苏北盆地陆相“断块型”页岩油地质特征及勘探实践

方志雄，肖秋生，张殿伟，段宏亮

（1.中国石化 江苏油田分公司，江苏 扬州 225009；2.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 102206）

页岩油是继页岩气之后又一新的资源接替领域［1-4］，目前已在北美Permian 盆地和Williston 盆地等取得巨大成功［5-6］。与北美前陆盆地、克拉通盆地沉积并稳定保存的海相页岩层系不同［6-8］，中国页岩油主要分布于东部断陷盆地陆相页岩层系中，这些页岩普遍形成于盆地演化伸展断陷期［9-10］，页岩纵、横向非均质性强［11］；后期普遍遭受断层切割、错断，形成若干独立的断块，具有断块宽度窄、面积小、现今应力场复杂的特征［12-14］。目前已经取得突破的渤海湾盆地沧东凹陷古近系孔（孔店组）二段页岩水平两向应力差可达21.0～25.4 MPa［15］，苏北盆地高邮凹陷古近系阜（阜宁组）二段页岩水平两向应力差平均为12.5 MPa，渤海湾盆地沾化凹陷古近系沙河街组三段下亚段页岩水平两向应力差较小，为7.8～7.9 MPa［16］；较大的水平两向应力差限制了水平井的布井方位，影响了储层压裂改造效果［17］，页岩油勘探开发难度大，能否获得稳定的商业油流是勘探开发面临的首要问题。笔者针对苏北盆地阜二段断层发育、断块面积小、地应力条件复杂等现状，在阜二段页岩地质特征分析和综合评价的基础上，结合有利页岩层厚度和断层断距之间的配置关系，提出了“断块型”页岩油的勘探思路，并划分出了3 种典型的“断块型”页岩油勘探类型，对其分别进行了勘探实践和分析，优选了有利的勘探目标类型，以期为中国陆相页岩油勘探提供参考。

1 地质背景

苏北盆地是中国东部陆相断陷盆地群的重要组成部分［18-19］，是晚白垩世发育起来的陆相中-新生代沉积盆地。盆地北以嘉山-响水断裂与鲁苏隆起为界，西以郯庐断裂带与张八岭隆起为界，南邻苏南隆起，东与南黄海盆地相接（图1a），面积约3.5×104km2。盆地经历了断-拗、断陷和拗陷等3 个演化阶段，对应沉积了泰州组-阜宁组（K2t-E1f）、戴南组-三垛组（E2d-E2s）、盐城组（Ny）等3套地层［20-22］（图1d）。受构造演化和沉积体系控制，晚白垩世—古新世拗陷期盆内广泛发育了泰二段（K2t2）、阜二段（E1f2）和阜四段（E1f4）3套半深湖-深湖相暗色泥页岩层系，其中E1f2页岩厚度大、分布范围广，生油条件有利，热演化程度适中，是页岩油勘探的首选层位［23-26］。

图1 高邮凹陷阜二段断裂体系及地层综合柱状图Fig.1 Fault system in the Fu 2 Member in the Gaoyou Sag and the composite stratigraphic column for the Subei Basin

阜二段沉积后，盆地经历了吴堡、真武、三垛、盐城等多期构造运动，形成了NEE 向和近EW 向两组不同规模、不同性质的断裂系统［27-28］（表1；图1b，图1c），其中吴堡期断层和长期活动断层将连续稳定分布的阜二段页岩切割、错断。以高邮凹陷北斜坡为例，这些不同级别断层相互切割、围限，形成一系列NEE 走向断块，断块以条带状为主，部分为楔状和不规则多边形状；长度多介于4.0～16.0 km，平均为8.0 km；宽度介于0.5～4.0 km，平均为1.5 km；面积介于2～32 km2，普遍小于20 km2。

表1 高邮凹陷断块及其边界断层要素统计Table 1 Parameter statistics for fault blocks and their boundary faults in the Gaoyou Sag

2 “断块型”页岩油基础地质特征

高邮凹陷阜二段整体为一套深湖-半深湖相泥页岩，厚250～350 m，纵向上非均质性强。依据岩性和电性等特征，可细分为5 个亚段（图2）。其中，Ⅰ亚段—Ⅲ亚段厚度均在30～40 m；Ⅳ亚段和Ⅴ亚段厚度分别介于90～100 m和100～110 m，根据岩性、电性特征又分别被细分为8个和10个小层。

图2 高邮凹陷阜二段综合柱状图Fig.2 Composite stratigraphic column of the Fu 2 Member，Gaoyou Sag

2.1 泥页岩特征

高邮凹陷阜二段整体以暗色泥页岩为主，纵向非均质性强。其中Ⅰ亚段和Ⅱ亚段为层-块状结构，见少量生物碎屑。Ⅲ—Ⅴ亚段以层-纹层状结构为主，纹层以极细粒粉砂质纹层、泥质纹层及灰云质纹层为主，局部发育白云石条带和顺层方解石脉，单个纹层厚度在0.3～1.5 mm，白云石条带厚度一般在5～15 cm；纹层状页岩厚度累计占比小于40 %。

阜二段岩石矿物组分以石英、长石、方解石、白云石和黏土矿物为主。其中，长英质矿物含量在30 %～60 %，碳酸盐矿物含量在15 %～55 %，黏土矿物含量在15 %～45 %（图2），具有明显的混积页岩特征，且以长英质-泥质混积页岩和长英质-灰云质混积页岩为主（图3）。

图3 高邮凹陷阜二段页岩岩石矿物组分三端元图解Fig.3 Ternary diagram of mineral compositions in shales of the Fu 2 Member，Gaoyou Sag

2.2 生烃特征

高邮凹陷阜二段暗色泥页岩有机质丰度中等，总有机碳含量（TOC）介于0.72 %～3.65 %，平均为1.62 %；游离烃含量（S1）介于0.65～5.12 mg/g，平均为2.23 mg/g。纵向上各亚段页岩品质存在差异，自下而上具有有机质丰度由低变高（图2）、有机质类型由Ⅲ型向Ⅰ型过渡的趋势。其中，Ⅴ亚段有机质类型多为Ⅱ型和Ⅲ型，Ⅰ—Ⅳ亚段有机质类型以Ⅰ和Ⅱ1型为主。阜二段各亚段含油饱和度指数（OSI，OSI=S1/TOC）普遍高于100 mg/g，可动性较好［29-30］，其中Ⅳ-3—Ⅳ-7 小层和Ⅴ-6—Ⅴ-8 小层可动性最好，OSI最高可达412 mg/g。

平面上，高邮凹陷阜二段页岩镜质体反射率（Ro）在0.4 %～1.1 %，其中埋深大于2 900 m 的中坡带-内坡带页岩Ro介于0.7 %～1.1 %，有机质热演化程度适中，是页岩油勘探有利区（图1b）。

2.3 储集特征

高邮凹陷阜二段页岩物性差异较大（图2），其中Ⅱ亚段和Ⅲ亚段孔隙度一般大于3.0 %，最高为5.56 %；Ⅳ亚段和Ⅴ亚段各小层平均孔隙度均大于4.0 %，最高可达6.29 %，储集物性相对较好。页岩发育构造裂缝、层理缝和微孔隙等多种类型储集空间，其中天然裂缝发育，既发育宏观大-中尺度裂缝，又有丰富的微-小裂缝。岩心普遍见高角度剪切缝，裂缝切穿白云石条带和顺层方解石脉，形成缝洞，并与层理缝、顺层方解石脉等构成复杂的裂缝网络，普遍含油（图4a，b），是页岩油的主要储集空间。此外，长英质粒间孔、白云石粒（内）间（溶）孔、黏土矿物晶间孔和有机质孔等是主要的孔隙类型（图4c—h）。纵向上，Ⅳ亚段—Ⅴ亚段纹层、白云石条带和顺层方解石脉发育程度高，储集性能更好。

图4 高邮凹陷阜二段富有机质页岩主要储集空间类型显微照片Fig.4 Micrographs showing the primary storage space types of organic-rich shales in the Fu 2 Member，Gaoyou Sag

除Ⅰ亚段、Ⅳ-6 小层和Ⅳ-7 小层外，其余小层脆性矿物含量均高于60 %（图2），在纵向上具有较好脆性；但岩石力学实验结果表明，阜二段页岩水平两向应力差为12.5 MPa，应力差异系数为0.19，造复杂缝难度较大。

2.4 综合评价

基于页岩生油性、含油性、可动性、储集性和可压性等关键参数（表2），对比可知阜二段Ⅴ亚段—Ⅲ亚段各小层孔隙度和脆性矿物含量相差不大，将TOC小于1 %或OSI小于100 的小层均评价为Ⅲ类，TOC大于1 %且OSI大于100 的小层评价为Ⅰ类，其余的评价为Ⅱ类；Ⅱ亚段孔隙度略低，评价为Ⅱ类；Ⅰ亚段各项指标参数均较低，评价为Ⅲ类。综合评价结果显示：高邮凹陷阜二段发育3 套有利层（综合评价为一类和二类储层），分别位于Ⅱ-Ⅲ亚段、Ⅳ-2—Ⅳ-7小层和Ⅴ-4—Ⅴ-9 小层（图2；表2）。其中Ⅱ-Ⅲ亚段有利层厚约65 m，页岩生油性、含油性和可动性较好；Ⅳ-2—Ⅳ-7有利层厚约72 m，总体具有较好的生油性和含油性，储集性和可动性好；Ⅴ-4—Ⅴ-9 有利层厚约65 m，生油性中等偏低，但含油性、储集性、可动性和可压性较好。3 套有利层厚度大，具备“多层楼”立体勘探开发的条件；Ⅳ亚段有利层和Ⅴ亚段有利层之间发育厚约39 m的隔层。

表2 高邮凹陷阜二段各页岩层段关键参数Table 2 Key parameters of the shale intervals in the Fu 2 Member，Gaoyou Sag

3 “断块型”页岩油类型与特征

与北美海相连续稳定分布的页岩不同，苏北盆地阜二段页岩受同沉积正断层和后期正断层切割，形成了一系列NEE 走向的分割断块，断块短轴方向与水平最小主应力方向一致，长度多小于2 km；断块内页岩层水平主应力差较大，水平两向应力差异系数平均为0.19。为确保水平井压裂改造效果，其轨迹方向应平行于断块短轴方向；但受断块短轴长度影响，水平井在同一断块内穿行距离有限，从而会影响页岩油单井产能。

基于上述地质现状，结合区内阜二段发育多套厚层有利层和发育不同级别断层的地质特点，提出水平井在同一断块内或跨断块、在同一有利层或多个有利层长距离穿行的“断块型”页岩油勘探思路。与北美大面积连续稳定分布的页岩油对比，“断块型”页岩油具有如下典型特征：①发育多套有利层，后期被不同级别断层切割、错断成独立断块，沿断块长轴方向可成排进行水平井部署；②断层断距小于页岩层厚度，断层两侧有利层对置；③水平井在同一断块内或跨断层在同一有利层或多个有利层可实现长距离穿行；④通过相对长的水平段钻井和大型体积压裂改造，能够获得稳定商业油流。

根据断块短轴长度、断层断距与有利层厚度配置关系，将“断块型”页岩油划分为“连续稳定”型、“微断层切割”型和“跨断块多甜点”型等3种类型（图5）。

3.1 “连续稳定”型页岩油

“连续稳定”型页岩油是指当断块面积大，断块内部不发育断层，地层横向分布连续稳定，水平井能够在同一断块、同一有利层内稳定穿行1 000 m以上（图5）。高邮凹陷该类断块边界断层断距一般小于200 m，小于阜二段泥页岩层系的厚度，断层的封闭性较好，有利于页岩油的保存，是最有利的勘探目标类型。

3.2 “微断层切割”型页岩油

“微断层切割”型页岩油与“连续稳定”型页岩油基本相似，不同之处在于断块与页岩层系内部发育一条或多条地震能识别的微断层，错断但未错开有利层，水平井穿过断层可在同一有利层内穿行1 000 m 以上（图5）。高邮凹陷上述微断层发育在页岩层内，平面上延伸距离较短，且呈现为互相孤立的形态；纵向上断距一般小于40 m，小于有利层厚度。

3.3 “跨断块多甜点”型页岩油

“跨断块多甜点”型页岩油是指水平井跨断块在不同有利层内长距离穿行的勘探目标（图5）。在高邮凹陷，当阜二段断块分割断层断距介于12～151 m 时，可跨断层在Ⅲ+Ⅳ亚段有利层穿行；当断距介于39～178 m 时，可在Ⅳ+Ⅴ亚段有利层穿行；当断距在125～255 m时，可在Ⅲ+Ⅴ亚段有利层穿行。

4 “断块型”页岩油勘探实践

近年来，江苏油田针对“断块型”页岩油勘探难点问题，通过加强断层精细描述与水平井轨迹设计技术、随钻地质导向技术、优快钻完井技术和体积压裂改造技术攻关与试验，能够精细识别和刻画20 m 级小断层，确保水平井跨断层有利层钻遇率、优快钻完井和压裂改造效果。在高邮凹陷花庄地区阜二段针对“连续稳定”型、“微断层切割”型和“跨断块多甜点”型页岩油分别开展勘探实践，均获得稳定的商业油流。

4.1 “连续稳定”型勘探效果

针对“连续稳定”型页岩油勘探目标类型，在高邮凹陷花庄地区部署实施了H2CHF 井（图6，图7a），靶窗为IV-3—IV-7有利层。

图6 高邮凹陷花庄地区阜二段Ⅴ亚段顶面构造（构造位置见图1b）Fig.6 Structural map showing the top of the submember V of the Fu 2 Member in the Huazhuang area，Gaoyou Sag（see Fig.1b for the structural location）

图7 高邮凹陷典型钻井轨迹示意图Fig.7 Schematic diagrams showing the trajectories of typical wells in the Gaoyou Sag

H2CHF井所在断块为两条近EW 向展布的断层夹持的长条形断块，断块宽1 500～1 700 m，目的层倾向SE，埋深3 350～3 750 m。断块南、北边界断层均为四级断层，纵向上均断穿E1f，向上延伸至E2s；北部边界断层断距为120 m，南部边界断层断距为45 m（图7a）。该井井口至井底水平位移1 309 m，水平段未钻遇断层，有利层钻遇率100 %。分20 段进行大型体积压裂改造后，于2022年5月底放喷试采，日产油由20 t逐步上升到30～40 t，目前3.5 mm 油嘴控压生产，日产油超50 t。该井压裂过程平稳，返排生产过程中压力平稳，证实断块边界断层封闭性较好，“连续稳定”型页岩油是有利的勘探目标。

4.2 “微断层切割”型勘探效果

针对该类页岩油，在高邮凹陷花庄地区部署实施HY1HF井（图6，图7b），靶窗为Ⅴ-4—Ⅴ-8有利层。

HY1HF 井所在断块面积较大，宽度在2 400～2 500 m。北部边界断层（FN）倾向SSE，断距50 m；南部边界断层（FS）倾向NW，断距大于2 000 m，为控凹边界断层。断块内部发育5条微断层（F1—F5）（图7b；表3），其中A 靶前钻遇断层1 条，断距20 m；B 靶处钻遇断层1 条，断距25 m；A，B 靶间水平段钻遇断层2条（F3，F4），断距分别为14 m和19 m。该井跨断层在V-4—V-8有利层穿行1 278 m，靶窗钻遇率95 %。分22 段进行大型体积压裂改造后，于2022 年2 月初放喷试采，3.5 mm油嘴日产油29.7 t；目前3 mm 油嘴控压生产，日产油稳定在20 t以上；示踪剂检测结果显示，各压裂段对产油均有贡献。该井钻进过程中在微断层附近未见钻具放空、井涌、井漏及气测异常等现象；压裂过程中通过在断层两侧采取15～20 m 避射距离等措施，断层两侧压裂施工曲线反映压裂裂缝未沟通断层；返排生产过程中压力平稳，未见明显套变，断层两侧液量无明显异常，反映有利层内低序级微断层封闭性较好，对钻井、压裂和产液影响不明显，“微断层切割”型也是较为有利的勘探目标。

表3 苏北盆地HY1HF井钻遇断层要素统计Table 3 Parameter statistics of faults encountered in drilling well HY1HF in the Subei Basin

4.3 “跨断块多甜点”型勘探效果

针对该类型部署实施HY3HF 井和HY4-2HF 井（图6，图7c，图7d），其中HY3HF 井水平段跨断层分别穿行于Ⅳ-3—Ⅳ-7有利层和Ⅴ-5—Ⅴ-9有利层。

HY3HF 井跨花页1 和花页1 北两个断块，断块间分割断层（FD）倾向SSW，断距58 m。该井在花页1 断块于Ⅳ-3—Ⅳ-7有利层穿行1 521 m，后于B靶点穿过断层（FD）进入花页1 北断块Ⅴ-5 小层，其后在Ⅴ-5—Ⅴ-10有利层穿行310 m（图7c），有利层钻遇率100 %。分32 段进行大型体积压裂改造后，于2022 年7 月中旬放喷试采，最高日产油26.1 t；示踪剂分析表明，断层前、后各压裂段均有产油贡献，得到有效动用。该井钻进过程中在断块间分割断层（FD）附近未见钻具放空、井涌、井漏及气测异常等现象；压裂过程中通过采取合理的避射距离，以及暂堵转向等工艺，并未发生滤失等异常现象，有效降低了中等尺度断层对页岩油勘探开发的影响。

上述实践表明，3 种“断块型”页岩油勘探目标类型均可获得稳定的商业油流。其中，“连续稳定”型和“微断层切割”型是首要的勘探目标；“跨断块多甜点”型目标通过加强断层精细描述与水平井轨迹设计技术，并采用合理的分段分簇优化及暂堵和转向压裂工艺，能够确保有利层钻遇率，有效降低断层对水平井压裂改造影响，是较有利勘探目标。

5 结论

1）苏北盆地高邮凹陷阜二段页岩具有厚度大、有机质丰度中等、热演化程度适中、可动性可压性较好等特点。阜二段页岩后期被断层切割、错断形成宽度窄、面积小的断块，断块内页岩水平最小主应力方向与断块短轴方向一致，且水平两向应力差较大；水平井在同一断块内穿行距离有限。

2）根据苏北盆地阜二段页岩地质特点，提出水平井在同一断块内或跨断块在同一有利层或多个有利层长距离穿行的“断块型”页岩油勘探思路。依据断层断距和阜二段有利层厚度的配置关系，划分出“连续稳定”型、“微断层切割”型和“跨断块多甜点”型3种典型“断块型”页岩油类型。勘探实践证实，“连续稳定”型和“微断层切割”型是页岩油勘探首要目标类型，采用适应的工程、工艺技术，可确保有利层钻遇率和压裂改造效果，形成稳定商业油流。

3）断层对页岩油富集及开发影响的定量评价（包括断层附近套变、套损风险评估），以及中高水平应力差条件下沿断块长轴方向布井的可行性和相关技术是“断块型”页岩油下步攻关的主要方向。