鄂爾多斯盆地延長探區頁巖油地質特征與勘探實踐

杜克鋒 魏笑笑

摘 要：鄂爾多斯盆地延長探區三疊系延長組長7油層組廣泛發育頁巖油資源，該區域長7油頁巖厚度在30-100m。通過巖心觀察、實驗分析、測井分析和多年的地質研究和勘探實踐，認為延長探區長7油層組廣泛分布黑色頁巖、暗色頁巖和夾薄砂層泥巖，長7泥頁巖有機質豐度為2.5%-14.3%，其中黑色頁巖最高、暗色頁巖次之;通過泥地比和砂層發育情況，依據巖性組合特征，將長7油層組頁巖油資源分為三類：I類（多期砂巖疊置發育型）、II類（頁巖夾薄砂巖型）、III類（純頁巖型）;延長油田針對I類頁巖油均有效動用，并且提交規模儲量，達到一定產能，II類、III類頁巖油目前正在通過地質工程一體化勘探思路開展試驗攻關，II類頁巖油水平探井FTP1井日前取得日產27方的工業油流，取得烴源巖層系II類頁巖油勘探重大突破，推動頁巖油勘探開發研究和實踐。

關鍵詞：延長探區;長7油層組;頁巖油;地質工程一體化

隨著世界經濟的發展，能源消費持續增長。2018年全球一次能源消費總量已達135.1×108t 油當量，其中原油和天然氣的占比分別為34.2%和23.4%。油氣仍是全球最重要的一次能源類型。預計到2050年，油氣在世界一次能源消費中的占比仍然在50%左右，油氣主體地位的保持在很大程度上將得益于頁巖油氣的貢獻。隨中國經濟的快速發展，油氣需求大幅度增加，國內油氣產量增長卻后續乏力。2018年，中國石油和天然氣對外依存度已分別達到了69.8%和45.3%。因此，大力推動頁巖油氣產業發展對于確保我國油氣安全與經濟增長具有重要意義。2019年，我國原油產量1.91億噸，原油進口量5.06億噸，石油對外依存度高達70.8%，亟待尋找新的資源接替。美國2018年頁巖油產量達3.29億噸，占其原油產量的59%，并且成本控制在40美元/桶左右。因此，非常規油氣是我國尋找接替石油資源的不二選擇，但是其研究、勘探、開發與美國非常規油氣不同，均存在很大的難度。目前，與美國大規模開發的海相頁巖油相比，我國陸相頁巖油也有豐富的儲量，具有良好的勘探開發前景。其中鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7油層組沉積時期發育一套深灰色、灰黑色泥頁巖，湖盆深，被認為是良好的烴源巖，具有極大的生烴能力。

1 國內外頁巖油研究技術發展趨勢

頁巖孔隙、喉道、裂縫及礦物組成的定量表征是成儲機理研究的基礎，下一步的研究方向是需要建立“全息”、“簡約”、有一定普適性的數字巖心。同時，還應結合油-巖相互作用（賦存機理）和流體可動性研究，認識孔喉大小、礦物組成與可流動性之間的關系，由此明確頁巖成儲的下限，認識其成儲機理。

頁巖油賦存機理和狀態的研究需要在巖石組分及孔喉表征的基礎上，通過油-巖相互作用實驗和數值模擬的結合，才能有效認識并定量表征;數模需要接受實驗的檢驗和校正，兩者最終需要與地質實例解剖相結合。

頁巖油可動性、可動量的評價。應用納米學科的理論和技術結合實驗可能是有效的思路和途徑。對其認識和表征需要以儲層表征和油-巖相互作用研究取得的認識作為數值模擬的初始條件和邊界條件，并接受實驗模擬的校正和檢驗，同時也服務于成儲機理和賦存機理的研究。

2 鄂爾多斯盆地頁巖油地質特征

2.1 儲層巖石類型主要為砂巖和泥頁巖

大量的鉆井取心資料表明，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油儲層巖石類型主要為砂巖和泥頁巖兩大類。其中砂巖以致密細砂巖為主，粉砂巖次之。巖心及含油性分析表明長7段泥頁巖也含油，并且礦場實踐表明泥頁巖可產出石油。根據巖性差異和有機質類型與含量不同，泥頁巖又可分為暗色泥巖和黑色頁巖兩類。Ⅰ類頁巖油儲層主要為中厚層細砂巖，巖石中石英+長石含量一般為55%～78%。Ⅱ類頁巖油儲層主要為泥頁巖中夾的薄層細砂巖、粉砂巖，粉砂巖中石英+長石含量一般在50%以上。Ⅲ類頁巖油儲層主要為富有機質暗色泥巖和黑色頁巖，巖石中石英+長石含量可達30%以上。長7段頁巖油砂泥巖儲層較高的石英及長石等脆性礦物含量，為頁巖油儲層體積壓裂改造提供了有利條件。

2.2 儲層類型在平面上分帶性清晰且大面積分布

受沉積環境控制，鄂爾多斯盆地長7段不同巖性的頁巖油儲層在平面上分帶分布規律明顯。細砂巖主要發育于東北部三角洲前緣分流河道及湖盆中部重力流沉積中。粉砂巖主要發育于東北部三角洲前緣前端及湖盆中部的半深湖—深湖。暗色泥巖和黑色頁巖主要分布于湖盆中部的半深湖、深湖環境，長73—長71期，暗色泥巖、黑色頁巖分布范圍逐漸減小。受物源供應、構造運動、盆地演化等因素影響，長7段具大面積富砂、廣覆式分布富有機質泥頁巖的特征，為發育大面積頁巖油提供了有利的儲集條件。

2.3 儲層致密但流體可動性較好

大量的巖心物性分析表明，鄂爾多斯盆地長7段致密砂巖儲層孔隙度一般為6%～12%，滲透率一般小于0.3mD;泥頁巖更為致密，孔隙度一般小于2%，滲透率小于0.01mD。巖石礦物定量掃描（QEMSCAN）、場發射掃描電鏡等多方法研究表明，殘余粒間孔、溶蝕孔、伊利石晶間孔是長7段頁巖油儲層主要的孔隙類型。長7段細砂巖儲層以微米孔隙為主，孔隙半徑主要集中在2～8μm，對儲集空間貢獻最大。長7段泥頁巖儲層以納米孔隙為主，暗色泥巖孔隙半徑主要為60～220nm，喉道半徑為20～160nm;黑色頁巖孔隙半徑主要為20～100nm，喉道半徑為40～100nm。頁巖油儲層喉道半徑一般為20～120nm，連通性較好（孔隙配位數每孔1～3個），納米級喉道連通微米級孔隙形成簇狀復雜孔喉單元，有效提升了儲集性能。核磁共振測試表明，長7段致密砂巖儲層可動流體飽和度為20%～60%，平均為48%，具有較高的可動性流體飽和度，為Ⅰ類、Ⅱ類頁巖油規模有效開發提供了有利條件。

2.4 發育廣覆式優質烴源巖

由于晚三疊世印支運動形成了鄂爾多斯面廣水深的大型坳陷湖盆的沉積格局，為烴源巖發育提供了有利的沉積條件。同時，長7期頻繁火山噴發為生物勃發提供了豐富的P、Fe等營養元素，湖盆內深部活躍的熱液作用具“施肥”效應觸發生物勃發，湖盆水體富營養化觸發高生物生產力，沉積期后的缺氧環境有利于有機質的保存，低陸源碎屑補償速度促進了有機質的相對富集。上述因素綜合作用形成盆地長7段發育廣覆式優質富有機質烴源巖。

根據沉積構造、巖石組構和有機質含量特征，盆地長7段富含有機質烴源巖可劃分為黑色頁巖和暗色泥巖兩類。烴源巖有機質母源以湖生藻類為主，生油母質條件好。其中黑色頁巖有機質類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，暗色泥巖有機質類型主要為Ⅱ1型和Ⅱ2型。黑色頁巖平均TOC為13.81%，暗色泥巖平均TOC為3.75%，兩類烴源巖均為陸相優質烴源巖。長7段烴源巖Ro分布于0.9%～1.1%，平均Tmax達到447℃，已達生油成熟階段，處于生油高峰期。殘留瀝青“A”法計算烴源巖排烴效率高，其中黑色頁巖排烴率平均為76%，烴源巖發生了強烈的排烴作用，利于長7段頁巖油規模成藏。兩類烴源巖大面積分布，其中黑色頁巖面積達4.3×104km2，平均厚度達16m，最厚達60m;暗色泥巖面積達6.2×104km2，平均厚度達17m，最厚達124m。廣覆式烴源巖為頁巖油規模成藏提供了良好的生烴物質基礎。

2.5 近源高壓持續充注成藏，油藏含油飽和度高、含油性好

鄂爾多斯盆地中生界長7段發育多套富有機質泥頁巖，與致密砂巖緊鄰接觸或互層共生，源儲配置好，油氣近源充注，利于頁巖油規模成藏。長7段優質烴源巖生烴強度大，黑色頁巖平均生烴強度為235.4×104t/km2，生烴量為1012.2×108t;暗色泥巖平均生烴強度為34.8×104t/km2，生烴量為216.4×108t，合計生烴量為1228.6×108t。而生烴模擬實驗及成藏古壓力分析表明，排烴前封閉條件下其生烴增壓可達到38.5MPa，成藏期儲層古壓力為18～26MPa，烴源巖、致密砂巖過剩壓力差一般為8～16MPa。因此，在近源持續高壓條件下，儲層中含油飽和度呈先快、后慢式增長，經歷快速成藏和持續充注富集兩個階段，致密砂巖儲層最終含油飽和度高達70%以上，含油性好。長7段泥頁巖含油性測試表明，泥頁巖自身可動烴平均含量達4.74mg/g，具有一定含油性。

2.6 油質輕、氣油比較高、埋藏淺，利于開發

鄂爾多斯盆地長7段頁巖油密度為0.80～0.86g/cm3，國外威利斯頓盆地和二疊盆地致密油密度為0.82g/cm3，國內準噶爾盆地二疊系致密油密度為0.88～0.92g/cm3，松遼盆地白堊系致密油密度為0.78～0.87g/cm3，四川盆地侏羅系致密油密度為0.76～0.87g/cm3，與國內外致密油密度相比差異不大，總體原油密度較小。鄂爾多斯盆地長7段頁巖油平均原油黏度為1.55mPa·s，高于北美二疊盆地致密油黏度（0.15～0.53mPa·s）。國內準噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組致密油黏度為0.4～4.1mPa·s，松遼盆地白堊系致密油黏度為4.0～8.0mPa·s，相比而言，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油原油黏度明顯較小。總體來看，長7段頁巖油油質輕，流動性好，有利于開發。

3 頁巖油勘探開發關鍵技術

3.1 頁巖油“三品質”評價方法

圍繞頁巖油識別評價和鉆完井工程應用需求，在常規儲層“四性”評價基礎上，建立了儲層、烴源巖、工程力學3類品質12項參數的定量解釋模型，為頁巖油地質甜點和工程甜點的預測提供了依據。

儲層品質定量評價：以孔隙結構和砂體結構為核心，建立頁巖油儲層微觀、宏觀非均質性定量表征參數。通過核磁共振T2譜計算毛細管壓力曲線，定量評價可動流體飽和度和喉道中值半徑。

烴源巖品質定量評價：按照源儲配置精細解釋思路，建立了烴源巖品質量化及分類評價參數，以電阻率與孔隙度曲線重疊ΔlgR法和測井參數多元統計回歸法評價TOC，為尋找優質烴源巖提供了依據。

工程力學品質定量評價：基于陣列聲波測井與三軸應力試驗，形成了巖石脆性指數與基于各向異性模型的地應力計算方法，為壓裂設計優化提供技術支持。

3.2 長水平井快速優化鉆井技術

針對長水平井鉆井摩阻高、扭矩高、鉆井速度低等難題，攻關形成了以井身結構優化、強化鉆井參數、優化鉆井液體系、配套關鍵提速設備為核心的快速鉆井技術，采用強抑制防塌堵漏鉆井液技術和儲層保護完井液技術，解決了漏失、坍塌問題，有效保護儲層，長水平井鉆井周期大幅縮短，平均鉆井周期由2016年的31.6天縮短至20天以內。

3.3 水平井體積壓裂技術

長水平井細切割壓裂見到明顯增產效果：為了進一步提高水平井單井產量和儲量動用程度，體積壓裂設計思路由增大裂縫接觸面積向細分切割精準改造發展，工藝技術由引進試驗向自主創新轉變，整體改造效果穩步提升。水平段長度大幅增加，由1200～1500m增加到1500～3000m;布井間距不斷縮小，由600～1000m縮小到200～400m;裂縫布放更加精準，由均勻分段多簇轉變為非均勻細分切割;縫控程度大幅提升，由50%～70%提高到90%～95%;改造工藝更加高效，由速鉆橋塞轉變為可溶橋塞/球座;體積壓裂改造段數增大，由8～12段提高到20～25段;水平井單井產量不斷攀升，由9.6t/d提高到17.3t/d。

4 鄂爾多斯盆地延長探區頁巖油勘探成效

頁巖油是非常重要的戰略接替資源，為賦存于富有機質頁巖層系中的石油（長7油層組），單砂體厚度不大于5m，累計砂地比小于30%，無自然產能或低于工業石油產量下限。頁巖油研究中主要引用地質工程一體化勘探思路，開展“烴源巖-儲層-工程”三類品質評價，積極開展“七性”特征綜合研究。現場實踐中，依據其巖性組合和砂地比等特征，將頁巖油劃分為I類、II類和III類，延長石油集團針對不同類型頁巖油開展不同的勘探思路研究和攻關，取得了一定的效果。

I類多期疊置砂巖發育型頁巖油，采取直井控儲、水平井求產的勘探開發方式，目前累計探明儲量5600萬噸，落實三級儲量1.83億噸。2020年LTP19井最高日產油達91噸，目前累計產液5870方，累計產油1921噸，平均日產油10噸以上。

II類頁巖夾薄砂巖型頁巖油，采取直井體積壓裂試驗、水平探井一體化勘探開展重點攻關工作，目前完鉆3口水平探井，其中FTP1井已累計生產頁巖油2100余噸，當前日產油7噸。

III類純頁巖型頁巖油，采取水平探井在裂縫帶、薄砂體積極開展遠景探索，目前GQ1井已完成壓裂，正在試油。

5 結論

根據巖性組合、砂地比、連續砂體厚度等因素，將鄂爾多斯盆地中生界長7段烴源巖發育層系內致密砂巖和泥頁巖中未經過長距離運移而形成的石油聚集統稱為頁巖油，并將其細分為3種類型。

鄂爾多斯盆地長7段頁巖油定義的明確及類型的細分，為盆地內頁巖油勘探開發明確了攻關方向及地質對象。鄂爾多斯盆地中生界長7段頁巖油具有大面積規模成藏的重要特征，雖然砂泥巖儲層總體致密，但由于油藏含油飽和度較高、油質輕、氣油比較高及埋藏較淺等，長7段頁巖油具備規模勘探開發有利條件，是持續上產穩產的重要接替領域。

近年來，通過系統技術攻關，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油地質理論認識、測井評價、水平井鉆完井、體積壓裂及工廠化作業等方面取得了系列進展，推動鄂爾多斯盆地長7段Ⅰ類頁巖油實現了規模有效勘探與開發。同時針對Ⅱ、Ⅲ類頁巖油積極開展探索攻關，直井勘探突破出油關，展現出巨大的勘探潛力。隨著理論認識的不斷深入和技術的不斷進步，鄂爾多斯盆地長7段頁巖油已成為石油上產的重要接替領域，同時對中國陸相頁巖油規模勘探開發起到了重要的引領和推動作用。

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作者簡介：

杜克鋒（1992-），男，河南新鄉人，研究生在讀，工程師，主要從事非常規油氣地質與勘探研究。

（1.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083;2.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710065）