美国页岩油资源分布特征与主控因素研究

白国平，邱海华，邓舟舟，王文庸，陈 君

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249；2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石化 东北油气分公司，长春 130062)

页岩革命从根本上改变了美国油气的对外依存度，页岩气产量的提高不仅巩固了自2011年以来美国全球第一大产气国的地位，而且使其于2018年成为了天然气净出口国，出口量达147×108m3[1]。页岩油产量的大幅提升使得美国石油的对外依存度从历史最高点的67.0%(2006年)降至2018年的25.2%。此外，美国页岩油革命对全球石油供需格局产生了根本性的影响，供大于需的关系结束了高油价，自2015年起，油价进入了低谷期，本轮的低油价也许还要持续数年。

国内外学者从不同角度探讨过美国页岩油的成藏条件、富集特征及其启示[2-5]，但涉及的对象多是美国某个盆地[6-8]、几个主要盆地内页岩油的成藏特征和富集规律[4]或者国内外盆地之间页岩油地质特征的类比分析[9]。然而，有关美国页岩油整体资源状况、分布特征和富集主控因素的研究尚不系统和全面，因此有必要对此开展进一步的研究。本文基于最新的美国页岩油资源的相关数据以及前人的研究成果，探讨美国页岩油资源的分布规律与富集主控因素，以期为我国页岩油勘探开发的进一步突破提供借鉴与启示。

1 页岩油术语体系

相对于页岩气而言，页岩油的涵义尚不统一，不同机构和研究人员定义出的页岩油概念不尽相同。国外机构(如BGR[10]，EIA[11]，USGS[12])和研究者(如JARVIE[2])多倾向于将页岩油(shale oil)与致密油(tight oil)等同起来，泛指储存于低渗含油层系(泥岩、页岩、粉砂岩、砂岩、泥灰岩、碳酸盐岩等)中的轻质石油(含凝析油)。与国外学者不同，我国学者则多倾向于将页岩油和致密油区分开来[4, 13-14](表1)。

依据储存介质的差异，广义页岩油/致密油分为狭义页岩油和狭义致密油，并根据储集层的岩性，后者可进一步细分为致密砂岩油、致密灰岩油等[13-14]。依据源储的上下配置关系，黎茂稳等[4]将狭义致密油细分为源上、源内和源下致密油。如表1所示，国内学者定义出的狭义页岩油亦有部分储集于富有机质泥页岩中的致密夹层，但夹层是次要储集层，厚度占烃源岩层系总厚度的比例不超过20%[4]。需要指出的是，国内学者提出的广义页岩油分类方案不能涵盖美国目前在产的所有页岩油类型，如源储一体的海湾盆地Eagle Ford页岩油的储集层为泥灰岩，岩性并非泥页岩，因而无法归属于表1中的具体页岩油类型。

表1 页岩油/致密岩分类体系

依据页岩油赋存介质的差异和源储关系，JARVIE[2]和SONNENBERG等[15]将页岩油分为3类：基质型、裂缝型和混合型。基质型页岩油与页岩气类似，以源储一体和低基质渗透率为特征；裂缝型页岩油源储一体或者非一体，以裂缝渗透率为主，基质渗透率极低；混合型页岩油与致密气类似，源储非一体，储集层为致密碎屑岩或碳酸盐岩。本文采用该分类方案，分析美国页岩油资源特征，除非特别标明，否则文中提及的页岩油均指广义页岩油。

2 美国页岩盆地

2.1 美国页岩油气盆地与产区

美国的页岩油气主要产自美国中东部的6个盆地(群)的7个页岩油气产区(图1)，按近年来页岩油气的产量统计，依次为二叠盆地、阿帕拉契亚盆地、海湾盆地西部的Eagle Ford产区(包括Eagle Ford和Austin Chalk区带)、威利斯顿盆地、安纳达科盆地、海湾盆地东部的Haynesville产区和落基山盆地群(丹佛盆地、粉河盆地和帕克盆地)。威利斯顿盆地、二叠盆地和海湾盆地Eagle Ford产区以产页岩油为主，落基山盆地群和安纳达科盆地的页岩气产量高于页岩油产量，而阿帕拉契亚盆地和海湾盆地Haynesville组则以产页岩气占绝对优势。此外，加州圣华金等盆地的中新统Monterey区带也有少量的页岩油产量。

图1 美国页岩油资源量盆地分布

2.2 美国页岩油资源

参照石油工程师协会(SPE)油气资源管理体系(PRMS)[17]，本文采用的页岩油资源分类体系见表2。总可采资源量为总可采储量与待发现技术可采资源量之和，前者包括累计产量、剩余探明可采储量和未探明可采储量。

表2 页岩油资源分类方案

美国能源信息署(EIA)按月、按区带公布美国页岩油产量[16]，按年、按盆地公布剩余探明储量(可采，下同)[18-21]以及按年、按区带公布待发现资源量(技术可采，下同)[22]，美国地质调查局(USGS)发布美国页岩油盆地以页岩区带为基本评价单元的待发现资源量[12]。考虑到USGS的页岩油资评结果被广泛采用，置信度高，本文采用USGS[12]的资评结果。

2019年12月，EIA[18]发布的2018年底美国页岩油剩余探明储量为233.83×108bbl(1 bbl≈0.136 t)；截至2018年底，美国累计产出的页岩油为131.57×108bbl；USGS[12]评估出的美国页岩油待发现资源量为1 142.54×108bbl。三者之和即美国页岩油总资源量为1 507.94×108bbl(表3)，其中页岩油累计探明储量(累计产量+剩余储量)365.40×108bbl，探明率为24.2%。

3 美国页岩油资源分布特征

3.1 可采资源量

按盆地统计，美国页岩油资源主要富集于二叠盆地、海湾盆地和威利斯顿盆地，其页岩油资源量分别为1 034.91×108bbl，195.56×108bbl，170.60×108bbl，占美国页岩油资源量的68.6%，13.0%，11.3%(表3，图1)。资源量排序第4～6位的盆地依次为阿帕拉契亚盆地(占2.8%)、落基山盆地群(占1.9%)和安纳达科盆地(占1.4%)，其他盆地的资源量合计为16.66×108bbl，仅占1.1%(表3)。

表3 美国页岩油资源数据

3.2 累计产量

美国的页岩油勘探开发可以追溯至20世纪初期，当时在加州圣华金等盆地发现了中新统Monterey组裂缝型页岩油藏。Monterey页岩已有超过100年的产油史[2]，因此该区带(play)被视为美国最早投入开发的页岩油区带。2000年(EIA未公布2000年之前的系统数据)，Monterey页岩油产量为21.84×104bbl，占当年美国页岩油总产量的16.9%，是仅次于二叠盆地Spraberry区带和海湾盆地Austin Chalk区带的第三大产页岩油区带。然而，Monterey并未发展成一个重要的页岩油区带，截至2018年底，共累计产页岩油3.52×108bbl，仅占美国页岩油累计产量的2.7%(表4)。

美国页岩油产量在2008年之前增速平缓，2008年威利斯顿盆地Bakken页岩油投入开发，并成为当时的第一大产页岩油区带，产量开始明显上升(图2)。自2012年起，海湾盆地的Eagle Ford页岩油投入规模开发，美国页岩油产量呈现出加速上升的趋势，该区带于2017年11月超过Bakken区带成为了第一大产页岩油区带，不过很快就于2018年3月又被二叠盆地的Spraberry区带超越。Spraberry区带目前仍是第一大产页岩油区带，其他的主力产页岩油区带依次为Wolfcamp、Bakken/Three Forks和Eagle Ford区带(表4，图2)。

图2 美国不同区带2000-01-01—2020-03-01页岩油日产量原始数据源自EIA[16]。

表4 美国页岩油分类、地质特征和产量与待发现资源量

截至2018年底，美国页岩油累计产量最高的盆地依次为二叠盆地、海湾盆地、威利斯顿盆地、落基山盆地群和安纳达科盆地，累计产量分别为45.68×108，32.99×108，30.49×108，8.37×108，5.72×108bbl(表3)，占美国页岩油累计总产量的34.7%，25.1%，23.2%，6.4%，4.4%，合计93.8%。

3.3 剩余探明可采储量

公开文献中没有以页岩油区带为统计单元的剩余探明储量资料，不过EIA在其每年发布的美国油气储量报告中有以盆地为统计单元的剩余探明储量信息。据可获取的最新资料，2018年底美国页岩油剩余探明储量为233.83×108bbl[18]，储采比12∶1。剩余探明储量主要分布于二叠盆地(110.96×108bbl)、威利斯顿盆地(58.62×108bbl)和海湾盆地(47.34×108bbl)(表5)，分别占美国剩余探明储量的47.5%，25.1%和20.2%，合计92.8%。

威利斯顿盆地是页岩油大规模投入勘探开发的首个盆地，起先是Bakken区带，近年来又逐步拓展至Bakken组之下的Three Forks组，其剩余探明储量在2014—2018年期间变化不大(表5)。海湾盆地是第二个页岩油大规模生产的盆地，与威利斯顿盆地类似，其剩余探明储量亦基本保持了平稳状态(表5)。年产量、剩余储量和钻探工作量的变化趋势表明，威利斯顿盆地的Bakken/Three Forks和海湾盆地的Eagle Ford页岩油区带已进入成熟勘探阶段，它们的页岩油探明率已达52.2%和41.1%(表3)。

有别于威利斯顿盆地和海湾盆地，二叠盆地的剩余探明储量呈现出快速增长的趋势；2015年底的剩余探明储量是2012年底的3.3倍，2015—2018期间，剩余探明储量又从7.82×108bbl增加至110.96×108bbl(表5)，这主要归因于二叠盆地特拉华次盆内Wolfcamp区带的突破。页岩油产量、剩余储量和钻井工作量的趋势表明，二叠盆地的页岩油勘探尚未进入成熟期，仍处于上升阶段。二叠盆地页岩油的探明率仅为15.1%，该盆地是主导美国近—中期页岩油勘探开发走向的最重要盆地。

表5 美国页岩油盆地2012-2018年剩余探明储量

3.4 待发现技术可采资源量

2001—2018年期间，USGS评估了美国21个页岩盆地内的60个评价单元的页岩油待发现技术可采资源量，评价的盆地既包括前述的产页岩油盆地，亦包含尚未有页岩油商业开发的盆地(如北阿拉斯加盆地、粉河盆地等)，本文采用的数据是待发现资源量的平均值。

截至2018年底，美国页岩油待发现资源量为1 142.54×108bbl。与累计产量和剩余探明储量的盆地分布相比，待发现资源量的分布更加不均衡。二叠盆地一枝独秀，其页岩油待发现资源量高达878.27×108bbl，占美国待发现页岩油资源量的76.9%。海湾盆地和威利斯顿盆地的页岩油待发现资源量为115.24×108和81.49×108bbl(表3)，分别占10.1%和7.1%。其余18个盆地的待发现资源量合计为67.54×108bbl，仅占5.9%。

4 美国页岩油富集主控因素

如前所述，美国页岩油资源分布不均衡，高度富集于二叠盆地。三大富页岩油盆地(二叠、海湾、威利斯顿)、有一定产量的页岩油盆地(丹佛盆地和安纳达科盆地)以及页岩油勘探未取得重大突破盆地(圣华金等加州盆地和黑勇士盆地)的页岩油成藏条件的综合分析表明，页岩油资源的富集主要受构造背景、优质烃源岩规模(生)、页岩层系顶底板(盖)和储集岩“甜点”区规模(储)的控制。WOOD[23]、BREYER[24]和黎茂稳等[4]较系统地讨论过稳定大地构造背景对页岩油规模富集的控制作用，因此本文主要讨论“生、盖、储”对页岩油富集的控制作用。

4.1 优质烃源岩

优质烃源岩指TOC含量超过1%、干酪根为Ⅰ/Ⅱ型、Ro现今仍处于0.6%～1.3%的烃源岩。区域广泛分布并具一定厚度(即体积)的优质烃源岩是页岩油规模富集的核心控制因素。美国主要页岩油盆地烃源岩的分布和地化特征见表6。

从表6可以看出，美国的主要页岩油区带均发育广泛分布的优质烃源岩。即使在分布范围最小的丹佛盆地，优质烃源岩的展布面积亦达2 770 km2。优质烃源岩的厚度因盆地而异，从约10 m到千余米。在5大富页岩油盆地中，威利斯顿盆地Bakken组优质页岩烃源岩的厚度最小，上、下Bakken页岩段的厚度均为5～12 m，但其TOC含量高，平均值达11.0%[25]。此外，展布范围广，面积达34 200 km2，高TOC含量有效地补偿了烃源岩相对薄的厚度短板，从而使得该盆地成为了美国第三大富页岩油盆地(表3)。

表6 美国主要页岩油盆地烃源岩规模和地化特征

二叠盆地是美国页岩油最富集的盆地，其68.1%的页岩油总资源量分布于特拉华次盆，该次盆页岩油的高度富集归因于其独有的2个要素。一是次盆内发育多套广泛分布的中—厚层优质泥页岩烃源岩层系，自下而上依次为Wolfcamp D，Wolfcamp C，Wolfcamp B下，Wolfcamp B上，Wolfcamp A，Bone Spring下，Bone Spring中，Bone Spring上，Avalon下和Avalon上等烃源岩层，页岩油层系(包括烃源岩层和储集层)的总厚度是安纳达科盆地的4倍、海湾盆地Eagle Ford组的8倍、威利斯顿盆地Bakken组的12倍[26]；二是该次盆内页岩层系单位面积的高预估最终可采储量(EUR)，EUR主要受烃源岩成熟度、储集层厚度、孔隙度和含油饱和度的控制，特拉华次盆单位面积的EUR为(22.09～62.52)×104bbl/km2，均值为37.14×104bbl/km2；而其他盆地单位面积的EUR则为(3.09～41.27)×104bbl/km2，均值15.06×104bbl/km2。

4.2 页岩层系顶底板

区域广泛分布的顶底板隔层是成熟烃源岩生成的油气得以保存的关键，美国主要页岩油盆地均发育碳酸盐岩顶底板隔层[27]。Bakken/Three Forks组的顶底板为厚30余米的下石炭统Lodgepole组石灰岩和厚约40 m的上泥盆统Birdbear组石灰岩。Eagle Ford组的顶板为上白垩统Austin白垩岩，底板为上白垩统Buda组石灰岩。在二叠盆地的米德兰次盆和特拉华次盆，Wolfcamp、Spraberry和Bone Spring组由多旋回的碎屑岩和碳酸盐岩组成，组内的富碳酸盐岩层段可以构成有效的隔层，上石炭统Cisco组石灰岩构成了米德兰次盆Wolfcamp组的底板。安纳达科盆地Woodford组的顶、底板分别为下石炭统(密西西比亚系)石灰岩和上石炭统Hutton组石灰岩[27]。

加州的Monterey组是美国最早产页岩油的区带，其资源潜力曾被寄予厚望。2011年，EIA发布的其待发现资源量曾高达150×108bbl[28]，占当年评估出的美国页岩油待发现资源量的64.4%。但随着进一步的勘探实践，其勘探潜力远非如此。2019年，EIA发布的其最新待发现资源量已大幅减至2×108bbl[22]，而USGS评价出的结果仅为40×106bbl[7]。Monterey组所处的加州盆地群不仅规模小，而且构造地质条件复杂。此外，这些盆地均是以碎屑岩充填为主的新生代拉分盆地，普遍缺失区域展布的碳酸盐岩顶板盖层，结果导致Monterey组内生成的油气大部分运移至上倾方向的圈闭，仅极少部分仍滞留于源储一体的硅质页岩中。

4.3 储集层与“甜点”

4.3.1 页岩油产层特征

从公开文献无法获取页岩油区带的剩余探明储量，但可获取区带级的页岩油产量和待发现资源量数据。据此，可统计分析不同类型页岩油的资源特征和页岩油发展趋势。美国页岩油的产层岩性多种多样，包括泥岩、页岩、泥灰岩、粉砂岩、砂岩、石灰岩和白云岩等(表4)。裂缝型页岩油是最先投入商业开发的页岩油类型，最初始于20世纪初期的Monterey组。1953年，威利斯顿盆地Bakken组上段裂缝型页岩开始产油[29]，但未形成规模。总体而言，裂缝型页岩油一直未产出大规模的轻质油，产量在美国页岩油总产量中占比很低(表4)。

以Bakken/Three Forks为代表的混合型页岩油勘探开发的成功真正引领了美国页岩油革命，2000年在威利斯顿盆地完钻了第一口水平井，并发现以Bakken中段白云岩为储集层的Elm Coulee油田[29]。混合型页岩油一直是美国页岩油勘探开发的主体。截至2018年底，这类页岩油的累计产量为70.15×108bbl，占美国页岩油累计产量的53.3%(表4)。

基质型页岩油的规模生产始于2012年，当年海湾盆地Eagle Ford页岩油投入开发。截至2018年底，这类页岩油累计产油44.24×108bbl，占美国页岩油累计产量的33.6%。需要指出的是，近年来基质型页岩油的重要性在逐步提升。2019年基质型页岩油的年产量为10.45×108bbl，占美国当年页岩油产量的37.0%，比累计产量的占比高出3.4%。此外，基质型页岩油的待发现资源量高达732.25×108bbl，占美国页岩油待发现资源量的64.1%(表4)。这些数据表明规模投产晚于裂缝型和混合型页岩油的基质型页岩油，正成为美国页岩油增储上产的主力页岩油类型。

4.3.2 “甜点”展布特征

“生、盖”是控制页岩油资源规模富集的关键成藏要素，但页岩油储集层的“甜点”发育与否及其规模是控制能否实现页岩油商业开发和产量规模的核心要素。依据“甜点”的发育特征，美国的页岩油区带可以分为3类：连续型、星点型和缺失型(图3)。

图3 美国富页岩油区带“甜点”分布特征示意

二叠盆地Wolfcamp是“甜点”呈连续型分布区带的典型代表，目前该区带的产油井在烃源岩成熟灶区内连片分布，其他“甜点”连续型区带还包括二叠盆地的Bone Spring和Spraberry、威利斯顿盆地的Bakken/Three Forks和海湾盆地的Eagle Ford区带等。截至2018年底，甜点连续型页岩油区带已累计产页岩油109.14×108bbl，占美国页岩油累计产量的83.0%。Niobrara和Woodford是“甜点”呈星点型分布区带的典型代表，前者的甜点区集中分布于丹佛盆地Wattenberg油田及其东北延伸区，而在丹佛盆地的其他地区以及粉河盆地和帕克盆地，产油井(“甜点”)仅零星分布。Woodford的“甜点”在安纳达科盆地亦呈零星分布，而且“甜点”区的规模小于Niobrara。海湾盆地西部上白垩统赛诺曼阶—土仑阶泥岩区带(该区带与Eagle Ford相邻，位于其东北侧)和盆地东部上白垩统Tuscaloosa海相页岩区带是“甜点”缺失型区带的代表，尽管它们待发现页岩油资源量达33.35×108bbl和16.79×108bbl，但是“甜点”的缺失(或者尚未发现)使得这些页岩油待发现资源量丰富的区带尚无法实现页岩油的商业开发。

甜点包括地质甜点和工程甜点，其发育受多种因素的控制，不同盆地甜点发育的主控因素不尽相同[30]。美国页岩油的勘探实践表明，黏土矿物含量是控制工程甜点的最核心因素，美国实现商业产量的页岩油区带都具有低黏土含量的特征，其黏土含量普遍低于30%，加拿大页岩油区带也具有类似的特征。福特沃斯盆地Barnett页岩油气勘探突破后，石油公司对二叠盆地特拉华次盆的Barnett和黑勇士盆地Floyd页岩(Barnett的等时地层)进行过页岩油勘探，但勘探结果表明这些页岩层系的黏土含量高于50%，因此无法成功压裂，页岩油勘探以失利告终。

5 对中国页岩油勘探开发的启示

页岩油富集主控因素——生、盖、储的规模发育是页岩油规模富集的基本必要条件，美国页岩油勘探开发实践表明，二叠、威利斯顿和海湾3大富页岩油盆地内的高产页岩油区带普遍具有广泛分布的特征，其中面积最小的Eagle Ford区带的分布范围亦高达21 150 km2。因此，中国页岩油的勘探选区应首先关注大型沉积盆地内的页岩油区带。

美国已成功开发的页岩油既包含狭义页岩油(源储一体的基质型页岩油)，又包含狭义致密油(混合型页岩油)，而且狭义页岩油的重要性在提升，其资源潜力高于目前产量仍占主导地位的狭义致密油(表4)。中国页岩油的勘探既应关注与富有机质烃源岩伴生的致密碎屑岩和碳酸盐岩层段，又要高度重视富有机质脆性泥页岩和泥灰岩层段的勘探；应根据沉积盆地的具体成藏条件，优选水平钻探目的层段。

“甜点”发育与否控制着页岩油能否实现商业生产，我国的页岩油勘探开发已在鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地和渤海湾盆地的黄骅坳陷取得实质性突破，在这些盆地内寻求新区带、拓展已知“甜点”区的范围可以进一步增储上产。在页岩油勘探尚未取得实质性突破的盆地，寻找“甜点”区和选准钻探目的层是取得勘探突破的关键。

6 结论

(1)截至2018年底，美国累计产页岩油131.57×108bbl，剩余探明储量233.83×108bbl，待发现资源量1 142.52×108bbl，页岩油资源量合计为1 507.94×108bbl。

(2)美国页岩油资源高度富集于二叠盆地，其页岩油资源量达1 034.91×108bbl，占美国总量的68.6%，远远高于占比13.0%和11.3%的海湾盆地和威利斯顿盆地。二叠盆地、海湾盆地和威利斯顿盆地亦是页岩油高产的盆地，至2018年底已累计产页岩油45.68×108bbl，32.99×108bbl和30.49×108bbl，分别占美国页岩油累计产量的34.7%，25.1%和23.2%。

(3)区域构造稳定区页岩油资源的富集主要受优质烃源岩规模、页岩层系顶底板和储集岩“甜点”规模等成藏要素的控制，前2个要素控制了页岩油资源的规模富集；储集岩“甜点”则控制了能否实现页岩油的商业开发，“甜点”区的规模影响着页岩油的产量规模。

(4)美国页岩油以混合型和基质型为主，前者累计产出的页岩油超过了累计产量的50%，不过基质型页岩油区带的资源潜力更大，这类页岩油的待发现资源量占美国待发现页岩油资源量的64.1%。

(5)中国页岩油的勘探应优选大型沉积盆地内的有利页岩油区带，既要关注与优质烃源岩相伴生的脆性碳酸盐岩、粉砂岩和砂岩层段(混合型页岩油)，又要关注富有机质脆性泥页岩和泥灰岩等层段(基质型页岩油)。寻找新“甜点”和拓展旧“甜点”的规模是实现页岩油增储上产的关键。