黃宇琪，張金川，張　鵬，唐　玄,蘇　惠

(1.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京能源學(xué)院)，北京 100083；3.中國石化中原油田 勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 濮陽 457001)

東濮凹陷北部沙三段泥頁巖微觀儲集空間特征及其主控因素

黃宇琪1，張金川2，張鵬1，唐玄2,蘇惠3

(1.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京能源學(xué)院)，北京 100083；3.中國石化中原油田 勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 濮陽 457001)

摘要：東濮凹陷北部沙三段鹽湖沉積體系泥頁巖具有良好的頁巖油氣潛力，本文通過多口鉆井巖芯泥頁巖全巖礦物X衍射、粘土礦物X衍射、氬離子拋光及能譜、掃描電鏡等測試數(shù)據(jù)，研究了東濮凹陷北部沙三段陸相泥頁巖微觀儲集空間特征及其主控因素。認(rèn)為儲集空間以微-納米級孔隙為主，包括無機原生粒間孔、無機原生晶間孔、無機次生溶蝕孔、有機孔及微裂縫等孔隙類型。其中，無機孔隙，特別是次生孔隙，對頁巖油氣儲層具有明顯的建設(shè)作用，有機質(zhì)孔發(fā)現(xiàn)較少。礦物成分、巖相類型、成巖作用、有機質(zhì)豐度及成熟度是儲集空間發(fā)育的主要影響因素，其中礦物成分是影響儲集空間類型的內(nèi)因；不同巖相類型對應(yīng)的儲集空間類型不同；成巖過程中易溶物質(zhì)的溶蝕對儲層物性的改善起到重要作用，垂向上粘土礦物成分演化與孔滲高值有較好的對應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：頁巖油；頁巖儲集空間；沙三段；東濮凹陷北部

頁巖油氣在全球油氣資源領(lǐng)域異軍突起，成為油氣勘探開發(fā)新亮點。我國是頁巖油氣資源大國，加快頁巖油氣發(fā)展，對我國具有十分重要的意義。自元古代到第四紀(jì)地質(zhì)時期，中國連續(xù)形成了從海相、海陸過渡相到陸相等多種沉積環(huán)境下的多套富有機質(zhì)頁巖層系，形成了多種類型的有機質(zhì)，但由于后期構(gòu)造變動復(fù)雜，有機質(zhì)生氣、含氣及保存條件差異較大，形成了中國頁巖氣的多樣性。頁巖氣具有“原地”成藏地質(zhì)特征，泥頁巖不僅是烴源巖，也是主要儲層。隨著掃描電鏡、CT掃描等研究技術(shù)手段的發(fā)展，泥頁巖中的微米-納米級孔隙逐漸成為研究重點，眾多研究成果表明[1-6]，微裂縫對油氣聚集具有控制作用，而微米-納米級孔隙則是油氣的主要儲集空間。東濮凹陷為目前國內(nèi)陸相頁巖油氣勘探開發(fā)的重要區(qū)域，2010年中原油田在柳屯洼陷PS18-1井沙三上亞段泥頁巖中獲得高產(chǎn)稠油[7-8]，證明沙三段泥頁巖層系具有較好的頁巖油資源潛力[9]。因此，對東濮凹陷北部沙三段泥頁巖微觀儲集空間發(fā)育特征及其主控因素進(jìn)行研究具有重要意義。本文針對東濮凹陷北部沙三段陸相泥頁巖開展儲集空間類型、物性等研究，分析其主控因素，為深入探討東濮凹陷北部沙三段頁巖儲層及油氣資源發(fā)育特征提供依據(jù)。

1地質(zhì)概況

東濮凹陷位于渤海灣裂谷盆地西南緣，為臨清坳陷一部分，由古生代—中生代克拉通盆地在喜山運動期發(fā)生拉張、斷陷而形成的新生代斷陷鹽湖盆地，面積約5 300 km2。在構(gòu)造演化及沉積相帶展布上具有明顯的“東西分帶、南北分塊”的特征，主要受北北東向的蘭聊斷裂帶、黃河—文細(xì)西—觀城斷裂帶和長垣—石家集—宋廟斷裂帶三條大斷裂控制，形成了“兩洼一隆一陡一斜坡”東西分帶的構(gòu)造格局[1-3](圖1)。本文研究區(qū)為海通集—橋口—白廟一線以北地區(qū)。

東濮凹陷北區(qū)東部邊界沙三段主要發(fā)育正常三角洲沉積，局部發(fā)育扇三角洲沉積，西部斷階帶內(nèi)黃隆起的物源通過不同物源通道進(jìn)入盆地，形成辮狀河三角洲沉積，北部的辮狀河三角洲影響衛(wèi)城地區(qū)，南部的辮狀河三角洲影響胡狀集地區(qū)。同時在中央隆起帶的文留到柳屯一線各個區(qū)域，由于受東、西部物源供給不足的影響發(fā)育鹽湖沉積。通過對研究區(qū)多口單井沉積相分析發(fā)現(xiàn)，泥頁巖的主要沉積相類型為深湖—半深湖相、水下分流間灣相及前三角洲相。

圖1　東濮凹陷構(gòu)造分區(qū)略圖(據(jù)中原地質(zhì)院，1993)

2泥頁巖發(fā)育特征

東濮凹陷北部的濮城—前梨園洼陷和柳屯—海通集洼陷長期大幅度、繼承性沉降，暗色泥頁巖發(fā)育，沉積厚度大，是最有利的生油氣洼陷。沙三下亞段暗色泥頁巖厚度一般100～400 m，分布于文留、胡狀集、前梨園等多個沉積中心，最大沉積厚度達(dá)300～400 m；沙三中亞段沉積中心位于海通集—胡狀集一帶，大部分厚約100～300 m；沙三上亞段梨園洼陷沉積厚度最大，達(dá)400～500 m，衛(wèi)城—觀城一帶厚度為100～200 m。

圖2　東濮凹陷沙三段泥頁巖厚度平面分布圖

東濮凹陷泥頁巖有機地化特征差異顯著，不僅不同地區(qū)有機質(zhì)地化特征區(qū)別明顯，即使同一層位泥頁巖地球化學(xué)特征也有較大變化。研究區(qū)泥頁巖干酪根類型指數(shù)分布特征表明，濮城—前梨園洼陷沙三段泥頁巖干酪根類型主要為Ⅱ1型，其次為Ⅰ型，少量Ⅱ2型；柳屯—海通集洼陷沙三段泥頁巖干酪根以Ⅱ1型為主；文留地區(qū)沙三段泥頁巖干酪根以Ⅱ1型和Ⅰ型為主，極少見Ⅱ2型；橋口地區(qū)沙三段泥頁巖干酪根以Ⅱ1和Ⅱ2型為主。

東濮凹陷北部沙三段同一層位泥巖樣品中有機質(zhì)豐度變化也很大。沙三下亞段泥頁巖有機碳含量為0.14%～5.69%，平均1.36%；氯仿瀝青“A”含量0.001 4%～10.97%，平均0.290 4%；生烴潛量0.05～68.53 mg/g，平均值4.27 mg/g；總烴含量12～63 582 μg/g，平均3 060 μg/g，為生烴潛力好的泥頁巖。沙三中亞段，為生烴潛力較好-好的泥頁巖；沙三上亞段相對較差，但達(dá)到較差-較好的水平(表1)。

表1　東濮凹陷古近系泥頁巖有機質(zhì)豐度評價表

3儲集空間類型及特征

頁巖油氣作為自生自儲的非常規(guī)油氣資源，其儲集空間類型、孔滲物性及裂縫發(fā)育程度對油氣的富集以及開發(fā)均具有重要意義[10-13]。頁巖油氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲集空間類型多樣，具有儲集流體和提供流動空間的雙重作用[5,14]。通過泥頁巖巖芯樣品的普通掃描電鏡及氬離子拋光照片觀察，根據(jù)泥頁巖儲集空間成因、結(jié)構(gòu)特征及物化特性對樣品儲集空間進(jìn)行分類(表2)。對孔隙大小的表征采用基于場發(fā)射掃描電鏡觀察的微觀孔隙二分法[6,8]：1 mm～1 μm為微米級孔隙，小于1 μm為納米級孔隙。

表2　東濮凹陷北部沙三段陸相泥頁巖儲集空間特征表

3.1無機原生粒間孔

主要發(fā)育于礦物顆粒邊緣接觸處，多數(shù)為原生孔隙，排列規(guī)律性不強，大小不一(圖3)。粘土礦物顆粒之間以及粘土礦物與其他礦物顆粒之間粒間孔發(fā)育?？讖蕉啻笥? μm，屬于微米級孔隙，孔隙之間連續(xù)性較好，對巖石物性具有重要意義。

圖3　東濮凹陷北部沙三段粒間孔典型照片

3.2無機原生晶間孔

晶間孔主要由于晶體生長過程中受到外界干擾而形成[4]，通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及氬離子拋光-掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，石英顆粒、長石顆粒、黃鐵礦晶體以及裂縫中充填的方解石、石膏晶體之間可見較多晶間孔發(fā)育(圖4)。晶間孔以納米級為主。

圖4　東濮凹陷北部沙三段晶間孔典型照片

3.3無機次生溶蝕孔

不穩(wěn)定礦物如長石、碳酸鹽巖礦物、石鹽及粘土礦物等在深埋藏條件下會被溶蝕而形成次生溶蝕孔(圖5)。次生溶蝕孔孔徑大小不一，0.1～10 μm均有發(fā)現(xiàn)，屬于微納米級孔隙。研究區(qū)沙三段巖層在成巖過程中經(jīng)歷了較強溶蝕作用，巖石中次生溶蝕孔大量發(fā)育。

圖5　東濮凹陷北部沙三段次生溶蝕孔典型照片

3.4有機孔

有機質(zhì)主要以游離態(tài)和吸附態(tài)包裹于粘土礦物表面，或與碳酸鹽、黃鐵礦呈披覆、粘附的團塊狀有機質(zhì)形式存在。有機質(zhì)孔通常產(chǎn)生于有機碎片或干酪根表面，孔隙直徑多為納米級[10]。

通過對研究區(qū)多口鉆井巖芯進(jìn)行氬離子拋光掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，東濮凹陷北部沙三段泥頁巖樣品呈灰色，有機質(zhì)零星分布，有機質(zhì)多表面光滑(圖6)，偶見有機質(zhì)孔，孔徑小于0.5 μm，屬納米級孔隙。由于研究區(qū)泥頁巖樣品有機質(zhì)含量相對較低，TOC小于2.0%,且有機質(zhì)成熟度較低，Ro多為0.5%～1.5%，因此，有機質(zhì)較少發(fā)育。

圖6　東濮凹陷北部沙三段有機質(zhì)典型照片

3.5微裂縫

微裂縫常發(fā)育于晶內(nèi)及晶間，在脆性礦物中較多(圖7)。微裂縫大小不一，寬度小至20 nm(圖7(b))，大至20 μm(圖7(d))，且具有較好延展性，可見后期充填程度不一。泥頁巖中的開放型裂縫(圖7(d))不僅可提供頁巖油氣的賦存空間，也可為頁巖油氣的運移及后期開采提供有效微疏導(dǎo)通道[10]，被部分或完全(圖7(e),7(f))膠結(jié)充填的裂縫，仍對后期壓裂誘導(dǎo)裂縫的延伸起促進(jìn)作用。這一點已在北美頁巖油氣勘探開發(fā)中得到證實，微裂縫發(fā)育的區(qū)域其油氣產(chǎn)量也較高[7]，即微裂縫對頁巖油氣富集成藏及后期開采均有積極意義。

圖7　東濮凹陷北部沙三段微裂縫典型照片

4儲集空間的主控因素

4.1礦物成分

巖石的礦物成分對儲集空間類型與大小有直接影響。某些類型孔隙的形成與發(fā)育情況由特定礦物的發(fā)育特征決定，例如黃鐵礦晶間孔、石鹽晶間孔、粘土礦物粒間孔等；裂縫的發(fā)育情況與脆性礦物含量直接相關(guān)，脆性礦物含量同時直接影響泥頁巖儲層的后期可改造性；此外，長石、碳酸鹽巖礦物等成分的含量是巖石中次生溶蝕孔隙形成的必要條件之一。

4.2巖相類型

東濮凹陷為陸相湖盆沉積，巖相復(fù)雜，巖性種類多，相變快，非均質(zhì)性強，不同巖相儲集能力差異大。結(jié)合巖芯觀察與描述、鏡下薄片觀察、氬離子拋光、掃描電鏡及礦物學(xué)等特征，對東濮凹陷北部沙三段泥頁巖進(jìn)行系統(tǒng)分析。根據(jù)礦物成分、巖石類型及微構(gòu)造特征，認(rèn)為研究區(qū)典型巖相類型為：塊狀泥巖相、灰質(zhì)泥巖相、膏質(zhì)泥巖相、粉砂質(zhì)泥巖相以及發(fā)育相對較少的云質(zhì)泥巖相。

塊狀泥巖相，分布范圍最廣，巖性單一，以暗色泥頁巖為主，微觀構(gòu)造呈塊狀；灰質(zhì)泥巖相(圖8(a))，主要分布于深湖-半深湖相水深較大處，微觀構(gòu)造常呈紋層狀；膏質(zhì)泥巖相(圖8(b))，常與鹽巖伴生，主要在鹽湖發(fā)育范圍內(nèi)較為常見，微觀構(gòu)造多為紋層狀，但裂縫多被石膏充填，孔滲性不佳；粉砂質(zhì)泥巖相(圖8(c))，多發(fā)育于三角洲體系，往往發(fā)育于濁積砂體上下部或相變位置，巖石粉砂質(zhì)含量較高，微觀構(gòu)造呈塊狀；云質(zhì)泥巖相相對發(fā)育較少，僅分布于水深較淺的湖相與三角洲相的過渡區(qū)域，微觀構(gòu)造以紋層狀及塊狀為主，物性較差。

(a)灰質(zhì)泥巖相，衛(wèi)79-13井，3 362.00 m，深灰色含膏質(zhì)灰質(zhì)泥巖，發(fā)育顯微層理，由泥質(zhì)58%、灰質(zhì)28%、石膏質(zhì)12%、黃鐵礦2%組成，泥質(zhì)、灰質(zhì)及石膏質(zhì)呈薄互層狀分布；(b)膏質(zhì)泥巖相，濮6-33井，3 486.00 m，深灰色含膏質(zhì)泥巖，由泥質(zhì)75%、石膏11%、石英、長石碎屑8%、泥晶灰質(zhì)6%組成，順層微裂縫發(fā)育且多被石膏質(zhì)充填；(c)粉砂質(zhì)泥巖相，濮6-33井，3 468.00 m，深灰色含粉砂質(zhì)泥巖,巖石發(fā)育顯微層理，主要由泥質(zhì)61%，石英長石碎屑20%，石膏8%，泥晶方解石7%，黃鐵礦4%組成，微裂縫發(fā)育且被石膏充填

圖8不同巖相典型薄片照片

Fig.8Typical micrograph of different lithofacies

經(jīng)光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡鏡統(tǒng)計，巖相類型影響儲集空間的類型和特征(表3)。粒間孔是所有巖相中普遍發(fā)育的儲集空間類型；晶間孔主要在灰質(zhì)泥巖相、膏質(zhì)泥巖相及云質(zhì)泥巖相中發(fā)育較多；次生溶孔普遍發(fā)育，粘土礦物、碳酸鹽巖礦物以及長石等礦物中均可發(fā)生溶蝕作用而形成次生溶蝕孔隙；微裂縫則主要出現(xiàn)在灰質(zhì)泥巖相中。

表3　東濮凹陷北部不同巖相類型儲集空間特征

4.3成巖作用

研究區(qū)沙三段泥頁巖層系埋深主體介于2 500～5 000 m，鏡質(zhì)體反射率0.8%～2.0%，Tmax為420～470 ℃，伊利石-蒙皂石(I/S)混層粘土礦物中蒙皂石層占15%～60%(圖9)。根據(jù)前人研究成果及應(yīng)鳳祥[14]鹽湖盆地碎屑巖成巖階段劃分及主要標(biāo)志，認(rèn)為東濮凹陷北部沙三段泥頁巖主要處于中成巖期，可細(xì)分為中成巖A期及中成巖B期。

圖9　粘土礦物成分相對含量垂向變化圖

成巖作用決定了巖石熱演化程度，是巖石溶蝕作用的控制因素，而溶蝕作用對泥頁巖儲層起建設(shè)性作用，此外成巖作用對巖石中粘土礦物的組成具有重要影響，而粘土礦物的組成對儲集空間類型及發(fā)育情況也具有重要影響。

中成巖期形成次生孔隙發(fā)育帶，垂向上顯示為異?？紫稁?圖9)，主要發(fā)育于3 100～3 800 m深度段。原生孔隙部分保留，次生孔隙對儲層的建設(shè)作用明顯，儲集空間增大，對頁巖油氣富集成藏具有重大意義。

5結(jié)論

1)通過普通掃描電鏡及氬離子拋光-掃描電鏡觀察，根據(jù)成因、結(jié)構(gòu)特征及物化特性，將東濮凹陷北部沙三段陸相泥頁巖劃分出5種儲集空間類型：粒間孔、晶間孔、次生溶蝕孔、有機質(zhì)孔及微裂縫。

2)研究區(qū)沙三段泥頁巖中粒間孔及次生溶蝕孔普遍發(fā)育，粒間孔孔徑一般大于1 μm，屬微米級孔隙，次生溶孔孔徑0.1～10 μm；晶間孔主要發(fā)育于骨架顆粒及次生充填顆粒接觸處，孔徑一般小于1 μm，納米級孔隙發(fā)育較多；微裂縫主要發(fā)育于脆性礦物顆粒內(nèi)及礦物相變處，裂縫寬度大小不一，小至20 nm，大至20 μm；有機質(zhì)孔隙較少發(fā)現(xiàn)，孔徑較小，10～200 nm。

3)儲集空間的控制因素較多，不同礦物成分影響不同孔隙類型的發(fā)育程度，脆性礦物的含量影響了微裂縫的發(fā)育程度；不同巖相類型發(fā)育的儲集空間類型不同，儲集物性也有差異；成巖作用對儲層的改造起到了建設(shè)性作用，中成巖期形成次生孔隙帶，垂向上可見高孔滲帶，對儲集空間的改善具有重大意義。

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(責(zé)任編輯：高麗華)

Microscopic Characteristics and Main Controlling Factors of Shale Reservoir Space of Es3 Formation, Northern Dongpu Depression

HUANG Yuqi1,ZHANG Jinchuan2,ZHANG Peng1,TANG Xuan2,SU Hui3

1.Department of Mining Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui, Guizhou 553004, China;2.School of Energy, China University of Geosciences, Beijing 100083 ,China;3.Research Institute of Exploration and Development, Zhongyuan Oilfield, Sinopec, Puyang, Henan 457001, China.)

Abstract:The shale in salt lake facies of Es3 formation in northern Dongpu depression has good potential of shale oil resources. By taking samples from shale wells and based on the experimental data of whole rock mineral X-ray diffraction, clay mineral X-ray diffraction, Ion beam polishing, and energy spectrum and scanning electron microscopy, the microscopic characteristics and main controlling factors of shale reservoir space were studied. Results show that the main type of reservoir space is micro-nanoscale pore, including inorganic primary inter-granular pore, inorganic primary inter-crystal pore, inorganic secondary dissolution pore, organic pore and micro-cracks. Inorganic pores, especially dissolution pores, play an important role in reservoir construction, and only few organic pores are discovered. The main controlling factors are mineral constituent, lithofacies, diagenesis, organic matters abundance and maturity. Mineral constituent is the endogenous factor; lithofacies and reservoir space type have a good match;the dissolution of the soluble matters during diagenetic process plays an important role in improving the physical properties of reservoir; and the upward clay mineral constituent and pore permeability have a good match.

Key words:shale oil; shalereservoir space;Es3; northern Dongpu depression

收稿日期：2015-09-21

基金項目：中國地質(zhì)大學(xué)“構(gòu)造與油氣資源”教育部重點實驗室開放基金項目(TPR-2013-04)

作者簡介：黃宇琪(1990—)，女，江蘇常熟人，碩士研究生，主要從事頁巖油氣等方面的研究工作. E-mail:sherrill-018@163.com 張金川(1964—)，男，河南焦作人，教授，博導(dǎo)，主要從事頁巖油氣地質(zhì)方面的研究工作，本文通信作者. E-mail: zhangjc@cugb.edu.cn

中圖分類號：P618.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)03-0008-09