松遼盆地陸相頁巖油地質研究方法與勘探評價進展

柳 波，劉俊杰，付曉飛，鞏 磊，李玉偉，白龍輝，趙小青

1.東北石油大學 非常規油氣研究院，黑龍江 大慶163318；

2.東北石油大學環渤海能源研究院，河北秦皇島066004

0 引言

松遼盆地北部在20世紀80年代就發現了裂縫型頁巖油儲層，主要分布于大慶長垣以西的古龍地區白堊系上統嫩江組二段（K2n2）、姚家組二三段（K2y2＋3）、青山口組（K2qn）地層中，許多探井在頁巖段見良好氣測異常顯示，并有10余口探井獲工業油流［1］.前人對古龍地區青山口組裂縫型頁巖油有利勘探區進行了預測，估算石油資源量在1.8×108～4.4×108t，僅青山口組一段（青一段）有利勘探面積即可達2×104km2，勘探潛力巨大［2］.然而，青山口組頁巖油勘探直到近幾年才獲得突破性進展［3］，主要原因是：1）湖相細粒沉積體系氣候敏感性強，巖性縱向變化快，巖石顆粒細小，研究難度大；2）納米級儲集空間發育，研究技術要求高，頁巖地層內油氣賦存的主要儲集空間類型不清楚；3）頁巖裂縫發育的控制因素及展布規律尚不明確；4）針對頁巖儲層的工程品質開展有效的改造難度較大.這些問題都嚴重制約了松遼盆地青山口組湖相區的油氣勘探.

近期，中國地質調查局沈陽地質調查中心和大慶油田聯合鉆探的松頁油1井、松頁油2井和松頁油3井接連獲得工業突破［4］，重新計算松遼盆地北部頁巖油甜點區資源量近40×108t.東北石油大學非常規油氣研究院頁巖油攻關團隊緊跟勘探前沿，提出地質與工程一體化攻關思路，取得了系列科研成果.

1 細粒沉積研究體系

常規油氣勘探使陸源碎屑沉積學的研究側重于分析相對粗粒的砂巖成因，而對細粒沉積研究較少［5］.由于缺少明顯的砂巖、泥頁巖等巖性變化界面以及沉積構造標志，連續幾百米的泥頁巖沉積只能籠統地劃分為半深湖—深湖亞相，難以反映細粒沉積體系從宏觀、微觀甚至到元素尺度的縱向變化，不能滿足精細勘探的需要.

1.1 建立旋回格架

高頻等時旋回分析是不同級次旋回界面的確定及沉積體系內部結構剖析的關鍵［6］.測井資料具有連續性強和垂向分辨率高的優點，能夠連續記錄所測地層的成層性和韻律性特征，因此不僅可以有效地識別長期旋回，也可以識別短期和超短期旋回［7］.這正符合小波深頻分析方法研究信號的特點，通過小波變換可以將疊加的測井曲線分解成周期各自獨立的沉積旋回，以不同尺度的形式展示出來，而且不同周期曲線的分界面在小波系數曲線上也有明顯變化.

以中央拗陷帶斜坡區某井為例，對自然伽馬測井數據進行小波變換，青一段可劃分為1個長期半旋回、3個中期旋回（SSC1—3）（圖1）［8］.SSC1沉積早期，石英、黏土礦物含量逐漸增大，斜長石含量逐漸減小，元素Sr/Ba比值逐漸增大，表明沉積物搬運距離的增加以及成分成熟度的提高.礦物成分中黃鐵礦和元素Cu/Zn、V/Cr、V/（V＋Ni）比值的逐漸增大，指示水體還原性逐漸升高［9］，綜合表現為上升半旋回.SSC1沉積后期，粒度平均值逐漸增大，礦物成分中黏土礦物含量逐漸減小，斜長石含量逐漸增大，元素Sr/Ba比值逐漸減小，表明沉積物運移距離逐漸增加，成分成熟度逐漸提高.與之相對應，礦物成分及元素比值的變化指示水體氧化性質逐漸升高，綜合表現為下降半旋回.SSC2與SSC3沉積時期，同樣表現出類似SSC1的旋回變化，反映出青一段沉積時水體還原性減弱的過程中經歷了3期波動［10］.

1.2 頁巖巖相劃分及預測

深湖—半深湖亞相的泥頁巖看似單一，實際上存在著強烈的非均質性.本次研究提出了“有機碳含量－巖石構造－礦物成分”三分法的巖相分類方案［10］，將古龍凹陷青一段劃分七大類巖相：高有機質頁理黏土質頁巖相、高有機質塊狀長英質泥巖相、中有機質塊狀長英質泥巖相、中有機質紋層狀長英質頁巖相、低有機質紋層狀長英質頁巖相、低有機質夾層細砂巖相、低有機質夾層介屑灰巖相.

基于巖心觀察和實測數據的巖相劃分方案能否有效指導勘探，取決于不同類型的巖相是否具有能夠彼此區分的測井響應特征，而常規測井曲線的應用又增加了巖相識別的難度.MRGC算法是K鄰近分類算法（簡稱KNN）中的一種，是基于非參數最近鄰和圖形數據表示的多維點模式識別方法，比較適用于數據交叉或重疊較多的巖心物性和測井曲線的分類回歸預測.通過對常規測井資料中的自然伽馬、補償密度、補償中子、聲波時差、深側向電阻率和測井計算TOC值6類數據進行MRGC聚類分析，得到了與7類巖相相對應的測井相［11］，實現了基于常規測井數據的頁巖巖相識別.

圖1 松遼盆地青山口組一段沉積格架及古水體性質演化剖面（據文獻［8］修改）Fig.1 Evolution profile of sedimentary framework and paleowater property of K2qn1 in Songliao Basin（Modified from Reference［8］）

2 頁巖儲層結構非均質性表征技術

2.1 靜態表征方法

頁巖孔徑分布約以200 nm為主峰，因此用于常規儲層分析的顯微薄片觀察等手段已不再適用于頁巖孔隙的成因分析.通過氬離子拋光，在掃描電鏡下結合能譜分析，可以確定孔隙發育與礦物分布的關系，從而確定頁巖的孔隙成因.古龍地區青一段巖石的儲集空間按照成因和幾何形態可以分為孔隙和裂縫兩類.孔隙類型有3種：有機質孔、粒間孔、粒內孔.其中粒間孔又可以分為殘余原生/溶蝕粒間孔、晶間孔、剛性顆粒邊緣孔、黏土礦物間孔；粒內孔又包括粒內溶孔、晶內孔以及黏土礦物集合體內孔［12］.裂縫包括兩種：黏土礦物層間縫以及微裂縫.定量統計結果表明，青一段頁巖的孔隙類型主要為粒內孔，占所有孔隙類型的45%～70%，其中又以粒內溶孔占優勢；粒間孔的比例集中在20%～40%，以粒間溶孔居多；而有機質孔占整體的比例約為5%～15%.

孔隙結構是指孔隙的幾何形態、連通性和孔徑分布特征等.依據IUPAC的標準分類方法，孔隙寬度大于50 nm視為宏孔，2～50 nm之間為介孔，小于2 nm的為微孔.為綜合表征古龍地區青一段泥頁巖的全孔徑結構特征，本研究對頁巖樣品進行了高壓壓汞實驗以及低溫氮氣吸附實驗，分別表征宏孔和介孔的分布.實驗結果表明，青一段泥頁巖聯合孔徑分布具有3類特征：Ⅰ類以介孔為主，巖相類型以高—中有機質塊狀泥巖相為主；Ⅱ類以介孔和宏孔雙峰分布為特征，主要巖石類型為中—低有機質紋層狀頁巖相和低有機質夾層細砂巖相；Ⅲ類以宏孔為主，主要巖石類型為低有機質紋層狀頁巖相、低有機質夾層細砂巖相和低有機質夾層介屑灰巖相.

2.2 儲層演化機理

不同于一些國內外相關頁巖的報道，研究區有機質孔所占比例最大僅為15%，未達到60%以上，這是因為青一段泥頁巖的有機質類型主要以Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根為主，Ⅲ型較少，而Ⅲ型干酪根質地較為堅硬，可形成規則的圓狀孔隙.有機質孔的發育程度更重要的是受到烴源巖熱演化程度的影響.大量的研究認為，油傾烴源巖只有當Ro＞1.2%時（即處在石油裂解期）才會大量形成有機質孔.青一段的Ro平均為1.05%，在此階段下的有機質孔或發育較少，或大量被瀝青等填充.此外，與世界其他地區的頁巖油氣儲層相比較，青一段TOC及熱演化程度均較低，使得有機質孔未占主體.

成巖演化控制著粒/晶間孔和粒/晶內孔的發育情況，古龍凹陷青山口組主要處于中成巖A2—B亞期，伴隨著由于生烴作用釋放的有機酸流體［13］，在2 140 m與2 330 m深度處發育有2個次生孔隙帶，具有低K、高I/S、高方解石含量［14］.次生孔隙發育帶與生烴高峰對應，處于壓力梯度較大的超壓發育帶的頂、底部，其中上部次生孔隙發育帶最為有利，下部次生孔隙發育帶孔隙半徑有所降低（圖2）.

3 儲層裂縫發育類型及分布規律

3.1 裂縫類型及發育特征

天然裂縫為泥頁巖儲層提供了重要的儲集空間，是油氣運移和聚集的重要通道［15-16］.明確泥頁巖天然裂縫成因類型及發育特征是裂縫分布規律預測的重要基礎［17-18］.古龍地區青山口組巖心發育大量構造裂縫，裂縫產狀穩定，裂縫面平直光滑，常被方解石、石英等礦物充填，具有擦痕甚至階步的特征（圖3a）.構造裂縫延伸長度和高度都較大，平均為20 cm左右，最高可達280 cm.構造裂縫常成組出現，呈雁列式排列.根據裂縫的規模以及它們與巖石力學層之間的關系，泥頁巖巖石中構造裂縫又可以分為層控裂縫和穿層裂縫.層控裂縫相互平行，且與巖層面近垂直.穿層裂縫跨越若干個巖石力學單元，為多層構造，其幾何形態可以是單條裂縫面，也可以是近平行排列、密集分布的若干條裂縫組成的較窄的帶.穿層裂縫也具有較好的等間距性，說明它們是一種普遍存在的透入性構造.

成巖裂縫可以劃分為成巖層理裂縫和成巖壓溶縫合線等2種類型.成巖層理裂縫是在壓實作用、膠結作用、黏土礦物轉化等成巖過程中形成的沿著層理面發育分布的非構造裂縫（圖3b）.縫合線是沉積載荷作用使泥頁巖層負載引起的壓溶作用形成的，與巖層層理面平行或近于平行，縫合線峰柱垂直于巖層面（圖3c）.層理縫垂直于上覆壓力方向，開啟程度差，而壓溶縫合線絕大多數被不溶物質所充填，有效性均很差.古龍地區青山口組巖心超壓裂縫表現為被方解石或石英充填的裂縫脈群，單條超壓裂縫大多數呈寬而短的透鏡狀，少數呈薄板狀（圖3d）.

圖2 松遼盆地青山口組泥頁巖成巖作用與孔隙演化模式（據文獻［14］修改）Fig.2 Diagenesis and pore evolution model of the K2qn shale in Songliao Basin（Modified from Reference［14］）

圖3 松遼盆地青一段泥頁巖天然裂縫類型及發育特征Fig.3 Natural fracture types and development characteristics of the K2qn1 shale in Songliao Basin

3.2 裂縫分布規律

通過裂縫定量表征，明確不同因素對裂縫分布規律的影響，可為裂縫定量預測提供地質依據［19-21］.礦物成分及含量、異常高壓、構造部位、巖相以及巖石力學層是控制泥頁巖裂縫發育的主要因素［22-23］.

礦物成分及含量是決定泥頁巖裂縫發育程度的基礎.石英、長石、方解石、白云石等礦物含量高的泥頁巖脆性強，天然裂縫系統發育（圖4a），而黏土礦物則不利于天然裂縫的發育（圖4b）.碳酸鹽巖礦物含量高的泥頁巖中裂縫往往被全充填，而以石英、長石等礦物為主的泥頁巖中裂縫充填程度較弱.受欠壓實、生烴作用以及黏土礦物轉化脫水的影響，古龍地區青山口組形成了異常高的孔隙流體壓力.異常高壓流體的存在使應力莫爾圓向左移動，其最小主應力容易變成負值，使巖石容易發生拉張破裂，形成超壓裂縫，并常被方解石、瀝青等充填形成拉張裂縫脈群.

巖石力學層是控制裂縫形態和發育程度的重要因素.裂縫發育程度與地層厚度呈反比，巖石力學層越厚，裂縫數量越少，裂縫間距越大（圖4c），裂縫密度越小（圖4d）.斷層也是影響裂縫分布重要因素，斷層附近為裂縫密集發育區—破碎帶.斷層附近裂縫密集，隨著距斷層距離增加裂縫密度降低，當裂縫密度與區域裂縫密度相一致時，標志著破碎帶的結束，破碎帶寬度的大小受斷層的規模和活動強度影響.斷層上盤裂縫密度整體上大于下盤.

4 頁巖含油性評價方法

4.1 固體有機質及輕質油定量檢測

傳統用于表征頁巖含油性的地球化學參數主要包括巖石總有機碳（TOC）、索式抽提法得到的氯仿瀝青“A”、巖石熱解法得到的S1及衍生參數OSI（OSI＝S1/TOC×100）［24-26］.但是受限于這些實驗方法本身是基于烴源巖評價提出的，并且在樣品的保存、預處理及實驗過程中，各項參數的涵義并不能直接對等頁巖儲層中可采原油含量.近年來隨著核磁共振技術的發展，二維核磁共振技術已被證明能夠對頁巖中的輕質烴類流體及固體有機質區分并實現無損定量檢測［27-28］.多孔介質中不同流體的T1及T2響應不同，因此可用于流體性質的識別（圖5）.同時相比傳統的地球化學測試方法，二維核磁共振方法對樣品的無損檢測，能夠顯著降低樣品聯測、多次選樣時由于樣品間的非均質性帶來的誤差.本次研究以松遼盆地青一段密閉取心井頁巖樣品為研究目標，結合傳統地球化學測試及二維核磁共振檢測，綜合各含油性參數分布特征確定4段頁巖油富集層段.其中二維核磁檢測得到的輕質油含量在1.6～8.2μL/g，頁巖油富集段輕質油含量一般大于6.0μL/g.

4.2 不同賦存態頁巖油含量表征

圖4 松遼盆地青一段泥頁巖天然裂縫影響因素Fig.4 Influencing factors for natural fractures of the K2qn1 shale in Songliao Basin 1，2，3，4—剖面編號（section numbers）

圖5 松遼盆地青一段流體性質識別Fig.5 Identification of fluid properties of the K2qn1 shale in Songliao Basin

頁巖油賦存狀態對于頁巖油可動性有很大影響，對頁巖油動用方式的選取至關重要.根據賦存狀態，頁巖油主要可分為儲層孔隙空間中的游離態以及礦物顆粒、干酪根表面吸附態.石英、長石、碳酸鹽巖、黏土等是陸相頁巖的主要礦物組成，由礦物基質構成的粒間孔、粒內孔是游離態頁巖油的主要賦存空間，同時礦物顆粒表面還存在吸附態頁巖油［29-30］.另外，有機質作為頁巖的重要組成部分，在適當的成熟度等條件下，能產生可觀的孔隙空間供游離態的油氣賦存，同時頁巖中廣泛存在的干酪根所形成的“干酪根網絡”，也能夠為油氣的賦存提供大量的吸附表面［31-32］.分步抽提法提供了一種從頁巖儲層中分離提取與礦物組成相關的不同賦存態頁巖油的方法，其原理是根據不同相態頁巖油的賦存機理及其與頁巖礦物、有機質組成間的關系，對頁巖樣品進行分步處理并抽提獲取不同賦存態頁巖油［33］.油氣中的芳香烴以及極性化合物等在受到適當波長的光激發后，會自發產生特征熒光，因此能夠利用熒光光譜特征來反映油氣化學組成及性質［34］.本次研究選取松遼盆地青一段頁巖樣品，創新地使用定量顆粒熒光技術，對利用分級抽提獲取的游離態頁巖油（圖6a）、碳酸巖礦物表面吸附態頁巖油（圖6b）、黏土－干酪根復合體表面吸附態頁巖油（圖6c）的含量及性質進行定量表征.結果表明，青一段頁巖油以游離 態 為 主，熒 光 強 度 處 于37 739.7～111 268.0 pc（photometer count），頁巖油富集段輕質油含量一般大于10×104pc.黏土－干酪根復合體表面吸附態含量與有機質含量正相關，含量受有機質含量的控制，熒光強度處于509.1～2 858.0 pc.

圖6 松遼盆地青一段不同賦存狀態頁巖油表征Fig.6 Characterization of shale oil in different occurrence states of the K2qn1 shale in Songliao Basin

5 頁巖儲層工程品質和改造效果評價新方法

5.1 頁巖脆性評價新模型

針對現有40余種巖石脆性評價方法的適用性進行分析研究，在對大量實驗數據統計分析的基礎上，從巖石發生破壞的力學本質出發，提出了基于巖石壓縮破壞全過程能量演化規律的頁巖脆性評價新模型［35-39］，更能反映頁巖壓裂的巖石塑脆性特征及對應的破裂模式，能夠為工程甜點的評價選取提供有利指標.此外，從能量角度來研究巖石脆性，還很好地解釋了圍壓對脆性的影響.以往的任何一種脆性模型都無法符合隨圍壓增加、巖石脆性減弱而塑性增強單調變化的物理客觀事實，但從能量演化規律來分析巖石脆性，則很好地解決了這一技術難題［40］.對于深部高地應力地層特別是頁巖油的開發開采評價應用，該技術具備了好很好的適用性.

5.2 基于人工智能方法的頁巖儲層可壓裂性評價

頁巖油開發需要對地質、工程有統籌深入認識和規劃，不能單一地拋開地質問題來談工程品質，也不能簡單地認為地質甜點即工程最優，因此當前地質－工程一體化的開發技術思路得到了廣泛的認可.儲層壓裂改造是頁巖油開發最為有效的技術，而如何保證壓裂改造的效果是地質、工程技術人員關注的焦點.為此，人們提出了可壓裂性的概念，用于預測和描述儲層是否適合進行壓裂改造以及壓裂可能產生的改造效果.以往對于可壓裂性的研究，也同樣經歷了從地質、工程單一參數評價到地質－工程整體分析的演變.目前，人工智能技術得到了迅速的發展，將該技術引入到頁巖油開發的可壓性評價中，充分利用了大數據分析的有利優勢，將地質和工程方面眾多因素（孔隙度、滲透率、地層壓力、埋藏深度、含油飽和度、儲層厚度、脆性指數、破裂壓力、壓裂段數、排量、砂量等）考慮在內，很好地從地質－工程一體化角度解決了對頁巖儲層開發的選井選層等技術問題.

5.3 壓裂效果預測與評價

頁巖大規模壓裂改造后的壓裂裂縫形態，直接決定了改造的效果.最大程度地增加改造體積和增加裂縫復雜程度目前被認為是對提高改造效果最為有效的［41］.然而，由于頁巖本身力學性質的復雜性、儲層天然裂縫的發育以及其他眾多因素的影響，對壓裂裂縫形態的預測和描述是目前該技術領域的難點.而且只有很好地預測和描述裂縫擴展形態，才能為后續產能的數值模擬預測等工作提供保障.用于描述裂縫擴展形態的技術手段大致可以分為室內壓裂物理模擬實驗和通過構建數學模型實現數值模擬兩類.壓裂物理模擬，可以施加真實的地層條件采用真實巖心來重復壓裂過程［42］，并直觀地觀測壓裂后裂縫擴展情況，但受限于尺度，該方法只能用來定性分析和預測，并且技術應用成本相對較高.數值計算模擬，可以開展地層大尺度條件下的裂縫擴展模擬，與物理模擬相比，應用成本相對較低，但驗證模型的有效性是應用的重要前提，需要技術人員具備較好的巖石力學、數學和計算機等基礎理論功底［43］.目前，對于頁巖油壓裂裂縫形態的預測，數值模擬仍是首選的技術方法，在未來仍有較多的技術難點等待攻克.

6 結論

（1）青山口組一段沉積時水體還原性減弱的過程中經歷了3期波動.依據“有機碳含量－巖石構造－礦物成分”三分法的巖相分類方案將青一段巖相劃分為7類.

（2）儲集空間整體以粒內孔占優勢，孔隙結構偏向于混合孔隙網絡.次生孔隙發育帶與生烴高峰對應，處于壓力梯度較大的超壓發育帶的頂、底部.青一段泥頁巖裂縫以構造裂縫為主.斷層附近裂縫密集，當裂縫密度與區域裂縫密度相一致時，標志著破碎帶的結束.

（3）青山口組頁巖中以游離態的輕質頁巖油為主，吸附態頁巖油相對較重，流動性差.在小于10 nm的孔徑范圍內有大量可動的頁巖油存在，證明青山口組頁巖儲層的微孔中同樣有油氣富集.

（4）基于能量演化理論建立的脆性評價模型，能很好地適用于頁巖脆性評價.采用人工智能方法，基于地質－工程一體化大數據分析，能夠很好地解決頁巖儲層壓裂的選井選層技術難題.