北美典型混合页岩油系统特征及其启示

李志明，芮晓庆，黎茂稳，曹婷婷，徐二社，陶国亮，蒋启贵

1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214151 2.中国石化油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126



北美典型混合页岩油系统特征及其启示

李志明1，2，芮晓庆1，2，黎茂稳1，2，曹婷婷1，2，徐二社1，2，陶国亮1，2，蒋启贵1，2

1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214151 2.中国石化油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126

北美Williston 盆地Bakken组属典型的混合页岩油系统。笔者系统剖析了Bakken组混合页岩油系统富有机质层段和贫有机质层段的地质与地球化学、物性与裂缝发育以及页岩油特征，揭示了页岩油“甜点”主要受高含轻质油的富有机质成熟页岩、异常压力、微裂缝以及贫有机质层的白云石化作用共同控制，同时由于贫有机质层具有相对高的孔隙度、渗透率以及低的吸附量，因此可认为其是混合型页岩油系统中的主要产层。这对目前我国东部陆相页岩油勘探效果不佳的因素分析具有重要启示。把页岩油勘探目标层仅仅聚焦于富有机质泥页岩层段是勘探效果欠佳的主观因素；而富有机质泥页岩层段天然微裂缝发育局限、滞留油主要赋存在有机质中、热演化程度偏低使滞留油较重以及湖相Ⅰ型烃源岩生成的油含蜡量高等因素，是导致可采的页岩油量十分有限的客观因素。为此，针对我国东部湖盆页岩油的勘探，建议：加强成熟富有机质层系中贫有机质碳酸盐岩或粉砂、细砂岩薄夹层的精细评价与勘探；加强成熟富有机质泥页岩层段裂缝型页岩油的评价与勘探。

混合页岩油系统；Bakken组；Williston盆地；页岩油勘探；中国东部；北美；页岩油

0 前言

页岩气的成功开发使尝试从富有机质页岩(泥岩)或与之共生的贫有机质岩相生产石油的工作得以重新恢复，加上石油的经济价值大于天然气，促使原来以页岩气为主营业务的公司纷纷调整战略，转向页岩油的勘探开发,这是美国2008年以来油气勘探开发的战略转移。页岩油是指从富有机质页岩(泥岩)或与之密切共生的贫有机质岩相如碳酸盐岩、粉砂岩或砂岩薄层内可采出的石油。根据页岩油产层的岩性组合和裂缝发育特征等，页岩油系统可划分为3个类型，即致密型富有机质泥岩系统(如Barnett组)、裂缝型富有机质泥岩系统(如Monterey组)及具有相邻、连续富有机质和贫有机质层的混合(hybrid)系统(如Bakken组)[1]。目前的勘探结果表明，裂缝型与混合型页岩油系统具有高的页岩油生产能力，而致密型页岩油系统因超低渗透率以及有机质、黏土对石油的吸附滞留效应，难以获得高的页岩油产量[1]。裂缝型泥页岩油藏的勘探开发在我国诸多盆地如渤海湾盆地沾化凹陷早已开展并进行了系统的研究[2-4]，而北美Williston盆地Bakken组是页岩油开发率先取得成功的层位[1，5-6]。故本文重点系统解剖北美Williston盆地Bakken组典型混合型页岩油系统的特征，旨在启发思考当前我国页岩油勘探中存在的问题，为我国页岩油下步勘探提供借鉴与新思路。

1 北美Williston盆地地质构造背景与油气产出

Williston盆地是一个大型近圆形克拉通内坳陷，沿加拿大地盾西南边缘发育于北美克拉通之上。沉积物沉积始于寒武纪期间，但盆地主要沉降和充填作用始于奥陶纪期间。盆地面积约77万 km2，跨越美国北达科塔、南达科塔、蒙大拿和加拿大马尼托巴、萨克斯其万省[7](图1)。

据文献[7]修编。图1 Williston 盆地位置、主要背斜和穹窿及Bakken组油田分布简图Fig.1 Sketch showing locations of Williston basin and the main anticlines, domes and oilfields in Bakken Formation

盆地内保存的地层记录跨越500 Ma，包含的沉积岩由寒武系至新近系，在盆地中心显生宙沉积岩最大厚度4 850 m[8]。盆地沉积作用以周期性的海侵和海退为特征，从而盆地内重复沉积了碳酸盐岩和碎屑岩；古生代地层以碳酸盐岩为主，而中、新生代地层主要由碎屑岩组成[9]。沉积地层可以划分成6个主要以不整合为界的层序，即中寒武世至早奥陶世Sauk层序、中奥陶世至晚志留世Tippecanoe层序、中泥盆世至晚密西西比世Kaskaskia层序、早宾夕法尼亚世至早侏罗世Absaroka层序、中侏罗世至古新世Zuni层序以及古新世后Tejas层序[10]。因盆地几乎发育完整的地层剖面、由盆地中心向盆缘大多数地层单元变薄以及断裂和其他构造特征通常仅具有小的位移或运动，一般被视为是一个构造简单的盆地[7]，盆地沉降主要受挠曲作用而不是断层作用控制[11]。不过，详细的研究揭示，更加复杂的构造史主要由下伏形变的基底岩石和对盆内断层、构造线、断块运动、沉积模式、盐溶解作用、流体运动、热史具有控制作用的两条主要边界构造断裂系统引起[12-13]。因此，这些构造要素的每一个均对油气的生成、运移和分布起着重要作用。

Williston盆地油气分布与构造关系密切，盆地内主要构造如Nesson、Cedar Creek、Little Knife、Billings和Antelope背斜以及Poplar穹窿均为油气生产区，并且大多数构造在Bakken组生产油气。南北走向的Nesson背斜和北西走向Cedar Creek背斜是盆地最显著的构造，这些构造地表就有显示，并在多个地层单元中已产出大量油气。美国地质调查局在Williston盆地确定了10个总油气系统(total petroleum system,TPS)[7]。其中，Bakken组至Logdepole组总油气系统为典型的混合型页岩油系统，并且Bakken组页岩油既产自裂缝页岩(如Bicentennial田)，也产自与富有机质页岩并置的贫有机质层如中段白云质砂岩和Three Forks组碳酸盐岩(如Elm Coulee, Sanish和Parshall油田)(图1)[1]。

2 Bakken组混合页岩油系统特征

2.1 地层地质、地球化学特征

Bakken组混合页岩油系统由Bakken组(包括下段、中段和上段)和上覆Lodgepole组下段以及下伏Three Forks组上段组成[7，14](图2)。其中，Bakken组下段和上段为该页岩油系统的生油岩，整个Bakken组、Lodgepole组下段和Three Forks组上段构成基本连续的储集层[15]。

据文献[7，14]修编。图2 Williston盆地Bakken组混合型页岩油系统简图Fig.2 Sketch of hybrid shale-oil system in Bakken Formation of Williston basin

在Williston盆地，晚泥盆世--早密西西比世Bakken组最大厚度约49 m，虽仅占盆地沉积地层最大总厚度的1%，但其是世界级的烃源岩和储集岩。根据美国地质调查局的命名原则，Bakken组由3个非正式的层段组成：下部页岩段、中部砂岩(白云岩)段和上部页岩段。向北、向南和向东部沿盆地边缘因沉积超覆和(或)剥蚀逐渐变薄，每个层段依据地球物理测井尤其是伽马和电阻率测井极易区分[7]。图3显示了Parshall 油田1-05H-N&D井Bakken组3个层段的岩性与地球化学柱状图。Bakken组混合页岩油系统地层地质与地球化学等主要特征见表1。

IOS=100S1/TOC,为油饱和指数；IH=100S2/TOC,为氢指数。据文献[1]修编。图3 Williston 盆地Parshall 油田1-05H-N&D井Bakken组地球化学柱状图Fig.3 Sketch of 1-05H-N&D well geochemical log of Bakken Formation in Parshall field, Williston basin

Bakken组下段：下段为一套细层纹状深灰色、淡棕黑色至黑色富有机质页岩，其成熟度参数----等效镜质体反射率Roe(据Tmax)主要为0.50%～1.18%[7，9，16]，在盆地较深处，成熟的页岩总有机碳质量分数(w(TOC))平均为8.00%，最大值为20.00%，有机组分几乎全为海藻，在整个层段有机组分呈不连续无定形微纹层(<0.1 mm)分布[17]；Parshall 油田1-05H-N&D井揭示下部页岩段w(TOC)为8.87%～24.70%，平均为15.17%(图3)[1]。该段厚度在盆地内平均厚度3 m，在North Dakota Nesson背斜东侧的盆地沉积中心最大厚度20 m[18-19]，在Parshall油田1-05H-N&D井该段约为5 m(图3)[1]，在Elm Coulee油田平均厚度仅为0.42 m[20-21]。

Bakken组中段：中段岩性变化显著，由浅灰色、灰色至深灰色互层粉砂岩、砂岩及少量富粉砂、砂和鲕粒的页岩、白云岩和灰岩组成[9]。不同研究者将中段划分成5～7个岩相[5，21]，如在Elm Coulee油田，中段包含5个浅海粉砂质-白云质砂岩岩相(2个富腕足动物相、2个生物扰动相和1个层状相)[21]；Parshall 油田1-05H-N&D井揭示中段主要为一套白云质粉砂岩、砂岩和少量砂质白云岩，整个层段白云石体积分数为21%～70%，平均体积分数为38%；同时，整个中段油高饱和，油饱和指数普遍高于400 mg/g(图3)，绝对油体积分数平均约为0.007 47(m3油/m3岩石)[1]。中段各岩相单元在North Dakota盆地中心最厚，向其北部、南部和东部边缘减薄至0，该段总厚度平均13 m，最大厚度30 m[16]；在Parshall 油田1-05H-N&D井该段厚度约12 m(图3)[1]。

Bakken组上段：上段岩性与下段页岩相似，由深灰色、淡棕黑色至黑色片状钙质富有机质页岩组成，Roe(据Tmax)主要为0.40%～1.07%[7，9，16]，页岩由石英、正长石、白云石、伊利石和黄铁矿构成，比下段具有更高的有机质丰度，w(TOC)平均为10.00%，最大值为35.00%[16]；Parshall 油田1-05H-N&D井揭示上段w(TOC)为5.36%～21.40%，平均为14.30%(图3)[1]。该页岩段在盆地内平均厚度为2 m，在North Dakota 最大厚度达到9 m，在Saskatchewan最大厚度达到4 m，在Manitoba的Waskada地区最大厚度达18 m[9]；在Parshall油田1-05H-N&D井该段厚度约5 m(图3)[1]；在Elm Coulee油田平均厚度仅2.2 m[20-21]。

Three Forks组上段：Three Forks组上段由下至上可以细分成3个主要岩相：块状至波纹状、不规则层状至角砾状粉砂质白云岩；粉砂质白云岩与绿色泥岩互层；生物扰动的粉砂质、砂质白云岩和砂岩。3个岩相代表一个完整的海侵层序，由潮间/潮上带沉积至潮下带沉积。Three Forks组上段总厚度约12 m，其中顶部生物扰动的粉砂质、砂质白云岩和砂岩厚度约1.5 m[22-23]。

Lodgepole组下段:如图2所示，Lodgepole组以灰岩为主，总厚度约33.5 m，其下部为一套厚度约3 m海百合灰岩[24]。

2.2 物性与裂缝发育特征

Bakken组下段和上段富有机质页岩段孔隙度均很低(表1)。下段1个页岩样品的孔隙度为1.30%，上段9个页岩样品的孔隙度为0.60%～5.00%，平均为1.80%[21]；Almanza[25]的研究结果揭示下段页岩孔隙度平均为3.10%，上段页岩孔隙度平均为1.70%。Bakken组下段和上段平均渗透率为0.001 nD[26]。

图4a为整个Williston盆地Bakken组中段白云质砂岩和粉砂岩岩心孔隙度与渗透率关系图，图4b则为Williston盆地Elm Coulee页岩油田区Bakken组中段白云质砂岩和粉砂岩岩心孔隙度与渗透率关系图。Bakken组中段白云质砂岩与粉砂岩岩心孔隙度总体较低，主要为1.00%～10.00%，平均约5.00%；渗透率很低，主要为0.01～1.00 mD，平均0.04 mD(图4a)。在Elm Coulee页岩油田区Bakken组中段白云质砂岩与粉砂岩岩心孔隙度主要为4.00%～9.00%，平均约6.40%，主要孔隙类型为晶间孔隙、溶蚀孔隙与粒间孔隙，其中晶间孔隙和溶蚀孔隙分别由白云石化作用与后期溶蚀作用形成；渗透率则主要为0.001～0.100 mD，平均0.070 mD[21](图4b)。另外，研究表明:埋深小于3 000 m的Bakken组中段，其白云质砂岩与粉砂岩岩心孔隙度位于一个相对窄的范围(5.00%～7.00%)，埋深大于3 000 m的Bakken组中段，其白云质砂岩与粉砂岩岩心孔隙度呈现稍宽的范围(3.00%～6.00%)；而渗透率则在任何深度范围内变化范围显著，岩心研究表明，中段渗透率大于0.01 mD的岩心，通常含有未被充填的天然裂缝[9]。

Three Forks组上段同样具有低的孔隙度和渗透率，一般孔隙度低于8.00%，渗透率小于0.10 mD[24]。

另外，由图4可见，在相同孔隙度情况下，岩石的渗透率值可相差上百至上千倍，这显然与岩石的裂缝发育程度有关。实际上，岩心研究揭示，Bakken组中段渗透率大于0.01 mD的储集岩，一般含有开放的天然裂缝。在Bakken组，尤其在下部页岩段和中部砂岩段，存在多级宏观与微观裂缝。在中段砂岩和粉砂岩中，裂缝主要呈与层理近平行的不连续、开放状态，孔径宽度一般大于30 μm，沿一些水平裂缝存在沥青质。这些裂缝的一个重要特征是形成高密度裂缝网络，具有高残留油饱和度(图5)，而在低残留油或无残留油的岩石中，通常不存在这样的裂缝。在下部页岩段，裂缝主要呈开放的层理面或开放的发状垂向形态，在硅质页岩中普遍发育不规则和块状或平滑和贝壳状裂缝，这些裂缝或多或少地被方解石或黄铁矿充填[9]。

表1 Bakken组混合页岩油系统地层地质、地球化学与物性特征

Table 1 Characteristics of strata geology, geochemistry and physical properties of hybrid shale-oil system of Bakken Formation

地层主要岩性厚度/mw(TOC)/%Roe/%孔隙度/%渗透率资料来源Lodgepole组下段致密灰岩33平均0.5nD文献[24]Bakken组上段深灰色、淡棕黑色至黑色片状钙质页岩0～18主要为5.36～35.000.40～1.07平均1.80或1.70平均0.001nD文献[1,7,9,16,20-21,25-26]Bakken组中段浅灰色、灰色至深灰色互层白云质粉砂岩、砂岩及砂质白云岩0～30一般小于1.00主要为1.00～10.00主要为0.01～1.00mD文献[1,7,9,16-21]Bakken组下段层纹状深灰色、淡棕黑色至黑色页岩0～20主要为3.00～24.700.50～1.18平均3.10平均0.001nD文献[1,5,9,16,21,25-26]ThreeForks组上段粉砂质白云岩、绿色泥岩、砂质白云岩和砂岩12一般小于8.00主要为0.01～1.00mD文献[22-24]

注：达西(D)为非法定计量单位，1 D=0.987 μm2。下同。

a.据文献[9]修编；b.据文献[21]修编。图4 Bakken组中段白云质砂岩和粉砂岩岩心孔隙度与渗透率图Fig.4 Plot of core porosity vs. permeability in dolomitic sandstones and siltstones in the middle of Bakken Formation

图5 North Dakota地区NDGS 8902井Bakken组中段3 186 m白云质砂岩切片显示网状裂缝[9]Fig.5 Slabbed dolomitic sandstone at well NDGS 8 902,3186 m, in North Dakota[9] displaying reticulated fracture network on wet surface in the middle of Bakken Formation

Sonnenberg等[27]对Williston盆地North Dakota地区Bakken组中部层段微裂缝研究指出，微裂缝主要平行于层面(即水平微裂缝)，裂缝宽度2～25 μm，长6 μm至几十厘米，在研究样品中约95%的水平裂缝出现在富黏土矿物层段；在盆地的一些地区，如Parshall油田，也存在垂向裂缝密集带。

Coskey和Leonard[28]提出，原始高有机碳的未成熟Bakken组页岩在某种程度上以干酪根支撑，当干酪根成熟至生油水平，其变成挠性而失去强度，随着转化为液态烃，体积增大，而局部发育高压单元，压力增加导致形成微裂缝，然后油由干酪根经微裂缝排出，导致页岩收缩，在生油窗内随成熟度增大而密度增高。Bakken组中段开放水平裂缝的分布和发育程度与源岩的厚度、成熟度水平(Roe≥0.50%)、生烃程度等有关;同时也与储集层内部相变有关，如果相邻的烃源岩未熟(Roe<0.50%)具有很低甚至无生成油的潜力，那么中段的砂岩与粉砂岩实际上无水平裂缝显示。在烃源岩开始生烃的区域，中段内水平裂缝发育程度向上、下页岩段增大，在邻近生烃作用强烈的成熟--过成熟烃源岩区，中段油饱和的储集层中出现异常发育的裂缝网络(图5)[9]。

2.3 页岩油特征

北美地区高产页岩油区海相页岩稳定、分布范围大、热演化程度较高、干酪根类型以Ⅱ型为主，生成的油质较轻、黏度低、可动性好；Bakken组混合型页岩油系统的油也是如此。据Bohrer 等[29]的研究，Williston 盆地中部页岩油高产区Bakken组油藏的温度大于150 ℃，普遍为168～171 ℃，北达科塔州Bakken组页岩油大多数都为密度小0.82 g/cm3的轻质原油[30]。据Williston 盆地Parshall 油田Bakken组上段页岩抽提物、中段夹层抽提物以及中段夹层生产的原油色谱分析结果对比(图6)[31]可见，Bakken组上段页岩抽提物的色谱分析结果与中段夹层生产的原油色谱分析结果极其相近，均以轻烃部分为主。这一方面反映了油质较轻、烃源岩热演化成熟较高，处于成熟晚期-高成熟阶段；另一方面反映了页岩因致密和渗透性极低及有机质的高吸附效应，其轻烃部分损失很小，基本保留了生成油的组分特征。而Bakken组中段夹层抽提物的色谱分析则显示，中段白云质砂岩与粉砂岩层仅滞留了很少量的轻质油，低于C15的烃大多数已经损失，仅滞留了一些相对重些的烃类组分；说明在Williston 盆地Bakken组混合型页岩油系统中，真正可动用油(可有效采出的油)主要为碳数低于15的轻烃部分。

据文献[31]修编。图6 Williston盆地Parshall 油田Bakken组混合页岩油系统油色谱图Fig.6 Fingerprints of oils from hybrid shale-oil system of Bakken Formation in Parshall field, Williston basin

3 页岩油“甜点”主要控制因素

北美Williston盆地Bakken组混合页岩油系统中存在两种类型的页岩油“甜点”，即裂缝型富有机质成熟页岩段和与成熟富有机质页岩层相邻的贫有机质层段。两种类型的页岩油“甜点”均受高含轻质油富有机质成熟页岩、异常压力及微裂缝控制，同时与成熟富有机质页岩层相邻的贫有机质层段也受后期成岩作用的改造制约。

3.1 高含轻质油富有机质成熟页岩

泥页岩富有机质是形成页岩油的物质基础，也是泥页岩层系热演化过程中形成异常高压并发育微裂缝的前提条件。Bakken组下段和上段页岩虽厚度不大，但有机质丰度异常高(图3)。页岩油主要形成于有机质演化液态烃生成阶段(0.50≤Ro<1.30%)，在富有机质页岩持续生油阶段，石油在页岩储集层中滞留聚集，只有在页岩储集层自身饱和后才外溢[33]。目前，Bakken组页岩油高产区均处于富有机质页岩成熟区，油质较轻，并且富有机质页岩本身的油饱和指数在100 mg/g左右，当大于100 mg/g 以上时就具有页岩油生产潜力[1]，孔隙空间油饱和度高达0.80以上[29]。

3.2 异常压力

Bakken组混合页岩油系统油藏分析发现，页岩油高产地区几乎均位于超压区。异常压力的成因与生烃作用有关，富有机质页岩压实埋藏热演化过程中，由于上覆Lodgepole组为一套致密灰岩并且本身富有机质，具有良好的封盖能力，导致Bakken组上、下富有机质层段生成的烃类大量滞留在富有机质页岩及与其并置的贫有机质夹层中,从而形成异常高压[16，24，32]，压力系数达1.35～1.58[33]。

3.3 微裂缝

数据据文献[21]。图7 Williston盆地Elm Coulee油田Bakken组中段白云石体积分数与孔隙度、含油饱和度关系图Fig.7 Diagrams showing the relationship of the content of dolomites with porosity and oil saturation in the middle Bakken Formation in Elm Coulee field, Williston basin

Bakken组混合页岩油系统的勘探开发表明，具有工业产能的页岩油主要产自Bakken组中段的贫有机质且微裂缝发育的砂岩或碳酸盐岩夹层中以及微裂缝发育的富有机质Bakken组下段和上段[1，9，27-33]；而微裂缝不发育的层段尤其上、下页岩段则因超低渗透能力和有机质对石油吸附的滞留作用，可采的石油量很小[1]。最近，英国皇家学会院士Steve Larter等[34]撰文指出，烃源岩中滞留油主要赋存在干酪根中，而赋存在干酪根中的滞留油其运移方式主要靠扩散作用而不是经典的达西渗流作用。因此，人工压裂作用对烃源岩中赋存在干酪根内的滞留油的生产能力影响也很小。这意味着裂缝不发育的富有机质泥页岩目前难以实现页岩油的有效开发。

3.4 贫有机质层的成岩作用改造

Bakken组混合页岩油系统的一个重要特点是系统内发育与富有机质层相邻的贫有机质层。尽管Bakken组混合页岩油系统的部分页岩油产自微裂缝发育的页岩段，但最佳页岩油产层则是与富有机质页岩层并置的贫有机质层段，尤其是Bakken组中段白云质砂岩与粉砂岩，其油饱和指数普遍高达400 mg/g(图3)。据美国地质调查局2010年估算，可采石油主要位于具有较高基质孔隙度、微裂缝发育的Bakken组中部白云质砂岩(白云岩)层段[21]。Bakken组中段白云质砂岩与粉砂岩富含页岩油，这得益于成岩作用的改造作用。对Elm Coulee油田Bakken组中段的成岩作用研究表明，如果没有经历多种成岩作用的改造，尤其原始灰质砂岩与粉砂岩的早期白云岩化作用以及微裂缝作用，使其增加次生孔隙和渗透率，Elm Coulee不可能产油并成为Williston盆地最大的油田[21]。由图7可见，在Williston盆地Elm Coulee油田,随着Bakken组中段白云石体积分数的增高(即白云岩化作用的增强)，其孔隙度和孔隙含油饱和度均显著增大。显然，后期成岩改造是混合页岩油系统中贫有机质层段页岩油富集的重要控制因素。

4 对我国东部湖相页岩油勘探的启示

随着国外尤其北美地区页岩油勘探的成功，国内各大石油公司也开始了页岩油勘探的探索，通过老井复查复试和页岩油水平井分段压裂实践，已在东部断陷湖盆页岩油领域取得了突破。如中国石化2011年在泌阳凹陷安深1井核三3页岩段大型压裂日产油4.68 m3，实现了中国陆相页岩油勘探的突破[35]；2012年泌页HF-1井水平井分段压裂最高日产油23.6 m3，成功实现了国内第一口页岩油水平井的分段压裂[36]；在济阳坳陷沾化凹陷，针对沙三下--沙四上部署实施了多口页岩油水平井，渤页平1井在第二段压裂后初期日产油8.22 m3，渤页平2井共完成5段分段压裂，其中，第5段压裂深度3 125.94～3 244.96 m，进行了2次压裂，压后分别日产油1.5 m3和2.3 m3[37]。尽管如此，这些页岩油勘探井日产油量均衰减很快，难以形成具有经济效益的产量，故目前我国东部断陷湖盆页岩油的勘探总体效果是不理想的。

表2为东部湖相盆地页岩油勘探目标层与北美Williston Bakken组目标层地质特征对比表，显然对比结果对揭示东部湖盆页岩油的勘探总体效果不佳的原因具有重要启示。首先，受页岩气勘探思路的影响，目前我国东部湖盆页岩油勘探目标层重点也聚焦于富有机质泥页岩层段，而富有机质层段相对贫有机质的碳酸盐岩或砂岩夹层具有更低的基质孔隙度与渗透率；其次，有机质对滞留油具有相对高的吸附或互溶效应，这必然导致富有机质层段虽高含油，但难以有效动用，除非微裂缝异常发育并饱和油。因此，把页岩油勘探目标层聚焦于富有机质泥页岩层段，是我国东部湖盆页岩油勘探效果欠佳的主观因素。

另外，东部湖盆页岩油勘探效果不佳尚与客观因素有关。第一，目前进行页岩油勘探的沾化凹陷沙三下和泌阳凹陷核三段富有机质泥页岩层段，其微裂缝发育程度一般有限，仅局部发育；如泌阳凹陷泌页HF-1井核三段纹层-层状白云质页岩、泥岩段相对发育层理缝(图8a)，局部发育构造缝，并且层理缝与构造缝均含油，而块状白云质泥岩段仅局部发育构造微裂缝(图8b--d)。第二，沾化凹陷沙三下和泌阳凹陷核三段富有机质泥页岩层段尽管具有很强的非均质性，但其内部含油的贫有机质的碳酸盐岩或粉砂岩夹层很薄，一般小于5 cm(图8e、f)。第三，在相同热演化阶段，湖相Ⅰ型烃源岩较海相Ⅱ型烃源岩生成的油重、油气比小、黏度大。当前东部页岩油的勘探深度小于3 500 m，而该埋藏深度内沾化凹陷沙三下和泌阳凹陷核三段富有机质泥页岩层段热演化程度偏低，一般Ro<1.00%导致生成的油较重，可动性差(表2)。第四，由于湖相烃源岩有机质类型以Ⅰ型为主，较海相Ⅱ型有机质为主烃源岩生成的油含蜡量高，导致油的可流动性更低。

为此，针对我国东部湖盆页岩油的勘探，建议目前加强如下两个方面的研究：

1)加强成熟富有机质层系内贫有机质碳酸盐岩或粉砂、细砂岩薄夹层的精细评价与页岩油勘探。充分利用钻井、测井、录井等资料，精细评价我国东部湖相盆地成熟富有机质层系中贫有机质碳酸盐岩或粉砂、细砂岩薄夹层的发育、分布特征、压力场特征及微裂缝发育情况和含油性特征，为贫有机质层的页岩油勘探提供有利层段与目标区。

2)对于成熟富有机质泥页岩层段，应重点开展微裂缝发育情况、压力场特征及油饱和指数评价，圈定裂缝发育、处于异常高压并且油饱和指数高于100 mg/g的深度段以及分布范围，为泥页岩裂缝型页岩油勘探提供有利层段与目标区。

表2 东部湖相盆地页岩油勘探目标层与北美Williston Bakken组目标层地质特征对比

Table 2 Comparative table showing geological characteristics of shale oil exploring target section in lacustrine face basins of Eastern China and in Williston Bakken, North America

页岩油勘探目标层地质特征Williston盆地沾化凹陷泌阳凹陷地层时代晚泥盆世早密西西比世沙三下核三段沉积环境深水陆棚浅海沉积相深湖浅湖沉积相深湖浅湖沉积相岩性组合贫有机质白云质砂岩、粉砂岩或微裂缝异常发育的富有机质页岩段富有机质纹层状、层状或块状泥质灰岩与灰质泥岩夹很薄(一般小于1cm)的微晶灰岩富有机质纹层状、层状或块状白云质或灰质页岩、泥岩夹薄层(一般小于5cm)粉砂岩、白云岩基质孔隙度/%1.00～16.000.60～6.100.80～2.20基质渗透率/mD0.01～1.000.08～0.00060.02～0.0009微裂缝发育情况异常发育一般发育有限,局部发育一般发育有限,局部发育压力系数1.35～1.581.20～1.600.95～1.05页岩油密度/(g/cm3)0.80～0.820.91～0.930.86

a.含油层理缝异常发育；b.富有机质页岩与贫有机质白云岩互层产出，并被构造微裂缝穿切，层理缝、构造微裂缝以及白云岩薄夹层含油；c.低角度含油构造微裂缝；d.高角度含油构造微裂缝；e、f.含油粉砂岩薄夹层。图8 泌阳凹陷泌页HF-1井核三段层理缝、构造微裂缝以及粉砂岩、白云岩薄夹层普遍含油Fig.8 Photos showing oil-bearing thin interlayer of siltstone, dolostone of Eh3 with fedding cnacks and microfractures, well Biye HF-1 in Biyang depression

5 结论

1)北美Williston 盆地Bakken组混合页岩油系统由Bakken组(包括下段、中段和上段)和上覆Lodgepole组下段以及下伏Three Forks组上段组成。其中，Bakken组下段和上段为该页岩油系统的生油岩，整个Bakken组、Lodgepole组下段和Three Forks组上段构成基本连续的储集层。

2)Bakken组混合页岩油系统存在裂缝型富有机质成熟页岩段、与成熟富有机质页岩层相邻的贫有机质层段两种类型的页岩油“甜点”。两种类型的“甜点”均受高含轻质油富有机质成熟页岩、异常压力及微裂缝控制，同时贫有机质层段也受后期成岩作用改造制约。贫有机质层段具有相对高的孔隙度、渗透率及低的吸附量，其是混合型页岩油系统中的主要产层。

3)把页岩油勘探目标层聚焦于富有机质泥页岩层段，是我国东部湖盆页岩油勘探效果欠佳的主观因素；而富有机质泥页岩层段天然微裂缝发育局限，滞留油主要赋存在有机质中，热演化程度偏低使滞留油较重及湖相Ⅰ型烃源岩生成的油含蜡量高等因素，是导致可采的页岩油量十分有限的客观因素。

4)建议加强成熟富有机质层系内贫有机质碳酸盐岩或粉砂、细砂岩薄夹层的精细评价与勘探，加强成熟富有机质泥页岩层段裂缝型页岩油的评价与勘探。

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Characteristics of Typical Hybrid Shale-Oil System in North America and Its Implications

Li Zhiming1，2, Rui Xiaoqing1，2, Li Maowen1，2, Cao Tingting1，2,Xu Ershe1，2, Tao Guoliang1，2， Jiang Qigui1，2

1.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,RIPEP,SINOPEC,Wuxi214151,Jiangsu,China2.KeyLaboratoryofPetroleumAccumulationMechanisms,SINOPEC,Wuxi214126,Jiangsu,China

The Bakken Formation of Williston basin in North America is a typical hybrid shale-oil system. The characteristics of geology and geochemistry, porosity and permeability, micro-fracture development, and shale oil for organic-rich shales and juxtaposed organic-lean intervals, are systematically analyzed in this paper. The results show that the shale oil sweet point is mainly controlled by the mature shale, which is rich in organic matter and high content of light oils, abnormal pressure, well-developed micro-fractures, and dolomitization in organic-lean intervals all together. Meanwhile, organic-lean intervals are the main shale oil productive layer in hybrid shale oil system due to its relative high porosity, permeability, and low adsorptive capacity. This has an important implication for discovering the causes that the continental shale oil exploring results are not desirable in Eastern China. The subjective factor is that only organic rich shale and mudstone are taken as shale oil exploration targets; while the objective factors are that the development of natural micro-fracture is limited in organic-rich shale and mudstone but the organic-lean intervals, and the retained oil is mainly existed in organic matter with high wax generated from lacustrine source rocks relative to marine source rocks; the maturity of organic-rich shale and mudstone is not high enough to generate lighter oil. Therefore, we suggest to enhance a fine evaluation and an exploration of organic-lean carbonate or silt and fine sandstone with thin intervals in mature organic-rich shale system; and mature organic-rich shale with open fractures is proposed for shale oil exploring in lacustrine face basins of Eastern China.

hybrid shale-oil system；Bakken Formation；Williston basin；shale oil exploring；Eastern China；North America; shale oil

10.13278/j.cnki.jjuese.201504110.

2014-11-25

国家“973”计划项目(2014CB239101)；中国石油化工股份有限公司科技开发部项目(P12012)

李志明(1968--)，男，高级工程师，主要从事油气地球化学研究与石油地质综合评价，E-mail:lizm.syky@sinopec.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504110

P618.12

A

李志明，芮晓庆，黎茂稳，等.北美典型混合页岩油系统特征及其启示.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(4):1060-1072.

Li Zhiming, Rui Xiaoqing, Li Maowen,et al.Characteristics of Typical Hybrid Shale-Oil System in North American and Its Implications.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):1060-1072.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504110.