陸相頁巖油研究進展及開發(fā)地質(zhì)面臨的問題

印森林，謝建勇，程樂利，吳有鑫，朱柏宇，陳恭洋，趙俊威

1.長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院，湖北荊州 434023

2.中國石油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依 834000

3.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100

0 引言

頁巖油是重要的油氣戰(zhàn)略接替資源。其效益開發(fā)不僅改變了北美能源的供需格局，也是今后一個時期我國油氣資源開發(fā)的現(xiàn)實目標。學(xué)者們提出了陸相頁巖油的6個典型特點：1）頁巖主要發(fā)育于半深湖—深湖強還原環(huán)境，沉積速率低并伴隨有不同程度的化學(xué)沉積作用[1-3]。2）有機質(zhì)含量高。富有機質(zhì)含量對頁巖油生油潛力、含油量、儲集能力及碳酸巖鹽結(jié)晶形態(tài)控制明顯[4]。3）頁巖礦物組成復(fù)雜。其不僅富含有機質(zhì)，還常常具有頁狀或者紋層狀層理。其礦物成分主要包括石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物和蒙脫石、伊蒙混層、伊利石、高嶺石等黏土礦物，常常含黃鐵礦[2-3,5-8]。4）頁巖油是典型的自生自儲和滯留聚集成藏模式，具有大面積含油、儲集體相對連續(xù)分布特征[9-13]。5）頁巖油儲層屬于典型的致密儲層，孔隙度較小，孔喉半徑小，原始滲透率極低，原油流動性較差，微觀非均質(zhì)性極強[14-16]。6）頁巖油儲層需要改造后才具有工業(yè)產(chǎn)能。頁巖油儲層一般不具有自然產(chǎn)能，其可壓性取決于天然裂縫發(fā)育程度、巖石礦物組成及巖石本身力學(xué)性質(zhì)[4,15,17]。

與北美海相頁巖油不同[12,18-22]，中國湖相陸源碎屑形成的富有機質(zhì)頁巖油氣富集類型十分多樣，廣泛分布在我國東部和西部陸相湖盆內(nèi)[17,23]。受沉積、沉積后作用和成藏過程中流體性質(zhì)的影響，不同頁巖油在源儲結(jié)構(gòu)模式、油氣成藏特征和生產(chǎn)動態(tài)上差異性明顯，導(dǎo)致了不同類型頁巖油需采用不同的開發(fā)對策，例如，碳酸鹽巖質(zhì)與碎屑巖質(zhì)頁巖油等。長期的開發(fā)實踐經(jīng)驗表明，面對當前頁巖油正從試驗向經(jīng)濟效益開發(fā)階段過渡的關(guān)鍵時期，受多種因素的約束，目前陸相頁巖油在開采階段遇到了與常規(guī)油田類似卻更加復(fù)雜的開發(fā)地質(zhì)類難題，例如，頁巖油儲層超高頻基準面旋回對比模式、半深湖—深湖相多級次構(gòu)型單元成因及分布模式、復(fù)雜礦物成分巖性解釋、儲層參數(shù)解釋、甜點綜合分類評價及地質(zhì)工程一體化等。這些難題嚴重制約著陸相頁巖油開發(fā)效率。因此，本文擬針對陸相頁巖油的概念、研究進展和開發(fā)地質(zhì)面臨的問題開展探討，為當前高效開發(fā)頁巖油提供指導(dǎo)和思路。

1 頁巖油的概念及研究歷程

頁巖油的概念是在長期開發(fā)實踐中逐步完善的，經(jīng)歷一段時間演化后，結(jié)合當前實際提出了符合現(xiàn)場生產(chǎn)開發(fā)的定義。以下將針對頁巖油的定義、頁巖油的研究歷程等進行詳述。

1.1 頁巖油的概念

頁巖（Shale rock）是指由粒徑小于0.062 5 mm的碎屑顆粒、黏土和有機質(zhì)等組成，具有頁狀和薄片狀層理，易碎裂的細粒沉積巖[9]。與此緊密相關(guān)的頁巖油（Shale oil）概念在國內(nèi)外被廣泛使用，不過國內(nèi)外關(guān)于頁巖油的概念并不統(tǒng)一，缺少清晰明確的界定。最早，有人用“頁巖油”來表述利用熱解、干餾等方法從油頁巖生產(chǎn)出的石油，又稱其為人造（合成）原油[24]。隨后，學(xué)者提出了“頁巖油氣”的概念，是泥頁巖層系烴源巖大規(guī)模生烴后未能充分排出而滯留在源巖中或經(jīng)過短距離運移后就地聚集而成的油氣藏，以游離態(tài)、吸附態(tài)以及油氣互溶形式賦存在頁巖系統(tǒng)中（泥頁巖層以及其他致密巖性夾層）具有連續(xù)型油氣聚集的特征[3,25-27]。之后，為了更加明確地區(qū)分不同油氣資源，國內(nèi)學(xué)者將頁巖油與頁巖氣分開定義。同時，將頁巖油細分為廣義頁巖油和狹義頁巖油。廣義頁巖油泛指以吸附或游離狀態(tài)賦存于烴源巖或與烴源巖頻繁互層、緊密相鄰的致密碳酸鹽巖、致密粉細砂巖等儲集巖石類型中，沒有經(jīng)過大規(guī)模和遠距離運移的靠近源巖的石油聚集，與國外的致密油概念相當。而狹義頁巖油則特指呈吸附或游離狀態(tài)賦存于烴源巖內(nèi)富含有機質(zhì)頁巖中的源巖內(nèi)部石油聚集[28-29]。研究表明，頁巖油與致密油的主要區(qū)別如下：致密油主要指賦存于與緊密相鄰烴源巖或烴源巖頻繁互層的致密碳酸鹽巖、致密粉細砂巖等儲集巖石或儲集層中，烴類僅經(jīng)過短距離二次運移，未經(jīng)過大規(guī)模長距離運移的原油[10,30]。而頁巖油是源內(nèi)就地聚集的，為典型源內(nèi)成藏，無二次運移。為加快頁巖油的評價與勘探開發(fā)，2020年3月31日，全國石油天然氣標準化技術(shù)委員會發(fā)布了《頁巖油地質(zhì)評價方法》（GB/T 38718—2020）的標準，正式給出了頁巖油的標準定義。頁巖油是指賦存于富含有機質(zhì)頁巖層系中的石油。富含有機質(zhì)頁巖層系內(nèi)的粉細砂巖、碳酸鹽巖等儲集層單層厚度不大于5 m，累積厚度占頁巖層系總厚度比例小于30%，無自然產(chǎn)能或低于工業(yè)石油產(chǎn)量的下限，需采用特殊工藝技術(shù)措施才能獲得的工業(yè)石油產(chǎn)量[31]。

1.2 頁巖油的研究歷程

目前國外實現(xiàn)頁巖油氣大規(guī)模商業(yè)性開采的國家主要有加拿大和美國。美國頁巖油的發(fā)展經(jīng)歷了60 余年的艱辛探索，其頁巖油勘探開發(fā)大體可分為三個階段（圖1）。第一階段探索階段（1953—1986年）。1953 年，主要集中開發(fā)了威林斯頓盆地Antelope 油田Bakken 頁巖區(qū)，產(chǎn)量比較低。第二階段起步階段（1987—2006 年）。1987 年，Bakken 上段頁巖油第一口成功應(yīng)用水平井技術(shù)為標志，把開發(fā)區(qū)塊拓展到了Eagle Ford頁巖油區(qū)。1995年，美國地質(zhì)調(diào)查局對Bakken 開展了第一輪資源評價。2000年，Bakken 中段鉆探了第一口水平井，發(fā)現(xiàn)了Alm Coulee 油田。2006 年，Eagle Ford 頁巖油開始投入大規(guī)模生產(chǎn)開發(fā)。第三快速發(fā)展階段（2007 年至今）。2007 年，由于水平井分段壓裂的新技術(shù)在Bakken 組的成功應(yīng)用，使得產(chǎn)量達110×104t，促進了開發(fā)向其他頁巖區(qū)快速拓展。2010 年，頁巖油產(chǎn)量占到美國本土原油產(chǎn)量21%。2016年，頁巖油產(chǎn)量2.055×108t（美國總產(chǎn)量4.54×108t），占比46%。到2018 年，美國頁巖油的年產(chǎn)量逐步增加達到了3.361×108t，占年產(chǎn)石油總產(chǎn)量的64.7%[1]。

中國的頁巖油發(fā)展也大致可劃分為三個階段（圖1）。第一階段是學(xué)習(xí)借鑒階段（2003—2008年）。2003 年，我國學(xué)者開始密切關(guān)注美國頁巖氣勘探開發(fā)及研究進展，國際動態(tài)跟蹤美國能源信息署（Energy Information Association，簡稱EIA）、美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，簡稱USGS）。第二階段是概念提出與探索發(fā)現(xiàn)階段（2009—2013年）。2010 年，提出了致密油概念，同年吐哈油田H18 井日產(chǎn)3.58 t/d。2011 年，召開了中國石油致密油研究會議，針對致密油的勘探開發(fā)開展相關(guān)研究。2012年，中國開始與殼牌開展國際合作，并推進中國石油第一屆致密油氣大會；同年，三塘湖盆地蘆草溝組頁巖油風險勘探，T34 井區(qū)塊獲突破，QP1 井獲日產(chǎn)10.2 t/d工業(yè)油流。2013年，致密油地質(zhì)評價行業(yè)標準制定，召開了中國石油第二屆致密油氣勘探推進會；同年，吉木薩爾凹陷頁巖油共完鉆水平井37口，建產(chǎn)能22.35×104t；長慶油田頁巖油直井體積壓裂改造，獲工業(yè)油流井13 口；雷家地區(qū)、大民屯凹陷已形成億噸級規(guī)模增儲區(qū)。第三階段是工業(yè)化試驗與生產(chǎn)階段（2014 年至今）。2014 年，國家973 致密油項目啟動，發(fā)現(xiàn)新安邊致密油田，ST1H、2X、3井等多口井獲工業(yè)油流；2016 年，國家重大專項致密油（頁巖油）項目啟動，與殼牌開展頁巖油原位轉(zhuǎn)化合作 研 究。SYY1、SYY2 井 試 油3.22 t/d、4.58 t/d。2017 年，吉林探井5 直1 平。2018 年，致密油地質(zhì)評價國家標準制定，召開了中國陸相頁巖油技術(shù)交流會和中國石油頁巖油領(lǐng)域風險勘探研討會與目標審查會；同年，滄東凹陷GD1701H 日產(chǎn)油75.9 m3，氣5 200 m3；2019 年，吉木薩爾國家級陸相頁巖油示范區(qū)建立；2020 年3 月《頁巖油地質(zhì)評價方法》國家標準正式頒布，標志國內(nèi)陸相頁巖油開發(fā)正式拉開序幕。

2 陸相頁巖油資源量分布、類型和潛力

我國陸相頁巖油資源豐富、類型多樣，其資源評價方法與關(guān)鍵參數(shù)還在探索之中。最近勘探顯示，占比約60%的頁巖油地質(zhì)資源量分布在松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地等四大盆地（圖2），分別為54.6×108t、27.4×108t、60.5×108t 和25.1×108t，資源總量167.6×108t，是今后我國陸相頁巖油勘探開發(fā)的核心地區(qū)[32-34]。

圖2 中國陸相頁巖油分布區(qū)（據(jù)文獻[17,23,32]修改）Fig.2 Shale oil areas in mainland China (modified from references [17,23,32])

2.1 陸相頁巖油資源量評價方法及潛力

中國陸相頁巖油儲層與北美地區(qū)海相頁巖油差異較大，不能完全照搬北美地區(qū)的評價模式與關(guān)鍵技術(shù)，特別是在陸相頁巖油資源評價方法與有利區(qū)優(yōu)選的關(guān)鍵參數(shù)方面，暫時還缺少有針對性的、適用的表征方法和參數(shù)。當前頁巖油資源計算參數(shù)仍使用傳統(tǒng)概率體積法、類比法及統(tǒng)計法等常規(guī)計算方法。其中含油率是體積法計算頁巖油資源量的核心參數(shù)，可通過巖心實測法、地球化學(xué)法、統(tǒng)計法和含油飽和度法等方法獲取。頁巖油地質(zhì)資源量與可采系數(shù)的乘積就是計算的頁巖油可采資源量。頁巖油的“可動性”是未來長時間內(nèi)通過頁巖油滲流機理研究亟待解決的關(guān)鍵問題[29]。針對含油量的計算方法還在討論，中—高成熟度頁巖油采用含烴孔隙度的概念密閉取心分析確定，也可通過巖心標定后的測井資料計算確定；中—低成熟度頁巖油用單位質(zhì)量油頁巖經(jīng)低溫干餾后所得油的百分率含量來表征[16]。

2019 年，中國石化初步估算全國頁巖油的技術(shù)可采資源量為（74～372）×108t；近期中國石油估算全國頁巖油（含油頁巖）的技術(shù)可采資源量為145×108t[34]。在松遼及渤海灣等東部中新生代陸相斷陷型盆地中，均已不同程度地獲得了頁巖油流（圖3a，b）。松遼盆地白堊系富有機質(zhì)頁巖層段穩(wěn)定分布，厚度較大（100～300 m），有機質(zhì)以腐泥型與混合型為主，TOC 含量為0.7%～2.5%，Ro值在0.7%～2.0%（圖3a）。在中部坳陷型盆地，例如，鄂爾多斯盆地三疊系長7 段泥頁巖廣泛發(fā)育且規(guī)模較大，厚度為50～120 m，TOC 含量為0.5%～6.0%，Ro值為0.7%～1.5%（圖3c）。四川盆地與其周緣盆地自上三疊統(tǒng)到下侏羅統(tǒng)的泥頁巖層系厚度大、分布范圍廣、有機質(zhì)類型多樣復(fù)雜。此外，在我國南方局部地區(qū)，中生界層系中陸相富有機質(zhì)泥頁巖層系也十分發(fā)育，頁巖累積厚度雖然較大，但是滲透性砂巖類夾層卻發(fā)育程度高。在我國西部擠壓前陸型盆地，陸相富有機質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育于中生界層系，累積厚度很大，常常夾含煤層，有機質(zhì)含量高，成熟度則一般較低。在準噶爾盆地二疊系和侏羅系頁巖層系累積厚度超過了300 m，有機質(zhì)含量較高為偏腐泥—混合型，TOC 含量為4.0%～10.0%，Ro值為0.5%～1.0%[29（]圖3d）。

圖3 不同盆地頁巖油的典型特征（據(jù)文獻[29]修改）Fig.3 Typical characteristics of shale oil in different basins (modified from reference [29])

2.2 陸相頁巖油不同分類

陸相頁巖油按照有機質(zhì)成熟度、源儲結(jié)構(gòu)組合類型和開發(fā)生產(chǎn)方式可以分為不同類型。

2.2.1 按有機質(zhì)成熟度分類

從有機質(zhì)成藏角度來看，按有機質(zhì)成熟度演化階段分段：1）Ro值小于0.5%為固態(tài)有機質(zhì)分布段為油頁巖生成窗口期；2）Ro值為0.5%～1.0%是液態(tài)滯留烴、未轉(zhuǎn)化有機質(zhì)和多類瀝青物排烴共同作用段，為中—低成熟度頁巖油生成窗口期；3）Ro值為1.0%～1.6%是液態(tài)烴大量生成階段，油質(zhì)較輕、氣油比很高，為中—高成熟度頁巖油生成窗口期；4）Ro值大于1.6%是天然氣廣泛生成和液態(tài)烴大規(guī)模裂解階段，直接過渡到頁巖氣生成階段[8]。

2.2.2 按源儲結(jié)構(gòu)類型劃分

根據(jù)頁巖層系內(nèi)致密儲集層與烴源巖分布位置特點以及源儲構(gòu)型組合差異，可將我國陸相頁巖油劃分為源儲分離型、源儲共存型和純頁巖型3 類[34]。1）源儲分離型：頁巖層系源儲間互分布，源儲壓差是成藏富集頁巖油的動力。以松遼盆地白堊系青山口組中上段和鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組7 段中上部為代表，具有砂泥互層、泥厚砂薄、源巖儲集層呈分離狀且縱向距離較遠的特點，夾含于頁巖層系內(nèi)的滲透性條帶薄砂巖層物性相對較好，是頁巖油的甜點段。2）源儲共存型：頁巖層系發(fā)育生油層系和儲油層系巖石，巖性變化迅速、源儲互層頻繁，甜點段厚度不大、但平面分布較廣，聚集主要動力為生烴增壓。以渤海灣盆地古近系孔店組和準噶爾盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組等為代表。3）純頁巖型：頁巖包含生油巖和儲集巖雙重屬性，頁巖中滯留于頁巖內(nèi)的液態(tài)烴和尚未轉(zhuǎn)化成為有機質(zhì)是主要資源類型。中—高成熟度純頁巖型頁巖油以半深湖—深湖相細粒沉積巖為主，其有機質(zhì)豐度高、類型豐富、紋層構(gòu)造發(fā)育、黏土含量高、物性差等特征，以松遼盆地青山口組下段、鄂爾多斯盆地長7 段下部、四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段為典型代表。

2.2.3 按開發(fā)生產(chǎn)對象分類

除上述兩種分類外，還可以按生產(chǎn)開發(fā)條件及開發(fā)經(jīng)濟效益，參考頁巖油賦存空間，將其劃分為夾層型、混積型、頁巖型和裂縫型4 類[29]。1）夾層型儲集層“甜點”可以夾粉細砂巖、碳酸鹽巖、凝灰?guī)r或者其他巖性，其中最重要類型是粉細砂巖甜點型，呈現(xiàn)多類型、多層系、較大面積分布的特點，頁巖油富集方式主要以源巖內(nèi)薄互層“甜點層”樣式（圖4a）；2）混積型儲集層“甜點”則受氣候韻律、水動力和不同物源混積、有機質(zhì)絮凝、水介質(zhì)環(huán)境條件變化等多因素綜合作用形成的混積型頁巖層系（圖4b）；3）頁巖型儲集層的“甜點”以純頁巖為主（圖4c），具備一定的有效孔隙空間和滲流能力，其包含烴源巖和儲集巖雙重屬性[17]。4）裂縫富集型，伴隨局部斷層發(fā)育或構(gòu)造坡折帶影響，裂縫十分發(fā)育，形成了可以大量儲集頁巖油的孔隙空間和滲流通道（圖4d）。

圖4 陸相頁巖油分類及源儲組合樣式（據(jù)文獻[17,29]修改）Fig.4 Continental shale oil classification and source-reservoir combination style (modified from references [17,29])

3 陸相頁巖油若干關(guān)鍵問題研究進展

隨著國內(nèi)陸相頁巖油的勘探開發(fā)逐漸深入，創(chuàng)新建立了沉積學(xué)新分支——細粒沉積學(xué)，開展頁巖、粉砂巖等細粒級巖性沉積物的物理與化學(xué)性質(zhì)及其沉積作用、沉積過程等研究，可以為富有機質(zhì)泥頁巖分布預(yù)測、細粒致密儲集層、混積細粒巖沉積特征、有利沉積相帶和富集區(qū)優(yōu)選提供理論基礎(chǔ)。

3.1 頁巖油細粒巖分類及沉積模式

3.1.1 頁巖細粒沉積巖分類命名

頁巖屬于細粒沉積巖其中一種，細粒沉積是指由物理、化學(xué)和生物沉積作用綜合所形成，粒級小于0.01 mm的顆粒含量大于50%的一類沉積巖，主要由陸源碎屑（黏土與粉砂級顆粒）及內(nèi)生生物微粒以及化學(xué)作用沉積組分所組成[35]。然而，因頁巖沉積環(huán)境一般處于安靜還原環(huán)境，因此還伴隨一定的化學(xué)與生物細粒沉積巖，常稱為細粒混合沉積，其是指機械物理作用搬運的陸源碎屑顆粒與化學(xué)沉淀成分或生物成因組分混合沉積并以單層（或紋層）混合沉積的方式產(chǎn)出的沉積巖類型[36]。其組成成分包括：1）碎屑成因組分類，以陸源碎屑礦物（石英、長石、云母等）和黏土礦物（高嶺石、伊利石、綠泥石等）為主；2）化學(xué)成因組分類，包括鐵氧化物、鋁氧化物、錳氧化物等構(gòu)成的硫酸鹽、碳酸鹽和鹵化物等；3）生物成因組分類，包括了硅質(zhì)和鈣質(zhì)生物微粒；4）有機質(zhì)成因類。因混合細粒沉積巖成分構(gòu)成十分復(fù)雜，產(chǎn)出形式多樣，識別區(qū)分難度較大。細粒混合沉積的分類方案與命名十分復(fù)雜多樣，未取得相對統(tǒng)一方案。例如，以陸源碎屑、碳酸鹽組分及火山碎屑為三端元，增加有機質(zhì)組分四類的方案[37]，劉惠民等[38-39]提出了長英質(zhì)礦物—碳酸鹽礦物—黏土礦物分類方案，吳靖等[40]提出了黏土礦物—碳酸鹽—粉砂分類法。杜學(xué)斌等[41]考慮了主要結(jié)構(gòu)混合形式的陸相細粒混合沉積扇形分類方案等，已有方案學(xué)術(shù)意義較大，然而，隨著細粒沉積巖勘探開發(fā)不斷深入，鉆井現(xiàn)場地質(zhì)工程一體化的快速推進，這些方案均因類別繁多且需實驗室研究才能準確定名，對現(xiàn)場快速識別和判斷細粒混積巖巖性則不利。因此，有學(xué)者以準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組為例，提出了適用于生產(chǎn)的陸源碎屑類、碳酸鹽巖類與過渡類巖性簡化混積巖方案，既考慮了成因類別，也考慮了現(xiàn)場需求，且定量定義了不同巖性的主量元素與核心礦物的分布范圍與組合特征[42]。

3.1.2 頁巖油源儲巖相構(gòu)型模式

根據(jù)細粒沉積巖的物質(zhì)組成類型，其包括粉砂質(zhì)細粒沉積巖、黏土質(zhì)細粒沉積巖、碳酸鹽質(zhì)細粒沉積巖和混合型細粒沉積巖。它在沉積和沉積后階段經(jīng)歷了物理、化學(xué)及生物等過程的相互作用，導(dǎo)致顆粒成分、顆粒結(jié)構(gòu)、堆積模式與有機質(zhì)的共存關(guān)系和成巖演化途徑產(chǎn)生差異化，導(dǎo)致所形成的細粒沉積巖物理屬性和烴類富集能力截然不同[4,23,43]。因此，深化細粒沉積巖巖相類型及其組合樣式的研究是評價源儲一體化儲層的基礎(chǔ)和核心。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了富有機質(zhì)細粒頁巖油巖相構(gòu)型相關(guān)研究，初步揭示了微觀巖心尺度富有機質(zhì)頁巖層系中的紋層等巖相類型與組合、儲集空間特征及頁巖油富集模式等[21,44-47]。國外，在南Oklahoma 的Woodford 頁巖露頭區(qū)，依據(jù)代表塑性巖相（Soft lithofacies）的礦物巖石與剛性巖相（Hard lithofacies）的礦物巖石的厚度比例，建立了高比例Hard 巖相、Soft 與Hard 巖相相當比例、高比例Soft 巖相等3 種典型巖相組合模式[21]。在松遼盆地長嶺凹陷白堊系青山口組一段，根據(jù)有機質(zhì)和黏土礦物含量，劃分了高有機質(zhì)薄片狀頁巖相、中有機質(zhì)塊狀泥巖相、中有機質(zhì)紋層狀頁巖相、低有機質(zhì)紋層狀頁巖相和低有機質(zhì)夾層砂巖相等5類[47]；在鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)三疊系延長組長37亞段，根據(jù)紋層的礦物組成和厚度，確定了富凝灰質(zhì)紋層、富有機質(zhì)紋層、粉砂級長英質(zhì)紋層和黏土紋層等4類[46]；在柴達木盆地英西地區(qū)始新統(tǒng)下干柴溝組上段，依據(jù)成因及儲集性能，提出了混積顆粒巖相、塊狀灰云巖相、斑塊狀含膏—膏質(zhì)灰云巖相、紋層狀云灰?guī)r相和構(gòu)造角礫狀灰云巖相等5種[48]；在準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組，依據(jù)混積巖不同組分的含量，把巖石類型劃分為4 大類18 小類[37]。提出了頁巖油烴源巖與儲集巖“甜點”縱向組合存在3種模式相對厚層“甜點”夾薄層烴源巖、相對厚層烴源巖夾薄層“甜點”、近等厚互層結(jié)構(gòu)[49]。在巖相分類與組合識別上，開展巖相成因的分析。例如，對不同來源細粒沉積巖的細粒碳酸鹽物質(zhì)富集的主要成因探討等[23]。

3.1.3 頁巖油細粒巖沉積模式

湖相細粒物質(zhì)沉積動力學(xué)研究比較薄弱，細粒沉積模式的研究處于探索階段，各組分的物質(zhì)來源、形成機制及沉積過程尚不明確。有學(xué)者認為，湖相細粒物質(zhì)的發(fā)育受控于水體中碳酸鹽補給速率與溶解速率相等的深度面（湖盆碳酸鹽補償深度“CCD”，Carbonate Compensate Depth），雖然陸相湖泊水體物化條件（如鹽度、溫度、壓力、pH值等）與海洋存在較大，但受水體深度約束的特點則相似。通過有機質(zhì)及礦物含量的不同可以反映水體深度的變化。濱湖、淺湖、半深湖—深湖環(huán)境沉積特征差異較大，形成碳酸鹽巖沉積與碎屑沉積的不同分界特點[4]。國外學(xué)者探討了富有機質(zhì)頁巖成因及分布模式，認為陸棚區(qū)局限盆地、滯流海盆、邊緣海斜坡與邊緣海盆地等低能還原環(huán)境為海相富有機質(zhì)頁巖發(fā)育提供了有利環(huán)境，初步建立了水體分層、海侵、門檻、洋流上涌等4種富有機質(zhì)頁巖沉積模式[50-52]。國內(nèi)學(xué)者主要基于元素礦物及巖石組合特征，開展了淺湖—半深湖相沉積體系的概念模式研究[9,32,53]。受物理、化學(xué)、生物與事件性沉積作用交互耦合過程導(dǎo)致的礦物成分的差異性和縱向變化的頻繁性，針對不同類型富碎屑巖型細粒頁巖、富碳酸鹽巖型細粒頁巖和其他混積型細粒頁巖沉積模式分類研究則較少。

3.2 頁巖油源儲巖石微觀特征

按照頁巖礦物成分與巖石組合類型，可以分為以下三種主要頁巖類型：富碎屑巖型細粒頁巖、富碳酸鹽巖型細粒頁巖和其他混積型細粒頁巖。對巖心、露頭樣品采用巖石薄片鑒定、掃描電鏡、核磁共振、XRD、XRF、自動礦物參數(shù)定量系統(tǒng)（AMICS）、高分辨率激光拉曼光譜儀（HRLRS）、顯微紅外光譜儀（MFS）、巖石CT掃描和礦物成分掃描（QEMSCAN）等現(xiàn)代先進的分析技術(shù)，開展了頁巖油源儲巖石微觀特征研究，揭示了不同類型的頁巖微觀特征存在較大的差異。

3.2.1 富碎屑巖型細粒頁巖

此類以松遼盆地白堊系青山口組一段頁巖層系為典型（圖2）。發(fā)育了5類巖相，包括低有機質(zhì)砂巖夾層相、低有機質(zhì)紋層狀頁巖相、中有機質(zhì)紋層狀頁巖相、中有機質(zhì)塊狀泥巖相和高有機質(zhì)薄片狀頁巖相。TOC 值為0.5%～5%，有效孔隙度為3.4%～8.4%、無機孔和有機孔均發(fā)育，無機孔又可分為粒（晶）間孔和粒（晶）內(nèi)孔。以球形介孔為主，基質(zhì)本身儲集物性較差。以孔縫二元孔隙結(jié)構(gòu)為主，水平方向滲透率較高，夾層型砂巖相孔隙最發(fā)育[47]。

3.2.2 富碳酸鹽巖型細粒頁巖

此類以準噶爾盆地二疊系蘆草溝組頁巖層系為典型（圖2）。目的層蘆草溝組為貧氧的弱還原—還原環(huán)境的咸（堿）化半深湖—深湖相沉積相，整體是一套受物理、化學(xué)、生物和調(diào)整白云巖化等綜合作用而沉積下來的混合細粒沉積物，沉積現(xiàn)象具有鮮明特色，具有礦物成分多樣、普遍含白云石、巖性/相類型多樣且多為過渡性巖類的特點[49,54-56]。巖性主要包括長英質(zhì)粉砂巖、長英質(zhì)粉砂級泥巖、粉砂質(zhì)白云巖、白云質(zhì)粉砂巖、白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖、微晶/泥晶白云巖等類型。另外，還見有粒屑灰?guī)r、生屑灰?guī)r、鈉長石巖、硅質(zhì)巖、碳質(zhì)泥巖、方沸石巖等特殊巖類，這些巖性垂向頻繁互層并復(fù)雜組合，不僅形成較高生產(chǎn)力的烴源巖，而且形成了細粒混積致密背景下的“甜點”儲集層。TOC 值多大于3.5%，以Ⅱ型干酪根為主，Ro值為0.6%～1.1%。其中發(fā)育白云質(zhì)的溶孔、晶間孔、微裂縫和縫合線等。孔隙度大體為6%～14%，空氣滲透率多小于0.1×10-3μm2，含油飽和度為80%～90%，脆性礦物含量為85%以上，常壓—弱超壓為主，原油密度平均為0.88～0.92 g/cm3，地層條件下原油流動性較差。

3.2.3 其他混積型細粒頁巖

此類以鄂爾多斯盆地長37 亞段頁巖層系分布區(qū)為典型類型（圖2）。該套地層分布穩(wěn)定，是盆地主力烴源巖層，其凝灰?guī)r發(fā)育程度最高層段。富有機質(zhì)頁巖中主要發(fā)育富凝灰質(zhì)紋層、富有機質(zhì)紋層、粉砂級長英質(zhì)紋層和黏土紋層4種紋層類型。整體上，干酪根以Ⅰ～Ⅱ1型為主，TOC 值為8%～16%，Ro值為0.9%～1.2%。夾于厚層富有機質(zhì)泥頁巖層系的薄層砂質(zhì)巖類構(gòu)成了頁巖油富集的甜點段，薄砂層厚度約為3.5 m；儲集層孔喉尺度小，孔隙半徑主要為2～8 μm，喉道半徑集中在20～150 nm，微米級孔隙和納米級喉道呈多尺度分布特征，數(shù)量眾多[46,57]。

3.3 頁巖油富集機制

針對不同的頁巖油區(qū)，學(xué)者們提出了相應(yīng)頁巖油富集模式和源儲結(jié)構(gòu)模式，并認為頁巖油富集明顯受源儲巖相構(gòu)型的控制[46-47]。其中巖相組合對不同區(qū)塊頁巖油富集（甜點）模式及控制機制明顯，例如頁理型、紋層型、縫—孔耦合富集模式[46-48,58]，“富有機質(zhì)與粉砂級長英質(zhì)組合”和“富有機質(zhì)與富凝灰質(zhì)”紋層組合構(gòu)成的生運聚模式等，在我國西部盆地“下源上儲、上源下儲、源儲一體、三明治和薄互層”5種源儲配置關(guān)系，不同配置關(guān)系甜點特征具有明顯差異性[13]。物質(zhì)來源與沉積成因?qū)﹃懴嗉毩３练e巖的油氣富集具有控制作用。在多源成因體系中，富集類型可包含陸源型、內(nèi)源型、火山熱液型和混源型等[4]。

3.4 頁巖油層“七性特征”及其相互關(guān)系

巖性、物性、電性、烴源巖特性、脆性、含油性和地應(yīng)力各向異性“七性關(guān)系”是開發(fā)頁巖油的關(guān)鍵參數(shù)，因頁巖巖石成分更加復(fù)雜、孔隙類型多樣、油氣賦存狀態(tài)差異大，所以其內(nèi)涵和常規(guī)油氣評價的“四性關(guān)系”有很大的不同。以準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油為例，細粒級陸源碎屑巖和碳酸鹽巖比例大體相當，整體孔喉半徑較小，滲透率低。對研究區(qū)富白云質(zhì)細粒巖而言，源儲一體結(jié)構(gòu)，儲層與源巖的匹配關(guān)系多樣化，儲層被生油能力較強的源巖包裹。巖性決定巖石的脆性和巖石力學(xué)特性，儲層與脆性匹配關(guān)系好，除長石巖屑粉細砂巖外，儲層的脆性好于圍巖。黏土含量低、較為純凈的碎屑巖和碳酸鹽巖脆性相對較好，黏土含量高的儲層往往脆性較差。巖石的結(jié)構(gòu)也對脆性具有一定的控制作用，膠結(jié)物的成分、含量對脆性的控制作用尤其明顯。在埋深相同的條件下，黏土含量低儲層泊松比低、地應(yīng)力相對較小、閉合應(yīng)力低、破裂壓力小。反之，黏土含量高，泊松比大，地應(yīng)力數(shù)值較大、閉合壓力高、破裂壓力大，這是一般泥巖的閉合應(yīng)力和破裂壓力高于儲層的基本成因。當然，物性決定含油性。盡管頁巖油與常規(guī)油藏的成藏機理有較大的差別，具有非浮力成藏特征。但是，在烴源巖排烴壓力一定的情況下，孔喉半徑較大物性較好的儲層，含油飽和度相對較高。物性與脆性也具有一定關(guān)系。對泥質(zhì)膠結(jié)的細粒級的粉細砂巖來說，孔隙度越大，脆性越差。但對以溶蝕孔隙為主的碳酸鹽巖或鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)的粉細砂巖，巖石的脆性一般不受物性的控制，且會出現(xiàn)孔隙度越大，則脆性越好的情況[54-56]。

從電性的測井響應(yīng)來說，頁巖油儲層巖性多變，礦物成分多樣，特別是在碎屑巖和碳酸鹽巖的過渡性巖類的巖石中，常規(guī)測井反映巖性的不確定性增大，巖性反映敏感的自然電位、自然伽馬和三孔隙度曲線對巖性和儲層的識別均存在較大難度。把常規(guī)測井和核磁共振結(jié)合起來構(gòu)建巖性敏感參數(shù)具有較好的效果[59]。

3.5 頁巖油工業(yè)化開采技術(shù)

以準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組為代表的陸相中—高成熟度頁巖油，有機質(zhì)熱演化程度較高。頁巖儲層孔隙度為5%～12%、資源潛力巨大、可動油所占比例高、脆性礦物含量高、地層流體壓力較大，可依靠水平井大規(guī)模、長井段的體積壓裂技術(shù)實現(xiàn)效益開發(fā)。利用人工壓裂改造技術(shù)水平井生產(chǎn)工廠化作業(yè)方式可實現(xiàn)效益單井產(chǎn)量和最終可采儲量，具大規(guī)模商業(yè)開采的潛力，成為我國油氣的重要戰(zhàn)略接替資源，為目前頁巖油開發(fā)的主陣地[60]。

而位于松遼盆地白堊系、渤海灣盆地滄東凹陷古近系及鄂爾多斯盆地三疊系的陸相中—低成熟度頁巖油，其有機質(zhì)熱演化程度整體小于1.0%，以瀝青、重質(zhì)油和尚未轉(zhuǎn)化的有機質(zhì)為主。采用地下原位加熱轉(zhuǎn)化技術(shù)比人工壓裂改造技術(shù)適應(yīng)性更強，在鄂爾多斯盆地三疊系延長組7 段和松遼盆地白堊系嫩江組已開展了先導(dǎo)試驗[34]。

4 陸相頁巖油開發(fā)地質(zhì)面臨的關(guān)鍵問題

常規(guī)油田開發(fā)技術(shù)主要圍繞層間、層內(nèi)、平面與微觀四個層次的非均質(zhì)性展開[61]。開發(fā)中后期有針對性的開展了中觀非均質(zhì)性（介于層內(nèi)、平面之間）研究，即儲層構(gòu)型研究[62-67]。多年來，這套理論與相關(guān)技術(shù)對常規(guī)老油氣田提高采收率做出了巨大的貢獻。而目前投入開發(fā)的中—高成熟度頁巖油儲層屬于特低孔隙度、致密儲層，從開發(fā)地質(zhì)的角度上說，比常規(guī)砂巖油藏非均質(zhì)性更強。前已述及，當前對頁巖油微觀非均質(zhì)性的研究進展較大，包括頁巖巖石礦物組成、儲層的物性、孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)及流動性、脆性、巖石應(yīng)力等方面。然而，陸相頁巖油開發(fā)與常規(guī)油藏開發(fā)具有明顯差異性。主要體現(xiàn)在兩個方面，其一是因其屬于低品位連續(xù)性分布的頁巖油藏，勘探開發(fā)的階段性逐步模糊化，與常規(guī)油藏按照勘探—評價—開發(fā)分階段實施部署不同；其二是時效性和經(jīng)濟性要求更高。對滲透性砂巖夾層甜點的開發(fā)過程來說，開發(fā)地質(zhì)的非均質(zhì)性的研究依然十分重要且難度極大。

針對頁巖油儲層超高頻基準面旋回對比模式、半深湖—深湖相低級次構(gòu)型單元成因及分布模式、復(fù)雜混積巖礦物成分巖性分類解釋、儲層參數(shù)解釋、源巖與儲集層的配比關(guān)系、甜點綜合分類評價及地質(zhì)工程一體化等方面研究還存在較大不足。頁巖油開發(fā)地質(zhì)的研究十分薄弱，處于起步階段。從近5年準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油現(xiàn)場生產(chǎn)實踐看，頁巖油產(chǎn)能的影響因素如表1。表中揭示地質(zhì)因素影響依然占據(jù)主導(dǎo)地位，比例約為50%（源儲配置及保存條件、油層品質(zhì)、力學(xué)參數(shù)和流體性質(zhì)），工程因素影響比例約為25%（水平段、鉆井工程參數(shù)和壓裂參數(shù)），生產(chǎn)因素影響比例約為20%（合理燜井制度、排采制度優(yōu)化和合理轉(zhuǎn)抽時機等），異常因素影響比例約為5%。因此，深入開展頁巖油開發(fā)地質(zhì)研究至關(guān)重要。

表1 頁巖油產(chǎn)能的影響因素Table 1 Factors influencing shale oil production capacity

（1）頁巖油細粒沉積巖超高頻基準面旋回模式

常規(guī)老油田開發(fā)的理論模式正在逐步建立，對其非均質(zhì)性的研究越來越重視。不同油田開發(fā)條件和開發(fā)階段存在顯著差異，呈現(xiàn)“一沙一世界”的特點。油藏不同層次的復(fù)雜性決定了地質(zhì)認識具有長期性和曲折性。對于非常規(guī)頁巖油開發(fā)來說，如何建立泥頁巖層內(nèi)小點層（甜點小層）識別標志、湖平面頻繁升降下的超高頻基準面旋回模式、敏感特殊礦物元素地質(zhì)內(nèi)涵及組合模式，并以此為依據(jù)展開泥頁巖段小點層的對比等是開展頁巖油儲層非均質(zhì)性研究的基礎(chǔ)框架。以吉木薩爾凹陷蘆草溝組地下和露頭小點層對比為例，約40 m 的地層可以細分為15 個2～3 m 的旋回（圖5a），甚至還可以進一步細分為56個次級單元（圖5b）。

圖5 半深湖—深湖相泥頁巖高頻基準面旋回對比Fig.5 High-frequency base-level cycles of fine-grained sedimentary shale

（2）半深湖—深湖相低級次構(gòu)型單元成因及分布模式

以往對沖積扇[67-68]、河流—三角洲[64-66,69-70]、灘壩淺湖體系[71]、海底扇濁流[72]沉積等含油氣富砂體系開展了較為深入的沉積構(gòu)型研究，業(yè)已建立了相應(yīng)的模式，取得了較大進展。然而，針對半深湖—深湖貧砂沉積體系的相—亞相—微相的層次關(guān)系還沒有建立起來，幾乎未開展沉積微相級別沉積機制、沉積過程與沉積環(huán)境的研究。當然，其基礎(chǔ)工作是巖石類型劃分，前已述及，目前分類方案雖然較多，但仍存在以下幾個問題：1）各個頁巖油盆地不統(tǒng)一，礦物成分、有機質(zhì)和其他成分均存在差異性的情況下亟需一套相對統(tǒng)一的方案；2）頁巖油開發(fā)過程中的隨鉆實時巖性識別是關(guān)鍵，縱向頁巖油巖性體現(xiàn)在厘米尺度礦物成分的差異性，常規(guī)測井曲線響應(yīng)不明顯，區(qū)分難度很大。目前現(xiàn)場普遍采用XRF 和XRD 定量微觀的方法來判別巖性，取得了較好的效果，是推動細粒沉積學(xué)向定量化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

儲層構(gòu)型研究是從國外露頭研究發(fā)展到國內(nèi)，針對開發(fā)中后期地下儲層構(gòu)型的研究方法[73-74]，針對的地質(zhì)體尺度一般較小，以物理沉積為主，同時對資料及井距要求較高。而淺湖—半深湖相屬于大規(guī)模沉積體，資料條件還不足，導(dǎo)致儲層構(gòu)型的研究還十分薄弱。相對靜水條件下沉積物緩慢沉積與物理、化學(xué)、生物及事件性等多重機制耦合作用機理等受資料約束研究難度較大。細粒沉積學(xué)的基本理論和方法還未建立，把新技術(shù)應(yīng)用到針對頁巖的地質(zhì)研究中還任重道遠，例如，將無人機傾斜攝影與XRF快速測試技術(shù)結(jié)合起來，對頁巖精細露頭表征與三維建模技術(shù)[75]。另一方面，如何厘定半深湖、深湖相的亞相—微相類型，并確立其內(nèi)部不同構(gòu)型單元成因機制及其識別特征，建立不同構(gòu)型單元的定性定量模式等也是下步研究重點。

（3）相控儲層質(zhì)量差異性研究

源儲的各類參數(shù)界限被逐漸打破，頁巖油儲層質(zhì)量的概念對比常規(guī)油藏有所拓展，除了巖性、物性、含油性之外還包括了應(yīng)力性、源巖特性和脆性等。對頁巖儲層參數(shù)的解釋顯得特別重要，頁巖巖礦組合特征和孔隙結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，形成致密儲層導(dǎo)致流體流動不暢，進而引起井筒與地層流體的信息交換不充分，常規(guī)測井響應(yīng)敏感性遭遇挑戰(zhàn)。新的測井三組合逐步應(yīng)用到頁巖測井解釋中來，代表巖性的Lithoscanner、物性核磁測井和介電常數(shù)測井是針對頁巖的較好手段。另一方面，因目前開發(fā)對象是頁巖層系內(nèi)部的長英質(zhì)砂巖和碳酸鹽巖質(zhì)砂巖等相對粗粒的巖石類型，以吉木薩爾凹陷蘆草溝組為例，不同巖相類型依然明顯控制著儲層質(zhì)量（圖6），白云質(zhì)粉砂巖相（圖6a）、粉砂質(zhì)白云巖相（圖6b）。石英粉砂巖相（圖6c）和長石巖屑砂巖相（圖6d）巖性等值線分布對核磁孔隙度（圖6e）與飽和度（圖6f）的控制十分明顯。巖性約束物性，物性影響含油性和流動性，巖石礦物組成決定了脆性和流體流動性等。開發(fā)實踐表明，這些參數(shù)特性的優(yōu)劣是決定頁巖油產(chǎn)能的關(guān)鍵。源儲一體的薄儲層質(zhì)量的差異是決定高產(chǎn)的主導(dǎo)因素。普遍細粒中相對粗粒巖性依然是物性較好的甜點，巖性對物性、含油性及地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的控制與常規(guī)砂巖油藏具有相似的特點。含油飽和度分布差異性除受巖相控制外，還與構(gòu)造位置、斷層、不整合面和埋藏深度有關(guān)，頁巖油藏源巖含油比較充分，但是否可以全部充注儲層中則受條件限制。因此，不同構(gòu)型單元控制下儲層質(zhì)量差異機理及模式研究依然十分迫切和重要。

圖6 陸相富白云質(zhì)細粒混積頁巖巖相分布及儲層質(zhì)量差異Fig.6 Petrographic distribution of terrestrial dolomite-rich fine-grained mixed shale and reservoir quality differences

（4）地質(zhì)工程一體化及甜點綜合快速評價

和其他非常規(guī)資源比較類似，盡管頁巖油具有大面積連續(xù)分布的特點，可是資源豐度卻很低，下一步怎樣尋找資源豐度相對較高、經(jīng)改造后石油產(chǎn)量較高的“甜點區(qū)/段”成為頁巖油研究的核心和重點[16]。“甜點區(qū)/段”要求儲集層品質(zhì)、烴源巖品質(zhì)和工程脆性等品質(zhì)的最佳疊合匹配區(qū)，所以“三品質(zhì)”分級評價方案的建立意義重大。目前開發(fā)的甜點層均是大套頁巖夾滲透性砂質(zhì)（或含砂）夾層類，泥頁巖占主導(dǎo)，砂質(zhì)成分比例較小。甜點的空間分布并不穩(wěn)定，水平井體積壓裂井軌跡的控制十分關(guān)鍵。現(xiàn)場分析表明最大程度追求水平段優(yōu)質(zhì)甜點（Ⅰ類甜點）鉆遇率是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。因此，如何通過鉆井現(xiàn)場快速識別混積巖巖性，以保證水平井軌跡在Ⅰ類甜點中穿行顯得至關(guān)重要。地質(zhì)與工程的配合越來越緊密，體現(xiàn)在以下幾個方面：1）研究人員的配合。與常規(guī)油藏分階段開發(fā)不一樣，頁巖油開發(fā)采用滾動方式，即邊評價邊開發(fā)的方式，地質(zhì)和工程技術(shù)結(jié)合統(tǒng)籌顯得尤為重要。因此，為了最大限度實現(xiàn)頁巖油效益開發(fā)，特別需要提高科研的時效性，地質(zhì)與工程相互配合、研究成果前移到鉆井現(xiàn)場，井筒各項工種在地質(zhì)的約束下互動配合將更加緊密有序。2）研究過程的互動。預(yù)測地質(zhì)模型將依靠工程參數(shù)與曲線又實時地反饋到隨鉆模型并對其進行調(diào)整，更新后的模型重新應(yīng)用工程實施中，例如，通過鉆井過程中系列工程數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場巖性快速識別以輔助調(diào)整井軌跡等。3）工程與地質(zhì)甜點的互補性。頁巖油甜點具有互補性，較好的脆性可以彌補孔滲性的不足，相對好的孔滲性可能脆性一般等，因此地質(zhì)與工程的甜點可以相互轉(zhuǎn)化和彌補，甜點的評價內(nèi)涵更加豐富，包容性更強。

5 結(jié)論

（1）梳理了頁巖油概念的由來及最新頁巖油定義。國內(nèi)外頁巖油均歷經(jīng)三個發(fā)展階段，對頁巖油的理論認識不斷深入，開發(fā)效果和水平逐漸提升。陸相頁巖油的資源豐富、潛力巨大，是我國今后一個時期的重點攻關(guān)對象。

（2）陸相頁巖油可按不同方式進行分類。按成熟度演化階段劃分固態(tài)有機質(zhì)階段、滯留烴階段、液態(tài)烴階段、液態(tài)烴裂解天然氣階段等四類；按源儲組合類型劃分源儲共存型、源儲分離型和純頁巖型三類；按開發(fā)方式分為夾層型、混積型、頁巖型和裂縫型四類。

（3）陸相頁巖油在細粒巖分類及沉積模式、源儲巖石微觀特征、富集機制、“七性特征”及其相互關(guān)系和工業(yè)化開采技術(shù)方面取得了較大的進展。

（4）陸相頁巖油面臨著亟待加強開發(fā)地質(zhì)方面的研究，以提高頁巖油開發(fā)經(jīng)濟效益和采收率。主要包括，頁巖油細粒沉積巖超高頻基準面旋回模式、半深湖—深湖相低級次構(gòu)型單元成因及分布模式、相控儲層質(zhì)量差異性研究和地質(zhì)工程一體化及甜點綜合快速評價等四個方面。