周華建， 孫先達(dá)， 柳 波， 羅曉容， 申家年，邢濟(jì)麟

( 1. 東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)教育部國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油吉林油田分公司 勘探開發(fā)研究院，吉林 松原 138000 )

0 引言

北美在頁巖油氣勘探開發(fā)上取得巨大成功，引發(fā)石油界革命性改變，影響世界石油工業(yè)的發(fā)展方向[1]。鑒于國外頁巖油氣開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，大力發(fā)展中國陸相頁巖油氣成為必然戰(zhàn)略選擇和必由之路[2]。對松遼盆地陸相頁巖油氣勘探研究發(fā)現(xiàn)，富含頁巖油氣的泥頁巖地層中廣泛發(fā)育多套紋層狀碳酸鹽巖層，在橫向上分布廣闊[3-4]。

近年來，學(xué)術(shù)界開展針對碳酸鹽巖的儲層分類、巖石類型[5]，碳酸鹽巖儲集特征與含油性之間的關(guān)系，以及碳酸鹽巖儲層成因與含油性等方面研究[6-7]。微晶碳酸鹽作為碳酸鹽巖儲層類型中一種具有優(yōu)良孔隙空間和連通性的儲層，可作為理想的油氣儲存空間，對其巖石微觀特征及其原油組分賦存狀態(tài)的研究具有重要理論意義和應(yīng)用價值。松遼盆地青山口組一段(青一段)厚層泥頁巖發(fā)育富含油氣資源的微晶碳酸鹽巖紋層，而其微觀特征及原油組分的微觀賦存狀態(tài)尚未開展針對性研究，因此，研究微晶碳酸鹽巖的微觀特征和原油組分微觀賦存狀態(tài)，對非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)具有應(yīng)用價值和指導(dǎo)作用。

筆者采用電子探針測定碳酸鹽巖的組成元素，采用陰極發(fā)光確定組成碳酸鹽巖的礦物類型，采用二維核磁共振定量測定碳酸鹽巖孔隙中流體的類型及其含量，以及利用激光共聚焦直觀刻畫碳酸鹽巖的微觀特征及孔隙中有機(jī)質(zhì)的三維分布進(jìn)行原位聯(lián)合表征，研究碳酸鹽巖夾層的微觀特征與原油組分在碳酸鹽巖孔隙中的微觀賦存狀態(tài)，進(jìn)而重建松遼盆地青山口組一段碳酸鹽巖薄夾層，為泥頁巖開采技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采集的樣品來源于松遼盆地南部中央坳陷區(qū)青山口組一段(青一段)(K2qn1)，青一段地層厚度為80～100 m，巖性組合為粉砂巖、細(xì)砂巖與泥巖組成的不等厚互層，中部以粉、細(xì)砂巖為主，上、下部主要由暗色泥巖組成，且廣泛發(fā)育多套的薄層碳酸鹽巖夾層，為深湖相細(xì)粒沉積[8-12](見圖1)。樣品為現(xiàn)場取樣。為保證巖樣未遭到破壞，采用低溫保樣方式做相關(guān)實(shí)驗(yàn)。應(yīng)用光學(xué)顯微鏡、X線衍射(XRD)、陰極發(fā)光和電子探針等分析方法，研究巖石的礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)等巖石微觀特征，利用二維核磁共振和激光掃描共聚焦分析方法，精細(xì)分析巖石孔隙結(jié)構(gòu)中的含油性及原油組分的微觀賦存狀態(tài)。

圖1 松遼盆地青山口組一段目的層的構(gòu)造地質(zhì)Fig.1 The tectonic geology of the first member of Qingshankou Formation in Songliao Basin

將巖心制成光片。利用普通光學(xué)顯微鏡透射光、反射光觀測巖石的微觀晶粒結(jié)構(gòu)，通過陰極發(fā)光分析觀測同一標(biāo)記視域，判定組成巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)[13]。采用自主開發(fā)的孔隙分析系統(tǒng)對巖石的掃描電鏡圖進(jìn)行孔隙數(shù)據(jù)提取，對孔隙進(jìn)行孔喉和喉道分割，計(jì)算孔隙的孔喉寬度、喉道寬度，以及孔隙配位數(shù)等參數(shù)，統(tǒng)計(jì)孔隙類型，實(shí)驗(yàn)過程需對巖樣進(jìn)行氬離子拋光，至巖樣表面形貌高差不超過2 μm；電子探針背散射實(shí)驗(yàn)可以高清晰地顯示微米級及納米級的巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)，根據(jù)普通光學(xué)顯微鏡分析結(jié)果，對巖石中礦物的不同位置(粒核、粒殼及孔隙)進(jìn)行電子探針元素分析，確定巖石元素組成及其在空間上的分布。

利用二維核磁共振和激光掃描共聚焦分析方法，分析巖石的含油性及原油組分在巖石孔隙中的微觀賦存狀態(tài)?；诤舜殴舱駥悠返囊髮瑯?biāo)記觀測視域巖心線切割成直徑為20 mm的柱樣，儀器測試溫度恒定為35 ℃，工作頻率設(shè)置為23 MHz，巖石烘干后進(jìn)行二維核磁共振測量。為表征原油組分在巖石孔隙結(jié)構(gòu)中的微觀賦存狀態(tài)，利用激光掃描共聚焦對標(biāo)記視域進(jìn)行掃描，確定原油組成在巖石孔隙中的微觀賦存狀態(tài)。選擇波長為488 nm的激光作為激發(fā)光源，選用不同接受波長范圍的光信號觀測巖石樣品中的不同成分[14]。選擇波長為488 nm作為接收巖石礦物信息的波長，選擇波長為510～600 nm作為接收原油中輕質(zhì)組分的波長，選擇波長為600～800 nm作為接收原油中重質(zhì)組分的波長。根據(jù)獲取的激光掃描共聚焦體數(shù)據(jù)，建立原油組分在孔隙結(jié)構(gòu)中的三維分布模型，實(shí)現(xiàn)原油組分分布可視化表征。

為考慮各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)之間的數(shù)據(jù)與采樣點(diǎn)差異，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，采用標(biāo)記觀測視域的方法，實(shí)現(xiàn)多分析方法聯(lián)合對巖心的原位分析，以排除由采樣點(diǎn)差異而導(dǎo)致各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)性差。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖石微觀特征

2.1.1 微觀結(jié)構(gòu)

薄片結(jié)果顯示，巖石由粒度為30～40 μm的自形—半自形晶粒組成。在反射偏光下呈現(xiàn)不同反射光強(qiáng)度，晶粒之間呈線接觸模式，巖石結(jié)構(gòu)致密，孔隙空間細(xì)小(見圖2(a))。在透射光下，礦物顆粒表現(xiàn)為乳白色半自形結(jié)構(gòu)，礦物顆粒內(nèi)部的自形程度較高、致密且透光性較弱，不具有熒光襯度(見圖2(b-c))。通過陰極發(fā)光分析發(fā)現(xiàn)，組成巖石的礦物晶粒出現(xiàn)明顯的內(nèi)外差異現(xiàn)象，晶粒由亮黃色致密的內(nèi)部和淺黃色疏松的外部兩部分組成(見圖2(d))。碳酸鹽巖陰極發(fā)光強(qiáng)度分為極強(qiáng)、強(qiáng)、中等、弱和極弱5個等級；碳酸鹽巖陰極發(fā)光顏色主要呈橘黃色，樣品的巖石類型為微晶碳酸鹽巖。這與文獻(xiàn)[13-15]的研究結(jié)果一致。

圖2 巖樣顯微照片F(xiàn)ig.2 Micrographs of a rock sample

樣品的普通光學(xué)顯微圖(見圖2(a))反映巖石自形程度較高的晶粒結(jié)構(gòu)，表明巖石形成環(huán)境水動力條件微弱，晶體有充足的形成時間和空間。

2.1.2 化學(xué)組成

利用電子探針表征微晶碳酸鹽巖的化學(xué)組成，在巖石礦物表面不同位置(礦物顆粒內(nèi)部、外部)選取測試點(diǎn)，分析組成元素的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)，確定組成巖石的礦物的化學(xué)成分。

根據(jù)電子探針元素分析表征結(jié)果，樣品的化學(xué)組成以Ca和Mg元素為主，含有少量的Mn、Al、K和Fe元素，且存在空間上分布的差異性。根據(jù)測試點(diǎn)1、2和3、4的元素測試結(jié)果(見圖3)，晶體內(nèi)部的Ca和Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于外部的，晶體外部的Si、K、Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于晶體內(nèi)部的。整體上，晶體內(nèi)部—外部—孔隙的元素相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律為Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，Si、K、Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。

巖石主要由碳酸鹽礦物組成，但礦物晶粒的組成結(jié)構(gòu)在空間上存在明顯的差異(見圖4)，即由純的方解石微晶作為晶體內(nèi)部，在晶體內(nèi)部周圍包裹一層疏松的碳酸鹽礦物。粒間孔隙中填充硅質(zhì)礦物。元素分析結(jié)果與陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，樣品巖性為微晶碳酸鹽巖。

結(jié)合陰極發(fā)光(見圖2(d))和元素分析(見圖3)的數(shù)據(jù)推斷，儲層的巖性為自形程度較高的微晶碳酸鹽礦物構(gòu)成的碳酸鹽巖，巖石滴酸實(shí)驗(yàn)也證明該巖石屬于碳酸鹽巖類。礦物晶體的陰極發(fā)光強(qiáng)度和顏色出現(xiàn)內(nèi)外明顯差異，是由構(gòu)成礦物的化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同導(dǎo)致的(見圖4)，內(nèi)部形成的高鎂碳酸鹽具有極強(qiáng)的陰極發(fā)光強(qiáng)度，外部形成的低鎂碳酸鹽的陰極發(fā)光強(qiáng)度較低，同時，鐵離子作為陰極發(fā)光的猝滅劑存在于外部，使得外部的陰極發(fā)光強(qiáng)度更弱。

圖3 樣品電子探針元素分析實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)及測試點(diǎn)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 The electron probe element analysis of the samples and the statistics of element mass fraction of test points

圖4 樣品元素組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.4 The comparison of component mass fraction of sample elements

2.1.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

整體上，巖石礦物顆粒之間呈線接觸，結(jié)構(gòu)致密，孔隙空間以晶間孔為主(見圖5(a))，空間分布具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性。微觀上，孔隙類型主要以原生孔隙類的晶間孔為主，通過細(xì)小喉道連接，連通性好(見圖5(b))。

根據(jù)孔隙統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(見圖5(c-d)和表1)，孔隙面孔隙率為3.91%，平均孔徑為16.59 μm，分選因數(shù)為9.97，平均配位數(shù)為1.11，平均孔喉比為1.59，均質(zhì)因數(shù)為0.36。根據(jù)油氣儲層評價方法(SY/T 6285—1997)，屬于碳酸鹽巖儲層孔隙類型中的低孔。

圖5 樣品孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙參數(shù)頻率直方圖Fig.5 Pore structure diagram of the sample and frequency histogram of each pore parameter

表1 K2qn1微晶碳酸鹽巖面孔隙結(jié)構(gòu)配位數(shù)分析結(jié)果

對孔隙喉道寬度和數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，孔隙喉道寬度極為狹窄，集中分布在5.0 μm左右，平均為3.1 μm，屬于碳酸鹽巖儲層喉道類型中的大喉?？紫逗淼缹挾葘υ偷姆植加绊懢薮螅瑳Q定原油在巖石中的運(yùn)移能力及在巖石孔隙中的分布[16]。因此，孔隙間連通性好。

孔隙類型不僅能反映沉積后是否遭到次生演化及演化類型，還能反映原油的賦存狀態(tài)。因此，研究區(qū)的微晶碳酸鹽巖以原生晶間孔為主，孔隙間連通性較好，利于油氣運(yùn)移；存在少量溶蝕孔，次生演化作用較弱，利于油氣保存。

2.2 含油性特征

巖石的含油性可通過元素面分布和二維核磁反映，元素面分布圖(見圖6)定性反映有機(jī)質(zhì)中的碳元素在孔隙中的分布規(guī)律，二維核磁共振(見圖7,T1為縱向弛豫時間，T2為橫向弛豫時間)定量計(jì)算孔隙中原油體積。

通過電子探針元素分析巖心元素面分布(見圖6)，鈣、鎂元素構(gòu)成巖石骨架，碳元素集中分布于巖石孔隙空間。根據(jù)樣品核磁共振二維譜圖(見圖7)中顏色強(qiáng)度，孔隙中心向孔隙邊緣碳含量呈現(xiàn)遞減的趨勢，即碳主要分布于巖石孔隙中心?？紫吨械奶贾饕捎袡C(jī)質(zhì)(原油)提供，因此孔隙中的碳含量可以反映原油體積。

利用二維核磁共振分析方法，對孔隙中流體進(jìn)行研究，得到二維核磁共振T1-T2譜圖[17-20](見圖7)。圖7中，黃色劃線區(qū)域?yàn)樗畢^(qū)和束縛水區(qū)，紅色劃線區(qū)域?yàn)橛蛥^(qū)和固體有機(jī)質(zhì)(干酪根)區(qū)。通過對譜圖中流體面積積分可計(jì)算流體的相對體積。巖石孔隙中總流體為4.001 μL，束縛水和輕質(zhì)油體積為3.763 μL，油氣體積為1.162 μL，輕質(zhì)油體積為0.925 μL。因此，油氣占總流體體積的29.05%，束縛水和輕質(zhì)油占總流體體積的94.05%，輕質(zhì)油占總流體體積的23.12%。

圖6 巖心元素面分布Fig.6 Distribution diagram of core element plane

圖7 樣品核磁共振(T1-T2)二維譜Fig.7 NMR (T1-T2) two-dimensional spectra of the sample

2.3 原油組分賦存狀態(tài)

二維核磁可定量計(jì)算巖石孔隙中油氣的含量，但無法表征油氣在孔隙中的賦存狀態(tài)。激光掃描共聚焦分析方法通過獲取原油中不同組分的光譜數(shù)據(jù)，建立原油組分微觀分布的三維模型，以直觀清晰地表征油氣在巖石孔隙中的微觀賦存狀態(tài)[21-24]，進(jìn)而彌補(bǔ)二維核磁共振的不足。

利用激光掃描共聚焦顯微鏡對樣品進(jìn)行逐層掃描，將采集到的體數(shù)據(jù)制成有機(jī)質(zhì)及礦物的三維分布圖(見圖8)。根據(jù)接收的波長信號用不同的顏色代表不同的物質(zhì)，灰色代表巖石礦物顆粒，紅色代表孔隙中的輕質(zhì)組分，藍(lán)色代表重質(zhì)組分。有機(jī)質(zhì)的三維分布圖不僅反映巖石中原油與礦物顆粒的空間分布，還反映原油輕質(zhì)和重質(zhì)組分在孔隙中的分布規(guī)律[25]。

根據(jù)原油中輕重組分在孔隙中分布的三維圖，礦物(灰色)的晶形、孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙中充填的原油(藍(lán)色和紅色)清晰可見(見圖8(a-b))。將掃描獲取的原油分布的體數(shù)據(jù)通過三維建模分析得到輕質(zhì)組分(紅色)與重質(zhì)組分(藍(lán)色)分布的三維模型(見圖8(c))。根據(jù)重建三維模型中的各組分體積和與其密度的乘積可求得各組分之間的質(zhì)量比，從而計(jì)算原油中輕質(zhì)組分與重質(zhì)組分質(zhì)量比為0.876，表明原油中富含碳數(shù)高的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。

根據(jù)填充巖石孔隙空間的流體所占巖石體積百分比可代表巖石中有效孔隙度，激光掃描共聚焦測得巖樣孔隙中原油占巖石體積的15.7%，巖石孔隙為油氣提供良好的儲層空間。巖石極強(qiáng)的熒光顯示也說明微晶碳酸鹽巖石富含豐富的油氣資源。

2.4 微晶碳酸鹽巖儲層原油賦存特征

根據(jù)熒光強(qiáng)度和顏色可以定性分析巖石的含油性，即熒光顏色反映原油成分，熒光強(qiáng)度反映原油的含量，熒光產(chǎn)狀反映石油在巖石中的分布[26-28]。黃褐色熒光主要是由瀝青質(zhì)產(chǎn)生的，原油偏重；為中強(qiáng)發(fā)光度，原油體積較高；發(fā)光面積較高，反映巖石中原油豐富；熒光產(chǎn)狀反映原油以喉道狀和粒間吸附狀賦存于巖石孔隙(見圖2(c))。

熒光分析只能定性分析巖石的含油性，二維核磁共振分析方法不僅可確定流體性質(zhì)，還可精確測定巖石中含油性，可準(zhǔn)確識別原油、固體有機(jī)質(zhì)、束縛水和自由水4種流體類型及其含量，進(jìn)而通過各流體的含量推斷巖石的孔隙類型[29-31]。根據(jù)樣品的二維核磁定量分析數(shù)據(jù)，巖石孔隙中含有大量束縛水(占總流體體積的94.05%)，輕質(zhì)油組分較多(占總流體體積的23.12%)，表明巖石富含油氣。激光掃描共聚焦測試分析計(jì)算的輕重組分質(zhì)量比(0.876)及其分布也證明巖石的含油性。

激光掃描共聚焦分析方法是利用固定波長的激光激發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生熒光，不同分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)產(chǎn)生的熒光波長也不同。相比二維核磁共振分析，激光掃描共聚焦不僅直觀反映巖石微觀結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)，而且還清晰展現(xiàn)有機(jī)質(zhì)在孔隙中的三維分布，以及原油輕重組分之間的接觸關(guān)系。根據(jù)掃描數(shù)據(jù)建立的輕重組分三維分布模型表明巖石孔隙中富含油氣，且以輕質(zhì)組分居多(見圖8(a-b))，并集中分布于孔隙孔腔和松散的碳酸鹽晶粒外殼，少部分油氣分布在微晶碳酸鹽晶體外殼中。油氣組分分布特征表明，輕重組分因成分性質(zhì)差異而產(chǎn)生分異(見圖8(c))，重質(zhì)組分主要以吸附態(tài)吸附于巖石礦物晶體表面及部分以游離態(tài)分布于孔隙喉道，而輕質(zhì)組分以游離態(tài)分布于孔腔內(nèi)部及松散的碳酸鹽晶粒外殼。由于重質(zhì)組分的黏度較輕質(zhì)組分的大，流動時需要更高的壓力和溫度地質(zhì)條件，因而不易流動。模型和喉道統(tǒng)計(jì)反映喉道結(jié)構(gòu)中喉道狹窄細(xì)小(平均吼道半徑為3.1 μm)，原油組分在孔隙喉道處受到較大的毛細(xì)管阻力，原油在巖石孔隙中被束縛，難以運(yùn)移出孔隙。

3 結(jié)論

(1)松遼盆地青一段微晶碳酸鹽巖由自形程度較高的微晶方解石組成，晶體內(nèi)外部在化學(xué)組成上存在明顯差異，即內(nèi)部鈣、鎂元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(w(Ca)=73%～78%；w(Mg)=20%～23%)，外部鈣、鎂元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(w(Ca)=45%～60%;w(Mg)=6%～11%)。巖石孔隙以晶間孔為主，孔隙率大且連通性較好，孔隙中富含油氣資源，但儲層具有較高的孔隙分選因數(shù)(平均配位數(shù)為1.11)和均質(zhì)因數(shù)(0.36)，表明儲層非均質(zhì)性較高。

(2)微晶碳酸鹽巖儲層富含油氣(流體占巖石體積的1.22%，油氣占總流體體積的29.05%)。二維核磁共振與激光掃描共聚焦結(jié)果表明，原油組分中重質(zhì)組分含量多(輕重組分質(zhì)量比為0.876)，且輕質(zhì)與重質(zhì)組分在空間分布上發(fā)生分異；輕質(zhì)組分以游離態(tài)集中分布于孔隙孔腔和微晶碳酸鹽巖晶體外部，重質(zhì)組分以吸附態(tài)吸附于礦物表面和部分以游離態(tài)分布于孔隙吼道處且難以流動，導(dǎo)致油氣滯留于孔隙，大量剩余油滯留在儲層中，微晶碳酸鹽巖儲層具有極高的頁巖油氣開采潛力。