美国鹰滩和尼奥泊拉拉页岩油富集主控因素

秦长文，秦 璇

(1.中海油研究总院，北京 100028；2.盆地与油藏研究中心 中国石油大学，北京 102249)



美国鹰滩和尼奥泊拉拉页岩油富集主控因素

秦长文1，秦 璇2

(1.中海油研究总院，北京 100028；2.盆地与油藏研究中心 中国石油大学，北京 102249)

页岩油已经成为石油勘探开发的一个新领域。运用综合地质研究的方法，以揭示页岩油成藏条件为目的，对美国白垩系鹰滩和尼奥泊拉拉页岩的特征进行分析。研究认为，控制页岩油富集高产的主要地质因素包括：页岩富含有机质，TOC一般大于2%；成熟度适中，Ro以0.75%～1.10%为宜；储层厚度较大，微孔发育；岩石脆性好，易于体积压裂；构造稳定，埋藏适中，保存条件好；另外，最好发育天然裂缝。对页岩油成藏特征的研究揭示了其形成的特殊性，对国内页岩油的勘探开发有一定指导意义。

页岩油；白垩系；鹰滩页岩；尼奥泊拉拉页岩；有机质

1 页岩油与页岩气的异同

页岩油与页岩气相同之处在于二者都是赋存在地下的富有机质页岩及其夹层孔隙中的非常规烃类。不同点在于页岩油在地下的赋存状态是游离的液态，而页岩气在地下的赋存状态可以是游离、吸附的气态，或溶解在页岩油中。

页岩油和页岩气可以存在于同一盆地中或同一层页岩中，溶解在页岩油中的页岩气可以与页岩油同时产出。页岩油与页岩气一样，主要依靠水平井和多级压裂技术开采。单井的产量特征表现为初期(首月)产量高，之后逐步递减。但生产时间长，可达数年，甚至10 a以上[1-5]。

2 美国页岩油勘探开发现状及页岩油分布

目前，美国已在其西南部、墨西哥湾沿岸和落基山前的多个盆地获得了页岩油勘探开发突破(图1)。威利斯顿盆地的巴肯页岩拥有丰富的油气资源[6]，早在20世纪60年代就开始探索如何开发巴肯页岩中的石油，但真正大规模的开发是在近几年。福特沃斯盆地密西西比系的巴内特页岩是美国成功开发页岩气的典范，这些天然气大多产自埋深较大、有机质热成熟度较高(Ro>1.1%)的页岩，而埋深相对较小、仍处于生油窗的盆地北部成为开采页岩油的主要地区[7-10]。墨西哥湾盆地的鹰滩页岩是著名的优质页岩，为上覆的奥斯汀灰岩和下伏的布达灰岩油气藏提供了大量的油气，近年来认识到这套页岩不仅是优质烃源岩，还可以作为储层，已成为页岩油开采的一个新兴地区。

图1 美国页岩油分布

然而页岩油开采并不顺利，在美国东部和大陆中部开采页岩气的一些广大盆地并没有发现页岩油，在有些发现页岩油的盆地虽然采取了长水平段水平井和多级压裂措施，单井产量依然很低。

3 鹰滩和尼奥泊拉拉页岩岩性特征

鹰滩页岩和尼奥泊拉拉页岩都沉积于晚白垩世，其所处的盆地在晚白垩世的沉积环境是半封闭的浅海，非常有利于灰质页岩的发育，并保存了大量的有机质。

墨西哥湾盆地的鹰滩页岩主要为纹层状的灰黑色的灰岩、泥质灰岩、夹灰白色的泥质灰岩，页理发育。岩层中含较多的浮游有孔虫和少量的壳类瓣鳃动物化石碎片，局部可见磷酸盐晶体和球粒，以及分散的黄铁矿晶体。可分为上下2段，下段比上段有机质含量高、颜色深。下段厚为24～61 m，是水平井钻探的主要目的层，也是主要产层。

粉河盆地和丹佛盆地的尼奥泊拉拉页岩相似，宏观上表现为灰黑色、灰色的泥质灰岩与灰白色、灰色的灰岩互层，页理发育。泥质灰岩的有机质含量比灰岩的高。粉河盆地灰岩一般发育A、B、C 3层，中间的B层一般厚度为6～20 m，由于灰岩硬度高、脆性好，水平井段主要在该层中延伸。B层灰岩是石油产量的主要贡献者，其上下的泥灰岩层是次要贡献者。

4 页岩油富集高产的主控地质因素

4.1 富含有机质、成熟度适中的源岩

美国白垩系鹰滩页岩和尼奥泊拉拉页岩均是优质的海相烃源岩，有机质类型为Ⅱ型，丰度高。其中鹰滩页岩的TOC为2%～8%，平均为5%；粉河盆地的尼奥泊拉拉页岩的TOC为2%～7%，平均为5%；丹佛盆地的尼奥泊拉拉页岩的TOC为2%～8%，平均为5%。

鹰滩页岩的构造形态为一个南东倾向的单斜，西北部埋藏浅，东南部埋藏深，既产页岩油也产页岩气(图2)。页岩埋深为1 520～3 500 m，Ro为0.88%～1.10%。气区产凝析油气和干气，页岩埋藏较深，Ro一般大于1.10%，甚至可以到1.40%。

图2 鹰滩页岩顶面构造

尼奥泊拉拉页岩的有机质热演化程度较低，Ro小于1.00%，只产油和溶解气。粉河盆地在尼奥泊拉拉页岩中商业开采页岩油的地区的Ro为0.75%～0.95%。低于0.75%的地区，即使钻探水平井并采取压裂措施产量也很低。

4.2 储层厚度较大且微孔发育

盆地要拥有大量的页岩油资源，必须有发育稳定且厚度较大的页岩和充足的储集空间。

墨西哥湾盆地的鹰滩页岩发育比较稳定，厚度为42～122 m，主产层下段的厚度为24～61 m。泥质灰岩和灰岩互层的尼奥泊拉拉页岩地层发育很稳定，粉河盆地的尼奥泊拉拉页岩地层总厚度为90～137 m，丹佛盆地的尼奥泊拉拉页岩地层总厚度为90～122 m。

在高倍的电子显微镜下，可以看到页岩发育大量的微孔。鹰滩页岩在方解石和石英晶体间存在1 μm左右的粒间孔隙，而在有机质中则存在不规则的蜂窝状孔隙，孔隙大小在几到几百纳米。在有机质含量高的鹰滩页岩下段，有机质孔隙占岩石总孔隙的80%～90%。可见，有机质微孔是成熟富有机质页岩的主要孔隙。

富有机质页岩不但发育矿物粒间的微孔，有机质内部还发育大量的纳米级的微孔，为油气提供了充足的储集空间，使得页岩仍然具有一定的孔渗性。鹰滩页岩的孔隙度为5%～8%，渗透率为0.3×10-6～3.0×10-6μm2，平均为0.7×10-6μm2。粉河盆地的尼奥泊拉拉页岩的孔隙度为5%～8%，渗透率为0.1×10-6～2.0×10-6μm2，平均为0.8×10-6μm2。丹佛盆地的尼奥泊拉拉页岩的孔隙度为5%～10%，渗透率为0.1×10-6～2.5×10-6μm2，平均为1.0×10-6μm2。

4.3 岩石脆性好、易于体积压裂

页岩本身的渗透性是有限的，要在页岩中获得较高的商业产能，必须在水平井段中进行多级体积压裂，使页岩产生大量的网状裂缝，最大程度地沟通页岩中的微孔隙，提高储层渗透性。岩石的脆性决定压裂的效果，对于较软岩石(如煤层)，压裂容易，但裂缝延伸距离小；对于较硬岩石(如砂岩)，压裂往往形成单缝，不易产生网状缝，对页岩微孔隙的沟通作用有限。

页岩的脆性可以用脆性矿物的含量表示，脆性矿物含量越高，岩石脆性越大。脆性矿物包括石英、方解石、白云石、长石等矿物。鹰滩页岩岩石组成以方解石为主，约占岩石总质量的62%，石英含量次之，约占11%，黏土矿物含量较低，约占17%，其中脆性矿物含量达80%左右。尼奥泊拉拉页岩钙质含量占55%，石英含量为10%，黏土含量为10%～30%，其中脆性矿物约占70%。

美国白垩系的海相页岩脆性矿物含量较高，岩石脆性好，易于开展体积压裂，单井产量较高。鹰滩页岩和尼奥泊拉拉页岩水平井的单井初期日产油都可达上百立方米。

4.4 天然裂缝发育，渗透性强

页岩如果发育天然裂缝，不仅可以提高页岩储层本身的渗透性，还可以在压裂时促进页岩储层产生网状缝。鹰滩页岩和尼奥泊拉拉页岩在地层有一定挠曲的局部地区均发育天然裂缝。粉河盆地的南部是页岩油主生产区，单井产量比盆地其他地区的高，其重要原因是该区靠近南部冲断带，在尼奥泊拉拉地层中普遍发育天然裂缝。在地震剖面上表现为同向轴弯曲，在相干体平面图上对应出现一些断断续续的暗色条带(图3)。丹佛盆地尼奥泊拉拉页岩有机质的成熟度较低，页岩油主要生产区在Ro>0.75%的范围内。在Ro为0.50%～0.75%的区域，只有在裂缝发育区才能可以获得较高单井产量，裂缝不发育区单井产量很低。

图3 尼奥泊拉拉页岩裂缝分布特征

4.5 构造稳定，埋藏适中，保存条件好

鹰滩和尼奥泊拉拉页岩油生产区都处于盆地的构造稳定区，地层产状变化小，不发育大型的断裂，只有少量的小型断裂，页岩油的保存条件好。另外，小型断裂的断距一般只有数米，不会把页岩地层完全错开，对钻探水平井和实施压裂没有太大影响。

页岩生烃后可以向邻近的砂岩等储层排出部分油气，但在没有断裂沟通的前提下，能有效排烃的一般只是邻近砂岩20 m以内的页岩。对于厚达百米的源岩仍然有大量的石油残留于页岩地层中。

埋深对页岩油的富集和开采很重要，如果地层抬升造成埋藏太浅，石油会因保存条件差变稠，难以从页岩中开采出来；如果页岩埋藏太深，有机质热演化程度变高，页岩中的石油会逐渐裂解为气。鹰滩页岩和尼奥泊拉拉页岩在产油区埋藏适中，深度范围为1 520～3 660 m。墨西哥湾盆地白垩系的埋藏由东南向西北逐渐变浅，单口水平井的初期石油产量从上百方下降到30 m3左右，石油API重度为35～60，属轻质原油。在鹰滩页岩埋深小于1 500 m的地区，产量很低，石油API重度低到22，属中质原油，目前无法实现商业开采。而在埋深3 500～4 200 m的地区只产页岩气。

5 结论及启示

(1) 丰富成熟的有机质不仅为页岩提供了充足的烃源，还提供了相对于砂岩来说额外的储集空间，使得页岩赋存大量的石油资源。应对国内外页岩油资源引起重视，并在起步阶段择机参与海外页岩油的开发。

(2) 产油页岩富含有机质，TOC一般大于2%；有机质热演化程度适中，最好在较高的生油窗范围，Ro为0.75%～1.10%为宜，如果Ro较低，即使生油，也不易产出。

(3) 页岩油的富集要求构造稳定，埋藏适中，保存条件好。如果构造活动强，大断裂发育多，页岩中石油难以富集；埋藏太浅(一般小于1 500 m)，造成页岩油散失；埋藏太深，石油会裂解成气。

(4) 对页岩油的勘探开发必须考虑岩石的脆性，较高的页岩脆性才适宜钻探水平井和实施多级压裂措施，在页岩中形成体积性裂缝，使石油通过大量的裂缝运移产出。

(5) 页岩一般没有油气二次运移形成的局部聚集，但可以有垂向的初次运移形成的邻近地层的油气聚集，应重视对灰岩和泥岩、砂岩和泥岩等互层地层页岩油气的勘探开发。

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编辑 林树龙

20141205；改回日期：20150405

中国海洋石油总公司科研项目“新一轮页岩气矿产资源保障程度论证研究”(2014-JSZC-001)

秦长文(1968-)，男，高级工程师，1991年毕业于中国地质大学(武汉)地质学专业，2005年毕业于中国石油大学(北京)地质资源与地质工程专业，获博士学位，现主要从事页岩油气等非常规油气勘探开发方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.008

TE121

A

1006-6535(2015)03-0034-04