渤海湾盆地博兴洼陷沙四上亚段泥页岩储层含油性与可动性评价

黄文欢，陈全腾，丁慧霞

中石化胜利油田分公司 纯梁采油厂，山东 博兴 256600

0 引言

近些年来，随着北美等地对页岩油气的成功勘探开发，中国亦针对这类非常规油气资源在松辽、鄂尔多斯、四川和济阳等东部断陷含油气盆地开展了大量的勘探和研究工作[1-6]。在页岩油气的储集特征[7-10]与评价[11-15]等方面取得重要研究进展。胜利油田在济阳坳陷的东营凹陷先后部署了牛页1、樊页1及利页1等页岩油专探井，同时通过老井复查等工作，其中有800多口探井在泥页岩层系见到了一定的油气显示，38口油井获得了工业油气流，针对泥页岩层系部署的页岩油投产井也获得了良好的产能，显示出东营凹陷具有良好的页岩油资源前景[16-17]。

近期，胜利油田重点针对东营凹陷的博兴洼陷古近系沙河街组沙四上亚段泥页岩层系进行陆相页岩油勘探，但该区沙四上亚段泥页岩层系岩性复杂，非均质性强，泥页岩储层物性、含油性与可动性等基础地质认识尚存在不足，进而导致页岩油勘探效果不理想，如F158等井的沙四上亚段泥页岩层系中虽然见到了油气显示，个别探井也有工业油流产出，但总产量不高。因此为了解决上述问题，笔者对近些年来该区部署的相关探井岩芯进行了系统采集和分析，梳理博兴洼陷沙四上亚段泥页岩层析矿物岩石组合，探讨页岩油富集主控因素和可动性，为中国陆相页岩油勘探开发提供新思路。

1 区域地质概况

东营凹陷中发育了利津、博兴、牛庄及民丰等4个次级洼陷，其中博兴洼陷是东营凹陷西南部的一个次级富油洼陷，也是当前东营凹陷页岩油勘探与开发的热点地区之一[16-17]。该洼陷西北方向紧邻青城—平方王凸起，南部靠近鲁西南隆起，勘探面积约2 000 km2。沙四上亚段泥页岩层系中的烃源岩岩性以深灰色层状-纹层状泥页岩、灰质泥岩等为主，烃源岩品质较好。此外，沙四上亚段沉积早期，湖泊存在频繁的水体波动，在沉积转换处形成的坝砂可成为该套地层中良好的储集层。

2 样品与实验方法

本次研究过程中选取的样品主要分布在博兴洼陷中北部地区的沙四上亚段地层(图1)，采集样品包括F120井、FY1井、C113井等15口页岩油相关钻井，并对其进行了系统的地球化学、岩石学等分析，其中岩石的热解地球化学参数通过法国Rock Eval 6型岩石热解仪完成，总有机碳含量(TOC)使用碳-硫分析仪完成，孔隙度与渗透率参数使用美国岩芯公司CMS-300型覆压孔-渗测定仪进行分析，储层孔隙结构的微观表征通过德国蔡司公司的Sigma300型高分辨率场发射电镜进行系统刻画。岩石及矿物组成的显微结构与含油性特征通过德国蔡司的偏光显微镜和荧光显微镜进行系统分析。

图1 东营凹陷沙四上亚段沉积相分布图及采样位置分布Fig.1 Sedimentary facies distribution map of the upper Es4 Formation in Dongying subsag showing sampling locations

3 页岩油储层的物性特征

沙四上亚段泥页岩层系样品的岩石物性实验分析结果显示，块状泥岩类孔隙度平均为3.42%，水平渗透率平均为0.038×10-3μm2；层状-纹层状灰质泥岩孔隙度平均为7.85%，水平渗透率平均为0.994×10-3μm2；层状泥质白云岩孔隙度平均为5.8%，水平渗透率平均为0.758×10-3μm2；砂岩类样品孔隙度平均为6.46%，水平渗透率平均为0.124×10-3μm2，通过对比不同岩性样品的孔隙度与渗透率结果来看，具有层状产状的泥页岩样品的孔、渗性略好于砂岩类样品，块状泥岩类样品的孔、渗性能最差。FY1井中沙四上亚段泥页岩层系中的不同岩石类型的物性特征也具有相似的特点，其层系内部含油砂岩的累积厚度约为8～10 m(单层厚度1～2 m)，占沙四上亚段总地层厚度比例大致为4%～5%，其对页岩油的整体产量的贡献可能相对较小，因此笔者重点对层状-纹层状泥页岩样品的储集空间特征进行了详细探讨。

泥页岩中的孔隙和裂缝是页岩油气资源储集的重要场所，笔者通过氩离子抛光-场发射电镜对沙四上亚段泥页岩层系岩芯样品中的6类储集空间特征进行了系统分析。层间缝主要发育在深湖-半深湖相页岩中，黏土矿物与有机质条带等成层性较好，发育较多的顺层层理与裂缝，裂缝宽度一般在几微米左右(图2a)；黏土间微孔为泥页岩基质中最为常见的孔隙类型，主要呈片状和弯片状，缝宽一般<0.1 μm，部分黏土微孔呈片状或不规则形状，缝宽一般<50 nm(图2b)；粒间孔常见于成薄片状存在的黏土矿物之间，顺层性特征十分明显，由于黏土矿物颗粒相对较大，因此矿物颗粒间的孔隙通常呈现狭长状，长度通常在5～20 μm，宽度一般不超过10 μm(图2c)；方解石、白云石晶间孔在该套泥页岩中较为常见，由于样品中存在较多的方解石和白云石，因此其整体分布较多，且形成的孔隙类型也较多，包括颗粒间孔隙和一部分溶蚀孔隙等，孔隙大小一般不超过10 μm(图2d)；黄铁矿晶间孔常见于深湖-半深湖相泥页岩中，梅球状黄铁矿晶型保存良好，晶间微孔发育，且长于有机质伴生(图2e)；有机孔在沙三下亚段—沙四上亚段泥页岩中具有一定的发育程度，但并不普遍发育，常见于层状-纹层状泥页岩中的有机质条带中，孔隙一般在10～300 nm(图2f)。由于沙四上亚段泥页岩目前主要处于生油期，有机质转化成烃类物质排出后，其内部存在一定的有机质孔隙，但孔隙数量并不是很多，此外考虑到有机质和黏土矿物吸附等因素，有机质孔隙、黏土矿物中的粒间孔隙可能并不是主要的油气储集场所，无机矿物中的粒间孔隙、晶间孔隙及微裂缝等可能是页岩油气赋存的主要储集空间。

a.F120井，3 095.08 m，沙四上亚段；b.F120井，3 183.49 m，沙四上亚段；c.F158井，3 191.59 m，沙四上亚段；d.C113井，3 183.08 m，沙四上亚段，黄色框内主要为碳酸盐矿物，其中含有一定的溶蚀孔隙；e.FY1井，3 338.10 m，沙四上亚段；f.FY1井，3 439.84 m，沙四上亚段。图2 博兴洼陷沙四上亚段典型泥页岩样品的孔隙类型Fig.2 Pore types of typical shale samples of the upper Es4 Formation in Boxing subsag

4 页岩油储层的含油性特征

通过对采集的231块沙四上亚段岩石样品进行储层含油性的显微荧光分析，发现不同类型的岩石样品中的烃类赋存方式或特征也存在一定的差异(图3)：①块状泥页岩的岩石类型包含前文所述的灰质泥岩和粉砂质泥岩等，这类样品中的烃类主要分散赋存于矿物基质中，少量层内微裂缝见到烃类的充填，此外还有部分烃类在方解石粒间孔隙和亲油矿物颗粒表面以吸附等方式赋存；②层状泥页岩的岩石类型包含前文所述的灰质泥岩和泥质灰岩等，这类样品中烃类主要在顺层发育裂缝及方解石条带中赋存；③纹层状泥页岩的岩石类型包含前文所述的含灰质泥岩和泥质灰岩等，这类样品中的烃类主要赋存于方解石颗粒等粒间孔隙之中，方解石层间裂缝也含有一定烃类；④页状泥页岩包含的岩石类型有油页岩和灰质页岩等，其中油页岩中的烃类以干酪根有机质吸附为主，其次为层间裂缝充填烃类，在含有方解石脉或透镜体样品中烃类主要赋存在粒间孔隙中。灰质页岩中的烃类主要以亲油表面矿物颗粒吸附和粒间孔隙充填为主。

a1～a2. FY1，3 437.3 m，沙四上，块状粉砂质泥岩，烃类主要为亲油矿物表面吸附；b1～b2.FY1，3 298.85 m，沙四上，层状灰质泥岩，烃类主要富集在顺层分布的钙质条带中； c1～c2.FY1，3 254.32 m，沙四上，灰褐色油页岩，含方解石脉(透镜体)，烃类除与有机质吸附外，粒间孔隙中也有发现；d1～d2.FY1，3 354.32 m，沙四上，棕褐色油页岩，含方解石脉(透镜体)，烃类除与有机质吸附外，粒间孔隙中也有发现。图3 沙三下亚段与沙四上亚段典型样品的显微含油荧光特征Fig.3 Microscopic oil-bearing fluorescence characteristics of typical samples from the lower Es3 and the upper Es4 Formation

以取芯段440 m长，层位覆盖沙三下亚段与沙四上亚段的FY1井为例(图4)，烃源岩有机质丰度整体在2%以上(1%～8.83%，平均为2.48%)，有机质类型较为接近，基本以Ⅰ1～Ⅱ1型为主。游离烃含量S1(每克岩石)相对较高(1.17～8.7 mg，平均为3.23 mg)，属于较为优质的烃源岩。自上而下烃源岩热演化程度不断升高，镜质体反射率(Ro)由0.53%升高至0.93%，埋藏深度越大氢指数降低越明显，有机质向烃类的转化越多，成烃转化率，即S1/(S1+S2)，由15%±升高至34%±。埋藏深度由3 050 m至3 430 m的过程中，氢指数IH(HC/TOC)由480 mg/g降低至200 mg/g，这反映出该段泥页岩层系可能经历了较为明显的生烃作用。值得注意的是，氢指数(HC/TOC)自上至下降低了将近280 mg/g，粗略的计算来看，每克有机碳至少生成了280 mg的烃类， 但烃指数(S1/TOC)基本上保持在100 mg/g±，二者相差的180 mg烃类很有可能已经排出泥页岩体系进入与其临近的非源岩层系中聚集，其余的将近100 mg的烃类则赋存在泥页岩层系的储集空间之中。通过沙四上亚段不同类型样品进行统计分析后发现，块状灰质泥岩S1(每克岩石)约为1.4～2 mg，层状-纹层状灰质泥页岩的S1(每克岩石)一般高于2 mg，砂岩类样品的S1(每克岩石)平均为22 mg。从地球化学特征来看，除砂岩类样品外，层状-纹层状灰质泥页岩类样品的含油性整体相对较好。

通过沙四上亚段典型样品的储层特征及含油性分析工作，基本明确了博兴洼陷沙四上亚段泥页岩层系中不同岩性具有一定的储集性能，其中除砂岩、粉砂岩等非源岩夹层外，层状-纹层状灰质泥页岩具有良好的含油性特征。但也需要注意的是，泥页岩层系中已经生成的油气资源经历了生排烃作用后，会在源岩和储层岩石中见到一定的含油现象，但只有其中的流体具有良好的可动性，才会对页岩油气这类资源的有效开发具有现实意义，因此笔者在下文中对典型页岩油专探井的原油可动性进行了系统分析和讨论。

图4 FY1单井热解地球化学剖面Fig.4 Pyrolysis geochemical profiles of Well FY1

5 页岩油储层中原油可动性分析

近些年来，国外学者对北美页岩油气已经取得良好勘探开发的Bakken，Eagle Ford，Marcellus和Montney等4套地层的泥页岩层系样品的原油可动性进行了分析，并使用烃指数(OSI，即S1/TOC)作为评价泥页岩层系油气资源可动性的定量指标，并指出图5中页岩油含油量较高并且获得良好开发效果的北美泥页岩层系样品的OSI普遍大于100 mg/g，具有一定油气显示的样品普遍高于75 mg/g[18-21]。

将FY1井沙四上亚段泥页岩、砂岩、粉砂岩或泥质粉砂岩样品的OSI大多都高于100 mg/g，普遍分布在101.07～307.01 mg/g之间，平均136.85 mg/g。但沙四上亚段的砂岩并不是所有样品的OSI都高于100 mg/g，这些砂岩本身的有机碳含量非常低，如果其中进入了少量的游离烃(S1)就会导致较高的OSI值，因此评价其含油性或可动性不能简单的使用OSI来作为单一的衡量指标，黄振凯等[20-21]建议使用游离烃含量(S1)与OSI相结合的方法来评价页岩油的可动性。图5中S1(每克岩石)含量高于2 mg的沙四上亚段砂岩样品恰恰是该井在3 210 m±进行现场试油时初次钻遇具有良好油气显示的层段，而低于2 mg的砂岩样品则主要是该井的含油较少或不含油的砂岩段。因此根据FY1井的不同类型岩石样品的地球化学参数及勘探实践效果，笔者建议以S1(每克岩石)为2 mg，OSI高于100 mg/g作为评价其可动性的标准。如果以上面两个参数作为页岩油可动性的判别标准，图5中除砂岩样品外，S1(每克岩石)>2 mg且OSI>100 mg/g多数为前文所述的具有良好含油性的层状-纹层状泥页岩。也就是说在沙四上亚段泥页岩层系中，层状-纹层状泥页岩及非源岩的夹层应该是页岩油可动性最好的岩性类型(脆性矿物含量高，可压性好；游离烃含量相对较高，含油性和可动性好)，因此针对页岩油的勘探应重点关注上述岩性类型。

图5 博兴洼陷典型泥页岩层系样品热解S1与TOC关系图Fig.5 Relationship between pyrolysis S1 and TOC of typical shale samples in Boxing subsag

对于页岩油的可动性评价另外的重要参数就是原油密度与黏度，通过原油密度与原油日常量的关系图来看，二者接近于负相关，即原油密度越高，原油日常量越低(图6a)。但由于目前生产井中的原油密度数据较少，因此笔者建立了原油密度与黏度的关系图，并发现二者呈现明显的正相关关系，即原油密度越高，黏度也同样越高(图6b)。较高的原油黏度也使得流体可动性大幅下降，这也使得单井的原油日常量与原油黏度呈现明显的负相关关系(图6c)，这也从另外一个角度验证了，较低的原油密度使得原油可动性较好，对应的单井原油日常量较高这一认识。

从博兴洼陷沙四上亚段泥页岩层系中的原油密度分布特征来看，洼陷西北部分区域的原油密度较低，约为0.82～0.84 g/cm3；洼陷中东部分区域原油密度中等，约为0.84～0.88 g/cm3；洼陷南部区域原油密度较高，约为0.88～0.9 g/cm3。从图7原油密度分布特征来看，洼陷中原油可动性存在较为明显的差异，其中以西北部分区域最好，中东部分区域次之，南部区域较差。

综上所述，如针对该区的沙四上亚段泥页岩层系中页岩油的高效勘探开发，建议优先关注洼陷西北部分地区沙四上亚段的层状-纹层状泥页岩及非源岩的夹层，其次为中东部分地区。南部地区因其原油密度较高，可动性相对较差，建议通过对原油进行降黏等工程措施后再进行开发。

6 结论

(1)层状泥页岩样品和砂岩类样品具有较好的物性特征，块状泥岩类样品的孔、渗性能最差。考虑到有机质和黏土矿物吸附等因素对油气的束缚，无机矿物中发育的粒间孔隙、晶间孔隙及微裂缝等可能是页岩油气赋存的主要储集空间。

图6 原油密度、原油黏度与原油日常量之间的关系Fig.6 Relationship among crude oil density, crude oil viscosity and daily crude oil production

图7 博兴洼陷沙四上亚段原油密度等值线图Fig.7 Contour map of crude oil density in the upper Es4 Formation in Boxing subsag

(2)综合有机岩石学、地球化学分析结果发现，沙四上亚段泥页岩层系中多数砂岩、粉砂岩等非源岩夹层和层状-纹层状灰质泥页岩含油饱和度大多分布在101.07～307.01 mg/g之间，平均为136.85 mg/g，表明上述岩性具有良好的含油性特征。

(3)通过对页岩油专探井的系统地球化学分析，建议以S1(每克岩石)为2 mg，OSI高于100 mg/g作为评价沙四上亚段页岩油可动性的标准，通过结合原油密度等参数，笔者建议在页岩油勘探开发过程中，研究区内西北地区的层状-纹层状泥页岩及非源岩夹层可以作为首选目标。