美国页岩油的商业开采使其即将成为石油净出口国,而我国原油对外依存度逐年上升,能源安全相当严峻。因资源量巨大,页岩油有望解决我国能源之需,被认为石油工业下一个革命者。与北美相比,我国中低熟陆相页岩油勘探开发成效较差,往往表现为初期产能高、产量衰减速率快,其主要原因在于页岩油可动性不明。页岩油的可动性与页岩油赋存机理、状态直接相关,游离油被认为是页岩油产出的有效贡献者,而页岩油的赋存机理、状态与泥页岩组成、含油性及微观结构等有关。立足这一认识,本文以济阳坳陷沙河街组(沙三下和沙四上段)泥页岩为例,经前期大量的资料搜集、岩芯采集及实验分析后,结合靶区页岩油生产实践,在明确研究区以富有机质纹层状/层状泥质灰岩/灰质泥岩相、含有机质块状岩相等为主的6种岩相类型的基础上,开展了泥页岩地球化学、微观储集空间、页岩油赋存机理、吸附/游离油定量表征及可动性评价等方面的研究,建立了页岩油甜点指数预测模型,并对靶区内页岩油重点探井进行了初步地质应用,以期为研究区页岩油的有效勘探提供科学依据。1.在泥页岩地球化学及含油性特征方面,创新性的提出了利用单次常规热解实验表征泥页岩含油量的方法,明确了研究区不同凹陷、层位、页岩油探井及不同岩相之间含油性差异性,从含油量和含油组分角度,论证了纹层状岩相为优势岩相。(1)就常规热解实验,首次建立了利用产烃率指数PI预测T_OK(重烃和裂解烃热解的温度阈值)模型,建议可采用465℃作为T_OK阈值快速评价含油量。(2)尽管东营和沾化泥页岩有机质丰度和含油量差异不大,但前者的轻质油(S₁)含量、含油组分、游离油量明显优于后者;沙四上段的S₁含量大于沙三下段;重点页岩油探井中,以利页1、牛页1井含油量(组分)最高(轻),罗69井其次,樊页1井最差;不同岩相之间,富有机质纹层状含油量、吸附游离油量均大于层状、块状岩相;含有机质纹层状岩相吸附油比率最低,块状岩相最高,油质最重,其饱和烃含量仅为33.06%。2.在泥页岩物性及储层微观特征方面:提出了一种新的核磁共振表征孔隙度、孔径分布的方法,并综合低温氮、压汞、扫描电镜(含大面积拼接)等实验揭示了泥页岩微观孔隙结构及演化特征,从宏观物性和微观结构角度,论证了纹层状岩相为优势岩相。(1)针对泥页岩骨架(基底)仍具有较强的核磁共振响应,对饱和油态泥页岩T₂衰减谱去基底反演获得孔隙中油的T₂谱,基于此T₂谱评价的孔隙度与密度法气测法结果一致;对于10 nm以下孔隙表征,以低温氮为基准,传统核磁法的相对误差高达134.15%,而新方法可降低至15%以下。(2)研究区泥页岩发育以粘土矿物层间孔为主的6种孔-裂隙类型,有机孔不发育,泥页岩比表面积及孔体积主要由粘土矿物相关孔贡献。从纹层状→层状→块状,泥页岩孔径分布逐渐变窄、小,尽管块状岩相具有较高的孔隙度,但孔隙主要由小孔贡献,且分布零散,渗透率低。(3)成熟度增加,比表面积先降后增,其降低主要与伊蒙混层的脱水转化有关,增加可能与有机孔的形成有关;中孔(100-1000 nm)体积的变化是孔隙度演化的微观体现。3.在页岩油赋存机理及定量评价方面:综合环境扫描电镜、洗油前后孔径分析、分子模拟、核磁共振T₁-T₂谱等技术揭示了页岩油的赋存机理,包括赋存的形态、孔隙类型、赋存空间尺寸及演化、不同赋存状态页岩油赋存孔径下限、赋存微观特征、吸附油的影响因素等;建立了核磁共振T₁-T₂谱定量表征吸附、游离油的方法以及一种预测页岩油吸附量的地质评价模型。(1)页岩油常见以油珠和油膜形态赋存于有机质及粘土矿物孔隙相关孔中,对于无机孔隙,镜下显示并非所有孔隙均含有页岩油(吸附油);构建了页岩油赋存的孔径分布曲线,明确了残留油主要赋存在100 nm以下孔隙内,页岩油赋存的孔径特征受页岩油含量与其发育孔隙的控制,且由纹层状→层状→块状,中、大孔页岩油的含量逐渐变小;随着热演化增加,微孔(<25 nm)页岩油含量增加,但比率先降低后增加,而中孔页岩油含量和比率先增加后降低,是生烃高峰期的页岩油含量变化趋势一致。(2)根据页岩油赋存的孔径分布,结合常规/改进的热解实验,界定了游离油的赋存下限为5 nm,可动油为30 nm,S₁为10 nm。(3)页岩油在孔隙壁面以3-4层吸附,吸附层以类固态形式存在,每层厚度约0.442 nm,沿长链方向平行于壁面呈排分布;远离壁面,吸附层密度逐渐降低至孔隙中心游离态不变;复杂页岩油组分吸附时发生竞争吸附现象,轻质组分趋向于孔隙中心,而芳烃、极性组分更易吸附在孔隙表面;石墨烯吸附油能力约为1.9 mg/m~2。(4)综合分子模拟和宏观实验,论证了孔隙尺寸、岩石组分、流体组分、成熟度、温压以及含水条件对页岩油吸附的影响规律,揭示了TOC和成熟度为中低熟陆相页岩油吸附的主控因素。(5)创新性的建立了一种利用核磁共振T₁-T₂谱定量表征泥页岩吸附油和游离油量的方法,结合改进的热解实验,界定了游离油、吸附油的T₂截止值分别为1 ms和0.2 ms;阐明了有机氢的核磁谱与热解温度谱之间的对应性及二者的定量关系,建立了研究区吸附、游离油比率的演化图版。(6)基于有机吸附和无机吸附,建立了一种考虑岩石组分、成熟度、微观孔隙结构特征以及无机孔隙有效吸附比例(f(e))等因素的页岩油吸附量的评价模型,分别阐明了有机质和无机矿物对页岩油吸附能力,揭示了中低熟阶段页岩油的吸附以有机吸附为主(平均83.11%),且随着成熟度增加,有机吸附油比率降低。4.综合前述泥页岩地球化学(含油性)、物性及储层微观特征、页岩油赋存状态及吸附、游离油量等方面,探讨了页岩油的可动性评价方法和影响因素,创新性提出了一种页岩油甜点指数预测模型,并进行了地质应用。(1)基于地球化学参数统计,界定了研究区可动油甜点区的界限为:100×S₁/TOC>120 mg/g,饱和烃含量>40%,游离油含量>5 mg/g;低TOC的含有机质纹层状泥质灰岩相在可动油方面具有较好的勘探潜力,建议优先关注。(2)初步提出了利用核磁共振T₁/T₂评价游离油可动性的方法,并从泥页岩物性、含油性及离心实验角度论证了该方法的可行性,及其后期应用的巨大优势。(3)综合考虑页岩油游离油量(可动性)和泥页岩储层可压裂性,构建了页岩油甜点指数模型。该模型以测井评价泥页岩有机/无机非均质性技术为手段,以S₁轻重烃恢复、页岩油吸附模型、泥页岩可压裂性模型为支撑,结合靶区页岩油实际生产特征,界定了页岩油甜点区的下限为:甜点指数SSI>0.1,游离油量>5 mg/g,可压裂性指数>0.7。并据此认识,对研究区页岩油重点井位的甜点段进行预测和地质应用。