柳 波，劉 陽，劉 巖，賀君玲，高逸飛，王浩力，范 晶，付曉飛

(1.東北石油大學 “陸相頁巖油氣成藏及高效開發(fā)”教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；2.長江大學 錄井技術與工程研究院，湖北 荊州 434023；3.中國石油 吉林油田分公司，吉林 松原 138000；4.中國石油 大慶油田分公司，黑龍江 大慶 163000)

近年來，全球的常規(guī)油氣開發(fā)進入穩(wěn)定階段，非常規(guī)油氣進入快速發(fā)展階段[1-5]。隨著“頁巖油”從狹義擴展到廣義，開發(fā)技術的突破撬動了全球油價，更改了石油供需格局，使得頁巖油成為非常規(guī)油氣研究的熱點領域。由于開發(fā)方式的不同，頁巖油按其母質頁巖所處的成熟階段，可分為低熟頁巖油和成熟頁巖油[6]。低熟頁巖油具有可動油比例低、油質稠以及常規(guī)技術難改造等特征，需要進行改質才具有開采價值，傳統(tǒng)的改質方法分為地上干餾和地下干餾兩種方式[7]。地上干餾技術雖然較成熟，但對于頁巖來說具有很多難以避免的缺陷，如成本高、利用率低、污染大等；而地下干餾也被稱為原位開采，是指直接對埋藏在地下的低成熟富有機質頁巖進行加熱，將頁巖中有機質熱裂解生成的油氣直接導出，冷凝得到頁巖油氣。1980年起，美國殼牌公司Houston R & D研究中心開始研究地下轉化工藝技術(In-situ Conversion Process，ICP)，被認為是目前最為成熟的油頁巖原位開采技術之一[8]。ICP的原理是利用井下電加熱器，將熱量傳遞給地下的低熟富有機質頁巖層，使干酪根受熱裂解轉化為油氣資源，并通過抽汲至地面進行開采。

中國頁巖油資源豐富，分布廣泛，折合探明儲量476×108t，位居世界第二位，因此低熟頁巖油原位開采技術對于我國頁巖資源開發(fā)具有良好的前景[9]。目前，黃金管生烴動力學實驗被普遍用于模擬油氣生成過程的定量評價，同時針對原位改質的頁巖油資源評價，國內外學者利用各種熱解裝置開展了大量模擬實驗工作[10]。但室內實驗與實際地質條件相比，存在樣品尺寸小、加熱時間短等問題。因此，有必要在完善傳統(tǒng)加熱技術和現(xiàn)場小規(guī)模試采的基礎上，基于生烴動力學，著力發(fā)展原位開采的數(shù)字模擬技術，為未來的低熟頁巖油資源開采方案的制訂提供理論基礎和技術支撐。

本次研究選取松遼盆地南部中央坳陷區(qū)上白堊統(tǒng)嫩江組109口井的1 451塊樣品的測試結果，其中嫩一段97口井752塊次，嫩二段93口井699塊次。通過開展頁巖有機非均質性研究，建立地質模型?；谏鸁N動力學，通過有限元溫度場數(shù)值模擬，對嫩江組低熟頁巖原位改質生油潛力進行評價。

1 研究區(qū)概況

松遼盆地地處中國東北部，橫跨黑龍江、吉林、遼寧三省，是由西部邊界大興安嶺、東—北部邊界小興安嶺和東部邊界長白山三面環(huán)繞的大型沉積盆地。盆地南鄰康平—法庫山地，南北長軸方向約750 km，寬約350 km，平面呈菱形北北東向展布，面積可達26×104km2，是我國最大的油氣生產(chǎn)基地之一[11]。以松花江—嫩江為界，將盆地分為北部的大慶油田探區(qū)，面積約12×104km2，以及南部的吉林油田探區(qū)，面積約7.5×104km2。其中，松遼盆地南部可分為中央坳陷區(qū)、東南隆起區(qū)、西部斜坡區(qū)、西南隆起區(qū)4個一級構造單元[12]。本次研究區(qū)為中央坳陷區(qū)，面積約為2.48×104km2，主要包括紅崗階地、扶新—華字井階地和長嶺凹陷3個二級構造單元(圖1a)。

上白堊統(tǒng)嫩江組對應于古松遼盆地第二個湖盆擴張期，自下而上分為5段，底部的嫩一、二段主要為半深湖—深湖沉積的暗色富有機質泥頁巖，是本次研究的目的層(圖1b)[13]。嫩二段底部發(fā)育的黑褐色油頁巖是盆地的區(qū)域標志層，與下伏地層呈整合接觸。嫩二段頂部巖性逐漸過渡為黑灰色泥巖，至嫩三段—嫩五段多為灰色泥質粉砂巖和粉砂巖，發(fā)育黑帝廟油層。

圖1 松遼盆地中央坳陷構造分區(qū)(a)及盆地中淺層沉積層序(b)

2 頁巖地球化學特征

2.1 有機質豐度

研究區(qū)嫩一段泥頁巖的總有機碳(TOC)含量為0.10%～9.90%，平均為2.65%，TOC含量大于2.0%的樣品數(shù)占總數(shù)的78%，其次分布于1%～2%之間。按照《SY/T 5735—1995 陸相烴源巖有機質豐度評價標準》，嫩一段頁巖總體屬于好烴源巖和最好烴源巖。嫩二段泥頁巖的TOC含量為0.47%～11.19%，平均為1.80%，多數(shù)樣品的TOC集中于1%～2%。

嫩一、二段2個層位烴源巖氯仿瀝青“A”值普遍分布于0.1%～2.0%之間，均在中等以上。其中，嫩一段氯仿瀝青“A”值介于0.007%～4.760%，平均為0.44%；嫩二段氯仿瀝青“A”值介于0.017%～0.791%，平均為0.20%。嫩一段總烴含量(HC)介于(0.021～4 583.00)×10-6，平均為654.98×10-6；嫩二段總烴含量介于(0.008～3 545.98)×10-6，平均為207.55×10-6。

嫩一段生烴潛量(S1+S2)介于0.21～77.75 mg/g，平均為14.72 mg/g，實測樣品在10～20 mg/g區(qū)間分布最多，其次多分布于大于20 mg/g區(qū)間，大于2.0 mg/g和大于6.0 mg/g的樣品數(shù)分別占樣品總數(shù)的96%和79%，總體生烴潛力高。嫩二段生烴潛量介于0.26～84.94mg/g，平均為6.16mg/g。

從總有機碳、氯仿瀝青“A”、總烴、S1+S2等參數(shù)綜合來看，嫩一段有機質豐度更高。

2.2 有機質類型

根據(jù)現(xiàn)有樣品分析結果(圖2)，嫩一段泥巖的熱解烴(S2)在0.18～76.22 mg/g之間，平均值為15.91 mg/g，從S2與w(TOC)的線性斜率(R2=0.82)得到實際氫指數(shù)(IH)約743 mg/g，表明嫩一段主要為Ⅱ1型干酪根，與實測氫指數(shù)分布區(qū)間一致。嫩二段泥巖的熱解烴在0.22～80.36 mg/g范圍內，平均值為6.83 mg/g，從S2與w(TOC)的線性斜率(R2=0.93)得到實際氫指數(shù)約790 mg/g，雖然有較多數(shù)量的樣品有機質類型為Ⅱ1型干酪根，但大多數(shù)樣品的有機質類型仍為Ⅱ2型干酪根。全巖顯微組分觀察結果表明，嫩一、二段有機質來源是以層狀藻類體為主的湖泊水生生物，含有少量的孢子體、樹脂體等陸源有機質。

圖2 松遼盆地中央坳陷嫩一、二段有機質類型劃分

綜上所述，研究區(qū)嫩一段頁巖有機質類型以Ⅱ1型干酪根為主，嫩二段頁巖有機質類型以Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根為主，少部分Ⅲ型。

2.3 有機質成熟度

嫩一、二段泥巖樣品的Ro值均主要分布在0.5%～0.7%區(qū)間內。其中，嫩一段有機質總體處于低成熟階段，Ro值平均為0.61%，低成熟階段烴源巖占比79%，成熟階段烴源巖占比12%；嫩二段有機質總體也處于未成熟階段，Ro值平均為0.58%，低成熟階段烴源巖占比84%，成熟階段烴源巖占比7%。

2.4 生烴潛力綜合評價

從w(TOC)與S1+S2交會圖來看(圖3)，研究區(qū)嫩江組頁巖均是以生油為主的烴源巖，源巖生烴能力較高。嫩一段烴源巖品質優(yōu)于嫩二段，以“很好”居多，其余為“好”，“中等”品質很少；而嫩二段泥巖以“好”和“中等”品質為主，“很好”品質較少。

圖3 松遼盆地中央坳陷嫩一、二段生烴潛力和生烴傾向綜合評價

3 頁巖有機非均質模型

3.1 垂向非均質性

測井預測總有機碳含量可以在縱向上獲取連續(xù)的評價數(shù)據(jù)，克服取心數(shù)量和分析化驗成本限制，已被廣泛應用于垂向有機非均質評價[14]。當?shù)貙又写嬖谟袡C質或油氣時，地層聲波時差和電阻率就會增加，兩條曲線相對于基線同時增大時的分開幅度用ΔlgR表達，與w(TOC)呈線性正相關關系，可以通過與實測數(shù)據(jù)的擬合進行w(TOC)計算。然而，由于巖性地層水礦化度的變化，一個特定的常數(shù)難以作為測井計算的基線值，達到準確預測的目的。此外，隨著深度增加導致的成巖作用變化，也會使得基線發(fā)生偏移。研究區(qū)的聲波時差和電阻率曲線均隨井深增加發(fā)生明顯偏移，具體表現(xiàn)為聲波時差基線值變小，而電阻率基線值增大，并且兩條基線值疊合處隨著井深逐漸右偏移(圖4)。以往研究通過分地層單元分別求取基線來減小計算誤差，這樣基線的選擇主觀性和經(jīng)驗性很強。本次研究提出趨勢基線法，來解決ΔlgR法基線選擇人為性和經(jīng)驗性的問題。

圖4 實際示例井聲波時差和電阻率趨勢基線示意及總有機碳含量計算成果

Δt基線=k1D+b1

(1)

lgR基線=k2D+b2

(2)

式中：Δt基線為聲波時差曲線基線，μs/m；R基線為電阻率曲線基線，Ω·m；D為埋藏深度，m；k1、k2、b1、b2分別為擬合系數(shù)項和常數(shù)項。擬合結果表明，在縱向上白堊系存在兩段高有機質豐度頁巖(w(TOC)>2%)，分別位于青二段下部—青一段，以及本次研究的目的層——嫩二段底部—嫩一段上部，其厚度為50～60 m，計算w(TOC)最高可達5%。

3.2 平面非均質性

平面有機非均質性主要通過沉積相帶變化導致的有機質類型和頁巖厚度來表達。有機質類型決定了湖相烴源巖生烴動力學中的活化能E和頻率因子A[15]。嫩一、二段的有機質類型平面分區(qū)結果表明，嫩一段以Ⅱ1型為主，主要分布于長嶺凹陷，有機質類型整體優(yōu)于嫩二段。有機質類型平面分布是后文資源評價單元分類劃分、分別賦予生烴動力學參數(shù)的依據(jù)[16]。

根據(jù)測井w(TOC)計算，可分別求得每口井嫩一、二段w(TOC)<1%、1%～2%以及>2%的厚度[17](圖5)。以嫩一段為例，低有機質豐度[w(TOC)<1%]烴源巖主要分布在紅崗階地，厚度在10～50 m之間；而中有機質豐度[1%2%]烴源巖主要發(fā)育在新北地區(qū)和大安地區(qū)，厚度高達60～90 m。

圖5 松遼盆地中央坳陷嫩一段不同總有機碳含量頁巖等厚圖

4 溫度場數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模擬原理

目前應用較多的數(shù)值模擬方法包括有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法[18]。本次研究使用基于有限元法的ANSYS軟件，模擬特定邊界和初始條件下，低熟頁巖原位電加熱改質過程中頁巖不同屬性參數(shù)的變化及溫度場的變化[19-20]。

熱能傳遞分為熱傳導、熱對流和熱輻射3種基本方式，往往在實際加熱過程中并存[21]。考慮到頁巖的超低滲透性和原位改質的時效性，電加熱條件下頁巖的傳熱方式是通過溫度梯度引起的分子、原子等微觀粒子的熱運動產(chǎn)生的碰撞傳遞振動能實現(xiàn)的，即以熱傳導為主。熱傳導遵循傅里葉定律[21]：

(3)

式中：q為熱流密度，W/m2；k為熱傳導系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；x為在導熱面上的坐標，m；“-”表示熱量流向溫度降低的方向。

在低熟頁巖原位改質的加熱過程中，距離加熱點不同位置的頁巖升溫速度不同，從而導致達到生烴門限的時間也不同。此外，對于同一位置的頁巖來說，溫度的不斷變化也會使得頁巖的密度、熱導系數(shù)、比熱容等參數(shù)發(fā)生相應的變化。這些參數(shù)的變化，反過來又會對加熱過程的溫度場有所影響。因此，頁巖地層加熱后的溫度場表現(xiàn)為隨空間和時間而變化的瞬態(tài)特征，即瞬態(tài)傳熱過程。本次數(shù)值模型的建立，假定不同位置的頁巖初始換熱情況相同，且傳熱性質在平行層理各方向一致，地層水和熱解新生成的烴類不發(fā)生大規(guī)模的側向運移，熱對流影響有限，以固體傳導為主。整個模型的求解區(qū)域內的溫度場控制如下[10,22]：

(4)

式中：u為瞬態(tài)溫度，℃；x,y為平面的兩個方向，z為頁巖的深度，m；ρ為頁巖的密度，kg/m3；v為頁巖的比熱，J/(kg·℃)。不同溫度階段，各項參數(shù)的取值見表1[10]。

表1 溫度場模擬相關參數(shù)[10]

4.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

由于采用電纜加熱的方式，傳熱模型中溫度的縱向變化在實際熱傳導過程中較小可忽略，即二維瞬態(tài)熱傳導模型。已有研究從物理模擬和數(shù)值模擬均已證明，六井加熱模式(正六邊形)較四井加熱模式(正方形)傳熱速度快、升溫速率大，且經(jīng)濟效益最好[10,23]。本次模擬加熱單元同樣采用正六邊形加熱點布置方式，電纜直徑為0.1 m，電纜間距為2.886 m，共布置96個加熱點(圖6a)；模擬圓形區(qū)域半徑為60 m，即假設60 m之外，溫度不受加熱影響。采用結構化網(wǎng)格劃分模式，對所建模型進行網(wǎng)格劃分，使整個區(qū)域的網(wǎng)格劃分均勻且密集，以提高有限元數(shù)值解的精度(圖6b)。

圖6 加熱單元加熱點設置示意(a)及結構化網(wǎng)格劃分模式(b)

4.3 數(shù)值模擬及結果分析

不同的加熱功率條件會導致頁巖產(chǎn)生不同的升溫速率和溫度場，最終影響生成烴類的多少和經(jīng)濟效益。以加熱工況1 kW和2 kW為例，模擬頁巖的溫度場變化。在加熱功率為1 kW時，溫度逐漸從加熱點中心向周圍升高，加熱點附近的區(qū)域始終保持同一加熱時間的最高溫度(圖7)。開始加熱后，最高溫度從第一年的325 ℃、第二年的350 ℃，逐漸升溫至第八年的600 ℃。加熱功率為2 kW時的模擬結果表明，加熱后最高溫度從第一年的370 ℃、第二年的460 ℃，升溫至第八年的850 ℃，整體溫度升高幅度和波及范圍均大于1 kW時的加熱結果(圖8)。

圖7 1 kW加熱功率條件下加熱不同年限后加熱單元的溫度場分布

圖8 2 kW加熱功率條件下加熱不同年限后加熱單元的溫度場分布

對比以上兩種加熱功率條件下加熱時間與溫度場的關系可知(圖9)，2 kW加熱功率下，溫度上升迅速，在加熱4年后溫度可達到600 ℃以上；而1 kW加熱功率下，溫度上升緩慢，在加熱8年后溫度才達到600 ℃。

圖9 不同加熱功率條件下加熱時間與加熱溫度的關系

5 原位改質油氣潛力數(shù)值模擬結果

5.1 生烴動力學與成烴轉化率

依據(jù)原位電加熱數(shù)值模擬結果(即1 kW加熱功率下，加熱8年溫度最高可達到600 ℃；2 kW加熱功率下，加熱8年溫度最高可達到850 ℃)，分別按照每年對應的升溫速率，應用平行一級反應模型，建立有機質生烴動力學模型，可以較好地描述有機質成烴反應過程[15,24]。已知不同類型有機質的動力學參數(shù)即活化能E、指前因子A、分布比例F，結合電加熱的溫度場模擬數(shù)據(jù)，則可動態(tài)計算不同加熱時間及加熱功率下的頁巖油資源豐度。

在相似沉積環(huán)境下形成、具有相近有機顯微組分的烴源巖可以采用統(tǒng)一的生烴動力學模型[25]。嫩一、二段有機質包含的Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅲ型干酪根分別采用PEPPER提出的A、B、D/E相烴源巖的成烴動力學參數(shù)[26]。從Ⅱ1型到Ⅲ型干酪根，隨著有機質類型的變差，活化能分布范圍逐漸擴大，有機質開始生烴的活化能門檻逐漸降低，表明類型越好的有機質生烴門限越高，生烴溫度范圍越窄。當實際溫度達到生烴門限后，干酪根向烴類的轉化速率會很高。計算可得不同類型有機質在不同加熱功率下、不同溫度階段對應的有機質成烴轉化率(表2)。

表2 不同溫度與不同有機質類型轉化率關系

5.2 小單元劃分

依據(jù)研究區(qū)各井嫩一、二段的有機質類型，將目的層在平面上劃分為2類(圖10)。并進一步按照加熱單元進行網(wǎng)格化，研究區(qū)總計可劃分成1 334 662個小單元。其中，嫩一段A類區(qū)域共有684 380個小單元，B類區(qū)域共有650 282個小單元；嫩二段A類區(qū)域共有個912 769小單元，B類區(qū)域共有421 893個小單元。

圖10 松遼盆地中央坳陷目的層小單元劃分

5.3 生油氣量模擬結果分析

依據(jù)油氣生成理論可知，單位體積頁巖生成的油氣量主要受有機質豐度、類型和成熟度等參數(shù)控制。各參數(shù)依次可用總有機碳(w(TOC))、氫指數(shù)(IH)和有機質成烴轉化率(F)來表征[27-28]。在計算嫩一、二段頁巖電加熱油氣生成量時，以嫩一、二段地層中分不同w(TOC)區(qū)間的頁巖厚度分布為有機非均質性地質模型，然后對不同有機質類型的加熱單元賦予對應的w(TOC)、IH、F、厚度(H)和密度(ρ)等值；最后對各計算單元的油氣資源豐度進行積分求和，獲得油氣資源生成量[29]。

計算每個加熱單元的油氣生成量(Q)：

Q=S·H·ρ·w(TOC)·IH·F

(5)

利用微積分求取坳陷總油氣生成量(Q總)：

(6)

式中：H為不同w(TOC)區(qū)間的烴源巖厚度，m；S為網(wǎng)格單元面積，m2；ρ(z)為烴源巖密度(隨深度變化)，t/m3；F(z)為由化學動力學模型計算得到的成烴轉化率(隨深度變化)，%；z0和z分別為烴源巖的最小和最大埋深，m；n為網(wǎng)格單元個數(shù)。

計算結果表明，嫩一段在1 kW加熱功率下，生油氣量從第二年到第八年依次為(0.54，6.95，100.94，120.40，214，240.99，248.81)×108t，生油氣量隨加熱年限的增加而逐年遞增，在第四年迅速增加。嫩一段在2 kW加熱功率下，生油氣量從第一年到第五年依次為(0.15，18.79，234.6，241.67，245.02)×108t。由于有機質轉化率在加熱到第五年時已經(jīng)達到100%，所以在此之后的加熱使得資源總量不變(圖11)。

圖11 松遼盆地中央坳陷嫩一段在不同加熱功率條件下隨加熱時間變化原位改質油氣資源豐度

嫩二段在1 kW加熱功率下，生油氣量從第二年到第八年依次為(0.08，1.31，24.76，43.52，56.65，65.76，67.91)×108t。生油氣量隨加熱年限的增加而逐年遞增，在第四年迅速增加。在2 kW加熱功率下，生油氣量從第二年到第五年依次為(4.02，63.30，65.89，65.90)×108t。由于有機質轉化率在加熱到第五年時已經(jīng)達到100%，所以在此之后的加熱使得生油氣總量不變(圖12)。

圖12 松遼盆地中央坳陷嫩二段在不同加熱功率條件下隨加熱時間變化原位改質油氣資源豐度

由此可見，不同加熱功率下，生油氣量隨時間的增加并非線性，往往存在增長拐點(圖13)；加熱功率、有機質類型影響達到最大生油氣量的年限。有機非均質性的地質模型建立，為加熱后的油氣資源平面分布預測提供了依據(jù)。以上模擬結果有力地支撐了低熟頁巖原位改質選區(qū)、加熱方案的確定。

圖13 松遼盆地中央坳陷原位改質生油氣量隨加熱時間變化趨勢

6 結論

(1)嫩江組總體上均處于低成熟階段，只有少部分處于成熟階段，各段頁巖均以生油為主，生氣極少。嫩一段有機質類型以Ⅱ1型為主，主要分布于長嶺凹陷。嫩一段高有機質豐度頁巖主要發(fā)育在新北和大安地區(qū)，生烴品質優(yōu)于嫩二段頁巖。

(2)以測井曲線AC和RD為數(shù)據(jù)基礎，利用趨勢基線方法的ΔlgR模型預測的嫩一、二段縱向有機非均質性模型能夠較好地反映頁巖有機質豐度縱向變化特征。

(3)通過原位電加熱模擬可以推斷，加熱功率為2 kW時，溫度上升迅速，在加熱4年后溫度可達600 ℃以上；加熱功率為1 kW時，則需約8年。

(4)加熱功率為2 kW時，有機質成烴轉化率在加熱到第五年時已達100%，在此之后加熱油氣資源豐度不變，即加熱到第五年末嫩一段原位改質油氣資源量可達245.02×108t，嫩二段為65.89×108t。