随着常规油气资源的日渐枯竭以及北美地区页岩油气开发取得的巨大突破^[1], 我国也加强了对页岩油气的勘探, 目前在渤海湾、鄂尔多斯、准噶尔等多个盆地均取得了较大进展^{[2, 3, 4]}, 成为近年来非常规油气领域增储上产的热点。华北油田饶阳凹陷与已获页岩油气勘探突破的大港油田沧东凹陷具有同样地质背景, 其页岩油资源丰富, 但目前针对页岩油的勘探开发尚处于起步阶段。通过分析该区118口新老钻井资料, 特别是1985-2020年10口取心井258.41 m的岩心采集数据, 开展了页岩类岩性“ 宏观观察+微观薄片+XRD矿物成分” 特征研究, 对页岩类岩性进行精细刻画, 逐渐揭开了这套传统烃源岩的面纱, 以往认为饶阳凹陷沙一下亚段“ 特殊岩性段” 含油显示主要集中在碳酸盐岩地层, 泥页岩只作为生油层而非储层的观点, 严重制约了页岩油气的深入研究。

为了实现优势页岩油储层的岩性（即优势岩性）识别, 首先结合XRD矿物成分分析特征, 建立研究区页岩油岩性划分标准, 在此基础上, 对不同岩性的含油气性、有机质丰度及脆性矿物含量等因素进行详细分析, 最终选取 6 个页岩油储层评价参数, 建立了优势岩性评价标准^{[5, 6, 7]}, 从而为储层改造提供压裂选层的重要参数, 并在生产实践中得到了验证, 为页岩油高效开发提供了技术支撑。

饶阳凹陷是渤海湾盆地冀中坳陷中部的一个次级构造单元, 勘探面积约为6 300 km², 自北向南依次发育马西、任西、河间、留西及饶南5大生油洼槽, 整个凹陷沙河街组沙一下亚段以湖侵体系沉积为主, 发育了一套厚度大、分布面积广且有机质丰度高的优质烃源岩, 可作为全区对比的标志层（特殊岩性段）, 是该区的主力储层和生油层, 为页岩油气成藏奠定了坚实的物质基础。该标志层岩性主要包括灰岩、泥质灰岩及油页岩等, 埋深2 800~4 200 m, 显示主要分布于蠡县、肃宁、马西、大王庄、留西等地区, 分布范围最大的是蠡县斜坡, 最厚的是肃宁、马西、留西等洼槽区。

饶阳凹陷沙一下亚段泥页岩的油气显示普遍较为活跃, 全烃值从0.07%至100%不等, 具有较高的背景值, 尤其在洼槽中心气测显示异常活跃。试油工业油流井的发现证实了沙一下亚段页岩油气藏的存在, 如XL 10、XL 1、N 30、N 41、N 45、L 18、X 27等井在沙一下亚段均获得工业油流, 展示了饶阳凹陷沙一下亚段成熟生油层中泥页岩储层良好的勘探前景。

沙一下亚段“ 特殊岩性段” 以往命名方式较为粗犷, 无法从矿物组分上探究这套生烃层系的本质, 加上对页岩油烃源岩类型及储层脆性认识不清, 严重制约着页岩油储层的评价。基于饶阳凹陷XL 25X、B 11X、N 92X、NG 16X共4口新钻井412块钻井取心样品进行加密XRD矿物数据分析, 建立岩性识别图板, 首先将沙一下亚段岩性分为泥岩、页岩、砂岩3大类, 然后将页岩集中段岩性划分为长英质、云灰质、混合质、黏土质页岩4种基础岩性。然而, 并非所有的页岩集中段都是“ 甜点” 储层, 都具有优势, 为此本文应用XRD矿物数据分析对沙一下亚段页岩岩性进行划分, 以分析化验及配套测井、录井资料为基础, 结合含油气性、有机质丰度及脆性矿物含量的评价, 最终开展了页岩储层中优势岩性的识别^{[8, 9, 10]}。

2.1 岩性分类

以往研究认为富有机质泥页岩主要是提供油气来源的生油岩或为阻止油气继续运移、逸散的封盖层, 而非储层, 其自然产能低, 故始终未有较大的突破。随着非常规油气的勘探, 在寻找油气藏的“ 禁区” 泥页岩中也发现了大量油气, 突破了过去对油气储层的传统认识, 泥页岩亦可作为储层已经得到了普遍的认可。将储层一概定名为碳酸盐岩的定名方法, 已经无法满足现今页岩油勘探开发的需要。

通过新钻B 11X、XL 25X等井岩心精细观察描述以及194个取样点的镜下观察发现（图1、图2）, 研究区沙一下亚段泥页岩的矿物组分均呈现一定的薄层状或纹层状结构, 多种矿物表现为云灰质、长英质、黏土质或有机质等纹层在纵向上相互叠置发育。

图1

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	图1 饶阳凹陷沙一下亚段岩心实物特征

图2

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	图2 饶阳凹陷沙一下亚段泥页岩镜下组构特征

通过XRD矿物成分检测对新钻井412块取心样品进行加密分析, 结果表明, 虽然泥页岩储层矿物成分多样、类型复杂、纵向变化快, 且不同地区、不同沉积环境下的矿物组成有一定差别, 但整体上是以黏土矿物、陆源碎屑和与其共生的碳酸盐岩为主（占总含量的90%以上）, 基本各占三分之一, 没有绝对优势矿物, 只是在不同区带自生矿物成分、含量有所不同（表1）, 反映沉积环境有所变化。在大量XRD矿物数据分析的基础上, 依据黏土矿物、陆源碎屑和碳酸盐岩各自含量, 将饶阳凹陷沙一下亚段这套传统烃源岩划分为长英质、云灰质、混合质及黏土质页岩4种基本岩石类型。

表1

表1

表1 XRD矿物成分分析统计 矿物成分 含量/% 黏土矿物 22~37 陆源碎屑 28~38 碳酸盐岩 22~36 自生矿物 3~12

表1 XRD矿物成分分析统计

2.2 岩性识别

与常规砂岩储层相比, 页岩油储层对源岩的分布和生烃能力的要求更高, 其富集程度不仅与岩性、物性参数相关, 还与地化录井参数密切相关。在后期试采方面, 页岩油储层必须通过多级压裂等技术才能实现经济开发, 而岩石脆性是表征储层可压裂性必不可少的参数。因此, 页岩油储层中的优势岩性应该是具有较好的油气显示、较丰富的有机质和可动烃含量、较好的储层品质、较高的脆性矿物含量, 且比较容易进行压裂工程改造的岩性, 在勘探开发过程中, 这些因素是决定页岩油产能高低的关键^{[11, 12, 13]}。

气测录井作为及时发现油气显示的第一手资料, 具有独特的优势, 而气测烃组分C₁-C₅值是判断储层流体性质的较好指标, 通过气测录井可获取全烃、C₁的数据。岩石热解录井能够定量化反映烃源岩好坏, 在页岩油气勘探开发中发挥着重要的作用, 好的烃源岩层直接决定了页岩储层的含油量及产能, 通过岩石热解录井可以获取TOC、S₁+S₂、S₁/TOC指标数据：TOC为总有机碳含量, 表征页岩中有机质的含量, TOC越高表示页岩地层生成油气的能力越强; S₁+S₂为生烃势, 是烃源岩中已经生成的和潜在能生成的烃量之和, 其值越高表明页岩地层的有机质含量越高, 产油气量就越多; S₁/TOC为页岩油产能, 泥页岩中可动烃S₁含量越高, S₁/TOC值越高, 表明页岩地层可以产出的油气也就越多。脆性指数由XRD资料获取, 页岩中石英、长石、方解石脆性矿物含量越高, 岩石脆性越强, 在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝, 利于页岩油开采^{[14, 15]}。

依据页岩地层获取的全烃、C₁、TOC、S₁+S₂、S₁/TOC、脆性指数共6项参数, 在应用XRD矿物数据进行岩石分类的基础上进行优势岩性标准划分, 从而确定页岩地层中的优势岩性（表2）, 为试油选层识别出泥页岩层中的优势岩性, 为页岩地层高效开发油气资源提供可靠依据。

表2

表2

表2 页岩地层的优势岩性划分标准 岩性分类 全烃/% C1/% TOC/% S1+S2 /（mg· g-1） S1/TOC /（mg· g-1TOC） 脆性指数/% 岩性划分 长英质页岩 > 5.0 65~80 > 2.5 > 20 > 90 > 60 优势岩性 2.0~5.0 80~85 1.2~2.5 10~20 60~90 40~60 次优势岩性 < 2.0 > 85 < 1.2 < 10 < 60 < 40 非优势岩性 云灰质页岩 > 10.0 70~80 > 2.0 > 20 > 75 > 65 优势岩性 2.0~10.0 80~85 0.8~2.0 6~20 50~75 40~65 次优势岩性 < 2.0 > 85 < 0.8 < 6 < 50 < 40 非优势岩性 混合质页岩 > 15.0 65~80 > 2.2 > 25 > 85 > 70 优势岩性 5.0~15.0 80~90 1.0~2.2 6~25 50~85 55~70 次优势岩性 < 5.0 > 90 < 1.0 < 6 < 50 < 55 非优势岩性 黏土质页岩 非优势岩性

表2 页岩地层的优势岩性划分标准

对饶阳凹陷R 11井沙一下亚段3 728.0~3 808.0 m泥页岩层段应用录井资料结合配套测井响应特征, 通过对气测显示、岩屑录井显示、XRD矿物分析和岩石热解分析数据的综合评价, 在3 734.0~3 784.0 m页岩油气发育层段识别出1、2、3、4、5共5个解释层两种岩性（图3）, 对每个层段岩性的全烃、C₁、TOC、S₁+S₂、S₁/TOC和脆性指数6项参数值进行统计, 参照优势岩性划分标准（表2）对5个解释层进行划分。其中：1、2解释层各项指标基本达到次优势岩性划分标准, 综合判断为长英质页岩中的次优势岩性; 3、4解释层各项指标基本达到优势岩性划分标准, 综合判断为长英质页岩、云灰质页岩中的优势岩性; 5解释层因除脆性指数之外各项指标均未达标, 综合判断为云灰质页岩中的非优势岩性（表3）。

图3

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	图3 R 11井综合录井图

表3

表3

表3 R 11井页岩地层岩性分类与划分 解释层 井深/m 岩性分类 全烃 /% C1 /% TOC /% S1+S2 /（mg· g-1） S1/TOC /（mg· g-1TOC） 脆性指数 /% 岩性划分 1 3 734.0~3 736.2 长英质页岩 6.05 75.5 1.62 6.60 71 74 次优势岩性 2 3 738.0~3 740.2 长英质页岩 4.49 80.0 1.32 5.69 70 76 次优势岩性 3 3 754.0~3 758.0 长英质页岩 6.82 79.5 2.72 20.00 119 71 优势岩性 4 3 761.0~3 764.0 云灰质页岩 7.42 79.4 2.81 18.32 165 73 优势岩性 5 3 782.0~3 784.0 云灰质页岩 11.10 79.0 0.99 2.85 29 79 非优势岩性

表3 R 11井页岩地层岩性分类与划分

3、4解释层合试, 射流泵排液, 日产油8.57 t, 依据井深大于3 000 m的日产5.0 t的工业油流标准, 试油结果为油层, 说明该解释层油气显示良好, 有机质丰度高, 可动烃含量高, 脆性矿物含量高, 岩性类别好, 是页岩地层中的优势岩性, 从而证实通过该方法优选的页岩油优势岩性段与勘探开发过程中的试油结果吻合, 显示了较好的准确性和实用性。

（1）饶阳凹陷沙一下亚段泥页岩层系矿物成分多样, 构成页岩储层的矿物组成、含量影响着储层的物性, 制约着其储油能力, 控制着其烃源岩类型及脆性等各方面的性质, 因此岩性识别尤为重要, 基于XRD矿物分析数据, 将这套传统烃源岩划分为长英质、云灰质、混合质及黏土质页岩4种基本岩石类型。

（2）并非所有泥页岩储层中的油气都能被有效开发, 因此明确“ 甜点” 对页岩油气的有效开发至关重要, 针对不同岩性寻找相应“ 甜点” 储层中的最优段, 即本文所述的优势岩性, 可以为下一步地质“ 甜点层” 及工程“ 甜点体” 的综合优选奠定良好基础, 为提高页岩油勘探开发效益提供有力的技术支撑。

（3）页岩油气勘探开发前景广阔, 各油田已将页岩油作为长远发展的重要战略接替阵地, 在低油价背景下, 如何降低页岩油勘探开发成本, 提高效益, 实现工业化开发是页岩油业务发展的关键问题。在为压裂选层和水平井钻探提供“ 甜点” 储层有效参数, 满足页岩油气勘探开发需求方面, 还需要不断实践和深化, 为高效开发页岩油气资源提供可靠依据, 以实现渤海湾盆地饶阳凹陷页岩油勘探的重要突破。

（编辑 陈 娟）