下寺灣油田延長組長7段頁巖油儲層特征及勘探開發新突破

李錦鋒，張鳳博，楊連如，李星紅，龔嘉順，馬義飛，吳 丹，張獻偉，張道亮

(延長石油下寺灣采油廠勘探開發研究所，陜西 延安 716000)

0 引言

美國是世界上頁巖油開發較為成功的國家，在頁巖油開發各項領域中均取得了革命性的突破，截止2019年底，其頁巖油產量約占全美原油總產量的60%[1-2]。頁巖油革命在助推全球油氣儲量和產量增長、延長世界石油工業生命周期的同時，也進一步影響著世界各國能源戰略格局。近十年來世界頁巖油氣革命主要經歷了科技革命、管理革命和戰略革命[3-4]。科技革命將從原來單一的源外找油豐富到了源內找油、源儲一體領域；管理革命實現了頁巖油氣低成本開發；而戰略革命則重塑了世界油氣資源新版圖。隨著水平井鉆井技術、水平井細切割體積壓裂技術的不斷突破[5-7]及非常規油氣開發理論認識的不斷深入[8-13]，頁巖油在非常規油氣勘探開發領域占據了很大的比重。

下寺灣油田中生界三疊系延長組長7幾套烴源巖層系內的頁巖油和致密油(狹義頁巖油和狹義致密油)資源極為豐富，根據三級儲量預算層系內石油儲量可達1×108t以上，按目前水平井細切割體積壓裂開發技術8%～10%的采收率估算[7，14]，其最終產出的石油資源量在1×107t以上。因此，下寺灣油田三疊系延長組長7段頁巖油的高效勘探開發，對油田增產上儲和保障國家能源安全均具有長遠的戰略意義。

該文以近年來油田中生界頁巖油地質理論、技術攻關及勘探開發礦場試驗為基礎，對下寺灣油田中生界三疊系延長組長7段烴源巖的定義、頁巖油的定義、頁巖油類型、頁巖油儲層特征等進行了研究總結，在對烴源巖重新定義的基礎上，重新確定了頁巖油定義，細化了頁巖油類型及其特征，為今后下寺灣油田長7段頁巖油精細勘探開發指明技術方向。同時，近2年來長7段各類型頁巖油勘探開發取得了新的突破及成果，在堅定了下寺灣油田延長組長7段各類頁巖油勘探開發信心的同時，也對鄂爾多斯盆地南部陸相頁巖油精細勘探開發奠定了重要的基礎。

1 基本地質概況

鄂爾多斯盆地是一個大型多旋回克拉通疊合盆地，盆地內部構造較為簡單，無大型斷層發育。其中伊陜斜坡帶構造單元為盆地內油氣的主要富集區[14-15]。三疊系延長組主要發育一套內陸坳陷湖盆碎屑巖沉積，該沉積體系記錄了這個大型淡水湖盆從發生、發展到消亡的演化史。延長組自上而下可分為10期(長1～長10)，其中長1～長6為延長組上組合，以河流相沉積為主；長7～長10為延長組下組合，以湖泊相沉積為主。長7期為最大湖泛期，湖盆半深湖-深湖范圍達6.5×104km2，研究區下寺灣油田便位于半深湖-深湖范圍內，如圖1所示。根據長7段沉積旋回特征和巖性組合特征等，將長7段自上而下劃分為3個小層，即長71、長72和長73。其中長73期湖盆面積達到最大，處于湖盆發育的鼎盛時期，以富有機質頁巖、富有機質泥巖和富有機質粉砂巖沉積為主。由長73期至長71期，湖盆整體逐漸抬升，其面積也呈逐漸縮小趨勢。長72小層和長71小層以多套大面積準連續分布的細砂巖和粉砂巖沉積為主，同時在甘泉、富縣等局部地區也發育幾套薄厚差異較大的優質烴源巖。在伊陜斜坡帶中南部定邊、姬塬、吳起、華池、志丹、甘泉、富縣等地區，大面積準連續分布的細砂巖和粉砂巖與廣覆式優質烴源巖互層共生，形成了豐富的優質頁巖油資源[14-15]，是盆地內頁巖油勘探的主要目標區。下寺灣油田內頁巖油資源總面積約500 km2，因此研究區頁巖油勘探開發具有巨大的潛力。

圖1 鄂爾多斯盆地下寺灣油田位置分布圖Tig.1 The location of Xiasiwan Oilfield in Erdos Basin

2 下寺灣油田中生界頁巖油的界定

2.1 烴源巖定義

根據下寺灣油田延長組7段儲層地質特征和近幾年勘探開發實踐，為了對研究區長7段的石油資源進行統籌規劃和系統攻關，采用了賈承造等人在第八屆中國石油地質年會報告中對于碎屑巖沉積體系廣義烴源巖的定義，即高總有機碳含量(TOC)粉砂巖和泥頁巖均為研究區主要烴源巖。

2.2 頁巖油定義

早期頁巖油和致密油的概念均來源于歐美相關文獻，但其對二者的定義或區別較為模糊。在20世紀40年代AAPG Bulletin雜志中便出現了致密油這一概念，文中指出致密油是指富集在低孔滲致密儲層中的石油資源，無自然產能，需要借助水平井鉆井和水力壓裂等技術才能實現其高效開發[16]。而國內直到2018年國家才頒布了致密油礦種和定義，界定儲集在覆壓基質滲透率≤0.1×10-3μm2的致密砂巖、致密碳酸鹽巖或混積巖等致密儲集層中的石油資源。鄒才能、朱如凱和周慶凡[10，16-19]等人初期均采用了狹義定義，認為頁巖油是指純泥頁巖儲層中產出的石油，而致密油是指與烴源巖共生和緊鄰的致密砂巖儲層中產出的石油。付金華、牛小兵和穆立俊[7，14]等人對鄂爾多斯盆地中生界頁巖油研究認為，頁巖油是指烴源巖發育層系內致密細砂巖、粉砂巖、頁巖和泥巖中未經過長距離運移而形成的石油聚集，即采用了廣義頁巖油定義。

早在2017—2018年，下寺灣油田便在以長71和長72致密砂巖為儲層的致密油勘探開發中取得重大突破，實現了整裝規模開發。下寺灣油田近兩年采用水平井大規模細切割體積壓裂方式對長7烴源巖層系內的以頁巖為主的儲層段內的石油資源進行了風險勘探，且均突破了出油關。在壓裂改造中其致密細砂巖、粉砂巖、頁巖和泥巖儲層均得到了有效改造，且在產能建設中均有貢獻，尤其是在對多期疊致砂夾薄層泥巖型和頁巖(泥巖)夾薄層砂巖型儲層細切割大規模體積壓裂時，儲集層中含油頁巖和薄層砂巖均被有效改造，含油頁巖和致密砂巖對產能的貢獻已無法有效區分。為了對研究區長7段烴源巖層系內的石油資源進行系統攻關和整體開發，結合上述廣義烴源巖定義及研究區長7段地質特征，該文綜合考慮了廣義烴源巖定義和長7地質特征等多種因素，采用了廣義頁巖油定義，將長7段烴源巖層系內的全部石油聚集均定義為頁巖油。

2.3 下寺灣油田中生界頁巖油類型

在廣義烴源巖定義和廣義頁巖油定義的基礎上，綜合考慮了沉積微相特征、巖性組合特征、單砂體厚度和孔滲參數等因素，將下寺灣油田延長組長7頁巖油劃分為多期疊置砂巖發育型(Ⅰ類)、多期疊置砂夾薄層頁巖(泥巖)型(Ⅱ類)、頁巖(泥巖)夾薄層砂巖型(Ⅲ類)和純頁巖型(Ⅳ類)4種類型，如表1所示。

表1 下寺灣油田三疊系延長組長7段各類型頁巖油劃分Table 1 The classification of various types of shale oil in Chang 7 member of Yanchang Formation of Triassic in Xiasiwan Oilfield

Ⅰ類頁巖油為多期疊置砂巖發育型，砂地比主要分布區間為20%～30%，單砂體厚度 6～8 m。該類頁巖油主要發育于DG區長71和長72小層，儲層以砂質碎屑流沉積、砂質碎屑流-濁流沉積和濁流沉積致密細砂巖為主，孔隙度主要分布區間為8%～12%，滲透率為0.03×10-3～0.5×10-3μm2。該類型頁巖油在DG區采用水平井加大規模體積壓裂技術攻關試驗取得重要突破。

Ⅱ類頁巖油為多期疊置砂夾薄層頁巖(泥巖)型，砂地比主要分布區間為10%～20%，單砂體厚度4～6 m。整體以厚層細砂巖、粉砂巖為主，各砂巖層之間夾多套富有機質暗色泥巖或黑色頁巖(見表1)。該類頁巖油主要分布在油田內LLY區、QZ區和YC區的長71和長72小層，儲層以砂質碎屑流-濁流沉積和濁流沉積致密細砂巖為主，砂巖孔隙度為6%～10%，滲透率為0.03×10-3～0.2×10-3μm2。該類頁巖油在QZ區和YC區常規井和水平井的勘探開發中取得突破，是頁巖油水平井風險勘探的主要目標，可作為下一步頁巖油開發的潛力區。 Ⅲ類頁巖油為頁巖(泥巖)夾薄層砂巖型，砂地比分布區間為5%～10%，單砂體厚度 2～4 m。以細砂巖、富有機質粉砂巖、暗色泥巖和黑色頁巖為主。該類頁巖油主要分布在油田內CD區和LLY區的長71和長72小層，儲層以濁流沉積致密細砂巖為主，儲層孔隙度主要分布區間為4%～8%，滲透率為 0.000 1×10-3～0.1×10-3μm2。該類頁巖油在CD區水平井的勘探開發中取得突破，是頁巖油水平井風險勘探的主要目標，可作為下一步頁巖油開發的潛力區。

Ⅳ類頁巖油為純頁巖型，砂地比小于5%，單砂體厚度小于2 m。該類頁巖油主要分布在油田內LLY區、CD區的長73小層，儲層以半深湖-深湖沉積富有機質黑色頁巖、暗色泥巖和粉砂巖為主，儲層孔隙度主要分布區間為0.5%～4%，滲透率為0.000 1×10-3～0.03×10-3μm2。該類型頁巖油在CD區直井勘探中突破出油關，在LLY區水平井勘探取得階段性突破，是頁巖油水平井風險勘探的重要儲備區。

3 頁巖油儲層特征

3.1 沉積微相類型及特征

對研究區長7段巖心觀察、有機地球化學等分析表明，長7段可劃分出黑色頁巖、含粉砂質紋層黑色頁巖、暗色泥巖、含粉砂質紋層暗色泥巖、粉砂巖、細砂巖6種巖相。根據識別出的巖相類型及特征、巖性組合特征及測井響應特征等，在研究區長7段可識別出5種沉積微相，即深湖泥沉積、半深湖泥沉積、濁流沉積、砂質碎屑流-濁流沉積、砂質碎屑流沉積。

1)深湖泥沉積，主要在油田西南部LLY區長73段和CD區長73段中部發育，以黑色塊狀頁巖、黑色紋層狀頁巖和含粉砂質紋層黑色頁巖為主，偶見薄層狀凝灰巖，測井響應特征為GR曲線高緩。

2)半深湖泥沉積，主要在油田西南部LLY區長72段、CD區長73段上下部和DG區長73段發育，以暗色泥巖和含粉砂質紋層暗色泥巖為主，偶見薄層細砂巖、粉砂巖，泥質粉砂巖中現薄層凝灰巖。測井響應特征為高GR且局部存在鋸齒狀尖突。

3)濁流沉積，主要在油田西南部LLY區、QZ區、CD區長72段發育。以中厚層細砂巖夾薄層泥-粉砂巖為主，局部見薄層凝灰巖。粉砂巖中現水平紋理和小型沙紋層理，夾泥質薄層和凝灰巖薄層。測井響應特征為GR曲線為高幅齒化箱形和卵形。

4)砂質碎屑流-濁流沉積，主要在油田南部CD區長72段和DG區長71段發育。以塊狀細砂巖為主，局部為薄層細砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖互層。細砂巖中現水平層理、塊狀層理、滑塌變形構造和粒序層理。測井響應特征為GR曲線呈微齒化箱形。

5)砂質碎屑流沉積，主要在油田南部DG區長71段和長72段發育。主要為塊狀細砂巖，局部有細砂巖與泥巖、粉砂巖及薄層凝灰巖互層。細砂巖中現塊狀層理、滑塌變形構造和粒序層理。測井響應特征為GR曲線呈箱形。

3.2 儲層巖性特征

研究區長7頁巖油儲層巖石類型以砂巖、粉砂巖、泥巖和頁巖4種類型為主。大量巖心含油性分析和勘探試油成果表明，研究區長7段不僅細砂巖和粉砂巖可作為儲層，黑色頁巖和暗色泥巖也是長7頁巖油重要的儲層類型。

Ⅰ類頁巖油儲層類型主要以多期疊置砂致密細砂巖為主，粉砂巖次之，巖石中長石與石英含量一般為55%～75%。Ⅱ類頁巖油儲層類型主要以多期疊置砂細砂巖和粉砂巖為主，其所夾的薄層泥巖和頁巖次之，巖石中長石與石英含量合計一般為45%～55%。Ⅲ類頁巖油儲層以頁巖和泥巖為主，其所夾的薄層細砂巖及粉砂巖次之，巖石中長石和石英含量合計一般為35%～45%。Ⅳ類頁巖油儲層主要為富有機質黑色頁巖與暗色泥巖，其巖石中石英與長石含量合計一般為25%～35%。研究區長7頁巖油儲層脆性指數較高，一般在40%以上，體積壓裂適應性評價結果表明，研究區頁巖油儲層具備了大規模細切割體積壓裂改造潛力[7，14]。

3.3 儲層物性特征

根據表2研究區長7段106個巖心樣品的分析資料統計，長7段頁巖油儲層孔隙度分布區間為0.5%～ 12.6%，平均值為4.35%，其中75%的樣品孔隙度小于6%；滲透率分布區間為0.000 1×10-3～1.160 0×10-3μm2之間，平均值為0.14×10-3μm2，其中85%的樣品滲透率小于0.3×10-3μm2，為低孔、低-特低滲儲層，為典型的頁巖油儲層特征。

表2 下寺灣油田長7儲層孔隙度、滲透率統計Table 2 Statistics of porosity and permeability of Chang 7 reservoir in Xiasiwan Oilfield

3.4 儲集空間類型及特征

掃描電鏡和鑄體薄片等圖像分析結果表明，下寺灣油田長7段頁巖油儲層儲集空間中粒間孔隙、粒內孔隙、有機質孔孔隙和裂縫孔隙并存，在不同的區域和不同的層位，其儲集空間類型存在較大的差異。其中在長71和長72細砂巖、粉砂巖中的儲集空間以粒間孔、晶間孔、溶蝕孔和微裂縫為主。常見剩余粒間孔隙，在鏡下孔隙周圍顆粒無明顯溶蝕痕跡且外形呈不規則多邊形(見圖2a)，常見綠泥石薄膜膠結后的剩余粒間孔隙和黏土礦物充填膠結后的剩余粒間孔隙。溶蝕孔隙以粒內溶孔和粒間溶孔為主，粒內溶孔常見長石溶孔、巖屑溶孔(見圖2b、圖2c、圖2d)，粒間溶孔常見綠泥石膠結溶孔(見圖2c)。晶間孔主要分布在次生黏土雜基質點間，研究表明晶間孔對儲集能力也有一定的貢獻。微裂縫在細砂巖、粉砂巖中均有發育，在鑄體薄片中可明顯的觀測到。這些有效裂縫孔隙的發育，既可以作為油氣運移的有效通道，也可以作為油氣富集的儲集空間，進一步提升了儲層的滲流能力，這對致密油藏油氣的運移和成藏顯得尤為重要。

研究區長73粉砂巖、頁巖儲集空間則以有機質孔、粒內溶孔、晶間孔、裂縫孔隙為主，其中以有機質孔最為發育，尤其在LLY區長73儲集層中最為發育(見圖2e)，在CD區和QZ區長71和長72儲集層中和DG長73儲集層中也有發育，但整體發育相對較差。有機質孔隙是研究區頁巖油的主要儲集空間類型之一。黏土礦物顆粒內孔和伊利石晶間粒內孔(見圖2f)為主要的粒內孔類型。微裂縫隙在頁巖內部(見圖2g)和巖石力學性質突變帶(砂泥巖轉換面)也常有發育(見圖2h)。

圖2 下寺灣油田長7頁巖油儲集空間類型Fig.2 The reservoir space types of Chang 7 shale oil in Xiasiwan Oilfield

3.5 烴源巖特征

下寺灣油田長7段烴源巖厚度、Ro和TOC等值線疊合圖如圖3所示。受印支運動影響， 晚三疊世在鄂爾多斯盆地形成了大型坳陷湖盆沉積環境，為烴源巖的形成提供了優質的沉積環境[20-24]。下寺灣油田位于盆地南部，長7沉積期處于半深湖-深湖區域。現有研究成果表明[22-26]，三疊系延長組油藏油源主要來自延長組長7烴源巖。研究表明，研究區長7段烴源巖不僅包含黑色頁巖和暗色泥巖，富含有機質粉砂巖也是一種重要的烴源巖。烴源巖有機質類型以Ⅰ型、Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，具有有機質含量高(TOC為2.14%～5.42%)、成熟度適中(Ro為0.66%～1.14%)、分布范圍廣、沉積厚度大(20～80 m)、埋藏深度適中(900～1700 m)等特點，為一套優質烴源巖，為延長組油氣的富集成藏提供了豐富的油源[20-22]。

圖3 下寺灣油田長7段烴源巖厚度、Ro和TOC等值線疊合圖Fig.3 The superimposed diagram of the source rock thickness， Ro and TOC in the Chang 7 member of Xiasiwan Oilfield

4 各類型頁巖油勘探開發新突破

隨著近幾年致密油和頁巖油地質理論認識和精細勘探開發各項攻關技術的不斷突破[5-7，9-11]，下寺灣油田三疊系延長組長7段各類型頁巖油的勘探開發均取得了一定的成效。

4.1 Ⅰ類頁巖油規模開發取得重大突破

Ⅰ類頁巖油為多期疊置砂巖發育型，該類型頁巖油在下寺灣油田DG區(見圖4)開展水平井加大規模體積壓裂攻關試驗已取得重要突破，并實現了規模開發。DG區礦場試驗長7頁巖油水平井13口，均采用體積壓裂工藝。其中3口長71試驗水平井累計產油1.2×104t，10口長72試驗水平井累計產油4.0×104t(見表3)。隨著頁巖油精細勘探開發技術的不斷提升，研究區長7段Ⅰ類頁巖油展現出了巨大的開發潛力。

圖4 下寺灣油田長7段各類型頁巖油分布圖Fig.4 The distribution of various types of shale oil in Chang 7 member of Xiasiwan Oilfield

表3 下寺灣油田Ⅰ類頁巖油試驗攻關區13口水平井產量數據表Table 3 Production data of 13 horizontal wells in pilot zone of type I shale oil in Xiasiwan Oilfield

4.2 Ⅱ，Ⅲ類頁巖油風險勘探均突破出油關

近幾年針對Ⅱ類和Ⅲ類型頁巖油，技術攻關團隊采用了水平井和直井體積壓裂攻關試驗， 均突破了出油關。2018年Ⅱ類型頁巖油在下寺灣油田QZ

區長72小層Ⅱ類型頁巖油直井風險勘探中取得突破(見表4)，2019年在YC區長72小層Ⅱ類型頁巖油、CD區長72小層Ⅲ類型頁巖油水平井風險勘探中突破出油關(見表4)。Ⅱ類型和Ⅲ類型頁巖油在QZ區、CD區和YC區的突破，表明Ⅱ，Ⅲ類型頁巖油具有巨大的探勘開發潛力，是頁巖油水平井風險勘探的主要目標，可作為下一步頁巖油開發的潛力區。

表4 下寺灣油田Ⅱ，Ⅲ類頁巖油風險勘探成果Table 4 Risk exploration results of type II and III shale oil in Xiasiwan Oilfield

4.3 Ⅳ類頁巖油勘探取得階段性成果

對Ⅳ類型(純頁巖型)頁巖油進行了水平井和直井體積壓裂攻關試驗，在部分區域取得突破。其中純頁巖型頁巖油在下寺灣油田CD區X59井區直井體積壓裂試驗突破出油關，試油日產液7.4 m3，日產油5.4 t。試驗結果表明，Ⅳ類型頁巖油也具備了良好的勘探潛力。2019年在LLY區優選長73小層部署Ⅳ類型頁巖油水平井1口(GQ1井)進行攻關試驗。GQ1井水平段長度為1 000.0 m，油層鉆遇率達100%，鉆遇泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥頁巖等多種巖性，含油級別均為油跡級，全烴均值10.0%～35.0%。開展了巖性及含油性精細解釋后，制定了精細的壓裂試油方案，壓裂方案經過多次論證后目前正在準備壓裂試油，進一步探索純頁巖型頁巖油水平井風險勘探開發潛力。

5 結論

1)該文采用了賈承造等人在第八屆中國石油地質年會報告中對于碎屑巖沉積體系廣義烴源巖的定義，即高總有機碳含量(TOC)粉砂巖和泥頁巖均為研究區主要烴源巖。在此基礎上采用了廣義頁巖油定義，將下寺灣油田中生界長7段烴源巖發育層系內致密細砂巖、粉砂巖和泥頁巖中的石油聚集統稱為頁巖油，并根據長7段沉積微相特征、儲層巖性組合特征、單砂體厚度、儲層孔滲參數等因素，將研究區頁巖油細分為4種類型。通過對研究區烴源巖和頁巖油定義的重新厘定及頁巖油類型的進一步細化，對下寺灣油田長7頁巖油探勘開發一體化和地質工程一體化高效開發指明了方向。

2)研究區長7段可劃分出黑色頁巖、含粉砂質紋層黑色頁巖、暗色泥巖、含粉砂質紋層暗色泥巖、粉砂巖、細砂巖6種巖相。根據識別出的巖相類型及特征、巖性組合特征及測井響應特征等，在研究區長7段可識別出深湖泥沉積、半深湖泥沉積、濁流沉積、砂質碎屑流-濁流沉積和砂質碎屑流沉積5種沉積微相。儲層儲集空間類型為粒間孔隙、粒內孔隙、有機質孔孔隙和裂縫孔隙并存，儲層整體較為致密，屬典型的頁巖油儲層特征。

3)近年來，對長7段各類型頁巖油進行了技術攻關，均取得了不同程度的突破。其中長7段Ⅰ類頁巖油在DG區水平井規模勘探開發取得突破；Ⅱ，Ⅲ類型頁巖油水平井和直井相結合的方式在QZ區、YC區和CD區開展風險勘探技術攻關，均突破了出油關并展現出了巨大的勘探開發潛力；Ⅳ類頁巖油在CD區直井突破出油關，在LLY區水平井勘探取得階段性成果。隨著精細勘探開發技術的不斷進步和地質理論認識的不斷提升，研究區長7段各類型頁巖油已成為下寺灣油田增儲穩產的重要接替領域。