摘要
中国陆相盆地页岩油资源丰富,是中国油气增储上产的重要战略接替领域｡限于陆相盆地特殊复杂的地质条件,陆相页岩油的富集规律与主控因素不够明确,中国陆相页岩油勘探所面临的关键科学问题仍然有待进一步研究｡通过充分调研国内外以细粒沉积､烃类赋存以及流体运移为重点研究页岩油的最新进展,结合中国陆相页岩油勘探进展,对比总结了陆相和海相页岩油的基础地质特征及其差异,提出了目前中国陆相页岩油勘探面临的关键科学问题｡研究结果表明:中国陆相盆地发育多套页岩油,陆相泥页岩层系具有沉积相变快､沉积厚度大､成熟度较低､黏土矿物含量高的特点;与海相地层相比,沉积构造背景较不稳定,沉积年代较新､非均质性更强,地层能量和地温梯度较低､烃类流体黏度和密度较大｡细粒组分形成及地质事件的成因机制不仅是沉积地质学关注的“成源”与地球系统演化的事件信息,也是页岩“成储”及源-储耦合机制研究的关键内容｡页岩油的赋存机制与其可动性密切相关,明确赋存机制是优选甜点的关键｡微运移机制是页岩油藏开发的基础,随着微流体流动理论､计算机分子模拟与实验技术的发展,其运移机理将会得到进一步揭示｡3个关键科学问题为:①细粒沉积岩的形成机理;②陆相页岩油的赋存机制;③陆相页岩油的微运移机制｡建议以这3个科学问题为导向,加大地质-工程一体化研究与技术攻关,使其成为中国陆相页岩油革命成功的保障｡
关键词
陆相页岩油;勘探进展;细粒沉积;地质事件;赋存空间;赋存机理;微流动机理
0 引言
页岩油气的勘探开发最早始于20世纪50年代美国的Williston盆地Bakken组,随着地质理论的完善及开采技术的进步,目前已进入全球快速发展阶段｡俄罗斯西西伯利亚盆地上侏罗统Bazhenov组富含有机质的裂缝性页岩发现蕴藏着大量页岩油,单井产油量可达50~1700m3/d;阿根廷Neuquen盆地上侏罗统 Vaca Muerta组页岩油勘探取得重大突破,预计可采储量为25.758×108m3｡美国页岩油气革命较为成功,2019年美国页岩油产量为3.85×108t,占其原油总产量的65.2%,打破了以中东和俄罗斯为主要产油地域的世界石油格局,为美国的能源安全提供了重要保障｡目前,中国原油对外依存度已高达73.5%,页岩油作为中国油气领域战略性接替资源,对缓解油气对外依存度,保障国家能源安全具有重要意义｡中国页岩油勘探起步较晚,陆相页岩相变快､构造复杂､地层能量低,储层的非均质性强,油质重､黏度高､流动性差,水平井压裂效果不明显､经济开发难度大,亟需明确制约陆相页岩油勘探面临的关键科学问题,为下一步研究指明方向｡因此,笔者通过充分调研国内外以泥页岩层系细粒沉积､烃类赋存以及流体运移为代表的页岩油最新研究进展,从页岩油的内涵与类型出发,梳理了陆相页岩油地质特征,对比了中国陆相和美国海相页岩油的差异,并结合陆相页岩油勘探现状,提出了当前中国陆相页岩油勘探面临的关键科学问题,以期为中国陆相页岩层系油气地质理论的发展提供参考｡
1 页岩油的内涵与类型
页岩油的概念在中国石油学术界颇有争议,与油页岩､致密油等概念有混用的现象,但随着勘探开发实践的不断丰富,页岩油的内涵与类型得到进一步明确｡早期由于依据储集空间､沉积岩性､有机质成熟度､丰度等不同侧重点,出现了多个定义,可大致归为两类:①狭义的页岩油,富有机质泥页岩(源內)中自生自储型的石油聚集;②广义的页岩油,泛指蕴藏在页岩层系中页岩及致密砂岩和碳酸盐岩等含油层中(近源､源內)的石油资源,包括自生自储型和短距离运移型的石油聚集｡国际上对于泥页岩层系中的石油资源定义也并非一成不变｡美国能源信息署(EIA)起初称之为页岩油(shale oil),2014年后改为致密油(tight oil);加拿大自然资源协会(NRC)称之为致密页岩油(tight shale oil)或致密轻质油(tigh tlight oil)｡笔者认同美国学者Donovan的定义:在烃源岩层系(页岩以及页岩层系中的致密砂岩和碳酸盐岩)中的滞留烃均称为页岩油｡国家标准化管理委员会于2020年制定《页岩油地质评价方法》(GB/T38718—2020)中指出:“页岩油是指赋存于富有机质页岩层系(包括层系内的粉砂岩层､细砂岩层､碳酸盐岩层)中的石油｡”并且对其中夹层单层厚度以及占比进行了定义:单层厚度不大于5m,累计厚度占页岩层系总厚度比例小于30%(图1)｡但也有学者比较认同单层厚度不超过1m,累计不超过20%;或单层厚度不超过2m,累计厚度不超过30%,随着中国陆相页岩油勘探开发的不断进行,这些差异正在逐步统一｡
页岩油的定义确定了页岩油的内涵,分类则是内涵的进一步细化｡回顾中国学者对页岩油的分类,从早期的岩性特征､赋存状态以及开采方式等作为依据(表1),到后期随着研究的进一步深入,逐渐聚焦在“源-储”性质上｡首先是“源”的性质,其是赋存在页岩层系中的石油资源,本质上强调烃源岩的岩性与热演化程度:对于富有机质层系,单层夹层小于5m,累积比例小于30%,也有学者强调在埋藏300m以深的泥页岩层系中才可称为页岩油;根据热演化程度可分为中—低成熟度页岩油(Ro=0.50%~1.00%)与中—高成熟度页岩油(Ro=1.00%~1.50%),但Ro界限值还存在较多争议(如底界0.50%､0.60%､0.68%､0.65%,顶界1.10%､1.30%､1.50%等)｡其次是“储”的性质,页岩油具备“源-储一体”的性质,覆压基质渗透率极低,但其内涵仍不够明确,特殊岩层段(如贫有机质层段､白云石层段以及凝灰岩层段)､不同源-储组合类型(如源-储共存､源-储分离和纯页岩等)下的含油气特征难以用“源-储一体”来简单概括,仍需进一步探究｡
2 页岩油的地质特征及勘探现状
2.1中国陆相页岩油勘探现状
20世纪70年代以来,在渤海湾盆地､松辽盆地､江汉盆地､苏北盆地等多个盆地均发现了页岩裂缝油,先期偶然发现在页岩裂缝中存在石油,但不成规模,未能引起广泛关注｡随着北美页岩油气革命的到来,中国国内一直以来当做“烃源层”的泥页岩层系成为国内外学者关注的热点,页岩气在四川盆地涪陵地区取得巨大成功,但页岩油还处于局部突破阶段｡中国页岩油资源主要分布在松辽盆地､渤海湾盆地､苏北盆地､江汉盆地､四川盆地､鄂尔多斯盆地､准噶尔盆地､三塘湖盆地､柴达木盆地等(图2,表2),但仅有准噶尔盆地芦草沟组､鄂尔多斯盆地延长组7段(长7段)及渤海湾盆地古近系的勘探开发取得突破,如新疆油田国家级页岩油示范区的建立､长庆油田页岩油示范基地的规模效益开发､大港油田实现陆相页岩油工业化开采等｡中国页岩油资源勘探潜力巨大,中国石油天然气集团公司在2016年评估全国页岩油技术可采资源量已达145×108t(含油页岩);2019年,中国石油化工股份有限公司初步估算全国页岩油技术可采资源量为(74~372)×108t｡有学者评估中国中—低成熟度页岩油原位转化技术可采资源量为(700~900)×108t,在中等油价下的经济可采量为(150~200)×108t,中—高成熟度页岩油地质资源量为100×108t｡目前,中国页岩油勘探与开发起步较晚,仍处于不同盆地的局部突破阶段,勘探效果不理想,面临借鉴的北美压裂技术不适用的难题,因此,亟需加大基础科学问题的研究,探索适合中国陆相页岩油勘探开发的技术与理论｡
2.2中国陆相和美国海相页岩油的地质特征对比
中国页岩油勘探表明页岩油主要富集在中生代､早二叠纪以及晚古近纪的陆相泥页岩层系地层中,埋深为1000~4300m,沉积厚度不等(10~500m)｡“源岩”有机质丰度为0.5%~16.0%,干酪根类型以Ⅰ､Ⅱ型为主,热演化程度Ro主要分布在0.5%~1.3%,生成烃类的密度为0.7~0.9g/cm3,地层压力多处于弱超压状态｡“储层”岩石较致密,孔隙度为0.2%~19.0%,渗透率多小于0.1mD,孔喉直径多小于150nm,储集空间为微裂缝､溶蚀孔､晶间孔､有机质孔､粒内孔､粒间孔等(表2)｡
中国陆相页岩油与北美海相页岩油有很大区别,从沉积､成烃､储层､工程地质与开采工艺均有不同(表3､表4)｡从沉积特征来看,陆相页岩沉积构造演化稳定性较差,沉积盆地类型多,具有埋藏深度较深､沉积厚度较大､分布范围广但沉积连续性较差､相变快､地层能量低的特点｡从生烃品质来看,陆相页岩油具有热演化程度偏低､气油比较低但含油饱和度较高､源岩累计厚度较大的特点,烃类流体属于黏度､密度较大的高蜡油,干酪根类型以Ⅰ､Ⅱ1型为主｡从储层品质来看,陆相页岩的孔渗特征较致密,压力分布较复杂,储层有利面积､单井累计产能较小,但储层厚度较厚｡对于工程地质的评价参数:低脆性矿物含量､高泊松比､低杨氏模量､低脆性系数､高储层闭合压力均显示了陆相页岩具有脆性低､难以压开且压开后易闭合的特点｡而北美海相页岩沉积相对稳定连续,油层连续性较好､处于轻质油—凝析油窗口,储层品质也较好,脆性矿物含量较高､易压裂,有利面积较大,单井累积产能较高｡并且,从开采技术研究来看,北美海相页岩油的主体技术已经成熟,水源条件充足,地面管网发达,现主要集中在如何经济环保可采情况下,进一步提高压裂水平､提高产量｡而中国陆相页岩地质特征复杂,甚至某些页岩油水平钻井段的产油量没有直井段产油量高,相关的技术还在探索之中,水源条件不充足,地面管网相对不发达｡
3 页岩油研究进展
3.1页岩油细粒沉积形成演化及成源-成储影响
陆相页岩的沉积环境为半深水—深水湖盆环境,具有淡水和咸水两种发育机制,湖侵､水体分层和门槛3类沉积模式,多分布于断陷盆地､前陆盆地､坳陷盆地的深凹区｡由于陆相湖盆类型和构造演化阶段不同,湖平面变化受气候影响显著､面积相对较小､存在陆源碎屑､生物和化学以及火山碎屑等多物源沉积,不同地区沉积页岩的多样性和非均质性十分明显｡湖相页岩为细粒沉积岩,颗粒粒径通常小于0.0625μm,主要由石英､碳酸盐矿物､黏土矿物､有机质等细粒组分沉积而成｡细粒组分的沉积与事件是细粒沉积的关键内容｡
3.1.1细粒组分的形成机理及成源-成储影响
细粒组分的形成决定陆相页岩的物质基础,而其内在的物理化学生物作用､对页岩油气源-储的影响还需进一步探究｡①凝灰岩层的成因机制｡陆相页岩层系显示凝灰层段具有较差的TOC,却是页岩油的甜点段｡火山活动和热液活动带来的营养物质可以促进藻类的生长,提高原始生产力,虽然没有改变氧化还原环境,却促进了凝灰岩层段沉积后期的有机质富集,其内在机制还存在较多争议,另外深部物源与油气关系又是另一个问题｡②碳酸盐矿物的成因机制｡碳酸盐矿物可识别为晶粒碳酸盐矿物和泥晶碳酸盐矿物,晶粒碳酸盐矿物易于“成源”不易于“成储”,泥晶碳酸盐矿物易于“成储”不易于“成源”｡方解石以及白云石的孔隙结构不同,溶蚀孔隙增大储集空间,但有学者认为方解石对干酪根生油过程却具有抑制作用[39]｡因此,与整体页岩油赋存特征的匹配需进一步系统探讨｡③黏土矿物的转化｡蒙脱石的高表面活性可催化改造生成油类的烃类组成,生成更多的轻质烃类组分,对石油的流动性和产油率有较多贡献,但黏土矿物多影响压裂性,对页岩油的开采不利｡因此,系统化定量黏土矿物的综合研究需进一步探讨｡④石英的形成机制｡富含生物成因石英对有机质的富集和保存更为有利;成岩作用对蒙脱石的伊利石化中硅质来源具有重要控制作用,可以增强岩石的硬度,增加可压性;陆源碎屑石英的过多沉积将会稀释有机质的沉积｡页岩中生物成因､热液成因､水成成因之间引起硅质沉淀的机制也不明确,不同成因的石英对页岩油气的作用不同,因此,探究量化硅质来源对页岩油源-储的影响将会十分有意义｡⑤有机质的富集机理也存在较多问题｡有机质的富集受沉积水体表层初级生产力､底部水体缺氧条件､沉积速率､黏土矿物含量､海(湖)平面变化等多种因素影响,可归结为如何看待古生产力与缺氧事件驱动多样性的科学问题[28]｡沉积物中有机质的富集不能用单一的控制参数来解释,有机质富集的基础条件应为原始生产力,还原-缺氧环境等保存为必要条件,合适的沉积速率也有巨大影响,但是,有机质富集的主控因素还未明确,其中还涉及含氧量对有机质氧化的热点争议问题｡
3.1.2地质事件的成因机制及成源-成储影响
地质事件的成因机制是细粒沉积重点关注内容,其驱动机制及其源-储影响仍在探索｡相对粗粒沉积,细粒沉积的“敏感性”能够更加清晰记录生物的爆发与灭绝、古气候､冰期､古地磁､地史期地日轨道的演变等地质事件,其信息的提取对恢复古地球演化系统将会提供很好的参考,其成因机制的研究更是对未来宜居地球的能源与环境研究具有一定的参考意义｡如细粒沉积物中记载的奥陶纪末期､晚泥盆世､二叠纪末期､三叠纪末期､白垩纪末期5次生物大灭绝重大生物和环境事件的成因研究将会对生命的演化提供诸多参考｡细粒沉积物的古地磁高频旋回更是对地日轨道的演变提供很好的记录｡
地质事件发育段还与油气的甜点段具有很好的耦合关系,但其内在机制还未 明确｡火山､热液活动的研究将会对沉积学理论以及陆相含油气盆地生油理论有重要意义｡细粒沉积中已经识别出的地质事件有(表5):区域性构造与湖平面升降､火山活动､气候突变､水体缺氧､生物灭绝/辐射､重力流等,但不同地质事件对油气的地质作用不同｡如湖侵—湖退事件改变有机质氧化还原环境,有利于有机质富集;火山活动带来的营养物质刺激浮游植物的生长,提高生产力,并且火山活动较高的热流值会使地温升高,可以促进有机质的热演化,有利于有机质的生烃;重力流控制的沉积微相通常是良好储层的发育段,有较好的物性;生物的灭绝与爆发促进了古生产力等｡
因此,细粒沉积岩的地质事件不仅能为“深时数字地球大科学计划”中地史期的地球生命､物质和气候演化的重建提供很好的信息,还是非常规油气源-储的重点研究领域,但发育的内在机制仍处于探索阶段｡
3.2 页岩油赋存机制
精细的源-储“甜点”预测一直是非常规勘探与开发的关注热点,而如何评价有机—无机成岩演化的储层孔缝网络与烃类赋存､富集的匹配结构关系(即页岩油的赋存机制)是最关键的一环｡与北美地区相比,中国陆相页岩油地质条件更加复杂,非均质性更强,更需加强页岩油的赋存机制研究｡
3.2.1 页岩油赋存空间
近年来,随着非常规油气纳米级赋存空间的发现,如何定性—定量表征泥页岩的微观孔隙结构成为非常规油气研究的热点领域:从最初的定性研究(孔隙类型､孔隙大小､孔隙性质､孔隙结构形态､孔隙发育主控因素等)到定量动态演变进展(有机质—无机质孔隙的演变､各类型孔隙占比､孔隙的定量比､孔隙的孔喉､孔隙的比表面对吸附的影响､孔隙非均质性､孔隙内部的连通性等)都是研究的热点｡目前用于孔隙结构表征的方法多种多样,但各种表征技术的适用范围存在较大差异｡如二维图像定性观测范围为1nm~1cm,而三维重构模拟技术多集中于0.1μm以上的大孔,定量实验多集中在0.01μm~0.01mm的孔隙｡随着孔隙定性—定量表征技术的不断发展,全孔径联合表征技术与有矿物属性的网络动态演化表征成为泥页岩储层孔隙表征的重要发展方向｡页岩油赋存的孔隙类型主要有矿物颗粒间孔隙､溶蚀孔隙､晶间孔隙､黏土矿物孔隙､黄铁矿孔隙和有机质孔隙等(图2);也可归为无机质孔隙和有机质孔隙两大类,无机质孔隙包括黏土矿物孔隙､脆性矿物颗粒间隙和矿物粒内孔隙,有机质孔隙包括干酪根原生生物结构孔隙､固体干酪根次生孔隙以及固体沥青再演化形成的孔隙等｡通常认为有机质孔隙中的烃类比无机质孔隙中的烃类更加难以动用｡裂缝类型以构造裂缝､异常压力缝､矿物收缩裂缝和层间微裂缝为主,也可分为层间缝､异常压力缝和微裂缝｡另外,湖相页岩是先天致密的烃源层､储集层,其中发育的微米—纳米级孔隙具有异于毫米级孔隙的物理化学属性:强相互作用､尺度效应､毛细管效应､真实气体效应､界面现象、分子扩散效应和裂缝冲击效应等,让常规渗透率､孔隙度失去了在评价储层可动流体相态的准确性｡孔隙的喉道大小也是制约烃类赋存和流动的重要因素,对这一观点学者的认识不一｡如聂海宽等提出10nm的页岩油具有较好的流动性;包友书等认为可动油的孔径下限约为30nm;王民等认为游离油赋存的孔径下限约为5nm,而主体在大于40nm的孔隙中;卢双舫等根据微观孔喉分类,提出了页岩油储集层的分类新方案,即微孔喉(<25nm)､小孔喉(25~100nm)､中孔喉(100~1000nm)以及大孔喉(>1000nm)｡因此,页岩油的赋存空间是多尺度拓扑结构的孔隙-裂缝网络,其网络定性—定量的准确表征与网络微米—纳米尺度的物理化学属性研究是探究赋存空间有效性的重要内容｡
3.2.2 页岩油赋存机理
通常认为页岩油在层间缝､构造裂缝､超压裂缝中以游离态赋存;在孔隙较大的重结晶晶间孔､溶蚀孔中也以游离态赋存,且可形成连续的烃类聚集;而在有机质演化孔､黄铁矿晶间孔､黏土矿物晶间孔中则以吸附态存在(图2)｡石英颗粒､碳酸盐岩及黄铁矿等表面对烃类吸附的实验表明矿物组分､矿物表面积对生/排烃中有机质赋存有很大影响,但不同矿物的地质作用效果不同｡生烃热演化模式中干酪根的吸附机理和油气热解､裂解作用是有机质物质赋存状态转化的重点,如干酪根溶胀实验对有机质留烃能力的研究,以及热解萃取游离态的小分子化合物研究认为,小分子的游离态化合物相对于大分子的吸附态化合物更容易热释出来｡干酪根对残留油具有重要的吸附作用,其未经排烃的干酪根吸附量可达100mg/g,成熟度则控制吸附能力的大小｡蒋启贵等通过多温阶热萃取的方法将游离烃含量的轻烃区进行划分,进一步表征游离油､吸附油,但能否准确反映含量有待确认｡近年来,学者还通过分子动力学､蒙特卡洛模拟以及密度泛函理论等对烃类流体在纳米孔隙中的赋存机理进行了探索(图3):认为页岩油具有多层吸附的特点,在靠近固体壁面处,烷烃分子趋向于平行于壁面排列,形成3层或4层吸附层,以固体或“类固体”形式存在;孔道中央位置处,烷烃分子呈现体相流体｡在吸附层内,水平方向的扩散系数大于垂直方向的扩散系数,而在体相流体中,不同方向扩散系数差异减小,较大的驱动力可以增加滑移长度,但对有效黏度的影响较小｡另外,干酪根结构的准确构建是一个世界级难题,但相信随着计算机技术与微观结构解析技术的发展,烃类分子不同赋存状态的演变与复杂岩石结构的匹配机理将会被进一步揭示｡因此,页岩油的赋存机理受孔缝介质的矿物类型､生烃热演化产生不同化合物的差异与干酪根的吸附/解吸控制,微米—纳米孔隙与油气赋存的匹配关系研究是未来发展的趋势｡
3.2.3 页岩油赋存状态及研究方法
页岩油的赋存状态难以界定､不同赋存状态相互转换的条件不明,需要结合环境场扫描电镜､核磁共振､能谱分析､蒙特卡洛方法､分子动力学模拟､理论模型等对比验证,建立有效的多方法对比验证技术｡通常认为页岩油气以吸附态､游离态和溶解态共存,但赋存状态的含义存在争议,如根据吸附的纳米特性可定义为局部密度值偏离体积密度值的部分,区分状态为“类固体”层和体相流体｡根据化学特性可区分为:①化学吸附有机质,以化学键结合为主､呈三维交联网络结构形式存在的有机质大分子;②物理吸附有机质,丰富的杂原子极性官能团和一些胶质组分｡早期学者提出石油在孔隙中主要以圆球状分布､短柱状集合体､薄膜状均匀以及黏结态4类赋存状态存在,也有学者结合岩相识别出裂缝型､孔隙型､薄膜型､毛管型､颗粒型､吸附型6类页岩油赋存的微观形式｡因此,虽然学者们已经对这些规律进行了探索,但仅揭示了其中一部分,由于研究手段的限制,缺乏系统对比研究,且各种技术各有优缺点(表6)｡如环境扫描电镜可以直接观察石油赋存的特征,但需要配合能谱分析测试,并且在样品的制备过程中有很大的差异以及只能局部观察,且无法定量研究赋存规律;有机质萃取与热模拟则在实验条件下可能对样品进行损坏,溶剂抽提并不能完全实现对不同赋存状态的可溶有机质选择性分离,且可溶有机质在湖相页岩中的赋存状态也存在一定的动态转化过程,溶剂的改变以及抽提方式的改变都有可能引起实验数据的变化;高频核磁共振技术的发展为无损､快捷地展示页岩油中流体状态提供了一个新的方向,但是细粒沉积中发育的黄铁矿等对结果有很大的影响;等温吸附实验能够表征连通孔隙的结构特征,弥补扫描电镜图像法的不足,但烃类流体赋存的状态难以确定;分子动力学模拟方法由于石油分子组分复杂,通常简化为石墨烯,但有很大的局限性;通过分子的物理化学属性,建立理论赋存模型有一定的指导意义,但是矿物模型的筛选是一大问题｡因此,结合多种手段建立多方法对比技术将十分重要｡
3.2.4 页岩油可动性
页岩油的可动性一方面取决于储层孔隙的性质,如润湿性､连通性等｡孔隙的亲油性越强,烃类在其表面的吸附厚度越大,游离态的可动量越小,但同时亲油性的孔隙更加易于驱油,其如何综合评价成为一个难题｡另一方面则取决于烃类流体的性质｡不同复杂烃类化合物在不同矿物属性的微米—纳米孔喉介质中流动时会发生复杂的物理-化学反应:除尺度效应外,还包括原油组分(气态烃､液态饱和烃､芳香烃､非烃､沥青质)在不同矿物(石英､碳酸盐矿物､有机质､黏土矿物)上的吸附作用｡前人多关注砂岩､碳酸盐岩中石油的油-岩吸附､油-岩驱替､油-岩润湿､油-岩渗流等实验,泥页岩中的油-岩作用研究较少｡有学者尝试用分子动力学模拟的方法对单一烃类在有机质､黏土矿物通道中的行为进行了研究,取得了较好的效果,但其终归是模拟,缺少实验验证,仅能从理论上计算可动量,并且原油组分复杂,单一烃类不能代表复杂原油组分｡关于可动量的表征,多从核磁共振的弛豫时间表征可动流体的饱和度,利用原油的驱替实验评价可动油,采用热解法的热解参数等表征游离烃的含量进行研究,但这些方法有待改进,如驱替实验在泥页岩中难以进行,黄铁矿对核磁共振有较大影响等｡烃类赋存状态对可动性是十分重要的,如果吸附油是不可动的,在排油过程中,相态不变,理论上游离油的含量就是可动量,然后再确定烃类在孔隙中的优先赋存位置及孔喉的大小,那么整个系统的可动性就可以量化评价｡因此,页岩油的可动性与赋存机理息息相关,油-岩作用十分重要,需要大力改进表征可动量的方法｡
3.3 页岩油微运移机制
页岩油勘探开发实践表明,贫有机质层段也含油,且短距离运移的现象不断被提出,页岩油成藏特征已经不能用简单的“源-储一体”来概括｡页岩油的特殊性使学者们逐渐聚焦到石油的源内运移,页岩内部的非均质性和多尺度结构导致传统流体力学理论不足以描述页岩基质中的流体输运,对页岩油藏多相流孔隙网络模型(PNM)模拟是近年来的研究热点｡
3.3.1 源内运移
通常认为页岩生烃演化过程中,有机质先是原位生烃,并首先充填干酪根网络的空隙空间,多出的原油随后才逐渐聚集突破孔喉毛细管压力,最终运移至与无机矿物相关的､孔径较大的连通孔隙系统内｡由于饱和烃､芳香烃等非极性烃类组分的运移能力最强,因此不同族组分差异运移的结果就表现为赋存于无机矿物孔隙中的游离态有机质组成以非极性组分为主,而运移能力较弱的非烃､沥青质等极性组分滞留于有机质复合体中｡也有学者认为,不同赋存态有机质的生烃顺序存在差异,其中结合态有机质由于受到矿物的保护作用,热演化迟于游离态有机质,烃类产物的相对含量较低｡由于地层分馏作用,轻分子量烃在层内运移时的迁移率应高于重分子量烃｡事实上,烃类的运移还与无机矿物的成岩作用有关,页岩组构控制了烃类的运移,促进烃类横向运移,限制垂向上排烃通道的开放｡Liang等通过成岩中物质运移和交换现象研究了层间“封闭-开放”页岩体系中的运移-排烃通道,提出生烃-成岩作用过程流体运移的两种模式,并认为与有机质演化有关的重结晶晶间孔隙为页岩油的储集提供了关键的基质空间(图4)｡Ma等通过生烃动力学参数显示的岩石沉积环境悖论揭示了页岩油藏中成岩流体交换和油气运移的证据｡Hu等认为页岩系统内部油气生成和运移具有岩石学和地球化学双重响应,可以从宏观到微观的不同孔隙尺度发现这种复杂的生烃-成岩流体的运移｡Abrams等认为固体有机质和石油流体之间存在过渡性质,碳氢化合物和主岩之间有强烈的相互作用｡纳米孔的大比表面积也能增强相互作用,当孔径小于临界阈值时,碳氢化合物分子可能被困在孔隙中｡因此,在页岩中,有机质生烃-无机成岩作用是微运移的重要内容,页岩层理的组分与孔隙结构的复杂性对烃类流体运移有很大影响｡另外,黏土矿物成岩作用､分子扩散和微裂缝渗透都是主要的初次运移机制｡
3.3.2 页岩油多相微流动机理
页岩基质的非均质性和多尺度结构导致页岩纳米孔中承压流体的静态和动态行为与宏观条件下完全不同,纳米结构的表面效应､油流机理､界面现象､吸附/解吸效应､流体扩散､黏性流动､滑移效应､拓扑特征的网络结构等,加剧了超精细页岩纳米孔中油气运移的复杂程度,使达西方程和经典的Navier-Stoke方程不能精确描述流体流动行为｡通常认为纳米孔内的比表面积越大,绝对粗糙度越大,液体黏性力就越强;微尺度效应随着克努森数的增大而增强,宏观的流动模型将不适用;物理量在固体壁面附近出现非连续性,如速度滑移､温度跳跃等;由于静电力作用和液固的浸润/吸附可以出现电泳､电渗､双电层等界面效应｡前人通常在物理学以及各工程领域中将流体与流体､流体与固体之间分子碰撞的相对强弱划分为连续区､滑移区､过渡区和自由分子流4个尺度｡而Boltzmann方程适用于上述所有尺度的流动,分子动力学模拟则是可以对任意克努森数下的流动进行模拟的有效工具,近年来已被应用于研究受限超精细页岩纳米孔中的油气行为｡分子模拟表明,烃类在有机质-无机质纳米孔中存在多个液态烷烃吸附层,以“类固体”层存在,易造成负滑移和无滑移现象,但在规则排列的碳纳米管中流动速度却比传统流体流动理论预期的速度快4~5个数量级,几乎是无摩擦流动｡滑移效应和黏性流动使烃类在有机质缝中的速度分布呈塞状,偏离无机质纳米孔中的抛物线分布说明不同介质对微米—纳米的流动具有较大的影响;烃类的吸附/解吸效应显示有机质对石油的吸附量是无机质和黏土矿物的两倍,说明有机质与烃类的相互作用最大;烃类在有机质､无机物､黏土矿物的扩散系数依次减小说明正滑移易发生在有机质与烃类的相互作用中,同时水的存在将会对吸附和扩散产生抑制作用｡流体扩散和界面效应显示垂直于壁面吸附相的质量密度分布与驱动力无关,较大的驱动力会增加滑移长度,不同驱动力下的速度分布呈抛物线型,承压流体的黏度可以用曲率表示(图5)｡另外,虽然宏观实验在准确表征页岩基质各向异性和表面化学性质上有很多缺陷,但越来越先进的实验模拟将会是分子模拟的很好佐证｡因此,结合实验､流体动力理论以及分子动力学模拟的系统研究将会是揭示烃类质量运移机制的发展方向｡
3.3.3 页岩油藏多相渗流模拟
页岩油藏的多相渗流孔隙网络模型(PNM)模拟是渗流模拟的关键技术,仍处于探索阶段｡PNM是研究页岩多孔介质中流体微尺度流动较为有效的方法(图6),该方法是在Fatt提出具有规则拓扑结构的二维模型的基础上不断发展和完善的｡PNM通常包括两个部分:①孔隙网络的建立:将真实页岩中具有孔隙和喉道的多孔介质简化提取为一个网络模型｡近几十年来,孔隙网络逐渐从重建孔隙的非均质性和连通性逐步发展到不断引入新技术更加体现真实地质多尺度孔隙网络结构上;②流体流动的模拟:渗流理论作为孔隙网络模拟的基础,是用来调节流经孔隙空间的流体流动,总结毛细管压力和相对渗透率等的宏观流动特性的有效工具｡一般有两种模拟类型:完全由毛细管压力控制的准静态模拟和耦合毛细管压力和黏性力影响的动态模拟｡近年来准静态模拟已扩展到孔隙尺度的页岩气流动,流体滑移和克努森扩散使得达西定律不完全适用,而动态模拟研究更少,液体的流动机理要比气体的流动机理更加复｡目前,页岩油单相､油水两相､油气水三相运移的PNM模拟技术刚刚起步,不同的理论之间存在较多的争论,还没有公认的､完善的数学模型来表征,实体实验数据对模型和模拟结果的佐证也较少｡但是,相信随着计算机技术的引入､流体理论的创新以及不断完善的实验佐证将会对PNM技术不断完善｡
4 思考与建议
中国陆相页岩油的勘探开发实践表明:陆相页岩富含油,热演化程度较低,油质较重,其富集规律和甜点的分布还未明确,借鉴北美压裂技术效果不理想,亟需明确制约陆相页岩油勘探的关键科学问题,形成陆相页岩油的地质-工程一体化勘探开发技术,建立中国特色陆相页岩层系石油地质理论,为中国陆相页岩油的勘探开发提供有力支撑｡建议从3个科学问题出发,进一步深化研究｡
4.1 细粒沉积岩的形成机理
细粒沉积岩自提出以来,最初限于粒径与强非均质性,研究进展缓慢｡随着非常规油气的兴起,其沉积､成岩的“成源､成储”研究得到了极大的发展,但仍是沉积学界､石油地质学界研究的薄弱领域,细粒沉积岩的形成机制仍存在较多问题｡如细粒组分的成因体系对页岩油成源-成储的影响还未明确,其内在耦合机制研究还需进行探索｡细粒沉积岩相对粗粒岩石可以更好地记录“深时数字地球”的信息,对恢复古环境､古地理､古地球系统的演化具有较好的辨识度,其信息在有机质富集领域研究较多,但对页岩油的成储影响的内在机制研究仍需探索｡因此,细粒沉积岩的形成不仅仅是学者们关注的“成源”与展示“深时数字地球”的地质事件信息,与页岩油“成储”的耦合机理也是重要的研究方向｡因此建议加强对地质事件､细粒组分的成因机制及其源-储影响的研究｡
4.2 陆相页岩油的赋存机制
陆相页岩油水平钻井段的产油量没有直井段产油量高成为“甜点段”评价的疑难问题,精细化甜点段(区)的评价一直以来是非常规资源研究的热点领域｡其中最重要的是无机矿物演化的储层孔隙､缝网络与有机质生烃演化､赋存､富集的结构匹配关系,即页岩油的赋存机制:厘清在不同温度场､压力场和应力场演化条件下的烃类流体与孔缝介质的匹配结构｡相对海相页岩,陆相页岩的非均质性更强,微米—纳米级的储集配置与物理化学属性更加复杂,导致陆相页岩油的赋存机理更加复杂｡页岩油的可动性与赋存机理密切相关,是地质甜点与工程甜点匹配性研究的重点内容｡因此,建议进一步加大不同温度场､压力场以及应力场下烃类流体与孔缝介质的匹配关系研究,为地质甜点与工程甜点的评价及其一体化优选奠定基础｡
4.3 陆相页岩油的微运移机制
非常规油藏“源-储一体”的微运移是个争议较多的问题,但越来越多的现象显示这种微运移的存在｡页岩油藏的属性不同于常规油藏,常规渗透率､常规孔隙度难以准确表征页岩中油气的多尺度､任意克努森数下运移规律,达西定律已经不完全适用这种微流动机制｡多种超微因素造成了微运移的复杂性,这种微运移机制是页岩油成藏的重要内容｡源内运移与超微结构的微流动机理是这种机制的重要内容,多相超微结构的渗流模拟是重要的技术手段｡随着流体理论､计算机模拟与实验的发展,页岩油的微运移机制将会得到进一步揭示｡建议加大多学科的融合力度,使其成为微运移机理揭示的重要手段,为页岩油藏的持续规模开发提供坚实的保障｡
5 结语
中国陆相页岩油正处于局部突破阶段,通过分析中国陆相页岩油勘探进展及陆相和海相页岩油的地质特征差异,重点梳理了页岩油的细粒沉积､烃类赋存以及流体运移的最新研究进展,提出了3个科学问题｡这3个科学问题既是优选地质勘探甜点的重要内容,同时又是工程开发研究的基础｡细粒沉积的形成机制决定了陆相页岩油的物质基础;陆相页岩油的赋存机制是制约勘探开发中地质甜点选取的关键因素;陆相页岩油的微运移机制不仅仅是揭示地质历史时期过程中烃类的运移,也是人工压裂后的烃类流动的基础｡建议以这3个科学问题为导向,提高人工压裂与加热开发的人工干预技术,建立并不断优化地质-工程一体化开发模式,才能形成规模化的建产､累产,保障页岩油革命的顺利进行,为国家能源安全提供支撑｡
本文作者:金之钧，王冠平，刘光祥，高波，刘全有，王红亮，梁新平，王濡岳｡本文转自《石油学报》2021年7月第42卷第7期)》,内容不做商用,仅用于信息传播,如有侵权,请与我们联系｡
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