陆相页岩油成藏地质条件及富集高产主控因素——以泌阳凹陷为例

王优先

（中国石化河南油田分公司石油勘探开发研究院，河南 郑州450000）

0 引言

以四川盆地为代表，目前国内海、陆相页岩气勘探开发已取得了重大突破，并建立了页岩气开采先导示范区。国内页岩油勘探也在东部断陷、坳陷盆地开展了大量地质评价与勘探选区工作，并实钻了一批页岩油资料井、专探井和水平井，但仅取得勘探早期的突破，尚未获得商业规模发现［1-3］。

本文以中国率先取得页岩油勘探早期突破的泌阳凹陷古近系核桃园组陆相页岩为例，在对页岩油地质条件和勘探成果研究的基础上，分析总结了陆相页岩油富集高产条件，初步建立了陆相页岩油有利区评价标准，对我国陆相页岩油勘探开发具有积极的推动作用。

1 研究区页岩油地质条件

泌阳凹陷是燕山运动末期所形成的山间断陷，为南襄盆地的一个次级构造单元。受东部的栗园-泌阳与南部的唐河-栗园2 条边界大断裂沉降控制，泌阳凹陷总体表现为北部抬升、东南部沉降深埋的箕状构造，由南向北依次划分为南部陡坡构造带、 中部深凹构造带和北部斜坡构造带（见图1）。

图1 泌阳凹陷构造格局

研究区沉积盖层由老至新依次发育： 中生界白垩系上白垩统；新生界古近系玉皇顶、大仓房、核桃园、廖庄组；新生界新近系凤凰镇组；新生界第四系地层。其中富有机质泥页岩主要发育在核桃园组（见图2）。截至2014年底，泌阳凹陷深凹区核桃园组页岩已部署钻探页岩油直井1 口（安深1 井），水平井2 口（泌页HF1，泌页HF2 井）［4］，通过大型减阻水压裂，均获得初期高产油流，其中直井最高日产油量4.68 m3，水平井最高日产油量23.60～28.10 m3。

1.1 沉积与地层分布

研究区内核桃园组地层沉积厚度最大，可达3 700 m，其中暗色泥页岩最大厚度达3 000 m，泥地比最高达81%。平面上分布面积约720 km2，主要分布在深凹区。页岩厚度由北西向南东增厚，厚度中心位于深凹区东南部安棚向斜一带。

泌阳凹陷核桃园组自下而上分为核三段、核二段、核一段。

核三段时期，该区处于强烈断陷期，地层沉积厚度为1 531～2 288 m，页岩厚度达158～360 m。核三段分为2 个亚段8 个砂组。核三下亚段包括4 个砂组（H3Ⅷ，H3Ⅶ，H3Ⅵ，H3Ⅴ），核三上亚段包括4 个砂组（H3Ⅳ，H3Ⅲ，H3Ⅱ，H3Ⅰ）。该时期湖盆水体深、范围广，占凹陷面积的70%。

图2 泌阳凹陷地层柱状图

在凹陷中南部主要沉积了深湖—半深湖相的深灰色、灰黑色、褐色页岩，厚度中心位于前杜楼—毕店—安店一带。滨湖相（相当于三角洲前缘部位）主要发育砂质泥岩。H3Ⅴ砂组时期以后，湖盆水体变咸，湖中心安棚地区发育深湖相白云岩、 泥质白云岩等碳酸盐岩沉积。

核二段时期，该区处于强烈断陷后期，沉降作用减弱，地层沉积厚度112～943 m。该时期湖盆水体变浅，古气候趋于干旱，湖水浓缩并趋于咸化，湖泊中心主要发育浅湖相沉积，在安棚地区发育盐湖相碳酸岩。在位于双河—毕店—安棚地区的湖泊中心，主要沉积了灰色泥岩、白云质泥岩、薄层粉砂岩、粉砂质泥岩、浅灰色纹层状白云岩、纹层状和层状天然碱、褐色钙质页岩、灰黑色页岩。页岩累计厚度53～341 m。

核一段时期，边界断裂活动强度减弱，气候干旱，湖泊水体浅，开始向滨浅湖、冲积平原转化，湖盆局限发育，沉积厚度0～592 m。湖泊中心主要发育灰绿色泥岩、砂岩和泥质白云岩、油页岩。页岩累计厚度0～141m。

从泌阳凹陷沉积演化及沉积地层看，作为页岩油勘探目标的优质页岩——深灰色、灰黑色、褐色页岩，纵向上主要在核三段、核二段发育［5-6］，平面上主要发育在深湖区、半深湖区（见图3）。

图3 泌阳凹陷核3Ⅲ砂组页岩厚度

1.2 地化特征

页岩中有机碳质量分数（TOC）决定生烃量，与含油丰度也有良好的正相关性。泌阳凹陷核二段页岩TOC 值在0.40%～7.46%，平均2.57%，主要分布在0.60%～1.00%和2.00%以上。核三上亚段TOC 值在0.40%～9.34%，平均3.22%，主要分布在2.00%以上；核三下亚段TOC 值在0.41%～2.66%，平均1.17%，主要分布在1.00%～2.00%。

调研国内外页岩油气选区评价标准可知，具备页岩油生产能力页岩的TOC 值一般要大于2%，也就是说，只有富有机质页岩才具备良好的页岩油勘探和开发前景。由此可知，泌阳凹陷核三上亚段、核二段页岩具备较好的页岩油勘探开发物质基础。在有机质母质类型方面，泌阳凹陷核三段与核二段差别不大，以Ⅰ型和Ⅱ1型为主，为菌藻类和腐泥类母质类型，易于生成环烷烃或石蜡环烷烃石油。北美地区海相页岩油母质类型多为Ⅱ1和Ⅱ2型，泌阳凹陷陆相页岩油母质类型稍有差异。热演化程度方面，核三下亚段页岩Ro为0.8%～1.7%，核三上亚段页岩为0.5%～1.1%，核二段页岩为0.3%～0.6%。

综合泌阳凹陷页岩地化特征可知，核三上亚段及部分核二段页岩具备形成页岩油的有利地化条件［7］。

1.3 储集特征

页岩中基质孔隙包括残余原生粒间孔、有机质生烃演化孔、 黏土矿物伊利石化形成的晶间孔及不稳定矿物溶蚀作用形成的溶蚀孔隙［8-9］。采用岩石薄片结合氩离子抛光高分辨率扫描电镜分析可知，泌阳凹陷主要页岩发育的孔隙类型有粒间孔（石英粒间孔、云母片间孔）、晶间孔（黏土矿物晶间孔、黄铁矿晶间孔、方解石晶间孔）、溶蚀孔（长石、白云石、方解石溶蚀孔）、有机质孔等基质孔隙，同时发育构造缝、层间缝与微裂缝（晶间、 层间、 矿物收缩及生烃演化等微裂缝）（见图4）。根据对安深1 井、泌页HF1 井和程2 井页岩岩心进行的核磁共振孔隙度实验、 脉冲法渗透率实验以及SRP 法饱和度实验可知，页岩孔隙度在1.55%～7.23%，平均4.63%；渗透率0.31×10-6～0.90×10-6μm2，平均0.62×10-6μm2；压降基质渗透率0.000 43×10-6～0.003 12×10-6μm2，平均0.000 56×10-6μm2；含油饱和度16.89%～41.49%，平均29.11%。总体上表现为超低孔渗、低含油饱和度页岩储层。

图4 泌阳凹陷页岩储集空间特征

1.4 岩石矿物学特征

泌阳凹陷页岩全岩、黏土矿物X 衍射分析结果表明，页岩矿物主要为黏土矿物、石英、斜长石、方解石、白云石及少量钾长石、黄铁矿。黏土矿物主要是伊蒙混层、伊利石，含少量高岭石、绿泥石，伊蒙混层比20%左右。泌阳凹陷核三段—核二段石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等脆性矿物体积分数平均为58.94%～83.72%，黏土矿物体积分数平均为16.87%～38.03%。与海相页岩相比，同样具备较好的可压性［10-12］。

1.5 含油性

泌阳凹陷陆相页岩具备较好的含油性，主要表现在钻井、录井过程中见到良好的油气显示，以及试油过程中获得油流。泌页HF1 井在2 415～2 451 m 井段取心，均为灰黑色、褐色页岩，页岩高角度裂缝、层理缝十分发育，原油沿裂缝面浸出下滴，气测录井全烃36.24%～100%，气测异常十分明显，原油在振动筛及槽面大量出现；泌页HF1、泌页2HF、安深1、泌74、泌130 等井在页岩测试和压裂试油过程中，均试获油流，其中泌页2HF 多级分段压裂试获最高日产28.1 m3工业油流。

2 陆相页岩油富集高产主控因素

世界上没有完全相同的页岩，所以，导致页岩油富集高产的主控因素也不相同。总结陆相页岩富集主控因素，需要结合陆相页岩的地质特点。国内外研究大都从页岩厚度与分布、岩石矿物组成、地化特征、储集空间与物性、裂缝发育程度、压力系数、构造作用、保存条件等因素出发。根据泌阳凹陷陆相页岩的地质特点，本文从沉积环境、岩相、裂缝发育及地层超压等方面对泌阳凹陷陆相页岩油富集高产的主控因素进行了研究。

2.1 沉积环境

与海相沉积相比，陆相明显受水深、古地貌、物源等方面的影响大，沉积变化快，沉积相带明显控制了富有机质泥页岩的空间展布。核三段—核二段时期，深湖区与半深湖区或浅湖区控制富有机质页岩的沉积与分布，滨湖区及部分半深湖区或浅湖区控制砂质泥岩的沉积。水体的咸化程度控制有机质的保存与富集，核三上亚段—核二段，水体变咸（标志是白云岩大量发育），有机质富集并大量保存下来，有机碳质量分数明显高于核三下亚段。

2.2 岩相

根据层理结构与矿物组成，可将泌阳凹陷陆相页岩分为粉砂质、黏土质、灰质和白云质页岩。受物源沉积及沉积矿物转化的影响，由湖边缘向湖中心，页岩岩相依次为粉砂质、黏土质、灰质、白云质页岩（见图5）。由于受物源进积、水体动荡、风暴、重力等影响，湖的边缘主要发育粉砂质页岩；在湖中心，由浮游藻类的生物化学沉积作用形成的隐晶方解石纹层，加上后期成岩重结晶作用形成的亮晶方解石纹层，与黏土矿物纹层组合，形成了灰质页岩沉积；白云质页岩的成因主要是埋藏白云石化，随着埋深加大，黏土矿物转化的过程中释放镁离子Mg2+，孔隙水中Mg2+/Ca2+比值提高，同时先存的泥晶方解石部分溶解，成分上重新组合，使原来的灰质被白云石化。研究认为，岩相通过控制储集物性、含油性及可压性，控制了页岩油富集高产［13］。

图5 泌阳凹陷页岩相沉积模式

岩相控制储集物性与含油丰度。灰质页岩孔隙度、渗透率、平均孔隙半径均最大，含油丰度最高，最有利于页岩油富集（见表1）；其次为粉砂质页岩；最后为黏土质页岩与白云质页岩。

岩相还控制页岩可压性。全岩X 衍射数据分析表明： 泌阳凹陷4 种岩相陆源碎屑石英与长石的体积分数大致相当，平均为34.89%～43.53%；而黏土质页岩、粉砂质页岩的黏土矿物体积分数较高，平均为38.44%～42.7%；灰质页岩、 白云质页岩的碳酸盐岩体积分数高，黏土矿物体积分数相对较低，平均为23.94%～25.62%。总体上黏土矿物与碳酸盐矿物体积分数彼此呈消长关系。由于黏土质页岩、粉砂质页岩黏土矿物体积分数高，可压性相对较差。

表1 泌阳凹陷不同页岩相物性数据统计

2.3 裂缝发育与地层超压

与常规油气勘探规律相似，对于非常规页岩油藏来说，超压与裂缝是其富集和高产的关键因素。压力与页岩油藏的规模及油井产能成正比，压力越高，油藏规模越大，油井越容易形成高产。

目前泌阳凹陷获得页岩油高产的安深1 和泌页HF1 井，页岩裂缝十分发育，既有宏观的构造、层理缝，也有微观的构造、层间、矿物收缩、生烃超压、晶间缝。裂缝走向主要以北北西—南南东、 北东东—南西西为主，倾角分布在30～80°，以中低角度为主，主频为40°，密度2～6 条/m，长度0.02～1.50 m，裂缝孔隙度0.2%～1.0%。其中北北西—南南东向裂缝与现今最大水平主应力方向垂直，与后期压裂形成的人工裂缝交错，形成网状裂缝体系，有利于页岩油渗流与高产。

地震多属性预测表明，裂缝发育有利于页岩油富集与高产，泌阳凹陷页岩油高产井安深1 和泌页HF1均位于裂缝发育区。安深1 井地层压力测试数据表明，泌阳凹陷页岩地层压力系数为1.227，为超压地层。国内外页岩油气勘探实践均表明，地层超压有利于页岩油富集与高产［14-15］。

3 陆相页岩油选区评价标准探讨

目前国内陆相页岩油勘探正处于探索与前期地质评价阶段，虽然已在南襄盆地泌阳凹陷、渤海湾盆地东营凹陷、沾化凹陷、辽河坳陷、鄂尔多斯盆地陇东地区、三塘湖盆地马朗凹陷等多个地区取得了页岩油勘探的积极进展［16-17］，展示了陆相页岩油良好的勘探开发前景，但尚未形成一套规范的页岩油选区评价标准［18］。本文借鉴美国页岩油气选区评价成功经验，结合泌阳凹陷陆相页岩地质特点与勘探实践，初步探索并建立了泌阳凹陷陆相页岩有利区评价标准，指导泌阳凹陷页岩油水平井部署钻探，取得了较好的效果。

本研究主要考虑与页岩油富集高产密切相关的10 项评价指标（见表2）。其中：有利页岩相（灰质页岩、粉砂质页岩）的发育程度是页岩油赋存的物质基础，它控制了储集物性、含油性与可压性，同时控制了资源规模、资源丰度与勘探潜力；有机质丰度、类型与热演化程度控制了页岩生油能力与流体性质；孔隙度是页岩油储量规模与储集物性下限重要指标；裂缝发育程度对于页岩油渗流与有效开采至关重要，裂缝不发育，则很难具备形成商业规模开采页岩油的能力；地层超压是提供页岩油开采驱动能力的关键；含油饱和度指数（S1/TOC）反映了页岩有机质向页岩油转化的能力以及页岩油的保存条件，含油饱和度指数越高，页岩有机质转化为石油烃类越多，保存得越好。

本文综合利用表2参数指标，刻画了泌阳凹陷主力页岩层甜点区，为页岩油水平井部署圈定了有利范围（见图6）。2011—2012年，在该甜点区范围内部署的页岩油水平井泌页HF1，15 级分段压裂后，获得日产油量23.6 m3，日产气量1 000 m3的高产油气流；部署的第2 口页岩油水平井泌页HF2 经过22 级分段压裂后，获得日产油量28.1 m3的高产油流。这表明泌阳凹陷陆相页岩油勘探取得重要突破，展示了中国陆相页岩油良好的勘探开发前景。

表2 泌阳凹陷陆相页岩油甜点区评价指标参数

图6 泌阳凹陷主力页岩层甜点区综合评价

4 结论

1）泌阳凹陷陆相页岩具有累计厚度大、有机质丰度高、有机质类型好、热演化程度适中、储集空间发育、脆性矿物体积分数高、含油性好等特征，具备形成陆相页岩油的有利条件。资源评价结果表明，泌阳凹陷主力页岩层页岩油资源量4.226×108t，勘探开发潜力较大。

2）沉积环境、岩相、裂缝发育与地层超压4 因素控制了泌阳凹陷陆相页岩富有机质页岩的分布，为页岩油富集高产提供了必要条件。

3）泌阳凹陷陆相页岩油取得了勘探的早期突破，表明中国陆相页岩油具有良好的勘探开发前景，但是也存在着成本较高、工程技术复杂的难题。随着工程技术的发展，中国陆相页岩油将会迎来商业规模开采的局面。

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