松辽盆地南部陆相页岩油气勘查突破及意义

徐兴友 刘卫彬 陈 珊 白 静 李耀华

中国地质调查局油气资源调查中心

0 引言

松辽盆地是我国最重要油气产区，面积26×104km2，拥有中国石油大庆油田、吉林油田、辽河油田和中石化东北局等四家大型国有企业，均是中国东北老工业基地重要的能源保障单位[1]。经过半个多世纪的连续开采，松辽盆地各大油田的常规油气勘探开发进入高成本、高难度阶段，截至2021年，松辽盆地常规油气探明率高达70%，资源接替不足、品质劣质化，老区含水率高，造成产量持续下滑，后备接续资源短缺，松辽盆地油气勘探开发面临严峻挑战[2]。以松辽盆地为代表的我国主要成熟探区均亟需开辟非常规油气、深层油气等资源接替新领域[3]。

当前“碳中和”背景下，能源结构转型方向及封碳、固碳技术，成为当下能源行业研究的热点和难点[4-5]，中国作为世界上最大的发展中国家以及碳排放大国，要在未来40年内完成从碳排放达峰到碳中和的转型，需要降低煤炭消耗，建立起以新能源和可再生能源为主体的可持续能源体系，因此，需要进一步加大页岩油、页岩气等清洁低碳能源勘探开发力度，同时，需要探索绿色、清洁、高效的页岩油气勘查开发技术，促进我国在碳中和进程中达到事半功倍的效果。

本次研究以松辽盆地上白垩统青山口组页岩油和下白垩统沙河组页岩气为调查对象，在松辽盆地南部长岭凹陷和梨树断陷分别部署实施了吉页油1HF井、吉梨页油1井2口页岩油气参数井，经压裂测试，均获得高产工业页岩油气流，研究形成的地质新认识及绿色压裂工艺对改善东北地区能源供给结构、降低煤炭资源消费、提高页岩油气勘查开发力度、实现CO2地质封存等均具有引领和借鉴意义。

1 地质概况

松辽盆地位于中国东北部，是我国特大型叠合含油气盆地之一。平面上可划分为中央坳陷区、北部倾没区、西部斜坡区、东北隆起区、东南隆起区和西南隆起区等6个一级构造单元。纵向上呈明显的断坳叠置型沉积，断陷期沉积上侏罗统—下白垩统火石岭组（J3h）、沙河子组（K1sh）、营城组（K1yc）、登娄库组（K1d）和泉头组（K1q），凹陷层沉积上白垩统青山口组（K2qn）、姚家组（K2y）、嫩江组（K2n），四方台组（K2s）和明水组（K2m）[6]。其中青山口组是坳陷层系主力烃源岩层，沙河子组是断陷层主力烃源岩层，该两套层系是松辽盆地最主要的潜在页岩油气目标层系[7-9]。

综合考虑页岩油气富集程度、优质页岩分布规模、页岩埋深、成熟度、勘查难度等地质、工程因素，优选松辽盆地南部长岭凹陷部署吉页油1HF井，探索青山口组页岩油资源潜力，优选松辽盆地东南隆起区梨树断陷部署吉梨页油1井，探索沙河子组页岩气资源潜力（图1）。

图1 研究区位置及地层综合柱状图

2 青山口组陆相页岩油调查突破

长岭凹陷青一段富有机质页岩厚度大，分布在40～120 m之间，页岩油富集有利面积大，约为1 500 km2[10-12]，页岩中油气显示丰富，页岩油资源潜力大，但页岩油发育的地质条件复杂，攻关难度大。针对页岩油勘探开发难点展开攻关，采用多因素叠合法（图2），在长岭凹陷优选了乾安、大安—余字井两个有利区，并在乾安有利区部署了吉页油1HF井，成功钻遇青一段优质页岩，累计厚度达80 m，并获得丰富的油气显示（图3）。

图2 长岭凹陷青一段页岩多参数叠合图

图3 吉页油1HF井导眼段青一段页岩综合评价图

为查明青一段页岩油富集机理，优选储层改造甜点段，综合运用岩心观察、薄片鉴定、地质录井、元素测井、X—衍射分析、有机—无机地球化学分析、场发射扫描电镜分析等方法，对青一段页岩的矿物组成、有机—无机地球化学特征、形成古环境、有利岩相类型及有效储层特征进行了研究。分析实验结果表明：松辽盆地在青山口组沉积时期广泛发育一套暗色优质页岩，其中青山口组一段为最大湖泛面时期，是最为有利的页岩油勘查层系。根据高精度层序地层学地层学研究认为，青山口组一段页岩存在明显的岩性—地球化学界面，形成两套各具特点的页岩油体系。

上部层组页岩水平层理发育，黏土矿物平均含量64%，自生黄铁矿含量高，TOC含量为3%～5%，有机质以内源层状藻为主，根据干酪根显微组分鉴定，有机质类型以腐泥型为主（表1），主微量元素参数指示形成古环境为深水潮湿强还原环境，岩相类型为高TOC层理型黏土质页岩，该段页岩滞留烃含量高，S1平均值为5 mg/g，可动性中等，主要发育大量层理缝和微裂缝，平均孔隙度为6.2%，荧光显示，页岩油有效储集空间主要为层理缝和微裂缝；下部层组页岩砂质纹层发育，黏土矿物平均含量为38%，TOC含量为2%～3.5%，有机质以内源层状藻为主，有机质类型以偏腐泥混合型为主，形成古环境为半深水潮湿还原环境，岩相类型为中TOC纹层型长英质页岩，该段页岩总含油量较高，S1平均值为3 mg/g，可动性中等，主要发育碎屑矿物粒间大孔隙和碳酸盐溶蚀孔，平均孔隙度为4.5%，荧光沿砂质纹层呈条带状分布，有效储集空间主要为砂质纹层中的粒间孔隙。综合分析认为高TOC深水层理型、中TOC半深水纹层型两种页岩类型是页岩油富集的有利岩相（图3）。

表1 吉页油1HF井青一段页岩干酪根显微组分表

为兼顾探索两套页岩层系，设计了兼顾两套目标层系的阶梯式水平井轨迹，并根据可钻性、可压性两项关键工程参数，确定了941.94 m的薄砂条带作为钻探目标靶体（深度 2 482～ 2 483 m），以克服纯页岩地层易垮塌、易水敏、难压开等工程难题[13-15]。后期采用长水平段密切割+分层组差异化设计理念，分21段82簇压裂，平均段长68 m，平均簇间距15.8 m，并首次在页岩油实施超临界CO2+高黏液造缝复合储层改造工艺，实现高黏土含量强非均质性页岩地层大型体积压裂，微地震解释单段平均横向波及范围300～500 m，上下波及范围约150 m，水平井体积改造充分。压后返排试油，吉页油1HF井于自喷阶段获得最高36 m3/d，水力泵排液阶段获得16.4 m3/d的高产工业油流，取得了松辽盆地南部陆相页岩油调查的战略突破。

3 沙河子组陆相页岩气调查突破

梨树断陷沙河子组暗色页岩厚度200～300 m，分布连续广泛，埋深2 500～4 000 m，热演化程度适中，Ro分布在1.3%～1.5%之间，具备陆相页岩气生成和富集的基础地质条件，页岩气资源潜力大。但是，由于陆相页岩气相比于南方海相页岩气的地质和工程条件更为复杂，攻关难度更大，截至本次勘查工作前，在松辽盆地尚未取得陆相页岩气高产稳产工业突破。

综合分析沙二段页岩的厚度、成熟度、有机质丰度、含气性等诸多因素，在梨树断陷优选出秦家屯—八屋、苏家屯两个有利区，统筹考虑资源体量、埋深、保存条件等，在秦家屯—八屋有利区的斜坡带位置部署了吉梨页油1井（图4），成功钻遇51 m厚富含气混积页岩（图5），页岩含气性好，岩心入水气泡连续逸出，现场解析总含气量可达1.52 m3/t，测井解释总含气量可达2.68 m3/t。

图4 梨树断陷沙二段页岩多参数叠合图

图5 吉梨页油1井沙二段页岩综合评价图

对吉梨页油1井沙二段页岩进行系统分析测试，通过综合研究表明，沙河子组二段下亚段沉积时期，黑色页岩的分布范围最广、沉积厚度最大，该套页岩具有典型的富钙质、富硅质（陆源）、富凝灰质的混积页岩特征，其中硅质含量在35%～50%之间，钙质矿物含量在15%～35%之间。根据古环境研究认为，松辽盆地早白垩世断陷发育期伴随多次火山活动，火山灰喷出过程中携带大量营养物质，这些物质进入沉积水体，会造成水体藻类勃发，为优质页岩的形成提供了丰富的原生有机质[16]。同时，火山喷发出的大量SO2和H2S等含硫气体，为硫酸盐还原作用提供了条件，增强了水体的还原性，有利于有机质的保存。同时，火山喷发期炎热的气候，加上封闭湖盆的沉积环境，很容易形成咸化湖盆，沙河子组页岩的钙质含量高即归因于次，咸水环境具有促进有机质生烃的作用，碳酸盐—有机质共生体在碱性地层水环境下，碳酸根易诱导原始有机基团的去碳效应，同时发生明显羟基化作用，进而促进含氮有机物和苯基的生成和转化，生成大量烃类[17]。沙二下亚段页岩的地球化学指标也表明，沙二段下亚段混积页岩段有机质丰度高，TOC含量在0.5%～6%之间，平均值为2.5%，热解S1最高值可达2.4 mg/g，平均值为0.89 mg/g。有机质类型好，经综合判别，主要为偏腐泥混合型，还有少量腐泥型（表2）。有机质热演化程度适当，有机质热演化程度（Ro）处于1.2%～1.5%之间，平均值为1.3%，属于高成熟演化阶段。综上，梨树断陷下白垩统沙河子组二段早期为火山—沉积盆地发育期，形成了一套兼具较好生烃能力、储集能力和可改造性的混积页岩，同时沙二上亚段沉积了一套厚层非渗透性块状泥岩层系，作为上覆顶板盖层，起到很好的页岩气保存作用，自上而下有序沉积组合构成了页岩气自生自储成藏富集体系（图5）。

表2 吉梨页油1井沙二段泥页岩干酪根显微组分表

同样，为克服该套页岩纵向非均质性强、层理发育、常压地层等压裂测试难点，首次在直井压裂中使用水平井密切割体积改造思路，同时采用超临界CO2+N2拌注增能体积压裂工艺完成直井5段20簇压裂。根据本井沙二段页岩成熟度及邻井生产结果，推断试气过程中，随着地层压力的降低可能会出现反凝析现象，影响单井高产，因此，压后采用控压返排工艺放喷求产，获得Ø15 mm油嘴自喷日产气7.6×104m3的高产页岩气流，仅有少量凝析油析出（至试气结束，凝析油总量不足5 m3），首次实现了松辽盆地南部陆相页岩气调查的战略性突破。

对凹陷层青一段页岩油和断陷层沙二段页岩气的富集规律进行了对比和研究，凹陷层青一段页岩油主要分布在具有一定成熟度的富有机质页岩中，页岩Ro在0.7%～1.0%之间，该套页岩分布面积大，整个中央凹陷区均有分布，除长岭凹陷外，松辽北部齐家、古龙、三肇等大型凹陷也广泛发育，资源潜力巨大，初步估算地质资源量可达75×108t，可动油主要分布在层理缝和纹层溶蚀孔中，深湖相层理型和纹层型页岩是松辽盆地凹陷层页岩油勘探的重点领域；断陷层沙二段页岩气主要分布在高成熟的富有机质页岩中，Ro以大于1.3%为主，在松辽盆地56个中小型断陷中均有分布，如梨树、德惠、王府、三肇、长岭等，总体地质资源量可达6×108m3，虽体量不如凹陷层页岩油，但其开采难度小，且为低碳清洁能源，值得大规模勘探，沙二段页岩气的富集主要与火山活动、水体咸化和较好的保存条件有关，松辽东部断陷群宽缓斜坡带可作为重点勘探领域。

4 碳中和意义

松辽盆地页岩油气调查突破不仅在保障国家能源安全方面具有重要意义，在促进“碳中和”方面同样具有借鉴和引领意义，主要包括两点：

1）带动陆相页岩油气尤其是页岩气的勘探开发，有助于发展低碳能源体系，优化能源结构布局。我国CO2排放量一直居全球前列，主要原因是煤炭在我国能源消费结构中占比过高，为57%，是主要CO2排放源，相较煤炭，石油和天然气是较为优质高效、绿色清洁的低碳能源，尤其是天然气，降碳作用更为突出，是我国低碳转型期的重要基础能源[18-21]。我国天然气处于勘探早期阶段，资源丰富而探明率低，仅为8.6%，具备更快发展天然气的资源优势。目前，南方海相页岩气的勘探开发相对比较成熟，已经实现大规模商业动用，已在四川盆地建成了昭通、长宁—威远以及涪陵焦石坝等多个海相页岩气示范区[22-24]。海陆交互相页岩气在鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地石炭二叠系也均有发现。然而陆相页岩气领域勘探却刚刚起步。本次调查证实松辽盆地陆相页岩气具备效益开发的巨大潜能，有望形成东北地区新的清洁能源接替阵地，对保障国内天然气供给力度，优化调整能源结构布局，助力早日实现“碳中和、碳达峰”的战略目标具有重要意义。

2）创新形成超临界CO2高效开发页岩油气与碳地质封存联用技术，具有“增产+去碳”双作用。陆相页岩气是未来天然气增储上产的重要领域，然而，页岩气储层孔隙度渗透率极低，无法直接开采。针对于页岩气高效开发目前水力压裂技术运用的最为广泛，但大型水力压裂技术耗水量大，对储层伤害大，容易诱发环境地质问题，同时成本高，降低了页岩气的经济开采价值，减少了其经济技术可采储量。并且常规的水力压裂对于我国资源量巨大的陆相页岩气储层改造效果并不理想，因为陆相页岩非均质性强、黏土矿物含量高等难点，水力压裂存在压不开、压不远等问题[25-26]，制约了我国页岩气的有效开发。

针对陆相页岩储层改造形成了超临界CO2复合压裂工艺（图6），并成功实施应用，效果显著。本项技术证实具有以下优点：①以其超强的穿透性、流动性降低了页岩储层破裂压力，降幅可达75%；②有效提高了人工缝网波及范围，纵向拓展高度可达70 m，横向拓展可达200 m，改造体积是常规水力压裂的2倍[27-28]；③CO2进入地层后形成碳酸，促进了页岩中白云石、方解石等碳酸盐矿物的有序溶蚀，增加了储集空间[27]；④利用CO2吸附能力比CH4强的特点，CO2可有效置换CH4，提高页岩气单井产量近20%[29]；⑤由于CO2进入地层后，一部分参与了化学反应，一部分吸附滞留在页岩储层中，平均单段注入液态CO2为200 m3，放喷过程中通过现场气相色谱和CO2检测仪监测，井口无CO2气体排出，实现了CO2地质捕获、封存，减少温室气体排放。

为了验证本工艺的CO2封存能力，将压后返排试气阶段不同时间井口返排气的气体成分与钻井现场解析阶段岩心解析气的成分做了对比，表明随着返排时间的进行，井口返排气中CO2的含量逐渐减少，到20天后基本与地层中原始气体的CO2含量持平，表明压裂时注入井中的CO2，大部分被地层封固，只有少部分在放喷前期随天然气排出，碳封存效果较好。该技术实现了页岩储层中CO2地质封存与页岩气高效开采的一体化，不仅可以高效率驱替页岩气，还可代替水介质进行压裂增产作业，同时巧妙地将CO2封存，为同时解决能源危机和应对全球气候变化提出了新的可能性方案。

5 结论

1）松辽盆地南部长岭凹陷青一段广泛发育陆相半深湖—深湖相页岩，具有高TOC深水层理型、中TOC半深水纹层型两种有利的页岩油富集层系，是现实的页岩油资源勘查层系，采用长水平井钻探、超临界CO2复合压裂工艺等技术，可以实现陆相页岩油的效益动用。

2）松辽盆地东南隆起区梨树断陷沙河子组二段下亚段发育一套富钙质、富硅质、富凝灰质的混积页岩，形成于火山活动和咸化湖盆的双重作用，加之有序的层序组合，该套页岩兼具较好的生烃、储集、保存和压裂条件，采用超临界CO2+N2拌注增能体积压裂工艺可以实现陆相常压页岩气层高效开发。

3）松辽盆地页岩油气调查突破具有保障国家能源安全和助力“碳中和”双重意义，能够带动陆相页岩油气尤其是页岩气的勘探开发，有助于发展低碳能源体系，优化能源结构布局。同时，创新形成超临界CO2高效开发页岩油气与碳地质封存联用技术，有望实现“增产+去碳”双重目标。