王敏, 陈祥, 严永新, 章新文, 朱景修, 黄庆, 贾艳雨. (2013)南襄盆地泌阳凹陷陆相页岩油地质特征与评价[J]. 古地理学报, 15(5): 663-671
Wang Min, Chen Xiang, Yan Yongxin, Zhang Xinwen, Zhu Jingxiu, Huang Qing, Jia Yanyu. (2013)Geological characteristics and evaluation of continental shale oil in Biyang sag of Nanxiang Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 15(5): 663-671. DOI:10.7605/gdlxb.2013.05.054  
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南襄盆地泌阳凹陷陆相页岩油地质特征与评价
王敏, 陈祥, 严永新, 章新文, 朱景修, 黄庆, 贾艳雨
中国石油化工股份有限公司河南油田分公司,河南南阳 473132

第一作者简介: 王敏,男,1958年生,教授级高级工程师,博士,主要从事石油地质综合研究及管理工作。E-mail:wangmin@sinopec.com。

收稿日期:2013-06-20
摘要

南襄盆地泌阳凹陷中部深凹区发育有淡水环境及咸水环境沉积的深湖—半深湖相页岩。该套页岩岩相复杂、类型多、变化快,可分为泥质粉砂岩、粉砂质页岩、隐晶灰质页岩、重结晶灰质页岩及白云质页岩,总体富含有机质,这为陆相页岩油的形成提供了充分的物质基础。研究区页岩具有纵向厚度大、横向分布广、有机质丰度高及类型好、热演化程度适中、脆性矿物含量高及含油气性好等特征,具备良好的陆相页岩油形成条件。在明确泌阳凹陷具备良好的陆相页岩油形成条件基础上,进一步开展了陆相页岩油地质评价方法的研究,提出了一套包含岩石学分析、地质多参数综合评价、有利区带评价等8项关键技术的地质评价方法,并明确了泌阳凹陷陆相页岩油富集的主控因素及有利目标区,进而优化部署页岩油水平井,取得了中国陆相页岩油勘探的重大突破,展示了中国陆相页岩油良好的勘探开发前景。

关键词: 陆相页岩油; 地质特征; 地质评价; 泌阳凹陷; 南襄盆地
中图分类号:P618.130.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2013)05-0663-09
Geological characteristics and evaluation of continental shale oil in Biyang sag of Nanxiang Basin
Wang Min, Chen Xiang, Yan Yongxin, Zhang Xinwen, Zhu Jingxiu, Huang Qing, Jia Yanyu
Henan Oilfield Branch,Sinopec, Nanyang 473132,Henan

About the first author:Wang Min,born in 1958,is a professor senior engineer,and is engaged in comprehensive researches on petroleum geology and management.E-mail:wangmin@sinopec.com.

Abstract

In the central deeply-depressed area of Biyang sag in Nanxiang Basin, the organic shale was developed in semideep-deep lacustrine facies which were deposited in freshwater-saltwater environments. The lacustrine shale had various kinds of complex lithofacies,and changed quickly. Totally, it could be divided into argillaceous siltstone,silty shale,aphanitic calcareous shale,recrystallization calcareous shale and dolomitic shale.They were rich in organic matter,and offered a favorable material basis for continental shale oil. Biyang sag shale extended widely in large thickness,high content of organic matters and better organic matter types,appropriate thermal evolution degree, high brittleness mineral content and petroliferous properties.Recent studies made it clear that Biyang sag had favorable formation conditions for shale oil.On this basis,the shale oil exploration and development technology were developed, including petrology analysis technology,geological multi-parameter comprehensive evaluation technology and the favorable zone evaluation technology. Moreover, the main controlling factors on the shale oil accumulation were determined and target area was predicted. The above research indicated that China's continental shale oil exploration had made significant breakthrough and demonstrated good exploration and development prospects of continental shale oil in China.

Key words: continental shale oil; geological characteristics; geological evaluation; Biyang sag; Nanxiang Basin
1 概述

泌阳凹陷位于南襄盆地东北部(图 1), 面积约1000 km2, 是中国东部中新生代典型的富油凹陷。该凹陷是一个东南部最深、向西北逐渐抬升的箕状凹陷, 自北向南依次可分为北部斜坡带、中部深凹带和南部陡坡带3个构造单元。泌阳凹陷自上而下依次发育第四系平原组, 新近系凤凰镇组, 古近系廖庄组、核桃园组、大仓房组和玉皇顶组(表 1), 并根据地震资料推测在古近系之下有上白垩统存在, 基底为元古界。其中古近系核桃园组为一套富含有机质的湖相页岩(杨道庆和陆建林, 2005), 是泌阳凹陷主要的生油与储集岩段。包括泌阳凹陷核桃园组在内的中国东部古近系广泛分布的陆相湖盆页岩是否具备页岩油气形成条件以及陆相页岩油的地质评价方法, 是当前亟需攻克的关键问题。

图1 南襄盆地泌阳凹陷构造位置Fig.1 Tectonic location of Biyang sag, Nanxiang Basin

表1 南襄盆地泌阳凹陷地层简表 Table1 Stratigraphy of Biyang sag, Nanxiang Basin

近年来, 北美地区海相页岩油气勘探开发理论及技术取得了突破, 页岩油气产量快速增长, 逐步发展成为重要的油气资源战略接替领域(Centurion, 2001; Tran et al., 2010; 吴奇等, 2011; Randy et al., 2012; Ricardo and Lakani, 2012)。文中通过跟踪国内外非常规油气勘探开发技术发展情况, 综合利用钻井、录井、测井、地震、试油及试采资料, 从泌阳凹陷页岩油地质特征入手, 研究并明确了泌阳凹陷陆相页岩油形成条件和富集主控因素, 预测和评价页岩油有利目标区, 优化部署水平井, 取得了中国陆相页岩油勘探的重大突破。

2 泌阳凹陷页岩沉积特征

泌阳凹陷为中新生代断控凹陷, 古近纪核桃园组沉积时期处于深湖— 半深湖— 盐湖沉积环境, 发育了一套富含有机质、岩相复杂、相变快、非均质性强的湖相页岩, 岩性主要为黑色、灰色粉砂质页岩及灰质页岩, 是湖盆强烈— 稳定断陷期沉积的一套细粒沉积物, 具有较高的有机碳含量。大量岩心、薄片观察表明:页岩构造以纹层状或页理状为主, 块状较少见; 粒度以粉砂级以下(小于0.062 mm)为主; 粉砂、黏土及碳酸盐矿物含量多集中在20%~40%之间, 三者均无绝对优势, 属于页状混合型细粒沉积岩, 纯粹的黏土岩及灰岩不发育。对页岩矿物类型、含量及分布特点综合分析认为, 泌阳凹陷主要发育5种岩相, 分别为泥质粉砂岩、粉砂质页岩、隐晶灰质页岩、重结晶灰质页岩及白云质页岩(图 2)。泥质粉砂岩多为块状, 可见较多的变形、扰动构造及泥岩撕裂屑, 存在明显的鲍马序列, 是深湖浊流形成的。粉砂质页岩常以2~5, cm厚的夹层形式频繁出现, 可能与湖盆面积较小、物源相对较近有关, 因为其沉积环境为湖泊, 当时水体相对开放、动荡, 容易受到不同程度的周期性物源进积或浊流的影响。隐晶灰质页岩通常由呈水平或波状互层的明暗相间纹层构成:浅色纹层以泥晶方解石为主, 为化学沉淀成因及浮游藻类生物化学成因; 暗色纹层为富有机质黏土层, 由藻类大量死亡后分解出来的有机质复合黏土缓慢沉淀形成。重结晶灰质页岩中明暗相间纹层更加明显, 方解石重结晶, 晶体粗大、干净明亮、呈透镜体状和层状分布, 是富有机质的灰质页岩在湖盆深埋期经排异作用、有机酸溶解作用、再沉淀作用及重结晶作用后的产物。

图2 南襄盆地泌阳凹陷页岩岩相类型
A— C2井, 2799.39 m, 核三段, 泥质粉砂岩, 正交光, × 200; B— C2井, 2820.00 m, 核三段, 粉砂质页岩, 正交光, × 200; C— BYHF1井, 2419.50 m, 核三段, 隐晶灰质页岩, 正交光, × 100; D— BYHF1井, 2447.60 m, 核三段, 重结晶灰质页岩, 单偏光, × 200; E— BYHF1井, 2442.20 m, 核三段, 白云质页岩, 单偏光, × 200Fig.2 Shale lithofacies types in Biyang sag, Nanxiang Basin

3 泌阳凹陷页岩油地质特征

泌阳凹陷湖相页岩具有分布面积广、厚度大、有机碳含量高、热演化程度适中、脆性矿物含量较高、储集空间类型发育、含油气性明显等特征, 具有良好的页岩油形成条件(陈祥等, 2011a, 2011b)。

3.1 页岩分布特征

泌阳凹陷湖相页岩平面上主要分布在深凹区, 纵向上主要发育在古近系核二段至核三段, 从上至下共发育6套富含有机质的页岩, 单层厚度30~77 m, 分布面积80~120 km2; 累计厚度200~600 m, 分布面积近400 km2。研究区页岩具有纵向上厚度大、横向上分布较稳定的特征(图 3), 为页岩油形成及富集提供了物质基础。

图3 南襄盆地泌阳凹陷核三段页岩厚度等值线图Fig.3 Isopach map of shale of the Member 3 of Hetaoyuan Formation in Biyang sag, Nanxiang Basin

3.2 页岩生烃条件

泌阳凹陷核桃园组页岩为一套咸水— 淡水环境下沉积的湖相页岩, 浮游生物及菌藻类发育, 具有有机质丰度高、有机质类型好、生烃能力强等特征。页岩中有机碳含量为2.14%~4.96%, 平均3.27%, 平面上以泌阳凹陷中部深凹区丰度最高; 有机质类型以Ⅰ 型和Ⅱ a型为主, 为偏油型母质类型。泌阳凹陷深凹区核二段— 核三上段镜质体反射率RO为0.7%~1.1%, 总体上以页岩油为主。页岩氯仿沥青“ A” 含量0.2%, 总烃含量921 mg, 生烃能力较强(图 4)。生烃史研究表明, 核三上段页岩在核一段沉积末期开始生烃, 至廖庄组沉积末期达到生烃高峰, 并持续生烃至今, 页岩发育的深凹区均处在成熟区范围内, 面积约400 km2; 核二段页岩在深凹区东南部安棚一带目前处在成熟范围内, 面积约100 km2。

图4 南襄盆地泌阳凹陷核三段TOC含量和RO值等值线图
A— TOC含量等值线图; B— RO值等值线图Fig.4 Contour map of TOC content and RO value of the Member 3 of Hetaoyuan Formation in Biyang sag, Nanxiang Basin

3.3 页岩赋存条件

通过岩心观察、岩石薄片及高分辨率扫描电镜分析, 发现本区页岩主要发育4种孔隙和3种裂缝(图 5)。孔隙类型包括溶蚀孔、晶间孔、粒间孔及有机质孔隙, 裂缝类型包括构造裂缝、层间缝和微裂缝。其中溶蚀孔、有机质孔隙以及层间缝尤为发育, 为页岩油有利储集空间类型。溶蚀孔隙主要有方解石溶孔和长石颗粒溶孔, 形态为港湾状或树根状, 尺寸为几十纳米到几微米。有机质孔隙分为有机质边缘与碎屑颗粒间孔隙、有机质溶蚀孔隙及生烃演化孔隙, 大者达到3~4, μ m, 小者仅几个纳米。层间缝主要是指层间页理缝, 是页岩中页理间平行纹层面的微孔缝, 富碳酸盐纹层和黏土纹层接触处是层间微裂缝发育的有利区域, 研究区页岩层间缝十分发育, 延伸长度较大, 开度为几微米, 是主要的油气储集空间类型及运移通道, 经统计为7~16条/m。孔隙度及渗透率实验结果表明, 研究区页岩孔隙度2.73%~5.81%, 平均4.32%; 渗透率(0.005~0.007)× 10-3 μ m2, 平均0.0056× 10-3 μ m2, 总体表现为特低孔渗特征(表 2)。

图5 南襄盆地泌阳凹陷BYHF1井页岩不同储集空间类型特征
A— 页岩石英颗粒间孔隙, 核三段, 2437.00 m, 氩离子抛光扫描电镜, × 20000; B— 页岩层理缝, 核三段, 2441.00 m, 氩离子抛光扫描电镜, × 30000; C— 页岩溶蚀孔隙, 核三段, 2426.00 m, 氩离子抛光扫描电镜, × 5000; D— 页岩有机质孔隙, 核三段, 2422.00 m, 氩离子抛光扫描电镜, × 20000; E— 页岩层理缝, 核三段, 2437.00 m, 单偏光, × 40; F— 页岩纹层错断缝, 核三段, 2443.00 m, 单偏光, × 40; G— 页岩微裂缝网络, 核三段, 2421.00 m, 正交光, × 40Fig.5 Shale reservior space characteristics of Well BYHF1 in Biyang sag, Nanxiang Basin

表2 南襄盆地泌阳凹陷页岩不同孔隙类型及特征分析数据 Table2 Pore types and characteristics of shale in Biyang sag, Nanxiang Basin

图6 南襄盆地泌阳凹陷BYHF1井岩性柱状图Fig.6 Lithological column of Well BYHF1 in Biyang sag, Nanxiang Basin

3.4 页岩脆性矿物特征及可压性

据北美页岩油气开采经验, 富含石英及碳酸盐等脆性矿物的页岩具有较好的可压性(戴金星等, 1996; 蒋裕强等, 2010; 孙赞东等, 2011)。泌阳凹陷陆相页岩中石英、长石、碳酸盐等脆性矿物含量高达69%, 黏土矿物含量小于30%, 与北美海相页岩相比同样具有较好的可压性。岩石力学参数对页岩可压性及缝网形成能力的判断至关重要。北美地区通过人工压裂能形成复杂网状缝的页岩一般泊松比小于0.25, 压裂指数大于50%, 水平应力差异系数小于10%。泌阳凹陷BYHF1井页岩泊松比0.19, 杨氏模量18.53 GPa, 压裂指数54.1%; 最大水平主应力45.5 MPa, 最小水平主应力43.2 MPa, 水平应力差异系数5.3%, 反映该地区页岩具有较好的可压性和网状缝形成条件。

3.5 页岩含油气性

钻井资料表明, 泌阳凹陷深凹区48口井在页岩层段普遍钻遇良好的油气显示, 气测录井全烃值0.094%~99%, 显示段页岩厚度30~140, m。在页岩层钻井过程中, 槽面见到大量的油花和气泡显示, 钻井取心观察到页岩裂缝发育, 含油饱满, 安深1、泌74、程1等老井的页岩层通过试油测试和常规压裂均获得油流。测井资料表明, 泌阳凹陷陆相页岩含油测井响应特征明显, 具备4高(自然伽马、中子、声波、电阻率高)、1低(低密度)的特征(图6), 中子与声波的交汇面积大小与含油气性呈正相关关系。以上资料均表明泌阳凹陷陆相页岩具有较好的含油气性。

4 地质评价方法

地质评价是陆相页岩油取得勘探开发突破的关键, 其主要包括岩石学分析、地质多参数综合评价、测井储集层评价、录井储集层评价、地震储集层预测、资源评价、有利区评价、水平井优化设计等8项技术, 现重点介绍岩石学分析、地质多参数综合评价及有利区评价3项关键技术。

4.1 岩石学分析

岩石学分析技术是研究陆相页岩有利岩相类型及页岩油赋存特征的主要手段。利用薄片分析、场发射电镜、全岩X衍射、定量矿物扫描评价等技术, 观察页岩中各矿物组分的分布状态、组合样式及含量; 按照矿物组分类型、含量、组合样式及生物化石等特征, 将泌阳凹陷陆相页岩划分为粉砂质页岩、重结晶灰质页岩、隐晶灰质页岩、白云质页岩、泥质粉砂岩等5种岩相。纵向上, 从下至上页岩岩相变化依次为白云质页岩→ 重结晶灰质页岩→ 隐晶灰质页岩→ 粉砂质页岩→ 泥质粉砂岩, 以粉砂质页岩及隐晶灰质页岩为主(图 6)。平面上, 隐晶灰质页岩为优势岩相, 广泛分布于深凹区; 深凹区东北及西南方向分别受到三角洲及扇三角洲砂体进积的影响, 主要发育泥质粉砂岩及粉砂质页岩; 重结晶灰质页岩及白云质页岩仅局部发育。

图7 有机质在页岩中赋存方式(黑色为有机质)
A— 顺层富集有机质, BYHF1井, 核三段, 2421.00 m, 正交光, × 200; B— 断续条带状有机质, BYHF1井, 核三段, 2442.50 m, 单偏光, × 200; C— 分散有机质, BYHF1井, 核三段, 2429.40 m, 正交光, × 200Fig.7 Occurrence mode of organic matter in shale(black area is organic matter)

4.2 地质多参数综合评价

地质多参数综合评价技术是研究陆相页岩油富集主控因素的关键技术。北美地区页岩油气评价共有16个参数, 包括地质、工程、自然及人文条件。结合中国陆相湖盆页岩的特点, 认为页岩的厚度、埋深、有机质丰度、热演化程度、裂缝发育程度、岩相、储集物性及矿物组成等8项参数是多参数综合评价技术的关键。现将其中岩相、有机质丰度、储集物性和裂缝发育程度等4种参数与陆相页岩油富集的关系阐述如下。

岩相是页岩油气富集的重要影响因素。泌阳凹陷陆相页岩划分为5种岩相, 不同岩相的储集空间类型及发育程度、储集物性、孔隙半径、有机质丰度和含油性均不一样。重结晶灰质页岩的孔隙度、渗透率中等, 平均孔隙半径较大, 裂缝孔隙度大, 含油丰度较高; 粉砂质页岩孔隙度高, 含油丰度高, 渗透率较低, 平均孔隙半径相对较小; 而隐晶灰质页岩孔隙度、渗透率、裂缝发育程度及平均孔隙半径均一般; 综合评价认为粉砂质页岩及重结晶灰质页岩为页岩油富集有利岩相(表 3)。

表3 南襄盆地泌阳凹陷常见页岩岩相物性和含油性数据 Table3 Physical properties and oil-bearing data of common shale lithofacies in Biyang sag, Nanxiang Basin

有机质丰度是影响页岩油气富集的关键因素。首先有机质是页岩油生成和富集的物质基础, 在有机质类型和成熟度相似的情况下, 有机质丰度与含油丰度呈正相关关系。据统计, 页岩油形成工业可采能力的条件是TOC含量大于2.0%。其次, 有机质发育可以改善页岩的储集物性及储集能力。再次, 有机质赋存方式影响到页岩油气的赋存及运移能力。有机质在页岩中有顺层富集型、断续条带状和分散状等3种赋存方式(图 7), 顺层富集型更利于页岩油气聚集和运移。

储集物性是影响页岩储油能力的核心因素, 孔隙度及裂缝发育程度与含油丰度呈正相关。一般页岩储集层孔隙度越大, 储油能力越强; 对特低孔特低渗的页岩储集层来说, 裂缝及微裂缝发育对储集物性改善起关键作用, 也是甜点评价的关键因素。裂缝形成时间、发育程度及后期成岩充填作用与页岩油富集有关, 裂缝形成时间早于油气形成充注时间, 且后期未被充填则有利于页岩油富集。多属性综合裂缝预测表明, BYHF1井区裂缝比ANS1井区发育, 页岩油钻探及试油结果也证明BYHF1井区好于ANS1井区(图 8)。

图8 南襄盆地泌阳凹陷BYHF1井区和ANS1井区地震多属性裂缝预测Fig.8 Fracture prediction by seismic attribute of Well blocks BYHF1 and ANS1 in Biyang sag, Nanxiang Basin

4.3 有利区带评价

结合泌阳凹陷陆相页岩地质特点, 以油藏、工程两大类评价因素为主, 结合经济技术条件, 进行页岩油有利目标预测与评价。根据富含干酪根区、较高孔渗区、脆性矿物富集区及裂缝发育区等综合评价, 优选页岩油气富集高产区, 为有利目标区评价及水平井井位部署优化提供依据。通过有利区评价研究, 建立了陆相页岩油有利区评价标准:(1)页岩层段单层厚度大于30 m, 有效厚度大于10 m; (2)有机质丰度大于2.0%; (3)热演化程度RO大于0.7%; (4)孔隙度大于4%; (5)埋深小于3500 m; (6)脆性矿物含量大于55%, 黏土矿物含量小于35%。利用以上标准对泌阳凹陷深凹区6套富含有机质的页岩层进行有利区评价, 有利区面积累计240 km2, 总资源量11× 108, t, Ⅰ 类资源量2.4× 104 t(图 9)。在选区评价的基础上, 开展页岩油有利目标优选、水平井井位部署、水平井轨迹方向设计、水平段最佳着陆点选择以及钻井设计优化等研究工作, 2011年在泌阳凹陷部署了中国石化首口陆相页岩油水平井— BYHF1井, 完钻井深3722 m, 水平段长度1044 m, 实施15级分段压裂, 获日产油23.6 m3、天然气1000 m3高产工业油气流, 使泌阳凹陷陆相页岩油勘探取得重大突破。随后又部署钻探了第2口页岩油水平井— BYHF2井, 完钻井深4408 m, 水平段长1402 m, 实施21级分段压裂, 获得日产28.1 m3高产工业油流, 进一步展示了泌阳凹陷陆相页岩油良好的勘探开发前景(吕明久等, 2012)。

图9 南襄盆地泌阳凹陷核三段富有机质页岩层有利区评价Fig.9 Favorable area comprehensive evaluation of organic-rich shale of the Member 3 of Hetaoyuan Formation in Biyang sag, Nanxiang Basin

5 结论与认识

1)泌阳凹陷中部深凹区发育深湖— 半深湖— 盐湖相、淡水— 咸水环境沉积的富含有机质页岩。由于湖盆面积相对较小, 物源近, 沉降、沉积速度较快, 湖区沉积的页岩相变快、非均质性强, 主要发育泥质粉砂岩、粉砂质页岩、隐晶灰质页岩、重结晶灰质页岩及白云质页岩等5种岩相。

2)泌阳凹陷为中国东部中新生代典型富油凹陷, 具备陆相页岩油形成的有利条件; 深凹区发育分布稳定的富含有机质页岩, 是页岩油勘探的有利区; 泌阳凹陷陆相页岩储集空间发育, 类型多样, 主要发育粒间孔、晶间孔、溶蚀孔、有机质孔、构造缝、层间缝、微裂缝等7种类型; 陆相页岩油富集主要受岩相、有机质丰度、储集层物性及裂缝发育程度等因素控制; 资源评价结果表明泌阳凹陷陆相页岩油资源量11× 108, t, 充分展示了良好的勘探开发前景。

3)通过陆相页岩油地质评价方法的研究, 提出了一套包含岩石学分析、地质多参数综合评价、有利区评价等8项关键技术的地质评价方法, 建立了陆相页岩油有利区评价标准。

目前中国页岩油的勘探正处于探索攻坚阶段, 泌阳凹陷陆相页岩油勘探取得突破, 揭开了中国陆相页岩油勘探的新篇章; 中国东部断陷湖盆及西部盆地中富含有机质的页岩广泛分布, 具备较好的陆相页岩油形成条件, 资源潜力及勘探前景广阔。但是如要加快推进陆相页岩油勘探研究步伐, 还需解决陆相页岩油赋存机理、富集高产条件、渗流机理及驱动机理不清等科学难题, 同时尽快形成国产化、自主化的水平井钻完井及多级分段压裂技术配套技术系列, 降低勘探开发成本, 实现经济化和规模化开采。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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