中國陸相頁巖油勘探理論與技術進展

趙文智，朱如凱,2*，劉偉,3，白斌，吳松濤,2，卞從勝,3，張婧雅，劉暢，李永新,3，盧明輝，劉忠華，董勁,3

1 中國石油勘探開發研究院，北京 100083

2 中國石油油氣儲層重點實驗室，北京 100083

3 中國石油勘探開發研究院趙文智院士工作室，北京 100083

0 引言

歷經六十余年持續攻關探索，美國海相頁巖油勘探開發在本世紀初實現了跨越式發展，自2000年至2022年，美國頁巖油總產量達32 億t，在原油產量中占比從2009年的11.8%增長至2022年的70%，頁巖油已成為美國最重要的支柱能源[1]，實現了由能源凈進口國向能源凈出口國的重大轉變，大大改變了全球能源供給版圖和地緣政治格局。

借鑒北美海相頁巖油勘探開發的成功經驗，我國學界和勘探界對陸相頁巖油的資源潛力與勘探地位越來越高度重視，國內各大石油公司圍繞陸相頁巖油從突破出油關、獲得工業產量與在現有技術和成本條件下實現效益開發等關鍵問題，已開展了較多探索和實踐，相繼在準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組、渤海灣盆地黃驊坳陷滄東凹陷古近系孔店組二段、松遼盆地古龍凹陷白堊系青山口組一、二段與濟陽坳陷博興、牛莊和渤南等凹陷的第三系沙河街組三、四段等陸相富有機質頁巖層系獲得一批重要突破，展示了陸相頁巖油良好的發展前景[2-7]。截止2022年底，中國陸相頁巖油已探明地質儲量13.06 億t，控制儲量1.28 億t，預測儲量29.74 億t。2022年陸相頁巖油生產原油約318 萬t，陸相頁巖油已成為我國原油穩產的重要支撐。

陸相頁巖油是一個全新領域，國內眾多學者從細粒沉積巖有機質富集機理、儲集空間類型與儲集性、紋層類型及組合關系、裂縫類型及發育機制、頁巖油賦存狀態與含油性、頁巖油資源評價、頁巖油形成條件與富集主控因素、頁巖油流動機理、甜點段/區評價等相關基礎研究工作，形成了多項理論認識與技術創新成果[2,8]，有力支撐了頁巖油選區評價與勘探開發部署。但大部分研究成果均基于地區性資料的分析總結，特別是我國陸相盆地發育淡水、咸化、堿湖等不同沉積盆地類型，物源輸入與火山活動、盆底熱液作用發育程度差異大，沉積非均質性強，黏土礦物含量高；同時由于不同盆地熱演化史差異大，導致我國陸相頁巖油總體成熟度偏低，原油黏度大，流動性較差，規模勘探與效益開發仍面臨諸多難題。本文從頁巖實驗分析技術、頁巖油形成與分布及地球物理評價技術等方面總結了近年來相關研究進展，在此基礎上，提出了相應的研究建議，以期對推動我國陸相頁巖油勘探開發有借鑒意義。

1 實驗分析技術進展

1.1 有機母質類型分析與有機質生排烴實驗

頁巖中有機質是形成油氣的物質基礎，其中，母質類型決定了有機質向油氣轉化的方向。有機母質類型可以由通過干酪根和可溶有機質的組成特征來反映，干酪根元素分析、有機顯微組分鑒定、巖石熱解(Rock-Eval)分析、可溶有機質有機地球化學分析是常用的有機質類型鑒別方法，如對成熟度較低的烴源巖而言，氫指數HⅠ能較好地反映有機質生烴能力的高低，可作為良好的有機質類型判識指標，HI-Tmax、HI-OⅠ圖版[9]都是評價有機質類型的有力工具。陸相湖盆富有機質頁巖主要形成于半深湖-深湖環境，水生生物是有機母質主要來源，因而陸相頁巖有機質主要是Ⅰ型和Ⅱ1型，即主要以傾油型母質為主[10]，少量為Ⅱ2型。總體上，有機質類型與有機質豐度正相關，低有機質豐度泥巖主要發育于淺-半深湖環境，陸源有機質輸入較多，以Ⅱ2和Ⅲ型干酪根為主；高有機質豐度頁巖多形成于半深-深湖環境，有機質以Ⅰ型和Ⅱ1型為主。不同湖泊環境形成的原始母質類型和結構有所差異，有機質生烴難易度與轉化烴的數量也不同，淡水湖相烴源巖以Ⅱ1型為主，含少量Ⅰ型和Ⅱ2型；而咸化湖相烴源巖則以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，HI值最高可達800 mg/g(HC/TOC)以上，表現出極高的生烴潛力[2]。沉積有機物質主要以顆粒成分的形式存在于沉積巖中，可用顯微鏡進行鑒別，這是確定成烴原始母質和烴源巖有機質類型最直觀的方法[11-12]。藻類體、無定形體(又稱瀝青質體)和類脂碎屑體是頁巖中常見的生油型組分[13-14]，如松遼盆地青一段、青二段沉積期浮游藻類勃發，有機質以層狀藻類體為主，有機質類型主要為Ⅰ型；三塘湖盆地二疊系蘆草溝組咸化湖盆烴源巖顯微組分主要由以藻類和小孢子體為主的腐泥組組成，母質類型為Ⅰ-Ⅱ1型[15]。泌陽凹陷核桃園組頁巖中也發現Ⅰ型有機質相比Ⅱ1型有機質具有更豐富的藻類生源[16]。烴源巖中可溶有機質也可以反映有機母質的特征，常用氯仿瀝青“A”經色層分析獲得的族組分組成與飽和烴生物標志化合物來表征，如長7 段烴源巖具有伽馬蠟烷、三環萜烷、升藿烷尤其是C34-C35藿烷等含量低，而藿烷、重排藿烷、重排甾烷含量高等淡水環境有機質生物標志化合物特征，指示有機質主要來源于水生浮游藻類但經歷了強烈的黏土礦物酸性催化作用，形成了Ⅱ1型有機質[2]。

隨著熱成熟度不同與母質類型的差異，處在不同熱成熟狀態的有機質產生液態烴與氣態烴的比例、烴物質構成與多組分烴物質混相以后所表現出的流動狀態會有很大不同，這會直接影響頁巖油的單井產量和單井累計產出量，因而，有機質生排烴過程研究便尤為重要，黃金管生烴動力學模擬[17-18]、開放體系熱壓生排烴模擬[19]與半開放體系熱壓生排烴模擬[20-21]是近年來常用的模擬方法。實驗結果揭示，不同類型頁巖生成的烴類組分有較大差異，Ⅰ型有機質隨生烴轉化率增大氣油比增高的幅度有限，在生油窗階段幾乎一致保持在100 m3/m3以下。Ⅱ型有機質隨轉化率增高氣油比緩慢增高，在轉化率為70%、90%時對應的氣油比分別達到200 m3/m3和300 m3/m3。Ⅲ型有機質則具有更高的氣油比，生油窗內即已獲得較高的氣油比，當轉化率為70%、90%時對應的氣油比分別達到250 m3/m3和550 m3/m3(圖1)。

圖1 開放體系不同類型頁巖形成的氣油比與有機質轉化率關系[3]Fig.1 Correlation between gas-oil ratio and organic matter conversion of different types of shale in the open system[3]

湖相烴源巖的生烴演化總體符合Tissot等[22]提出的經典生烴模式，然而從頁巖油富集成礦的角度來說，依據Tissot模式劃分的4 個階段對頁巖油的評價尤其是中高熟頁巖油評價并不完全適用。趙文智等[23]綜合前人已有成果并結合多年研究，提出不同演化階段源內滯留烴類型與數量的差異性，分為4 個階段：(1)Ro小于0.5%為有機質固態分布段，也是油頁巖油主分布段。(2)Ro為0.5%~0.9%時是滯留液態烴、多類瀝青物和未轉化有機質共存段，也就是中低熟頁巖油分布段。該階段液態烴在頁巖中的數量因頁巖厚度及與圍巖儲集(輸導)層段的組合關系不同而有較大變化，留置烴數量最大可達40%~60%，未轉化和高分子半固相有機物含量可達40%~80%。(3)Ro為0.9%~1.6%時是較高相對分子質量液態烴大量裂解形成較低相對分子質量化合物(含天然氣)的主要階段，也就是中高熟頁巖油分布段。一般油質較輕，氣油比較高。(4)Ro大于1.6%是液態烴大量裂解和天然氣大量生成階段，是頁巖氣主分布段。結合中國陸相頁巖油勘探開發實踐，那些與較高成熟度匹配的探井，頁巖油都展示了良好的可動性，如準噶爾盆地二疊系風城組熱演化程度高于蘆草溝組，原油密度為0.85~0.87 g/cm3，低于蘆草溝組的0.90~0.92 g/cm3，黏度也大大降低，流體可動性大為改善。因此，較高熱演化程度可以有效改善油品質量，增加氣油比，對原油地下流動性有改善作用。由此可見，中高熟頁巖油開發主要依靠水平井和體積壓裂技術，需要較高的成熟度以保持油質較輕、可動油比例較高。所以，Ro大于0.9%是個重要門限，以1.0%~1.3%為最佳。

1.2 儲層表征技術

微納米級孔縫系統是頁巖油富集的主要空間，其系統表征與精細刻畫是實現頁巖油有效評價的前提。微納米級孔縫系統特別是納米級孔縫系統的發育是非常規儲層與常規儲層最大的差異。目前微納米級孔縫系統的研究方法主要包括圖像精細表征與流體定量評價兩大類，前者根據表征維度可分為二維表征與三維表征，后者主要包括氣體吸附、高壓壓汞、核磁共振與氦氣孔隙度等。在二維表征方面，氬離子拋光與場發射掃描電鏡聯用是目前的主要手段，特別是高精度圖像的大面積拼接技術，在解決分辨率的前提下，又可提高表征范圍，有效降低非均質性對實驗結果的影響[2,8]。在三維表征方面，微納米CT、FⅠB-SEM和同步輻射裝置應用較多。微納米CT和同步輻射通過X射線無損成像，實現了孔隙結構的精細表征；FⅠBSEM通過離子束切割與高分辨率成像的完美結合，實現了孔隙結構的三維成像；與微納米CT相比，FⅠBSEM三維表征分辨率更高，但整體表征范圍相對較小(10~20 μm)且對樣品具有破壞性。氮氣吸附、氦氣孔隙度與核磁共振廣泛應用于有效儲集空間評價，三者評價結果具有較好的一致性；需要說明的是，CO2吸附與高壓壓汞在進行頁巖油儲層孔隙結構評價，特別是評價黏土礦物含量較高、微裂縫易發育樣品，需特別注意結果的準確性。

除了靜態的孔縫系統精細表征與評價，孔縫系統的演化，特別是有機質孔的演化研究已成為目前頁巖油儲層孔縫系統研究的重要內容。已有研究可分為兩類：(1)選擇研究區不同成熟度的頁巖樣品，通過場發射掃描電鏡、CT掃描或氮氣吸附分析，研究不同成熟度下頁巖孔隙演化差異，尋找主控因素[24]；(2)選擇研究區相對低成熟度的樣品，通過地質條件約束的高溫高壓模擬實驗，人工熟化獲得不同成熟度的樣品，進而對比孔隙結構差異并分析主控因素[25-26]。特別是，伴隨技術的進步，從三維到四維表征成為頁巖儲層孔隙表征技術的重要發展方向。通過對不同演化階段同一位置、同一孔隙進行連續的場發射掃描電鏡與納米CT成像表征，獲得更為精準的孔隙與裂縫對比圖像，進而建立孔隙—裂縫隨熱演化階段變化的四維模型和孔隙度定量評價數據[27-28]。相關模型的建立可為預測頁巖儲集空間演化和優選高成熟度區頁巖油“甜點區”提供重要依據。

1.3 頁巖油賦存狀態與含油性

頁巖油的含油性與賦存狀態對于研究頁巖油賦存機理和可動性具有重要意義，也是頁巖油地質資源量評價的關鍵參數。一般說來，頁巖油可分為游離態、吸附態、溶解態和溶脹態[29]，基于目前的技術條件，天然彈性能量開采方式下頁巖油產能的主要貢獻者為游離油，而吸附-溶解態頁巖油相對難以開采，溶脹態頁巖油分子被干酪根分子“包圍”，最難流動，更是無法開發[30-32]。因此，頁巖油的賦存狀態和可動性評價是當前科學研究和生產實踐中的一個關鍵問題。

目前不同學者關于頁巖中石油的可動性評價使用了多種方法和手段，基于勘探開發經驗提出的含油飽和度指數法(OSⅠ=S1/TOC×100)是一種基于石油超越效應從而反映潛在富油層段的經驗型地球化學指標[29]，OSⅠ大于100 mg/g(HC/TOC)的層段可以作為頁巖層系中具有商業開發潛力的甜點體。但值得注意的是，由于不同盆地有機質豐度、類型、熱成熟度、礦物組成和頁巖孔隙結構等方面均有一定的差異，故而OSⅠ的下限值應當靈活選擇；此外，當S1和TOC均較低時，OSⅠ也可超過100 mg/g(HC/TOC)，但這并不意味著頁巖油具有良好的可動性。

核磁共振評價儲層流體可流動性常與離心實驗相結合，通過頁巖巖心離心/驅替前后的核磁共振結果，利用T2譜截止值或T1-T2譜定量表征可動流體特征[33-36]；也有學者根據實驗室測試和標定，將吸附油、游離油和干酪根在核磁共振二維譜上的弛豫時間響應特征區分開來，從而直接計算出不同賦存狀態的頁巖油含量[37-38]。

分步熱解法是基于不同賦存狀態頁巖油的不同分子熱揮發能力進行頁巖油賦存狀態的區分[39]。賦存于裂縫及大孔隙內的游離油相對于礦物、干酪根表面以及微孔隙內壁的吸附油而言分子量更小，從而更容易熱釋出來。國內外眾多學者已經通過設置不同的加熱溫階對不同賦存狀態的頁巖油進行區分和定量[40-43]。例如，蔣啟貴[40]在常規熱解的基礎上進行了改進，認為在小于200 ℃，200~350 ℃，350~450 ℃以及450~600 ℃溫度區間分別對應非極性游離態化合物(S1-1)、極性游離態化合物(S1-2)、重烴和極性較強的膠質瀝青質吸附態物質(S2-1)以及干酪根熱解生烴組分(S2-2)。需要注意的是，在巖心保存和樣品制備過程中會導致輕烴的大量散失，使得游離油的測定結果偏小。

溶劑分步抽提法是利用不同賦存狀態的頁巖油的烴類分子極性差異從而對頁巖油的賦存狀態進行分離。與吸附態頁巖油相比，游離態頁巖油由于賦存孔徑較大，分子極性較弱，相對容易被萃取出來，因此可以采用不同極性溶劑分別對不同粒度的粉末樣品進行萃取，獲取游離/吸附態頁巖油含量[44]。長期以來，不同學者針對該項研究做了大量工作，目前還沒有形成規范的實驗標準。由于采取的溶劑組合類型(四氫呋喃/丙酮/甲醇，氯仿，二氯甲烷/甲醇，二氯甲烷，正己烷，鹽酸和氫氟酸)、抽提的顆粒粒徑(2 cm,0.5~0.1 cm,20~40 目，60~80 目，120~150 目)以及萃取方式(超聲震蕩、冷抽提、索式抽提)均有所差異[45-46]，因此實驗結果的可對比性較差。

分子動力學模擬法是基于牛頓運動定律構建分子動力學模型，模擬頁巖體系內烴類分子的運動，通過對不同狀態下系統內部烴類密度、潤濕性和吸附特征等性質的計算，有效模擬不同溫壓條件下頁巖油在不同孔縫類型和礦物表面的賦存狀態[47-48]。通過分子動力學模擬，可分析油藏條件下有機質孔縫內烷烴賦存的基本特征，從而探討頁巖油的組分類型、孔隙壁面的性質、溫度、孔縫寬度、有機質熱成熟度、烷烴碳鏈長度以及同分異構體對烷烴賦存狀態的影響。

除此之外，毛細凝聚理論法、自由烴差值法、溶脹法、排烴閾值法以及孔隙油飽和度法也較為廣泛地應用于不同賦存狀態頁巖油的定量表征及可動性評價的研究中[49-50]。

1.4 保壓取心與現場測試

通過保壓取心技術獲取的巖心，只要保壓巖心筒沒有被打開，就可以始終保持原始地層壓力狀態，最大限度的減少巖心中油氣組分的散失，對于計算頁巖油地層條件下壓力和油氣水含量具有重要作用[51-53]。

(1)保壓取心原理及參數

以GW-CP194-80A 型起鉆式保壓取心工具為例[54]，其結構如圖2 所示，工作原理為保壓內筒的下端連接球閥密封裝置，上部依次連接測量總成、上部密封機構和液壓差動總成。取心鉆進時，球閥處于打開狀態，巖心通過球閥進入保壓內筒。鉆取完巖心后，差動總成可在液壓作用下進行差動，并帶動內筒相對外筒做反向抬升運動，在此過程中，上部密封機構和球閥密封裝置同時被關閉，完成內筒的保壓密封。測量總成可以對內筒中的溫度和壓力進行連續測量和存儲， 通過細小的趨勢變化可以更加詳細地了解巖心樣本在起鉆過程中油氣成分的揮發分解過程。在實現保壓的同時，為避免巖心受到鉆井液的侵入和污染，獲得更準確的原始油水飽和度，會將內筒上部密封機構回壓閥關閉，在下部采用密閉頭將球閥中孔密封，密閉頭首先在鉆壓作用下被頂進內筒，隨著后續巖心的進入，密閉液被等體積置換排出，并及時在巖心表面形成保護膜，密閉液可采用蓖麻油或氯化石蠟，具有良好的熱穩定性、流動性及附著性能[55-57]。該裝置所取巖心直徑為80 mm，保壓能力可達60 MPa，平均取心收獲率為87.5%，保壓成功率達92.6%。

圖2 GW-CP194-80A型保壓取心工具結構圖Fig.2 Structure diagram of GW-CP194-80A pressure maintaining coring tool

(2)保壓取心現場測試

在裝有處于高壓狀態巖心的保壓取心工具到達地表后，要取出巖心而不會造成巖心中的油氣水等發生散失，必須使用-196 ℃的液氮對未開封的保壓內筒進行浸泡，在超低溫條件下實現巖心中流體的固化[58]，此時從保壓內筒中取出的巖心不會發生油氣水的散失。

對此時的巖心進行快速取樣，并做好深度標記裝入液氮筒中進行保存。針對選好的巖心樣品主要進行解析氣、密閉破碎熱解和核磁測試來準確測定頁巖油的原始含油氣性。其中解析氣主要對20~30 cm長的全直徑巖心進行測試，測定頁巖油中的含氣量，并對采出氣體的成分進行測定。密閉破碎熱解是將5 g左右樣品置于密閉破碎容器中行粉碎至80~100 目，不加溫恒定3 min，測定氣態烴(C1-C5)含量(Sg)，以50 ℃升溫速率升至90 ℃，恒定5 min，測定輕烴(C6-C10)含量(S0)，再以50 ℃升溫速率升至300 ℃，恒定12 min，測定(C11-C32)含量(S1)。以四川盆地侏羅系自流井組大安寨段頁巖油巖心為實驗對象，分別進行密閉破碎熱解和常規熱解，結果顯示密閉破碎熱解測得的S0比常規熱解提高了1~2 個數量級，極大的恢復了常規方法中沒有測到的輕烴資源量，密閉破碎熱解測得的S1也要比常規熱解的S1略高[59]。

對保壓巖心的及時核磁測試也可準確分析頁巖油儲層中的烴類分布，以英雄嶺下干柴溝組頁巖油儲層為例，隨著放置時間的不斷增加，樣品總流體信號量自7457.115 降低至43 h后的4242.722，表明月43%的流體發生了散失。從一維核磁曲線上可以看到樣品流體信號的主峰不斷向小弛豫時間偏移，大弛豫時間的信號量不斷減少，表明頁巖油中大孔隙在原始地層中含有大量流體，但隨著放置時間的增加，大孔中的流體優先發生散失，而小孔中的流體相對散失較弱(圖3)。如果沒有現成保壓巖心的及時測量而使用放置時間較長的巖心，可能會嚴重低估頁巖油儲層中的大孔含油氣性，不利于資源評價和后期開發方案的制定。

圖3 英雄嶺下干柴溝組頁巖油儲層樣品隨地表常溫常壓放置時間流體信號變化Fig.3 Fluid signal changes of shale oil reservoir samples from the lower Ganchaigou Formation in Yingxiongling Sag with surface temperature and atmospheric pressure in different storage time

2 頁巖油形成與分布研究進展

2.1 細粒沉積與有機質富集機理

細粒沉積物在巖石學上指代粒級小于62 μm的顆粒含量大于50%的碎屑沉積巖，主要由黏土礦物和粉砂等陸源碎屑顆粒組成，也包含少量湖盆內生碳酸鹽、生物(自生)硅質、磷酸鹽等顆粒[60-63]。富有機質細粒沉積巖的形成需要具備兩個重要條件：一是生物的高生產力，二是保存條件好。研究發現火山灰和熱液注入導致的“施肥效應”與放射性物質促進生物超量超速生長均可導致水體的高生產力。火山灰表面附著有易溶的硫化物和鹵化物的薄鹽層，熱液流體中富含大量P、Fe、Cu等營養元素，兩者進入水體后，提高了水體中營養物質濃度，有利于生物繁盛[2]。原始沉積地層中放射性物質的超量賦存導致生物的超量超速生長，在切爾諾貝利和日本福島核事故現場，都觀察到動物和植物的超異常生長，部分真菌類生物可以通過黑色素細胞吸收輻射能并轉化為自身利用的化學能[64]。室內實驗也已證明，放射性物質的存在能夠促進藍細菌的超量生長并提高生產力[65]。以鄂爾多斯長7 段為例，露頭和巖心觀察中，發現富有機質層多與凝灰層伴生，且發現多數富有機質頁巖在沉凝灰巖形成之后出現，凝灰巖在一定厚度區間，與上覆TOC呈正相關性，凝灰巖含量為5%~7%時，頁巖TOC值最高(超過20%)，因此適量的火山灰沉積，可促進生物勃發和繁盛[2]。但當凝灰巖厚度繼續增加，上覆TOC逐漸下降，這是因為表層水體中火山灰負荷過重會導致有毒金屬含量過高，使水體PH值過低，反而會抑制生物生長[66]。

咸化水體、底水缺氧環境與低沉積速率三種條件均有利于有機質保存富集。咸化水體可以促進有機質絮凝，進而提升有機質捕獲效率[67]。海侵作用和咸化湖盆產生水體分層、超高生產力的生物勃發對氧氣的消耗、強生物硫還原作用均可導致底水缺氧環境，為沉積有機質提供了良好的保存條件[2,68]。低沉積速率和低陸源碎屑供給速度，可有效降低有機質稀釋作用，進而增強有機質的保存效率[67]。以準噶爾盆地蘆草溝組為例，其發育于咸化湖盆，物理模擬實驗表明，當鹽度從1%增加到3%時，有機質捕獲效率提高300%；當沉積物濃度從2%上升至4%時，有機質捕獲效率提高100%，咸化水體中有機質絮凝是造成有機質富集的重要因素[2]。同時咸水湖盆水體在重力作用下形成長久的分層現象，底層水體不與表層發生交換，游離氧在微生物呼吸作用下耗盡，形成了穩定的缺氧環境，準噶爾盆地吉32 井下甜點段中高TOC段V/Cr、Mo、(Cu+Mo)/Zn值均較高，說明水體還原性強，保存條件比低TOC段明顯要好。

2.2 陸相頁巖紋層結構與組合類型

陸相頁巖發育典型的紋層結構，目前研究的關注點主要集中在紋層類型劃分方案與紋層結構品質評價。紋層類型劃分是紋層結構評價的基礎，已有的劃分方案主要是基于物質成分，多將紋層劃分為黏土質紋層，長英質紋層，碳酸鹽質紋層，有機質紋層、凝灰質紋層等，在準噶爾盆地風城組還發育特殊的堿性礦物紋層。同時，按照紋層厚度、形態或產狀對紋層結構進行劃分也是重要的研究方向[69]。關于不同紋層的品質評價，已有研究更多關注了紋層結構對儲集性、含油性和可壓性的影響。

不同盆地紋層組合具有差異。例如，在松遼盆地古龍凹陷青山口組，主要發育黏土礦物—長英質—介形蟲鈣質紋層組合、黏土礦物—長英質紋層組合(圖4-a，b)；在準噶爾盆地西北緣風城組，主要發育碳酸鹽—硅質紋層組合(圖4-c，d，e)。不同紋層組合受物源控制和水體鹽度影響較大，總體來看，隨著鹽度的增大，內源碳酸鹽供應比例增大，碳酸鹽紋層發育的規模、厚度均會增大。反之，在松遼盆地、鄂爾多斯盆地等鹽度相對較低的湖盆，陸源碎屑供應為主，紋層主要以長英質和黏土礦物為主。

圖4 中國典型陸相頁巖油紋層結構圖版Fig.4 Laminated structure of the representative terrestrial shale oil in China

2.3 儲層孔縫結構與儲集性

頁巖層系儲集層物性相對較差，孔隙度多小于12%，主體在6%~8%，空氣滲透率主體小于1×10-3μm2，大部分基質覆壓滲透率小于0.1×10-3μm2。孔隙以粒間孔、溶蝕孔為主，亞微米級孔隙與納米級孔隙占主體，整體連通性中等-較差。其中，陸相頁巖沉積粒度普遍小于0.0625 mm，基質孔隙度與滲透率均偏低，基質孔隙度多數小于5%，滲透率小于0.1×10-3μm2，孔喉直徑小于100 nm，孔隙類型以多種礦物顆粒粒間孔、溶蝕孔、晶間孔和有機質孔為主(圖5)。從物性看，松遼盆地北部青山口組頁巖，粒徑普遍小于0.0625 mm，孔隙度介于4%~8%，孔隙直徑小于100 nm。從儲集空間類型看，以黏土顆粒、細碎屑及碳酸鹽巖礦物搭建的粒間孔為主體，此外部分有機質降解轉化與碎屑礦物顆粒溶蝕形成的次生孔也占有一定空間，頁理縫或裂縫更是頁巖的儲集特色。所以，討論頁巖層系儲集層分布特征，除了要關注儲集層的品質之外，還需關注與之共生的烴源巖品質、熱演化狀態與保存條件，宜從多角度綜合看問題。頁巖儲集性能也受自身微觀結構、黏土礦物成巖作用、熱演化程度、有機質豐度與有機質類型等多因素影響。

同時，頁巖儲層以松遼盆地古龍凹陷青山口一、二段和嫩江組最典型,鄂爾多斯盆地延長組長73段頁巖也很有代表性，常發育頁理縫和生烴增壓型微裂縫，可提升頁巖儲集空間與滲透性。松遼古龍凹陷青山口一段頁巖儲集空間類型以黏土顆粒粒間孔、晶間孔、頁理縫和有機質孔為主。頁理縫寬度可達300 nm，水平方向覆壓滲透率在0.011×10-3~1.62×10-3μm2，孔隙直徑一般在1 μm以下。雖然這些孔隙小、連通性較差，但是孔隙數量多，有效孔隙度一般在2%~8%，平均3.4%。

2.4 頁巖油富集機理

頁巖油能否富集成藏并具備有效開發的潛力，受多個因素控制，一是滯留烴中可動烴的數量；二是滯留烴的組分與品質以及流動性，頁巖油在地下呈組分流動特征，輕組分越多，就可以和更多的重組分形成混相流動，頁巖油的流動量和產量就會越高；三是頁巖油賦存的地層中孔隙體積和結構，以及粘土礦物的含量與成分等。因此，頁巖油的富集和形成機理也是受上述3 個方面的條件所控制[2-3,10]。

2.4.1 穩定且有規模和適宜熱成熟度的富有機質頁巖是重要物質基礎

富有機質優質烴源巖的存在是頁巖油形成富集的地質基礎。這里說的優質包括有機質豐度要高、母質類型要好和連續穩定分布范圍有規模。統計發現，要形成經濟性偏好的頁巖油，以TOC含量＞2%，最佳為3%~4%、母質類型Ⅰ和Ⅱ1型為主且Ro＞0.9%(咸化環境大于0.6%)或更高為頁巖油富集段選擇標準(圖6)，同時富有機質頁巖分布面積要大，具備一定的工業規模，如鄂爾多斯盆地長7段頁巖分布面積可達4.3×104km2。從滯留烴數量和可動油指數(OSⅠ)看，TOC＞2%時，S1>2%且OSⅠ＞100 mg/g的頻率明顯增加，以S1＞4 mg/g，OSⅠ＞150 mg/g為最佳層段，此時頁巖油單井產量顯著增加。此外，頁巖油富集也需要足夠大的儲集空間，以保持足夠多的滯留烴數量。從頁巖油主生產區統計看，有效孔隙度需超過3%，最佳超過6%。不同探區因熱成熟度不同，對儲集層孔隙度的要求也不盡一致。較高成熟度頁巖油具有較低的原油密度和黏度，輕烴組分含量高，滯留烴具有較好的流動性，對孔隙度下限的要求可以低一點，如松遼盆地古龍凹陷青山口組頁巖，有效孔隙度取值范圍在3.5%～6.9%。

2.4.2 有一定容積規模的微納米孔隙且具脆性的多類儲層是重要條件

頁巖油是不是富集或者說能不能有經濟可采性，除了滯留烴數量和品質外，作為頁巖油賦存環境的頁巖層系中是否有足夠大的微納米級儲集空間也是決定頁巖油富集程度與經濟性的重要條件。致密砂巖型頁巖油儲層如鄂爾多斯盆地長71-2，孔隙度大于6%，以8%~10%為主區間，滲透率大于0.1×10-3μm2。過渡型頁巖油儲層物性變化較大，如準噶爾盆地吉木薩爾蘆草溝組為例，上下甜點孔隙度平均11%，儲集物性較好。頁巖的礦物組合不僅影響壓裂改造效果，而且對烴類吸附數量與流動性也有重要影響，應該更加關注純頁巖與混積巖儲層的礦物組成。對于純頁巖來說，黏土礦物含量高對頁巖油的流動性和采出量都不利，黏土礦物含量須小于40%，且以伊利石和綠泥石為主。對于致密砂巖型和過渡型頁巖油來說，黏土礦物含量宜偏低為好，應小于20%。此外，頁巖的紋層和頁理發育，易剝性較好，可為頁巖油富集提供空間，也為頁巖油流出地層提供優勢通道，如松遼盆地古龍凹陷青山口組一段，當頁理縫密度超過1500 條/m時，頁巖孔隙度大于12%。頁巖巖相以紋層狀長英質頁巖和紋層狀亮(隱)晶泥灰質頁巖的儲集空間大、基質孔縫發育，是最有利的儲集巖相類型，可作為中高熟頁巖油可動烴富集的優勢巖相。

2.4.3 頂底板具封閉性保持超壓且多留滯輕—中組分烴物質是重要保證

頁巖油的流動性決定了資源的可動用性與勘探現實性，是決定單井產量和累計采油量能否有經濟性的重要因素。保持頁巖層中滯留烴有最大流動性和流動量的因素有3 個方面，一是頁巖層頂底板封閉性要好，可保證有最大數量可動烴留在頁巖層內，這就要求頁巖油富集段的頂底板蓋層既要穩定且連續分布，又沒有大的開啟斷層。以大慶古龍頁巖油為例，產量較高的頁巖油富集段蓋層厚度下限為2~5 m，突破壓力大于10 MPa，最佳大于15 MPa，且頂底板無明顯開啟斷層。二是地層能量大，具有較高的壓力系數，從目前試生產資料看，頁巖油富集段能形成較高初始產量和較大EUR值的井通常都具有超壓，壓力系數至少大于1.2，以1.3~1.5 更好，壓力太高也難免出現更大工程風險。古龍頁巖油目前獲得較高產量和EUR值的井都位于壓力系數大于1.2 的輕質油帶范圍，又以大于1.4 的區域EUR值更高。三是滯留烴中輕、中組分烴占比較大，重烴和非烴組分占比較小，以增加可動烴數量。這里包括了氣油比，原油密度和烴組分構成等指標。氣油比是反映地下可動烴數量占比高低的指標，從現有試生產資料看，陸相頁巖油可動烴富集區/段GOR門限為80 m3/m3，最佳區間為150~300 m3/m3。原油密度是決定微納米儲集空間頁巖油流動性好壞和流動量大小的重要指標，較低的原油密度代表著輕、中組分烴含量較高，而重烴和重質組分占比較少。其中純正型頁巖油的原油密度上限為0.85 g/cm3，密度越小越好，最佳小于0.82 g/cm3；過渡型頁巖油形成液態烴的時間偏早，烴的流動性偏差，原油密度下限可放寬至0.89~0.90 g/cm3；烴組分構成是反映頁巖油輕重組分占比高低的指標，對于Ro＞0.9%的中高熟頁巖油，族組分可用飽和烴含量或飽和烴和芳香烴含量來表示，正構烷烴組成可用C1-14/C15+表示。從統計看，中高熟頁巖油的飽和烴含量大于80%，或飽和烴和芳香烴總量大于90%，C1-14/C15+值大于0.8。對于Ro值為0.6%~0.9%的中低熟頁巖油，可用C1-21/C22+值來描述流動性，并作為評價參數，其中飽和烴含量下限為55%，或飽和烴和芳香烴總量大于75%，C1-21/C22+大于1.0(圖7)。

圖7 不同陸相頁巖液態窗階段原油物性變化趨勢(引自文獻[10])Fig.7 Variation trend of the crude oil physical properties in the liquid window stage of different terrestrial shales (referred to [10])

3 頁巖油地球物理評價技術進展

3.1 測井評價技術

頁巖油測井評價技術包括烴源巖品質測井評價技術、儲層品質測井評價技術、工程品質測井評價技術及甜點發育段測井評價技術等。

(1)烴源巖品質測井評價方法

TOC是衡量烴源巖品質的關鍵參數，也是頁巖油形成的物質基礎。根據烴源巖有機質的特點和物理性質，測井技術人員研發了多種應用地球物理測井信息估算TOC的方法，包括基于常規測井及元素全譜測井兩大類計算方法。電阻率-孔隙度曲線疊加法是一種基于常規測井資料對地層總有機碳含量進行定量評價的常用方法。元素全譜測井技術可通過測量獲得不同元素的含量，從中計算出總碳含量及總無機碳含量，二者相減可得到總有機碳含量。

(2)儲層品質測井評價方法

巖性識別、礦物組分計算、儲層孔隙結構與含油性評價是頁巖油儲層品質測井評價的核心內容。通過對常規測井巖性指示曲線或元素全譜測井資料的處理分析可實現對巖性的定性識別及復雜礦物組分的定量計算。通過從核磁共振測井T2譜中提取不同大小孔隙組分在總孔隙中的百分含量，利用其相對大小關系來評價儲層孔隙結構優劣。針對巖性復雜地層，基于一維核磁共振測井T2譜截止值方法或二維核磁共振測井T1-T2交匯圖法實現含油飽和度的定量評價；針對巖性相對簡單硅質含量高的地層，可基于三孔隙度測井曲線及電阻率曲線，采用阿爾奇公式方法定量計算含油飽和度。

(3)工程品質測井評價方法

頁巖油工程品質測井評價內容主要包括脆性指數與地應力評價等。利用測井資料準確獲取相關參數對于準確評價地層可壓性、優選壓裂試油層段、提高試油成功率等都具有重要意義。常用的脆性指數評價方法包括動態彈性參數法及速度徑向剖面法等方法。針對陸相頁巖油地層薄互層發育、具有明顯彈性各向異性的特點，研發了基于各向異性模型全剖面評價快慢地層水平主應力的方法。

(4)頁巖油“甜點”測井評價技術

利用測井資料對頁巖油甜點段進行垂向分布與分級評價，是頁巖油甜點評價的重要內容。結合壓裂試油、儲層品質及工程品質測井評價結果，綜合優選關鍵參數，建立綜合考慮儲層品質與工程品質的頁巖油甜點發育段測井評價方法。當儲層品質和工程品質都好時，甜點段壓裂后能獲得較高產量，可評價為一類產層；當儲層品質好、工程品質差或者當儲層品質差、工程品質好時，壓裂后產能相對較低，可為二類產層；當儲層品質差、工程品質也差時，壓裂后一般無工業產能。

圖8 為鄂爾多斯盆地長7 頁巖層系一個壓裂試油井段的甜點測井評價成果圖。根據儲層品質及工程品質評價結果，優選了儲層品質及工程品質俱佳的壓裂試油層段，使其主要集中在孔隙結構好、地應力相對較小、脆性指數較高的有利層段，最終壓裂試油獲得高產，日產油25.25 t。

圖8 頁巖油甜點測井評價成果圖Fig.8 Shale oil sweet spot logging evaluation result chart

3.2 地球物理評價技術

我國陸相頁巖油儲層巖性復雜、紋層頁理和微裂縫發育、油氣賦存狀態復雜等特點給頁巖油“甜點”地球物理評價技術帶來了非常大的挑戰。近年來，隨著“兩寬一高”、黃土塬區“井震混采”、小面元高覆蓋、單點高靈敏度檢波器接收等地震采集技術的實施[70]，微測井約束的三維變網格層析靜校正技術、層控網格層析速度建模技術、全地層Q吸收補償及Q疊前深度偏移技術、黏彈性疊前時間偏移技術、OVT域寬頻疊前保真處理技術[71-73]以及巖石物理敏感參數分析和定量預測模板技術、地質統計學反演、波形指示和Z反演、多任務學習儲層參數預測、各向異性地應力預測、水平井地震地質導向技術等一批面向頁巖油甜點“六性”預測的地震解釋技術的推廣應用[74-76]，頁巖油勘探開發已在鄂爾多斯、準噶爾、松遼、渤海灣和三塘湖等盆地相繼取得重要突破[77-79]，地震資料和處理解釋技術在頁巖油儲量提交、甜點區優選、水平井部署、隨鉆導向預警和鉆完鉆工程改造方面提供了日益重要且面向全周期的技術支撐。

十四五期間，我國陸相頁巖油勘探開發全面進入新發展階段，走向新層系、新領域，在地球物理基礎理論認識和關鍵技術研發方面仍面臨3 個關鍵問題：①陸相頁巖油儲層的油氣賦存狀態與干酪根成熟度、紋層頁理和微裂縫的發育程度密切相關，其巖石物理性質和地震響應特征尚未明確，含油飽和度定量預測的理論依據不充分；②多數頁巖油氣區斷層發育，如果斷層歸位不準確，構造深度不落實，容易在鉆井過程中造成嚴重誤差，因此地震資料處理過程中對微幅度構造和小斷層精確成像的要求高；③頁巖油氣目的層一般非均質強，縱橫向變化快，單個儲層薄，縱向上多種巖性交互疊置，地質甜點和工程甜點關鍵參數的預測精度要求高。鑒于此，下一步頁巖油甜點地球物理研究將圍繞探清機理、定準儲層、提高參數預測精度三方面持續開展工作：①頁巖儲層紋層、頁理、微裂縫發育，地下油氣賦存狀態復雜，地震上反映的是多因素耦合的宏觀尺度特征，而造成儲層和非儲層差異的因素需要從微觀尺度上逐一厘清，頁巖油氣的地球物理響應機理仍需深入研究；②儲層水平井鉆遇率對構造和儲層預測的精度要求高，需要繼續探索高精度的構造和儲層內幕成像處理技術、提高深度域處理解釋能力，保障水平井高鉆遇率；③頁巖層段儲層厚度、總有機碳含量、孔隙度、含油氣性、地層壓力、地應力、脆性、裂縫密度等參數的空間展布的高精度預測對儲量提交和水平井工程施工至關重要，需要進一步探索頁巖甜點關鍵參數從定性到定量化的預測技術。

3.3 富集層(甜點)綜合評價技術

選準頁巖油甜點是獲得突破發現并順利進入工業開發的先決條件。頁巖油甜點，是指頁巖層系內部滯留烴含量最高、流動性最好，在目前技術條件下可以實現經濟開發的最佳層段，包括垂向富集段和平面富集區兩方面。

陸相頁巖油具有兩個基本特征：一是大面積連續分布，但資源豐度總體偏低；二是無自然工業產能，需要經過“人工”改造產油。因此，頁巖油甜點的評價包括尋找“高豐度資源區/段”和易于形成“人工滲透率區/段”兩方面內容。高豐度資源區/段具有“兩大三高一保”的特點。“兩大”是指頁巖油富集區分布面積大和富集段厚度較大；“三高”是指有機質豐度高、熱成熟度較高與滯留烴含量高；“一保”是指頁巖油甜點的頂底板保存條件好[3,10]，這是頁巖油甜點評價的地質內涵。人工滲透率區/段具有“三高兩低一發育”的特點，“三高”是指脆性礦物含量要較高、微納米孔隙度較高和純頁巖段成巖階段較高，“兩低”是指黏土礦物含量較低與地應力場的水平應力差較低；“一發育”是指天然裂縫(包括生烴增壓縫、成巖縫和構造縫)發育，有利于通過人工改造形成較好的縫網，這是頁巖油甜點評價的工程內涵。

靜脈血栓形成是惡性腫瘤的常見并發癥之一，如果在未發病前采取有效的預防及檢測措施，不僅可以減輕患者的癥狀，還能降低高昂的治療費用。宮頸癌放療過程中，是否早期應用低分子肝素預防血栓仍存爭議，目前未見報道。本研究顯示提前予以低分子肝素在預防血栓形成方面起到一定的作用，但是否可以作為腫瘤的預防用藥應用于臨床，期待最佳模式的研究結果。

頁巖油甜點綜合評價需要在地質評價基礎上，利用測井和地震資料，對頁巖油富集區/段進行三維空間評價。地質甜點評價應按照前述章節基于現階段勘探試采總結提出的有機質含量、滯留烴含量等參數，嚴格篩選。在勘探初期，特別是對頁巖油富集因素與經濟可采性尚不明確前提下，執行標準宜從嚴不宜從寬。例如，有機質豐度指標一定要在TOC大于2%甚至大于2.5%的層段選擇靶體，從而保證有足夠多滯留烴數量。還要利用測井資料對甜點段進行垂向分布和分級評價，同時結合壓裂試油、儲層品質及工程品質測井評價結果，綜合優選關鍵參數。在以上工作基礎上，利用地震資料開展頁巖油甜點平面分布預測，以實現甜點三維空間分布評價，為鉆探井位確定提供支撐。

除“地質甜點”外，頁巖油評價還涉及“工程甜點”和“經濟甜點”[80-81]。“工程甜點”關注巖石可壓裂性、地應力各向異性等方面，“經濟甜點”關注資源豐度、資源規模、原油品質、埋深等內容。根據在頁巖油甜點評價中的重要程度，對主要參數給予不同的權重，地質、工程和經濟分別賦予0.5、0.3 和0.2 權重，在此基礎上開展三類甜點綜合評價，落實頁巖油最佳富集區。

4 研究展望

頁巖油是已形成油氣在烴源巖內部的留滯，亦可稱為殘留，能否具有經濟開發價值取決于多個因素，首先是滯留烴數量，這是決定單井產量和累計采出油量的基礎；二是滯留烴成分構成與品質，顯然輕組分越多，流動性就越好，單井產量和單井累計采出量就會越高；三是頁巖油賦存地層中的黏土礦物成分、含量與孔喉體積和結構。盡管我國陸相頁巖勘探開發在多個盆地取得了突破，試油試采也取得了較好的成效，國家也相繼建立了吉木薩爾國家級陸相頁巖油示范區、大慶油田古龍陸相頁巖油國家級示范區、勝利油田濟陽陸相斷陷湖盆頁巖油國家級示范區，但陸相頁巖油規模勘探與效益開發目前還面臨諸多挑戰，特別是我國陸相頁巖油大部分是中低成熟度頁巖油資源，必須改變思路，建立全新的研究內容與研究重點，特別需要把研究精度升級并要加強微觀研究，加強固/液/氣多相多場耦合流動機理研究，加強多學科交叉研究等，以建立頁巖油成藏新學科。重點需加強以下方面的研究。

(1)富有機質頁巖形成環境與有機質超量富集(TOC>6%)關系不清、頁巖巖性組合及巖石組構與烴滯留數量關系不清、有機質類型及豐度與烴吸附數量的關系尚不清楚，以及地層能量、滯留烴品質和烴組分混相流出的人工干預與頁巖油單井累計采出量的關系也尚未建立等，致使對頁巖油資源潛力與經濟性評價都存在較大不確定性，對有利勘探靶區與開發試采富集區選擇還有較大盲目性。研究需要關注頁巖和泥巖的沉積動力學差異及與有機質富集和貧化的關系、頁巖層系中頁理、紋層與沉積韻律的形成機制及在壓裂過程中易剝開性的差異，以及頁巖層系儲層表征、頁巖油富集控制因素和多學科融合的“富集區/段”評價方法和評價標準等，以解決頁巖油有利富集區/段客觀優選問題。

(2)強非均質頁巖儲層滲流機理、體積改造裂縫形成機理、產量遞減規律、多富集(甜點)層段開發模式尚未建立，致使頁巖油效益開發面臨巨大挑戰，需要探索形成“以改造縫網模擬和技術優化為核心、以多富集(甜點)段協同開發方式優化為支點、以實現高效開發為目標”的頁巖油開發技術與對策，解決中高熟頁巖油效益開發、穩產與提高采收率面臨的技術難題。

(3)中低熟頁巖油面臨有機質超量富集主控因素、原位轉化動力學、不同巖石組構的傳熱與多相多場烴物質耦合流動機制尚未完全建立的挑戰，需要關注陸相富有機質頁巖沉積環境、沉積動力與外物質作用，這是頁巖油原位轉化選區評價急需解決的關鍵基礎問題；關注不同沉積環境有機質顯微組分構成與數量差異對原位轉化動力學與轉化效率的作用，這是原位轉化最佳升溫窗口設計和實現有效開發的基礎；關注不同黏土礦物與不同有機質構成環境的蓄熱與熱傳導動力、關注固/液/氣多相有機質相態轉化誘發的地層能量場動力學，解決地下最佳升溫速率設計以及井下工具選擇面臨的基礎問題。通過研究攻關，逐步形成陸相中低熟頁巖油原位轉化配套技術，以推動陸相頁巖革命的發生和目標實現。

5 結論

(1)陸相頁巖有機質主要是Ⅰ型和Ⅱ1型，即主要以傾油型母質為主，少量為Ⅱ2型，較高熱演化程度可以有效改善油品質量，增加氣油比，對原油地下流動性有改善作用。微納米級孔縫系統的研究方法主要包括圖像精細表征與流體定量評價2 大類，保壓巖心的及時核磁測試可準確分析頁巖油儲層中的烴類分布。

(2)火山灰和熱液注入與放射性物質促進生物超量超速生長均可導致水體的高生產力，咸化水體、底水缺氧環境與低沉積速率三種條件均有利于有機質保存富集。頁巖層系儲集層孔隙度多小于12%，主體在6%~8%，空氣滲透率主體小于1×10-3μm2，大部分基質覆壓滲透率小于0.1×10-3μm2。孔隙以粒間孔、溶蝕孔為主，亞微米級孔隙與納米級孔隙占主體，整體連通性中等-較差。穩定且有規模和適宜熱成熟度的富有機質頁巖是重要物質基礎，有一定容積規模的微納米孔隙且具脆性的多類儲層是重要條件，頂底板具封閉性保持超壓且多留滯輕—中組分烴物質是重要保證。

(3)基于常規測井及元素全譜測井兩大類計算方法可估算TOC，儲層品質測井評價包括巖性識別、礦物組分計算、儲層孔隙結構與含油性評價，工程品質測井評價內容主要包括脆性指數與地應力評價等；地震資料和處理解釋技術在頁巖油儲量提交、甜點區優選、水平井部署、隨鉆導向預警和鉆完井工程改造方面提供了日益重要且面向全周期的技術支撐。

(4)陸相頁巖油規模勘探與效益開發目前還面臨諸多挑戰，必須改變思路，建立全新的研究內容與研究重點，特別需要把研究精度升級并要加強微觀研究，加強固/液/氣多相多場耦合流動機理研究，加強多學科交叉研究等，以建立頁巖油成藏新學科。