威利斯顿盆地巴肯组泥页岩排烃效率地质研究

胡　莹，卢双舫，李文浩，张鹏飞，张　晗，李　倩

(1.中国石油大学(华东)非常规油气与新能源研究院，山东 青岛 266580；2.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)



威利斯顿盆地巴肯组泥页岩排烃效率地质研究

胡莹1，2，卢双舫1，李文浩1，张鹏飞1，2，张晗1，2，李倩1，2

(1.中国石油大学(华东)非常规油气与新能源研究院，山东 青岛 266580；2.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

为了弄清造成威利斯顿盆地巴肯组泥页岩相对含油量低，而致密砂(灰)岩中含油量高的原因，对巴肯组泥页岩的排烃特征进行研究具有重要的意义。本文在油气勘探相关资料的分析基础上，结合薄片鉴定和地球化学分析方法，探讨了巴肯组泥页岩的排烃特征。结果表明，巴肯组泥页岩的高排烃效率是造成巴肯组中段致密层段相对含油量高、而泥页岩相对含油量较低的根本原因。巴肯组泥页岩产率指数与其有机碳含量的明显不匹配，可溶有机质族组成的低饱/芳值以及巴肯组中段粉砂质白云岩强荧光性都说明巴肯组泥页岩发生过大量的排烃。泥页岩的生烃增压引起的超压诱导泥页岩产生的微裂缝与干酪根网络构成了石油初次运移的通道，也利于泥页岩排烃。

致密油；含油量；排烃效率；巴肯组；威利斯顿盆地

近年来，在石油需求量高速增长的刺激下，随着勘探开发技术的不断进步，致密油资源逐渐成为世界各国石油工业争相介入的热点领域之一[1]。目前，美国的巴肯组和鹰滩组、加拿大的卡尔蒂姆组致密油开发已获得了成功。因此，致密油有可能成为继页岩气之后，未来又一重要的接替能源。

致密油是一种非常规油气资源，主要以吸附或游离状态赋存于生油岩中，或与生油岩互层、紧邻致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集岩中，是未经过大规模长距离运移的石油聚集，主要包括致密砂(灰)岩油和页岩油2大类[2]，其中致密砂(灰)岩油是泥页岩排出油中的一部分，而页岩油气是残留在泥页岩中未排出的油。因此无论是页岩油还是致密砂(灰)岩油的富集性应与泥页岩的排烃效率密切相关，并且两者成负相关关系。虽然前人对致密油气富集性及泥页岩排烃效率已都有研究，但均是割裂开来进行研究的，缺少相应的对照。实际上二者的对照研究有利于加深对致密油的富集规律的认识。本文利用有机碳、岩石热解等常规地化数据对泥页岩排油效率及其对致密油富集的影响进行了研究，旨在为中国含油气盆地致密油勘探提供参考。

1　地质背景

威利斯顿盆地位于北美板块内部，靠近北美克拉通西部边缘[3]，是一个大型克拉通内沉积盆地，横跨北达科他州、蒙大拿州、南达科他州、萨斯喀彻温省及马尼托巴省。盆地起源于克拉通边缘或大陆架型的盆地，在科迪勒拉造山运动期发生的变形作用和随后西部大陆边缘地壳连续增加的背景下使之转变为克拉通内部盆地，整体上呈较对称的东西向负构造展布[4](图1)。

图1　威利斯顿盆地构造单元图(据文献[9]和[10]修改)

盆地在寒武纪开始发育，至奥陶纪结束，地层发育齐全，宾夕法尼亚纪之前为海相碳酸盐岩沉积，到密西西比纪之后转变为硅质碎屑沉积。上泥盆统-下密西西比统的巴肯组地层以海相碎屑岩沉积为主，其中黑色泥页岩与粉砂质白云岩、白云质粉砂岩、细砂岩频繁交互叠置，局部夹薄层碳酸盐岩，是该盆地内的一套重要烃源岩，也是一套非常规油气储层[5-6]。巴肯组地层明显分为三段：上段和下段为具放射性的、富含有机质的黑色页岩，沉积于海平面上升阶段缺氧或者氧气比较有限的环境中；中段为粉砂质白云岩或者灰岩到砂岩岩性，沉积于海退时期快速海平面下降情况下的浅水环境(图2)。

图2　威利斯顿盆地巴肯组地层柱状图(据文献[11]修改)

威利斯顿盆地巴肯区带已经发现了(4×108～6×108)t致密油的可采储量，资源丰富。目前的单井初期产量已超过274t/d[8]，产量也呈逐年迅猛上升的趋势，是全球致密油开发最成功的范例之一。

2　巴肯组含油性评价及规律研究

对于泥页岩中含油量的表征我们通常采用热解残留烃(S1)和氯仿沥青“A”两个指标。由于泥页岩储层的低渗透性，目前开采的致密油主要以轻质或凝析油为主。因此，本文采用S1作为泥页岩含油性的评价指标[12]。

威利斯顿盆地巴肯组的致密油主要包括上下巴肯页岩的页岩油和中巴肯中的致密砂(灰)岩油。图1绘出了威利斯顿盆地巴肯组泥页岩含油性与有机碳含量的关系。对于绝对含油量，从上包络线变化规律可以看出，泥页岩含油性随有机碳含量的增加表现出三阶段演化特征。首先，在低有机质丰度阶段泥页岩含油量缓慢增大，之后阶段含油量迅速增加，最后阶段含油量增加速度逐渐减小，直至平稳。根据变化趋势转折点所对应的含油量，我们可以将泥页岩含油性划分为三个等级：分散、低效和富集。其中，富集资源是近期页岩油勘探、开发最为现实的目标，低效和分散资源开发则有待未来技术的进一步发展。在本次研究中威利斯顿盆地巴肯组两个转折点S1值分别为2mg/g和6mg/g(见图3)。从含油量(S1)这个指标来看，巴肯组泥页岩主要为富集资源和低效资源，而中巴肯组的致密砂(灰)岩为低效资源和无效资源。然而，这种分类方案没有考虑致密油气的可采性，因此这种方法对于指导致密油气勘探具有一定的局限性。

图3　威利斯顿盆地巴肯组含油性与有机碳关系

Jarvie等研究认为，地层中单位有机碳的含烃量(S1/TOC)一方面可用来判断烃源岩的成熟度，另一方面可用来评价储层含油性。储层含油性高，S1/TOC通常大于1，对于页岩油储层的判断这一标准同样适用[13]。另外，由于干酪根对页岩油具有较强的吸附、溶解作用，影响页岩油的可采性，这也

说明我们还应结合相对含油量来评价泥页岩的含油性，因此这个指标可以同时用来判断巴肯组中的页岩油和致密砂(灰)岩油的含油性高低。从相对含油量(S1/TOC)来看，巴肯组绝大部分泥页岩S1/TOC小于1，含油性较低，而中巴肯组的致密砂(灰)岩S1/TOC通常大于1，含油性高。对于其原因本文从排烃效率中找到了答案，这与目前美国威利斯顿盆地巴肯组致密油开采主要集中在巴肯组中的致密砂(灰)岩相一致。

3　泥页岩排烃效率特征分析

3.1强排烃的地球化学证据

烃源岩的地球化学研究表明，巴肯组泥页岩形成于缺氧的半深海环境，为盆地内一套重要的烃源岩，有机碳含量非常高，平均值为11.3%，干酪根类型以Ⅰ、Ⅱ型为主，镜质体反射率主要介于0.6%～0.9%，最高可达1.1%，属于热催化生油气成熟阶段[14-16]，因此巴肯组泥页岩具备生成大量烃类的物质和条件基础。

岩石热解分析结果显示，巴肯组黑色泥页岩整体上产率指数S1/(S1+S2)较低，与其有机碳含量明显不匹配，当TOC小于15%时，产率指数主要介于0.15～0.30，最高可达到0.48；而当巴肯组泥页岩TOC大于15%时，产率指数小于0.15(图4(a))。氯仿沥青“A”族组成的低饱/芳值以及饱/芳值随TOC增高而降低的趋势明显与Ⅰ-Ⅱ型的母质类型相矛盾(图4(b))。巴肯组中段粉砂质白云岩的显微照片荧光观察证实白云石内的晶间孔和石英颗粒和碳酸盐晶体之间的粒间孔中富含油(图5)。以上证据都说明巴肯组泥页岩发生过大量的排烃。

图4　巴肯组泥页岩产率指数-TOC关系图(a)和饱/芳值-TOC关系图(b)

图5　巴肯组中段的粉砂质白云岩荧光薄片(据文献[17]修改)

3.2排烃率的定量研究

排烃效率可用排烃量与生烃量的比值定量计算，它是衡量传统烃源岩有效性的重要指标，泥页岩排烃过程中，排烃效率越高，与泥页岩互层、紧邻的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集岩中的聚集的油气就越多，因此对于致密砂岩(碳酸盐岩)油气我们希望泥页岩排出尽可能多的油气供运聚成藏，而在排烃过程中不可避免的会有一定量的烃类残留在泥页岩内部，这部分烃类即是页岩油气，对于页岩油气我们则希望泥页岩中残留尽可能多的油气，因此致密油气的勘探开发同样需要考虑排烃效率的

问题。在排烃效率的计算过程中，排烃量可通过生烃潜力达到最高值后的减小幅度确定，残烃量可通过烃指数获得，根据物质平衡原理二者相加即为生烃量。由图6可以看出，随着有机质类型逐渐变差，相应泥页岩的生、排门限逐渐变深，反映生、排烃过程依次滞后。同时，I型有机质泥页岩排烃量远高于其它类型，而残烃量相差不大，由此可以计算出I型有机质泥页岩排烃效率远高于其它类型。比如，在3200m深度，I型、Ⅱ1型和Ⅱ2型烃源岩的排烃效率分别为55%、45%和30%(图6)。因此巴肯组泥页岩高排烃效率是造成巴肯组中段致密层段相对含油量高，上、下段泥页岩相对含油量较低的根本原因。

图6　威利斯顿盆地巴肯组不同类型干酪根烃指数和生烃潜力指数

3.3排烃机制分析

致密油成藏特征表明，致密油从烃源岩排出后在储集层中聚集的主要动力为生烃增压，即源储压差[18]。而生烃增压引起的超压将会诱导泥页岩产生微裂缝。当微裂缝形成后，泥页岩产生的烃类将会排出并释放压力。当泥页岩内的压力小于围压时，这些微裂缝将重新闭合，开始下一循环。这些层理缝和微裂缝相互交叉形成裂缝网络，作为泥页岩油气排出的输导系统，因此排烃效率会在很大程度上提高。威利斯顿盆地巴肯组存在高异常流体压力，为0.73PSI/ft，并证实其高压分布与生烃中心分布一致，因此推测其异常压力与深部有机质生烃作用有关[19]。从不同成熟度有机显微组分图像的观测可知，随着成熟度增加，巴肯组泥页岩生成大量的烃类，形成高压流体，产生微裂缝(图7)。另一方面，由于巴肯组泥页岩有机质丰度高，因而干酪根在岩石体积中所占的比例高(约为15%～35%)，具备形成“干酪根网络”的物质条件(图7)。干酪根具有亲油性，因此石油通过干酪根网络运移所需克服的阻力大大降低，极有利于石油的初次运移(排烃)。因此，有机质类型越好，丰度越高，成熟度越高，泥页岩产生大量的烃类并发育大量的微裂缝，有利于泥页岩排烃。

图7　上巴肯组泥页岩不同成熟度的有机显微组分照片(据文献[20])

4　结　论

1) 巴肯组泥页岩产率指数与其有机碳含量明显不匹配，可溶有机质族组成中低饱/芳值以及巴肯组中段粉砂质白云岩强荧光性都说明巴肯组泥页岩发生过大量的排烃。

2) 相对含油量(S1/TOC)这个指标比S1更适合评价威利斯顿盆地巴肯组含油性好坏。巴肯组泥页岩排烃效率高造成是巴肯组中段相对含油量高，泥页岩相对含油量较低的根本原因。

3) 巴肯组泥页岩的生烃增压引起的超压诱导泥页岩产生的微裂缝与干酪根网络构成了石油初次运移的通道，利于泥页岩的排烃。

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Geological research on hydrocarbon expulsion efficiency of shale in Bakken Formation in the Williston Basin

HU Ying1，2，LU Shuang-fang1，LI Wen-hao1，ZHANG Peng-fei1，2，ZHANG Han1，2，LI Qian1，2

(1.Research Institute of Unconventional Hydrocarbon and Renewable Energy，China University of Petroleum(East China)， Qingdao 266580，China；2.School of Geosciences，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China)

To find out the cause of relatively low oil content of the shale and high oil content in dense zone in bakken formation in the Williston basin，is of great significance in order to reveal the characteristics of hydrocarbon expulsion of shale in bakken formation.Through the detailed analysis of basic geological data of petroleum exploration，combined the methods of thin section and geochemistry，the characteristics of hydrocarbon expulsion of shale in bakken formation is discussed.The results are showed as below：high hydrocarbon expulsion efficiency of shale is the root cause of relatively high oil content in the middle dense zone and low oil content of shale.The dismatches between production rate index and organic carbon content，the low ratio of saturated hydrocarbon and aromatic hydrocarbon of soluble organic matter，as well as strong fluorescence of silty dolomite in the middle bakken group，suggest that the shale in bakken formation have happened a lot of hydrocarbon expulsion.Microfracture and kerogen network inducted by overpressure caused by hydrocarbon-generating pressurization of shale constitutes the channel of the oil primary migration，and is also conducive to hydrocarbon expulsion of the shale.

tight oil；oil content；hydrocarbon expulsion efficiency；Bakken Formation；Williston Basin

2015-08-26

国家自然科学基金青年基金项目资助(编号：41402122)；博士后科学基金面上项目资助(编号：2014M561980) ；中石油勘探院项目资助(编号：RIPEO-2014-JS-305)

胡莹(1991-)，女，汉族，江西宜春人，硕士研究生，中国石油大学(华东)矿产普查与勘探专业，主要从事非常规油气方面的研究工作。E-mail：775113513@qq.com。

P59

A

1004-4051(2016)10-0163-05