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[中国非常规油气网]页岩油及其特征

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中国 常规 油气 页岩 及其 特征
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2012 年 10 月 大庆石油地质与开发 31 卷第 5 期 岩油 及其 特征 初探 杨 升宇 张金川 (中国地质大学 教育部海相储层演化与油气富 1集机理重点实验室 ,北京 100083) 摘要: 通过与“油页岩”、“致密油”和“泥岩裂缝性油藏”等资源的对比分析, 将石油勘探界的页岩油定义为以页岩为主的页岩层系中所 包 含的石油资源。通过 分析 页岩油地质特点 , 认为页岩油 与常规石油资源有较大区别, 但 与页岩气 在地质特征和开发方式等 有很 多 相似性 。页岩油的 “甜点”与裂缝发育程度、基质孔隙大小和地层异常压力 情况 关 系密 切 。 在分析鄂尔多斯盆地延长组页岩层系 地质 特征后 认为 , 该区页岩油 与页岩气可能存在共生现象,页岩油 资源 潜力巨大 ; 中国 在页岩油 理论 研究 和勘探实践 过程中应借鉴美国成功的 理论模型和 勘探开发经验, 同时根据 中美地质条件的差异性 探索适合中国地质条件和经济技术水平的页岩油之路。 关键词: 页岩油 ; 致密油 ; 甜点 ; 巴肯页岩 ; 延长组 中图分类号: 文 献 标识码: A 文章编号 :1000012) 05直以来 , 页岩层系 中的 石 油没有受到足够重视与其储集空间的特殊性和石油价格的波动性有关 。随着水平井和分段压裂 技术在页岩气开发中 的 应用,页岩层系这种横向分布稳定但物性差的储层在经济性 开采上有了技术保障。受诸多因素影响国际原油价格从 2003 年的 不足 40 美元 /桶 上 升到 2012 年初的 超过 110 美元 /桶 ,这为非常规石油的 大规模 开发提供了经济可能性。目前 , 国内针对页岩气 的理论研究 已经形成了较完备的体系 [1,2], 对页岩层系中的石油资源 的 研究 多以裂缝性油藏为目标 ,而 对于 页岩 油 这种新兴 的 非常规石油资源 的 内涵与外沿 界定 、地质特征 分析和 资源特点 研究等相 对较少。 1 页岩油 的定义 油页岩 是一种 高 灰分 的固体可燃有机 矿产 资源 。有学者将 油页岩 通过 低温干馏获得 的 类似天然石油称为 页岩油 [3,4]。 虽然同为泥岩粒级 的 碎屑岩中采出的石油资源, 但 油页岩 本身就 是一种可燃 的 有机矿产,不仅可以提取 人工 石 油 , 而 且可以用于发电、 石油化工 等行业 , 提取 人工 石油 后的灰渣还可以制造陶粒、水泥等建筑材料 甚至 农用肥料等 [5]。 通常情况下 , 油页岩 中的 有机质成熟度处于未成熟或低成熟阶段。 油页岩矿的经济开发深度较浅,一般不超过 1 000 m。 目前 主要的 开 发方式是将其采 掘 出地 表 (少 数 地区可直接在地下进行 热处理) ,利用低温干馏的方式获得碳氢比类似 于 天然石油的一种“人工石油”。这种“人收稿日期: 2012 改回日期: 2012目基金:国家自然科学基金 ( 41102088)。 作者简介:杨升宇,男, 1986 年生,在读硕士,从事非常规油气勘探研究工作。 15210965674 第 31 卷 第 5 期 杨升宇 等 : 页岩油及其特征 2 工石油”的成分可以随着油页岩加热过程的 变化 而发生改变。 而本文讨论的石油工业界中的页岩油是指在达到生油门限的泥页岩层系中赋存的天然石油。页岩油是可以通过钻井技术直接开采 的 ,因而经济开发 最大 深度远大于油页岩 (小于 4 000 m) 。 广义上说 , 页岩油是以页岩为主的页岩层系中所含的石油资源,包括泥页岩孔隙 、 裂缝中的石油 以及 泥页岩层系中的致密碳酸岩或碎屑岩 邻 层 或 夹层中的石油资源。美国将低孔渗 性 储层中产出 的轻质原油称为致密油 [6],但这种命 名只是强调了储层的物性特征, 没有突出页岩层系这个 特殊的岩性特点 。此外 ,页岩油在储集 空间、成藏机理和开发方式上都与页岩气有极大相似性,因此“页岩油”这一称呼 更好地与 “页岩气” 形成了 对应。 早在 19 世纪 60 年代 , 美国、前苏联等 国家 就已经在 泥岩 裂缝 性 储层获得 了石 油产能,中 国也在 渤海湾 盆地 (包括车镇凹陷、沾化凹陷、东濮凹陷等 )、 松辽盆地(古龙凹陷)、 南襄盆地和 苏北盆地 等 开发了 “裂缝性油藏”或“泥岩裂缝油藏” [7 这类油藏 属于页岩层系中的石油资源,应称之为“裂缝性页岩油藏” 。 烃源岩的排烃能力与 其 自 身的物性、源 岩有机质特征、 邻 层物性、温压场 和埋藏时间等有关。 而 页岩油实际是 由于源岩层系 的 排烃能力有限而在其中 滞留 的石油资源 。 页岩的储集空间不仅包括泥页岩本身,与泥岩 呈 互层关系 的致密碳酸岩或 碎屑岩 由于 具有相对较大的储集空间和更好的连通性 能 也是 有 效的页岩油储集 体 。总体上 , 页岩油储层可以分为 3 种类型 : 第一种是 大规模 天然裂缝十分 发 育的 裂缝性泥岩 , 这种油藏 即 为 “泥岩裂缝性油藏” , 主要以游离状态赋存于泥页岩裂缝中 ,裂缝中的石油是主要的开发对象 。 由于 勘探开发难度相对不大, 中 国已在 渤海湾 盆地、松辽盆地、 南襄 盆地和 苏北盆地 等 地 取得 了一定 的 产量 ; 第二 种 为裂缝不发育的泥 页 岩 储集层 , 主要以游离和吸附态赋存 于 泥页岩的孔隙、裂缝和有机质中 , 虽然在常规钻探条件下泥页岩中 的 石油很难有效渗流出孔隙,但当页岩 分布、 含油率和脆性 等 达到一定条件后,通过压裂等措施可以获得工业油流 , 美国已经通过水平井 分段压裂 技术在 岩的 裂缝不发育的纯泥岩段 获 得 了 页岩 油经济产 能 。 最后 一种 页岩油 储层 是 泥 页 岩 的致密碳酸岩或致密砂岩 邻层 和 夹层,称 之 为混合岩性 储层。与泥岩紧密相连的致密储层是原油初次运移的 场所 。 这种 源岩的邻 、 夹层相对于 纯 泥页岩 层 具有储 油空间大、储层连通性好、脆性大和 保护条件好的特点 。 目前混合岩性页岩油是美国开采的热点, 岩和 岩 等 是 此 类页岩油产层的代表 , 都是 泥页 岩 与以碳酸岩为主的致密层互层 的页岩层系 , 页岩油 主产层为 页岩的 碳酸岩邻层或 夹层 。值得 注意 的是 , 这 3 种页岩油储层在实际勘探开发过程中并 不容易区分 ,而 且 裂缝发育的页岩在开发晚期也可能在裂缝不发育 段 有非裂缝性页岩油开采 。 同时 ,混合岩性的页岩层系中裂缝的发育程度也对页岩油的产能影响 很大 , 但 纯 裂缝性 页岩 油藏 的勘探开发方式 已 经相对常规而且 已经 形 成 产能 , 因 此应该区 别 对 待 。 泥页岩储层 相 对 于 致密碳酸岩 储层 和 砂岩储层在孔隙度和渗透率方面差别 较大, 这 2 种类型也 应区别对待。 2012 年 10 月 大庆石油地质与开发 31 卷第 5 期 虽然 裂缝 欠 发育性 页岩油 和 混合岩性页岩油 的 储油空间 的 孔隙度和渗透率都很低,但随着非常规开发技术的成熟,已经成为 页岩油 研究的热点 , 也是美国 主 要 页岩油 产层 的 重 要 类型 , 因此 将这 2 种以泥页岩层系基质孔隙为主要储油空间的页岩油称为“典型页岩油”。 2 页岩油 的 基本特征 作 为一种非常规能源 , 页岩油 与常规圈闭石油资源在成藏地质条件、成藏机理和产能特征方面有明显区别 。 典型 页岩油的基本特征主要包括 : ( 1) 有 大面积 分布的 生 烃能力 强的源岩,成熟度适中; ( 2)储层基质孔隙小; ( 3) 有受地质控制的 “ 甜点 ” 分布; ( 4)地层存在 异常压力; ( 5) 没有明显的油水界面; ( 6) 地质 储量大 ; ( 7) 稳产后 单井日产量低,稳产时间长 。 页岩油 相 对 于常规油藏对源岩的分布和生烃能力 的 要求更高 。 以目前 的 技术水平 , 通常只 有 大面积稳定分布且有机质含量较高的页岩层系 才 能 获 得页岩油的经济开 发 。 虽然 基质孔隙小和渗透率低 是使页岩油能在页岩层系中大量保存的重要原因,但也 是 页岩层系内 具有 含油率低、产水率低、油水界面不明显 等 特点 的 主要 原因 。 由于 泥页岩层系内生烃膨胀等容易形成异常压 力, 低渗透性 泥页岩层系内部相对封闭的体系 也为其 保存 提供了条件 , 控制页岩油“甜点”分布的主 要因素包括 裂缝发育情况、基质孔隙大小和 异常 压 力等。 目前 最有效的 页岩油 开发方式 是 水平井钻井配合分段压裂 , 在 页岩油开发早期由于裂缝连通性好和异常压力等原因产量较高 , 但随着压力的降低产能递减也很快,通常一年内的产量会递减 30%~ 90%。稳产后 , 泥页岩层系中基质孔隙的石油是产能 的主要 贡献者, 由于石油在低物性页岩层系中的流动性有限,日产油率并不高,但 稳产时间 相对较长 。 作 为 页岩层系中 重要 的非常规资源, 页岩 油与页岩气在储集空间、“甜 点”分布模式和开发方式上有很多共同点, 有的地区甚至有页岩油气同生的现象 , 但勘探开发过程中也有不同之处。页岩油气其实都是母岩生成的烃类物质在源岩层系中的滞留 , 裂缝的发育程度、 基质孔隙的大小和异常压力都是影响页岩油气产能的重要因素 , 最有效开发页岩油气的技术 是 在水平井的基础上进行分段压裂,通过人工造缝和支撑剂保护裂缝 的方法 采出 页岩油气。 同一层系的泥页岩在不同热演化阶段会生成大量油气, 当然 也有油气同生的阶段。美国 部分地区的 岩由于 有机质 成熟度界于生油高峰和生气高峰之间 出 现了页岩油和页岩气在同一地 层 共生 的现象。页岩油和页岩气 不仅 是 烃源岩在不同热演化阶段的产物, 其分子量也有很大差别。由于油分子远大于天然气分子,其在开发过程中的流动性 也 相对较差 , 所以 在压裂段的优选、压裂间距调整和支撑剂选择方面都与页岩气有所不同。 3 典型 页岩油 分析 威利斯顿盆地巴肯 组 页岩油 的 勘探开发现状 威利斯顿盆地 横贯美国 、 加拿大两国 , 面积约 285 000 属于美国洛基山含油气 区 的一部分 , 石油资源丰富 。威利斯顿盆地 是一个 克拉通内盆地, 分布于前寒武系基岩之上 , 是 由 18~ 19× 108 年前的第 31 卷 第 5 期 杨升宇 等 : 页岩油及其特征 4 山 运动 形成 的 [11]。 盆地整体呈 东西 较 为 对称的负构造 展布 ,在盆地中心有 3 个小的背斜构造。该区从寒武纪开始沉积地层,在奥陶纪、志留纪和泥盆纪有较厚的灰岩和白云岩沉积以及较薄的砂岩、粉砂岩、页岩和蒸发岩等。威利斯顿 盆 地泥盆系 — 石炭系巴肯 组 页岩裂缝 性 页岩油和混合岩性页岩 油 已被 大规模 工业 开采 。 其中 上巴肯段主要为裂缝性页岩油, 中巴肯段 为 混合岩性页岩油 。中巴肯段页岩油 年 产量为美国页岩油 产层 之最 , 巴肯组页岩油 是美国页岩油 勘探 开采的典型代表 。 泥盆系 — 石炭系 巴肯 组 页岩主要分为 3 个 段 —— 上巴肯段、中巴肯段和下巴肯段, 整体埋深 为 2 500~3 300 m, 上巴肯段 和 下巴肯段 以 富 含 有机质 泥 页岩为主, 中巴肯段 以致密 泥质白云岩和粉砂岩为主。 上 、下巴肯段 页岩 最大厚度分别为 7 m 和 14 m, 干酪根 以 Ⅱ 型 为主, 有机质 成熟度属于热催化生油气成熟阶段 。上 、 下巴肯段 有机碳含量 分布 为 ~ ,孔隙度分布为 3% 11]。上 、 下巴肯段页岩整体物性差,但 有机碳含量明显比 常规油源高。 上巴肯段 局部裂缝发育 ,这是 20 世纪70 年代该区 早期裂缝性页岩油成功开采的主要 原因 , 但 2000 年以来 有 80%以上的产量来自 中巴肯段 的致密碳酸岩层 。 中巴肯段 主要为浅滩沉积, 地层 以 白云岩、粉砂岩 、 粉砂岩 与 白云岩互层为主。 孔隙度 分布为 5%~ 10%,渗透率 为 1010育一定 的 高角度裂缝。 对比发现 , 中巴肯段 储层物性 明显 好于上 、 下巴肯段 页岩, 碳酸岩的可压裂性强于泥页岩,因 此 中巴肯段页岩油更容易通过压裂方式从 天然和人工 裂缝中渗流形成较高产 量。 巴肯组 整体 呈轻微超压 状态 ,压力梯度为 m。 近600 口 井的钻探生产发现 ,该 区没有明显的油水界面,局部地区甚至呈现下油 、 上水的特点 , 这是 由于致密层油气聚集 的过程不服从浮力作用 而 服从 活 塞式躯替 造成的 。 巴肯页岩 的 油 勘探开发 可以分为 2 个阶段 , 2000 年以前 是以 上巴肯段 裂缝性页岩油为主, 之 后则以中巴肯段 致密夹层油开采为主。 1978 年 , 美国应用直井和水平井技术对 上巴肯段 裂缝性页岩油进行了有效 的 开采。以 水平井 33为例, 初期可以获得 36t/d 的产量, 但 4 年后 产量逐渐下降 ,原因可能是 由于 页岩裂缝中的石油快速渗流到井筒 而 增产措施不够 使 孔隙中石油不能有效析出进行 有效 补充,从而导致产量快速下降。 2000 年以来 , 针对 中巴肯段 的水平 钻 井的成功应用又掀起了该区页岩油勘探 开发的高潮。由于 中巴肯段 的基质孔隙和渗透性都明显大于上 、 下巴肯段 页岩, 储层有一定超压 且钻井和压裂技术有 了较大 进步, 使得该区 页岩油产量 十分 可观 , 单井最高日产油量可达 570t[12]。 据 2008 年美国地质调查局评价,威利斯顿盆地巴肯页岩油总资源量为 230× 108t,可采资源量 为 6× 108t。 鄂尔多斯 盆地东南段延长组页岩油 潜力分析 国内 典型 的 页岩油 资源 在渤海湾盆地 (辽河凹陷、东营凹陷、东濮凹陷等 )和鄂尔多斯盆地等非裂缝性页岩油已经有了不同程度的显示。 以鄂尔多斯盆地东南段延长组为例 , 目前 延长油矿 已经在 该 区 长 7段 、 长 8 段 和长 9 段获得页岩油气资源, 而 且 页岩油 具 有 较大 的资源潜力。 鄂尔多斯盆地东西段延长组以西高 、 东低的低角度单斜构造为背景 。 长 7 段 和长 9 段为深湖 — 半深2012 年 10 月 大庆石油地质与开发 31 卷第 5 期 湖相高有机碳泥页岩, 长 8 段为浅湖相致密砂岩和泥页岩互层段。长 7 段 和长 9 段 分布稳定,厚度 为 10~150 m, 这 2 套泥页岩平均有机碳含量大于 2%,局部地区大于 6%。以Ⅱ 2和Ⅲ型干酪根为主的长 7 段 、长9 段 镜质体反射率 为 处 于 主力生油阶段。长 8 段同样有稳定 的展布,地层以泥页岩、粉砂岩、细砂岩等薄互层分布。长 8 段砂岩 平均孔隙度 为 5%~ 15%。 通过 观察该 区多口井 的 岩心发现 , 长 7 段— 长 9 段 泥页岩和砂岩都有不同程度的油浸现象 , 而 且 其 试油结果也表明该地层存在页岩油资源 。 、 和 等测井和 录井 资料 显示这 3 段 含油气性 明显 。 长 7 段产 出页岩气同位素分析表明 , 该组页岩气为原油伴生气,因 此 该区很可能也存在页岩油气共生的现象, 长 7 段 很有可能存在大量典型 的 页岩油资源。 综合分析认为 , 鄂尔多斯盆地东南段 延长组 页岩油资源潜力巨大 , 其中 长 7 段 、长 9 段 以 非裂缝性页岩油资源 为主 , 而 长 8 段混合岩性页岩油资源丰富。 在该区页岩气 勘探开发 逐步展开的情况下, 重 视油气共生的现象 很可能在该区 取 得较大的页岩油气 突破 。 4 结论 ( 1) 页岩油资源不仅包括 纯 泥页岩 段 中的石油, 也 包括其致密非泥页岩 邻层和 夹层中 的石油 。 由于这种混合岩性页岩油 储层 物性明显好于泥页岩, 可压裂性强, 因此 是目前国内外页岩油勘探开发的优先目标。 页岩油 与常规油藏相比在储层特征、产能特点和开发方式 差别 较大,但 与 页岩气有很 多 相似性。 裂缝发育情况、基质孔隙的大小和异常压力 是控制页岩油气“甜点”的主要因素。 ( 3)在合适的有机质热演化程度下 存在 页 岩油气共生的现象 , 但在 页岩油 开发过程中 压裂段 的优选、压裂间距调整和支撑剂选择等方面与页岩气有一定差别。 ( 4) 威利斯顿盆地石油勘探已有近 200 年的历史,可以说是典型的成熟型勘探盆地 的代表 , 但仍然在 2000 年发现 了大规模 的 典型页岩油资源 。 因此 , 新思路、新理论和新技术 是 取得非常规油气勘探的 关键因素 。 ( 5)中 国 已 经 在裂缝性页岩油勘探方面 获得突破, 目前 在渤海湾盆地 ( 辽河凹陷、济阳凹陷 ) 和鄂尔多斯盆地等 地 呈现 出较大的资源潜力 。 因此, 在页岩油 理论 研究 和勘探实践 上 , 应当 借鉴美国页岩油的成功经验 和 开发技术 , 寻求一条 适合中国地质条件和经济技术水平的页岩油之路。 参考 文献: [1]张金川 ,薛会 ,张德明 ,等 J] 2008,22( 04) :640[2]江怀友 ,宋新民 ,安晓璇 ,等 . 世界页岩气资源勘探开发现状与展望 [J]2008,27(06):10[3] R. of ]2003, 20(3): 193- 252. 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