苏北盆地溱潼凹陷古近系阜宁组二段页岩油富集高产主控因素与勘探重大突破

2021-11-01姚红生高玉巧花彩霞余文端骆卫峰马晓东

石油实验地质 2021年5期

姚红生，昝灵，高玉巧，花彩霞，余文端，骆卫峰，马晓东

(中国石化华东油气分公司，南京 210019)

中国陆相页岩油资源潜力巨大，主体是中低成熟页岩油。据初步评价，中国陆相页岩油资源量最低为74×108t，最高为372×108t[1]。页岩油资源丰富，是我国石油增产重要的战略性接替资源[2]。中国陆相烃源岩主要发育于淡水和咸化湖盆两类环境，与北美海相页岩油相比，地质条件、资源品质、开发技术与经济门槛等都有很大差异[3-8]。对比国内外页岩油资源，共性特征是富有机质源岩段分布范围大、厚度较大、有机质丰度较高、源岩生烃潜力大、纳米级孔隙为主、对烃类有很强的吸附性、储集空间油气充满程度高、大面积连续分布、资源规模大等。相比于北美页岩油气，中国页岩油形成分布特点更为复杂，受构造作用影响更大，储集层纵横向分布的非均质性更强，油气水关系相对更加多变，“甜点区”的评价预测难度更大，已发现的页岩油以陆相中—低成熟度地层为主[9]。

苏北盆地位于郯庐断裂东侧，是一个后生的新生代断陷盆地，主要发育阜宁组四段、二段和泰州组二段三套烃源岩，已有数十口井在泥页岩段获得工业油流，展示了较好的页岩油勘探前景[10]。溱潼凹陷位于苏北盆地东台坳陷的中部，总面积1 100 km2，2020年溱潼凹陷深凹带沙垛地区阜二段页岩油勘探取得突破(图1)，试获工业油流50.89t/d，目前累产油9 000余吨，揭示了苏北盆地溱潼凹陷阜二段具有良好的陆相页岩油勘探潜力。黎茂稳[11]提出陆相页岩油富集机理研究远远滞后于生产实践，迫切需要建立不同地质条件的页岩油选区评价参数和甜点预测方法。沙垛地区阜二段泥页岩出油段TOC为1%，具有较低有机质丰度、较高的热演化程度和高气测全烃值特征，岩性以灰质泥岩和含灰泥岩为主，生烃指标较济阳坳陷等偏低，有一定的区域特色。本文在对溱潼凹陷阜二段泥页岩生烃特征、含油性、储集性研究的基础上，剖析页岩油富集高产主控因素，深化陆相页岩油富集高产规律认识，以期为相似盆地的页岩油勘探提供借鉴。

图1 苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段页岩油综合评价Fig.1 Comprehensive evaluation of shale oil in second member of Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

1 烃源岩地化特征

阜二段沉积时期，苏北盆地溱潼凹陷整体为半深湖—深湖，沉积了一套厚层的暗色泥页岩，厚度为200～400 m。依据沉积旋回，纵向上阜二段可分为5个亚段(图2)[12-13]：Ⅰ亚段岩性主要为灰黑色泥岩，Ⅱ亚段为厚层块状含灰泥岩，Ⅲ亚段为灰黑色泥岩与泥灰岩互层，Ⅳ—Ⅴ亚段主要为灰质泥岩、灰色泥岩夹少量泥质灰岩。沙垛地区位于阜二段沉积中心，地层厚度达到390 m，其中Ⅴ亚段为138 m；有机碳含量(TOC)大于2%的泥页岩厚度大于30 m，主要分布在Ⅲ—Ⅳ亚段，TOC大于1%的泥页岩广泛分布，深凹带大于160 m。

图2 苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段综合柱状图Fig.2 Comprehensive bar chart of second member of Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

阜二段烃源岩母质从Ⅰ型到Ⅲ型均有分布，但以Ⅰ型、Ⅱ型为主(图3)，母质类型优，利于生油。从残余有机质丰度来看，阜二段烃源岩有机质丰度中等，其中Ⅰ亚段实测TOC为0.4%～3.8%，平均为1.15%，氢指数(IH)为435mg/g；Ⅱ亚段TOC为0.1%～1.8%，平均为1.2%，IH为210 mg/g；Ⅲ亚段TOC为0.2%～0.8%，平均为0.6%，IH为116 mg/g；Ⅳ亚段TOC为0.5%～1.9%，平均为1.2%，IH为262 mg/g；Ⅴ亚段TOC为0.4%～2.5%，平均为0.89%，IH为205 mg/g。阜二段烃源岩实测有机质成熟度Ro为0.9%～1.0%，热演化程度适中。成熟度中等、厚度大、分布广泛的阜二段泥页岩,为页岩油形成与富集提供了充足的物质基础。

图3 苏北盆地溱潼凹陷阜二段有机质类型分布Fig.3 Organic matter type distribution of second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

2 含油性和可动性分析

反映泥页岩含油性的指标为OSI，即单位质量有机碳中的游离烃含量(S1)，目前认为OSI>100 mg/g是判断页岩油有利开发段的重要指标[14]。可动性最有效的指标为气测全烃和S1，由于气测全烃直接在井口检测获取，且组分在C5以下，更能反映原油中轻质组分的含量。S1为岩石在热解仪中加热到300 ℃时获取的烃类组分，既包括轻质油也有中质油，也是判断可动性的重要指标。阜二段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ亚段实测S1平均分别为1.10，1.35，0.50，0.89，0.68 mg/g；OSI平均分别为84，128，92，98，72 mg/g；气测全烃分别为0.5%～7.6%(平均2.5%)，0.9%～5.8%(平均3.1%)，0.3%～1.2%(平均0.7%)，0.5%～3.1%(平均2.0%)，1.2%～82.1%(平均24.6%)(图2)。主要根据气测全烃含量，结合S1和OSI参数，明确阜二段3 790～3 860 m为含油性甜点段。

3 储集特征

溱潼凹陷阜二段岩性主要为泥岩、含灰泥岩、灰质泥岩、灰云质泥岩，埋深超过3 500 m，孔隙度为1.5%～7.8%，平均3.9%，渗透率为(0.003～0.12)×10-3μm2，总体为低孔超低渗的物性特征。其中Ⅰ亚段孔隙度为2.4%～7.8%，平均5.0%，平均渗透率为0.03×10-3μm2；Ⅱ亚段孔隙度为1.5%～3.7%，平均2.1%，平均渗透率为0.003×10-3μm2；Ⅲ亚段孔隙度为2.2%～5.3%，平均3.9%，平均渗透率为0.085×10-3μm2；Ⅳ亚段孔隙度为1.9%～5.5%，平均3.4%，平均渗透率为0.12×10-3μm2；Ⅴ亚段孔隙度为2.0%～5.7%，平均3.85%，平均渗透率为0.10×10-3μm2。从不同亚段储集特征来看，Ⅲ—Ⅴ亚段储集性能更优。

孔隙主要以微孔—中孔为主，孔径范围在0.1～0.5μm。通过岩心及微观镜下观察，阜二段储集空间主要为晶间孔、溶蚀孔、层理缝和微裂缝(图4)。扫描电镜可观察到泥页岩微观储集空间主要为黏土矿物晶间孔和碳酸盐岩晶间孔、粒间孔(图4a,b)，其次为微裂缝(图4c)、有机孔(图4d)、方解石溶蚀孔(图4e)；晶间孔和粒间孔孔隙形态主要为不规则多边形，孔隙直径从几纳米到几微米不等，微裂缝长多为几微米到十几微米，有机孔孔径范围在几纳米至几百纳米，分布相对较少，另外存在少量更小孔径的溶蚀孔；宏观的储集空间主要为层理缝和裂缝，岩心可见层理缝较为发育，部分层段发育高角度缝，裂缝平直，最长可断切0.5 m。泥页岩中层理缝和裂缝为油气提供了有效的储集空间，也为油气提供了主要的渗流通道(图4f)。

图4 苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段泥页岩储集空间特征(扫描电镜及薄片)Fig.4 Pore structure of mud shale in second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

4 阜二段页岩油高产主控因素

4.1 成熟度和有机碳含量

溱潼凹陷阜二段烃源岩热演化程度和TOC适中，页岩油流动性较好。阜二段成熟烃源岩Ro>0.7%的范围占70%以上[10]，深凹带Ro为0.9%～1.0%；火成岩附近泥页岩实测Ro最高达1.54%，火山活动具有一定的催熟作用。阜二段S1为0.5～3 mg/g，游离烃含量较高；原油气油比为40～80 m3/t，原油伴生气组分齐全，甲烷和乙烷占74%。随热演化程度增加，游离油含量逐渐增高，Ro介于0.9%～1.3%时，游离油中的轻质组分增多，页岩油可动性好[15]。埋深大于3 400 m后，S1显著增加，是寻找页岩油藏的有利深度(图5)。研究表明，同等含油量的页岩中，TOC越低，吸附油量就越少，可动油比例就越高[16]。V亚段甜点段TOC为0.99%～1.61%，S1>0.66 mg/g，气测全烃大于13.2%，原油组成中轻烃含量达到21.1%，饱和烃和芳烃含量为67.8%，非烃和沥青质含量低，反映了游离油多、吸附油少。由于深凹带阜二段有机质热演化程度和有机质丰度均比较适中，页岩油轻组分多、可动性好。

图5 苏北盆地溱潼凹陷阜宁组泥页岩含油饱和度指数(OSI)随深度变化趋势Fig.5 Variation trend of oil saturation index with depthof shale in Paleogene Funing Formation,Qintong Sag, Subei Basin

4.2 保存条件和地层压力

溱潼凹陷深凹带构造稳定，沿构造倾向为一简单的单斜构造。从地震剖面可以看出(图6)，断层多终止于阜四段，阜二段断裂不发育，这为页岩油富集提供了良好的保存条件。纵向上，Ⅴ亚段上部存在物性较差的致密层(图2)，对于下部甜点层起到较好的封盖作用。隔层具有低声波时差、低电阻率和低TOC的特征；隔层横向连续性好，平面上分布稳定，厚度为30～50 m，区域封堵能力强，是页岩油富集高产的主要因素之一。

图6 苏北盆地溱潼凹陷过SD1井地震剖面Fig.6 Seismic profile through well SD1, Qintong Sag, Subei Basin

地层热演化史分析表明，阜二段泥页岩在三垛组垛一段沉积时期进入低成熟阶段(图7)，开始生烃，在垛二段沉积初期进入成熟阶段，大规模生烃。与烃类包裹体共生的盐水包裹体均一化温度为109～115 ℃，对应成藏期为垛二段沉积初期，这与烃源岩热演化史相对应。后期随着地层温度不断升高，阜二段泥页岩生成的油气大量在原地聚集成藏，形成源储一体型页岩油藏。受良好保存的影响，三垛组沉积期以来持续生烃形成异常高压，压力系数为1.25，地层能量高，为页岩油自然高产提供了有利保障。

图7 苏北盆地溱潼凹陷深凹带阜宁组二段烃源岩热演化史Fig.7 Thermal evolution history of source rocks in second memberof Paleogene Funing Formation in deep subsag of Qintong Sag, Subei Basin

4.3 脆性矿物含量和纹层发育程度

脆性矿物含量直接影响页岩油可压性，是页岩油能否有效产出且高产的保证。较高脆性矿物有利于压裂施工，增加人工渗流通道。阜二段中上部泥页岩储层黏土矿物含量为21%～37%，平均30.4%，下部泥页岩黏土矿物含量为23.9%～36%，平均为27.8%；黏土矿物主要以伊/蒙混层为主，平均相对含量为71.4%。Ⅲ—Ⅴ亚段脆性矿物主要以石英、长石、方解石、铁白云石为主，含量较高为70.5%～86.5%，平均76.4%，而Ⅰ—Ⅱ亚段主要以黏土、石英矿物为主，黏土矿物含量为41.1%～58.6%，平均为48.3%。脆性矿物含量越高，加砂越容易，破裂压力越低[17]，证实了脆性矿物含量高，具有良好的可压性，是页岩油高产的保证。

密集层理缝是页岩油富集的关键因素[18]。页岩油属于源内自生自储型富集模式，富集程度取决于储层孔缝的发育程度。阜二段泥页岩储层整体相对致密，层理的发育程度直接影响泥页岩孔、渗系统，层理缝为油气提供了良好的储集空间，提高了地层的渗透性，是页岩油富集的关键[19]。阜二段纹层状构造发育，主要发育层段为Ⅲ—Ⅴ亚段，成像测井显示纹层厚度为0.2～0.5 mm，Ⅴ亚段纹层密度可达45层/m(图8)。由于阜二段沉积时期为广盆沉积，该岩相在凹陷内分布范围广，横向上可对比性强。富有机质纹层状泥页岩微裂缝、层理缝和溶孔较发育(图9)，与块状泥页岩相比，储集性能更好，渗透率是后者的十倍以上，纹层面是页岩油流动的有利通道[20]。

图8 苏北盆地溱潼凹陷富有机质纹层状泥岩测井图Fig.8 Imaging log of organic-rich laminated mudstone in Qintong Sag, Subei Basin

图9 苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段不同岩相泥页岩岩心特征Fig.9 Core characteristics of shale with different lithofacies in second memberof Paleogene Funing Formation, Qintong Sag, Subei Basin

5 勘探重大突破及其意义

受国内外页岩油勘探开发成功实践的启发，为寻找资源战略接替，根据溱潼凹陷页岩油有利区带研究成果[13]，优选溱潼深凹带沙垛构造稳定区部署SD1井。该井阜二段泥岩厚390 m，TOC大于1.0%厚160 m，钻遇高气测异常段80 m(全烃大于10%)，槽面见5%～10%油花、10%～20%气泡。其中阜二段V亚段3 790～3 860 m气测全烃为4%～81%，平均28%，孔隙度为1.5%～7.2%，平均3.6%，Ro为0.9%～1.0%，S1平均为0.9mg/g，脆性矿物含量72.2%，黏土矿物中伊/蒙混层含量为50%，具有高气测、储层物性好、热演化程度适中、脆性矿物含量高的特征，优选该井段实施压裂改造。

根据阜二段泥页岩埋深大、微裂缝发育、塑性强的储层特点，SD1井采用“大规模注液、以水换油”压裂新理念，应用“大规模注液+表活剂改性驱油+超低密陶粒远端支撑”工艺，实现储层有效改造。分七段实施压裂，压裂单段长56～88 m，总加砂量为506.3 m3，总压裂液为27 886.2 m3，平均单段缝长192 m，缝高38 m，总改造体积1 021×104m3。2020年11月16日放喷试油，返排率为1.86%时开始出油，测试最高日产油50.9 t；目前返排率29.86%，套压7.16 MPa，3 mm油嘴试采，日产油22 m3，气油比67～76 m3/t，原油密度0.866 8 g/cm3，动力黏度27.53 mPa·s，含硫量0.16%～0.51%，含蜡量18.19%，凝固点33 ℃，属于中质油。天然气组分以甲烷和乙烷为主(74%)，累计产油9 042 t，预测单井最终可采储量为2.23×104t。

沙垛阜二段页岩油具有低TOC(1%)、低气油比(40～80 m3/t)、高异常压力(1.25 MPa)的特征，突破了以往陆相页岩油产量递减快、自然产能低的规律，证实了基质型页岩油藏具有较好的稳产特征。中国石化页岩油资源主要为基质型，其中苏北盆地页岩油资源量7×108t，SD1井的成功，降低了陆相页岩油评价门限标准，拓展了页岩油的发展空间，为页岩油规模勘探开发奠定了坚实的基础，对其他陆相盆地页岩油研究及勘探具有重要的借鉴意义。