邵新荷,龐雄奇,胡 濤,徐田武,徐 源,唐 令,李 慧,李龍龍

[1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué) 學(xué)院,北京 102249; 3.中國石化 中原油田分公司,河南 濮陽 457001; 4.中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)天然氣研究院,北京 102249]

隨著人們對含油氣系統(tǒng)認(rèn)識的逐步深入以及能源需求的不斷增長,世界油氣資源勘探開發(fā)重點逐漸轉(zhuǎn)向非常規(guī)油氣,特別是頁巖油氣領(lǐng)域的發(fā)展極為迅速[1-4]。國內(nèi)一些開發(fā)較為成熟的盆地中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了巨大的頁巖油氣資源,在過去幾十年的勘探歷程當(dāng)中,東濮凹陷沙河街組三段泥頁巖中多次見到油氣顯示,特別是柳屯洼陷的PS18-1井在沙三上亞段當(dāng)中獲取了100 m3/d的高產(chǎn)稠油[5],展現(xiàn)出東濮凹陷沙三段泥頁巖中擁有可觀的頁巖油氣資源潛力。頁巖油氣聚集具有源儲一體的特征,泥頁巖既作為烴源巖,又作為儲集體[6-9],泥頁巖孔隙空間的發(fā)育特征對于頁巖油氣資源的勘探開發(fā)至關(guān)重要。陸相湖盆沉積非均質(zhì)性強(qiáng)、空間上相變快、巖性組合多樣[10],因此對于陸相泥頁巖儲層的研究具有相當(dāng)?shù)碾y度。本文以渤海灣盆地東濮凹陷沙河街組三段(沙三段)泥頁巖為對象,針對其儲集空間的微觀結(jié)構(gòu)特征展開研究,一方面可以明確泥頁巖孔隙發(fā)育的主控因素,對刻畫沙三段泥頁巖儲層的分布發(fā)育提供依據(jù),另一方面能夠分析儲集空間微觀特征對頁巖油氣滯留的意義,對東濮凹陷沙三段泥頁巖油氣資源的勘探開發(fā)具有一定的理論應(yīng)用價值。

1 地質(zhì)背景與樣品采集

東濮凹陷位于渤海灣盆地西南端,面積約5 300 km2,在3條北北東向的大斷裂(蘭聊斷裂帶、黃河-文西西-觀城斷裂帶、長垣-石家集-宋廟斷裂)的控制下,東濮凹陷形成了“兩洼一隆一陡一斜坡”的構(gòu)造格局[11-12](圖1);同時,東濮凹陷的沉積及構(gòu)造演化特征在海通集-橋口-白廟一線南北兩側(cè)也具有很大差異,鹽湖沉積在北部較為發(fā)育而在南部不發(fā)育,整體呈現(xiàn)出“東西分帶、南北分塊”的特征[13]。研究區(qū)內(nèi)地層由第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組及館陶組、古近系東營組、沙河街組及孔店組組成。沙河街組是一套重要的油氣勘探層系,自上而下分為沙一段、沙二段、沙三段及沙四段(圖1),其中沙三段是研究區(qū)內(nèi)泥頁巖發(fā)育的主要層系,也是本文的研究對象,巖性組成十分復(fù)雜。巖心描述結(jié)果顯示其發(fā)育有灰-深灰色泥巖、粉砂巖、鹽巖、膏巖等[14],該區(qū)沙三段主要為湖相背景下的三角洲和半深湖-深湖沉積。本次研究在東濮凹陷北部典型勘探井中選取24塊泥頁巖樣品,并對樣品進(jìn)行了XRD全巖礦物分析、薄片鑒定及掃描電鏡觀察、低壓氮?dú)馕降葘嶒?并收集了300余個樣品點的有機(jī)地化分析數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上開展對沙三段泥頁巖儲層孔隙微觀特征的研究。

2 礦物組成特征

對24塊樣品進(jìn)行鏡下薄片鑒定及XRD全巖礦物分析結(jié)果表明(圖2),東濮凹陷沙三段泥頁巖儲層礦物組成包括石英、長石、碳酸鹽礦物、粘土礦物和石膏等,不同樣品礦物相對含量變化較大。石英+長石礦物含量介于11.8%～54.6%,平均為33.2%;碳酸鹽礦物以方解石為主(0.8%～54.6%,平均為20.2%),同時含有白云石,其含量普遍小于15%;粘土礦物含量介于11.2%～67.0%,平均為34.8%;石膏含量在0.3%～17.2%,平均為8.4%;其他礦物包括石鹽、黃鐵礦和菱鐵礦等,總含量普遍小于17.3%,平均為3.64%。

根據(jù)礦物的相對含量可將東濮凹陷沙三段泥頁巖劃分為粘土礦物、石英、長石礦物含量較高的粉砂質(zhì)泥巖、碳酸鹽礦物含量高的灰質(zhì)泥頁巖及石膏或石鹽含量高的膏質(zhì)泥巖或蒸發(fā)巖?？傮w而言,沙三段泥頁巖礦物組成十分復(fù)雜,反映了該套泥頁巖在沉積時期水體鹽度和水動力條件不斷變化。深湖-半深湖相主要沉積灰質(zhì)泥頁巖及膏質(zhì)泥巖,前三角洲泥和水下分流間灣主要沉積粉砂質(zhì)泥巖,高含量的石鹽則能夠反映水體鹽度的上升[10,15]。

3 地球化學(xué)特征

東濮凹陷沙三段泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度非均質(zhì)性很強(qiáng),研究區(qū)南北部差異明顯(表1)。整體而言,TOC(有機(jī)碳含量)介于0.13%～8.51%范圍內(nèi),平均為0.90%;熱解S1+S2(生烴潛量)介于0.03～68.45 mg/g范圍內(nèi),Tmax(熱解峰溫)主要集中在359～537 ℃。該套泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型、Ⅰ 型為主,腐泥組和殼質(zhì)組是干酪根顯微組分的主要組成,少數(shù)樣品干酪根顯微組分以鏡質(zhì)組為主,說明水生生物和陸生植物對沙三段泥頁巖中有機(jī)質(zhì)均有貢獻(xiàn),但以水生生物為主。不同巖性有機(jī)質(zhì)豐度與類型都存在差異,例如灰質(zhì)泥巖與膏鹽巖有機(jī)質(zhì)豐度高,生烴潛力較大,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型、Ⅱ1型為主，而粉砂質(zhì)泥巖中有TOC豐度與生烴潛力較低,有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型,含有少量Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。

圖1 東濮凹陷構(gòu)造分區(qū)及地層綜合柱狀圖Fig.1 Tectonic division and stratigraphic column of Dongpu Sag

圖2 東濮凹陷沙三段泥頁巖礦物組成Fig.2 Mineral composition of Es3 shales in Dongpu Sag

地球化學(xué)參數(shù)膏鹽巖發(fā)育地區(qū)膏鹽巖不發(fā)育地區(qū)TOC/%0.15～8.510.13～2.661.110.56(S1+S2)/(mg·g-1)0.04～68.450.03～14.494.161.23Tmax/℃412～537359～491439447

沙三段泥頁巖成熟度變化較大,Ro(鏡質(zhì)體反射率)分布在0.30%～2.25%范圍內(nèi),主要分布在0.5%～1.5%,說明研究區(qū)內(nèi)大部分烴源巖已經(jīng)開始生烴,一些埋藏較深的泥頁巖已經(jīng)進(jìn)入生氣階段。前人研究表明,東濮凹陷中膏鹽巖的廣泛發(fā)育對于泥頁巖的熱演化過程具有重要影響(圖3)。膏鹽巖對地溫傳導(dǎo)能力較強(qiáng),含膏鹽地層中泥頁巖與膏鹽巖空間配置關(guān)系不同,導(dǎo)致泥頁巖的熱演化程度與同深度下無鹽地層中的烴源巖有明顯差異[16]?？傮w而言,東濮凹陷沙三段泥頁巖熱演化特征在空間上變化十分復(fù)雜。

圖3 東濮凹陷沙三段泥頁巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)與深度關(guān)系Fig.3 Vitrinite reflectance(Ro)vs.burial depth of Es3 shales in Dongpu Saga.膏鹽巖發(fā)育地區(qū);b.膏鹽巖不發(fā)育地區(qū)

4 孔隙類型

東濮凹陷沙三段泥頁巖儲層非均質(zhì)性極強(qiáng),孔隙類型、大小和形態(tài)等特征在空間上變化很大。本文結(jié)合鏡下薄片鑒定及掃描電鏡觀察結(jié)果,根據(jù)Loucks等在2012年的分類[17],將沙三段泥頁巖中的孔隙類型劃分為:礦物基質(zhì)孔(粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙)、有機(jī)孔和裂縫,并對各類型的孔隙特征進(jìn)行分析刻畫(圖4)。

4.1 粒間孔隙

根據(jù)掃描電鏡觀察結(jié)果,沙三段泥頁巖整體致密,粒間孔隙發(fā)育較少,通常以殘余粒間孔的形式存在于骨架礦物顆粒之間,如石英、長石和方解石等。形狀多呈不規(guī)則多邊形,孔徑大小差異明顯,通常為微米級(圖4a—c)。特別是在石鹽礦物含量高的泥頁巖中,能夠在石鹽晶體之間形成粒間孔,該類孔隙通常為圓形或橢圓形,在溶蝕作用下孔隙能夠生長連片,發(fā)育連通的孔隙網(wǎng)絡(luò)(圖4d)。此外,粘土礦物粒間孔隙也較為發(fā)育,孔隙多為片狀生長于粘土礦物集合體內(nèi)(圖4a),孔徑較小,分布不均一。

4.2 粒內(nèi)孔隙

沙三段泥頁巖中粒內(nèi)孔隙主要為黃鐵礦集合體內(nèi)部的孔隙,方解石或白云石晶體內(nèi)部形成的次生孔隙,石膏脫水形成的解理狀孔隙及少數(shù)生物化石成因孔隙。黃鐵礦在沙三段泥頁巖中十分發(fā)育,其中以莓球狀黃鐵礦集合體發(fā)育最為普遍。莓球狀黃鐵礦集合體的形成通常伴生著有機(jī)質(zhì)及自生粘土礦物在黃鐵礦顆粒之間充填,未被充填的部分即形成孔隙,該類孔隙形狀較規(guī)則,呈團(tuán)簇狀分布,孔徑普遍較小,且與黃鐵礦顆粒大小相關(guān)(圖4e)。泥頁巖在生烴過程中能夠產(chǎn)生大量的有機(jī)酸,對方解石或白云石礦物產(chǎn)生溶蝕,從而形成次生孔隙[18]。該類孔隙分布較為集中,主要發(fā)育在方解石或白云石晶體的內(nèi)部或邊緣,呈圓形或橢圓形,孔徑變化范圍較大,最大可達(dá)3 μm?？紫哆B通性與泥頁巖生烴作用強(qiáng)弱或有機(jī)酸析出量有關(guān),生成的有機(jī)酸越多,溶蝕作用越強(qiáng)烈,特別是在碳酸鹽礦物含量高的泥頁巖中,能夠形成連通性極好的孔隙網(wǎng)絡(luò)。此外,沙三段泥頁巖中生物化石比較發(fā)育,沉積埋藏過程中生物體體腔內(nèi)逐漸充填自生粘土礦物或黃鐵礦等,并形成網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu),單體孔隙形狀不規(guī)則,呈多邊形或狹縫狀,孔隙直徑變化較大。

4.3 有機(jī)孔

本文所闡述的有機(jī)孔包括與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的孔隙及裂縫。沙三段屬于陸相湖盆沉積的泥頁巖,其熱演化程度遠(yuǎn)低于四川盆地龍馬溪組等進(jìn)入過成熟度的泥頁巖,因此它的有機(jī)質(zhì)孔隙系統(tǒng)特征也與過成熟海相頁巖在形貌、孔隙發(fā)育密度等方面有明顯差異。根據(jù)前人研究,海相過成熟泥頁巖的有機(jī)質(zhì)能夠形成海綿狀孔隙網(wǎng)絡(luò),單體孔隙形態(tài)通常為圓形或橢圓形[19]。沙三段泥頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度較低(圖4f),多數(shù)與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的孔隙空間為發(fā)育在有機(jī)質(zhì)與周圍礦物顆粒之間的收縮縫(圖4h),部分有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育原生有機(jī)孔隙,且形狀多為不規(guī)則多邊形,孔隙直徑通常小于1 μm(圖4g)。有機(jī)孔的發(fā)育與有機(jī)質(zhì)在高成熟階段大量生氣有關(guān),沙三段泥頁巖大部分處于生油階段,僅有少部分開始進(jìn)入生氣階段,因此有機(jī)孔的形成有限。有機(jī)質(zhì)邊緣形成的收縮縫目前被認(rèn)為是在樣品制備過程中形成的，不能反映有機(jī)質(zhì)在地下的狀態(tài)。

圖4 東濮凹陷沙三段泥頁巖儲層孔隙類型及微觀特征Fig.4 Types and microscopic characteristics of pores in Es3 shales in Dongpu Saga.粒間孔隙及粒內(nèi)孔隙,WN75井,埋深4 226.79 m;b.粒間孔隙及碳酸鹽礦物粒內(nèi)溶蝕孔隙,WN26井,埋深2 967.60 m;d.石鹽晶體粒間孔隙,WN26井,埋深2 967.60 m;e.黃鐵礦集合體發(fā)育粒內(nèi)孔隙,PS13井,埋深4 905.01 m;f.粒間孔隙、微裂縫及孔隙不發(fā)育的有機(jī)質(zhì),PS4井,埋深4 414.90 m;g.有機(jī)孔,PS13井,埋深4 905.01 m;h.有機(jī)質(zhì)邊緣發(fā)育微裂縫,PS12井,埋深4 588.57 m;i.層理縫,H7-18井,埋深2 120.80 m;j.石膏 充填微裂縫,WN26井,埋深2 967.60 m;l.構(gòu)造縫,WN75井,埋深4 226.79 m;c,k. WN26井,礦物能譜分析結(jié)果

4.4 裂縫

裂縫是沙三段泥頁巖儲層的一種重要的孔隙空間。根據(jù)鏡下薄片鑒定及掃描電鏡觀察結(jié)果,沙三段泥頁巖儲層中裂縫十分發(fā)育,包括順層理縫及構(gòu)造縫。順層理縫在灰質(zhì)泥頁巖中十分發(fā)育,裂縫多位于兩套紋層之間(圖4i),通常充填方解石或石膏(圖4j,k),鏡下觀察的縫寬最大可達(dá)100 μm,但巖心由地下取到地面過程中,由于壓力卸載作用的存在,裂縫在地下的寬度可能遠(yuǎn)小于地面條件下所觀測到的層間縫寬度[18]。構(gòu)造縫通常穿切層理縫發(fā)育,其寬度較小(圖4l),部分構(gòu)造縫中充填有方解石或石膏。微裂縫的形成與泥頁巖自身的各向異性及生排烴作用有關(guān),烴源巖進(jìn)入生排烴過程后在其內(nèi)部產(chǎn)生異常高壓,易沿頁巖沉積的力學(xué)薄弱面產(chǎn)生裂縫。沉積紋層之間礦物成分及力學(xué)性質(zhì)的差異性,導(dǎo)致層理縫的大量形成。

5 孔隙結(jié)構(gòu)

低壓氮?dú)馕綄嶒炇且环N表征泥頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的有效手段。本研究對24塊東濮凹陷沙三段泥頁巖樣品進(jìn)行了低壓氮?dú)馕綄嶒?在測定其比表面積及孔隙體積的基礎(chǔ)上,對其孔徑分析及孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

5.1 氮?dú)馕?解吸等溫線形態(tài)

根據(jù)國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)的分類,可根據(jù)形態(tài)將24塊沙三段泥頁巖樣品氮?dú)馕?解吸等溫線劃分為兩類。第一類等溫線形態(tài)對應(yīng)IUPAC分類下的Ⅳ型等溫線,H2型回滯環(huán)(圖5a)。在吸附的初始階段,吸附曲線呈現(xiàn)出輕微上凸的形狀,反映頁巖微孔內(nèi)部的單分子吸附或填充。隨著相對壓力(p/p0<0.8)的增加,頁巖吸附曲線首先呈近似線性上升,反映頁巖孔隙中開始發(fā)生多分子層吸附,相對壓力趨近于1時,吸附量增加速度變大,表現(xiàn)為氮?dú)庠陧搸r表面的毛細(xì)管凝聚[20],沒有吸附飽和現(xiàn)象出現(xiàn),說明存在有一定量的大孔。解吸曲線在相對壓力達(dá)到0.4時與吸附曲線不重合,在相對壓力趨近于1時兩條曲線再次閉合,形成較寬的H2型回滯環(huán),反映孔隙類型主要為大孔細(xì)喉的墨水瓶狀孔隙,且介孔及微孔發(fā)育程度較高。第二類等溫線形態(tài)對應(yīng)IUPAC分類下的Ⅲ型等溫線,H3型或H4型回滯環(huán)(圖5b)。吸附曲線在相對壓力較低(p/p0<0.8)的區(qū)域變化趨勢十分平緩,吸附量不大,在平衡壓力接近飽和蒸汽壓,相對壓力趨近于1的區(qū)域吸附量驟然增加,沒有吸附飽和現(xiàn)象出現(xiàn),反映出泥頁巖中大孔較為發(fā)育。解吸曲線與吸附曲線形態(tài)近乎重合,僅在相對壓力較高區(qū)域形成較窄的回滯環(huán),反映出四周開放的平行板狀孔隙較為發(fā)育,且孔徑范圍分布較廣。

5.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)特征

通過BJH方法計算的孔徑分布可將東濮凹陷沙三段泥頁巖孔徑分布分為3類(圖6):微孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)、大孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)和多孔徑共控孔隙結(jié)構(gòu)。微孔主導(dǎo)體系孔徑分布曲線呈單峰形態(tài),峰值對應(yīng)的孔徑通常小于10 nm,泥頁巖儲層孔隙體積主要由微孔及介孔貢獻(xiàn),大孔含量很少,該類孔隙對應(yīng)的氮?dú)馕降葴鼐€形態(tài)通常為第一類;大孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)的孔徑分布曲線也為單峰形態(tài)或上升形態(tài),其中單峰態(tài)峰值對應(yīng)的孔徑通常大于10 nm,微孔及介孔對于泥頁巖儲層孔隙體積的貢獻(xiàn)很少,而大孔主導(dǎo)著儲層孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育特征,該類泥頁巖儲層所對應(yīng)的氮?dú)馕降葴鼐€形態(tài)通常為第二類;具有多孔徑共控孔隙結(jié)構(gòu)的泥頁巖儲層通常對應(yīng)第一類氮?dú)馕降葴鼐€,其孔徑分布曲線呈現(xiàn)雙峰態(tài)或孔徑分布不均勻的多峰形態(tài),不同孔徑的孔隙對于泥頁巖儲層孔隙體積均有貢獻(xiàn)。

表2反映了沙三段泥頁巖儲層不同類型孔隙結(jié)構(gòu)的BET比表面積、孔隙體積、平均孔徑參數(shù):微孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)BET比表面積介于8.56～15.71 m2/g,平均為11.80 m2/g,孔隙體積0.008～0.021 m3/g,平均為0.013 m3/g,平均孔徑分布在4.16～5.17 nm范圍;大孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)BET比表面積介于0.29～7.70 m2/g,平均為2.94 m2/g,孔隙體積0.001 8～0.027 m3/g,平均為0.012 m3/g,平均孔徑分布在11.98～25.19 nm范圍;多孔徑共控孔隙結(jié)構(gòu)各參數(shù)變化范圍較大,BET比表面積介于3.57～22.41 m2/g,平均為8.92 m2/g,孔隙體積為0.003～0.037 m3/g,平均為0.016 m3/g,平均孔徑分布通常為4.09～10.95 nm。因此,微孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)通常具有較小的平均孔徑及較大的比表面積,大孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)具有較大的平均孔徑及較小的比表面積,但3種孔隙結(jié)構(gòu)的總孔體積差異不大。

6 泥頁巖儲層孔隙發(fā)育特征的影響因素

6.1 沉積環(huán)境

東濮凹陷沙三段泥頁巖的沉積環(huán)境較為復(fù)雜,可以劃分為塊狀粉砂質(zhì)泥巖相、紋層狀灰質(zhì)泥巖相及紋層狀膏質(zhì)泥巖相[10],具有不同的巖礦組成和有機(jī)質(zhì)豐度?？傮w而言,塊狀粉砂質(zhì)泥巖相和紋層狀膏質(zhì)泥巖相的孔隙網(wǎng)絡(luò)比表面積較紋層狀灰質(zhì)頁巖相更大,紋層狀灰質(zhì)泥巖相和紋層狀膏質(zhì)泥巖相的孔隙平均孔徑大于硅質(zhì)泥巖相(圖7)。粘土礦物和碳酸鹽礦物含量的差異性對沙三段泥頁巖孔隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性有很大影響:BET比表面積與碳酸鹽礦物含量呈負(fù)相關(guān),與粘土礦物含量呈正相關(guān),平均孔徑與碳酸鹽礦物含量呈正相關(guān),與粘土礦物含量之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7)。

圖5 東濮凹陷沙三段泥頁巖低壓氮?dú)馕角€形態(tài)分類Fig.5 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of Es3 shales in Dongpu Saga.第一類吸附-解吸線,PS4井,埋深5 193.70 m;b.第二類吸附-解吸線,H12-20井,埋深1 777.81 m

圖6 東濮凹陷沙三段泥頁巖儲層孔徑分布特征Fig.6 Pore size distribution of Es3 shales in Dongpu Saga.微孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)，PS4井,埋深5 193.70 m; b.大孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)，H12-20井,埋深1 777.81 m; c.多孔徑共控孔隙結(jié)構(gòu)，H83井,埋深4 187 m

根據(jù)鏡下薄片鑒定結(jié)果,碳酸鹽礦物或石膏含量高的深湖-半深湖相泥頁巖通常紋層發(fā)育程度遠(yuǎn)高于水下分流河道相沉積的粘土礦物含量高的泥頁巖,特別是水體鹽度較高時,易產(chǎn)生水體分層,在細(xì)粒沉積物組構(gòu)上體現(xiàn)為強(qiáng)韻律性及非均質(zhì)性[10],并能夠形成大量的紋層間裂縫,在未充填情況下表現(xiàn)為低壓氮?dú)馕剿R別的四周開放的平行板狀孔。此外,深湖-半深湖的沉積環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的富集,大量原生有機(jī)孔有條件發(fā)育,也為有機(jī)質(zhì)生烴過程中大量有機(jī)酸的生成提供物質(zhì)基礎(chǔ),有利于礦物中次生孔隙的大規(guī)模發(fā)育(圖4a，b)。相比之下,粘土礦物及石英長石礦物含量高的泥頁巖盡管存在礦物定向發(fā)育的特征,但層間縫發(fā)育程度很差,掃描電鏡結(jié)果顯示其孔隙網(wǎng)絡(luò)主要由巖石骨架顆粒粒間孔、粘土礦物粒間孔等以個體或連通形式構(gòu)成,即對應(yīng)氮?dú)馕綄嶒炛兴R別出的墨水瓶狀孔隙。

表2 東濮凹陷沙三段泥頁巖低壓氮?dú)馕綄嶒瀰?shù)Table 2 Pore structure parameters of Es3 shales in Dongpu Sag from low-pressure nitrogen adsorption experiment

BET比表面積、平均孔徑分別與總有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)(圖8),這與在四川盆地龍馬溪組等頁巖中獲取的規(guī)律不一致。主要原因為:龍馬溪組頁巖屬于過成熟頁巖已經(jīng)大量生氣,在有機(jī)質(zhì)中形成大量的次生的小孔徑有機(jī)孔,能夠增加儲層孔隙結(jié)構(gòu)的比表面積并降低平均孔徑[19],而東濮凹陷沙三段泥頁巖主要處于生油階段或生氣早期,次生有機(jī)孔發(fā)育程度有限(圖4f),而主要發(fā)育孔徑較大的原生有機(jī)孔(圖4g)。此外,深湖-半深湖沉積的灰質(zhì)泥頁巖及膏質(zhì)泥巖中紋層多為富含有機(jī)質(zhì)的條帶,這些有機(jī)質(zhì)中發(fā)育有代表生物原本結(jié)構(gòu)的原生有機(jī)孔[17],這類孔隙通常具有較大的孔徑及較小的比表面積。

6.2 成巖作用

泥頁巖埋藏過程中除了在壓實作用下粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙體積大量損失之外[17],成巖作用諸如膠結(jié)和溶蝕作用也使泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。鉀長石溶蝕通常伴隨著大量自生高嶺石的形成,自生高嶺石又可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為伊利石[21-22]:

圖7 東濮凹陷沙三段泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與礦物含量相關(guān)性Fig.7 Relationship between pore structure parameters and mineral content of Es3 shales in Dongpu Saga. BET比表面積-碳酸鹽礦物含量關(guān)系;b. BET比表面積-粘土礦物含量關(guān)系;c. 平均孔徑-碳酸鹽礦物含量關(guān)系; d.平均孔徑-粘土礦物含量關(guān)系

圖8 東濮凹陷沙三段泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與有機(jī)碳豐度相關(guān)性Fig.8 Relationship between pore structure parameters and TOC of Es3 shales in Dongpu Saga. BET比表面積-TOC關(guān)系;b.平均孔徑-TOC關(guān)系

(1)

Al2(Si2O5)(OH)4+4SiO2+2K+

(2)

KAl3Si3O10(OH)2+2SiO2+H2O

(3)

自生粘土礦物在泥頁巖骨架礦物粒間孔隙當(dāng)中生長,使大孔隙被切割成多個小孔隙(圖7d),且降低孔隙之間的連通性,增加孔隙網(wǎng)絡(luò)迂曲程度。此外,碳酸鹽礦物和石膏的膠結(jié)作用分別在灰質(zhì)泥頁巖和膏質(zhì)泥頁巖中十分常見,通常充填粒間孔隙或呈條帶狀充填裂縫(圖4j),不利于孔隙空間的發(fā)育,但碳酸鹽礦物的脆性較大,在水力壓裂條件下易于形成裂縫,對于頁巖油氣的勘探開發(fā)有重要意義[23]。溶蝕作用與泥頁巖自身有機(jī)質(zhì)熱演化生烴過程有緊密聯(lián)系,隨著埋藏深度增大,溫度升高,有機(jī)質(zhì)生烴開始伴隨成巖作用發(fā)生,產(chǎn)生有機(jī)酸,在調(diào)節(jié)地層流體PH值的同時對碳酸鹽、石膏等礦物進(jìn)行溶蝕,形成大量次生溶蝕孔隙[24]。盡管東濮凹陷沙三段泥頁巖孔隙比表面積和平均孔徑隨碳酸鹽礦物含量的增加整體分別呈現(xiàn)增加和降低的趨勢,但對于碳酸鹽礦物占主導(dǎo)的泥頁巖樣品(>50%),孔隙比表面積和平均孔徑隨碳酸鹽礦物含量增加而分別呈現(xiàn)略微增加和下降的趨勢(圖7),說明碳酸鹽礦物溶蝕對于東濮凹陷沙三段泥頁巖中、小孔隙的發(fā)育具有重要意義。然而,不少學(xué)者認(rèn)為有機(jī)酸溶蝕不穩(wěn)定礦物對泥頁巖儲層的改造程度有限[18,25],泥頁巖通常被認(rèn)為是一個相對封閉的成巖體系,流體交換程度比砂巖儲層中弱得多,水-巖反應(yīng)的產(chǎn)物無法及時排除,抑制成巖作用的進(jìn)行,烴類從有機(jī)質(zhì)生成后進(jìn)入泥頁巖儲層中,對于排烴作用較差的泥頁巖,油氣在孔隙中大量聚集,逐漸將無機(jī)孔隙的水潤濕性改變?yōu)橛蜐櫇裥?減少礦物與地層流體之間的接觸,從而阻止溶蝕作用的進(jìn)一步發(fā)生[26]。

7 頁巖儲層孔隙發(fā)育對油氣滯留的意義

泥頁巖儲層孔隙發(fā)育對于頁巖油氣的富集至關(guān)重要。根據(jù)熱解S1與儲層BET比表面積和平均孔徑的關(guān)系,S1與BET比表面積呈負(fù)相關(guān),而與平均孔徑呈正相關(guān)(圖9),表明大孔隙對于烴類在泥頁巖中的滯留較小孔隙貢獻(xiàn)更大。熒光薄片鑒定結(jié)果顯示,泥頁巖層理縫或構(gòu)造縫中發(fā)淡綠色熒光,發(fā)光強(qiáng)度中等,基質(zhì)不發(fā)熒光或暗褐色熒光(圖10a，b);此外,沙三段泥頁巖中含有大量生物骨架內(nèi)形成的孔隙呈現(xiàn)黃綠色熒光,發(fā)光強(qiáng)度中等(圖10c)。不同孔隙類型或介質(zhì)當(dāng)中烴類熒光特征的變化顯示出烴類從有機(jī)質(zhì)生成后經(jīng)粘土基質(zhì)進(jìn)入裂縫及較大孔隙的過程。高分子量稠環(huán)芳烴含量高的烴類通常呈現(xiàn)褐色或和黑色熒光,而芳環(huán)數(shù)量少的低分子量烴類通常顯示黃綠色至藍(lán)綠色熒光[27]。結(jié)合熒光顏色及熒光強(qiáng)度可以判斷,東濮凹陷沙三段泥頁巖儲層中的裂縫和宏孔為輕質(zhì)游離液態(tài)烴提供富集空間,而基質(zhì)內(nèi)小孔隙網(wǎng)絡(luò)中游離烴含量較少,主要?dú)埩艨蓜有暂^差的大分子烴類,連通性較差的孔隙網(wǎng)絡(luò)則不利于原油的賦存。

東濮凹陷沙三段泥頁巖特征復(fù)雜,成熟度分布范圍廣(圖3),頁巖氣勘探領(lǐng)域潛力巨大。氣體在泥頁巖儲層孔隙中的賦存除了游離態(tài)之外,吸附態(tài)也是一種重要的賦存狀態(tài)。Ambrose等通過分子模擬手段認(rèn)識到在頁巖孔隙,特別是有機(jī)孔隙中,氣體能夠在孔隙表面形成一層密度較大的吸附層[28]。頁巖中能夠為氣體提供吸附位的孔隙主要為粘土礦物集合體中大量發(fā)育的微孔及處于高熱演化階段的有機(jī)質(zhì)大量生氣過程中形成的微孔。同時,對于剛剛進(jìn)入生氣階段的泥頁巖而言,氣態(tài)烴能夠大量溶解于原油中,對于頁巖油的開發(fā)也具有重要意義。氣態(tài)烴溶解在液態(tài)烴中,改變了烴類流體的組成和相態(tài),整體分子量降低,導(dǎo)致原油粘度大幅度下降,可動性增加[27]。此外,隨著溶解氣含量的增加使烴類流體氣油比增加,導(dǎo)致原油飽和壓力增加。原油飽和壓力是影響頁巖油的產(chǎn)出驅(qū)動類型的重要因素,高飽和壓力能夠形成較大的驅(qū)動能量,提高烴類流體的產(chǎn)出量[29]。因此,處于生油窗末期和生氣窗早期的泥頁巖時東濮凹陷沙三段頁巖油氣勘探開發(fā)中值得關(guān)注的領(lǐng)域。

圖9 東濮凹陷沙三段泥頁巖滯留烴量與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)性Fig.9 Relationships between retained hydrocarbon and pore structure parameters of Es3 shales in Dongpu Saga. S1與BET比表面積相關(guān)性;b. S1與平均孔徑相關(guān)性

圖10 東濮凹陷沙三段泥頁巖熒光薄片鑒定結(jié)果Fig.10 Fluorescence thin section images of Es3 shales in Dongpu Saga. PS4井,埋深4 414.90 m;b. PS18井,埋深4 076.64 m;c. PS18井,埋深3 348.80 m

8 結(jié)論

1) 東濮凹陷沙三段泥頁巖可以劃分為粉砂質(zhì)泥頁巖、灰質(zhì)泥頁巖、膏質(zhì)泥頁巖,其地球化學(xué)特征非均質(zhì)性較強(qiáng),反映出含油氣特征的復(fù)雜性。東濮凹陷沙三段泥頁巖儲層孔隙類型包括粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙、有機(jī)孔及裂縫,且不同巖性泥頁巖中孔隙類型、分布及發(fā)育程度差異很大。低壓氮?dú)馕綄嶒灲Y(jié)果表明,不同的巖石類型由不同孔徑的孔隙主導(dǎo),總體而言,沙三段泥頁巖孔徑分布體系可分為3類:微孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)、大孔主導(dǎo)孔隙結(jié)構(gòu)和多孔徑共控孔隙結(jié)構(gòu)。

2) 沙三段泥頁巖儲層孔隙空間的形成由沉積作用及成巖作用共同控制,深湖-半深湖相沉積的泥頁巖中發(fā)育紋層且富含有機(jī)質(zhì),為裂縫及原生有機(jī)孔的發(fā)育提供條件,由于沙三段泥頁巖主要處于生油或生氣早期,次生有機(jī)孔發(fā)育十分有限。壓實作用和膠結(jié)作用使泥頁巖在埋藏過程中損失大量孔隙;成巖過程伴生的礦物轉(zhuǎn)化導(dǎo)致自生粘土礦物在泥頁巖骨架礦物粒間孔隙當(dāng)中生長,降低孔隙之間的連通性,增加孔隙網(wǎng)絡(luò)迂曲程度;生烴過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸能夠?qū)Σ环€(wěn)定礦物進(jìn)行溶蝕,形成大量次生孔隙。沙三段泥頁巖儲層中液態(tài)烴主要賦存在微裂縫或大孔隙當(dāng)中,氣態(tài)烴可以呈游離態(tài)、吸附態(tài)及溶解態(tài)存在于頁巖孔隙網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。早期生氣階段氣態(tài)烴在泥頁巖儲層中的賦存對于提高液態(tài)烴在儲層中的流動性,有利于頁巖油的開發(fā)。