45.8%。从岩性的纵向分布特征来看，Ⅱ组、Ⅲ组石英、白云石等脆性矿物含量较高，在相同的应力背景下，Ⅱ组、Ⅲ组裂缝更加发育，从储层改造角度上讲，压裂造缝效果就会更好。

总体上，Ⅰ组、Ⅱ组和Ⅲ组均为有利的页岩油发育层段。Ⅱ组生油条件差于Ⅰ组和Ⅲ组，Ⅰ组虽然生油条件好，油页岩厚度较大、分布稳定，但是其脆性矿物含量低于Ⅲ组，综合分析认为，目前条件下，Ⅲ组为页岩油勘探的相对最有利层段。

2.2 流动品质评价

流动品质评价时主要考虑原油黏度、渗透率及地层压力三方面因素，主要表达的是致密段的渗流特征，由于致密储层渗透率较低，因此在评价该类别储层的渗流特征时必须考虑流体特征（自身流动性）、孔隙压力（地层驱动力）、渗透率（地层本身渗透性）及岩石的亲油、亲水特征等。综合上述因素，本文引入流动品质的概念，利用流动品质来考虑地层的渗流特征：

式中u——流动品质，mD/s;

K——地层渗透率，mD;

μo——地层条件下原油黏度（由原油黏温曲线确定），mPa·s;

pp——地层压力，MPa;

ρw——地层水密度，kg/m3;

g——重力加速度，9.8m/s2;

z——深度，m。

则流动性指数的计算公式为：

式中PI——流动性指数，%;

umin——区域最小的流动品质，mD/s;

umax——区域最大的流动品质，mD/s。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组平均孔隙度分别为5.2%、5%、6.66%。由于孔喉较小，流体主要以非达西渗流为主，从渗流实验结果看，整体流动性较差。在实际计算中，渗流能力的主要影响因素为黏度及地层压力，其中黏度又与地温梯度有关。研究表明油页岩段地层压力较大值主要分布在研究区西部构造相对平缓、断层较少的地区，分析原因可能是晚期断裂发育会破坏油气生烃产生的异常高压。通过测井多属性反演预测异常压力分布。通过计算研究区内探井各井段的流动性指数曲线，再采用统计法得到各层系流动性指数平均值，参考岩性分布可评价各层系的流动品质。平均流动性指数值大于10的地区为有利勘探区，主要分布在研究区西部。

2.3 工程品质评价

工程品质评价分为两方面，分别是脆性评价及地应力各向异性评价。其中，脆性评价主要是通过全岩分析，分岩性统计脆性矿物含量，结果表明，泥晶云岩中脆性矿物含量最高，随后依次是含碳酸盐油页岩、粉砂岩、含粉砂油页岩，油页岩中脆性矿物含量最低。在完成岩性的二次解释后，通过交会图分析发现，常规测井曲线中的密度（DEN）曲线和中子（CNL）曲线和脆性矿物含量相关性较好，采取拟合的方式得到其相关关系，通过DEN和CNL曲线得到沿井筒方向的连续的脆性矿物含量（脆性指数BI）曲线（图9）。在完成研究区内所有重点井的脆性矿物含量曲线的计算后，通过统计分析其在平面及纵向上的变化趋势，得到沙四段下部各小层脆性矿物含量分布图，结合地应力各向异性评价，确定工程“甜点”分布范围。

依据烃源岩品质、流动品质及工程品质的分级标准（表3），通过综合分析确定最终的甜点平面分布范围（图10至图12），Ⅰ组确定Ⅰ类储层20km2、Ⅱ类储层88km2，Ⅱ组确定I类储层37km2、Ⅱ类储层120.5km2，Ⅲ组确定I类储层28km2、Ⅱ类储层79km2。

图9 s352井“三品质”评价结果Fig.9“Three-quality”evaluation result of Well s352

表3 大民屯凹陷沙四段页岩油甜点分类标准Table 3 Classification criteria of shale oil sweet spots of the Sha 4 Member in Damintun sag

图10 研究区Ⅰ组甜点平面图Fig.10 Sweet spots plan of Group Ⅰin the study area

图11 研究区Ⅱ组甜点平面图Fig.11 Sweet spots plan of Group Ⅱin the study area

图12 研究区Ⅲ组甜点平面图Fig.12 Sweet spots plan of Group Ⅲin the study area

3 勘探实践

大民屯凹陷页岩油勘探起步较晚，在以往的勘探中，沙四段一直被当作生油岩进行研究，在勘探技术、钻采工艺、压裂改造工艺上的积累有限，勘探存在较大风险性。通过采取“三步走”的方式有序实施，逐步深化认识，降低勘探风险。首先进行探井（资料井）部署，通过系统取心，实施配套测井系列，岩心联测分析化验，进行单井评价，确定有利含油层段，完善测井评价标准;然后优选老井试油，了解主要目的层含油气及产能情况;最后优选有利靶区，通过勘探部署水平井或大斜度定向井，争取获得产能，取得经济效益。

3.1 系统取心，全面评价页岩油特征

为了总结页岩油成藏主控因素，部署一口系统取心井，配套相应的测井系列和分析化验资料，完善 “三品质”评价技术，为水平井部署做准备。2013年，在大民屯凹陷优选能兼顾3个层段的烃源岩品质、流动品质和工程品质特征较好的s625井区，部署s352资料井。该井部署在安福屯潜山带上，油页岩地层分布稳定，厚度较大，构造相对简单、平缓，原始地层压力保持好、脆性矿物含量较高，生油指标好，是有利甜点区。

s352井在3150～3350m井段顺利钻遇沙四段下部地层，揭露地层厚度200m，其中Ⅰ组揭露地层厚度80m，岩性以含碳酸盐油页岩为主，厚度为62.5m，其次是油页岩和含粉砂油页岩，厚度分别为14.4m和3.1m;Ⅱ组揭露地层厚度48m，岩性以泥质云岩为主，厚度为33.4m，夹杂有含碳酸盐油页岩、油页岩、粉砂岩等;Ⅲ组揭露地层厚度72m，表现出泥质云岩和含碳酸盐油页岩薄互层的特点，其中泥质云岩厚度为28.8m，含碳酸盐油页岩厚度为25.2m，少量发育油页岩、含粉砂油页岩等岩性（图2）。在3169～3348.97m井段共完成密闭取心进尺145.92m，心长122.47m，收获率为83.9%。对所取岩心开展了一系列分析化验工作，主要有岩石物性分析、岩石矿物分析、岩石化学分析、孔隙结构分析、流体特征分析与试验、烃源岩及油气地球化学分析及油层保护试验分析等研究工作，为研究区的页岩油勘探提供了翔实全面的岩心分析数据。

3.2 老井试油，确定各小层含油气情况

研究区完钻137口井，目的层段有油气显示的井51口。对重点井进行测井二次解释，计算有机碳含量，明确高TOC层段的分布范围，对致密层段加强储层非均质性评价，评价孔隙结构特征、连通性及渗流特性，进行流动品质分级，优选有利层段;岩矿实验分析脆性矿物含量，结合构造背景优选优质甜点区，开展可压裂性评价，寻找工程甜点段。在I类甜点区，针对I组、II组和III组分别优选老井，提出试油建议，验证含油气情况：

针对Ⅰ组，选取a95井进行试油，日产液4.02t，累计回收油0.778m3。压前洗油累计出油30.1t，压裂改造后日产油7.5t。

针对Ⅱ组，完成了s280井的试油工作。采取常规测试方式，回收油0.663m3，与潜山合采，平均日产油1.9t。

针对Ⅲ组，完成了s224井和sh14井的试油工作。s224井日产油16.2t，累计产油6.084t。sh14井压裂后日产油5m3，累计产油102.97m3。

结果表明，大民屯凹陷沙四段页岩油具有很大的勘探潜力，Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组的老井试油均取得预期效果，但是也呈现了页岩油产能普遍不高、稳产难度大的特点。结合“三品质”评价结果，在目前条件下，优选Ⅲ组率先开展水平井部署实施。

3.3 水平井实施，实现效益开发

根据页岩油“三品质”评价及老井试油结果，优选Ⅲ组部署了sh1井及sh2井，希望通过水平井的实施，突破产能，取得大民屯凹陷页岩油勘探的突破，同时探索软地层条件下长井段水平井的完钻井、改造、投产技术。

sh1井水平段钻遇储层厚度620m，解释Ⅰ类储层200m/9层，Ⅱ类储层225m/11层;压裂后初期日产油7.6t。sh2井水平段钻遇储层厚度605m，解释Ⅰ类储层50m/4层，Ⅱ类储层220m/12层;压裂后3mm油嘴放喷，日产油11.7m3，投产后，截至2018年11月底累计产油1161.4t。2019年初，针对Ⅱ组块状泥质云岩，部署风险探井sy1井，进一步探索Ⅱ组页岩油藏分布及产能情况，拓展勘探领域;目前该井正在钻探过程中。

3.4 勘探启示

3.4.1 成熟探区加强老井资料复查是发现勘探领域的重要途径

在以往近40年勘探中，大民屯凹陷沙四段一直被当作生油岩，限于传统油气成藏观念的束缚，认识上没有突破。转变研究思路，结合国内外页岩油的勘探进展及技术经验，打破常规认识，通过复查梳理研究区内重点井资料，在多口老井沙四段见到良好的油气显示，认为该层段具有较好的页岩油勘探前景，实现了老区新领域的突破。

3.4.2 系统取心分析测试是页岩油研究的重点

页岩油的成藏特征与常规油藏不同，大民屯凹陷页岩油的研究起步较晚，原有的研究成果对页岩油成藏的认识还不够充分，无法有效指导该区的页岩油勘探。通过探井（资料井）部署，实现系统取心，实施配套测井系列，岩心联测分析化验，对页岩油层段开展系统研究，加强有机质富集机理的研究，厘清了TOC分布规律，完善了测井评价标准。

3.4.3 “三品质”评价是选取有利层段的重要基础

大民屯凹陷沙四段页岩油的甜点分布范围受到有机碳含量、岩性分布等多因素控制，选准甜点是实现页岩油效益开发的关键基础。针对大民屯凹陷页岩油的地质特征，应用“三品质”评价技术，从烃源岩品质、流动品质及工程品质评价页岩层段，寻找地质甜点和工程甜点叠合区，为水平井的井轨迹设计、精准压裂改造及实现高效益开发提供支撑依据。

3.4.4 页岩油是大民屯凹陷近期勘探的重要目标

加强地质研究，应用“三品质”评价方法，厘清页岩油发育的地质特征，落实了页岩油甜点分布范围。老井试油及新井钻探结果表明，大民屯凹陷页岩油具有巨大的资源潜力与良好的勘探前景，是辽河坳陷现实的接替资源。通过地质工程一体化攻关，实现地质研究与工程技术的深度融合，选准甜点区、甜点段，在进行有效压裂改造的情况下可以形成工业产能，是近期勘探的重要目标领域。