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全篇约5428字，6图，阅读需要6分钟 一、研究背景与研究历程 页岩油是重要的油气战略接替资源。其效益开发不仅改变了北美能源的供需格局，也是今后一段时期我国油气资源开发的现实目标。与北美海相页岩油不同，中国湖相陆源碎屑形成的富有机质页岩油气富集类型十分多样，广泛分布在我国东部和西部陆相湖盆中。 页岩（Shale rock）是指由粒径小于0.0625 mm的碎屑颗粒、黏土和有机质等组成，具有页状和薄片状层理，易碎裂的细粒沉积岩（图1）。最早从“油页岩”生产出的石油被称作“页岩油”（Shale oil）。在国家标准《页岩油地质评价方法》（GB/T 38718—2020）中，“页岩油”指富有机质页岩层系烃源岩内的粉砂岩、细砂岩、碳酸盐岩单层厚度不大于5m，累计厚度占页岩层系总厚度比例小于30%，无自然产能或低于工业石油产量下限，需采用特殊工艺技术措施才能获得工业石油产量。  图1 富有机质页岩纹层与高频旋回变化 a：微米级别的富有机质页岩纹层十分发育；b：白云质泥岩与泥质白云岩高频互层 美国页岩油经历了三个阶段近60余年的勘探开发。到2018年，美国页岩油的年产量达到了3.361亿吨，占年产石油总产量的64.7%，成功实现了商业性开采。国内也可分为三个阶段。第一阶段是学习借鉴阶段（2003—2008年）。2003年，我国学者开始密切关注美国页岩油气勘探开发进展。第二阶段是概念提出与探索发现阶段（2009—2013年）。中国石油在2010年勘探年会上正式提出“致密油”概念，同年吐哈油田哈18井日产3.58 吨/天。第三阶段是工业化试验与生产阶段（2014年至今）。2014年，发现新安边致密油田，束探1H、2X、3井等获工业油流；2020年3月《页岩油地质评价方法》国家标准正式颁布，标志国内陆相页岩油开发正式拉开了序幕。 二、陆相页岩油资源量分布和类型 我国陆相页岩油资源十分丰富，其中占比约60%的页岩油地质资源量分布在松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地中（图2），分别为54.6×108t、27.4×108t、60.5×108t和25.1×108t，资源总量167.6×108t，目前均已不同程度地获得了页岩油流，是今后陆相页岩油开发的核心地区（杨智等, 2019）（图3）。  图2 中国陆相页岩油分布区（据焦方正等, 2020; 姜在兴等,2021修改）  图3 不同盆地页岩油的典型特征（据张金川等, 2020修改） 陆相页岩油可按不同方案进行分类。按有机质成熟度演化阶段分：①油页岩类，镜质体反射率（Ro）值小于0.5%时的赋存窗口；②中-低成熟度页岩油类，Ro值在0.5%~1.0%为其赋存的窗口；③中-高成熟度页岩油类，Ro值为1.0%~1.6%是其赋存的窗口；④页岩气类，Ro值大于1.6%时的主要赋存区（赵文智等, 2020）。据页岩层系内的源储结构类型差异，可划分为源储分离型、源储共存型和纯页岩型。源储分离型：页岩层系源储间互分布，泥厚砂薄、源岩储集层呈分离状且纵向距离较远；源储共存型：页岩层系发育生油层系和储油层系岩石，源储互层频繁且纵向距离较近；纯页岩型：页岩包含生储双重属性（胡素云等, 2020）。根据生产开发条件及经济效益，参考页岩油赋存空间，可划分为夹层型、混积型、页岩型和裂缝型（图4）。夹层型储集层是厚层泥页岩夹粉细砂岩、碳酸盐岩、凝灰岩或者其他岩性；混积型储集层是多因素综合作用形成的混积型页岩层系；页岩型储集层以纯页岩为主，其包含生储双重属性；裂缝型，伴随局部断层发育或构造坡折带的影响，裂缝十分发育区（焦方正等, 2020; 张金川等, 2012）。 三、陆相页岩油若干关键问题研究进展 页岩油在细粒岩分类及沉积模式、源储岩石微观特征、富集机制、“七性特征”和工业化开采技术等方面取得了进展。 1. 细粒岩分类及沉积模式 页岩属细粒沉积岩的一种，细粒沉积岩成分包括：①碎屑成因组分类，以陆源碎屑矿物（石英、长石、云母等）和黏土矿物（高岭石、伊利石、绿泥石等）为主；②化学成因组分类，包括铁氧化物、铝氧化物、锰氧化物等构成的硫酸盐、碳酸盐和卤化物等；③生物成因组分类，包括了硅质和钙质生物微粒；④有机质成因类。因细粒沉积岩成分复杂，产出形式多样，目前未取得统一方案（姜在兴等, 2013）。 在南Oklahoma的Woodford海相页岩露头区，依据Soft lithofacies与Hard lithofacies的矿物岩石的厚度比例，建立了3种岩相组合模式（Galvis et al., 2020）。在国内陆相页岩发育区，学者们依据有机质和黏土矿物含量，划分了高有机质薄片状页岩相、中有机质块状泥岩相、中有机质纹层状页岩相、低有机质纹层状页岩相和低有机质夹层砂岩相等5类；在鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组长37亚段，根据纹层的矿物组成和厚度，确定了富凝灰质纹层、富有机质纹层、粉砂级长英质纹层和黏土纹层等4类；在柴达木盆地英西地区始新统下干柴沟组上段，依据成因及储集性能，提出了混积颗粒岩相、块状灰云岩相、斑块状含膏—膏质灰云岩相、纹层状云灰岩相和构造角砾状灰云岩相等5种；在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组，依据混积岩不同组分的含量，把岩石类型划分为4大类18小类。 湖相细粒物质沉积动力学研究还比较薄弱，细粒沉积模式的研究处于探索阶段。有学者认为，湖相细粒物质的发育与水体中碳酸盐补给速率与溶解速率的相对平衡有关，通过有机质和矿物的含量可反映水深以及盐度、温度、压力、pH值等湖泊条件的变化。国外学者初步建立了水体分层、海侵、门槛、洋流上涌等4种海相富有机质页岩沉积模式。国内学者基于有机质和矿物含量、岩相组合特征，已开展了陆源、内源、火山源与混合源等不同来源的陆相细粒搬运-沉积机制和多源沉积模式研究（姜在兴等, 2022）。 2. 源储岩石微观特征 采用岩石薄片鉴定、扫描电镜、核磁共振、XRD、XRF、自动矿物参数定量系统（AMICS）、高分辨率激光拉曼光谱仪（HRLRS）、显微红外光谱仪（MFS）、岩石CT扫描和矿物成分扫描（QEMSCAN）等现代先进的分析技术，学者们开展了不同类型页岩油源储岩石微观特征研究。 富碎屑岩型细粒页岩。此类以松辽盆地白垩系青山口组一段页岩层系为典型。TOC值为0.5%~5%，有效孔隙度为3.4%~8.4%，发育无机孔和有机孔，基质储集物性较差。以孔—缝二元孔隙结构为主。 富碳酸盐岩型细粒页岩。此类以准噶尔盆地二叠系芦草沟组页岩层系为典型。TOC值多小于3.5%，以Ⅱ型干酪根为主，Ro值为0.6%~1.1%。发育白云质溶孔、晶间孔、微裂缝和缝合线等。孔隙度为6%~14%，空气渗透率多小于0.1×10-3μm2，含油饱和度为80%~90%，脆性矿物含量为85%以上，常压—弱超压为主，原油密度平均为0.88~0.92 g/cm3，地层条件下原油流动性较差。 其他混积型细粒页岩。此类以鄂尔多斯盆地长73亚段页岩层系分布区为典型。干酪根以Ⅰ~Ⅱ1型为主，TOC 值为8%~16%，Ro值为0.9%~1.2%。储集层孔喉尺度小，孔隙半径主要为2~8μm，喉道半径集中在20~150 nm，数量众多的微米级孔隙和纳米级喉道呈多尺度分布特征。 3. 富集机制 学者们提出了不同的页岩油区富集模式和源储结构模式。其中岩相组合对不同区块页岩油富集（甜点）模式及控制机制明显，例如页理型、纹层型、缝—孔耦合富集模式，“富有机质与粉砂级长英质组合”和“富有机质与富凝灰质”纹层组合构成的生运聚模式等，在我国西部盆地“下源上储、上源下储、源储一体、三明治和薄互层”5种源储配置关系，不同配置关系甜点特征具有明显差异性。物质来源与沉积成因对陆相细粒沉积岩的油气富集具有控制作用。 4. 七性特征 与常规油藏岩性、物性、电性和含油性等“四性关系”相比，页岩油藏中增加了烃源岩特性、脆性和地应力各向异性构成了“七性关系”。研究发现，自然电位、自然伽马和三孔隙度曲线对页岩油储层岩性识别均存在较大难度。页岩中相对粗粒岩性与物性关系明确，细粒岩性与物性关系则不确定，但是细粒岩性与烃源岩关系密切。岩性决定岩石的脆性和地应力各向异性。在烃源岩排烃压力一定时，孔喉半径较大的储层，含油饱和度相对较高。物性与脆性也具有一定关系。常规九条电性曲线与岩性、物性、含油气性对应关系十分隐蔽，需基于岩相的精细分析才能揭示其相关关系。 5. 工业化开采技术 依靠水平井体积压裂技术，陆相中—高成熟度页岩油已实现效益开发，而对中—低成熟度页岩油，业已开展了地下原位加热转化技术先导试验（邹才能等, 2020）。 四、陆相页岩油开发地质面临的关键问题 与常规油藏开发不同，页岩油的勘探开发的阶段性逐步模糊化，对时效性和经济性要求更高。从近5年芦草沟组页岩油生产来看（表1），地质因素的影响占主导地位。对渗透性砂岩夹层型甜点的开发来说，储层非均质性研究依然十分重要。因此，亟待加强页岩油储层超高频基准面旋回对比模式、半深湖—深湖相低级次构型单元成因及分布模式、复杂混积岩矿物成分岩性分类解释、储层参数解释、源岩与储集层的配比关系、甜点综合分类评价及地质工程一体化等方面研究。 表1 页岩油产能的影响因素
建立页岩油细粒沉积岩超高频基准面旋回模式。目前学者们已经意识到其微尺度的韵律性，然而如何建立泥页岩层内甜点小层（小点层）识别标志、湖平面频繁升降下的超高频基准面旋回模式、敏感特殊矿物元素地质内涵及组合模式，并以此为依据开展小点层对比是储层非均质性研究的框架，是页岩油勘探需要迫切解决的问题之一。以准噶尔盆地东部吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组地下和露头对比为例，约40m的地层可以细分为15个2-3m的岩相组合旋回（图5a），还可以进一步细分为56个次级岩相单元（图5b）和无数个纹层级高频旋回（图1）。  图4 陆相页岩油分类及源储组合样式（据张金川等, 2020; 焦方正等, 2020修改） a：夹层型；b：混积型；c：页岩型；d：裂缝富集型  图5 半深湖-深湖相泥页岩高频基准面旋回对比 a：地下工区典型井测井曲线特征；b：西大龙口二叠系芦草沟组野外露头剖面  图6 陆相富白云质细粒混积页岩岩相分布及储层质量差异 a：白云质粉砂岩厚度等值线图；b：砂质白云岩厚度等值线图；c：石英粉砂岩厚度等值线图；d：长石岩屑砂岩厚度等值线图；e：相控核磁孔隙度分布图；f：相控核磁饱和度度分布图； 建立半深湖-深湖相低级次构型单元成因及分布模式。目前学者们已经对含油气富砂体系开展了较为深入的沉积构型研究，然而，半深湖-深湖贫砂沉积体系的相模式与层次关系还未建立。页岩岩性变化体现在豪米尺度矿物成分的差异，现场采用了X射线荧光与衍射的定量方法来随钻判识岩性，是推动细粒沉积学向定量化发展的关键。半深湖-深湖沉积体是相对静水条件下沉积物缓慢沉积，与物理、化学、生物的事件性沉积等多重机制耦合作用的产物，其形成机理十分复杂。确立其内部构型单元成因机制及其定性定量模式至今仍十分困难。另外，相关研究也亟需拓展页岩储层精细表征与空间分布技术体系（印森林等, 2021）。 进一步加强相控储层质量差异性研究。因目前开发对象是页岩层系内部的长英质和碳酸盐岩质砂岩等粗粒类型，开发现场实践研究发现，岩相对中—高成熟度的页岩油储层质量非均质性控制依然十分明显（图6）。页岩油储层质量的内涵得以拓展，其参数的准确解释显得尤为重要。受页岩孔隙结构致密且类型复杂，导致流体流动不畅，引起井筒与地层流体的信息交换不充分，常规测井遭遇挑战。代表岩性的Lithoscanner、物性核磁测井和介电常数等新三组合测井得到应用。 深化地质工程一体化及甜点综合快速评价。研究发现，页岩油大面积连续分布，但资源丰度却很低，寻找“甜点”成为页岩油研究的重点。甜点层均是空间分布并不稳定的大套页岩夹渗透性薄砂质（或含砂）类，水平井体积压裂井轨迹的控制是关键。最大程度追求水平段优质甜点钻遇率是获高产的关键。这需要地质与工程的紧密配合，体现在研究人员的配合、研究过程的互动和工程与地质甜点的互补性认识上。 通过对陆相页岩油研究进展及开发地质问题的探讨，期待尽快建立一套具有特色的陆相页岩油理论体系，为我国陆相页岩油的高效开发动用提供地质依据与指导。 本文相关成果以“陆相页岩油研究进展及开发地质面临的问题（Advances in Continental Shale Oil Research and Problems of Reservoir Geology）”为题，2021年9月13日在线发表于《沉积学报》，本文第一作者印森林为长江大学录井技术与工程研究院副教授、博士；通讯作者程乐利为长江大学录井技术与工程研究院讲师、博士。本文属作者认识，相关问题交流可以通过邮箱yinxiang_love@126.com与作者联系。如对文章内容感兴趣，可进一步阅读原文https://www./doi/10.14027/j.issn.1000-0550.2021.109   主要参考文献 【1】赵文智，胡素云，侯连华，等. 中国陆相页岩油类型、资源潜力及与致密油的边界[J]. 石油勘探与开发，2020，47（1）：1-10. 【2】杨智，邹才能. “进源找油”：源岩油气内涵与前景[J]. 石油勘探与开发，2019，46（1）：173-184. 【3】焦方正，邹才能，杨智. 陆相源内石油聚集地质理论认识及勘探开发实践[J]. 石油勘探与开发，2020，47（6）：1067-1078. 【4】Galvis H, Becerra D, Slatt R. Lithofacies and stratigraphy of a complete Woodford Shale outcrop section in South Central Oklahoma: Geologic considerations for the evaluation of unconventional shale reservoirs[J]. Interpretation, 2017, 6(1): SC15-SC27. 【5】张金川，林腊梅，李玉喜，等. 页岩油分类与评价[J]. 地学前缘，2012，19（5）：322-331. 【6】邹才能，潘松圻，荆振华，等. 页岩油气革命及影响[J]. 石油学报，2020，41（1）：1-12. 【7】胡素云，赵文智，侯连华，等. 中国陆相页岩油发展潜力与技术对策[J]. 石油勘探与开发，2020，47（4）：819-828. 【8】姜在兴，梁超，吴靖，等. 含油气细粒沉积岩研究的几个问题[J]. 石油学报，2013，34（6）：1031-1039. 【9】姜在兴，王运增，王力，等. 陆相细粒沉积岩物质来源、搬运−沉积机制及多源油气甜点[J].石油与天然气地质，2022，43（5）：1039−1048. 【10】印森林，高阳，胡张明，等. 基于无人机倾斜摄影的露头多点地质统计模拟：——以山西吕梁坪头乡石盒子组为例[J]. 石油学报，2021，42（2）：198-216. 【11】印森林,谢建勇,程乐利,等.陆相页岩油研究进展及开发地质面临的问题[J].沉积学报,2022,40(04):979-995.DOI:10.14027/j.issn.1000-0550.2021.109. ·END· 石油e栈，石油人之家 |
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