有機相在非常規油氣儲層評價中的應用
——以束鹿凹陷富有機質泥灰巖儲層為例

李　慶， 姜在興， 由雪蓮， 趙賢正， 張銳鋒

( 1. 中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京　102249；　2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京　102249；　3. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京　100083；　4. 中國地質大學(北京) 海洋學院，北京　100083；　5. 中國石油大港油田分公司，天津　300280；　6. 中國石油華北油田分公司 勘探部，河北 任丘　062552 )

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有機相在非常規油氣儲層評價中的應用
——以束鹿凹陷富有機質泥灰巖儲層為例

李慶1,2， 姜在興3， 由雪蓮4， 趙賢正5， 張銳鋒6

( 1. 中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京102249；2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；3. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京100083；4. 中國地質大學(北京) 海洋學院，北京100083；5. 中國石油大港油田分公司，天津300280；6. 中國石油華北油田分公司 勘探部，河北 任丘062552 )

為分析有機相對非常規油氣儲層的影響并對儲層進行評價，以束鹿凹陷富有機質泥灰巖儲層為例，根據巖石熱解參數、干酪根元素組成和有機質來源等劃分有機相類型，確定儲層評價參數及標準。結果表明，有機質在熱演化過程中生成有機質孔隙，在排烴過程中產生的酸性流體和異常高壓等形成溶蝕孔隙及裂縫，可以改善儲集性能。研究區有機相包括AB、B、BC、C、CD及D六種類型，缺少A類型發育。有機相變化對儲層的儲集性能具有重要控制作用，可作為非常規油氣儲層評價的參數。束鹿凹陷沙三下亞段層序2的坡折帶及洼槽區部位發育具有優質有機相AB類型的高有機質泥灰巖，儲集性能較好，為有利目標區。該結果對評價頁巖油氣等非常規油氣儲層具有指導意義。

有機相； 非常規油氣； 儲層評價； 頁巖油氣； 泥灰巖； 束鹿凹陷

0　引言

頁巖油氣等非常規油氣資源在資源供給中占有越來越重要的地位，人們對頁巖油氣儲層特征及其評價方法研究取得許多進展[1-6]。常規油氣儲層中源巖與儲層分離，經過初次及二次運移，油氣從烴源巖運移到儲集層，進入圈閉而聚集成藏；頁巖屬非常規油氣藏，具有源儲一體或源儲共生的特點，其油氣不發生運移，或僅發生短距離的初次運移，為連續性油氣聚集方式[7]。因此，有機質在頁巖油氣藏中起到的作用與在常規油氣藏中的不同，評價非常規油氣儲層時，有機質是重要的評價參數。有些學者利用有機碳(TOC)質量分數及有機質類型等作為頁巖油氣儲層[8-9]評價參數，但是將TOC質量分數作為評價參數尚沒有統一的標準，且單一的TOC參數不能全面反映有機質及其對儲層的影響。

Rogers M A提出有機相(Organic Facies)概念，認為有機相類似于沉積相，可以跨越時間、不受地層或巖石單位的限制[10]。郝芳等將有機相定義為含有一定有機質含量和特定成因類型的有機質地層單元[11]，與有機質質量分數、類型和沉積環境有關[12]，可以用來劃分單個、一組樣品或某個層位的樣品。利用有機相劃分不同干酪根組合時，比利用有機質類型劃分更準確，原因是有機相可以反映有機質之間漸變的過程，也能反映有機質質量分數、類型及沉積環境[13-14]。

有機相是古環境判別、盆地分析及烴源巖評價的重要工具[13,15]，但還未應用到頁巖油氣等非常規油氣儲層評價體系。筆者將有機相引入到頁巖油氣儲層評價體系，以束鹿凹陷富有機質泥灰巖儲層為例，分析有機質對儲層的影響及有機相在非常規油氣儲層評價中的應用，對完善頁巖油氣等非常規油氣儲層評價方法具有指導意義。

1　區域地質概況

束鹿凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷南部，總體呈NNE向展布，面積為700 km2，為在古生界基底上發育的單斷箕狀凹陷(見圖1(a))。凹陷東部以新河大斷裂為界，西部向寧晉凸起超覆減薄，南部以小劉村陸梁封口，北部以衡水斷裂與深縣凹陷相隔(見圖1(b))。

圖1　束鹿凹陷地理位置、構造及井位分布Fig.1 Location and structural map of the Shulu sag

束鹿凹陷基底地層主要為寒武系及奧陶系地層，在基底上主要發育古近系地層，自下而上分別是沙河街組三段(沙三段)、沙二段、沙一段和東營組。古近紀沙河街組沉積時期，沙三段早中期為斷陷擴張深陷期，邊界同沉積斷層強烈活動，各湖盆快速下陷，是研究區主要成湖期和烴源巖發育期，在西高東低的背景下，形成深水湖盆[16]。

束鹿凹陷在平面上具有南北分區和東西分帶的特點(見圖1(b))。荊丘、臺家莊兩個古隆起及相應的斷陷活動，把束鹿凹陷劃分為北洼槽、中洼槽和南洼槽三個部分。在東西向上，次級構造單元主要分為東部斷階帶(陡坡帶)、中央洼槽帶和西部斜坡帶，其中西部斜坡帶又分為坡折帶及緩坡帶[17]。

束鹿凹陷東、南、西三面的古生界碳酸鹽巖隆起區為該地區主要物源區[18]。束鹿凹陷中洼槽區沙三下亞段沉積巨厚的以淺湖、較深湖亞相為主的碳酸鹽質礫巖及暗色泥灰巖，可劃分為5個三級層系[19](見圖2)?？傮w而言，沙三下亞段下部主要為碳酸鹽角礫巖，中上部主要為泥灰巖。束鹿凹陷泥灰巖富含有機質，主要發育于中部洼槽及其周邊，分布廣，環束鹿中洼槽分布面積超過200 km2。在縱向剖面上，沙三下亞段泥灰巖總體呈東部厚、西部薄的地層展布特征，多呈致密狀產出，埋深一般為3.0～5.0 km，厚度一般大于50 m，由束鹿凹陷邊部向中心泥灰巖厚度逐漸增大，最大厚度約為1.0 km[16-18]。目前，在華北油田束鹿凹陷泥灰巖段已有多口井獲得工業油流，為自生自儲型非常規油氣藏，成為華北油田致密油勘探的重要目標[20]。

2　有機質對致密油氣儲層的影響

在非常規油氣系統中，有機質不僅決定油氣生成及富集程度，對致密儲層的儲集能力也有重要影響，主要體現在有機質孔隙發育、溶蝕孔洞發育和異常壓力縫發育三個方面。

圖2　束鹿凹陷中洼槽沙三下構造及巖性剖面(據文獻[19]修改)Fig.2 Transverse section across the middle segment of the Shulu sag(Modify by conference[19])

2.1有機質孔隙發育

在富有機質泥頁巖及泥灰巖中發現賦存在有機質中的孔隙——有機質孔隙[21-22]，如美國密西西比Barnett頁巖[23-24]。在束鹿凹陷泥灰巖中也發育有機質孔隙，為該地區主要孔隙類型之一(見圖3(a-b))。

有機質孔隙在頁巖油氣儲層孔隙網絡中占有重要地位，是由有機質在成熟熱演化過程中排烴產生的[24-26]。有機質從未成熟階段到成熟階段，部分固態干酪根生成液態及氣態烴類，烴類排出后在有機質中留下孔隙[26]。有機質孔隙的發育程度受有機質質量分數、類型和成熟度的影響[27-31]。

圖3　束鹿凹陷束探1H井有機質孔隙類型Fig.3 Organic matter pores types in well Shutan 1H of Sulu sag

低成熟度有機質(Ro<0.6%)，有機質孔隙不發育或發育較少[2]；當有機質成熟度達到一定程度(Ro>0.6%)時，有機質開始發育有機質孔隙，并進入油氣大量生成階段[22]。有機質類型對有機質孔隙發育的影響表現為，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根較Ⅲ型干酪根容易形成有機質孔隙[2,22]。

束鹿凹陷泥灰巖中有機質類型主要為Ⅰ型和Ⅱ型，位于熱成熟區，有機質中發育有機質孔隙(見圖3(a-b))。有機質孔隙呈不同形狀，通常為略不規則的橢球形，部分為近圓形或不規則形狀；孔隙直徑約為1.0 μm，部分直徑小于0.5 μm，表明大部分為納米孔(見圖3(a-b))。有機質孔隙在該地區泥灰巖中為主要儲集空間類型。在一定的成熟度條件下，有機質質量分數越高、類型越好，可供有機質孔隙發育的物質基礎越多，有機質孔隙度越高，對儲層物性改善程度越明顯。

2.2溶蝕孔洞發育

在深埋藏階段(溫度為80～120 ℃)，有機質成熟和干酪根脫羧作用產生一定數量的有機酸(如羧酸和酚酸)，以及不同類型的氣體，如CO2和H2S等[32-34]。束鹿凹陷沙三下亞段地層埋深超過3 100 m，溫度達到110 ℃，在泥灰巖中有機質進入成熟階段，釋放出大量的有機酸及酸性氣體，使地層水轉化為酸性流體。研究區巖石富含碳酸鹽巖礦物，其化學成分不穩定、易溶于酸性流體而產生溶蝕孔洞。該溶蝕孔洞為研究區重要的儲集空間類型，在鄰近有機質的地方更容易被觀察到(見圖3(c-d))，表明該地區碳酸鹽巖的溶解及溶蝕孔洞的產生受有機質影響，與有機質熱演化有關。

2.3微裂縫發育

束鹿泥灰巖中常見與層理平行的、與殘余瀝青伴生的纖維狀方解石(見圖3(e-f))，纖維狀方解石形成于油氣形成過程產生的較高壓力條件[35-36]。在水平地層中，最小抗張強度方向通常與層理面方向相同，當流體壓力大于最小主應力時，形成垂直于最小主應力的、平行于層理的裂縫[37]。平行于層理的裂縫通常是由異常高壓導致的。裂縫中存在有機質殘余，表明地層中曾發生油氣運移。

圖4　束鹿凹陷泥灰巖孔隙度與TOC質量分數交會圖(據文獻[20]修改)Fig.4 Bulk porosity versus w(TOC) of the marlstone in Shulu sag(Modify by confrence [20])

束鹿凹陷泥灰巖富含有機質并處于成熟階段，固態的干酪根熱解生成液體的石油及氣態的天然氣，同時體積膨脹；伴隨深部高溫增壓作用，孔隙流體壓力增大[38]。由于該凹陷泥灰巖較為致密、滲透性較差，壓力無法釋放，進而不斷聚集形成異常高壓。當異常高壓大于巖石的承受能力時，形成異常壓力縫(見圖3(e-f))；該類裂縫可以儲存油氣并作為油氣運移的重要通道。

由束鹿凹陷泥灰巖孔隙度及TOC質量分數交會圖(見圖4)可見，該地區泥灰巖孔隙度與TOC質量分數表現為正相關關系，隨著TOC質量分數的增大，泥灰巖孔隙度升高，表明有機質質量分數是控制儲層物性的重要因素[20]。有機質質量分數控制有機質孔隙的發育，以及有機酸和地層異常高壓的產生。有機質在演化過程中可以產生有機質孔隙、溶蝕孔隙和異常壓力縫等，為致密油氣的聚集、運移提供儲集空間及滲濾通道。

3　儲層評價應用

3.1有機相類型及特征

有機相有多種劃分方法，Jones M A提出利用有機地化特征將有機相劃分為七種類型的方法[39]。該劃分方法根據巖石熱解參數HI(氫指數)、干酪根元素組成、有機質來源、氧化還原性和沉積速率等將有機相劃分為A、AB、B、BC、C、CD和D七種類型[40](見表1)。

表1　不同類型有機相的特征

(1)A類型。有機相HI≥850 mg/g，H/C≥1.45。巖石富含有機質，呈紋層狀層理，沉積于鹽湖或海洋持續缺氧環境。有機質主要來自藻類或細菌，發明亮熒光。通常發育在碳酸鹽巖環境中，分布于氧化水體隔絕的湖泊凝縮段或海洋邊緣。

(2)AB類型。有機相HI為850～650 mg/g，H/C為1.45～1.35。巖石富含有機質，呈紋層狀層理。其有機質特征與A類型的相似，但它可以發生部分降解、稀釋，或存在少量陸源有機質輸入。其分布范圍及發育數量比A類型的大，既可發育于碳酸鹽巖，也可發育于泥頁巖，為持續缺氧環境沉積形成的。

(3)B類型。有機相HI為650～400 mg/g，H/C為1.35～1.15。該類型有機相分布廣，是大多數油田中油氣的來源[40]。巖石含有部分陸相有機質，呈紋層狀層理，巖石中間出現較差有機相類型的夾層，反映底層水體缺氧環境的波動，或有富氧外來沉積物，或有質量較差的有機質輸入。該類型有機相與AB和BC類型的可以混合出現，體現生物在來源、搬運及保存上的多樣性。該類型有機相主要分布在深水環境中。

(4)BC類型。有機相HI為400～250 mg/g，H/C為1.15～0.95。該類型有機相在古海洋和古湖泊環境中發育。常分布于細粒硅質碎屑巖，快速沉積使沉積物捕獲少量氧氣，“沉積氧”環境促進沉積物的生物活性。陸相有機質是其有機質的主要來源之一。此外，海底生物擾動降低沉積物的有機質等級，使其有機質質量分數降低。

(5)C類型。有機相HI為250～125 mg/g，H/C為0.95～0.75。該類型有機相主要生成氣態烴類。有機質主要為陸生木本植物，與大部分煤的組成相近。該類有機相包括富氫和貧氫的顯微組分混合物，或被降解的富氫顯微組分。與它相近的BC及CD類型可發育于成煤的沼澤環境、三角洲沉積環境和生物擾動的海相泥巖。該類型有機相的發育環境常具有一定氧化作用，不同干酪根組分混合沉積于海侵和早期高位體系域。

(6)CD類型。有機相HI為125～50 mg/g，H/C為0.75～0.60，為通過重度氧化環境搬運來的陸相有機質。該類有機相反映有機質在沉積物中被侵蝕再沉積的過程。

(7)D類型。有機相HI不超過50 mg/g，H/C≤0.60。該類有機相含有被高度氧化的有機質，包括燒焦的木質(木炭)、再循環的陸生來源有機質、經歷熱演化而過成熟的組分，以及大量從多孔沙質中經歷氧化再沉積循環的木質的碎片。該類型有機相質量分數很低，沒有生烴能力。

3.2有機相劃分

束鹿凹陷泥灰巖干酪根類型主要為Ⅰ型及Ⅱ型，含少量Ⅲ型干酪根。最大熱解峰溫為424～452 ℃，平均為444 ℃，位于成熟階段[19]。晉116X井100個樣品測試結果顯示TOC質量分數為1.02%～4.92%，平均為2.02%；游離烴(S1)為0.10～7.63 mg/g，平均為1.50 mg/g；裂解烴(S2)為3.31～28.36 mg/g，平均為10.50 mg/g；HI為285～810 mg/g，平均為497 mg/g；泥灰巖的H/C為0.62～1.29、O/C為0.06～0.17(見圖5)。

以晉116X井為例，綜合巖性特征及樣品的TOC質量分數、HI及H/C，在單井上進行有機相劃分(見圖5)，可劃分為AB、B、BC和C類型。

圖5　束鹿凹陷晉116X井有機相劃分Fig.5 Organic facies of well Jin116X of Shulu sag

3.3儲集性能控制

圖6　不同類型有機相的孔隙度分布特征Fig.6 Porosity distribution of different organic facies

束鹿凹陷泥灰巖儲層孔隙度與有機質質量分數具有正相關關系(見圖5)。不同類型有機相層段的孔隙度具有明顯差別(見圖6)。有機相AB類型孔隙度為3.20%～4.60%，平均為3.90%； B類型孔隙度為1.30%～4.80%，平均為3.00%；BC類型孔隙度為0.80%～3.70%，平均為2.30%；C類型孔隙度為0～2.10%，平均為0.90%。反映有機相類型對儲層孔隙度起主要控制作用，有機相類型越好，儲層孔隙度越高。晉116X井泥灰巖發育有機相AB、B、BC和C類型，其中AB類型的泥灰巖儲集物性最好，為有利儲層；B、BC和C類型的泥灰巖儲集物性分別為較好、較差和最差。有機相控制頁巖油氣儲層的儲集性能，并可作為儲層評價重要因素。

有機相可以綜合反映有機質質量分數、類型、沉積環境等因素，以及有機質質量分數在空間的連續性變化。通過對單井在剖面上繪制有機相連井剖面圖、在平面上繪制有機相平面分布圖，對單井進行有機相劃分，進而對儲集層進行評價。

為了分析有機相在縱向上的變化及從盆地邊緣到盆地中央平面上的分布，選取束鹿凹陷從湖盆邊緣到湖盆中央的晉100井—晉97井—束探3井繪制有機相連井剖面圖(見圖7)。晉100井靠近湖盆邊緣，發育有機相B、BC、C、CD和D類型，其中有機相D類型最發育，其次為C類型，其他類型發育較少。晉97井發育有機相AB、B、BC、C和CD類型，其中有機相B類型最為發育，其次為C類型。束探3井相對靠近湖盆洼槽區，發育有機相AB、B、C、CD和D類型，其中以有機相B類型為主，發育較厚層的AB類型。

圖7　束鹿凹陷晉100井—晉97井—束探3井有機相連井剖面Fig.7 Organic facies cross section of well J100-J97-St3 in Shulu sag

由圖7可以看出，有機相在縱向上及橫向上分布不均，在靠近湖盆邊緣有機質質量較差，主要為D及C類型；往湖盆中央有機質質量逐漸變好，靠近湖盆洼槽區主要發育B和AB類型。另外，不同層序的有機相發育類型相差較大，其中SQ2有機質質量最好，主要以B類型為主，且發育較厚的、有機質質量分數高的AB類型，其他層序中缺少A類型發育。

有機相發育不均導致該泥灰巖儲層的儲集性能差異較大，具有縱向分層、橫向分帶的特點?？v向上，SQ2以高有機質泥灰巖發育為主。有機相主要為AB和B類型，儲集性能較好。該層為研究區主力烴源巖層，源儲一體，近源成藏，為有利目標層。橫向上，靠近湖盆邊緣的泥灰巖有機質質量分數低，有機相以D、CD和C類型為主，且離主力生油巖較遠，不利于油氣的聚集。坡折帶及洼槽區部位發育高有機質質量分數的紋層狀泥灰巖，生儲配置良好，有利于油氣的運移及聚集。

4　結論

(1)束鹿凹陷中洼槽沙三下亞段富有機質泥灰巖為自生自儲型非常規油氣藏，有機質在熱演化過程中可以生成有機質孔隙、產生酸性流體、形成溶蝕孔隙，以及形成異常高壓并產生高壓裂縫，為致密油氣的聚集和運移提供儲集空間及滲濾通道，是控制儲層質量的重要因素。

(2)根據巖石熱解參數、干酪根元素組成及有機質來源等，研究區有機相包括AB、B、BC、C、CD和D六種類型，缺少A類型發育。有機相對儲層孔隙度有重要控制作用，有機相類型越好，儲層孔隙度越高。根據有機相連井剖面，束鹿凹陷中洼槽沙三下SQ2的坡折帶及洼槽區部位發育具有優質有機相AB類型的高有機質質量分數的紋層狀泥灰巖，為有利儲層。

(3)相比于TOC質量分數、有機質類型等非常規油氣儲層的評價要素，有機相可以反映有機質質量分數、類型和沉積環境等，并能體現有機質品質在空間上的連續性變化。類似于沉積相，可通過單井、連井、平面上有機相類型及分布特征對非常規油氣儲層進行評價。

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2015-11-30；編輯：張兆虹

國家科技重大專項(2016ZX05049006-001-002)；中國石油大學(北京)科研基金項目(2462015YJRC022)

李慶(1985-)，男，博士，講師，主要從事沉積、儲層及非常規油氣勘探等方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.03.001

TE122.1

A

2095-4107(2016)03-0001-09