页岩油富集可动性地球化学评价参数探讨

doi:10.11743/ogg20240304

石油与天然气地质 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (3): 622-636.doi: 10.11743/ogg20240304

页岩油富集可动性地球化学评价参数探讨

刘惠民¹^,²(), 包友书¹^,³(), 黎茂稳¹^,⁴, 李政¹^,³, 吴连波¹^,³, 朱日房¹^,³, 王大洋¹^,³, 王鑫¹^,³

^1.页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室, 山东东营 257015
^2.中国石化胜利油田分公司, 山东东营 257000
^3.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院, 山东东营 257015
^4.中国石化石油勘探开发研究院, 北京 102206

收稿日期:2023-12-28 修回日期:2024-02-20 出版日期:2024-07-01 发布日期:2024-07-01
通讯作者: 包友书 E-mail:hmliu@vip.163.com;baoyoushu@126.com
第一作者简介:刘惠民（1969—），男，教授级高级工程师，油气勘探管理。E-mail：hmliu@vip.163.com。
基金项目:
国家自然科学基金项目(42090022);中国石油化工股份有限公司科技部项目(P23084);中国石化胜利油田分公司前瞻性基础性研究项目(YJQ2201)

Geochemical parameters for evaluating shale oil enrichment and mobility： A case study of shales in the Bakken Formation， Williston Basin and the Shahejie Formation， Jiyang Depression

Huimin LIU¹^,²(), Youshu BAO¹^,³(), Maowen LI¹^,⁴, Zheng LI¹^,³, Lianbo WU¹^,³, Rifang ZHU¹^,³, Dayang WANG¹^,³, Xin WANG¹^,³

^1.State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Effective Development, Dongying, Shandong 257015, China
^2.Shengli Oilfield Branch Company, SINOPEC, Dongying, Shandong 257000, China
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^4.Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 102206, China

Received:2023-12-28 Revised:2024-02-20 Online:2024-07-01 Published:2024-07-01
Contact: Youshu BAO E-mail:hmliu@vip.163.com;baoyoushu@126.com

摘要/Abstract

摘要：

地球化学参数是页岩油富集可动性评价的重要指标。通过矿物/页岩抽提残渣混油/烷烃热解实验，以及产油页岩有机试剂抽提前、后热解参数对比正演模拟，剖析威利斯顿盆地Bakken组和渤海湾盆地济阳坳陷古近系沙河街组产油页岩的实例，分析页岩油富集特征与地球化学参数响应，研究评价页岩油富集可动性的含油饱和度指数（OSI）及烃产率指数（PI）下限值。研究表明：页岩中的油在常规热解过程中，除了热解游离烃量（S₁）之外，也对热解裂解烃量（S₂）有贡献，影响了S₂曲线的峰型及热解烃峰值温度（T_max）。页岩内由于原油富集，造成页岩热解参数呈现出异常高OSI和PI值、异常低T_max值，OSI值、PI值及T_max值之间具有协同变化的关系。富含油的贫有机质页岩的热解参数异常较为明显，富有机质页岩在总有机碳含量（TOC）达到特定值后OSI和PI值趋于稳定。这些页岩由于液-固相互作用影响了烃类可动性下限值。威利斯顿盆地Bakken组1口井和济阳坳陷沙河街组3口井系统解剖结果表明，这些井页岩油富集可动性的OSI下限值为50 ~ 75 mg/g，对应PI下限值为0.12 ~ 0.20，页岩油富集可动性的OSI下限与页岩岩性和原油性质密切相关，富碳酸盐页岩具有较低的OSI下限值。

关键词: 含油饱和度指数, 烃产率指数, 页岩油可动性, Bakken组, 威利斯顿盆地, 沙河街组, 渤海湾盆地

Abstract:

Geochemical parameters serve as important indicators for shale oil enrichment and mobility evaluation. Using pyrolysis experiments of minerals/post-extraction shale residues mixed with oil/alkanes， as well as the comparison and forward modeling of pyrolysis parameters of oil-generating shales before and after shale extraction using organic reagents， we perform a case study of the oil-generating shales in the Bakken Formation of the Williston Basin and the Paleogene Shahejie Formation of the Jiyang Depression in the Bohai Bay Basin. Accordingly， the characteristics of shale oil enrichment and corresponding responses of geochemical parameters are analyzed to investigate the lower limits of the oil saturation index （OSI） and productivity index （PI） as indicators of shale oil enrichment and mobility. The results reveal that conventional Rock-Eval pyrolysis on oil in rock generates both free hydrocarbons （S₁） and pyrolyzed hydrocarbons （S₂）， affecting the S₂ curve’s peak style and peak temperature for hydrocarbon pyrolysis （T_max）. Crude oil enrichment in shales， thereby， leads to anomalously high values of OSI and PI and anomalously low T_max values， with these three parameters in coordinated variation. Oil-rich shales with a low organic matter content exhibit more pronounced anomalies in pyrolysis parameters. In contrast， for organic-rich shales， their OSI and PI values tend to stabilize after the total organic carbon （TOC） content reaches a specific threshold. The liquid-solid interactions in shales affect the lower limits of indicators for hydrocarbon mobility. A systematic analysis of the Bakken Formation in one well in the Williston Basin and the Shahejie Formation in three wells in the Jiyang Depression indicates that the lower limits of OSI for the enriched shale oil and its mobility fall below 50 ~ 75 mg/g， corresponding to PI values of 0.12 ~ 0.20. The lower limit of OSI for the enriched shale oil and its mobility is closely associated with shale lithology and crude oil properties， with carbonate-rich shales exhibiting lower limits of OSI for shale oil mobility.

Key words: oil saturation index （OSI）, hydrocarbon productivity index （PI）, shale oil mobility, Bakken Formation, Williston Basin, Shahejie Formation, Bohai Bay Basin

中图分类号:

TE122.1

刘惠民,包友书,黎茂稳,等. 页岩油富集可动性地球化学评价参数探讨[J]. 石油与天然气地质, 2024, 45(3): 622-636. doi: 10.11743/ogg20240304 Huimin LIU,Youshu BAO,Maowen LI,et al. Geochemical parameters for evaluating shale oil enrichment and mobility： A case study of shales in the Bakken Formation， Williston Basin and the Shahejie Formation， Jiyang Depression[J]. Oil & Gas Geology, 2024, 45(3): 622-636. doi: 10.11743/ogg20240304

图/表 13

表1

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参考文献 23

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实验系列	样品名称	混油/烷烃后参数							混油/烷烃前参数
实验系列	样品名称	热解S₁/ （mg/g）	热解S₂/ （mg/g）	T_max/ ℃	TOC/ %	OSI/ （mg/g）	HI/ （mg/g）	PI	热解S₁/ （mg/g）	热解S₂/ （mg/g）	T_max/ ℃	TOC/ %	OSI/ （mg/g）	HI/ （mg/g）
1-1-1	混合矿物＋油	0.04	0.04	358	0.05	80	80	0.50	—	—	—	—	—	—
1-1-2	混合矿物＋油	0.11	0.10	359	0.1	110	100	0.52	—	—	—	—	—	—
1-1-3	混合矿物＋油	0.25	0.22	364	0.13	192	169	0.53	—	—	—	—	—	—
1-1-4	混合矿物＋油	0.65	0.63	364	0.24	271	263	0.51	—	—	—	—	—	—
1-1-5	混合矿物＋油	1.58	1.64	394	0.47	336	349	0.49	—	—	—	—	—	—
1-1-6	混合矿物＋油	3.11	4.16	319	0.90	346	462	0.43	—	—	—	—	—	—
1-2-1	沙三段页岩抽提残渣+油	1.18	18.80	443	3.18	37	591	0.06	0.05	17.06	443	2.78	2	614
1-2-2	沙三段页岩抽提残渣+烷烃	5.68	20.09	442	3.48	163	577	0.22	0.05	17.06	443	2.78	2	614
1-3-1	沙四段页岩抽提残渣+油	1.49	12.44	444	2.31	65	539	0.11	0.06	9.02	445	1.89	3	477
1-3-2	沙四段页岩抽提残渣+烷烃	6.13	13.42	446	2.64	232	508	0.31	0.06	9.02	445	1.89	3	477

样品编号	深度/m	原始样品							抽提后样品					ΔT_max/ ℃	ΔTOC/ %	ΔP_g/（mg/g）
样品编号	深度/m	TOC/ %	S₁/ （mg/g）	S₂/ （mg/g）	T_max/ ℃	HI/ （mg/g）	PI	OSI/ （mg/g）	TOC_EX/ %	S_1EX/ （mg/g）	S_2EX/ （mg/g）	T_maxEX/ ℃	HI_EX/ （mg/g）	ΔT_max/ ℃	ΔTOC/ %	ΔP_g/（mg/g）
1	3 462.83	1.51	0.98	3.08	450	203	0.24	65	1.35	0.06	1.66	454	123	-4	0.17	2.34
2	3 466.47	1.61	1.44	3.16	453	196	0.31	89	1.29	0.09	1.47	458	114	-5	0.33	3.04
3	3 567.95	1.46	1.26	3.64	443	249	0.26	86	1.20	0.12	2.00	454	167	-11	0.26	2.78
4	3 590.38	1.64	2.20	4.33	441	263	0.34	134	1.27	0.08	1.51	457	119	-16	0.38	4.94
5	3 595.90	1.70	1.96	3.62	362	213	0.35	115	1.45	0.29	1.71	440	118	-78	0.25	3.58
6	3 535.30	1.62	1.71	3.51	452	216	0.33	105	1.39	0.22	1.90	452	137	0	0.23	3.10
7	3 591.15	1.78	1.22	3.31	458	186	0.27	68	1.64	0.29	2.24	458	136	0	0.14	2.00
8	3 584.17	2.93	1.20	5.02	459	172	0.19	41	2.38	0.11	3.57	455	150	4	0.55	2.54
9	3 544.30	2.13	2.80	4.53	456	212	0.38	131	2.00	0.21	1.84	450	92	6	0.14	5.28

样品编号	井深/m	S_1-pseu/（mg/g）	S_2-pseu/（mg/g）	（S₁+S₂）_pseu/（mg/g）	PI_pseu	（S₁/S₂）_pseu	TOC_pseu/%	OSI_pseu/（mg/g）
1	3 462.83	0.89	1.45	2.34	0.38	0.61	0.17	528
2	3 466.47	1.36	1.68	3.04	0.45	0.81	0.33	417
3	3 567.95	1.12	1.66	2.78	0.40	0.68	0.26	430
4	3 590.38	2.11	2.83	4.94	0.43	0.75	0.38	560
5	3 595.90	1.67	1.91	3.58	0.47	0.87	0.25	679
6	3 535.30	1.50	1.60	3.10	0.48	0.94	0.23	644
7	3 591.15	0.91	1.09	2.00	0.46	0.84	0.14	655
8	3 584.17	1.06	1.48	2.54	0.42	0.72	0.55	194
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实验系列	样品名称	固体重量/g					原油（正构烷烃）质量/g
实验系列	样品名称	蒙脱石	伊利石	碳酸钙	总质量	原油	C₂₀	C₂₁	C₂₂	C₂₄	C₂₈	C₃₂	C₃₆
1-1-1	混合矿物＋油	9	21	20	50	0.020 3	—	—	—	—	—	—	—
1-1-2	混合矿物＋油	9	21	20	50	0.059 2	—	—	—	—	—	—	—
1-1-3	混合矿物＋油	9	21	20	50	0.105 4	—	—	—	—	—	—	—
1-1-4	混合矿物＋油	9	21	20	50	0.250 1	—	—	—	—	—	—	—
1-1-5	混合矿物＋油	9	21	20	50	0.505 5	—	—	—	—	—	—	—
1-1-6	混合矿物＋油	9	21	20	50	1.007 1	—	—	—	—	—	—	—
1-2-1	沙三段页岩抽提残渣+油	—	—	—	40	0.326 2	—	—	—	—	—	—	—
1-2-2	沙三段页岩抽提残渣+烷烃	—	—	—	40	—	0.051 4	0.046 6	0.059 8	0.048 5	0.048 4	0.053 2	0.044 6
1-3-1	沙四段页岩抽提残渣+油	—	—	—	40	0.364 5	—	—	—	—	—	—	—
1-3-2	沙四段页岩抽提残渣+烷烃	—	—	—	40	—	0.046 5	0.059	0.053	0.058 5	0.059 2	0.048	0.049