沈云琦，金之鈞，3，蘇建政，3，李志明，3，牛 駿

（1. 中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 2. 中國(guó)國(guó)家能源頁(yè)巖油研發(fā)中心，北京 100083；3. 中國(guó)頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

近年來(lái)，隨著美國(guó)頁(yè)巖油的成功勘探與開(kāi)發(fā)，頁(yè)巖油已然成為當(dāng)今世界上值得關(guān)注的熱門(mén)非常規(guī)油氣領(lǐng)域之一。據(jù)美國(guó)能源信息署①EIA.US crude oil and natural gas proved reserves，year-end 2017［R］. Washington：U.S. Department of Energy，2018：1-48.公布的報(bào)告，截止到2017年底，美國(guó)頁(yè)巖油證實(shí)儲(chǔ)量為27.36×108t，約占當(dāng)年美國(guó)原油和凝析油總證實(shí)儲(chǔ)量的48%，預(yù)測(cè)到2040年，美國(guó)頁(yè)巖油產(chǎn)量將達(dá)到129.6×104t/d，占石油總產(chǎn)量約為67.3%。美國(guó)能源信息署［1］初步估算，中國(guó)頁(yè)巖油可采儲(chǔ)量可達(dá)43.84×108t，全球排第三位。

中國(guó)在多個(gè)盆地開(kāi)展了對(duì)陸相頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)的探索［2-4］，主要集中在準(zhǔn)噶爾盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、渤海灣盆地和江漢盆地等泥頁(yè)巖層段［5］。中國(guó)頁(yè)巖油儲(chǔ)層主要為陸相頁(yè)巖，與美國(guó)海相頁(yè)巖油儲(chǔ)層有很大差別，主要表現(xiàn)在烴源巖類(lèi)型多、有機(jī)質(zhì)豐度高、儲(chǔ)層巖性復(fù)雜、厚度和分布規(guī)模及可壓性變化大、頁(yè)巖油流動(dòng)性和飽和度受熱成熟度影響大、沉積相變快，以及非均質(zhì)性強(qiáng)等方面［4，6］。在中國(guó)陸相頁(yè)巖油勘探實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，紋理發(fā)育層段往往是頁(yè)巖油高產(chǎn)層段，渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷有多口探井在沙三（沙河街組三段）下亞段-沙四上亞段頁(yè)巖中測(cè)試到工業(yè)油流，峰值日產(chǎn)油可達(dá)161 t，江漢盆地潛江凹陷蚌湖地區(qū)也在潛江組頁(yè)巖中測(cè)試到工業(yè)油流。其中濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r相（灰質(zhì)泥巖）發(fā)育密集水平層理，紋層主要由富有機(jī)質(zhì)粘土紋層和亮晶方解石紋層組成，層間微孔隙和方解石礦物晶間孔發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度高，同時(shí)較高的脆性礦物含量，導(dǎo)致裂縫發(fā)育，從而溝通孔隙，形成有效的油氣儲(chǔ)集體［7］。潛江凹陷潛江組頁(yè)巖油儲(chǔ)層沉積構(gòu)造主要以小于1 mm 的紋層狀和大于等于1 mm 層狀構(gòu)造為主，同時(shí)包含少量紋層不發(fā)育的塊狀構(gòu)造［8］。由此進(jìn)一步表明中國(guó)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層中滲透率具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性和明顯的各向異性，在前人研究中將頁(yè)巖儲(chǔ)層作為各向同性來(lái)處理，與實(shí)際情況偏差較大。因此，本研究的重點(diǎn)是中國(guó)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層滲透率，特別是水平滲透率與垂直滲透率各向異性，即平行層理方向與垂直層理方向滲透率的各向異性。

滲透率的各向異性，即水平滲透率和垂直滲透率是影響油藏驅(qū)替特性以及產(chǎn)能的重要變量［9］。不同于砂巖，特別是致密砂巖，泥頁(yè)巖表現(xiàn)出極強(qiáng)的滲透率各向異性，由于泥巖具有層理發(fā)育的特點(diǎn)，使得頁(yè)巖沿層理面形成微裂縫，影響滲透率的各向異性［10］。黑色有機(jī)頁(yè)巖的波速具有各向異性特征，因此黑色頁(yè)巖滲透率各向異性主要由其自身微觀結(jié)構(gòu)引起［11］。同時(shí)，沿層理方向發(fā)育的半徑較大的孔隙對(duì)滲透率貢獻(xiàn)較大［12-13］。因此，盡管研究頁(yè)巖滲透率存在很多難點(diǎn)，但是仍有許多學(xué)者對(duì)這一課題進(jìn)行了研究，來(lái)自美國(guó)的密西西比巴奈特頁(yè)巖，俄克拉荷馬州伍德福德頁(yè)巖，科羅拉多州曼柯斯頁(yè)巖，阿巴拉契亞山脈馬塞勒斯頁(yè)巖，泥盆系和奧陶系頁(yè)巖，德國(guó)早侏羅系頁(yè)巖和加拿大合恩河利亞德盆地泥盆系頁(yè)巖等的研究表明：①總體滲透率各向異性在2～5個(gè)數(shù)量級(jí)；②根據(jù)頁(yè)巖內(nèi)礦物含量的不同，如鈣質(zhì)、硅質(zhì)和泥質(zhì)含量的不同，水平滲透率高于垂直滲透率1～4個(gè)數(shù)量級(jí)；③隨著有效應(yīng)力的增加，滲透率有下降趨勢(shì)，呈指數(shù)關(guān)系，且垂直滲透率更為敏感，降低幅度更大［14-22］。

滲透率測(cè)試方法有多種。巖屑?jí)毫λp法［23］測(cè)量過(guò)程無(wú)圍壓，測(cè)量值偏大，樣品、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和計(jì)算方法沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而且?guī)r屑孔隙結(jié)構(gòu)不代表儲(chǔ)層真實(shí)情況；巖心柱壓力衰減法［24］和壓力恢復(fù)法［21-22］無(wú)法客觀反映微裂縫對(duì)滲透率的影響。而本研究試驗(yàn)的部分頁(yè)巖油儲(chǔ)層樣品發(fā)育層理縫，有些樣品發(fā)育構(gòu)造微裂縫。這些裂縫對(duì)儲(chǔ)層滲透率會(huì)有一定的影響，因此這兩種方法不適用；脫氣法［25］主要適用于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，而本研究的對(duì)象是頁(yè)巖油儲(chǔ)層，因此此方法不適用；穩(wěn)態(tài)法［26］雖然原理簡(jiǎn)單且操作方便，但是在測(cè)量過(guò)程中易發(fā)生氣體滑脫效應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；理論公式法［27］和核磁共振法［28］均以數(shù)學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，物理模擬不足，客觀性較低；壓力脈沖衰減法［29］自提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)40 多年的發(fā)展，已經(jīng)成為理論成熟、操作方便和求解簡(jiǎn)單的一種方法。目前，該方法在國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率測(cè)量中應(yīng)用廣泛，適用于非均質(zhì)性強(qiáng)的、含有層理縫和構(gòu)造微裂縫的頁(yè)巖油儲(chǔ)層滲透率測(cè)試，為本研究實(shí)驗(yàn)的主要方法。

本研究分析了水平滲透率和垂直滲透率的量化關(guān)系以及影響因素，以期獲得滲透率關(guān)鍵參數(shù)。為此，首先利用壓力脈沖衰減法，對(duì)中國(guó)典型陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層的樣品進(jìn)行測(cè)試，再明確影響滲透率的因素，隨后討論不同影響因素下水平滲透率與垂直滲透率的量化關(guān)系，最終揭示水平滲透率與垂直滲透率特征，為中國(guó)陸相頁(yè)巖油的有效開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

本研究選取中國(guó)渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷和江漢盆地潛江凹陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層作為重點(diǎn)研究對(duì)象。其中，濟(jì)陽(yáng)坳陷是渤海灣盆地內(nèi)部的一個(gè)次級(jí)單元，位于其東南部，由于地球動(dòng)力學(xué)背景與渤海灣盆地一致，所以與其有相對(duì)一致的構(gòu)造演化過(guò)程。眾所周知，渤海灣盆地是一個(gè)富油氣盆地，濟(jì)陽(yáng)坳陷是其油氣最為豐富的坳陷之一［30］。其東臨懇東-青坨子凸起，西北與埕寧隆起區(qū)相連，南部相連魯西隆起區(qū)，北部與埕子口凸起相鄰（圖1），面積大約2.9 × 104km2。從平面展布上看，整體呈東南走向，坳陷收斂方向?yàn)槲髂?，撒開(kāi)方向?yàn)闁|北［31］。車(chē)鎮(zhèn)凹陷、沾化凹陷、惠民凹陷和東營(yíng)凹陷是濟(jì)陽(yáng)坳陷發(fā)育的4 個(gè)次級(jí)凹陷。濟(jì)陽(yáng)坳陷斷陷發(fā)育是從古近系孔店組早期開(kāi)始，活動(dòng)一直持續(xù)到古近系東營(yíng)組末期結(jié)束，共經(jīng)歷了孔店組、沙四段、沙三段-沙二下亞段、沙二上亞段-東營(yíng)組4 個(gè)階段的幕式演化［32-33］。本研究的層位為沙四上亞段和沙三下亞段。其中沙四段整體為湖相沉積環(huán)境，沙四下亞段巖相為泥巖夾砂巖和灰?guī)r，沙四上亞段巖相主要為半深湖相泥巖和油頁(yè)巖，同時(shí)夾石膏質(zhì)泥巖、白云巖和雜色泥巖。沙三下亞段沉積時(shí)期，盆地下沉強(qiáng)烈，導(dǎo)致盆地的可容空間快速變大，標(biāo)志著湖盆的發(fā)展進(jìn)入鼎盛時(shí)期。在此期間，整個(gè)濟(jì)陽(yáng)坳陷被湖泊沉積體系覆蓋，局部的凸起地區(qū)為三角洲沉積環(huán)境，并發(fā)育三角洲砂體。湖盆整體處于溫暖潮濕的氣候，并有大量淡水注入湖盆，使得在沙三下亞段沉積了具有較大厚度的半深湖-深湖泥頁(yè)巖，巖性主要包括灰褐色油頁(yè)巖、頁(yè)巖以及泥巖。

圖1 濟(jì)陽(yáng)坳陷地質(zhì)概況示意圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［39］和［40］修改）Fig.1 Sketch map showing the geological setting of Jiyang Depression（modified after references［39-40］）

潛江凹陷蘊(yùn)藏著較為豐富的石油資源，屬于新生代內(nèi)陸斷陷鹽湖湖盆，整體在中生界和古生界基底之上，地理位置位于江漢盆地中部。凹陷面積約為2 500 km2，北界為潛北斷裂帶，自西向東與其相接的是荊門(mén)凹陷、樂(lè)鄉(xiāng)關(guān)隆起、漢水凹陷和永隆河隆起。凹陷東北部為岳口低凸起，在西南部為丫角新溝低凸起，這兩個(gè)凸起均以斜坡?tīng)钆c潛江凹陷過(guò)渡。通?？跀鄬优c通海口凸起為潛江凹陷的東南界［34-36］（圖2）。潛江凹陷是整個(gè)江漢盆地沉降速度最快、基底埋藏深度最深的凹陷，同時(shí)也是整個(gè)江漢盆地在潛江組沉積時(shí)的沉降中心、匯聚中心和濃縮中心，潛江組鹽系地層的物源在北部，且為單向供給，鹽度高、強(qiáng)蒸發(fā)封閉環(huán)境是潛江組主要的沉積環(huán)境，同時(shí)在沉積過(guò)程中也伴隨著間歇性潮濕環(huán)境，在這種沉積環(huán)境下，厚度達(dá)6 000 m 的地層中鹽韻律層和砂巖段頻繁交互，形成了極具特色的陸相鹽湖盆的沉積地層組合［37-38］。潛江組鹽系地層層序結(jié)構(gòu)為鮮明的多韻律，縱向上，潛江組自下而上可分為4 段，分別是潛四段（Eq4）、潛三段（Eq3）、潛二段（Eq2）和潛一段（Eq1）。潛江凹陷北部是以砂泥巖為主的三角洲沉積區(qū)，南部是以鹽韻律層為主的鹽湖沉積區(qū)，砂泥巖與鹽韻律頻繁互層是過(guò)渡區(qū)的主要巖性特征，在整個(gè)潛江組沉積過(guò)程中，3 個(gè)最大湖泛面時(shí)期是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的主要發(fā)育時(shí)期。

2 樣品、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法

本研究選取了勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷和江漢油田潛江凹陷14 口典型頁(yè)巖油探井的巖心樣品，分別是勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷的FY1 井、LY1 井、NY1 井、L3 井、L67 井、L69 井、Y107 井、Y17 井、Y282 井、Y284 井、Y285 井、CH108井、B191井，江漢油田潛江凹陷的BYY2（圖2），其中BYY2 井取樣層位是潛四段，其余井取樣層位是沙三下亞段-沙四上亞段。樣品總計(jì)81 塊，獲得水平滲透率和垂直滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總計(jì)149 個(gè)，同時(shí)引用了若干四川盆地龍馬溪組海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水平以及垂直滲透率作為對(duì)比研究［41-42］。

圖2 潛江凹陷地質(zhì)概況示意圖Fig.2 Sketch map showing the geological setting of Qianjiang Sag

壓力脈沖衰減法滲透率測(cè)試原理主要是對(duì)一定規(guī)格的柱塞狀巖石樣品，飽和某一壓力的氣體，待壓力穩(wěn)定后，可以通過(guò)降低下游壓力，建立巖心上游端和下游端的壓差；在氣體滲流過(guò)程中，上游壓力不斷降低，下游壓力不斷升高，并逐漸趨于平衡；通過(guò)建立上下游平均壓力與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算頁(yè)巖的滲透率。本研究試驗(yàn)地點(diǎn)是中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫地質(zhì)研究所，所用設(shè)備是PES ENTERPRISE INC 制造的，型號(hào)為S-Perm 2000 壓力脈沖滲透率測(cè)試設(shè)備，測(cè)試氣體為氦氣。此設(shè)備主要由巖心夾持器、上游室、下游室、壓力傳感器和壓差傳感器等部件組成，其滲透率測(cè)量范圍是0.000 001 × 10-3～1 ×10-3μm2，圍壓最大可加載到10 000 psi（68.95 MPa），壓力精度為0.1%FS，壓差精度0.25%FS，要求樣品尺寸長(zhǎng)度為1.27～5.08 cm，直徑為2.5～3.8 cm，這些設(shè)備參數(shù)可滿足試驗(yàn)要求以及保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

3 層理縫對(duì)陸相頁(yè)巖水平滲透率與垂直滲透率的影響

針對(duì)于江漢油田潛江凹陷的BYY2 井頁(yè)巖油儲(chǔ)層，利用脈沖壓力衰減法進(jìn)行滲透率測(cè)試，總共測(cè)試樣品15 個(gè)，獲取水平滲透率垂直滲透率一共17 組數(shù)據(jù)，其中柱塞樣品測(cè)試13 塊，樣品直徑2.5 cm，長(zhǎng)度范圍在1.6～5.5 cm，有2 塊柱塞為垂直層理取樣，由于制樣難度較大，方樣制樣且測(cè)試成功的樣品一共2塊。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出水平滲透率范圍在0.000 22×10-3～24.900 00 × 10-3μm2，垂直滲透率范圍在0.000 02 ×10-3～0.002 50×10-3μm2。針對(duì)于勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層，測(cè)得水平滲透率和垂直滲透率一共72 組數(shù)據(jù)，其中柱塞樣品測(cè)試36塊，樣品直徑2.5 cm，長(zhǎng)度范圍在2.0～5.0 cm。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出水平滲透率范圍在0.046×10-3～31.000×10-3μm2，垂直滲透率范圍在0.002 3×10-3～2.430 0×10-3μm2。

層理縫發(fā)育程度是決定中國(guó)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層水平滲透率與垂直滲透率的關(guān)鍵因素，按照層理縫發(fā)育程度可以分為層理縫不發(fā)育、層理縫相對(duì)發(fā)育以及層理縫發(fā)育3 種類(lèi)型的儲(chǔ)層，層理縫不發(fā)育的儲(chǔ)層樣品測(cè)試周期長(zhǎng)，水平滲透率低。隨著層理縫的逐漸發(fā)育，測(cè)試周期也隨之縮短，水平滲透率也逐漸增大，增大倍數(shù)可達(dá)105倍（圖3）。

圖3 江漢盆地潛江凹陷BYY2井潛四下亞段陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層層理縫發(fā)育程度影響滲透率變化Fig.3 Influence of bedding-parallel fractures development on permeability variation of continental shale oil reservoirs in the lower submemeber of Qian 4 Member in Well BYY2，Qianjiang Sag，Jianghan Basin

根據(jù)上述原因，本研究選取了層理縫發(fā)育和層理縫不發(fā)育兩種類(lèi)型樣品來(lái)進(jìn)行測(cè)試分析。研究表明，潛江凹陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層總體水平滲透率高于垂直滲透率，當(dāng)層理縫發(fā)育時(shí)，水平滲透率高于垂直滲透率5個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)層理縫不發(fā)育時(shí)，水平滲透率比垂直滲透率高20倍左右（圖4）。

圖4 江漢盆地潛江凹陷BYY2井潛四下亞段頁(yè)巖油儲(chǔ)層水平滲透率與垂直滲透率對(duì)比Fig.4 Comparison of horizontal permeability and vertical permeability of shale oil reservoirs in the lower submember of Qian 4 Member in Well BYY2，Qianjiang Sag，Jianghan Basin

勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層水平滲透率和垂直滲透率的量級(jí)關(guān)系與潛江凹陷相比更為復(fù)雜，整體垂直滲透率小于水平滲透率，且相差范圍較大，但是由于濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層受到構(gòu)造活動(dòng)影響，局部發(fā)育構(gòu)造微裂縫，而且垂向切穿層理，因此垂直滲透率大于水平滲透率，水平滲透率與垂直滲透率量級(jí)關(guān)系具體表現(xiàn)為：當(dāng)層理縫發(fā)育時(shí)，水平滲透率比垂直滲透率大幾倍至幾百倍不等；當(dāng)層理縫不發(fā)育時(shí)，水平滲透率與垂直滲透率相差0.4～50.0 倍，其中相差倍數(shù)小于1 時(shí)，水平滲透率小于垂直滲透率，此時(shí)儲(chǔ)層發(fā)育切穿層理的構(gòu)造微裂縫（圖5，圖6）。

圖5 渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層滲透率（水平滲透率＜5×10-3 μm2）Fig.5 Histogram of shale oil reservoir permeability in the Jiyang Depression，Bohai Bay Basin（horizontal permeability being less than 5×10-3 μm2）

圖6 渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層滲透率（水平滲透率＞5×10-3μm2）Fig.6 Histogram of shale oil reservoir permeability in the Jiyang Depression，Bohai Bay Basin（horizontal permeability being greater than 5×10-3 μm2）

4 巖相對(duì)陸相頁(yè)巖水平滲透率與垂直滲透率的影響

本研究以勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油層系為例。勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷的頁(yè)巖油層系巖相可以劃分為塊狀頁(yè)巖、層狀頁(yè)巖、紋層狀灰質(zhì)頁(yè)巖和紋層狀砂質(zhì)頁(yè)巖等。勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層巖相對(duì)于水平滲透率與垂直滲透率的影響相對(duì)復(fù)雜，難以進(jìn)行單一比較，但是在滲透率各向異性（即水平滲透率/垂直滲透率）的范圍是有所不同的，具體表現(xiàn)為，紋層狀灰質(zhì)頁(yè)巖/紋層狀泥灰?guī)r相滲透率各向異性范圍在1.5～90.0，層狀灰質(zhì)頁(yè)巖/層狀頁(yè)巖相滲透率各向異性范圍在1.4～46.0，塊狀灰質(zhì)頁(yè)巖相滲透率各向異性范圍在1.3～40.0（圖7）。造成這種差異的原因是由于不同巖相微觀結(jié)構(gòu)的差異，塊狀灰質(zhì)頁(yè)巖相致密，紋層不發(fā)育，且較為均質(zhì)，而紋層狀灰質(zhì)頁(yè)巖和紋層狀砂質(zhì)頁(yè)巖相發(fā)育紋層，不僅與塊狀灰質(zhì)頁(yè)巖相類(lèi)似發(fā)育溶蝕孔，同時(shí)發(fā)育微裂隙，這使得紋層狀灰質(zhì)頁(yè)巖和紋層狀砂質(zhì)頁(yè)巖滲透率各向異性的范圍更大（圖8）。

圖7 渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層不同巖相滲透率各向異性直方圖Fig.7 Histogram of permeability anisotropy for shale oil reservoirs of diverse lithofacies in the Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

圖8 渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷FY1井沙四上亞段頁(yè)巖油儲(chǔ)層不同巖相顯微鏡下以及掃描電鏡圖像Fig.8 Micrographs and SEM images of shale oil reservoirs of diverse lithofacies in the upper submember of Sha 4 Member in Well FY1，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

5 圍壓對(duì)陸相頁(yè)巖水平滲透率與垂直滲透率的影響

除了在常壓條件下水平滲透率與垂直滲透率有很大量級(jí)差異，圍壓條件下水平滲透率與垂直滲透率也有其特有量級(jí)特征。以江漢盆地陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層為例，分別對(duì)層理不發(fā)育的頁(yè)巖油儲(chǔ)層樣品、水平層理的頁(yè)巖油儲(chǔ)層樣品以及垂直層理的頁(yè)巖油儲(chǔ)層樣品進(jìn)行了不同圍壓下的滲透率特征研究，同時(shí)也與中國(guó)四川盆地龍馬溪組海相頁(yè)巖進(jìn)行了對(duì)比研究。

本研究選取了3645 號(hào)、3647（T）號(hào)、3695 號(hào)3 塊樣品進(jìn)行測(cè)試，都在潛四下亞段取樣，且層理縫均不發(fā)育，3645 號(hào)樣品埋深3 873.02 m，平行層理取樣，3647（T）號(hào)樣品埋深3 873.09 m，垂直層理取樣，3695 號(hào)樣品埋深3 874.67 m，相對(duì)均質(zhì)，層理不發(fā)育。由于巖心本身的特點(diǎn)，圍壓達(dá)到10.0 MPa 以后，巖心在測(cè)試時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，因此圍壓最大加載到10.0 MPa。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圍壓在2.8，5.0 和10.0 MPa 時(shí)，3645 號(hào)平行層理樣品滲透率（水平滲透率）分別是0.094 29×10-3，0.00211 × 10-3和0.00122 × 10-3μm2；3647（T）號(hào)垂直層理樣品滲透率（垂直滲透率）分別是0.001 85×10-3，0.000 59 × 10-3和0.000 01 × 10-3μm2；3695 號(hào)層理不發(fā)育樣品滲透率分別為0.001 46 × 10-3，0.000 67 ×10-3和0.000 61×10-3μm2。

海相頁(yè)巖樣品來(lái)自四川盆地川東褶皺的龍馬溪組海相頁(yè)巖，圍壓在3.45 MPa 時(shí)，水平滲透率范圍在0.000 38 × 10-3～0.032 3 × 10-3μm2，垂直滲透率為0.000 22×10-3～0.002 78×10-3μm2，圍壓在6.9 MPa時(shí)，水平滲透率范圍在0.000 31 × 10-3～0.00179 ×10-3μm2，垂直滲透率為0.000 2 × 10-3～0.00144 ×10-3μm2，圍壓在10.34 MPa 時(shí)，水平滲透率范圍在0.000 2 × 10-3～0.000 91 × 10-3μm2，垂直滲透率為0.000 12×10-3～0.000 65×10-3μm2［41-42］。

江漢盆地頁(yè)巖油儲(chǔ)層與四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖最大差異是陸相與海相的差異，從礦物組分來(lái)看，海相頁(yè)巖石英含量相對(duì)較高，而江漢盆地陸相頁(yè)巖石英含量相對(duì)較低，同時(shí)泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖為主要巖相類(lèi)型，因此龍馬溪組海相頁(yè)巖脆性更好，能有效且有規(guī)律地適應(yīng)圍壓對(duì)礦物顆粒排列、層理壓實(shí)程度的影響，從而影響頁(yè)巖的水平滲透率與垂直滲透率。

研究表明，圍壓對(duì)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層水平滲透率和垂直滲透率的影響更復(fù)雜，層理縫發(fā)育的儲(chǔ)層其滲透率對(duì)圍壓的敏感性強(qiáng)于層理不發(fā)育的儲(chǔ)層。整體上隨著圍壓的增大，層理縫不發(fā)育的儲(chǔ)層滲透率只降低2.0～2.5 倍。而在層理縫發(fā)育的儲(chǔ)層中，水平和垂向滲透率對(duì)圍壓的敏感性也有很大不同。隨著圍壓的增大，水平滲透率降低70 倍左右，而垂向滲透率降低20倍左右（圖9）。而四川盆地志留系龍馬溪組海相頁(yè)巖，圍壓對(duì)于水平滲透率以及垂直滲透率影響基本一致，而且水平滲透率與垂直滲透的比值隨著圍壓的增大基本無(wú)明顯變化，這是由于龍馬溪組海相頁(yè)巖相較于陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層脆性礦物含量更高，脆性更強(qiáng)，不易發(fā)生形變，層理縫相較于陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層壓實(shí)程度相對(duì)較低（圖10）。

圖9 江漢盆地潛江凹陷陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層水平滲透率、垂直滲透率與圍壓關(guān)系Fig.9 Correlation of confining pressure with horizontal and vertical permeability of continental shale oil reservoirs in the Qianjiang Sag，Jianghan Basin

圖10 四川盆地志留系龍馬溪組海相頁(yè)巖儲(chǔ)層水平滲透率、垂直滲透率與圍壓關(guān)系（數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)［41］和［42］）Fig.10 Correlation of confining pressure with horizontal and vertical permeability of marine shale reservoirs of the Silurian Longmaxi Formation，Sichuan Basin（data from references［41-42］）

6 特殊礦物對(duì)陸相頁(yè)巖滲透率的影響

中國(guó)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層整體呈現(xiàn)極強(qiáng)的非均質(zhì)性，其中江漢盆地頁(yè)巖油儲(chǔ)層滲透率與前文所述四川盆地川東褶皺的龍馬溪組海相頁(yè)巖相當(dāng)。隨著取樣深度逐漸變淺，滲透率普遍增大，當(dāng)取樣深度相當(dāng)時(shí)，江漢盆地頁(yè)巖油儲(chǔ)層滲透率總體比勝利油田頁(yè)巖油儲(chǔ)層滲透率低10～100 倍，造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)：①江漢盆地潛江凹陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層的平均孔喉半徑小于濟(jì)陽(yáng)凹陷的頁(yè)巖油儲(chǔ)層；②江漢盆地頁(yè)巖油儲(chǔ)層的礦物組成更為復(fù)雜，由于其處于鹽湖的沉積環(huán)境，頁(yè)巖的礦物組分中含有一定的硬石膏等礦物，阻塞孔隙，使得滲透率降低。硬石膏充填的儲(chǔ)層樣品測(cè)試周期長(zhǎng)，滲透率低；無(wú)硬石膏充填的頁(yè)巖油儲(chǔ)層，測(cè)試周期也隨之縮短，滲透率也逐漸增大。這些現(xiàn)象是中國(guó)潛江凹陷陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層的固有特點(diǎn)（圖11）。

圖11 江漢盆地潛江凹陷BYY2井潛四下亞段陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層硬石膏充填程度影響滲透率變化Fig.11 Influence of anhydrite filling degree on permeability variation of continental shale oil reservoirs in the lower submember of Qian 4 Member in Well BYY2，Qianjiang Sag，Jianghan Basin

7 討論

通過(guò)上述研究，中國(guó)陸相頁(yè)巖層理發(fā)育，且層理對(duì)陸相頁(yè)巖的滲透率有極大的影響，頁(yè)巖在常壓條件下，水平滲透率與垂直滲透率存在較大的差異，此差異可以是幾倍和幾百倍，甚至可高達(dá)5 個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著圍壓的增大，陸相頁(yè)巖水平滲透率與垂直滲透率有各自不同的變化規(guī)律，同時(shí)陸相頁(yè)巖的礦物組分，特別是特殊礦物的存在，也會(huì)對(duì)滲透率有著明顯影響。

因此證實(shí)，中國(guó)陸相頁(yè)巖油在運(yùn)移過(guò)程中，由于在構(gòu)造縫不發(fā)育的部位，水平滲透率大于垂直滲透率，所以側(cè)向運(yùn)移為優(yōu)勢(shì)運(yùn)移方向，在發(fā)育切穿層理構(gòu)造縫的部位會(huì)有垂向的優(yōu)勢(shì)運(yùn)移方向。頁(yè)巖油的開(kāi)采主要以壓裂作為工程手段，因此，有別于海相頁(yè)巖，除了壓裂形成體積縫網(wǎng)以外，盡可能開(kāi)啟一定規(guī)模的層理縫并實(shí)現(xiàn)有效支撐也是中國(guó)陸相頁(yè)巖油壓裂工程工藝的主要發(fā)展方向。所以，中國(guó)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層水平與垂直滲透率特征研究對(duì)于陸相頁(yè)巖油的勘探開(kāi)發(fā)具有重要的基礎(chǔ)理論意義。

8 結(jié)論

1）層理縫發(fā)育程度是決定中國(guó)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層水平滲透率與垂直滲透率的關(guān)鍵因素，按照層理縫發(fā)育程度可以分為層理縫不發(fā)育、層理縫相對(duì)發(fā)育以及層理縫發(fā)育3 種類(lèi)型的儲(chǔ)層，層理縫不發(fā)育的儲(chǔ)層樣品測(cè)試周期長(zhǎng)，滲透率低。隨著層理的逐漸發(fā)育，測(cè)試周期也隨之縮短，滲透率也逐漸增大，增大倍數(shù)可達(dá)105倍。

2）常壓條件下，江漢盆地潛江凹陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層，當(dāng)層理縫發(fā)育時(shí)，水平滲透率高于垂直滲透率5 個(gè)數(shù)量級(jí)；當(dāng)層理縫不發(fā)育時(shí)，水平滲透率比垂直滲透率高20 倍左右。濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層，當(dāng)層理縫發(fā)育時(shí)，水平滲透率比垂直滲透率大幾倍至幾百倍不等；當(dāng)層理縫不發(fā)育時(shí)，水平滲透率與垂直滲透率相差0.4～50倍，其中相差倍數(shù)小于1時(shí)，水平滲透率小于垂直滲透率，此時(shí)儲(chǔ)層發(fā)育切穿層理的構(gòu)造微裂縫。

3）勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層紋層狀灰質(zhì)頁(yè)巖/紋層狀泥灰?guī)r相滲透率各向異性性范圍在1.5～90.0，層狀頁(yè)巖相滲透率各向異性范圍在1.4～4.0，塊狀頁(yè)巖相滲透率各向異性范圍在1.3～40.0。

4）圍壓條件下，陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層與海相頁(yè)巖儲(chǔ)層對(duì)比結(jié)果表明，海相頁(yè)巖圍壓對(duì)于水平滲透率以及垂直滲透率影響基本一致，而陸相頁(yè)巖水平滲透率與垂直滲透率變化更為復(fù)雜，隨著圍壓增大，層理不發(fā)育的儲(chǔ)層滲透率降低2.0～2.5 倍；層理縫發(fā)育的頁(yè)巖油儲(chǔ)層，其水平滲透率降低70 倍左右，垂直滲透率降低20倍左右，因此，水平滲透率對(duì)圍壓的敏感性最更大。

5）中國(guó)陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層整體呈現(xiàn)極強(qiáng)的非均質(zhì)性，通過(guò)對(duì)比江漢油田潛江凹陷和勝利油田濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層，前者比后者滲透率低10～100 倍，這是由于江漢盆地潛江凹陷頁(yè)巖油儲(chǔ)層的平均孔喉半徑小于濟(jì)陽(yáng)凹陷的頁(yè)巖油儲(chǔ)層，且江漢盆地頁(yè)巖油儲(chǔ)層處于鹽湖沉積環(huán)境中，其礦物組分復(fù)雜，發(fā)育硬石膏等礦物，阻塞孔隙，使?jié)B透率降低。

致謝：感謝中石化江漢油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院和中石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院提供研究所需樣品，感謝中石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫所提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備。