頁巖油賦存特征分析及關(guān)鍵參數(shù)研究

黃巖氣在北美得到了顯著成功的勘探和開發(fā)。隨著勘探的深入，人們注意到巖屑和巖屑之間的分布并沒有完全分離。例如，美國(guó)第二產(chǎn)氣區(qū)官方氣田第二海拔高度的氣田中，巖屑主要產(chǎn)于角質(zhì)巖組的巖屑，角質(zhì)巖組的氣同時(shí)生產(chǎn)大量油。2007年底，超過2.40億桶。液體烴的產(chǎn)量也迅速增加。氣和鹽的產(chǎn)水量有關(guān)。MaverickSub盆地EagleFord頁巖的勘探開發(fā)也證實(shí),生產(chǎn)井中既產(chǎn)油,同時(shí)也產(chǎn)氣,油氣的產(chǎn)出隨頁巖中有機(jī)質(zhì)的成熟度呈明顯的條帶狀分布。以產(chǎn)油為主的中國(guó)東部陸相盆地,在常規(guī)油氣勘探開發(fā)過程中也發(fā)現(xiàn)了大量賦存在泥頁巖中的非常規(guī)石油資源。如何估算這些資源,對(duì)我國(guó)制定頁巖油長(zhǎng)遠(yuǎn)勘探開發(fā)規(guī)劃具有重要意義。目前,國(guó)內(nèi)外用于頁巖油資源評(píng)價(jià)方法有多種,各種評(píng)價(jià)方法的理論基礎(chǔ)存在一些差異,各自運(yùn)用的對(duì)象也不盡相同,但大致能歸納為靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩大類,靜態(tài)法主要應(yīng)用頁巖的靜態(tài)參數(shù)計(jì)算其資源量,具體又細(xì)分為成因預(yù)測(cè)法、類比預(yù)測(cè)法和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法;動(dòng)態(tài)法是根據(jù)頁巖油在開發(fā)過程中的動(dòng)態(tài)資料計(jì)算其資源量,目前對(duì)頁巖油進(jìn)行資源量評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)法主要包括物質(zhì)平衡法、遞減法和數(shù)值模擬法等。雖然頁巖油資源評(píng)價(jià)方法有多種,但每一種方法都有其適用條件和范圍。頁巖油勘探在我國(guó)仍處于探索起步階段,缺少成熟的頁巖油氣開發(fā)區(qū)和頁巖油生產(chǎn)數(shù)據(jù),鑒于我國(guó)頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀,本次研究從成因?qū)W的角度對(duì)體積法中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究,建立了適合于我國(guó)勘探階段并具有可操作性的頁巖油資源評(píng)價(jià)方法,并用于中石化探區(qū)頁巖油資源評(píng)價(jià)。1儲(chǔ)巖油氣成巖模式頁巖油系指僅具有初次運(yùn)移而未經(jīng)過或只經(jīng)過極短暫二次運(yùn)移,在泥頁巖層系中自生自儲(chǔ)的原油,其儲(chǔ)集空間包括泥頁巖孔隙和裂縫中的石油,也包括泥頁巖層系中的致密碳酸鹽巖或碎屑巖鄰層和夾層中的石油資源。頁巖油的形成和分布受頁巖有機(jī)質(zhì)演化程度的限制,只有在生油窗范圍內(nèi)的頁巖才具備形成頁巖油的條件,演化程度過高則易轉(zhuǎn)化為頁巖氣。頁巖氣主要包括頁巖中的游離氣和吸附氣,而頁巖油吸附部分在目前技術(shù)條件下很難被開采,頁巖油主要指游離狀態(tài)的原油。2巖石油資源量計(jì)算體積法的總體思路是:先計(jì)算單位體積頁巖中頁巖油的含量,然后根據(jù)頁巖的體積計(jì)算總的頁巖油資源量。在計(jì)算單位體積頁巖油的含量時(shí),一般有氯仿瀝青“A”法、熱解S1法和含油飽和度法3種。此外,在頁巖油量的計(jì)算中,可以用氣油比的方法計(jì)算頁巖油中的伴生氣,因?yàn)椴还苁锹确聻r青“A”法還是熱解S1法,均無法獲得其中氣的含量,因此有必要單獨(dú)進(jìn)行氣態(tài)烴的計(jì)算。2.1仿瀝青“a”含量氯仿瀝青“A”法是應(yīng)用氯仿瀝青“A”作為頁巖中頁巖油含量的指標(biāo)來進(jìn)行,其計(jì)算公式見式(1):其中Qa油為頁巖油量;V為不同級(jí)別頁巖的體積;ρ為泥頁巖密度;A為不同級(jí)別頁巖單位巖石氯仿瀝青“A”含量,%;Ka為氯仿瀝青“A”輕烴補(bǔ)償系數(shù),與演化程度有關(guān);TOC為總有機(jī)碳含量,%;K吸為吸附系數(shù)。氯仿瀝青“A”是常規(guī)油氣勘探中常用的指標(biāo),其分析方法成熟,基礎(chǔ)資料豐富。由于氯仿瀝青“A”的組成與原油接近,能較好地衡量頁巖中油的含量。氯仿瀝青“A”分析樣品用量較大,能較好地消除頁巖非均質(zhì)性問題。氯仿瀝青“A”也存在較嚴(yán)重的輕烴損失,同時(shí),由于是采用溶劑抽提的方法,氯仿瀝青“A”中包含了部分吸附烴量。在應(yīng)用氯仿瀝青“A”進(jìn)行資源量計(jì)算過程中,輕烴補(bǔ)償系數(shù)和吸附系數(shù)是其關(guān)鍵性的兩個(gè)參數(shù)。2.2熱解s1吸附情況熱解S1法是應(yīng)用熱解S1參數(shù)作為頁巖油含量的衡量指標(biāo)。應(yīng)用熱解S1法進(jìn)行頁巖油資源量計(jì)算公式見式(2):其中Qs油為頁巖油量;V為不同級(jí)別頁巖的體積;ρ為巖石的密度;Ks1為熱解S1輕烴補(bǔ)償系數(shù);S1為熱解S1參數(shù);TOC為總有機(jī)碳含量,%;Ks1吸為熱解S1吸附比例系數(shù)。熱解是常規(guī)油氣勘探中常用的分析方法之一,具有方法成熟、分析精度高、經(jīng)濟(jì)快捷、樣品用量少、獲取比較方便等優(yōu)點(diǎn)。在頁巖油氣的評(píng)價(jià)中,熱解S1是重要的評(píng)價(jià)參數(shù),熱解S1的量值直接影響到頁巖含油量的值。已有的研究表明,熱解S1受后期的保存影響非常大,對(duì)同一樣品,新鮮樣品是常溫下放置一個(gè)月樣品熱解S1值的1.5~2.0倍,這一差別還受樣品的熱演化程度影響。由于熱解S1輕烴損失校正需要新鮮樣品,這一條件使得建立起不同演化程度的校正系數(shù)變得非常困難,這也影響了該方法的使用效果。另一方面,熱解S2中也存在部分可溶烴量,這部分可溶烴量對(duì)頁巖油的貢獻(xiàn)仍需進(jìn)行大量的研究工作。2.3原油密度co含油飽和度法是借鑒常規(guī)油氣勘探中儲(chǔ)量計(jì)算的方法,計(jì)算公式見公式(3):其中N為原油地質(zhì)儲(chǔ)量,104t;A為含油面積,km2;h為有效厚度,m;Φ為有效孔隙度,%;So為原始含油飽和度,%;ρo為原油密度,t/m3;Boi為原油體積系數(shù)。從方法原理上說,含油飽和度法最接近常規(guī)油氣勘探中的儲(chǔ)量計(jì)算,是最可取的一種方法。但是由于頁巖孔隙度和含油飽和度資料非常少,孔隙度和含油飽和度的測(cè)量精度受其他影響因素較大,許多孔隙度和含油飽和度的測(cè)量方法對(duì)巖心的要求較高,如樣品的大小、樣品紋層或裂縫發(fā)育程度、頁巖的后期保存情況、頁巖中可溶有機(jī)質(zhì)的含量等,這些因素極大地限制了該方法的使用。2.4創(chuàng)新油氣中兩相離子含量的估算對(duì)于頁巖油中的伴生氣,本文主要采用氣油比的方法進(jìn)行計(jì)算,該方法主要根據(jù)油氣中頁巖油量和氣油比來確定頁巖油中活性最大的氣態(tài)烴C1—C5的含量,計(jì)算公式見公式(4):其中V氣為伴生氣體積;Q油為頁巖油量;r為氣油比。3計(jì)算巖油定量的重要參數(shù)的研究3.1頁巖分級(jí)方法頁巖體積是資源評(píng)價(jià)最關(guān)鍵的參數(shù)之一。如何確定頁巖的體積對(duì)頁巖油資源量具有重大影響。由于泥頁巖具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性,因此在資源量計(jì)算過程中,有必要按照頁巖含油量的高低把頁巖分級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià),消除頁巖含油量非均質(zhì)性的影響。頁巖分級(jí)方法采用TOC與氯仿瀝青“A”和TOC與熱解S1的相互關(guān)系,把頁巖按照含油量的高低分成富集資源、分散資源和無效資源3個(gè)級(jí)別(表1)。在頁巖的分級(jí)過程中,如何系統(tǒng)獲取分級(jí)參數(shù)是級(jí)別劃分的關(guān)鍵,即頁巖的TOC、氯仿瀝青“A”和熱解S1參數(shù)的求取。由于鉆井取心的限制,目前主要采用系統(tǒng)取心的資料與測(cè)井資料相結(jié)合,建立相應(yīng)的測(cè)井解釋模型,并計(jì)算相關(guān)的分級(jí)參數(shù)。3.2自生自儲(chǔ)巖性油氣藏輕烴恢復(fù)技術(shù)氯仿瀝青“A”是指用氯仿從沉積巖中抽提出來的有機(jī)質(zhì)。在氯仿瀝青“A”分析測(cè)試中,輕烴損失主要發(fā)生在以下幾個(gè)過程:(1)樣品干燥,樣品粉碎前在40~45℃條件下干燥4h以上;(2)樣品粉碎,樣品粉碎采用機(jī)械破碎方法,破碎過程中可產(chǎn)生40~50℃的溫度;(3)抽提物濃縮,抽提物濃縮采用溶劑蒸發(fā)方式,加熱溫度一般在80℃左右,在蒸餾過程中樣品中的輕質(zhì)烴組分揮發(fā)損失嚴(yán)重。一般認(rèn)為,氯仿瀝青“A”主要是C15+的成分,是氯仿抽提物輕烴組分散失后的殘留部分,應(yīng)用其評(píng)價(jià)頁巖中的含油量時(shí),必須進(jìn)行輕烴恢復(fù)。頁巖油作為殘留于泥頁巖中的游離烴,在組成和性質(zhì)上與排出的液態(tài)烴相似,自生自儲(chǔ)巖性油氣藏作為僅經(jīng)過極短距離聚集成藏的烴類,其輕烴所占比例與頁巖中殘留烴類相似,因此,應(yīng)用自生自儲(chǔ)巖性油氣藏中原油的烴類組成特征對(duì)其周邊頁巖的氯仿瀝青“A”分析過程中的散失輕烴進(jìn)行恢復(fù)具有可行性和易操作的特點(diǎn)。應(yīng)用這種方法,就可以獲取氯仿抽提過程中輕烴的恢復(fù)系數(shù)。筆者從淺至深選取了濟(jì)陽坳陷巖性油氣藏及其周邊泥頁巖資料進(jìn)行系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)其恢復(fù)系數(shù)隨演化程度的增加而增大,Ro為0.5%、0.7%、0.9%、1.1%和1.3%時(shí)其對(duì)應(yīng)的恢復(fù)系數(shù)分別為1.09、1.16、1.30、1.41和1.52。3.3頁巖油量定量分析在熱解分析前的樣品粉碎過程中,易揮發(fā)的氣態(tài)烴極容易損失,因此熱解S1僅能代表部分殘烴量,在應(yīng)用熱解S1進(jìn)行頁巖油量定量分析時(shí),也應(yīng)該進(jìn)行輕烴恢復(fù)。對(duì)于熱解S1的輕烴恢復(fù)工作,張林曄等(1)進(jìn)行過大量的試驗(yàn)和研究工作,并建立起相應(yīng)的分析測(cè)試技術(shù),其方法為根據(jù)新鮮樣品在冷凍密閉條件下進(jìn)行處理、進(jìn)樣分析與常規(guī)條件下的分析測(cè)試資料進(jìn)行對(duì)比,認(rèn)為在演化程度處于成熟演化階段,其輕烴損失率平均達(dá)到50%左右。3.4煤系富里亞lid及排烴類吸附烴類能力在頁巖油氣資源量計(jì)算中,不論是氯仿瀝青“A”還是熱解S1方法,其計(jì)算的頁巖油量中,均包含了三部分,一部分位于顆粒孔隙體系內(nèi),為游離狀態(tài),第二部分為吸附在干酪根表面或內(nèi)部,第三部分則是在油濕或混合濕潤(rùn)的孔隙體系,吸附在礦物顆粒的表面。從賦存狀態(tài)來分可以分為吸附和游離兩部分。由于吸附油在目前的技術(shù)條件下難于開采利用,并不是一種現(xiàn)實(shí)的頁巖油資源,而氯仿瀝青“A”和熱解S1并不區(qū)分游離油或吸附油,游離油是本次資源評(píng)價(jià)所關(guān)心的量。本次研究首先確定吸附油量,然后用總油量減去吸附油量就是游離油量。如何確定吸附油量是本研究的關(guān)鍵之一。近年來,對(duì)于固體有機(jī)質(zhì)吸附烴類能力的分析已在煤層氣和頁巖氣中開展過研究工作,如以蘭格繆爾(Langmuir)理論為基礎(chǔ)的等溫吸附模型。從等溫吸附模擬結(jié)果看,頁巖中干酪根對(duì)烴類的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黏土礦物、石英和碳酸鹽等礦物,而且干酪根本身是油濕潤(rùn)相,是吸附油量的主要控制因素之一。Pepper等在研究不同演化階段的轉(zhuǎn)化指數(shù)(S1/TOC或氯仿瀝青“A”/TOC)時(shí)發(fā)現(xiàn),成熟排過烴的烴源巖的S1/TOC或氯仿瀝青“A”/TOC總是大于未成熟烴源巖。Pepper等在統(tǒng)計(jì)世界不同盆地的資料后發(fā)現(xiàn),在排烴門限時(shí)S1/TOC均為0.1,“A”/TOC則為0.2左右,并認(rèn)為烴源巖對(duì)烴類的吸附能力受有機(jī)質(zhì)豐度的影響,在熱解S1表征含烴量時(shí),TOC的0.1倍是其飽和吸附烴的量;而用氯仿瀝青“A”表征含烴量時(shí),其飽和吸附烴的量為TOC的0.2倍。筆者在對(duì)濟(jì)陽坳陷沙三下和四上亞段兩套頁巖的“A”/TOC和S1/TOC隨深度變化的特征進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),在排烴門限以前,“A”/TOC和S1/TOC變化平緩,基本在0.2和0.1以下,排烴門限以下發(fā)生迅速增加,如果以排烴門限時(shí)的S1/TOC或氯仿瀝青“A”/TOC作為頁巖的最大吸附能力,則可初步確定沙三下和沙四上亞段“A”/TOC的吸附油比例系數(shù)分別為0.23和0.24,S1/TOC的吸附油比例系數(shù)均為0.1,這與Pepper等研究結(jié)果基本一致。4計(jì)算示例以古生代沙亞區(qū)板巖為例4.1下亞段頁巖特征渤南洼陷位于濟(jì)陽坳陷沾化凹陷的中部,是沾化凹陷最大的二級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元,構(gòu)造上為一北陡南緩、東陡西緩的斷陷湖盆,向北東方向延伸,南北邊界受斷層控制,北以埕南—埕東斷層與埕東凸起相接,向東以孤西斷層與孤北洼陷、孤島潛山構(gòu)造帶相連,南方以緩坡形式過渡至陳家莊凸起,西部通過義東斷裂帶與義和莊凸起相接。沙三下亞段是渤南洼陷最主要的一套頁巖。沙三下亞段頁巖主要發(fā)育微咸水—淡水湖相沉積,在溫暖潮濕氣候條件下,各種生物十分繁盛,形成多套深灰色、灰色泥巖、油頁巖和油泥巖。沙三下亞段泥頁巖分布面積廣,暗色頁巖厚度約為100~600m,最厚可達(dá)680m左右,埋藏深度一般為1800~4600m,最深可達(dá)5000m以上,成熟頁巖主要分布于2500~4600m,構(gòu)成渤南洼陷的主力烴源巖層系,也是頁巖油氣最為發(fā)育的層系。大量地球化學(xué)分析測(cè)試結(jié)果表明,渤南洼陷沙三下亞段頁巖是渤南洼陷最重要的一套烴源巖,其有機(jī)質(zhì)豐度高,有機(jī)碳含量分布范圍為1.0%~9.3%,主要為2.0%~5.0%,最高可達(dá)9.3%,生烴潛量為1.0~82.5mg/g,氯仿瀝青“A”主要為0.2177%~3.0336%,平均為1.0686%,有機(jī)碳含量由洼陷邊部向中部逐漸增大。沙三下亞段頁巖的有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ-Ⅱ1型,演化程度低成熟到高成熟階段均有分布,Ro主要分布范圍為0.52%~0.92%,目前正處于成熟生油階段。4.2頁巖油資源的相對(duì)重要性對(duì)渤南洼陷沙三下亞段頁巖,為減少頁巖非均質(zhì)性影響,主要按照含油量高低采用分級(jí)評(píng)價(jià)的方法,頁巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。頁巖分級(jí)參數(shù)通過改進(jìn)的ΔlogR模型來獲取。即通過羅69井的分析測(cè)試資料和測(cè)井資料相結(jié)合,分別建立有機(jī)碳、熱解S1和氯仿瀝青“A”的測(cè)井解釋模型,研究其他無分析測(cè)試資料段的相關(guān)參數(shù),并根據(jù)頁巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頁巖進(jìn)行分級(jí),分別統(tǒng)計(jì)出每個(gè)級(jí)別頁巖的厚度、有機(jī)碳含量、熱解S1值和氯仿瀝青“A”百分含量,形成相應(yīng)的等值線圖(圖1~3);并根據(jù)渤南洼陷實(shí)測(cè)資料確定頁巖密度為2.35~2.55t/m3,頁巖主要發(fā)育段氣油比為50~200m3/t,密度和氣油比均隨深度的增加而逐漸增大;在以上基礎(chǔ)圖件和參數(shù)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用氯仿瀝青“A”方法,對(duì)渤南洼陷沙三下亞段頁巖中頁巖油資源量進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表2和表3。從計(jì)算結(jié)果看(表2),渤南洼陷頁巖油資源量為54736×104t。其中,頁巖中含油48461×104t,占主導(dǎo)地位,伴生氣為6275×104t。從不同級(jí)別頁巖中的資源量分布看,Ⅰ級(jí)頁巖中的含油量占了絕大多數(shù),為51953×104t,占總資源量的94.9%,是頁巖油資源的主要貢獻(xiàn)者。從縱向上看(表3),超過68%的頁巖油資源分布在3500~4500m的成熟至高成熟范圍內(nèi),表明頁巖中有機(jī)質(zhì)的演化程度對(duì)頁巖油具有較大的控制作用。渤南洼陷頁巖的資源量主要受控于Ⅰ級(jí)頁巖的發(fā)育規(guī)模和Ⅰ級(jí)頁巖中有機(jī)質(zhì)的熱演化程度。渤南洼陷東北部埋藏深、厚度大,頁巖資源豐度最高。北部和四扣洼陷內(nèi)頁巖埋藏較深、厚度大,也具有較高的頁巖油資源。南部由于埋藏相對(duì)較淺、頁巖厚度相對(duì)較薄,許多地方沙三下亞段還處于未成熟低成熟演化階段,頁巖油資源有限。5輕烴恢復(fù)系數(shù)的確定(1)鑒于我國(guó)頁巖油勘探開發(fā)現(xiàn)狀,根據(jù)頁巖油的性質(zhì)及賦存特征,本次研究從成因?qū)W的角度對(duì)體積法中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究,建立了適合于我國(guó)勘探階段并具有可操作性的頁巖油資源評(píng)價(jià)方法。(2)利用自然演化剖面分析法,對(duì)氯仿瀝