耳 闖，趙靖舟，白玉彬，樊 豪，沈武顯

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065; 2.西安石油大學(xué)陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065)

頁(yè)巖氣是一種自生自儲(chǔ)的連續(xù)型氣藏，儲(chǔ)層研究是頁(yè)巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)研究的重要組成部分。頁(yè)巖儲(chǔ)層研究重點(diǎn)包括礦物類型與含量、孔隙度和滲透率、孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)等方面。礦物類型和含量是決定了頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性特征，尋找脆性礦物含量高、易壓裂的地層對(duì)頁(yè)巖氣壓裂開發(fā)具有重要影響［1-3］。頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙(納米級(jí))系統(tǒng)對(duì)烴類的儲(chǔ)集能力和流體向裂縫網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)具有重要的控制作用［4］。頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙的類型、大小和孔隙的組合影響了烴類儲(chǔ)集空間和原地滯留資源量的計(jì)算［5-6］。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層特征的研究主要集中在海相地層［7-8］，陸相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層特征研究相對(duì)薄弱。鄂爾多斯盆地中生界三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7 段和長(zhǎng)9 段是重要的烴源巖層［9-10］。近年來(lái)，延長(zhǎng)組頁(yè)巖油氣逐漸受到國(guó)內(nèi)勘探界和學(xué)術(shù)界的重視。徐士林等［11］認(rèn)為鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組具備頁(yè)巖氣形成條件。趙靖舟［12］認(rèn)為與三疊系延長(zhǎng)組相比，上古生界頁(yè)巖氣形成條件更為優(yōu)越。王社教等［13］認(rèn)為，上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7 段頁(yè)巖處于大量生油階段，頁(yè)巖氣主要為熱成因的伴生氣，成藏條件較致密油要差。目前針對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的研究重點(diǎn)在頁(yè)巖油氣形成條件分析和勘探潛力上，而缺少對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的研究，本文試圖通過(guò)現(xiàn)有資料，對(duì)中生界頁(yè)巖儲(chǔ)層特征做初步介紹。

1 泥頁(yè)巖巖相特征

1.1 劃分方法

巖心顏色一般為灰色、黑色和深黑色。巖性包括頁(yè)巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等，發(fā)育的沉積構(gòu)造包括塊狀層理、水平層理和波狀層理等。

根據(jù)鏡下薄片觀察結(jié)果，綜合沉積構(gòu)造和粒度兩方面特征，將中生界泥頁(yè)巖劃分為3 種巖相和8 種亞巖相。首先根據(jù)粒度特征，以粉砂含量＜10%、10%≤粉砂含量＜25%和25%≤粉砂含量＜50%為界，將泥巖分為3 種巖相，即泥巖(M)、含粉砂泥巖(SBM)和粉砂質(zhì)泥巖(SM)。其次根據(jù)顯微沉積構(gòu)造，再細(xì)分為8 種亞類。

1.2 泥巖巖相(M)

包括塊狀和紋層狀兩種沉積構(gòu)造，泥質(zhì)含量大于90%，黃鐵礦和炭屑呈零星狀分布，含量均在2%以下，個(gè)別樣品中可見白云石微晶，含量較低。X-射線衍射分析結(jié)果表明，粘土礦物含量分布范圍為60.1%～71.2%，硅質(zhì)含量為20.5%～36.1%，碳酸鹽為2.5%～10.1%，有機(jī)碳含量為3.34%～7.84%。

①塊狀泥巖(M1):碎屑顆粒含量低并呈零星點(diǎn)狀“漂浮”于沉積基質(zhì)內(nèi)(圖1a)。

②紋層狀泥巖(M2):碎屑顆粒含量低，呈線狀分布并與泥質(zhì)交互出現(xiàn)而形成顯微紋層(圖1b)。

1.3 含粉砂泥巖巖相(SBM)

包括塊狀和條帶狀兩種類型，泥質(zhì)含量介于75%～84%，黃鐵礦和炭屑零星狀分布，黃鐵礦含量1%～3%，炭屑含量1%～5%，個(gè)別樣品中可見碳酸鹽膠結(jié)物，含量較低。X-射線衍射分析結(jié)果表明，粘土礦物含量分布范圍為51.2%～68.5%，硅質(zhì)含量為29.1%～47.4%，碳酸鹽為3.2%～6.6%，有機(jī)碳含量總體分布在1.89%～5.29%，其中有一個(gè)樣品達(dá)11.67%。

①塊狀含粉砂泥巖(SBM1):碎屑顆粒分布或集中或分散。集中式分布，顆粒之間呈線接觸-凹凸接觸;分散式分布，顆粒之間呈點(diǎn)-線接觸。泥質(zhì)多被有機(jī)質(zhì)浸染，富有機(jī)質(zhì)部分和貧有機(jī)質(zhì)部分漸變接觸(圖1c)。

②條帶狀含粉砂泥巖(SBM2):目前只發(fā)現(xiàn)一個(gè)樣品為該種巖相，碎屑顆粒條帶狀集中出現(xiàn)，顆粒之間點(diǎn)—凹凸接觸(圖1d)。

1.4 粉砂質(zhì)泥巖巖相(SM)

包括遞變狀、塊狀、炭質(zhì)紋層和復(fù)合層理4 種類型，泥質(zhì)含量介于52%～71%，黃鐵礦零星分布，含量小于2%;炭屑零星或線狀分布，含量2%～4%;碳酸鹽含量低。X-射線衍射分析結(jié)果表明，粘土礦物含量分布范圍為51.1%～71.0%，硅質(zhì)含量為28.2%～46.3%，碳酸鹽含量低，有機(jī)碳含量總體分布在0.30%～5.45%。

①遞變狀粉砂質(zhì)泥巖(SM1):碎屑顆粒含量具有由多到少或由少到多分布的特征，呈遞變狀。隨著碎屑顆粒含量由低到高，顆粒之間也由點(diǎn)接觸向線接觸和凹凸接觸過(guò)渡(圖1e)。

②塊狀粉砂質(zhì)泥巖(SM2):碎屑顆粒集中分布，粒徑比前述幾種顆粒的粒徑大，以石英為主，顆粒間點(diǎn)接觸—線接觸。炭質(zhì)碎屑為團(tuán)塊狀或長(zhǎng)條狀分布于泥質(zhì)或碎屑顆粒之間(圖1f)。

③炭質(zhì)紋層狀粉砂質(zhì)泥巖(SM3):總體以泥質(zhì)為主，碎屑顆粒在局部范圍集中發(fā)育，造成整體粉砂質(zhì)含量較高，炭質(zhì)呈長(zhǎng)條狀順紋層分布，個(gè)別炭屑粒徑大，分布于顆粒和泥質(zhì)之間(圖1g)。

④復(fù)合層理粉砂質(zhì)泥巖(SM4):具塊狀、炭質(zhì)紋層狀和條帶砂多種沉積構(gòu)造，塊狀和條帶狀部分碎屑含量高，炭質(zhì)紋層狀部分碎屑含量低。塊狀部分由于碎屑顆粒含量高，粒度大，與其相鄰的炭質(zhì)紋層部分具有差異壓實(shí)特征(圖1h)。

1.5 各巖相有機(jī)碳含量對(duì)比

圖1 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖巖相類型Fig.1 Lithofacies of organic-rich shales in the Yanchang Formation of Ordos Basin

對(duì)在安塞、志丹等地區(qū)采集的23 塊巖心樣品進(jìn)行配套的薄片鑒定、X-射線衍射分析和有機(jī)碳含量(TOC)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析測(cè)試結(jié)果，泥質(zhì)含量和粘土礦物含量均與對(duì)應(yīng)樣品的有機(jī)碳含量具有一定的正相關(guān)性(圖2，圖3)。3 種巖相類型中，總體以泥巖巖相的有機(jī)碳含量最高，含粉砂泥巖相和粉砂質(zhì)泥巖相有機(jī)碳含量次之。頁(yè)巖巖相的發(fā)育特征與沉積環(huán)境具有重要的相關(guān)性，暗色泥巖中泥質(zhì)含量高可以反映水體深度大或水動(dòng)力條件弱;相反，泥質(zhì)含量低則可能與水體深度淺或水動(dòng)力條件強(qiáng)有關(guān)。有機(jī)碳含量與沉積環(huán)境也有一定的相關(guān)性，深水或靜水條件下，有機(jī)質(zhì)處于閉塞缺氧或弱還原環(huán)境下，有利于有機(jī)質(zhì)的保存，有機(jī)碳含量高。

圖2 鄂爾多斯盆地泥質(zhì)含量與TOC 相關(guān)性Fig.2 Scatter diagram of shale content vs.TOC in Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地粘土礦物含量與TOC 相關(guān)性Fig.3 Scatter diagram of clay mineral content vs.TOC in Ordos Basin

2 礦物組成特征

脆性礦物含量是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣勘探潛力的重要指標(biāo)。同時(shí)，粘土礦物含量對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙類型、孔喉結(jié)構(gòu)和含氣性均有影響［14-18］。根據(jù)X-射線衍射全巖鑒定分析數(shù)據(jù)表明，延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖粘土礦物含量高，總體分布范圍為50%～75%，平均值54.2%。石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽膠結(jié)物等礦物含量低。石英總體含量分布在15%～30%，平均值20.7%。長(zhǎng)石和碳酸鹽膠結(jié)物含量更低。

粘土礦物中以伊利石居多，含量集中在30%～70%，以30%～45%為主，平均值40.3%，其次為伊/蒙混層和綠泥石，高嶺石不常見。伊/蒙混層集中在25%～45%，平均值31.19%，伊/蒙混層間層比分布范圍為15%～20%;綠泥石集中在11%～42%，平均值為21.54%。

3 成巖作用和成巖階段

延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育的成巖作用類型主要包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。由于泥質(zhì)含量高，抗壓實(shí)能力弱，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的壓實(shí)程度高，個(gè)別樣品中可以見到縫合線。泥質(zhì)定向分布，成層性好，碎屑顆粒含量高的部分抗壓實(shí)能力較強(qiáng)，碎屑顆粒與泥質(zhì)之間呈凹凸接觸(圖4a，b)。

膠結(jié)作用的產(chǎn)物主要包括硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)和黃鐵礦。硅質(zhì)膠結(jié)表現(xiàn)為微晶石英和石英次生加大(圖4c)，掃描電鏡下可見菱面立方體狀白云石(圖4d)。黃鐵礦多為二八面體單晶，球狀集合體少見(圖4e)。

溶蝕作用以長(zhǎng)石溶蝕為主，形成粒內(nèi)溶孔。粒內(nèi)溶孔具有不規(guī)則的孔隙邊緣或沿長(zhǎng)石解理縫發(fā)育(圖4f)。

伊/蒙混層間層比為15%或20%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)介于0.50%～1.14%，綜合有機(jī)質(zhì)成熟度和伊/蒙混層間層比，根據(jù)中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 5477-2003 碎屑巖成巖階段劃分》，長(zhǎng)7 段泥頁(yè)巖成巖演化階段為中成巖A 期。

成巖階段與儲(chǔ)層的脆性有密切聯(lián)系，頁(yè)巖處于成巖晚期或變生階段，巖石礦物向脆而穩(wěn)定的礦物轉(zhuǎn)化［3］。而延長(zhǎng)組目目前處于中成巖作用階段，對(duì)儲(chǔ)層的可改造性無(wú)疑將是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。

4 物性特征

根據(jù)中生界延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖樣品物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，孔隙度分布在0.4%～6.99%，平均為3.05%;基質(zhì)滲透率分布在0.002 ×10-3～0.219 ×10-3μm2，平均為0.031 ×10-3μm2。其中1 塊樣品裂縫滲透率可達(dá)2.990 ×10-3μm2?？紫抖葦?shù)據(jù)以4%以下居多，2%以下的孔隙度占樣品總數(shù)的40%以上(圖5)。滲透率以0.01 × 10-3μm2以下居多，其中0.001 × 10-3～0.01 ×10-3μm2樣品數(shù)量占57.89%，0.1 ×10-3μm2以上樣品數(shù)量少(圖5)?？傮w上，延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖表現(xiàn)為極低的孔隙度和滲透率。

按巖相統(tǒng)計(jì)，孔隙度平均值以粉砂質(zhì)泥巖巖相(SM)最大，其次為含粉砂泥巖(SBM)巖相，最小的為泥巖(M)巖相(表1)。圖6 和圖7 中各點(diǎn)的離散程度高，相關(guān)性不明顯。泥質(zhì)含量大于50%，數(shù)據(jù)點(diǎn)位于圖的右側(cè)，泥質(zhì)含量與孔隙度有一定負(fù)相關(guān)趨勢(shì);砂質(zhì)含量小于50%，數(shù)據(jù)點(diǎn)位于圖的左側(cè)，砂質(zhì)含量與孔隙度有一定正相關(guān)趨勢(shì)(圖6)，說(shuō)明砂質(zhì)含量高的情況下，抗壓實(shí)能力可能較強(qiáng)，有利于孔隙的保存。粘土礦物含量與孔隙度總體表現(xiàn)為正相關(guān)，硅質(zhì)含量與孔隙度相關(guān)性不明顯(圖7)。

圖4 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖成巖作用類型Fig.4 Diagenesis of organic-rich shale in the Yanchang Formation of Ordos Basin

從上述統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可以看出:1)粉砂質(zhì)泥巖和含粉砂泥巖中，碎屑顆粒含量相對(duì)較高，抗壓實(shí)能力強(qiáng)，有利于孔隙的保存(圖8b)。2)粘土礦物與孔隙度總體為正相關(guān)，與粘土礦物有關(guān)的孔隙對(duì)總孔隙的可能貢獻(xiàn)較大。

5 孔隙類型

圖5 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖孔隙度和滲透率分布直方圖Fig.5 Histogram of porosity and permeability of the shale in the Yanchang Formation of Ordos Basin

表1 各泥頁(yè)巖巖相泥質(zhì)含量、砂質(zhì)含量和孔隙度對(duì)比Table 1 Comparison of shale content，sand content and porosity among three lithofacies

圖6 鄂爾多斯盆地泥質(zhì)含量和砂質(zhì)含量與孔隙度交會(huì)圖Fig.6 Scatter diagram of shale content and sandy content vs.porosity in Ordos Basin

頁(yè)巖氣儲(chǔ)集空間包括孔隙和裂縫兩部分。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中的孔隙包括有機(jī)質(zhì)孔和與礦物基質(zhì)有關(guān)的孔隙(粒間孔和粒內(nèi)孔)，粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔的連通性好于粒內(nèi)孔［6］。通過(guò)掃描電鏡觀察并結(jié)合其他研究者資料［19］，目前在延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中能夠識(shí)別的孔隙類型包括粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔和裂縫。

粒間孔以原生孔隙為主，受壓實(shí)作用影響，粒間孔存在于定向排列的泥質(zhì)層之間，形態(tài)更像層間縫，縫寬在1 μm 以下(圖8a)。在碎屑顆粒發(fā)育的情況下，粒間孔更發(fā)育，直徑最大可達(dá)17.8 μm(圖8b)。

圖7 硅質(zhì)含量和粘土礦物含量與孔隙度交會(huì)圖Fig.7 Scatter diagram of siliceous content and clay mineral content vs.porosity in Ordos Basin

粒內(nèi)孔包括溶蝕孔和晶間孔，以溶蝕孔隙為主，多為長(zhǎng)石溶孔(圖4f)，孔徑一般在25 μm 左右;晶間孔包括伊利石晶間孔、綠泥石晶間孔、黃鐵礦晶間孔等類型，晶間孔孔徑小，一般在300 nm 左右(圖10c)。

有機(jī)質(zhì)孔多為狹長(zhǎng)縫狀，發(fā)育于有機(jī)質(zhì)與礦物基質(zhì)邊界，孔隙寬50～200 nm［19］(圖8d)。

裂縫主要發(fā)育在泥質(zhì)層界面處(圖8e)，孔寬200～1 000 nm，沿顯微水平層理方向延伸或與水平層理小角度斜交，裂縫多被硅質(zhì)或碳酸鹽膠結(jié)物充填(圖8f)。

延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中納米級(jí)孔隙主要有粘土礦物的晶間孔、黃鐵礦晶間孔及有機(jī)質(zhì)孔。

圖8 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙類型Fig.8 Pore types of organic-rich shale in the Yanchang Formation of Ordos Basin

延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖目前處于中成巖A 期，有機(jī)質(zhì)演化形成的酸性流體促進(jìn)了長(zhǎng)石和碳酸鹽膠結(jié)物等不穩(wěn)定礦物的溶解，有利于形成溶蝕孔隙。

延長(zhǎng)組干酪根類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主，Ro主要分布在0.50%～1.14%，仍處于生油窗，熱演化程度較低，總體不利于有機(jī)質(zhì)孔的形成。根據(jù)目前中生界現(xiàn)有分析數(shù)據(jù)表明，孔隙度與有機(jī)碳含量相關(guān)性不明顯，略呈負(fù)相關(guān)(圖9)，延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖以粒內(nèi)孔和粒間孔為主，有機(jī)質(zhì)孔不是主要的孔隙類型。這一結(jié)論與Jarvie［20］對(duì)Montney 頁(yè)巖和Harris 等.［21］對(duì)Muskwa 頁(yè)巖的研究結(jié)果相似。

圖9 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖TOC 與孔隙度交會(huì)圖Fig.9 Scatter diagram of TOC vs.porosity in Ordos Basin

6 孔隙特征

Nelson 的研究成果表明，頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔喉直徑在0.1～0.005 μm［22］。絕大多數(shù)頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙直徑小于1 μm［6］。Chalmers 等建議使用IUPCU(國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì))的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將孔隙類型分為宏孔(＞50 nm)、中(介)孔(2～50 nm)和微孔(＜2 nm)［24］。鄒才能等根據(jù)孔喉半徑大小，將孔隙類型分為毫米級(jí)(＞1 mm)、微米級(jí)(1 μm～1 mm)和納米級(jí)(＜1 μm)3 種孔隙類型［23］。本次研究過(guò)程中，將孔徑在1 μm 以下的孔隙稱為納米孔，根據(jù)低溫CO2和N2吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果開展納米孔的微孔(＜2 nm)和中孔(2～50 nm)的特征研究。

孔徑分布、孔容和比表面積是分析頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙特征的有效手段。根據(jù)低溫CO2和N2吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果編制了孔徑分布特征圖(圖10)。以累計(jì)孔隙體積、累計(jì)比表面積和孔隙體積隨孔徑的變化率［dV(d)］作縱坐標(biāo)，以孔徑作橫坐標(biāo)。微孔孔徑主要集中在0.4～1 nm，中孔孔徑主要集中在3～8 nm?？傮w上中孔對(duì)總體積的貢獻(xiàn)大于微孔的貢獻(xiàn)，而兩者具有相近的比表面積(圖10)。

高孔隙度的樣品中孔和宏孔的貢獻(xiàn)較大，而比表面積較小;隨著孔隙度降低，微孔的貢獻(xiàn)逐漸增高，比表面積增大［4，14］，而微孔主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)孔中。延長(zhǎng)組以礦物基質(zhì)孔為主，有機(jī)質(zhì)孔不占主要地位，與有機(jī)質(zhì)孔有關(guān)的微孔對(duì)總孔隙體積和比表面的貢獻(xiàn)較少。

7 結(jié)論

1)根據(jù)砂質(zhì)含量，將延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖分為泥巖、含粉砂泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。再結(jié)合顯微構(gòu)造，將上述3 種巖相進(jìn)一步分為8 種類型，泥巖巖相的有機(jī)碳含量最高。

2)延長(zhǎng)組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖粘土礦物含量高，以伊利石和伊蒙混層居多。成巖作用類型主要包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。塑性礦物含量高，成巖作用較弱，可能不利于儲(chǔ)層的改造。

4)孔隙類型包括粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔和裂縫，前兩種孔隙類型是延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖主要的孔隙類型。納米級(jí)孔隙的主要孔隙類型有粘土礦物的晶間孔、黃鐵礦晶間孔及有機(jī)質(zhì)孔。

5)碎屑顆粒含量高，有利于孔隙的保存;粘土礦物與孔隙度呈正相關(guān)，可能與粘土礦物中發(fā)育較多的微米級(jí)和納米級(jí)孔隙有關(guān)。

6)納米級(jí)孔隙中，中孔對(duì)總體積的貢獻(xiàn)大于微孔的貢獻(xiàn)，而兩者具有相近的比表面積，中孔對(duì)頁(yè)巖氣賦存的貢獻(xiàn)作用更大。

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