鞏建強

(中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257015)

隨著常規(guī)油氣勘探開發(fā)程度的不斷提高,頁巖油氣正逐步成為重要領域和后備陣地[1- 4]。美國是頁巖油氣勘探開發(fā)最為成功的國家,頁巖氣的快速勘探開發(fā)使美國天然氣儲量增加了40%。近年來受美國頁巖氣成功開發(fā)的啟示,中國加強了頁巖氣形成條件和成藏機理研究,在頁巖氣儲層方面,對泥頁巖儲層的形成條件、儲層類型和基本特征進行研究,并提出針對頁巖氣的儲層評價標準[5-7]。鄒才能等[8]通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡和納米CT技術在泥頁巖中首次發(fā)現(xiàn)納米級空隙,掀開了油氣儲層納米級空隙研究的序幕。

濟陽坳陷古近系沙三下亞段和沙四上亞段泥頁巖中蘊含著巨大油氣資源[9-10]。濟陽坳陷頁巖油氣發(fā)現(xiàn)始于20世紀60年代,有35口井在泥頁巖段獲工業(yè)油流,據(jù)2012年《中國石化頁巖油氣資源評價與選區(qū)專項》研究結果,濟陽坳陷泥頁巖中頁巖油資源量約為34.8×108t,展示了頁巖油氣在濟陽坳陷良好的勘探前景[11]。相比北美地區(qū),濟陽坳陷泥頁巖主要為陸相沉積,湖相泥巖非均質性強、巖石類型多、巖性變化快,影響泥頁巖儲集性的因素眾多[12-13],所以落實頁巖油氣儲集性、預測甜點分布是泥頁巖研究的主要內容。通過研究不同沉積環(huán)境和巖相組合的泥頁巖儲集特征,明確巖相類型儲集空間發(fā)育模式,恢復頁巖孔隙演化規(guī)律對中國東部陸相頁巖油氣勘探開發(fā)具有重要的指導意義。

1 區(qū)域地質背景

濟陽坳陷東鄰郯廬斷裂,西北以大型基底斷裂與埕寧隆起相接,南鄰魯西隆起區(qū),由西向東撒開,西窄東寬,坳陷內在地貌上呈“群山環(huán)湖、群湖環(huán)山”的景觀,凹陷呈“北斷南超、北深南淺”的箕狀結構,面積約2.6×104km2,是一個中新生代裂陷-斷陷-坳陷復合型盆地(圖1)。

在地區(qū)分布上,以東營凹陷頁巖油資源量最多,約為19.5×108t,占總頁巖油資源量的52.0%;其次為渤南洼陷,頁巖油資源量為7.0×108t,占總頁巖油資源量的18.7%;以下依次為臨南洼陷、孤北洼陷、車鎮(zhèn)凹陷和孤南-富林洼陷。東營凹陷和沾化凹陷的渤南洼陷為濟陽坳陷近期頁巖油勘探最為有利的地區(qū)。

在層系分布上,沙三下亞段泥頁巖中頁巖油氣資源分布范圍較廣,頁巖油資源最為豐富,約為23.3×108t,占總頁巖油資源量的62.2%;其次為沙四上亞段,頁巖油資源量約為11.0×108t,占總頁巖油資源量的31.0%;沙一下亞段頁巖油資源量最少,約為2.5×108t,僅占總頁巖油資源量的6.8%。在深度分布上,濟陽坳陷頁巖油資源主要分布于3 000～4 500 m。

圖1 濟陽坳陷區(qū)域位置、構造單元劃分及泥頁巖發(fā)育特征

2 泥頁巖巖石學特征

單純的礦物組成及巖石類型不能全面反映巖石特點[14]。采用巖心觀察、薄片鑒定與X-衍射分析相結合的手段,綜合巖石結構、構造特征和成分特征組合法將濟陽坳陷沙河街組泥頁巖劃分為11種巖相(圖2),其中以層狀泥質灰?guī)r相、紋層狀泥質灰?guī)r相為主,其次為層狀灰質泥巖相、層狀含泥質灰?guī)r相等。層狀、紋層狀顯晶泥質灰?guī)r和灰質泥巖相常為富集高產層,系有利巖相,為次生成因。

3 泥頁巖儲集空間特征

泥頁巖中的儲集空間包括泥巖裂縫和孔隙兩大類。裂縫主要包括層間微裂縫、構造裂縫[15];孔隙主要為微孔隙,包括黏土礦物微孔、方解石溶蝕孔、黃鐵礦晶間孔等[16]。通過環(huán)境掃描分析和原子力顯微鏡分析表明,濟陽坳陷沙河街組泥頁巖儲集空間以層間微裂縫、黏土礦物晶間孔、方解石溶蝕孔、黃鐵礦晶間孔及構造張裂縫為主。

3.1 裂 縫

(1)層間微裂縫。紋層狀巖石中,由于不同紋層在埋藏過程中平行于層面方向伸展率或收縮率存在差異,紋層間相對易于分離形成頁理縫。

常在不同成分紋層間發(fā)育(圖3(a)～(d)),寬度較窄,均在0.02 mm以下,但其重要意義在于發(fā)育潛在微裂縫而且容易順層延續(xù)。掃描電鏡下,層間微裂縫一般長度為10～100 μm,縫寬為0.5～2 μm。

(2)超壓微裂縫。有機質在演化過程中產生的異常壓力縫指有機質演化過程中產生局部異常壓力使巖石破裂而形成的裂縫,此類裂縫優(yōu)先突破層間縫而形成。一方面,在烴源巖生烴增壓演化過程中,烴源巖大量排水和各類陽離子,因此常常引起礦物溶解及再沉淀,表現(xiàn)為重結晶的方解石晶體充填于增壓過程中產生的順層縫中(圖3(d)、(g)),重結晶的晶體常發(fā)育晶間孔縫;另一方面,含烴流體垂向運移形成的異常壓力縫相對縫面不規(guī)則,不成組系性,多見泥質及有機質混合物殘留在不規(guī)則超壓縫中(圖3(h))。

(3)構造縫。構造裂縫是指在構造應力的作用下形成的裂縫,縫面較平直,常見紋層被錯斷的現(xiàn)象。裂縫常被方解石充填,但充填常不完全,鏡下觀察可見充填殘余孔隙,并被黑色瀝青質充填(圖3(e)、(i))。

圖2 濟陽坳陷沙河街組泥頁巖主要巖相類型

3.2 孔 隙

泥頁巖孔隙微小,薄片觀察僅見少量方解石晶間孔,熒光觀察可見到部分方解石發(fā)出綠色熒光、晶間瀝青質不發(fā)光,為油氣運聚的證據(jù)。

(1)黏土礦物晶間微孔。與砂巖中多孔性的黏土礦物相比,泥頁巖中黏土礦物由于缺乏碎屑顆粒的支撐保護,通常形態(tài)上表現(xiàn)為片狀。這類孔隙長度一般<10 μm,寬度一般≤1 μm(圖3(j)、(m))。

(2)碳酸鹽礦物晶間孔。濟陽坳陷泥頁巖常常富含碳酸鹽礦物,并以方解石為主。偏光顯微鏡下可見亮晶方解石晶間孔(含黑色瀝青質)(圖3(k)),是重要的孔隙類型,最大為60 μm(圖3(o));電鏡下可見方解石晶間微孔常和黏土礦物微孔相互疊合(圖3(l))或者呈現(xiàn)互層狀產出(圖3(n))。局部見方解石及白云石的晶內溶蝕孔隙。

傳統(tǒng)的CLIQUE算法在處理問題空間時，根據(jù)給定的劃分參數(shù)將問題空間每一維等分為若干分，然后使用 MDL（Minimum Description Length）[10]算法對劃分后的網(wǎng)格單元進行剪枝，剔除網(wǎng)格密度低于給定的密度閾值的網(wǎng)格單元。但是當給定的劃分參數(shù)不恰當時，會導致算法忽略稠密區(qū)域的邊界甚至整個稠密區(qū)域，使得聚類結果呈鋸齒狀或丟失聚類，降低聚類結果的準確性。圖1（a）和圖1（b）分別展示了采用固定寬度劃分問題空間的缺陷。

(3)黃鐵礦晶間微孔。根據(jù)對羅69、牛頁1等重點取心井的統(tǒng)計,泥頁巖中黃鐵礦含量通常在2%～3%,部分樣品黃鐵礦含量達到10%以上,因此黃鐵礦晶間孔也是一類重要的儲集空間。黃鐵礦晶間孔發(fā)現(xiàn)的另一個重要意義在于環(huán)境掃描電鏡下可觀察到其為有效油氣儲集空間,孔徑尺寸一般為10～100 nm(圖3(l)),說明頁巖油氣可以在非常細小的孔隙中保存。

(4)砂質粒間微孔

據(jù)系統(tǒng)取心樣品電鏡觀察,黏土礦物常和石英、長石等陸源碎屑相混產出,相應發(fā)育不規(guī)則狀粒間微孔。

綜上所述,泥頁巖孔隙型儲集空間形態(tài)受礦物類型、大小及礦物顆粒相互關系的控制。黏土礦物晶間微孔主要為片狀孔,當黏土礦物和石英、長石等陸源碎屑相混或與碳酸鹽礦物同時沉積時,則整體表現(xiàn)為不規(guī)則粒狀孔;碳酸鹽礦物晶間孔一般為不規(guī)則粒狀孔,柱纖狀方解石晶間孔為垂直層理的孔縫;黃鐵礦、自生石英及其它自生礦物晶間孔一般均為不規(guī)則粒狀;有機質孔隙常和黏土礦物密切相關,多為收縮型孔縫。

4 泥頁巖儲集空間發(fā)育模式

巖石整體孔隙空間組合受巖石構造類型及裂縫發(fā)育情況的控制。按照巖石中孔隙型儲集空間發(fā)育特征及組合,首先將泥頁巖分為紋層狀、層狀和塊狀三類:紋層狀巖石孔隙型儲集空間明顯具有不同形態(tài)儲集空間組合互層產出的特點;層狀巖石孔隙型儲集空間具有整體較均勻、單個孔隙具橫向拉長的趨勢;塊狀巖石孔隙型儲集空間整體較均勻、形態(tài)以不規(guī)則粒狀為主。不同類型巖石孔隙型空間組合,疊加各類成巖裂縫及構造裂縫,即形成復雜的網(wǎng)絡型儲集空間。

(a)羅69,3 095.16 m,順層微裂縫;(b)羅69,3 029.18 m,層間微裂縫;(c)羅69,3 046.57 m,順層微裂縫發(fā)亮黃色熒光;(d)羅69,3 060.62 m,柱纖狀方解石;(e)羅69,3 077.35 m,方解石半充填縫含油;(f)羅69,3 021.05 m,未充填微裂縫發(fā)綠色光;(g)牛872,3 205.8 m,順層縫;(h)牛38,3 358.0 m,超壓縫;(i)樊120,3 279.3 m,構造縫;(j)羅69,3 039.60 m,片狀微孔隙;(k)羅69,3 055.60 m,方解石晶間孔見瀝青質;(l)羅69,2 992.60 m,方解石、黏土及黃鐵礦晶間微孔;(m)坨731,307.0m,片狀微孔;(n)樊12,3 271.5 m,粒狀與片狀微孔;(o)牛872,3 206 m,方解石晶間孔縫圖3 濟陽坳陷沙河街組泥頁巖儲集空間特征

4.1 紋層狀泥頁巖儲集空間模式

紋層狀泥頁巖紋層類型主要有:有機質紋層、富有機質泥質紋層、方解石紋層及泥灰質紋層等。

純有機質紋層較為少見,主要發(fā)育收縮孔縫;泥質紋層常常富含有機質,泥質常定向產出,主要發(fā)育長寬比較大的片狀孔;方解石紋層根據(jù)方解石晶粒特點,主要發(fā)育不規(guī)則粒狀孔隙,方解石粒度越粗,相對孔徑越大,柱纖狀方解石晶間主要發(fā)育垂直層理的孔縫;泥灰質紋層主要為隱晶方解石與泥質相混,一般發(fā)育不規(guī)則粒狀孔隙。不同成分紋層間易于產生頁理縫和層面滑脫縫,礦物收縮縫主要產于黏土礦物中,超壓縫主要發(fā)育于有機質富集層段。構造縫一般以中、高角度為主,常被方解石等礦物充填或半充填。

以紋層狀(含)泥質灰?guī)r或(含)灰質泥巖為例,可建立儲集空間發(fā)育模式總體上孔隙型儲集空間表現(xiàn)為片狀微孔層與不規(guī)則粒狀微孔層互層的特點,粒狀微孔層相對孔隙連通性較好,可以連通上下的片狀微孔層,紋層間可能產出順層微裂縫,疊加后期構造縫,則形成立體網(wǎng)絡空間。當方解石紋層呈柱纖狀結構時,則表現(xiàn)為垂向微孔縫溝通上下片狀微孔層及粒狀微孔層,巖石整體孔滲性相對最為理想。

4.2 層狀泥頁巖儲集空間模式

層狀泥頁巖根據(jù)礦物組分的相對組成可細分為層狀泥巖、層狀(含)灰質泥巖、層狀(含)泥質灰?guī)r等類型,總體特點為泥質和碳酸鹽礦物相混產出,常見碳酸鹽紋層及富有機質黏土紋層,但鏡下觀察紋層常常不連續(xù)或呈透鏡狀,亦見少量細小炭屑、陸源粉砂及介形蟲碎片等順層定向分布。

方解石紋層根據(jù)晶粒特征可分為隱晶方解石紋層和顯晶方解石紋層,主要發(fā)育不規(guī)則粒狀孔;泥質層主要發(fā)育長寬比較小的片狀孔;泥質、灰質相混層主要發(fā)育不規(guī)則粒狀孔隙。這類巖石不易產生頁理縫和層面滑脫縫,礦物收縮縫主要產于泥質層中,超壓縫主要發(fā)育于有機質富集層段。構造縫一般以中、高角度為主,常被方解石等礦物充填或半充填。

以層狀泥巖和(含)泥質灰?guī)r或(含)灰質泥巖為例,可建立儲集空間發(fā)育模式,層狀泥巖總體上孔隙型儲集空間表現(xiàn)為長寬比較小的片狀孔和泥質與粉砂等相混產生的不規(guī)則粒狀孔為主,局部疊加有機質演化孔縫和粒狀砂質孔隙等;(含)泥質灰?guī)r或(含)灰質泥巖常見連續(xù)性較差的方解石紋層,總體上孔隙型儲集空間表現(xiàn)為片狀微孔層與不規(guī)則粒狀微孔層不規(guī)則互層或組合的特點,粒狀微孔層相對孔隙連通性較好,可連通周圍的片狀微孔層。層狀巖石孔隙型儲集空間疊加后期構造縫,可形成立體網(wǎng)絡空間。

4.3 塊狀泥巖儲集空間模式

塊狀泥頁巖以塊狀構造為特征,根據(jù)礦物組成主要分為塊狀泥巖、塊狀(含)灰質泥巖、塊狀泥質灰?guī)r、塊狀粉砂質泥巖等類型,鏡下觀察泥質常與碳酸鹽等礦物和石英等陸屑較均勻相混產出,有機質含量較低。其孔隙型儲集空間以粒狀不規(guī)則微孔為主,可疊加后期構造裂縫,形成較為簡單的孔隙空間組合。

5 泥頁巖孔隙演化規(guī)律

泥頁巖中的基質孔隙一般孔喉非常細小,壓實初期,泥巖孔隙度較大,孔隙流體及其所攜帶的分子或離子均具有很好的暢通性,能夠順利地進行物質交換。隨著埋深的增大,泥巖的微孔隙將越來越小,當孔隙小到對孔隙流體流動具有束縛性時,孔隙內物質流通將趨于停止。

經(jīng)過強烈壓實后的泥巖,孔隙水較少,滲透率降低,孔隙排液不暢,有機質成熟生成的烴類被封閉在泥巖內部形成異常流體壓力,當流體壓力達到上覆靜巖壓力的80%時,可打開巖石的脆弱面(層理、裂隙)形成微裂縫;微裂縫開啟后,原先封閉的流體沿裂縫排出,即微裂縫替代微孔隙成為新的流體主要運移通道。地層中微裂縫的開啟和閉合具有幕式特征。此外,源巖地層中一切滲透率增高地帶均可成為流體運移通道,如礦物顆粒與有機質之間及次生晶體之間的縫隙、微晶洞、含砂較多的條帶或微細夾層、層面、節(jié)理、斷層等。

借鑒前人研究成果,綜合泥頁巖儲集性特征研究建立了濟陽坳陷泥頁巖孔隙結構演化模式(圖4),總體可分為基本面貌形成、調整和滯變三個階段。

5.1 孔隙結構形成階段

孔隙結構雛形階段:埋深小于800 m,地溫小于43 ℃,鏡質體反射率Ro<0.2%,相當于早成巖階段早期,隨著上覆沉積物厚度加大,泥質沉積物中大量的自由水快速排出,密度相應增大,有效孔隙度大致由大于60%急劇下降到25%。泥質沉積物處于高速壓縮狀態(tài),疏松的泥質沉積物演變?yōu)檩^為致密的巖石。黏土礦物質點往往與隱晶碳酸鹽質點、粉砂以及有機質共生?？紫吨饕瞧瑺铕ね恋V物間定向性比較差的不規(guī)則片間孔隙和因脫水而形成的收縮裂縫,陸屑集中部位可形成粒間孔隙,碳酸鹽礦物質點間形成不規(guī)則粒狀孔隙。在淺埋藏的堿性還原環(huán)境中,有機質在生物化學作用下開始分解,并生成少量甲烷等天然氣體,這些氣體排出時可形成氣體逸出孔隙(氣脹孔)。但由于壓實強度不高,各種孔隙均未定型,孔喉連通性一般較好,為泥頁巖孔隙結構的雛形。

圖4 濟陽坳陷沙河街組泥頁巖孔隙演化特征

孔隙結構基本定型階段:埋深約800～1 800 m,地溫約在43～75 ℃, 鏡質體反射率Ro為0.2%～0.35%,相當于早成巖階段晚期。隨著上覆地層厚度加大,機械壓實作用繼續(xù)增強,頁巖中的自由水基本排出,黏土礦物之間和粉砂之間的孔隙水以及裂縫中的縫隙水逐漸排出。黏土礦物質點間的失水不均會產生一些細小的收縮微裂縫。部分有機質因生物-熱催化作用,會產生少量有機酸,可對先期碳酸鹽礦物進行局部溶蝕。該期成巖作用的特點仍以機械壓實作用為主,巖石逐漸致密,孔隙度由25%逐漸下降到約20%。以片間孔為主體的各種孔隙結構基本定型。

5.2 孔隙結構調整改造階段

當泥頁巖埋深大致在1 800～3 000 m,地溫介于75～125 ℃,鏡質體反射率Ro介于0.35%～0.65%,相當于中成巖階段。蒙脫石大量向伊利石轉化,伊/蒙混層黏土礦物中伊利石成分很快超過50%而達到70%。蒙脫石黏土礦物中的層間水開始大量脫出。有機質演化生成油氣,并伴有乙酸、乙二酸等有機酸大量產出,有機酸可對碳酸鹽等物質進行溶蝕。根據(jù)物質平衡原理,對應溶蝕作用必然有沉淀作用,碳酸鹽礦物在此階段會表現(xiàn)出較復雜的溶解-沉淀現(xiàn)象,進行晶粒大小、結構及產狀的重組。

該階段大致對應東營期構造運動活動期,巖石中易形成各種構造裂縫,為油氣運移和有機酸等流體流動提供通道,對碳酸鹽礦物的重組起明顯促進作用,從而孔隙面貌有了較大調整。粒間溶蝕擴大孔、氣脹孔、成巖收縮縫、構造裂縫數(shù)量形成較多,孔隙型儲集空間定向排列的特征基本成型。

5.3 孔隙結構滯變階段

當泥頁巖埋深大于3 000 m,地溫大于125 ℃,鏡質體反射率Ro大于0.65%,相當于深埋晚成巖階段。壓實效應不明顯,而以黏土礦物的轉變和碳酸鹽礦物的重結晶現(xiàn)象較為突出。伊/蒙混層黏土礦物中伊利石含量已經(jīng)超過70%,可達90%,伊利石在黏土礦物中的含量可增加到60%以上,以混層黏土礦物為主的頁巖逐漸轉變?yōu)橐砸晾ね恋V物為主的頁巖。黏土礦物在脫出層間水的同時,黏土礦物和碳酸鹽礦物的重結晶現(xiàn)象明顯。深埋藏高溫高壓條件下黏土礦物脫水作用和有機質大量生烴作用,使巖石內部流體壓力不斷增高,壓力系數(shù)可達1.6以上,一方面保護孔隙不會減小,另一方面頁巖更容易產生成巖微縫,從而增加了孔隙度。

當埋藏深度大于3 400 m,源巖生烴作用由生油為主逐漸轉化為生氣為主,地層流體溶液趨于飽和產生較多沉淀作用,裂縫和孔隙往往被各種新生礦物(如方解石、白云石、自生石英、黃鐵礦、硬石膏等)充填膠結,導致孔隙度降低;地層流體排出后,巖石內部流體壓力降低,部分裂縫相應閉合。巖石孔喉中值半徑常縮小到4 nm以下,巖石致密。

6 結 論

(1)濟陽坳陷沙河街組泥、頁巖微米級-納米級孔隙并存,泥頁巖儲集空間以各級裂縫為主脈,以碳酸鹽礦物晶間孔、黏土礦物微孔和黃鐵礦晶間孔為基質的多級分層網(wǎng)絡的特點。同時輕質原油在基質孔隙中浸染狀產出并在裂縫周圍富集,反映微米-納米級儲集空間具保存液態(tài)烴類的儲集能力。

(2)濟陽坳陷沙河街組泥頁巖具有高碳酸鹽、低碎屑黏土的成分特征,頁巖結構可以劃分為紋層構造、層狀構造和塊狀構造三類,根據(jù)巖石結構構造特征可以劃分出紋層狀泥質灰?guī)r相等4種基礎巖相類型,其中測井高伽馬、低聲波、高電阻帶的紋層狀泥質灰?guī)r相具有較好的儲集性和含油性條件。

(3)濟陽坳陷沙河街組泥頁巖經(jīng)歷了泥頁巖孔隙結構形成、調整改造和滯變3個階段,泥頁巖孔隙結構調整改造階段,紋層狀泥頁巖和層狀泥頁巖形成各種構造裂縫、粒間溶蝕孔、氣脹孔和成巖收縮縫,是最有利的頁巖油儲集類型。