北美典型致密油地质特征对比及分类

赵俊龙，张君峰，许　浩，喻廷旭，赵　达，耿昀光

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；2.中国石油勘探与生产公司，北京100007）

北美典型致密油地质特征对比及分类

赵俊龙1，张君峰2，许浩1，喻廷旭1，赵达1，耿昀光1

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；2.中国石油勘探与生产公司，北京100007）

为全面认识致密油，汲取国外成功的开发经验，从而推动我国致密油发展，通过详细对比北美地区巴肯组、鹰滩组和卡尔蒂姆组的地质特征，从方便储量计算的角度，提出了更为完善的致密油定义，并系统划分了致密油的类型。结果表明：致密油主要是指以吸附或游离状态赋存于未纳入常规油田产区的低渗储层（卡尔蒂姆组）或地层深部致密沉积岩（巴肯组、鹰滩组）中，且必须通过水平井或多级压裂等开发技术才能实现经济采出的轻质非常规石油聚集，可以划分为2个大类、5个亚类，其中，巴肯组致密油资源量最大，具有“大而肥”的特点，主要赋存在渗透率为0.01～1.00 mD的致密砂岩中，卡尔蒂姆组致密油资源量次之，主要赋存在渗透率为0.1～10.0 mD的砂质泥岩中，而鹰滩组致密油资源量最低，主要赋存在渗透率为0.000 001～0.000 100 mD的致密灰岩中。

致密油；地质特征；对比及分类；储量计算；北美地区

0　引言

近年来，在石油需求量高速增长的刺激下，随着勘探开发技术的不断进步，致密油资源逐渐成为世界各国石油工业争相介入的热点领域之一［1］。然而，全球致密油探明储量较丰富、商业化开发较成功的油藏集中在北美，如美国的巴肯组和鹰滩组，加拿大的卡尔蒂姆组［2］。这3套地层致密油储量和产量提升幅度均较快，特别是成为当年全球油气领域十大发现之一的巴肯组致密油实现了规模化开发［3］，逆转了北美石油产量持续走低的趋势，使美国原油生产占世界总产量的10%以上，在一定程度上改变了世界传统能源格局［4］。与国外致密油的成功开发相比，国内致密油资源虽然丰富、分布范围广、资源潜力大，包括鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩、四川盆地侏罗系泥页岩及粉砂岩、渤海湾盆地沙河街组湖相碳酸盐岩、酒泉盆地白垩系泥灰岩及准噶尔盆地二叠系云质岩等［5-8］，但其研究尚处于起步阶段，不仅缺乏有效的勘探开发技术，更为重要的是，当前国内对致密油地质特征认识尚浅，对致密油的定义并不统一。因此，全面认识致密油这一非常规轻质油，对我国致密油勘探开发具有指导意义。笔者深入剖析对比巴肯组、鹰滩组和卡尔蒂姆组三大致密油地层的地质特征，并从储量计算的角度提出更为完善的致密油定义，对致密油类型进行系统分类，以期对加快动用我国丰富的致密油资源起到推动作用，为我国致密油开发提供借鉴。

1　巴肯组致密油地质特征

巴肯组致密油生产区位于地跨美国和加拿大2个国家的威利斯顿盆地中北部（图1），是北美目前致密油产量最大的生产基地［9］，面积约为7万km2。2005年以来，随着油价的飙升及钻井与完井和数值模拟技术的再次引入，巴肯组致密油开发取得了较大突破。据EIA（美国能源信息署）统计，2012年6月巴肯组生产井超过4141口，平均日产量达8.3万t，至2012年年底则达到14万t，占北达科他州致密油总产量的90%［2］。

1.1构造与地层

威利斯顿盆地次级构造较少，主要有位于北达科他州的南北走向的奈森背斜、比林斯背斜和小刀背斜，以及位于蒙大拿州的北西—南东走向的雪松河背斜（图1）。巴肯组致密油地层埋深为2 900～3 300 m，地层倾角通常小于0.5°。

巴肯组属于泥盆—密西西比系，分为上、中、下3个亚段。表1为巴肯组内部地层特征统计。从表1可以看出，巴肯组上段和下段是具有放射性的、富含有机质的黑色页岩，中段主要为钙质灰色粉砂岩、砂岩和碳酸盐岩。上段和下段是巴肯组致密油的烃源岩，原油经过短距离运移到达渗透率较低的中段地层聚集，形成巴肯组中段的致密油藏（图2）。巴肯组下段为低氧陆架环境，中段为有氧陆架环境，上段为缺氧陆架环境，其中缺氧陆架环境是由层状水文流态造成的，其存在的证据包括缺乏底栖生物群和掘穴生物遗迹以及高TOC含量［11］。

图1　威利斯顿盆地巴肯组位置（据文献［10］和［11］修改）Fig.1　Location of Bakken Formation in Williston Basin

表1　巴肯组内部地层特征统计Table1　Characteristics of inner Bakken Formation

图2　威利斯顿盆地巴肯组内部结构特征（据文献［10］修改）Fig.2　Structure characteristics of inner Bakken Formation in Williston Basin

1.2烃类系统

巴肯组烃类系统由巴肯组、洛奇波尔组和斯里福克斯组3套地层组成，是一个在地层深部形成的连续型油气藏［12］。巴肯组与斯里福克斯组在盆地深部可能为整合接触关系，在盆地周缘为不整合接触关系，而与洛奇波尔组之间为整合接触关系，下伏于洛奇波尔组。巴肯组地层在北达科他州西北部的奈森背斜东部最厚，超过42.7 m。在巴肯组烃类系统中，上段和下段有机质丰富的页岩是整个油气系统的烃源岩，而巴肯组中段及洛奇波尔组、斯里福克斯组是良好的储层。

1.3储层物性

巴肯组致密油主要产于盆地内部的超压区，如埃尔姆古力油田，储层有效厚度为1.83～4.57 m，平均孔隙度为8%～12%，平均渗透率为0.05～0.50 mD。然而，郭永奇等［13］认为，巴肯组为双孔隙系统，在油藏压力条件下，岩石基质孔隙度仅为2%～3%，裂缝孔隙度为0.2%～0.3%，基质渗透率为0.02～0.05 mD［13］。

1.4储量特征

巴肯组致密油勘探潜力巨大，估计地质储量为280～570亿t［13］。USGS（美国地质调查局）在2008年评估指出，巴肯组致密油区的总资源量为230亿t，待发现资源量为3.7亿t，可采资源量为6亿t，其中油、伴生或溶解气及石油液化气的技术可采资源量分别为5.2亿t，518亿m3和2 100万t。根据EIA 2012年最新数据，巴肯致密油储量已达到4.4亿t。

2　鹰滩组致密油地质特征

位于德克萨斯州南部的鹰滩致密油生产区，是美国最新的油气工业区块［14］。鹰滩组地层呈北东—南西向展布，南部边界平行于斯莱戈陆架边缘，向北部大范围延伸，环绕马弗里克盆地，面积为4万km2（图3）。鹰滩组油气生产始于2008年10月钻成的水平井STS#1，2009年开始实施大量钻井及完井工程，到2010年，已有约1 103口井陆续钻成并成功完井，目前勘探活动正在快速增长。鹰滩组产油气能力极高，2008年原油产量为1.8万t，到2010年已达到42.3万t，仅2011年前2个月产量（8.6万t）就是2008年的4倍多［16］，至2012年，年产量为29.3百万t，较2011年增加了19.3百万t。

图3　鹰滩页岩地理位置及油、湿气和干气分布（据文献［15］修改）Fig.3　Location of Eagleford shale and distribution of oil，wet gas and dry gas

2.1构造与地层

鹰滩组是一套晚白垩系地层，上部为奥斯汀白垩组，下部与布达组不整合接触（图4），沉积在一个非常平缓的斜坡上［16］。鹰滩页岩由上、下2个部分组成：上部以海退开始的高位体系域为特征，在海滨附近发生了沉积；下部海进层主要是沉积在浅部温暖海洋环境中的黑色层状、富含有机质的页岩。海退剖面由互层的钙质页岩、黏土岩、互层的灰岩和石英质粉砂岩组成。鹰滩组沉积于缺氧环境，底栖生物化石及生物潜穴的缺乏，有利于生烃和有机质的保存。鹰滩组TOC的质量分数为1%～7%，有机质丰度随埋深增加而增大。

图4　德克萨斯地区白垩系地层柱状图（据文献［15］修改）Fig.4　StratigraphiccolumnofUpperCretaceousinTexasarea

2.2烃类系统

鹰滩组是一个自生自储式的油气系统，含有的油气种类较多，干酪根类型是Ⅱ，Ⅱ—Ⅲ和Ⅲ型［17］。烃类的运移主要是在驱替阶段沿着岩层层面的运移［14］。由于没有圈闭，在垂向上烃类是向着区域裂缝或断层处运移；在横向上，鹰滩页岩从北向南依次相变为3个成熟区，即油、湿气与凝析油、干气（参见图3）。可见，区块北部液态烃和气态烃的比例大于南部。但最新研究表明，在液态烃含量很高的地区，也可以产生气态烃和凝析油［14］。

2.3储层物性

鹰滩组的埋深为1 200～4 500 m，压力梯度为1.0～1.5 MPa/100 m，厚度一般为30～90 m。鹰滩页岩的岩石组成中石英、碳酸盐岩、泥质和有机质的体积分数分别为20%，67%，7.5%及2.0%～6.5%［18］，孔隙度为3%～10%，平均为6%，有气体充填处的孔隙度为2.1%～11.9%，渗透率为（3～405）×10-6mD，平均为180×10-6mD［14］。因此，尽管将鹰滩组称之为鹰滩页岩，实际上更多的是致密灰岩。

2.4储量特征

鹰滩组致密油主要赋存于产区北部，地质储量为1.26亿t，天然气地质储量为11.3～63.1亿m3，目前日产油量为560 t［19］。然而，位于鹰滩组产区中心的1 041口井的产量已经递减，原油递减速率为76%，天然气递减速率为60%，递减指数分别为0.25和0.40。采用双曲线递减法，将天然气按照价格比（20∶1）换算成油，评价单井技术可采储量表明，平均技术可采储量为2.9万t，平均值为2.2万t。使用水平井钻井技术后，产量有所提高，但平均值变化不大。产量最好的深度位于1 200～1 700 m处［20］。整体来看，鹰滩组致密油在2012年储量为4.7亿t，较2011年增长了2.9亿t，首次超过了巴肯组地层（4.4亿t），成为美国致密油储量增长最快的地层。

3　卡尔蒂姆组致密油地质特征

卡尔蒂姆组致密油生产区位于北美落基山以东的阿尔伯达盆地中部（图5）。针对卡尔蒂姆组的致密油勘探主要集中在常规砂岩储层周边或常规油藏之间的致密岩层中，此类非常规致密油被称为“裙边油”。裙边油藏与常规油藏上下叠置，侧向上相互过渡，无明显边界，大面积分布，在空间上难以区分［21］。2008年卡尔蒂姆组第一口多段压裂水平井完钻，产量十分惊人，平均日产油约17.2 t，而且不产水，标志着卡尔蒂姆组的油气勘探开始从常规资源向非常规资源转型。2009年又钻了12口井，至2011年年初约80%的钻井具有水平段［22-23］。目前，阿尔伯达已有水平井300多口，投产第一年单井日产量最高为28 t左右。钻井非常密集是卡尔蒂姆组主导西加拿大致密油工业的主要原因。

图5　西加拿大沉积盆地卡尔蒂姆组区域位置（据文献［4］和［21］修改）Fig.5　Location of Cardium Formation in the western Canada sedimentary basin

3.1构造与地层

西加拿大沉积盆地地层主要沉积于北美板块与太平洋板块碰撞所形成的前陆盆地中，垂向上由2套地层组成：下部主要为一套沉积在稳定地台上的古生界碳酸盐岩，上部为一套前陆中—新生界碎屑岩。盆地地层厚度在西部落基山山前最大，近6 000 m，向东逐渐变薄，尖灭在加拿大地盾之上［24］（图6）。

图6　过西加拿大沉积盆地的A—A′区域地质剖面（剖面位置见图5，据文献［22］修改）Fig.6　Geological section of A-A′across the western Canada sedimentary basin

卡尔蒂姆组为一套夹在上部碎屑岩中，以细、粉砂为主的白垩系砂岩，为滨、浅海相沉积。砂体呈席状、条带状或透镜状，主要分布在西加拿大前陆盆地西部，向东一直延伸到阿尔伯达中部，岩性逐渐变为泥页岩［25-26］。卡尔蒂姆组致密油聚集在砂岩边缘的砂质泥岩中，以岩性－地层油气藏为主。

3.2烃类系统

卡尔蒂姆组位于科罗拉多群。科罗拉多群是由多个次级海进—海退沉积旋回组成的一套以海相页岩为主的地层，其中，鱼鳞组页岩、第一白斑组页岩和第二白斑组页岩是该含油气系统的3套主力烃源岩［27］（图7），其分布范围广，TOC质量分数平均为2.5%左右，最高可达12%，干酪根以Ⅱ型为主。随着海平面的变化，沿岸沉积的砾岩和砂岩形成主要的常规储层，而砾岩周围由低渗透性泥质砂岩组成的边缘区成为致密油勘探的首选目标，如卡尔蒂姆组。地球化学分析和含油气系统研究表明，第二白斑组页岩是卡尔蒂姆组致密油的主力烃源岩［25］。

图7　西加拿大沉积盆地的科罗拉多群含油气系统特征（据文献［23］修改）Fig.7　Petroleum system characteristics of the Colorado Group in the western Canada sedimentary basin

3.3储层物性

卡尔蒂姆组由向上变粗，且多具生物扰动构造并呈斑点状分布的近岸砂岩、粉砂岩组成，具有较高的孔隙度和渗透率。然而，包裹在砂岩周围的具有不连续特征的砂质泥岩具有较低的孔隙度（5%～12%）和渗透率（0.1～10.0 mD）［21］，赋存于这部分储层的石油无法纳入常规开采，是加拿大重要的致密油富集区。

3.4储量特征

卡尔蒂姆组是在常规油气藏边缘或油气藏之间发育的非常规致密油资源，石油总地质资源量为40.5亿t，待发现地质资源量为25.5亿t，在目前的技术和经济条件下可采资源量为0.97亿t，不到待发现地质资源量的4%，约占卡尔蒂姆组总可采资源量的38%［22］。其中，致密油地质储量约14.8亿t（Pembina油田占13.1亿t），可采储量为0.18亿t。由于Pembina油田非常规油气藏尚处于生产和开发的早期，故采收率一般比较低（通常低于17%）［24］。可见，在勘探程度很高的卡尔蒂姆组致密油资源开发具有非常大的潜力。

4　致密油地质条件对比与分类

4.1地质条件对比

巴肯组、鹰滩组和卡尔蒂姆组是北美目前最重要的3套致密油产层。上述分析表明，三大产层蕴藏有丰富的致密油资源，有着巨大的开发潜力。表2统计了上述致密油地层的地质特征与资源量。整体来看，致密油是赋存在埋深大于1 000 m的致密沉积岩中的烃类聚集，储层孔隙度低于10%，分布范围较广，烃源岩有机碳含量及成熟度均较高，原油密度较小，压力系数一般高于1.3，为超压储层。

对比三大产层资源量与储层特征表明：巴肯组致密油资源量最大，具有“大而肥”的特点，主要赋存在致密砂岩中，渗透率一般为0.01～1.00 mD；卡尔蒂姆致密油资源量次之，主要赋存在渗透率更大（0.1～10.0 mD）的砂质泥岩中；鹰滩组致密油资源量较低，主要赋存在致密灰岩中，渗透率为0.000001～0.000 100 mD。正是储层“致密”的特征决定了此类原油经济开发必须依赖于多级水力压裂技术、多分支水平井技术及数值模拟技术等资金密集型技术。因此，要实现致密油的经济开发不仅需要政府提供有效的监管与扶持政策，同时，在制定税收规则与环保法规时，应充分考虑致密油的开发特点，以保障致密油勘探开发能够积极有效地进行。

表2　北美地区三大致密油产层地质特征Table2　Geological characteristics of three tight oil formations in North America

4.2致密油分类

为方便储量计算，结合北美三大致密油储层特点，笔者从储层的角度提出更加丰富与完善的致密油的定义：致密油是指以吸附或游离状态赋存于未纳入常规油田产区的低渗储层或地层深部致密沉积岩（包括原地致密烃源岩，如泥页岩；与烃源岩互层或紧邻的致密储层，如致密砂岩和致密碳酸盐岩等）中，且必须通过水平井或多级压裂等开发技术才能实现经济采出的轻质非常规石油聚集。然而，从现阶段的地质能源矿种及经济性角度来看，其主要类型包括位于页岩储层中的石油和经过短距离运移后赋存于其他致密储层中的石油两大类，进一步又可分为5个亚类，这些致密油类型的主要区别如表3所列。

表3　北美地区致密油分类及特征Table3　Types and characteristics of tight oil in North America

5　结论

（1）致密油是赋存在埋深大于1 000 m的致密沉积岩中的烃类聚集，储层孔隙度低于10%，分布范围较广，烃源岩有机碳含量及成熟度均较高，原油密度较小，压力系数一般高于1.3，为超压储层。

（2）北美三大致密油储层中，巴肯组致密油资源量最大，具有“大而肥”的特点，主要赋存在致密砂岩中，渗透率为0.01～1.00 mD；卡尔蒂姆组致密油资源量次之，主要赋存在渗透率为0.1～10.0 mD的砂质泥岩中；鹰滩组致密油资源量最低，主要赋存在渗透率为0.000 001～0.000 100 mD的致密灰岩中。

（3）从方便储量计算的角度，致密油主要是指以吸附或游离状态赋存于未纳入常规油田产区的低渗储层（卡尔蒂姆组）或地层深部致密沉积岩（巴肯组、鹰滩组）中，且必须通过水平井或多级压裂等开发技术才能实现经济采出的轻质非常规石油聚集，可以分为2个大类、5个亚类。

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（本文编辑：于惠宇）

Comparison of geological characteristics and types of typical tight oil in North America

ZHAO Junlong1，ZHANG Junfeng2，XU Hao1，YU Tingxu1，ZHAO Da1，GENG Yunguang1
（1.School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2.PetroChina Exploration and Production Company，Beijing 100007，China）

In order to understand tight oil comprehensively，learn the successful development experiences and then promote the development of tight oil in our country，this paper analyzed and compared the geological characteristics of Bakken Formation，Eagleford Formation and Cardium Formation in North America.From the aspect of the convenient reserve calculation，more reasonable tight oil definition was put forward，and the types were divided systematically. The study results show that tight oil is an unconventional light petroleum accumulation in tight sedimentary rocks，including tight source rocks（mudstones）in place in a free or adsorbed state and tight sandstones and carbonates interbedded with or adjacent to source rocks（Bakken Formation and Eagleford Formation），as well as the reservoirs which have not been developed with conventional technology（Cardium Formation）.The reservoir permeability is extremely low and the reservoir oil can’t achieve economic recovery unless using horizontal well and multistage fracturing techniques.Among the three tight oil reservoirs，tight oil resource of Bakken Formation is the largest and mainly occurs in the tight sandstone，of which the permeability is between 0.01 mD and 1.00 mD.Tight oil resource of Cardium Formation comes the second，and the lithology is mainly sandy mudstone and the permeability is between 0.1 mDand 10.0 mD.Eagleford Formation has the minimum amount of tight oil，and this kind of tight oil mainly occurs in the tight limestone and the range of permeability is 0.000 001 mD to 0.000 100 mD.

tight oil；geological characteristics；comparison and classification；reserve calculation；North America

TE122.1

A

1673-8926（2015）01-0044-07

2014-07-08；

2014-08-06

国家重大科技专项“煤层气排采工艺与数值模拟技术”（编号：2011ZX05038-001）和国家自然科学基金项目“中高煤阶煤储层煤层气产出的煤岩学控制机理研究——以沁南和韩城地区为例”（编号：41272175）联合资助

赵俊龙（1989-），男，中国地质大学（北京）在读博士研究生，研究方向为非常规油气地质与开发。地址：（100083）北京市海淀区学院路29号中国地质大学能源学院。E-mail：zhao739264823@126.com

许浩（1979-），男，博士，副教授，主要从事能源地质方面的教学与研究工作。E-mail：xuhao600@163.com。