第47卷第1期 中国地质 Vol 47. No I 2020年2月 GEOLOGY IN CHINA Feb..2020 doi:10.12029/gc2020010 欣欣郭迎春,王朋,王鹏威郭继刚.2020.致密油成藏研究进展与待解决的重要科学问题中国地质,47(1):43-56 Fang Xinxin, Guo Yingchun, Wang Peng, Wang Pengwei, Guo Jigang. 2020. The progress of research on tight oil accumulation and several scientific issues requiring further study p]. Geology in China, 47(1): 43-56(in Chinese with English abstract) 致密油成藏研究进展与待解决的重要科学问题 方欣欣12,郭迎春2,王朋3,王鹏威4,郭继刚5 (1.中国地质科学院地质力学研究所,北京l00081;2自然資源部古地磁与古构造重建重点实验室,北京100081 3.中国科学院广州地球化学研究所,广东广州510640;4.中石化勘探开发研究院,北京100083; 5.自然资源部油气资源战略研究中心,北京100034) 提要:致密油是当前非常规油气勘探中的热点和最现实的领域之一,总结成藏地质研究进展并明确需要深人研究的 科学问题对于完善致密油地质理论具有重要意义。当前致密油地质研究进展表现在以下几个方面:①总结了致密 油三大形成条件和六项基本特征及中国陆相致密油与美国海相致密油的区别;②利用先进和高精度的储层分析测 试技术对致密油储层孔-喉-缝网络体系进行了表征,并初步研究了致密油的赋存状态;③从充注动力、充注下限 运聚机理和富集模式等方面对致密油成藏机理进行了深入研究。在对研究现状总结的基础上提出当前致密油成藏 研究中存在的重要科学问题有:①致密油储层微纳米尺度非均质性全息定量表征及其对致密油运聚的影响;②致密 油源储结构的成因机制及其对致密油成藏、富集的控制作用;③致密油赋存状态的影响因素、转化条件及不同赋存 状态倥空间的相对贡献;④混合沉积与致密油形成的内在联系;⑤致密油成藏要素的综合研究与成藏机理及成藏全 过程的研究。这些问题的解决将是对致密油地质研究的重要补充。 关键词:致密油;储层表征;成藏机理;非均质性;源储结构;赋存状态;混合沉积;油气勘査工程 中图分类号:TE122文献标志码:A文章编号:1000-3657(2020)01-0043-14 The progress of research on tight oil accumulation and several scientific issues requiring further study FANG Xinxin", GUO Yingchun", WANG Peng, WANG Pengwei, GUO Jigang (1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China: 2. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China; 3. Guang=hou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guang=hou 510640, Guangdong, China; 4. Research Institute of petroleum Exploration Production, SINOPEC, Beiing 100083, China, 5 Strategic Research Center ofOil and Gas Resources, Ministry of atural Resources, Beijing 100034, China) Abstract: Unconventional tight oil reservoirs, a lightspot in the present unconventional oil and gas exploration, have emerged as a 收稿日期:2019-12-01;改回日期:2020-01-16 基金项目:国家自然科学基金(41602152)资助 作者简介:方欣欣,女,1981年生,博士,助理研究员,主要从事储层地质与油气成藏研究工作;E-mai:freestarxinl@163.com 通讯作者:郭迎春,男,1982年生博士副研究员,主要从事非常规油气地质与常规油气成藏研究工作;E-mai: cugeupgycht@163com。 http://geochina.cgs.gov.cn中国地质,2020,47(1)
第 47卷第1期 中 国 地 质 Vol.47, No.1 2020年2月 GEOLOGY IN CHINA Feb. , 2020 http://geochina.cgs.gov.cn 中国地质, 2020, 47(1) doi: 10.12029/gc20200104 方欣欣，郭迎春，王朋，王鹏威，郭继刚. 2020. 致密油成藏研究进展与待解决的重要科学问题[J]. 中国地质, 47(1):43-56 . Fang Xinxin, Guo Yingchun, Wang Peng, Wang Pengwei, Guo Jigang. 2020. The progress of research on tight oil accumulation and several scientific issues requiring further study[J]. Geology in China, 47(1): 43-56(in Chinese with English abstract). 致密油成藏研究进展与待解决的重要科学问题 方欣欣1，2 ，郭迎春1，2 ，王朋3 ，王鹏威4 ，郭继刚5 （1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；2.自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室，北京 100081； 3.中国科学院广州地球化学研究所，广东 广州 510640；4.中石化勘探开发研究院，北京 100083； 5.自然资源部油气资源战略研究中心，北京 100034） 提要：致密油是当前非常规油气勘探中的热点和最现实的领域之一，总结成藏地质研究进展并明确需要深入研究的 科学问题对于完善致密油地质理论具有重要意义。当前致密油地质研究进展表现在以下几个方面：①总结了致密 油三大形成条件和六项基本特征及中国陆相致密油与美国海相致密油的区别；②利用先进和高精度的储层分析测 试技术对致密油储层孔-喉-缝网络体系进行了表征，并初步研究了致密油的赋存状态；③从充注动力、充注下限、 运聚机理和富集模式等方面对致密油成藏机理进行了深入研究。在对研究现状总结的基础上提出当前致密油成藏 研究中存在的重要科学问题有：①致密油储层微纳米尺度非均质性全息定量表征及其对致密油运聚的影响；②致密 油源储结构的成因机制及其对致密油成藏、富集的控制作用；③致密油赋存状态的影响因素、转化条件及不同赋存 状态/空间的相对贡献；④混合沉积与致密油形成的内在联系；⑤致密油成藏要素的综合研究与成藏机理及成藏全 过程的研究。这些问题的解决将是对致密油地质研究的重要补充。 关 键 词：致密油；储层表征；成藏机理；非均质性；源储结构；赋存状态；混合沉积；油气勘查工程 中图分类号：TE122 文献标志码：A 文章编号：1000-3657（2020）01-0043-14 收稿日期：2019-12-01；改回日期：2020-01-16 基金项目：国家自然科学基金（41602152）资助。 作者简介：方欣欣，女，1981年生，博士，助理研究员，主要从事储层地质与油气成藏研究工作；E-mail：freestarxin@163.com。 通讯作者：郭迎春，男，1982年生，博士，副研究员，主要从事非常规油气地质与常规油气成藏研究工作；E-mail：cugcupgych@163.com。 The progress of research on tight oil accumulation and several scientific issues requiring further study FANG Xinxin1，2 ，GUO Yingchun1，2 ，WANG Peng3 ，WANG Pengwei4 ，GUO Jigang5 (1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China; 2. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China; 3. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640, Guangdong, China; 4. Research Institute of Petroleum Exploration & Production, SINOPEC, Beijing 100083, China; 5. Strategic Research Center of Oil and Gas Resources, Ministry of Natural Resources, Beijing 100034, China) Abstract: Unconventional tight oil reservoirs, a lightspot in the present unconventional oil and gas exploration, have emerged as a
国地质 2020年 ignificant source of oil supply in the world. The geological research, theoretical promoting, and present significant issue oncerning tight oil will supply and prefect geological theory on unconventional hydrocarbon. Currently, the development of geological research on tight oil can be concluded as follows: Three main formation conditions and six basic characteristics about tight oil as well as the differences between continental tight oil in China and marine tight oil in the USa have been summarized. @2 Pore-throat- fracture network in the tight- oil reservoir has been characterized with advanced and high- precision analysis and testing technology, the formation of tight oil being the primary research object. The accumulation mechanism of tight oil has been deeply studied, which includes charge dynamics, the threshold of charging, migration mechanism, accumulating model, etc. Based on the research status about tight oil, this paper puts forward several important questions about tight oil: Holographic quantitative heterogeneity characterization on the tight oil reservoir at a micro-nano scale and its effect on tight oil migration and accumulation; Q the genesis of source-reservoir configuration and its control on tight oil accumulation and enrichment; the influence factors and transformation conditions of the occurrence of tight oil, and the relative contribution of different kinds of occurrence status and space; the internal relationship between the mixed sedimentary system in saline lacustrine basins and the formation of a comprehensive study of the tight oil accumulation factors, and the accumulation mechanism and its whole process. The these questions will play a significant role in geological research on tight oil Key words: tight oil; reservoir characterization; accumulation mechanism; heterogeneity; source- reservoir configuration; occurrence state, mixed sedimentary system; oil-gas exploration engineering About the first author: FANG Xinxin, female, born in 1981, doctor, assistant researcher, mainly engages in the study of reservoir geologyandhydrocarbonaccumulationE-mail:freestarxin(@163.com unconventional oil gas geology and hydrocarbon accumulation; E-mail: cugcupgych(@ 163. o r, mainly engages in the study of About the corresponding author: GUO Yingchun, male, born in 1982, doctor, associate researcl Fund support: Supported by National Natural Science Foundation of China(No. 41602152) 1引言 充,以期起到一定的指导作用 致密油是当前美国原油产量飙升的主要驱动2致密油定义 力,2018年致密油产量3.1×10°t(EA,2018),占总 北美地区的相关机构和媒体发布的报道中所 产量的60%。根据中国石油第4次油气资源评价,提到的致密油或页岩油,并没有太重视其二者的区 全国致密油地质资源量125×10°t,可采资源量13×别,二者含义基本一致。这从有关北美地区致密油 10°t,探明储量约3×l03t(孙龙德等,2019)。截至页岩油的报告或文章中得到印证,不论报告或文章 2018年底,中国陆相致密油已建成产能315.5×10t,中是叫“致密油”还是叫“页岩油”,通常列举的具体 2018年年产量约105×10t(朱如凯等,2019),致密实例几乎是一致的,如 Bakken、 Eagle ford 油已成为中国非常规石油中最现实的领域之一,是 Montrery、 Niobrara、 Cardium、 Montney、 Bashaw等 中国新增石油可采储量和产量的主力军。据预测,( Clarkson and Pedersen,20ll;NEB,2011l; Madden 中国致密油和页岩油的探明可采地质储量和产量 and vossoughi,2013;HA,2018)。目前北美地区流 有望快速上升,到2020年年产量可达5000万t(廖晓行的致密油概念中存在着“轻质( light)”的定语,以 蓉等,2013)。目前致密油地质理论落后于勘探实示和常规油在比重上的区别。究其原因,以目前技 践,亟需构建完备的致密油理论指导其勘探开发,术能在致密类储层中实现经济开发的只能是其中 多位专家针对致密油或非常规油气指出了存在的油质相对轻的部分,另一种原因可能为,致密油的 关键科学问题及发展趋势(王震亮,2013;贾承造富集是石油在源储压差下,被充注入紧邻烃源岩的 等,2014;曾溅辉等,2014),但这些稍偏宏观指导,致密储层中,这种富集方式使得重质油更难在同等 本文在总结致密油成藏研究进展的基础上,结合笔压力条件下充注入致密储层,仅有轻质油才能富 者致密油科研实践,提出针对致密油成藏研究较为集。实际上,致密油和页岩油有着本质的区别(周 细致的科学问题,是对前人提出的科学问题的补庆凡和杨国丰,2012;赵文智等,2020),尽管不同机 http://geochina.cgs.gov.cn中国地质,2020,47(1)
http://geochina.cgs.gov.cn 中国地质, 2020, 47(1) significant source of oil supply in the world. The geological research, theoretical promoting, and present significant issues concerning tight oil will supply and prefect geological theory on unconventional hydrocarbon. Currently, the development of geological research on tight oil can be concluded as follows: ① Three main formation conditions and six basic characteristics about tight oil as well as the differences between continental tight oil in China and marine tight oil in the USA have been summarized. ② Pore-throat-fracture network in the tight-oil reservoir has been characterized with advanced and high-precision analysis and testing technology, the formation of tight oil being the primary research object. ③ The accumulation mechanism of tight oil has been deeply studied, which includes charge dynamics, the threshold of charging, migration mechanism, accumulating model, etc. Based on the research status about tight oil, this paper puts forward several important questions about tight oil: ① Holographic quantitative heterogeneity characterization on the tight oil reservoir at a micro-nano scale and its effect on tight oil migration and accumulation; ② the genesis of source–reservoir configuration and its control on tight oil accumulation and enrichment; ③ the influence factors and transformation conditions of the occurrence of tight oil, and the relative contribution of different kinds of occurrence status and space；④ the internal relationship between the mixed sedimentary system in saline lacustrine basins and the formation of tight oil; ⑤ a comprehensive study of the tight oil accumulation factors, and the accumulation mechanism and its whole process. The answers of these questions will play a significant role in geological research on tight oil. Key words: tight oil; reservoir characterization; accumulation mechanism; heterogeneity; source- reservoir configuration; occurrence state; mixed sedimentary system; oil-gas exploration engineering About the first author: FANG Xinxin, female, born in 1981, doctor, assistant researcher, mainly engages in the study of reservoir geology and hydrocarbon accumulation; E-mail：freestarxin@163.com. About the corresponding author: GUO Yingchun, male, born in 1982, doctor, associate researcher, mainly engages in the study of unconventional oil & gas geology and hydrocarbon accumulation; E-mail：cugcupgych@163.com. Fund support: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41602152). 1 引 言 致密油是当前美国原油产量飙升的主要驱动 力，2018 年致密油产量 3.1×108 t（EIA，2018），占总 产量的60%。根据中国石油第 4 次油气资源评价， 全国致密油地质资源量125×108 t，可采资源量 13× 108 t，探明储量约 3×108 t（孙龙德等，2019）。截至 2018年底，中国陆相致密油已建成产能315.5×104 t， 2018年年产量约105×104 t（朱如凯等，2019），致密 油已成为中国非常规石油中最现实的领域之一，是 中国新增石油可采储量和产量的主力军。据预测， 中国致密油和页岩油的探明可采地质储量和产量 有望快速上升，到2020年年产量可达5000万（t 廖晓 蓉等，2013）。目前致密油地质理论落后于勘探实 践，亟需构建完备的致密油理论指导其勘探开发， 多位专家针对致密油或非常规油气指出了存在的 关键科学问题及发展趋势（王震亮，2013；贾承造 等，2014；曾溅辉等，2014），但这些稍偏宏观指导， 本文在总结致密油成藏研究进展的基础上，结合笔 者致密油科研实践，提出针对致密油成藏研究较为 细致的科学问题，是对前人提出的科学问题的补 充，以期起到一定的指导作用。 2 致密油定义 北美地区的相关机构和媒体发布的报道中所 提到的致密油或页岩油，并没有太重视其二者的区 别，二者含义基本一致。这从有关北美地区致密油/ 页岩油的报告或文章中得到印证，不论报告或文章 中是叫“致密油”还是叫“页岩油”，通常列举的具体 实 例 几 乎 是 一 致 的 ，如 Bakken、Eagle Ford、 Montrery、Niobara、Cardium、Montney、Eashaw 等 （Clarkson and Pedersen，2011；NEB，2011；Madden and Vossoughi，2013；EIA，2018）。目前北美地区流 行的致密油概念中存在着“轻质（light）”的定语，以 示和常规油在比重上的区别。究其原因，以目前技 术能在致密类储层中实现经济开发的只能是其中 油质相对轻的部分，另一种原因可能为，致密油的 富集是石油在源储压差下，被充注入紧邻烃源岩的 致密储层中，这种富集方式使得重质油更难在同等 压力条件下充注入致密储层，仅有轻质油才能富 集。实际上，致密油和页岩油有着本质的区别（周 庆凡和杨国丰，2012；赵文智等，2020），尽管不同机 44 中 国 地 质 2020年
第47卷第1期 方欣欣等:致密油成藏研究进展与待解决的重要科学问题 构给出的定义不尽相同(表1),但其中都提到或者套致密砂岩、灰岩油产层,致密油技术可采资源量 强调了这一区别。页岩油是源内聚集的,属源储一为453×10°t,已探明可采储量46×10°t,揭示了致密 页岩油勘探);而致密油是自烃源岩排出后运移至油主要产自威利斯顿盆地的巴肯(Bak)区多 体(如中国东部沧东凹陷、东营凹陷和泌阳凹陷的油勘探开发的良好前景(EA,2018)。美国致密 邻接的致密储层中,属源储邻接,近源聚集,这也是西哥湾盆地西部的伊格尔福特( Eagle Ford区带, 本文所指的致密油。 二叠系盆地的沃尔夫坎普( Wolfcamp)、博恩斯普林 从北美和中国关于致密油的定义中可以看出,( Bone Spring)和斯普拉贝里( Sparberry)区带,丹佛 北美的广义致密油包括三类,即页岩油、致密油、裙盆地的奈厄布拉勒( Niobrara)区带,以及阿纳达克 边油。中国比较注重致密油和页岩油的区别,狭义盆地的伍德福德( Woodford)区带(图1) 的致密油根据其储层(成因)类型可分为湖相碳酸3.2中国致密油勘探开发现状 盐岩致密油、深湖水下三角洲砂岩致密油和深湖重 鄂尔多斯盆地延长组率先建成了国内第一个 力流砂岩致密油(贾承造等,2012),或者致密砂岩工业化生产的成熟致密油区(2019年陇东致密油示 油、致密碳酸盐岩油和致密混积岩油(邹才能等,范区年产量达到100万t),四川盆地侏罗系的致密 2015;郭迎春等,2018)。 储层已有超过150口累积产量超过万吨的油井,是 3国内外致密油勘探开发现状 国内现实的接替致密油区(邓燕等,2017)。此外, 准噶尔盆地准东平地泉组、渤海湾盆地沙河街组 3.1美国致密油勘探开发现状 松辽盆地青山口组、柴达木盆地古近一新近系、酒 自北美 Bakken地区借鉴页岩气技术成功开辟西坳陷白垩系、三塘湖盆地二叠系以及吐哈盆地侏 致密油新领域之后,致密油已成为北美页岩气之后罗系,均具备形成致密油的潜力,为中国致密油的 的又一战略性突破领域( Aguilera,2013)。美国已后续发展提供了有力支撑。截至2018年底,中国陆 在 Williston、 Gulf Coast、 Fort Worth等近20个盆地,相致密油已建成产能315.5×10·t,2018年年产量约 发现了 Bakken、 Eagle Ford、 Permian及 Barnett等多105×10t(朱如凯等,2019)。 表1国内外关于致密油的定义 Table 1 The definitions of tight oil both in China and abroad 致密油蕴藏在那些埋藏很深、不易开采的渗透率极低的沉积岩层中。有的致密油区,石油直接产 NPC(National Petroleum Council t 页岩层,不过大多数的致密油则是产自与作为烃源岩的页岩具有密切关系的砂岩、粉砂岩和碳 国石油委员会),2011 酸盐岩 致密油的范围要比页岩油大,除页岩油外还包括致密砂岩、粉砂岩、灰岩及白云岩等致密储层中的 NEB( National Energy Board加拿大 国家能源委员会),2011 石油。致密油划分为两个主要类型:存在作为源岩的页岩中的石油资源,从源岩中排出并运移至 附近或远处的致密砂岩、粉砂岩、灰岩或白云岩等地层中的石油资源 将非常规轻质油( Unconventional Light Oil,指的是密度在32°AP(865kg/m)到42°AP(816kg m3)之间)分为3类:(1)裙边油( Halo oil):源储不是一体,基质渗透率相对较大(>0.1md),储层可 Clarkson and Pedersen, 2011 以是碎屑岩和碳酸盐岩,例如 Cardium和king(2)致密油( Tight oil):源储不是一体,基质渗透 率较低(<0.1md),储层可以是碎屑岩和碳酸盐岩,与致密气相对应,例如 Bakken( Viewfield)和 Montney(3)页岩油( Shale oil):源储一体,基质渗透率很低,有机质含量较高,与页岩气相对应 如 Duvernay和 Muskwa ( Energy Information Adminis致密油这个名词不具有特别的技术、科学或者地质涵义。它通常是指产自特低渗透的页岩、砂岩 tration美国能源信息署),2018碳酸盐岩地层中的石油资源 致密油是指以吸附或游离状态赋存于生油岩中或与生油岩互层紧邻的致密砂岩、致密碳酸盐岩等 贾承造等,2012 储集岩中未经过大规模长距离运移的石油聚集(笔者在文中是将页岩油和致密油分开讨论的) 赵政璋和杜金虎2012 致密油是指储集在覆压基质渗透率≤0.』×l03μm'的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集层中的石油;单 邹才能等,2013 井一般无自然产能或者低于工业油流下限,但在一定经济条件和技术措施(通常包括水平井、多级 压裂等)下可获得工业石油产量 中国国家标准GB/3490-2017致储集在覆压基质渗透率小于或等于0.1κl0°μm的致密砂岩、致密碳酸盐岩或混积岩等致密储集层 密油地质评价方法》 中的石油资源 http://geochina.cgs.gov.cn中国地质,2020,47(1)
http://geochina.cgs.gov.cn 中国地质, 2020, 47(1) 构给出的定义不尽相同（表1），但其中都提到或者 强调了这一区别。页岩油是源内聚集的，属源储一 体（如中国东部沧东凹陷、东营凹陷和泌阳凹陷的 页岩油勘探）；而致密油是自烃源岩排出后运移至 邻接的致密储层中，属源储邻接，近源聚集，这也是 本文所指的致密油。 从北美和中国关于致密油的定义中可以看出， 北美的广义致密油包括三类，即页岩油、致密油、裙 边油。中国比较注重致密油和页岩油的区别，狭义 的致密油根据其储层（成因）类型可分为湖相碳酸 盐岩致密油、深湖水下三角洲砂岩致密油和深湖重 力流砂岩致密油（贾承造等，2012），或者致密砂岩 油、致密碳酸盐岩油和致密混积岩油（邹才能等， 2015；郭迎春等，2018）。 3 国内外致密油勘探开发现状 3.1 美国致密油勘探开发现状 自北美Bakken地区借鉴页岩气技术成功开辟 致密油新领域之后，致密油已成为北美页岩气之后 的又一战略性突破领域（Aguilera，2013）。美国已 在 Williston、Gulf Coast、Fort Worth 等近 20 个盆地， 发现了 Bakken、Eagle Ford、Permian 及 Barnett 等多 套致密砂岩、灰岩油产层，致密油技术可采资源量 为45.3×108 t，已探明可采储量4.6×108 t，揭示了致密 油勘探开发的良好前景（EIA，2018）。美国致密油 油主要产自威利斯顿盆地的巴肯( Bakken) 区带，墨 西哥湾盆地西部的伊格尔福特( Eagle Ford) 区带， 二叠系盆地的沃尔夫坎普( Wolfcamp) 、博恩斯普林 (Bone Spring) 和斯普拉贝里( Sparberry) 区带，丹佛 盆地的奈厄布拉勒( Niobrara) 区带，以及阿纳达克 盆地的伍德福德( Woodford) 区带（图1）。 3.2 中国致密油勘探开发现状 鄂尔多斯盆地延长组率先建成了国内第一个 工业化生产的成熟致密油区（2019年陇东致密油示 范区年产量达到100万t），四川盆地侏罗系的致密 储层已有超过150口累积产量超过万吨的油井，是 国内现实的接替致密油区（邓燕等，2017）。此外， 准噶尔盆地准东平地泉组、渤海湾盆地沙河街组、 松辽盆地青山口组、柴达木盆地古近—新近系、酒 西坳陷白垩系、三塘湖盆地二叠系以及吐哈盆地侏 罗系，均具备形成致密油的潜力，为中国致密油的 后续发展提供了有力支撑。截至2018年底，中国陆 相致密油已建成产能315.5×104 t，2018年年产量约 105×104 （t 朱如凯等，2019）。 机构/作者 NPC（National Petroleum Council美 国石油委员会），2011 NEB（National Energy Board加拿大 国家能源委员会），2011 Clarkson and Pedersen，2011 EIA（Energy Information Administration美国能源信息署），2018 贾承造等，2012 赵政璋和杜金虎，2012 邹才能等，2013 中国国家标准GB/T34906-2017《致 密油地质评价方法》 定义 致密油蕴藏在那些埋藏很深、不易开采的渗透率极低的沉积岩层中。有的致密油区，石油直接产 自页岩层，不过大多数的致密油则是产自与作为烃源岩的页岩具有密切关系的砂岩、粉砂岩和碳 酸盐岩 致密油的范围要比页岩油大，除页岩油外还包括致密砂岩、粉砂岩、灰岩及白云岩等致密储层中的 石油。致密油划分为两个主要类型：存在作为源岩的页岩中的石油资源，从源岩中排出并运移至 附近或远处的致密砂岩、粉砂岩、灰岩或白云岩等地层中的石油资源 将非常规轻质油（Unconventional Light Oil，指的是密度在 32°API (865 kg/m3 ) 到 42°API (816 kg/ m3 )之间）分为3类：（1）裙边油（Halo Oil）：源储不是一体，基质渗透率相对较大（＞0.1 md），储层可 以是碎屑岩和碳酸盐岩，例如 Cardium和Viking。（2）致密油（Tight Oil）：源储不是一体，基质渗透 率较低（＜0.1 md），储层可以是碎屑岩和碳酸盐岩，与致密气相对应，例如Bakken (Viewfield)和 Montney。（3）页岩油（Shale Oil）：源储一体，基质渗透率很低，有机质含量较高，与页岩气相对应， 例如 Duvernay和Muskwa 致密油这个名词不具有特别的技术、科学或者地质涵义。它通常是指产自特低渗透的页岩、砂岩、 碳酸盐岩地层中的石油资源 致密油是指以吸附或游离状态赋存于生油岩中或与生油岩互层紧邻的致密砂岩、致密碳酸盐岩等 储集岩中未经过大规模长距离运移的石油聚集（笔者在文中是将页岩油和致密油分开讨论的） 致密油是指储集在覆压基质渗透率≤0.1×10-3 μm3 的致密砂岩、致密碳酸盐岩等储集层中的石油；单 井一般无自然产能或者低于工业油流下限，但在一定经济条件和技术措施（通常包括水平井、多级 压裂等）下可获得工业石油产量 储集在覆压基质渗透率小于或等于0.1×10-3 μm3 的致密砂岩、致密碳酸盐岩或混积岩等致密储集层 中的石油资源 表1 国内外关于致密油的定义 Table 1 The definitions of tight oil both in China and abroad 第47卷 第1期 方欣欣等：致密油成藏研究进展与待解决的重要科学问题 45
国地质 a Engle Ford 大小、形态、分布、连通性和油气赋存状态等方面。 与常规砂岩储层相比,非常规致密储层具有孔喉尺 ru-Codell 寸小、非均质性强、孔隙结构复杂的特征。因此,大 量具有更高分辨率与表征精度的技术被用来研究 致密储层孔隙结构。这些技术可分为二维平面精 细刻画、三维立体空间表征、定量评价三种类型 小少少p少少0少9少少小少3小少 平面刻画类包括铸体薄片、场发射扫描电镜、环境 扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等;三维表征类 包括工业CT、微米CT、纳米CT激光共聚焦扫描电 图1美国致密油产量变化(EIA,2019) 镜等;定量评价类主要有高压/恒速压汞、气体吸附 Fig. I Tight oil output growth in the USA(EIA, 2019) (CO2和N2)、核磁共振、小角散射等(蒋裕强等 4国内外致密油成藏研究进展 2014;朱如凯等,2016;吴松涛等,2018)。需要指出 4.1致密油成藏要素与地质特征 的是,各种测试技术有着自己独特的功能和精度范 目前国内外分析致密油形成地质条件(或称为成围(表3)。如通过场发射扫描电子显微镜观察岩石 藏要素)的实例较多(梁狄刚等,2011;匡立春等 表面的纳米尺度形貌特征,利用透射电镜观察不同 2012: Colborne and b,2013: Fic and ped,矿物晶体内部的晶格位错、微裂缝微孔等特征,借 2013; Kathel and Mohanty,2013; Kumar,2013;白玉助原子力显微镜观察岩石中纳米级孔隙和裂缝的 彬等,2013:付锁堂等,2013;汪少勇等,2013;杨华等,模拟三维的形态和连通情况。如气体吸附法探测 2013)。通常,致密油区具有三大形成条件和六项基下限为035mm,压汞法探测上限为1mm,前者可以 本特征。三大形成条件为:①大面积分布的致密储有效反映纳米孔隙的分布,后者可以反映宏孔甚至 层;②广覆式分布成熟度适中的腐泥型优质烃源岩;微裂缝的信息。压汞法与气体吸附法联合应用可 ③源储广覆式直接接触(存在源储分离、源距离运移以探测微孔到宏孔范围的孔隙分布情况(田华等 后成藏的例子,如三塘湖盆地条湖组二段致密油(梁2012;黄振凯等,2013)。但是在这两种技术探测范 浩等,2014)加拿大 Saskatchewan的 Bakken组中段围交叉的区间内常会出现不一致的结果, Hinai et al 致密油( Clarkson and Pedersen,2011)。六项基本特(2014)在应用气体吸附法和压汞法的同时又辅以 征为:①圈闭界限不明显;②非浮力聚集,水动力效核磁共振技术,三者联合克服了各自的缺陷,取得 应不明显,油水分布复杂;③异常压力,裂缝高产 了完整的孔隙分布频率。朱如凯等(2016)指出致 油质轻:④非达西渗流为主;⑤短距离运移为主:⑥密储层孔隙结构表征技术的发展要注意:①静态表 纳米级孔喉连通体系为主(邹才能等,2013;杜金虎征与动态演化相结合,实现孔隙结构的全面表征 等,2014)。 ②加强宏观尺度研究,密切联系可动流体评价;③ 与北美Bken, Eagle ford、 Wolfcamp等海相应加强与增产改造等现场应用的结合。 致密油相比,中国陆相致密油形成的地质背景及其42储层微观孔隙结构特征 构造沉积环境极为复杂,盆地类型多样,湖盆沉积 国内外目前对非常规油气储层微观孔隙结构 体系变化快,经历多期调整改造形成与分布独具的表征多集中在页岩气和页岩油,它们和致密油储 特征(表2)。对比分析认为造成中国陆相致密油与层微观孔隙结构有明显的不同。首先是泥页岩和 北美海相致密油成藏差异的根本原因主要包括两砂岩、碳酸盐岩在矿物组成上有着明显区别其次 个方面:构造背景与沉积条件、烃源岩热演化程度页若油气储层受热演化程度影响较大,而致密油气 (胡素云等,2019)。 储层受成岩作用影响较大。在此以鄂尔多斯盆地 4.2致密油储层微观孔隙结构与致密油赋存状态 延长组致密砂岩油储层和准噶尔盆地二叠系致密 孔隙结构精细评价是致密储层研究的热点。云质岩油储层作为典型例子对其微观孔隙结构特 目前对非常规储层孔隙结构的研究,主要包括孔喉征做一总结(图2)。鄂尔多斯盆地延长组致密储层 http://geochina.cgs.gov.cn中国地质,2020,47(1)
http://geochina.cgs.gov.cn 中国地质, 2020, 47(1) 4 国内外致密油成藏研究进展 4.1 致密油成藏要素与地质特征 目前国内外分析致密油形成地质条件（或称为成 藏要素）的实例较多（梁狄刚等，2011；匡立春等， 2012；Colborne and Bustin，2013；Fic and Pedersen， 2013；Kathel and Mohanty，2013；Kumar，2013；白玉 彬等，2013；付锁堂等，2013；汪少勇等，2013；杨华等， 2013）。通常，致密油区具有三大形成条件和六项基 本特征。三大形成条件为：①大面积分布的致密储 层；②广覆式分布成熟度适中的腐泥型优质烃源岩； ③源储广覆式直接接触（存在源储分离、源距离运移 后成藏的例子，如三塘湖盆地条湖组二段致密油（梁 浩等，2014）、加拿大Saskatchewan的Bakken组中段 致密油（Clarkson and Pedersen，2011）。六项基本特 征为：①圈闭界限不明显；②非浮力聚集，水动力效 应不明显，油水分布复杂；③异常压力，裂缝高产， 油质轻；④非达西渗流为主；⑤短距离运移为主；⑥ 纳米级孔喉连通体系为主（邹才能等，2013；杜金虎 等，2014）。 与北美 Bakken、Eagle Ford、Wolfcamp 等海相 致密油相比，中国陆相致密油形成的地质背景及其 构造沉积环境极为复杂，盆地类型多样，湖盆沉积 体系变化快，经历多期调整改造，形成与分布独具 特征（表2）。对比分析认为造成中国陆相致密油与 北美海相致密油成藏差异的根本原因主要包括两 个方面：构造背景与沉积条件、烃源岩热演化程度 （胡素云等，2019）。 4.2 致密油储层微观孔隙结构与致密油赋存状态 孔隙结构精细评价是致密储层研究的热点。 目前对非常规储层孔隙结构的研究，主要包括孔喉 大小、形态、分布、连通性和油气赋存状态等方面。 与常规砂岩储层相比，非常规致密储层具有孔喉尺 寸小、非均质性强、孔隙结构复杂的特征。因此，大 量具有更高分辨率与表征精度的技术被用来研究 致密储层孔隙结构。这些技术可分为二维平面精 细刻画、三维立体空间表征、定量评价三种类型。 平面刻画类包括铸体薄片、场发射扫描电镜、环境 扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等；三维表征类 包括工业CT、微米CT、纳米CT、激光共聚焦扫描电 镜等；定量评价类主要有高压/恒速压汞、气体吸附 （CO2 和 N2）、核磁共振、小角散射等（蒋裕强等， 2014；朱如凯等，2016；吴松涛等，2018）。需要指出 的是，各种测试技术有着自己独特的功能和精度范 围（表3）。如通过场发射扫描电子显微镜观察岩石 表面的纳米尺度形貌特征，利用透射电镜观察不同 矿物晶体内部的晶格位错、微裂缝、微孔等特征，借 助原子力显微镜观察岩石中纳米级孔隙和裂缝的 模拟三维的形态和连通情况。如气体吸附法探测 下限为0.35 nm，压汞法探测上限为1 mm，前者可以 有效反映纳米孔隙的分布，后者可以反映宏孔甚至 微裂缝的信息。压汞法与气体吸附法联合应用可 以探测微孔到宏孔范围的孔隙分布情况（田华等， 2012；黄振凯等，2013）。但是在这两种技术探测范 围交叉的区间内常会出现不一致的结果，Hinai et al. （2014）在应用气体吸附法和压汞法的同时又辅以 核磁共振技术，三者联合克服了各自的缺陷，取得 了完整的孔隙分布频率。朱如凯等（2016）指出致 密储层孔隙结构表征技术的发展要注意：①静态表 征与动态演化相结合，实现孔隙结构的全面表征； ②加强宏观尺度研究，密切联系可动流体评价；③ 应加强与增产改造等现场应用的结合。 4.2.1储层微观孔隙结构特征 国内外目前对非常规油气储层微观孔隙结构 的表征多集中在页岩气和页岩油，它们和致密油储 层微观孔隙结构有明显的不同。首先是泥页岩和 砂岩、碳酸盐岩在矿物组成上有着明显区别，其次 页岩油气储层受热演化程度影响较大，而致密油气 储层受成岩作用影响较大。在此以鄂尔多斯盆地 延长组致密砂岩油储层和准噶尔盆地二叠系致密 云质岩油储层作为典型例子对其微观孔隙结构特 征做一总结（图2）。鄂尔多斯盆地延长组致密储层 图1 美国致密油产量变化（EIA，2019） Fig.1 Tight oil output growth in the USA (EIA, 2019) 46 中 国 地 质 2020年
第47卷第1期 方欣欣等:致密油成藏研究进展与待解决的重要科学问题 表2中国与美国致密油地质特征与形成条件对比(据胡素云等,2019;孙龙德等,2019) able 2 Geological characteristics and formation conditions of tight oil in China and the USa (after Hu Suyun et al., 2019; Sun Longde et al, 2019) 积盆地 烃源岩特征 储集层特征 地区 构造背景沉积背景分布范围n2岩性 物性 美国构浩稳分以海相沉 以海相2%~20%06~1.7物性相对较好,孔隙度较 积为主 页岩为主TOC值比较高成熟度较高高连通性较好 中国活动强烈积为主 方千米湖相泥页岩04-160%04-14物性较差,孔隙度偏低,非 晚期构造以陆相沉几百至几万平 TOC值变化大成熟度较低均质性较强,油层薄 储集层特征 流体特征 分布稳定, 连续性好集中段厚度m孔隙度%地层压力压力系数原油密度gcm)GOR 美国 20 以超压为主1,35~1.78 .75~0.85 几十 分均质性强 3~12压力系数偏低0.70~1.800.75~0.92 几百至几千 中大孔、中孔、小孔、微孔及纳米孔均发育,成因类和沉积湖水盐度影响(匡立春等,2012;宋永等 型有粒间孔、溶蚀孔、晶间孔及微裂缝,研究发现孔2017),不同岩石类型经历了不同的成岩作用过程, 径分布范围、孔隙类型和主体孔隙类型受储层致密发育了不同类型的储集空间(操应长等,2019)。尽 程度的控制作用明显(冯胜斌等,2013),不同的砂管统计长7段与芦草沟组孔隙度相差不大,但长7 体沉积成因应该是最根本原因(冉冶等,2016)。准段渗透率明显大于芦草沟组,这是由于长7段具有 噶尔盆地二叠系芦草沟组致密云质岩油储层中也比芦草沟组更大的孔喉半径(图3)。致密油储层中 是多级孔隙均存在,孔隙类型主要为石英、白云石、纳米级孔隙对油的产出有无贡献尚无定论,但北美 长石及伊利石等细小矿物晶间孔、晶间溶孔及微地区成功开发的致密油基本上由微米级孔隙所贡 缝,不同地区或层位之间的差别更多地受沉积环境献的( Williams,2013)。致密油储层中微裂缝的发 表3致密储层微观孔隙结构测试表征技术方法及优势与局限性 Table 3 Characterization methods of tight-oil reservoirs micro pore structure and their advantages and limitations 主体孔径测量范围优点 局限性 取决于制样方法及 设备最高分辨率 图像分析技术普通扫描电镜为微(1)直观;(2)孔隙分类;(3)FB-(1)样品制备要求较高;(2)微区分析使其代表性降 (扫描电镜等 米级,场发射和环SEM等技术具三维成像能力 低,需系统取样和多视域观察 境扫描电镜为纳米 级一微米级 气体(CO2和N2)前者0-2m,后者 咨(1)可测至相当于分子直径的孔 径;(2)可得比表面积、表面分形维 (1)样品前处理较复杂;(2)分析结果依赖于孔隙形 100nm 模型;(3)不能进行大尺寸样品分析。 数与孔径分布等多信息。 压汞测试 几十纳米密米级(1)样品预处理较简单:(2)对大于(1)高压下会造成人为裂缝所致误差(特别是块样) (2)计算用到的 Washburn方程假设样品孔隙为光滑 圆柱状连通孔,复杂孔隙形态测试误差较大。 小角散射技术1-200m (1)快速,无损,样品预处理简单;适用于孔隙丰富、孔径分布规则样品,孔隙形态复杂 (2)能在不同温压条件下测试。的样品需要做较多的假定。 (1)连续扫描,提高数据代表性 计算机断层成像100m—微米级 (2)可进行三维成像 NanocT使用样品为微米级制备复杂 (1)结果不受岩石骨架成分影响 核磁共振技术介孔和大孔 (2)区分储层中水、油及沥青等方受测试环境、仪器参数及样品中微孔隙顺磁性物 面应用前景广阔 质、流体类型等多因素影响 http://geochina.cgs.gov.cn中国地质,2020,47(1)
http://geochina.cgs.gov.cn 中国地质, 2020, 47(1) 中大孔、中孔、小孔、微孔及纳米孔均发育，成因类 型有粒间孔、溶蚀孔、晶间孔及微裂缝，研究发现孔 径分布范围、孔隙类型和主体孔隙类型受储层致密 程度的控制作用明显（冯胜斌等，2013），不同的砂 体沉积成因应该是最根本原因（冉冶等，2016）。准 噶尔盆地二叠系芦草沟组致密云质岩油储层中也 是多级孔隙均存在，孔隙类型主要为石英、白云石、 长石及伊利石等细小矿物晶间孔、晶间溶孔及微 缝，不同地区或层位之间的差别更多地受沉积环境 和沉积湖水盐度影响（匡立春等，2012；宋永等， 2017），不同岩石类型经历了不同的成岩作用过程， 发育了不同类型的储集空间（操应长等，2019）。尽 管统计长 7 段与芦草沟组孔隙度相差不大，但长 7 段渗透率明显大于芦草沟组，这是由于长7段具有 比芦草沟组更大的孔喉半径（图3）。致密油储层中 纳米级孔隙对油的产出有无贡献尚无定论，但北美 地区成功开发的致密油基本上由微米级孔隙所贡 献的（Williams，2013）。致密油储层中微裂缝的发 地区 美国 中国 分布稳定， 连续性好 分均质性强 储集层特征 集中段厚度/m 5～20 10～80 孔隙度/% 5～13 3～12 流体特征 地层压力 以超压为主 压力系数偏低 压力系数 1.35～1.78 0.70～1.80 原油密度（/ g·cm-3 ） 0.75～0.85 0.75～0.92 GOR 几十 几百至几千 地区 美国 中国 沉积盆地 构造背景 构造稳定 晚期构造 活动强烈 沉积背景 以海相沉 积为主 以陆相沉 积为主 分布范围/km2 1×104 ～7×104 几百至几万平 方千米 烃源岩特征 岩性 以海相 页岩为主 湖相泥页岩 TOC 2%～20% TOC值比较高 0.4%～16.0% TOC值变化大 Ro/% 0.6～1.7 成熟度较高 0.4～1.4 成熟度较低 储集层特征 物性 物性相对较好，孔隙度较 高，连通性较好 物性较差，孔隙度偏低，非 均质性较强，油层薄 表2 中国与美国致密油地质特征与形成条件对比（据胡素云等，2019；孙龙德等，2019） Table 2 Geological characteristics and formation conditions of tight oil in China and the USA （after Hu Suyun et al., 2019；Sun Longde et al.，2019） 技术方法 图像分析技术 （扫描电镜等） 气体（CO2和N2） 吸附法 压汞测试 小角散射技术 计算机断层成像 核磁共振技术 主体孔径测量范围 取决于制样方法及 设备最高分辨率， 普通扫描电镜为微 米级，场发射和环 境扫描电镜为纳米 级—微米级 前者 0~2 nm，后者 2~100 nm 几十纳米~毫米级 1~200 nm 100 nm—微米级 介孔和大孔 优点 （1）直观；（2）孔隙分类；（3）FIBSEM等技术具三维成像能力。 （1）可测至相当于分子直径的孔 径；（2）可得比表面积、表面分形维 数与孔径分布等多信息。 （1）样品预处理较简单；（2）对大于 50 nm的孔隙表征较好。 （1）快速，无损，样品预处理简单； （2）能在不同温压条件下测试。 （1）连续扫描，提高数据代表性； （2）可进行三维成像。 （1）结果不受岩石骨架成分影响； （2）区分储层中水、油及沥青等方 面应用前景广阔。 局限性 （1）样品制备要求较高；（2）微区分析使其代表性降 低，需系统取样和多视域观察。 （1）样品前处理较复杂；（2）分析结果依赖于孔隙形 态模型；（3）不能进行大尺寸样品分析。 （1）高压下会造成人为裂缝所致误差（特别是块样）； （2）计算用到的Washburn方程假设样品孔隙为光滑 圆柱状连通孔，复杂孔隙形态测试误差较大。 适用于孔隙丰富、孔径分布规则样品，孔隙形态复杂 的样品需要做较多的假定。 NanoCT使用样品为微米级，制备复杂。 受测试环境、仪器参数及样品中微孔隙、顺磁性物 质、流体类型等多因素影响。 表3 致密储层微观孔隙结构测试表征技术方法及优势与局限性 Table 3 Characterization methods of tight-oil reservoirs’micro pore structure and their advantages and limitations 第47卷 第1期 方欣欣等：致密油成藏研究进展与待解决的重要科学问题 47