黃振凱，黎茂穩(wěn)，鄭倫舉，陶國(guó)亮，李志明，蔣啟貴，錢門輝，曹婷婷，李雙建，沃玉進(jìn)，孫冬勝

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126)

近些年來(lái)，頁(yè)巖油、氣等非常規(guī)油氣已逐步成為全球重要的資源與戰(zhàn)略接替[1-3]。北美地區(qū)已成功勘探開發(fā)的頁(yè)巖油氣資源主要源自其廣泛分布的古生界、中生界海相頁(yè)巖層系[4-7]。與北美相比，中國(guó)陸相頁(yè)巖層系雖發(fā)育和分布較為廣泛，但在盆地規(guī)模、構(gòu)造特征及沉積特征等方面都存在明顯差別[1]。隨著我國(guó)頁(yè)巖油氣等非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入，在松遼盆地白堊系[8-12]、渤海灣盆地古近系[13-17]、鄂爾多斯盆地三疊系[18-22]、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系[23-24]、江漢盆地古近系[25-27]、四川盆地侏羅系[28]等陸相泥頁(yè)巖地層中獲得了一定的研究認(rèn)識(shí)和進(jìn)展，顯示出較好的頁(yè)巖油氣資源潛力和勘探前景。

渤海灣盆地東營(yíng)凹陷是我國(guó)較早開展陸相頁(yè)巖油勘探的地區(qū)之一[29-31]，通過(guò)老井復(fù)查、部署頁(yè)巖油專探井及兼探井等工作，在該區(qū)古近系沙河街組三段下亞段、沙四上亞段兩套泥頁(yè)巖層系中見到油氣顯示。雖然在部分專探井、兼探井中獲得了一定的工業(yè)油氣流，但也有部分井的勘探開發(fā)效果不是很理想。這也說(shuō)明當(dāng)前除工程技術(shù)與方法的問(wèn)題之外，頁(yè)巖油這類非常規(guī)油氣資源在泥頁(yè)巖層系中的賦存機(jī)理等地質(zhì)問(wèn)題尚未有完全清晰的認(rèn)識(shí)。泥頁(yè)巖層系中的孔隙空間是頁(yè)巖油、氣重要的賦存之處，也是其賦存機(jī)理研究中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。近些年來(lái)，隨著相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)的發(fā)展，在不同尺度儲(chǔ)集空間定性和定量表征技術(shù)及儲(chǔ)集空間發(fā)育特征和演化規(guī)律等方面，已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)展和成果[13-14，18，32-35]。但對(duì)于孔隙空間的形成和演化過(guò)程中的機(jī)理與機(jī)制問(wèn)題，尚未有明確的認(rèn)識(shí)和解答，因此本文希望通過(guò)開展相關(guān)研究工作，為上述問(wèn)題的解答提供一定的思路和幫助。

1 研究樣品與實(shí)驗(yàn)方法

研究選取東營(yíng)凹陷2條自然演化剖面的實(shí)際烴源巖樣品及1個(gè)作為模擬實(shí)驗(yàn)樣品的未熟—低成熟烴源巖。其中未熟—低成熟烴源巖樣品采自東營(yíng)凹陷南斜坡；自然演化剖面樣品由構(gòu)造高部位向低部位采集(由地層埋深較淺的南斜坡開始，向地層埋深逐漸加深的利津洼陷和博興洼陷方向)(圖1)。樣品層位以沙三下亞段與沙四上亞段為主。其中模擬實(shí)驗(yàn)樣品的有機(jī)碳(TOC)含量為3.52%，氫指數(shù)為572 mg/g，全巖反射率(Ro)為0.36%，有機(jī)質(zhì)組分以腐泥組為主，屬于Ⅰ型—Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，X衍射結(jié)果顯示其碳酸鹽礦物含量大致在30%～40%。

圖1 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷取樣井位分布

烴源巖演化模擬實(shí)驗(yàn)使用中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所的半開放體系地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)儀。根據(jù)研究區(qū)烴源巖沉積埋藏史，確定模擬實(shí)驗(yàn)溫度、覆壓條件和排烴門限值。整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)定10個(gè)溫度點(diǎn)(270,280,300,310,320,330,340,360,380,400 ℃)，不同溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的計(jì)算埋深大致在2 850～5 300 m，流體壓力設(shè)定在37～90 MPa，上覆地層壓力大致在64～125 MPa。

自然演化剖面樣品和模擬實(shí)驗(yàn)各階段得到的巖石樣品在進(jìn)行洗油處理后，粉碎至20目左右，并加熱烘干。使用無(wú)錫石油地質(zhì)研究所的JWBK-22型孔分布及比表面測(cè)定儀和高壓壓汞孔徑分析儀，進(jìn)行孔隙定量分析，并獲得不同尺寸孔隙(其中大孔為大于50 nm的孔隙，介孔為2～50 nm的孔隙，微孔為小于2 nm的孔隙)孔容的變化特征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步認(rèn)識(shí)與討論

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)條件下孔隙演化特征

模擬實(shí)驗(yàn)得到的不同演化階段的巖石孔隙定量分析結(jié)果(圖2)表明，巖石孔容的變化特征顯示出一定的規(guī)律性。隨著泥頁(yè)巖熱演化程度不斷升高，總孔容、大孔、介孔具有相似的演化規(guī)律，均呈現(xiàn)降低—升高—降低—緩慢升高—緩慢下降的趨勢(shì)；微孔孔容的變化整體不大。由該結(jié)果來(lái)看，大孔和介孔對(duì)于巖石孔隙孔容的變化影響較大，二者可能是巖石總孔隙度的主要貢獻(xiàn)者。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)條件下泥頁(yè)巖中不同尺度孔隙的孔容變化特征

從泥頁(yè)巖中不同尺度孔隙所占比例特征(圖3)發(fā)現(xiàn)，介孔與微孔所占比例的演化規(guī)律與大孔相反，即隨著泥頁(yè)巖熱演化程度的不斷升高以及成巖作用和壓實(shí)作用的不斷進(jìn)行，介孔與微孔所占比例都經(jīng)歷了升高—緩慢降低—升高—緩慢降低的過(guò)程；而在此過(guò)程中大孔所占比例經(jīng)歷了降低—升高—降低—緩慢升高的過(guò)程。例如在270 ℃向330 ℃演化過(guò)程中，隨著成巖作用和壓實(shí)作用的進(jìn)行，巖石中的孔隙被不斷壓縮變小，其可能的過(guò)程是大孔向介孔轉(zhuǎn)化，介孔向微孔轉(zhuǎn)化。這就可能導(dǎo)致巖石中大孔所占百分比逐漸降低，而微孔和介孔所占百分比逐漸上升，說(shuō)明介、微孔與大孔之間存在一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)條件下泥頁(yè)巖中不同尺度孔隙占比變化特征

需要注意的是，如果是在巖石正常壓實(shí)的地質(zhì)條件下，其孔容變化特征等應(yīng)該顯示出持續(xù)降低的趨勢(shì)。那么是什么原因?qū)е聨r石在300～310 ℃和340～360 ℃區(qū)間出現(xiàn)2次明顯的孔容降低又升高的現(xiàn)象呢？在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，巖石經(jīng)歷了什么樣的地質(zhì)作用呢？本文將結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)條件下泥頁(yè)巖的成烴演化特征進(jìn)行討論和解釋。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)條件下成烴演化特征

模擬實(shí)驗(yàn)中不同類型烴類的產(chǎn)率特征(圖4)表明，模擬實(shí)驗(yàn)溫度在300～310 ℃時(shí)，泥頁(yè)巖進(jìn)入生油窗；340～360 ℃時(shí)，泥頁(yè)巖進(jìn)入生氣窗。在這2個(gè)溫度范圍中，油和氣的產(chǎn)率都呈現(xiàn)逐漸增加的態(tài)勢(shì)。前人研究表明，泥頁(yè)巖在生烴(生油、氣)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生明顯的生烴增壓[36-38]，導(dǎo)致孔隙膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致孔容大幅增加。此外，泥頁(yè)巖在進(jìn)入生油窗時(shí)，有機(jī)質(zhì)脫羧基作用生成較多CO2(圖5)，同時(shí)含硫有機(jī)質(zhì)也會(huì)伴有一定量的脫硫作用。上述作用過(guò)程中形成的CO2和H2S遇水形成碳酸、酚酸等[39-45]，對(duì)泥頁(yè)巖中的不穩(wěn)定礦物組分產(chǎn)生一定溶蝕作用，生成次生溶蝕孔隙及重結(jié)晶晶間孔等，進(jìn)而導(dǎo)致巖石孔容大幅增加，有效提高巖石孔隙度。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)條件下泥頁(yè)巖成烴演化特征

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)條件下泥頁(yè)巖中氣油比變化特征

綜合前文討論，可對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巖石孔容的變化特征進(jìn)行如下解釋(圖6)：

圖6 模擬實(shí)驗(yàn)條件下湖相烴源巖微納米級(jí)孔隙演化特征

(1)在未成熟—低成熟階段，即Ro在0.41%～0.70%左右時(shí)，成巖作用程度較弱，巖石孔隙變化主要受機(jī)械壓實(shí)作用(模擬實(shí)驗(yàn)中為設(shè)備所施加的壓力)。由于上覆地層壓力不斷升高，巖石中的排水作用不斷增強(qiáng)，巖石孔隙會(huì)不斷降低，導(dǎo)致巖石孔容由大變小，大孔、介孔及微孔均呈現(xiàn)不同程度的降低。在此階段中巖石的黏土礦物層間孔隙和微裂縫等為主要的孔縫類型。

(2)在成熟階段，當(dāng)Ro在0.70%～0.80%左右時(shí)，泥頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)開始向烴類轉(zhuǎn)化，早期的脫羧基、脫硫基作用產(chǎn)生的CO2和H2S遇水形成的弱酸，會(huì)對(duì)泥頁(yè)巖中的碳酸鹽巖礦物進(jìn)行溶蝕，產(chǎn)生一定的溶蝕孔隙；同時(shí)，生烴過(guò)程中的生烴增壓作用、黏土礦物脫水及轉(zhuǎn)化作用、水熱增壓作用等，也會(huì)使得泥頁(yè)巖中產(chǎn)生大量能夠作為烴類儲(chǔ)集空間或排驅(qū)通道的微孔隙和微裂縫，進(jìn)而使得巖石的總孔容大幅增加。當(dāng)Ro在0.80%～0.90%左右時(shí)，隨著泥頁(yè)巖中烴類的不斷生成，在滿足巖石儲(chǔ)集空間的容留和自身礦物的吸附后，烴類開始逐漸向外排驅(qū)，使得巖石中的孔、縫系統(tǒng)內(nèi)壓力得到釋放，內(nèi)部壓力無(wú)法支撐孔隙繼續(xù)保存，持續(xù)的壓實(shí)作用會(huì)使孔容再次降低。當(dāng)Ro在0.90%～1.30%左右時(shí)，泥頁(yè)巖中開始不斷生成大量氣體，持續(xù)的生烴作用會(huì)使得巖石中孔、縫系統(tǒng)壓力不斷增加，導(dǎo)致已經(jīng)被壓縮的孔隙再次被不斷增大。此外，高溫條件下礦物晶型的變化也可能產(chǎn)生一定量的晶間孔隙。上述過(guò)程導(dǎo)致巖石中再次產(chǎn)生大量孔隙和微裂縫，這也使得在此階段巖石的總孔容呈現(xiàn)一個(gè)再次升高的特征。這里需要注意的是，除了上述有機(jī)質(zhì)生烴過(guò)程中導(dǎo)致的孔隙變化外，伴隨成巖過(guò)程中的黏土礦物轉(zhuǎn)化(蒙脫石及伊/蒙混層礦物會(huì)轉(zhuǎn)化為伊利石)和碳酸鹽礦物的重結(jié)晶作用，均會(huì)產(chǎn)生一定的微孔隙[2]。

(3)在高—過(guò)成熟階段，即Ro大于1.30%左右時(shí)，泥頁(yè)巖層系的有機(jī)質(zhì)以生氣作用為主。隨著生氣作用的不斷進(jìn)行，巖石儲(chǔ)集空間中的氣體含量達(dá)到飽和后，現(xiàn)有的儲(chǔ)集空間無(wú)法承受現(xiàn)有的氣體壓力，導(dǎo)致孔隙破裂，產(chǎn)生的孔隙和裂縫會(huì)使得氣態(tài)烴有效排驅(qū)。隨著氣態(tài)烴的不斷排出，巖石中孔、縫系統(tǒng)內(nèi)壓力得到釋放后再次被壓實(shí)，使得巖石總孔容再次降低。

上述解釋是基于模擬實(shí)驗(yàn)的角度，對(duì)巖石孔隙的演化特征進(jìn)行初步認(rèn)識(shí)，其準(zhǔn)確性需要通過(guò)實(shí)際地質(zhì)條件下的成烴和孔隙演化特征進(jìn)行驗(yàn)證。

2.3 地質(zhì)條件下泥頁(yè)巖成烴及孔隙演化特征

研究表明，東營(yíng)凹陷沙四上亞段烴源巖的生油門限在2 500 m左右，沙三下亞段烴源巖的生油門限在3 000 m左右。兩套烴源巖在地層埋深超過(guò)3 500 m以后開始大量生氣[46-48]。

兩套烴源巖不同埋深實(shí)際地質(zhì)剖面樣品孔隙定量表征(圖7)表明，其孔容變化規(guī)律基本相似，即在生油門限附近，巖石孔容經(jīng)歷了降低—升高—降低的變化趨勢(shì)；進(jìn)入生氣階段后，巖石孔容再次升高。這一規(guī)律與前文模擬實(shí)驗(yàn)得到的認(rèn)識(shí)基本一致，反映出機(jī)械壓實(shí)、有機(jī)質(zhì)生油(氣)、排油(氣)等地質(zhì)作用對(duì)孔隙變化影響的相似性。但需要注意的是，由于受實(shí)際地質(zhì)樣品埋深影響，現(xiàn)有樣品僅反映出烴源巖進(jìn)入生氣階段之前的孔容變化特征，但基于前文的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)樣品孔容定量表征結(jié)果，筆者推測(cè)實(shí)際烴源巖樣品在高—過(guò)成熟階段的孔容變化特征應(yīng)該與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

圖7 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙三下亞段與沙四上亞段實(shí)際地質(zhì)剖面樣品孔容變化特征

3 地質(zhì)啟示

結(jié)合圖3和圖4顯示的泥頁(yè)巖演化全過(guò)程中的烴類生成和不同尺寸類型孔隙的變化特征，推斷在實(shí)際地質(zhì)條件下，烴源巖處于未熟—低成熟階段(模擬實(shí)驗(yàn)溫度大致在300 ℃以前)產(chǎn)生的未熟—低熟油、生物氣等油氣資源，可能主要儲(chǔ)集于大孔和介孔之中；成熟—高成熟階段(模擬實(shí)驗(yàn)溫度在300～380 ℃左右)產(chǎn)生的重質(zhì)油、輕質(zhì)油、凝析油等主要儲(chǔ)集在介孔和大孔之中。上述2個(gè)階段中的孔隙對(duì)應(yīng)的可能是納—微米級(jí)以上的孔隙、裂縫和縫洞。在高—過(guò)成熟階段(模擬實(shí)驗(yàn)溫度高于380 ℃)產(chǎn)生的頁(yè)巖氣等主要儲(chǔ)集于介孔和少量大孔之中，其對(duì)應(yīng)的可能是微—納米級(jí)孔隙和微裂縫等。上述討論主要是針對(duì)泥頁(yè)巖這類巖石類型，當(dāng)然如果泥頁(yè)巖層系中含有一定的物性較好的非源巖夾層(如砂巖、碳酸鹽巖夾層等)，其內(nèi)部也會(huì)有利于各類油氣資源的保存和富集。

基于前文討論認(rèn)為，泥頁(yè)巖層系中除物性較好的非源巖夾層有利于頁(yè)巖油氣賦存外，賦存在泥頁(yè)巖中的頁(yè)巖油，考慮到其潤(rùn)濕性和流動(dòng)性，可能主要賦存在孔體積較大的大孔或介孔(孔隙—微裂縫等)之中，這種類型的儲(chǔ)集空間對(duì)于頁(yè)巖油有效工程開發(fā)可能更具實(shí)際意義，而微孔很難通過(guò)工程措施增加其連通性，因此開發(fā)有效性較差；賦存在泥頁(yè)巖層系中的頁(yè)巖氣主要是高演化產(chǎn)物，可能主要賦存在介孔(2～50 nm)級(jí)別的微—納米級(jí)孔隙和微裂縫中，這種類型的儲(chǔ)集空間對(duì)于勘探開發(fā)有效性更具實(shí)際意義，而微孔的開發(fā)有效性可能同樣較差。

4 結(jié)論

(1)烴源巖演化的整個(gè)過(guò)程中，模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際地質(zhì)樣品中不同尺度孔隙孔容變化規(guī)律基本相似，大孔和介孔對(duì)巖石孔隙變化的影響較大，二者應(yīng)該是巖石總孔隙度的主要貢獻(xiàn)者，且大孔、介孔與微孔之間存在一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。成巖演化、構(gòu)造變化等作用是導(dǎo)致孔隙發(fā)生變化的主要外部因素，生烴—排烴過(guò)程是內(nèi)在因素。

(2)通過(guò)對(duì)比模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際地質(zhì)樣品的孔隙定量結(jié)果，認(rèn)為處于不同演化階段的烴源巖形成的烴類產(chǎn)物所賦存的孔隙空間及大小(規(guī)模)存在一定差異，這個(gè)認(rèn)識(shí)對(duì)于明確泥頁(yè)巖層系中不同演化階段對(duì)應(yīng)的常規(guī)與非常規(guī)油氣資源的賦存機(jī)理具有積極意義。