金旭，李國(guó)欣，孟思煒，王曉琦，劉暢，陶嘉平,，劉合

（1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京100007；3. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京100083；4. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

0 引言

頁(yè)巖油是指富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系中，以游離、與干酪根互溶或吸附方式賦存于泥頁(yè)巖基質(zhì)孔隙、微裂縫及非烴源巖薄夾層中的石油資源[1-3]。依托水平井與水力壓裂等工程技術(shù)進(jìn)步，美國(guó)率先實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖油商業(yè)開(kāi)發(fā)，改變了全球能源格局[4-7]。良好的資源稟賦條件是美國(guó)頁(yè)巖油革命成功的基礎(chǔ)：①產(chǎn)層主要分布于海相克拉通或前陸盆地，沉積面積大、連續(xù)性好，巖性相對(duì)穩(wěn)定；②TOC值普遍較高（平均值多為3%～5%），油層多存在異常高壓（壓力系數(shù)為1.3～1.5）；③適中的熱演化程度，Ro值為1.0%～1.7%，使富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)生成大量烴類(lèi)，經(jīng)過(guò)短距離運(yùn)移后主要賦存于與頁(yè)巖間互發(fā)育的致密儲(chǔ)集層中，原油中重?zé)N組分被過(guò)濾，氣油比高（100～500 m3/t）、流動(dòng)性好[1,8-11]。

美國(guó)海相頁(yè)巖油即使擁有得天獨(dú)厚的地質(zhì)和工程條件，在80余個(gè)沉積盆地、近千套頁(yè)巖層系中，也僅找到Eagle Ford、Bakken和Permian等幾大產(chǎn)區(qū)十幾套層系實(shí)現(xiàn)工業(yè)化開(kāi)發(fā)[4]，顯示出頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)投資極強(qiáng)的不確定性[12]。在此背景下，2016年以來(lái)美國(guó)頁(yè)巖油研究方向已逐漸由工程技術(shù)攻關(guān)轉(zhuǎn)向提高采收率技術(shù)創(chuàng)新，其中基于多尺度精細(xì)評(píng)價(jià)的儲(chǔ)集層經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值評(píng)估及開(kāi)采技術(shù)匹配設(shè)計(jì)研究已成為熱點(diǎn)[13-15]。

中國(guó)陸相頁(yè)巖油資源較為豐富，是現(xiàn)階段最具現(xiàn)實(shí)意義的接替資源。與美國(guó)海相頁(yè)巖油相比，中國(guó)陸相頁(yè)巖油聚集規(guī)模相對(duì)較小，主要分布在10個(gè)盆地、30余個(gè)區(qū)帶或凹陷中，部分凹陷面積不足百平方千米，資源量為幾千萬(wàn)噸[16]。如何科學(xué)評(píng)判其開(kāi)發(fā)潛力與工業(yè)價(jià)值，針對(duì)性設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方案并估算工程成本，成為頁(yè)巖油規(guī)模效益開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。油氣資源可動(dòng)用性不同于油氣可動(dòng)性，是評(píng)價(jià)當(dāng)前技術(shù)條件下油氣藏被經(jīng)濟(jì)有效動(dòng)用的難易程度的重要指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于致密油、致密氣、煤層氣等多種類(lèi)型非常規(guī)油氣評(píng)價(jià)[17-21]。在此背景下，本文在簡(jiǎn)要梳理中國(guó)陸相頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與面臨挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，引入資源可動(dòng)用性概念作為衡量頁(yè)巖油業(yè)務(wù)投資的重要參考指標(biāo)，依據(jù)頁(yè)巖油資源稟賦特點(diǎn)對(duì)評(píng)價(jià)方法及流程形成集成創(chuàng)新，并從微觀角度、在同一平臺(tái)對(duì)中國(guó)主要陸相頁(yè)巖油資源可動(dòng)用性開(kāi)展綜合對(duì)比研究。

1 中國(guó)陸相頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

中國(guó)發(fā)育中低、中高成熟度兩類(lèi)頁(yè)巖油資源，后者是當(dāng)前主體開(kāi)發(fā)對(duì)象，在開(kāi)采方式與核心技術(shù)等方面與美國(guó)頁(yè)巖油具有一定相似性，但效益開(kāi)發(fā)難度更大[1]，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①頁(yè)巖油主要產(chǎn)層多分布于陸相沉積的坳陷、斷陷型盆地中，分布范圍小，非均質(zhì)性強(qiáng)；②烴源巖TOC值多數(shù)偏低（2%～3%），儲(chǔ)集層壓力系數(shù)整體偏?。?.0～1.2）；③熱成熟度整體偏低（Ro值主要為0.75%～1.00%），發(fā)生濃度擴(kuò)散、短距離運(yùn)移到間互致密薄夾層內(nèi)的液態(tài)烴相對(duì)較少，大量原油滯留在頁(yè)巖基質(zhì)孔隙中構(gòu)成資源主體[22-24]，油品較重，氣油比低（主體小于100 m3/t），流動(dòng)性差，開(kāi)發(fā)難度大。

目前，中國(guó)陸相頁(yè)巖油普遍沿用北美水平井與體積壓裂開(kāi)發(fā)模式[25-32]，但地質(zhì)特征差異性決定了該技術(shù)體系難以普遍適用。準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷已建成中國(guó)首個(gè)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖油示范區(qū)，目前完鉆頁(yè)巖油井178口，已基本進(jìn)入規(guī)模建產(chǎn)階段。鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)71+2亞段至2019年底投產(chǎn)117口井，年產(chǎn)油26.3×104t，顯示出良好穩(wěn)產(chǎn)效果；但湖盆中心長(zhǎng)73亞段純頁(yè)巖區(qū)尚未突破，目前29口試油井有13口井獲工業(yè)油流，產(chǎn)量難穩(wěn)定。大港油田在渤海灣盆地古近系孔店組孔二段完鉆38口井，壓裂17口，累計(jì)產(chǎn)油達(dá)2.9×104t，已初步實(shí)現(xiàn)勘探突破向規(guī)模開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)變。2018—2019年吉林油田在松遼盆地白堊系青山口組完鉆探井18口，僅10口獲得工業(yè)油流，頁(yè)巖油效益開(kāi)發(fā)面臨較大困難。

可以看出，中國(guó)不同盆地、甚至同一盆地不同層系間的頁(yè)巖油資源開(kāi)發(fā)效果差異顯著[16,33-34]，說(shuō)明復(fù)雜地質(zhì)條件和資源可動(dòng)用性認(rèn)識(shí)不清、開(kāi)采技術(shù)不匹配的難題已嚴(yán)重制約頁(yè)巖油資源效益開(kāi)發(fā)。前期研究因不同盆地采用的實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件與評(píng)價(jià)手段不同，難以獲取多盆地頁(yè)巖油可動(dòng)用性差異的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

準(zhǔn)噶爾、鄂爾多斯、渤海灣、松遼這 4大盆地地質(zhì)資源量分別為 25.1×108，60.5×108，27.4×108和 54.6×108t，總量占比約 60%，是中國(guó)頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)地區(qū)[16]。在此背景下，本文選取現(xiàn)階段重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組（P2l）、鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)三疊系延長(zhǎng)組（T3y）長(zhǎng)73亞段、渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔店組（E2k）孔二段、松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷白堊系青山口組（K2qn）青一段等 4個(gè)地區(qū)作為研究對(duì)象，對(duì)483塊巖心樣品開(kāi)展了1 385塊/次實(shí)驗(yàn)分析（見(jiàn)表 1），在同一評(píng)價(jià)技術(shù)體系和相同實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下進(jìn)行不同類(lèi)型頁(yè)巖油資源可動(dòng)用性評(píng)價(jià)方法和應(yīng)用對(duì)比研究。

特別指出，盡管賦存于間互致密薄夾層的頁(yè)巖油滲流條件與原油流動(dòng)性相對(duì)較好，是當(dāng)前中國(guó)頁(yè)巖油主體開(kāi)發(fā)對(duì)象。然而，隨著勘探開(kāi)發(fā)逐漸步入規(guī)?；A段，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)量比例下降，頁(yè)巖基質(zhì)孔隙中大量的滯留原油作為資源主體勢(shì)必逐漸成為主戰(zhàn)場(chǎng)。因此，本文對(duì)資源可動(dòng)用性的研究聚焦于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。

表1 研究樣品基本信息

2 頁(yè)巖油可動(dòng)用性評(píng)價(jià)方法

頁(yè)巖油儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)，孔喉結(jié)構(gòu)細(xì)小，孔隙空間展布、有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)、流體相態(tài)與含油氣性復(fù)雜，許多傳統(tǒng)的分析手段不適用。頁(yè)巖油可動(dòng)用性一般受儲(chǔ)集空間有效性、儲(chǔ)集層含油飽和度、原油可動(dòng)性及儲(chǔ)集層可改造性等主控因素共同控制[17-21]，單方面的儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)結(jié)果不能很好地反映儲(chǔ)集層特性。

儲(chǔ)集層有效性即儲(chǔ)集層提供原油儲(chǔ)集空間及運(yùn)移通道的能力，主要由孔隙-裂縫發(fā)育程度、有效孔隙度與連通性等主控因素共同控制。原油可動(dòng)性即原油在儲(chǔ)集層孔喉系統(tǒng)中有效流動(dòng)的能力，主要由地層溫壓驅(qū)動(dòng)力、原油物性、原油在有效孔隙中的分布等主控因素共同控制。儲(chǔ)集層可改造性即儲(chǔ)集層被有效改造的難易程度，主要由地應(yīng)力、礦物組成、力學(xué)弱面分布等主控因素控制。

數(shù)字巖石技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，利用多尺度表征手段獲取巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)等數(shù)字化信息，通過(guò)多種算法重建數(shù)字巖心進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從而對(duì)儲(chǔ)集層實(shí)現(xiàn)數(shù)字化表征[35-40]。本文針對(duì)頁(yè)巖油儲(chǔ)集層有效性、含油及原油可動(dòng)性、儲(chǔ)集層可改造性 3個(gè)方面，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡大面積高分辨孔縫配置關(guān)系分析、儲(chǔ)集空間三維展布刻畫(huà)、有效連通性計(jì)算、礦物組成與定量分布、荷電效應(yīng)可動(dòng)油識(shí)別、數(shù)字巖石裂縫擴(kuò)展模擬仿真等多尺度數(shù)字巖石評(píng)價(jià)技術(shù)的有效結(jié)合，通過(guò)評(píng)價(jià)方法集成創(chuàng)新，建立頁(yè)巖油可動(dòng)用性評(píng)價(jià)流程與技術(shù)體系。

儲(chǔ)集層有效性評(píng)價(jià)方面，對(duì)于頁(yè)巖微納米尺度孔隙空間需要使用孔隙有效性與連通性作為主要描述參數(shù)。本文利用雙束場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡大面積圖像拼接（MAPS）技術(shù)獲取富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)集空間孔縫發(fā)育與孔徑分布特征，利用三維孔隙結(jié)構(gòu)圖像和有效連通性自編軟件，計(jì)算頁(yè)巖樣品中相互連通的孔隙體積與總孔隙體積的比值，獲得孔隙連通率參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算不同地區(qū)頁(yè)巖巖心樣品有效孔隙度[39]。

含油性及頁(yè)巖油可動(dòng)性評(píng)價(jià)方面，傳統(tǒng)熱解、氯仿瀝青“A”抽提等地球化學(xué)分析方法只能獲得可動(dòng)烴定量數(shù)值而無(wú)法獲得原油在樣品中的分布。頁(yè)巖基質(zhì)孔隙以微納米尺度為主，孔隙類(lèi)型千差萬(wàn)別，具有同樣含油性的粉末樣品，其儲(chǔ)集空間連通性和有效性往往大不相同。本文利用電子束荷電效應(yīng)開(kāi)展頁(yè)巖可動(dòng)油分布定量評(píng)價(jià)，通過(guò)成像參數(shù)的精細(xì)調(diào)節(jié)，使原油分布區(qū)域表現(xiàn)出荷電效應(yīng)。導(dǎo)電性測(cè)試、極性溶劑抽提、加熱去除可動(dòng)油等系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)，可動(dòng)油是導(dǎo)致荷電效應(yīng)的主要原因，因此本文方法可以直接獲得可動(dòng)油分布，并進(jìn)一步結(jié)合傳統(tǒng)熱解分析定量計(jì)算可動(dòng)油飽和度。

儲(chǔ)集層可改造性評(píng)價(jià)方面，陸相頁(yè)巖非均質(zhì)性極強(qiáng)，細(xì)觀尺度下存在大量頁(yè)理紋層等結(jié)構(gòu)弱面，礦物組成與分布特征也較為復(fù)雜，現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法由于分析因素不夠全面導(dǎo)致評(píng)價(jià)效果不理想。本文基于數(shù)字巖石圖像重構(gòu)和礦物組成定量識(shí)別，結(jié)合有限元方法模擬頁(yè)巖巖心起裂特征與擴(kuò)展機(jī)制，系統(tǒng)評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)集層可改造性。

3 儲(chǔ)集空間有效性評(píng)價(jià)

陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)集空間在多個(gè)尺度上均表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性：在米級(jí)尺度，根據(jù)頁(yè)巖油地質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系可以存在單層厚度不大于5 m的粉砂巖、細(xì)砂巖、碳酸鹽巖，表明頁(yè)巖層系存在米級(jí)的泥頁(yè)巖段與其他巖性段的過(guò)渡與交替；在厘米級(jí)尺度，水體鹽度等古環(huán)境的差異和水動(dòng)力條件等因素不斷變化導(dǎo)致陸相頁(yè)巖頁(yè)理紋層發(fā)育；在毫微米級(jí)尺度，仍存在微觀生物作用、礦物溶蝕差異等因素導(dǎo)致的儲(chǔ)集空間以及有機(jī)質(zhì)分布的非均質(zhì)性，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型與成熟度差異也導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)-無(wú)機(jī)礦物之間接觸關(guān)系、孔縫特征及原油吸附的差異。本文選取 4個(gè)頁(yè)巖油代表性盆地的基質(zhì)型泥頁(yè)巖樣品，開(kāi)展厘米—納米跨越 7個(gè)數(shù)量級(jí)尺度的儲(chǔ)集空間評(píng)價(jià)。

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油儲(chǔ)集層受構(gòu)造、氣候、水體、沉積物供給等因素影響，廣泛發(fā)育泥晶白云巖、粉砂巖和混積巖[25-26]。儲(chǔ)集空間主要包括原生孔和次生孔，原生孔主要包含粒間孔和晶間孔，次生孔主要包括溶蝕擴(kuò)大粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、晶內(nèi)溶孔及少量裂縫。樣品TOC值較高，發(fā)育大量干酪根條帶，主要孔隙類(lèi)型包括粒間孔、黏土礦物粒間孔、有機(jī)質(zhì)部分填充粒間孔和部分有機(jī)質(zhì)孔隙（見(jiàn)圖 1）。有機(jī)孔也是頁(yè)巖油賦存的重要儲(chǔ)集空間，研究樣品可見(jiàn)部分有機(jī)質(zhì)條帶發(fā)育有機(jī)孔，而有些不發(fā)育，反映了成烴生物的多樣性和有機(jī)孔隙分布的非均質(zhì)性。在厘米級(jí)尺度富有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)區(qū)域附近往往有泥晶白云質(zhì)區(qū)，發(fā)育大量未被充填的粒間孔，為發(fā)生短距離運(yùn)移的液態(tài)烴提供了良好的儲(chǔ)集空間。此外，大量的溶蝕次生孔隙為頁(yè)巖油大規(guī)模聚集提供了主要的儲(chǔ)集空間。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組宏觀（a）及局部放大（b—d）孔隙特征

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)73亞段頁(yè)巖油儲(chǔ)集層主要分布于深湖泥頁(yè)巖沉積區(qū)，儲(chǔ)集層連續(xù)性相對(duì)較好，巖性以薄層細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主[27-28]。典型的長(zhǎng)73亞段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的沉積層理及微觀孔隙特征顯示（見(jiàn)圖2），在電子顯微鏡下可見(jiàn)的儲(chǔ)集空間并不十分發(fā)育，主要孔隙類(lèi)型為粒間孔、微裂縫及黏土礦物粒間孔等，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙較少。但考慮到樣品TOC值較高，有機(jī)質(zhì)條帶連接成片，吸附原油從而不呈現(xiàn)出可視孔隙，可以成為頁(yè)巖油重要的儲(chǔ)集體。

渤海灣盆地滄東凹陷孔二段沉積期構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，形成了400～600 m厚的細(xì)粒沉積層系，既發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖又發(fā)育有效儲(chǔ)集層，極具潛力?？锥蝺?yōu)質(zhì)頁(yè)巖層系巖性主要為長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖、灰云質(zhì)頁(yè)巖及碳酸鹽巖等[29-30]。典型富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品可見(jiàn)孔隙類(lèi)型以粒間孔、微裂縫、有機(jī)質(zhì)孔及有機(jī)質(zhì)收縮孔等，有機(jī)質(zhì)豐度較高，部分區(qū)域發(fā)育有機(jī)質(zhì)納米孔，構(gòu)成了多級(jí)儲(chǔ)集系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）。

松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷青一段頁(yè)巖油層為厚—巨厚暗色泥巖與薄層砂質(zhì)巖互層，形成典型的“泥包砂”生儲(chǔ)蓋組合特征，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖均屬特低孔特低滲儲(chǔ)集層[31-32]。典型頁(yè)巖油樣品中可見(jiàn)大量的黏土礦物粒間孔，微裂縫發(fā)育，有機(jī)質(zhì)在毫米級(jí)尺度離散分布，難以連片富集，有機(jī)質(zhì)孔隙在電鏡觀察下并不發(fā)育，儲(chǔ)集空間為基質(zhì)微裂縫型（見(jiàn)圖4）。

圖4 松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷青一段宏觀（a）及局部放大（b—d）孔隙特征

前期研究結(jié)果表明[41]，孔隙尺寸對(duì)頁(yè)巖油的聚集、運(yùn)移有重要影響，當(dāng)孔隙直徑小于20 nm時(shí)，頁(yè)巖油無(wú)法滲出；當(dāng)孔隙直徑為20～200 nm時(shí)，需要外部驅(qū)動(dòng)力滲出；當(dāng)孔隙直徑大于200 nm時(shí)，頁(yè)巖油可以從孔喉中自由滲出。為此，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖樣品孔徑分布（見(jiàn)表2），結(jié)果顯示孔徑分布范圍以20～200 nm為主，其中蘆草溝組孔徑大于200 nm的孔隙比例最高（為30%），而青一段頁(yè)巖小于20 nm孔徑的無(wú)效孔比例相對(duì)較高。

表2 4個(gè)地區(qū)典型頁(yè)巖油樣品孔徑分布特征

通過(guò)數(shù)字巖石技術(shù)分析4個(gè)地區(qū)FIB-SEM三維孔隙結(jié)構(gòu)模型（見(jiàn)圖5），利用自編Matlab腳本對(duì)4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖樣品進(jìn)行連通性檢測(cè)與分析，并將孔隙連通域按連通性由差向好分級(jí)為死連通域Cr、1級(jí)連通域Cr1、2級(jí)連通域Cr2和3級(jí)連通域Cr3共4類(lèi)，結(jié)果顯示頁(yè)巖的孔隙連通性很差，4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖孔隙總連通率均不足 60%，其中蘆草溝組與孔二段頁(yè)巖孔隙連通性相對(duì)較好，有效孔隙度相對(duì)較高；而青一段頁(yè)巖連通性相對(duì)較差（見(jiàn)表3）。

圖5 蘆草溝組（a）、長(zhǎng)73亞段（b）、孔二段（c）、青一段（d）頁(yè)巖油巖心樣品三維孔隙空間展布特征（紅色代表內(nèi)部孔隙）

表3 4個(gè)地區(qū)典型頁(yè)巖油樣品連通性分析

4 儲(chǔ)集層含油性與頁(yè)巖油可動(dòng)性評(píng)價(jià)

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組烴源巖氫指數(shù)（HI）多大于350 mg/g，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以Ⅱ型為主（見(jiàn)圖 6a），樣品油飽和指數(shù)（OSI）較高（見(jiàn)圖 6b），烴源巖Ro值主體為 0.6%～1.1%，處于低成熟—成熟階段。地層壓力系數(shù)較大（1.1～1.3），但氣油比低（10～20 m3/t）、原油黏度較高（50～120 mPa·s），流動(dòng)性差。典型的蘆草溝組基質(zhì)型頁(yè)巖樣品TOC值為3.96%、S1值為2.21 mg/g，樣品中離散分布著狹長(zhǎng)有機(jī)質(zhì)顆粒，可動(dòng)油與干酪根伴生分布，吸附在干酪根顆粒內(nèi)部，少部分填充在礦物顆粒粒間孔中，具有良好開(kāi)發(fā)潛力（見(jiàn)圖 7）。對(duì)于蘆草溝組頁(yè)巖，往往基質(zhì)區(qū)與儲(chǔ)集區(qū)緊密伴生，在微觀層面形成較好的源儲(chǔ)配置體系。

圖6 典型頁(yè)巖油樣品的有機(jī)地球化學(xué)特征（HI—?dú)渲笖?shù)；Tmax—熱解峰溫；PI—產(chǎn)率指數(shù)；OSI—油飽和指數(shù)；TOC—總有機(jī)碳含量；S1—游離烴含量）

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組荷電區(qū)頁(yè)巖油宏觀分布（a）及局部放大（b—d）圖（紅色代表提取后的殘留油區(qū)域）

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)73亞段頁(yè)巖油樣品非均質(zhì)性較強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以Ⅰ型、Ⅱ型為主；TOC值整體大于5%，OSI值中等（見(jiàn)圖6b），Ro值為0.6%～1.1%，處于低成熟—成熟階段。盡管具有輕質(zhì)原油特征（氣油比為60～120 m3/t，黏度為5～20 mPa·s），但地層能量不足，壓力系數(shù)主體僅為0.7～1.0。樣品HI平均值為300 mg/g，S1值大于1.5 mg/g（見(jiàn)圖6a）。典型樣品TOC值為5.43%，S1值為2.79 mg/g，有機(jī)質(zhì)相對(duì)較少，頁(yè)巖油與有機(jī)質(zhì)呈伴生分布狀態(tài)，但通過(guò)超高分辨率電鏡觀察與三維刻畫(huà)，微裂縫及大量黏土礦物孔隙溝通，形成較好的有效連通儲(chǔ)集輸運(yùn)體系（見(jiàn)圖8）。

圖8 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)73亞段荷電區(qū)頁(yè)巖油宏觀分布（a）及局部放大（b—d）圖（紅色代表提取后的殘留油區(qū)域）

渤海灣盆地滄東凹陷孔二段陸相頁(yè)巖整體達(dá)到很好的烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，干酪根主要為Ⅱ1、Ⅱ2型，TOC值為0.13%～12.92%，OSI值相對(duì)較低（見(jiàn)圖6b），Ro值為0.66%～0.91%，屬于中低成熟度范圍；壓力系數(shù)整體較高但差異較大（1.0～1.8），氣油比為50～130 m3/t，原油黏度10～100 mPa·s，流動(dòng)性適中。典型樣品整體面孔隙度很低，礦物粒間孔基本被干酪根占據(jù)，可動(dòng)油主要吸附分布在干酪根顆粒的表面，或存在于干酪根與礦物顆粒之間的裂隙中，干酪根整體表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)狀，形成了很好的儲(chǔ)集排烴網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖9）。

圖9 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段荷電區(qū)頁(yè)巖油宏觀分布（a）及局部放大（b—d）圖（紅色代表提取后的殘留油區(qū)域）

松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷青一段頁(yè)巖油樣品TOC值相對(duì)較低，主要為1.4%～2.5%，平均值為1.9%，S1值整體較高，約 0.86～2.90 mg/g（見(jiàn)圖 6c），OSI值與長(zhǎng) 73亞段類(lèi)似（見(jiàn)圖6b），Ro值為0.70%～1.13%，成熟度相對(duì)較高；地層壓力系數(shù)較高（1.0～1.5），氣油比50～100 m3/t，原油黏度10～200 mPa·s，流動(dòng)性相對(duì)較差。柳波等[31]將青山口組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖按TOC值分為高有機(jī)質(zhì)塊狀泥巖相、中有機(jī)質(zhì)塊狀泥巖相與中有機(jī)質(zhì)紋層狀泥巖相，其基質(zhì)孔隙連通性及含油性差異明顯。典型樣品的荷電分布圖顯示頁(yè)巖油在孔隙中呈繁星狀均勻分散，雖未連片但仍形成一定的規(guī)模（見(jiàn)圖10）。另外，荷電顯示區(qū)往往部分填充于微小粒間孔隙中，可見(jiàn)部分孔隙顯露，推測(cè)原始樣品孔隙中填充了大量的可動(dòng)油，在真空中被抽走后暴露出部分粒間孔。因此，青山口組樣品即使TOC值相對(duì)較低，但大多數(shù)有機(jī)碳為已生成的液態(tài)烴，OSI值（見(jiàn)圖 6b）也顯示出樣品含油飽和度較高。

圖10 松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷青一段荷電區(qū)頁(yè)巖油宏觀分布（a）及局部放大（b—d）圖（紅色代表提取后的殘留油區(qū)域）

綜上所述，處于生油高峰的陸相頁(yè)巖樣品中，可動(dòng)油主要以吸附、溶脹等形式聚集于干酪根內(nèi)部、干酪根與礦物的粒間孔及鄰近儲(chǔ)集層孔隙中。4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖層系均具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，在甜點(diǎn)區(qū)均有較好的原油富集顯示。其中蘆草溝組頁(yè)巖源于混積巖特征，源儲(chǔ)一體近源聚集，大量可動(dòng)油填充在儲(chǔ)集空間，是良好的頁(yè)巖油甜點(diǎn)層；青一段頁(yè)巖油呈零星狀分布、長(zhǎng)73亞段有機(jī)質(zhì)與頁(yè)巖油伴生分布，但均有大量黏土礦物粒間孔或微裂縫溝通，可形成較好頁(yè)巖油排烴網(wǎng)絡(luò)；孔二段頁(yè)巖成熟度相對(duì)較低，但具有較高氫指數(shù)，有大量原油生成且富集于有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，儲(chǔ)集層厚度較大，具備規(guī)模開(kāi)發(fā)潛力。原油荷電分布結(jié)果展現(xiàn)了可動(dòng)油與孔隙、有機(jī)質(zhì)條帶的伴生情況，為原油可動(dòng)性綜合評(píng)價(jià)提供定量參數(shù)和重要依據(jù)。進(jìn)一步結(jié)合游離烴含量等有機(jī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)得到 4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖樣品可動(dòng)油占比分別為蘆草溝組 5%～30%、長(zhǎng) 73亞段15%～30%、孔二段2%～10%、青一段10%～25%。

5 儲(chǔ)集層可改造性評(píng)價(jià)

5.1 縱向非均質(zhì)性表征

陸相沉積頁(yè)巖層多、層薄，縱向非均質(zhì)性極強(qiáng)，發(fā)育大量頁(yè)理紋層等力學(xué)弱面，將其充分有效開(kāi)啟是提高裂縫復(fù)雜程度、增加泄油面積的關(guān)鍵。本文隨機(jī)選取大量典型頁(yè)巖樣品進(jìn)行大面積 X射線熒光光譜（XRF）分析，獲得各元素在樣品表面沿沉積方向的分布特征（見(jiàn)圖11）。4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖在縱向上均呈現(xiàn)出顯著分層特征，圖像法統(tǒng)計(jì)蘆草溝組、長(zhǎng) 73亞段、孔二段、青一段平均每米發(fā)育頁(yè)理紋層數(shù)分別為90、107、93、71。測(cè)試結(jié)果顯示長(zhǎng) 73亞段頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性最強(qiáng)，隨機(jī)互層特征最為明顯。

圖11 蘆草溝組（a）、長(zhǎng)73亞段（b）、孔二段（c）、青一段（d）典型頁(yè)巖樣品XRF元素分布掃描結(jié)果

為進(jìn)一步表征頁(yè)巖樣品縱向上的非均質(zhì)性特征，以前述紋層劃分為基礎(chǔ)，在各條帶內(nèi)隨機(jī)選取區(qū)域進(jìn)一步制樣進(jìn)行掃描電鏡礦物定量（QEMSCAN）評(píng)價(jià)。以長(zhǎng)73亞段1號(hào)樣品為例，縱向上依據(jù)元素分布劃分為 5層（編號(hào)為 A、B、C、D、E），在每層內(nèi)隨機(jī)制取樣品進(jìn)行礦物分析，掃描結(jié)果顯示 A層（厚度 4.1 mm）主要礦物為碳酸鹽類(lèi)礦物（含量67.2%）；B層（厚度13.6 mm）以黏土礦物為主（含量58.1%）；C層（厚度21.5 mm）優(yōu)勢(shì)礦物包括脆性礦物（含量48.3%）與碳酸鹽類(lèi)礦物（含量35.8%）；D層（厚度6.4 mm）以脆性礦物為主導(dǎo)（含量62%）；E層則沒(méi)有顯著優(yōu)勢(shì)礦物，脆性礦物、碳酸鹽類(lèi)礦物、黏土礦物分別占比43.6%、30.7%和 25.7%，進(jìn)一步證實(shí)了陸相頁(yè)巖縱向非均質(zhì)性特征（見(jiàn)圖12）。對(duì)該樣品礦物組成按層厚進(jìn)行加權(quán)平均，得到平均礦物組成分別為脆性礦物42%、碳酸鹽類(lèi)礦物30%、黏土礦物28%。

圖12 長(zhǎng)73亞段1號(hào)樣品各層礦物分布掃描結(jié)果

5.2 礦物組成評(píng)價(jià)

不同類(lèi)型的礦物組分含量直接影響巖石脆性，是儲(chǔ)集層可改造性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。使用 X射線衍射（XRD）方法分別對(duì) 4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖樣品進(jìn)行全巖及黏土分析，并將礦物組分進(jìn)一步劃分為3類(lèi)：第1類(lèi)為脆性礦物，包括石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦、云母等；第 2類(lèi)為碳酸鹽類(lèi)礦物，包括方解石、白云石等；第 3類(lèi)為黏土礦物，包括高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石等。圖13顯示不同地區(qū)間頁(yè)巖樣品礦物組分差異顯著。蘆草溝組頁(yè)巖樣品脆性礦物占比主體分布于 40%～65%，黏土礦物含量較低（平均 15.97%）。長(zhǎng) 73亞段頁(yè)巖樣品脆性礦物含量較高，占比約 40%～80%，黏土礦物含量也較高（平均30.65%）?？锥雾?yè)巖樣品脆性礦物含量為 45%～60%，黏土礦物含量極低（平均13.91%）。青一段頁(yè)巖樣品3類(lèi)礦物分布差異較大，但整體來(lái)看脆性礦物含量較低（平均44.89%），黏土礦物含量較高（平均39.52%），儲(chǔ)集層塑性較強(qiáng)。

圖13 4個(gè)地區(qū)典型頁(yè)巖樣品礦物組成分布

5.3 儲(chǔ)集層可改造性評(píng)價(jià)

以上述紋層劃分與礦物表征為基礎(chǔ)，對(duì)各層礦物分布進(jìn)行隨機(jī)重構(gòu)得到巖心巴西圓盤(pán)數(shù)值模型。以長(zhǎng)73亞段1號(hào)樣品為例，巴西盤(pán)試樣的直徑為60 mm，厚度為30 mm，模型按礦物分布劃分為5層（編號(hào)為A、B、C、D、E），為充分考慮礦物組成與紋層對(duì)造縫過(guò)程的影響，選擇力的加載與水平紋層夾 45°角方向，裂縫的生成與擴(kuò)展過(guò)程如圖14所示。

由于紋層強(qiáng)度較弱，初始裂縫在BC、CD、DE界面同時(shí)產(chǎn)生并不斷擴(kuò)展（見(jiàn)圖 14a—圖 14d）。隨著載荷持續(xù)施加，裂縫在沿界面持續(xù)擴(kuò)展（見(jiàn)圖14e）的同時(shí)產(chǎn)生新的分支縫（見(jiàn)圖14f），最終形成3條紋層縫和雙“S”形2條巖石基質(zhì)裂縫（見(jiàn)圖14g）。巖石基質(zhì)部分的裂縫主要產(chǎn)生于脆性礦物含量較高的層C、D、E中，黏土礦物含量較高的層 B中的裂縫較短且形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且阻礙了裂縫向?qū)覣中擴(kuò)展，層A中最終無(wú)裂縫產(chǎn)生。陸相頁(yè)巖隨機(jī)互層特征對(duì)造縫過(guò)程產(chǎn)生了顯著影響，頁(yè)理紋層等結(jié)構(gòu)弱面的開(kāi)啟與擴(kuò)張，并與主裂縫貫通，能夠有效提升裂縫復(fù)雜程度，改善儲(chǔ)集層滲流條件。但紋層的開(kāi)啟會(huì)導(dǎo)致壓裂液在近井地帶濾失加劇，造成裂縫延伸受限，降低改造體積。同時(shí)，高黏土層對(duì)裂縫縱向延伸也有顯著抑制作用。

圖14 長(zhǎng)73亞段1號(hào)樣品巴西圓盤(pán)模型45°載荷下破壞過(guò)程

進(jìn)一步引入計(jì)盒維數(shù)來(lái)表征破壞裂縫的復(fù)雜程度，將其作為裂縫復(fù)雜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值[42]。計(jì)盒維數(shù)是為了描述裂縫形態(tài)提出的一種分維描述法，反映巖石破壞裂縫對(duì)空間的占有程度，可以刻畫(huà)巖石破壞裂縫的復(fù)雜性，其數(shù)值越大裂縫越復(fù)雜。統(tǒng)計(jì)蘆草溝組、長(zhǎng)73亞段、孔二段、青一段樣品巴西圓盤(pán)數(shù)值模型破裂的平均三維計(jì)盒維數(shù)分別為 2.601，2.554，2.647，2.419，4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖樣品以孔二段可改造性最佳，主要原因是其紋層相對(duì)發(fā)育且黏土礦物含量較低，樣品在破裂過(guò)程中易于產(chǎn)生相對(duì)復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)；與孔二段相比，蘆草溝組黏土礦物含量稍高且紋層分布略少，可改造性稍差于孔二段；長(zhǎng) 73亞段樣品紋層最為發(fā)育，紋層開(kāi)啟顯著提升裂縫系統(tǒng)復(fù)雜程度，但受限于黏土礦物含量偏高，黏土層裂縫形態(tài)較為單一，裂縫縱向延伸相對(duì)受限；青一段樣品黏土礦物含量最高、紋層相對(duì)不發(fā)育，巖石破裂的復(fù)雜程度最低，可改造性差。

6 可動(dòng)用性特征對(duì)比分析

本文提出了頁(yè)巖油有效動(dòng)用微觀綜合評(píng)價(jià)方法，主要包括儲(chǔ)集層有效性、儲(chǔ)集層含油性、原油可動(dòng)性及儲(chǔ)集層可改造性 4個(gè)方面，重點(diǎn)參數(shù)包括有效孔隙度、大于20 nm孔徑體積占比、可動(dòng)油比例、計(jì)盒維數(shù)等?；谕惶自u(píng)價(jià)方法，對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組、鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)73亞段、渤海灣盆地滄東凹陷孔二段、松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷青一段共計(jì) 483塊樣品開(kāi)展系統(tǒng)對(duì)比研究，形成了重點(diǎn)盆地陸相頁(yè)巖油可動(dòng)用性初步認(rèn)識(shí)（見(jiàn)表 4）。受限于取樣井?dāng)?shù)與樣品數(shù)量，以及陸相頁(yè)巖強(qiáng)非均質(zhì)性，尚未覆蓋全部類(lèi)型與特征樣本，但本文基于同一測(cè)試平臺(tái)條件提供的微觀綜合評(píng)價(jià)技術(shù)與對(duì)比研究方法，可拓展至全球頁(yè)巖油氣系統(tǒng)儲(chǔ)集空間評(píng)價(jià)和資源計(jì)算等相關(guān)研究。

表4 4個(gè)地區(qū)頁(yè)巖油可動(dòng)用性對(duì)比分析

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組呈現(xiàn)混積巖特征，源儲(chǔ)一體近源聚集，與其他 3個(gè)地區(qū)相比孔隙最為發(fā)育，有效連通性好。儲(chǔ)集空間內(nèi)有大量原油填充，可動(dòng)油占比較高，儲(chǔ)集層改造復(fù)雜程度較高，是當(dāng)前最為現(xiàn)實(shí)的開(kāi)發(fā)對(duì)象。因原油黏度偏高，應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)體積壓裂與注氣吞吐等提高采收率技術(shù)相結(jié)合的開(kāi)發(fā)模式，有效提高原油流動(dòng)性。

鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)73亞段與孔二段、青一段樣品具有相似儲(chǔ)集空間展布特征，孔隙有效性與連通性相對(duì)一般。長(zhǎng)73亞段頁(yè)巖地層壓力系數(shù)較小，但可動(dòng)油占比高，原油以輕質(zhì)原油為主，氣油比高、流動(dòng)性好。黏土礦物含量雖較高，但頁(yè)理紋層發(fā)育，仍有較好的可改造性，體積壓裂過(guò)程應(yīng)注重頁(yè)巖結(jié)構(gòu)弱面的充分改造與溝通，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)并適當(dāng)提高施工規(guī)模補(bǔ)充地層能量。同時(shí)建議重點(diǎn)關(guān)注長(zhǎng) 73亞段頁(yè)巖原位轉(zhuǎn)化技術(shù)規(guī)模應(yīng)用可行性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

渤海灣盆地滄東凹陷孔二段樣品孔隙有效連通性?xún)H次于蘆草溝組，且孔徑分布優(yōu)于其他 3個(gè)地區(qū)，有利于原油運(yùn)移。成熟度與可動(dòng)油占比盡管相對(duì)較低，但仍有大量原油已經(jīng)生成且富集于有機(jī)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。其地層壓力高，原油黏度適中，儲(chǔ)集層可改造性極佳，有望通過(guò)體積壓裂實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益開(kāi)發(fā)。

松遼盆地長(zhǎng)嶺凹陷青一段樣品成熟度較高，有機(jī)質(zhì)大部分已轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴，可動(dòng)油飽和度較高，且具備地層高壓有利特征，資源潛力較大。但儲(chǔ)集層孔隙有效連通性差、孔徑整體偏小，儲(chǔ)集空間有效性明顯差于其他 3個(gè)地區(qū)。原油黏度偏高、儲(chǔ)集層塑性強(qiáng)，當(dāng)前工程技術(shù)條件下效益動(dòng)用難度較高，需開(kāi)展高塑性?xún)?chǔ)集層增產(chǎn)改造技術(shù)及原油降黏提高采收率技術(shù)攻關(guān)，如研發(fā)低黏壓裂液體系提高儲(chǔ)集層力學(xué)弱面開(kāi)啟效果、探索深部酸化增產(chǎn)技術(shù)以改善滲流條件等。

7 結(jié)論

頁(yè)巖油納米尺度儲(chǔ)集空間有效性、含油性、原油可動(dòng)性、儲(chǔ)集層可改造性更為復(fù)雜，傳統(tǒng)的儲(chǔ)集層分析手段不適用于頁(yè)巖油。本文建立頁(yè)巖油多尺度多參數(shù)可動(dòng)用性綜合評(píng)價(jià)技術(shù)系列，基于同一評(píng)價(jià)技術(shù)體系和相同實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件對(duì) 4大盆地頁(yè)巖油巖心樣品開(kāi)展系統(tǒng)對(duì)比評(píng)價(jià)研究，形成微觀尺度下各盆地頁(yè)巖油資源可動(dòng)用性系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，為宏觀尺度下頁(yè)巖油資源潛力評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。后續(xù)研究將進(jìn)一步增加不同地區(qū)頁(yè)巖油巖心樣品分析樣本數(shù)量，重點(diǎn)開(kāi)展基于關(guān)鍵參數(shù)的跨尺度協(xié)同驗(yàn)證研究，繼續(xù)完善對(duì)儲(chǔ)集層非均質(zhì)性和頁(yè)巖油賦存分布規(guī)律認(rèn)識(shí)，形成中國(guó)陸相頁(yè)巖油可動(dòng)用性跨尺度綜合評(píng)價(jià)技術(shù)和多參數(shù)對(duì)比圖版。