徐文明，蔣啟貴，2，劉偉新，2，陶國亮，2，張文濤，2，錢門輝，2，曹婷婷，2，鮑云杰，2，李志明,2

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國石油化工集團公司 油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126)

1 研究概況

潛江凹陷位于江漢盆地中部，是盆地中基底最深、沉降速率最快的凹陷，也是主要的成鹽中心和最重要的富烴凹陷[1-2]；古近系主要為湖相沉積，暗色頁巖主要發(fā)育在深湖—半深湖區(qū)，與凹陷沉積、沉降中心疊合，后經(jīng)歷多期構(gòu)造演化，形成多凹共生的特點。潛江組沉積時期，受潛北斷層控制，臨近潛北斷層的蚌湖向斜為沉降中心，地層向東、西、南抬升，厚度逐漸減薄，呈現(xiàn)北深南淺、北陡南緩、東西平緩的箕狀深凹陷[3]。潛江凹陷在高鹽度、強蒸發(fā)、封閉、潮濕與干旱氣候交替環(huán)境下沉積了巨厚的潛江組鹽系地層，主要為碎屑巖和化學巖，縱向上共發(fā)育193個Ⅲ級鹽韻律層，累計厚度達2 000 m以上，其中上、下鹽巖之間夾持一套泥巖、云質(zhì)頁巖、鈣芒硝巖地層，一般厚度5～12 m，最厚達20 m。鹽間地層經(jīng)歷了從咸化—淡化—咸化的過程，縱向上由鹽韻律和鹽間的砂巖、泥巖、碳酸鹽巖頻繁交互[4-5]；沉積序列自下往上表現(xiàn)為鹽巖—鈣芒硝巖—白云巖—泥巖—砂巖—泥巖—白云巖—鈣芒硝巖—鹽巖，形成了上、下鹽巖遮擋的自生自儲的多層狀鹽間頁巖油藏[6-7]。

潛江組沉積期發(fā)育的由鹽層夾持的富含有機質(zhì)細粒沉積巖韻律層，是潛江凹陷重點的頁巖油勘探開發(fā)層系，蚌頁油1、2井均位于潛江凹陷蚌湖向斜南部斜坡帶(圖1)。蚌頁油1井目標是評價熱演化程度較高的潛34油組10韻律層頁巖油產(chǎn)能，蚌頁油2 井主探目的層為潛34油組10韻律層和潛4下段頁巖油[8]。

圖1 江漢盆地潛江凹陷潛34油組有利區(qū)分布和蚌頁油1、2井位置

前人對潛江凹陷潛3、4段鹽間頁巖油錄井和鉆井技術(shù)[4，8-11]以及頁巖儲層不同巖相微觀儲集特征開展了較多的研究[12-16]，但對潛江組頁巖礦物組成的變化、礦物含量和分布形式以及對儲層物性的影響研究較少。本文采用X衍射礦物定量、薄片、掃描電鏡、壓汞及氮氣吸附、FIB三維孔隙重構(gòu)等手段，研究潛江凹陷蚌湖向斜蚌頁油1、2井潛34油組頁巖儲層的礦物組成和微孔隙結(jié)構(gòu)，探討不同巖性基質(zhì)礦物組成、分布形式、微觀結(jié)構(gòu)特征及對頁巖油儲層物性的影響。

2 潛34油組頁巖油儲層礦物組成

鹽間頁巖油儲層礦物按其來源或成因可分為三類：機械沉積的如石英、長石及黏土礦物等陸源碎屑礦物，化學沉積的白云石、方解石等碳酸鹽礦物，及因鹽度變化以鹽礦物為主的石鹽、鈣芒硝和硬石膏等鹽類礦物。一般認為在臨近鹽層(石膏層或鈣芒硝鹽層)時石膏及鈣芒硝含量會增加，導致頁巖油儲層中鹽礦物分布的非均質(zhì)性。石鹽、石膏或硬石膏、鈣芒硝等鹽礦物，常結(jié)晶較大，晶形完好，或充填于裂縫，或呈集合斑塊狀分布，或以較大的晶體分散于泥質(zhì)云巖基質(zhì)中，這些鹽的成因，與頁巖油儲層基質(zhì)礦物白云石、方解石等碳酸鹽礦物以及石英、長石、黏土等陸源碎屑礦物的成因及沉積方式不同[17-18]。在利用X衍射進行巖石分類時，需要考慮鹽類礦物對全巖X衍射礦物定量的影響，需要按照頁巖基質(zhì)組成礦物如黏土、碳酸鹽含量的多少進行鹽間頁巖油儲層巖性分類，再按鈣芒硝、石膏等的含量高低將其細分為鈣芒硝云質(zhì)泥巖、鈣芒硝泥質(zhì)云巖、硬石膏泥質(zhì)云巖等巖石類型。

X衍射全巖分析結(jié)果顯示，蚌頁油1井潛34油組石鹽含量相對較低，一般小于1.5%，變化較?。皇嗯c硬石膏含量一般小于2.0%，變化也較?。坏}芒硝鹽礦物含量變化較大，在1%～37%之間(圖2)，少量出現(xiàn)天青石礦物。蚌頁油2井潛34油組石鹽、石膏與硬石膏含量較低，其礦物組成與蚌頁油1井基本相似。根據(jù)X衍射全巖礦物分析，可將潛江凹陷鹽間頁巖油儲層簡單劃分為云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)云巖及含泥云巖三大類(表1)。云質(zhì)泥巖黏土礦物含量較高(大于30%或更高)，方解石及白云石等碳酸鹽含量較低(約20%～40%)；泥質(zhì)云巖黏土礦物含量較低(約20%～30%)，方解石及白云石等碳酸鹽含量較高(接近或大于40%～50%)，白云石含量較高，一般多大于40%；含泥云巖黏土礦物總量一般低于20%，少量樣品接近或低于10%，白云石含量較高。

表1 江漢盆地潛江凹陷蚌頁油1、2井頁巖油儲層全巖X衍射及物性分析

圖2 江漢盆地潛江凹陷蚌頁油1井潛34油組頁巖儲層礦物分布

3 潛34油組頁巖油儲層微觀結(jié)構(gòu)

潛江組鹽間頁巖油儲層巖性多樣，不同學者對巖相的劃分各不相同[13，16]。本文結(jié)合X衍射礦物定量及薄片、電鏡分析，按礦物組成、結(jié)構(gòu)特征把頁巖儲層簡單劃分為黏土含量高的云質(zhì)泥巖、黏土含量低的泥質(zhì)云巖及黏土較少的含泥云巖，并采用薄片鑒定、常規(guī)掃描電鏡及氬離子拋光高分辨率掃描電鏡、聚焦離子束FIB三維孔隙重構(gòu)等手段[19-20]，對3種不同巖性頁巖油儲層的孔、縫結(jié)構(gòu)進行分析。

3.1 潛34油組頁巖油儲層微觀結(jié)構(gòu)特征

云質(zhì)泥巖黏土含量較高，薄片下呈明顯微紋層條結(jié)構(gòu)，基質(zhì)部分由泥質(zhì)云巖紋層、黏土紋層及其互層組成，平行紋層方向的紋層縫較為發(fā)育，常見油跡顯示，局部見細的鹽脈順層分布(圖3a，b)。紋層之間常夾有較均質(zhì)以微晶白云石礦物多、黏土較少的泥質(zhì)云巖紋層(圖3b)，黏土較多的紋層部分常表現(xiàn)為有機質(zhì)與黏土粘合狀紋層(圖3b)。掃描電鏡分析顯示微細紋層發(fā)育，具明顯定向結(jié)構(gòu)，紋層具有2種分布形式：一種以紋層狀云質(zhì)泥巖為主，較多黏土夾白云石，黏土明顯定向性(圖3c)；另一種為較自形的薄層狀白云石礦物條帶，紋層厚度約0.5～1 mm，層理縫較常見，縫寬在5 μm左右(圖3d)。粒間微孔中有較多的黏土充填，粒狀礦物周圍見較多黏土包裹，微孔隙以殘留的粒間孔及黏土片間孔為主，形態(tài)呈狹長狀、壓扁拉長狀，定向明顯，寬度常見于100～300 nm之間(圖3c)，以縫—縫孔隙結(jié)構(gòu)為主。

泥質(zhì)云巖黏土礦物含量略減少，白云石等碳酸鹽礦物增加，薄片下顯示致密塊狀結(jié)構(gòu)，紋層結(jié)構(gòu)不發(fā)育；白云石呈極細的微晶狀，黏土常沿白云石粒間孔隙充填，粒間見較多的油浸(圖3e,f)。掃描電鏡下黏土含量明顯減少，充填于晶間或粒間孔隙，白云石等碳酸鹽礦物明顯增多，低倍下常表現(xiàn)為致密塊狀結(jié)構(gòu)，微晶結(jié)構(gòu)；放大后黏土片狀分布于白云石晶體之間，略具定向性，白云石常呈較自形的菱面狀晶體，少量方解石(圖3g,h)。粒間微孔常見，但有較多的黏土充填微孔隙，黏土片間孔發(fā)育，顯示為孔—縫結(jié)構(gòu)(圖3h)。

含泥云巖黏土較少，以白云石等碳酸鹽礦物為主，薄片下顯示均勻致密塊狀結(jié)構(gòu)(圖3i)，白云石呈極細的微晶狀，見較少的黏土白云石晶間孔隙充填，并見較多的油浸(圖3j)。掃描電鏡低倍下含泥云巖呈均勻致密塊狀，微晶結(jié)構(gòu)(圖3k)；放大后呈晶粒結(jié)構(gòu)，白云石常呈較自形的菱面狀晶體，少量方解石，黏土含量極少，常在白云石晶間分布(圖3l)。微孔發(fā)育，以等軸狀、多變形晶間微孔為主，孔徑約100～500 nm，見少量溶蝕孔，在晶間微孔的基礎(chǔ)上，對白云石等碳酸鹽礦物的溶解疊加，孔隙結(jié)構(gòu)顯示為孔—孔結(jié)構(gòu)。

當鈣芒硝含量增加或較多時，常形成鈣芒硝泥質(zhì)云巖、鈣芒硝云質(zhì)泥巖等。薄片下顯示鈣芒硝半自形狀或分散狀分布于泥質(zhì)云巖基質(zhì)中，或呈團塊狀、斑塊狀或薄層狀分布，與泥質(zhì)云巖等基質(zhì)之間接觸界面較為清晰(圖3m)。掃描電鏡顯示主要由兩部分組成，以泥質(zhì)云巖為主的基質(zhì)部分，顆粒極細，致密塊狀，黏土、白云石等礦物為主，具定向性，微孔隙主要以粒間微孔為主；另一部分為鈣芒硝鹽，常與天青石共生，以較大的晶體鑲嵌狀或分散狀分布，或薄層狀分布。鈣芒硝及天青石晶體內(nèi)部常見較多自形的石英及長石礦物(圖3n,o)，顯示在鹽的結(jié)晶時包裹了石英、長石等陸源礦物。鈣芒硝較多時微孔隙常不發(fā)育，孔隙度也較低，這與鈣芒硝晶體特征及基質(zhì)孔隙填充有關(guān)。

圖3 江漢盆地潛江凹陷鹽間潛34油組頁巖油儲層微觀結(jié)構(gòu)

3.2 潛34油組頁巖油儲層微孔隙類型

頁巖儲層微孔隙分析國內(nèi)外已有較多的報道，主要應(yīng)用掃描電鏡、氬離子拋光掃描電鏡、納米CT掃描及FIB聚焦離子束三維孔隙重構(gòu)開展儲層微孔隙分布、類型、連通性分析[21-25]。本文綜合運用掃描電鏡、氬離子拋光高分辨率掃描電鏡及FIB雙束掃描電鏡對潛34頁巖油儲層微孔隙進行刻畫，把鹽間頁巖儲層微孔隙類型主要歸納為粒(晶)間孔、粒(晶)內(nèi)孔、粒緣隙和紋層縫4種微孔隙構(gòu)型。鹽間潛34油組頁巖油儲層以粒間、晶間孔隙為主，次為粒(晶)內(nèi)微孔，疊加少量溶蝕孔隙等；晶間隙、粒緣隙較為發(fā)育，構(gòu)成頁巖油的連通網(wǎng)絡(luò)；微紋層縫雖然較常見，但在埋藏條件下處于閉合狀態(tài)。

(1)粒(晶)間微孔。云質(zhì)泥巖由于有較多的黏土及陸源碎屑輸入，粒間微孔隙中常有較多的黏土充填，使得微孔隙孔徑變小，多呈扁平狀或狹長狀形態(tài)(圖3c,d)；粒間充填的黏土中片間孔較發(fā)育，孔徑相對較小(圖4a)。泥質(zhì)云巖或含泥云巖以晶間微孔為主，孔隙較發(fā)育，以多邊形等軸狀為多，連通性較好(圖3h,l和圖4c)。

(2)粒(晶)內(nèi)孔隙多見于粒間充填的黏土片間孔，或長石、石膏、鈣芒硝晶體內(nèi)部的解理縫等孔隙(圖4a，b，f)。

(3)粒緣縫隙常見于泥質(zhì)云巖或云質(zhì)泥巖中碎屑顆?；虬自剖忍妓猁}顆粒邊緣，起到儲層微孔隙的連通作用，方解石、白云石晶體邊緣較常見，構(gòu)成頁巖油的主要連通網(wǎng)絡(luò)(圖4d，e)。

圖4 江漢盆地潛江凹陷鹽間頁巖油儲層微孔隙與連通性氬離子拋光、注合金掃描電鏡分析

(4)紋層縫或頁理縫較為常見，與紋層結(jié)構(gòu)較發(fā)育、生物擾動(有機質(zhì))、微侵蝕面、微波紋面、微沉積界面相關(guān)，紋層縫寬度約在5～6 μm之間。層理縫兩壁呈對稱狀，認為在埋藏條件下處于閉合狀態(tài)(圖3c，d)。

此外，有少量的次生溶孔。碳酸鹽礦物如方解石、白云石晶體的溶解形成的溶蝕孔隙，有利于晶間微孔的疊加與擴大，碳酸鹽礦物晶體內(nèi)部也可形成針狀溶孔(圖4 b，c，e)，但針狀溶孔對有效儲集空間的貢獻較小；其次是鹽礦物如鈣芒硝、石膏等的溶解形成的孔隙，這些孔隙常表現(xiàn)為強的非均質(zhì)性(圖3o)。

3.3 潛34油組頁巖油儲層孔隙結(jié)構(gòu)連通性分析

熔融合金注入及氬離子拋光掃描電鏡分析進一步揭示了頁巖儲層中微孔隙連通特征[26]。如前所述，受頁巖礦物組成、結(jié)構(gòu)及巖性的影響，潛34油組頁巖油儲層不同巖性連通性明顯不同。黏土較少的含泥云巖顯示晶粒結(jié)構(gòu)，晶間微孔發(fā)育，孔徑較大，連通性較好，表現(xiàn)為孔—孔相連(圖3l，圖4c，圖5)。黏土較多的泥質(zhì)云巖粒間孔隙中有較多的黏土充填，圍繞白云石晶體或碎屑顆粒邊緣粒緣隙較常見，形成粒間微孔之間的連通網(wǎng)絡(luò)，顯示為孔—縫相連(圖3h，圖4b)。黏土更多的云質(zhì)泥巖顆粒之間微孔隙基本為黏土充填，黏土礦物內(nèi)部的微孔隙主要以片狀縫隙為主，顆粒之間粒緣隙發(fā)育(圖4a)，形成以粒緣隙為主的連通網(wǎng)絡(luò)，顯示為縫—縫相連。

圖5 江漢盆地潛江凹陷頁巖油儲層FIB三維孔隙結(jié)構(gòu)分析

FIB三維孔隙重構(gòu)結(jié)果也顯示，頁巖油儲層微觀結(jié)構(gòu)呈明顯非均質(zhì)性，泥質(zhì)云巖為主的部分微孔隙較發(fā)育，以粒間微孔為主，連通性較好，具有孔—孔相連的特點(圖5)。

4 鹽間潛34油組頁巖油儲層物性

如前所述，鹽間頁巖油儲層巖性多樣、儲層微相類型多、結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強，石鹽、石膏、鈣芒硝等鹽礦物及基質(zhì)礦物如石英、長石等碎屑礦物、碳酸鹽礦物類型多及含量變化大，受巖性、巖相、結(jié)構(gòu)、礦物的共同控制，不同巖石類型孔隙度變化大[16]。此外鹽礦物(如鈣芒硝鹽)的存在、結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性(如微紋層)的存在對孔隙度的影響也很大。

4.1 鹽間潛34油組頁巖油儲層孔隙度

蚌頁油1井頁巖油儲層常規(guī)柱孔隙度變化較大(約為1%～13%)，當黏土含量高時(如云質(zhì)泥巖等儲層)常規(guī)柱孔隙度較低，一般小于3%，當黏土含量較低、碳酸鹽礦物含量較高時(如泥質(zhì)云巖、含泥云巖)顯示高的常規(guī)柱孔隙度(約為3%～13%)(表1)。這表明礦物組成與結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，是造成孔隙度變化較大的原因。

鹽間頁巖油儲層常規(guī)柱孔隙度除與頁巖油儲層礦物、微紋層結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性相關(guān)外，還與鈣芒硝含量呈明顯的負相關(guān)性(表1，圖6)，即鈣芒硝含量高時常規(guī)柱孔隙度明顯偏低。這種頁巖油儲層孔隙度變化的規(guī)律可能與鈣芒硝形成時的沉積環(huán)境有關(guān)，如蒸發(fā)環(huán)境下鈣芒硝等礦物大量析出[27-28]，同時有較多的黏土礦物等陸源礦物充填，造成孔隙度變小，電鏡分析也顯示鈣芒硝等礦物周圍存在較多的片狀黏土。另外鈣芒硝礦物晶體較大而孔隙不發(fā)育，這或與鹽礦物晶體粒間孔隙充填有關(guān)(圖3n)。

圖6 江漢盆地潛江凹陷蚌頁油1井潛34油組儲層鈣芒硝含量與孔隙度的關(guān)系

頁巖油儲層壓汞分析顯示，含泥云巖、泥質(zhì)云巖具有較高的孔隙度(大多為10%～16%)，而云質(zhì)泥巖孔隙度較低，大多小于5%。壓汞孔隙度與常規(guī)柱孔隙度具有較好的一致性(圖7)，壓汞孔隙度一般大于常規(guī)柱孔隙度，同時變化幅度相對較小。由于壓汞孔隙度測定的樣品體積較小(顆粒一般為0.5 cm)，基本消除了頁巖油儲層微紋層縫及大顆粒鹽礦物的影響，因此更能反映頁巖儲層基質(zhì)孔隙特點。

圖7 江漢盆地潛江凹陷蚌頁油1井潛34油組儲層不同巖性常規(guī)與壓汞孔隙度對比

4.2 潛34油組頁巖油儲層最大連通喉道

壓汞與氮氣吸附分析是頁巖儲層孔徑分析與孔體積定量最有效的方法[19-20,29],在一定初始壓力下連續(xù)進汞時的孔隙直徑可視作頁巖儲層最大連通喉道。壓汞分析顯示，蚌頁油1井頁巖儲層孔隙最大連通半徑為8～98 nm，中值半徑為4～60 nm(表1,圖8)。其中，云質(zhì)泥巖最大連通喉道較小，一般直徑在22～42 nm之間；泥質(zhì)云巖最大連通喉道直徑大多在16～158 nm之間，變化稍大；黏土含量較低的含泥云巖最大連通喉道最大，直徑在158～196 nm之間，連通性較好。頁巖油儲層不同巖性的中值半徑與最大連通半徑具有相似的變化規(guī)律(圖8)，兩者與頁巖油儲層巖性、礦物組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖8 江漢盆地潛江凹陷蚌頁油1井潛34油組儲層壓汞分析最大連通半徑與中值半徑

4.3 潛34油組頁巖油儲層孔體積分布

壓汞與氮氣吸附聯(lián)合分析顯示，頁巖油儲層不同巖性的微孔體積數(shù)量差異明顯。云質(zhì)泥巖的孔體積大多由直徑20～50 nm的孔隙組成，泥質(zhì)云巖以直徑20～80 nm的孔隙體積為主，含泥云巖以直徑80～180 nm的大孔體積為主(圖9)，含泥云巖大孔體積所占比例較大(圖9c)，具有最好的儲集空間。

圖9 江漢盆地潛江凹陷蚌頁油1井潛34油組儲層孔體積分布

4.4 潛34油組頁巖油儲層最小連通喉道

蚌頁油1井鹽間潛34油組觀察到最小連通喉道直徑為5.732 nm(圖4e)；蚌頁油2井頁巖油儲層樣品注伍德合金微孔隙及連通性分析識別出最小連通喉道直徑可至2.6 nm(圖4f)，統(tǒng)計結(jié)果顯示，最小連通喉道直徑主要集中在10～20 nm之間(圖10)，以10 nm左右最為常見，形成頁巖油儲層的連通網(wǎng)絡(luò)。

圖10 江漢盆地潛江凹陷蚌頁油2井頁巖儲層注伍德合金氬離子拋光掃描電鏡連通喉道分析

5 結(jié)論

(1)潛江凹陷鹽間頁巖油儲層基質(zhì)巖性按黏土、白云石含量高低，劃分為云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)云巖及含泥云巖三大類。儲層主要有粒(晶)間孔、粒(晶)內(nèi)孔、粒緣隙和紋層縫4種孔隙類型。含泥云巖以白云石晶間微孔為主；泥質(zhì)云巖粒(晶)間微孔常被黏土充填，而以殘余粒間孔及粒間充填黏土片間孔為主；另有少量白云石或鈣芒硝的溶蝕形成針狀溶孔，或疊加礦物邊緣的溶蝕孔等。晶間隙、粒緣隙較為發(fā)育，構(gòu)成頁巖油的連通網(wǎng)絡(luò)，層理縫較常見，但在埋藏條件下認為處于閉合狀態(tài)。

(2)潛江凹陷頁巖油儲層微觀結(jié)構(gòu)變化大，微孔隙形貌差異明顯。云質(zhì)泥巖具明顯的定向排列結(jié)構(gòu)，粒間孔隙因較多的黏土充填而以狹長狀、壓扁拉長狀殘留孔隙、黏土顆粒內(nèi)部片狀孔隙為主，孔隙度低，孔徑小，連通喉道窄。泥質(zhì)云巖具弱定向結(jié)構(gòu)，粒間微孔隙有較多的黏土充填，狹長形或多邊形粒間孔均有存在，孔隙度、孔徑、連通喉道介于云質(zhì)泥巖與含泥云巖之間。含泥云巖以均勻晶粒結(jié)構(gòu)、等軸狀、多邊形晶間微孔為主，孔隙度高，孔徑大，連通喉道大。

(3)不同巖性儲層的微孔體積數(shù)量差異明顯。云質(zhì)泥巖孔徑較小，微孔隙體積以直徑20～50 nm的微孔為主；泥質(zhì)云巖孔徑變大，微孔隙體積以直徑20～80 nm的微孔為主；含泥云巖微孔隙體積以直徑80～180 nm之間的大孔為主，這與頁巖油儲層不同巖性孔隙構(gòu)型特征相一致。

(4)不同巖性的最大連通喉道變化較大，云質(zhì)泥巖最大連通喉道直徑在22～42 nm 之間；泥質(zhì)云巖在16～158 nm之間，變化稍大；含泥云巖在158～196 nm之間。儲層最小連通喉道直徑主要集中在10～20 nm，10 nm左右最為常見，構(gòu)成了鹽間頁巖油儲層有效連通網(wǎng)絡(luò)。對應(yīng)不同的巖性，云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)云巖、含泥云巖分別具有“縫—縫相連、孔—縫相連、孔—孔相連”的孔隙連通形式。