李 政

(1.中國(guó)石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015；2.國(guó)家能源頁巖油研發(fā)中心，山東 東營(yíng) 257015)

1 地質(zhì)概況

東營(yíng)凹陷為渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷的次級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元，為中國(guó)中新生代典型的富油凹陷代表，總體上呈現(xiàn)“北斷南超、北深南淺”的箕狀結(jié)構(gòu)。東營(yíng)凹陷古近系頁巖主要發(fā)育在沙河街組沙四上亞段、沙三下亞段和沙一段。

沙四段沉積時(shí)期，湖水具有較高的鹽度，含有較多的嗜鹽微生物，且由于湖水具有較穩(wěn)定的鹽度和密度分層，底水為富硫的強(qiáng)還原條件[6-7]，有機(jī)質(zhì)保存條件較好，從而形成了沉積于咸水—鹽湖環(huán)境湖相富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖。該層段頁巖厚度一般為100～400 m，為東營(yíng)凹陷油氣的主要源巖之一，其本身也蘊(yùn)藏著大量的頁巖油資源[5-6]。

2 頁巖礦物組成特征及巖性分類

根據(jù)東營(yíng)凹陷沙四上亞段890塊頁巖樣品統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，礦物成分主要為黏土、碳酸鹽礦物、石英等，其次有斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黃鐵礦和菱鐵礦等(表1)。不同頁巖樣品的主要礦物，即黏土、碳酸鹽礦物、石英和長(zhǎng)石含量差異較大。

表1 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上亞段頁巖全巖礦物組成統(tǒng)計(jì)

東營(yíng)凹陷樊頁1井沙四上亞段頁巖樣品的全巖及黏土礦物X衍射分析數(shù)據(jù)表明，在沙四上亞段3類主要礦物(黏土、碳酸鹽礦物、長(zhǎng)英質(zhì)礦物)中，碳酸鹽礦物含量與黏土礦物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量則與黏土礦物呈正相關(guān)關(guān)系(圖1)，說明長(zhǎng)英質(zhì)礦物與黏土礦物均主要來自陸源碎屑。在巖心上，碳酸鹽礦物與陸源碎屑含量的頻繁波動(dòng)，指示著沉積環(huán)境的頻繁變化[8]。陸源碎屑供給充足時(shí)，黏土礦物含量和石英、長(zhǎng)石含量相對(duì)較高，而在陸源碎屑供給量相對(duì)較少時(shí)，則碳酸鹽礦物含量相對(duì)較高。

圖1 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上亞段頁巖3類主要礦物含量的關(guān)系

由于東營(yíng)凹陷沙四上亞段頁巖中，石英和長(zhǎng)石粒徑一般較小，大多為泥級(jí)顆粒，并且石英和長(zhǎng)石顆粒與黏土礦物具有親緣性。因此將沙四上亞段頁巖劃分為2類典型巖性,即灰質(zhì)泥巖(碳酸鹽礦物含量低于50%，黏土、長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量高于50%)和泥質(zhì)灰?guī)r(黏土、長(zhǎng)英質(zhì)礦物總含量低于50%，碳酸鹽礦物含量大于50%)。

3 不同巖性頁巖有機(jī)質(zhì)豐度及含油性

3.1 頁巖有機(jī)質(zhì)微觀賦存特征

在顯微鏡下觀察，不管是灰質(zhì)泥巖還是泥質(zhì)灰?guī)r，大多有明顯的層狀或紋層狀構(gòu)造，多為碳酸鹽層與黏土層的互層。對(duì)于不同的樣品，黏土礦物和碳酸鹽礦物含量不同，表現(xiàn)為不同礦物薄層的厚度不同。對(duì)于灰質(zhì)泥巖來說，黏土礦物層相對(duì)較厚，并在黏土礦物層中混雜較多的陸源碎屑(長(zhǎng)石和石英等)，而碳酸鹽礦物層相對(duì)較薄(圖2a)。對(duì)于泥質(zhì)灰?guī)r來說，碳酸鹽礦物層相對(duì)較厚，黏土礦物層相對(duì)較薄(圖2b)。

通過對(duì)頁巖薄片的透射光觀測(cè)和熒光觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，可以確定有機(jī)質(zhì)在頁巖中的賦存特征。一般在黏土礦物紋層中，可以觀察到強(qiáng)烈的熒光顯示，以及大量的生烴母質(zhì)(包括藻類等)；而在碳酸鹽礦物富集的紋層中，熒光相對(duì)較弱(圖2c-f)。這說明頁巖中的生烴母質(zhì)大多賦存在黏土礦物紋層內(nèi)，即沉積有機(jī)質(zhì)大多與黏土礦物共生。有文獻(xiàn)也認(rèn)為黏土礦物對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)有較強(qiáng)的親和力，并對(duì)沉積后的有機(jī)質(zhì)保存起著積極作用[9-11]。而碳酸鹽礦物紋層中有機(jī)質(zhì)相對(duì)較少，也說明這些頁巖中的碳酸鹽礦物大多為非生物成因，主要為化學(xué)沉積成因。盡管沉積有機(jī)質(zhì)一般賦存于黏土礦物紋層中，但黏土礦物的含量不是決定生烴母質(zhì)豐度的主要因素，因?yàn)閹r石整體的有機(jī)質(zhì)豐度取決于古生產(chǎn)力、氧化還原環(huán)境及無機(jī)礦物的沉積速率等。如純372井2 568 m頁巖中，盡管黏土礦物紋層相對(duì)較薄(圖2e)，但在熒光下可見黏土礦物紋層中具有明顯的藻類富集(圖2f)。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度比較

統(tǒng)計(jì)東營(yíng)凹陷樊頁1井沙四上亞段有機(jī)質(zhì)豐度與黏土礦物和碳酸鹽礦物含量的關(guān)系，同樣的黏土礦物含量或同樣的碳酸鹽礦物含量，其有機(jī)質(zhì)豐度差異較大。但有機(jī)質(zhì)豐度(TOC含量)總體上與黏土礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系(圖3a)，而與碳酸鹽礦物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3b)，也進(jìn)一步說明黏土礦物與有機(jī)質(zhì)的共存關(guān)系。從圖3b可以看出，泥質(zhì)灰?guī)r總體上有機(jī)質(zhì)豐度略低于灰質(zhì)泥巖。但泥質(zhì)灰?guī)r仍可能具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度，甚至在碳酸鹽礦物含量大于90%時(shí)，有機(jī)質(zhì)豐度仍然可以達(dá)到2%。

3.3 含油量的比較

巖石的熱解參數(shù)S1可近似表征頁巖中含油量的相對(duì)多少[12]。樊頁1井沙四上亞段頁巖的熱解S1總體上隨黏土礦物含量升高而增加，其最大值也是隨黏土礦物含量升高而增加；而隨著碳酸鹽礦物含量增加，熱解S1總體變小，其最大值也降低(圖3c，d)。但在相同的黏土礦物含量或相同的碳酸鹽礦物含量的情況下，熱解參數(shù)S1本身差異較大，究其原因，含油量的多少不僅取決于其本身的有機(jī)質(zhì)豐度和生烴量，也取決于儲(chǔ)集空間的大小以及生成的頁巖油的排出條件等。一般來說，灰質(zhì)泥巖比泥質(zhì)灰?guī)r具有更好的含油性。

4 不同巖性頁巖的儲(chǔ)集性對(duì)比

4.1 總孔隙度對(duì)比

對(duì)東營(yíng)凹陷頁巖進(jìn)行GRI孔隙度測(cè)定[12-14]和全巖礦物X衍射分析，GRI孔隙度與礦物、有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系如圖4所示。總體上，孔隙度隨著黏土、長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量和TOC含量的增加均明顯增加；但隨著碳酸鹽礦物含量的增加而明顯降低。由于頁巖中的長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量與黏土含量正相關(guān)(圖1)，并且頁巖中的石英和長(zhǎng)石顆粒多分散于黏土礦物中，不易形成石英、長(zhǎng)石礦物顆粒的粒間縫，因此孔隙度隨長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量增加而增加的現(xiàn)象并非只是長(zhǎng)英質(zhì)礦物發(fā)育導(dǎo)致的孔隙度增加，而同樣反映了黏土礦物中更容易發(fā)育孔隙?？紫抖扰cTOC的正相關(guān)關(guān)系表明，有機(jī)質(zhì)的發(fā)育對(duì)孔隙度的發(fā)育具有明顯的促進(jìn)作用。由于有機(jī)質(zhì)一般與黏土礦物共存(圖2a，3a)，因此隨著黏土礦物含量的增加，有機(jī)質(zhì)的增孔作用也會(huì)越明顯。

圖2 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷頁巖有機(jī)質(zhì)和不同礦物的依存關(guān)系

圖3 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷樊頁1井沙四上亞段頁巖有機(jī)地化參數(shù)與礦物含量關(guān)系

圖4 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷頁巖GRI孔隙度與主要礦物及有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系

總之，孔隙度與黏土礦物、TOC的正相關(guān)關(guān)系，與碳酸鹽礦物含量的負(fù)相關(guān)關(guān)系表明，灰質(zhì)泥巖總孔隙度要高于泥質(zhì)灰?guī)r。

4.2 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)比

在掃描電鏡下，可觀察同一頁巖樣品中的泥質(zhì)和灰質(zhì)條帶孔隙發(fā)育特征?？傮w上在泥質(zhì)條帶上，孔隙數(shù)量發(fā)育較多，并多呈不規(guī)則狀；而在灰質(zhì)條帶中，孔隙數(shù)量發(fā)育相對(duì)較少(圖5a，b)。大多的泥質(zhì)條帶內(nèi)發(fā)育有機(jī)質(zhì)，其有機(jī)質(zhì)中也必然發(fā)育或多或少的較為細(xì)小的有機(jī)孔隙。另外，在黏土礦物中也存在著大量的黏土礦物片間孔，這些都能解釋GRI孔隙度總體隨著黏土礦物含量的增加而升高的現(xiàn)象。

盡管在頁巖中的碳酸鹽礦物薄層內(nèi)，除了部分白云石外，大多孔隙較少，且分布相對(duì)不均勻，但這些碳酸鹽礦物薄層內(nèi)發(fā)育的孔隙一般較大，包括部分由于酸性流體活動(dòng)而形成的溶蝕孔等(圖5c)。在部分頁巖內(nèi)的碳酸鹽礦物薄夾層中，還發(fā)育晶間縫、裂隙等，這些晶間縫及裂隙在酸性流體作用下，更容易形成孔縫網(wǎng)絡(luò)(圖5d)，成為頁巖油的有效儲(chǔ)集空間或滲流通道。

圖5 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷頁巖不同礦物中孔隙發(fā)育特征

典型的灰質(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r的孔徑結(jié)構(gòu)特征在高壓壓汞[12]所得的孔徑分布曲線上可看出明顯的差異。圖6為同一口井相近深度的灰質(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r的壓汞所得孔徑分布曲線對(duì)比圖，灰質(zhì)泥巖，一般孔徑分布范圍相對(duì)較窄，多以較低的孔徑和喉道為主，孔、喉直徑一般小于1 μm；而泥質(zhì)灰?guī)r孔徑范圍則分布更寬，最大孔、喉直徑可達(dá)到7 μm，說明孔隙或喉道更加多樣化，既存在較低的孔徑或喉道，又存在較大的孔徑和喉道。

圖6 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷不同巖性頁巖的壓汞分析孔徑分布特征

總體上，灰質(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r相比較，灰質(zhì)泥巖相對(duì)總孔隙度可能更高，泥質(zhì)灰?guī)r的總孔隙度總體相對(duì)較低，但灰質(zhì)泥巖中小孔隙更為發(fā)育，泥質(zhì)灰?guī)r中較大的孔隙和喉道更發(fā)育。

5 不同巖性頁巖油可動(dòng)性比較

5.1 含油飽和度指數(shù)(OSI)比較

頁巖的含油飽和度指數(shù)OSI(Oil Saturation Index)是用于表征頁巖產(chǎn)油潛力有效指標(biāo)[15-16]，一般認(rèn)為頁巖中的油滿足了干酪根的自身吸附量(70～80 mg/g)之后，才具有產(chǎn)油潛力，其OSI值越高，產(chǎn)油潛力越好。本文以O(shè)SI值作為含油性的指標(biāo)，探討不同巖性頁巖中油的可動(dòng)性差異。總體上，東營(yíng)凹陷沙四上亞段頁巖的OSI值隨著黏土礦物含量的增加而降低，但隨碳酸鹽礦物含量的增加而升高(圖3e,f)。因此從含油飽和度指數(shù)的對(duì)比數(shù)據(jù)可看出，泥質(zhì)灰?guī)r具有更好的可動(dòng)潛力。

5.2 礦物對(duì)原油吸附能力比較

為研究頁巖中主要礦物對(duì)原油吸附能力的差異，進(jìn)行了不同礦物對(duì)原油吸附能力的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。選取東營(yíng)凹陷古近系沙河街組頁巖樣品，分離出黏土礦物、方解石薄層、石英顆粒和黃鐵礦顆粒，粉碎至一定大小的顆粒，采用索氏抽提裝置，利用二氯甲烷洗去表面吸附的有機(jī)質(zhì)[17]，再進(jìn)行不同礦物對(duì)原油的吸附能力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4種礦物吸附能力強(qiáng)弱順序?yàn)椋吼ね?黃鐵礦>石英>方解石。黏土礦物的吸附能力(18.0 mg/g)是方解石的吸附能力(1.8 mg/g)的10倍。

從礦物晶體結(jié)構(gòu)及表面帶電性方面，可以解釋黏土礦物比方解石對(duì)原油吸附能力強(qiáng)的原因。黏土礦物中的蒙脫石和伊利石均為2∶1型晶層，即由2個(gè)硅氧四面體晶片與1個(gè)鋁氧八面體晶片構(gòu)成，鋁氧八面體晶片位于晶層中間。蒙脫石中位于晶層內(nèi)部的Al3+易被Mg2+、Fe2+和Zn2+等取代，取代后所產(chǎn)生的負(fù)電荷吸引層間或?qū)用鍺a+或Ca2+離子，這些層間或?qū)用鍺a+或Ca2+會(huì)吸附具有負(fù)電性的有機(jī)大分子。在伊利石中，位于層間或?qū)用娴腟i4+離子更容易被Al3+離子取代，產(chǎn)生的負(fù)電荷由等量的層間或?qū)用鍷+來平衡，K+吸附本身具有負(fù)電性的有機(jī)大分子[18]。而碳酸鈣本身為中性晶體，一般不具有電性，其對(duì)有機(jī)質(zhì)吸附能力相對(duì)較弱。盡管在顯微鏡下容易見到油在方解石礦物上鋪展開，但這種吸附一般為弱吸附。

因此，從無機(jī)礦物對(duì)原油的吸附能力方面比較，灰質(zhì)泥巖中礦物對(duì)原油的吸附能力要強(qiáng)于泥質(zhì)灰?guī)r。

5.3 黏土礦物水化膨脹性比較

頁巖中的黏土礦物的水化膨脹會(huì)影響儲(chǔ)層及井壁的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響頁巖油的可動(dòng)性[19]。不同的黏土礦物的水化膨脹性不同，一般來說，其水化膨脹作用強(qiáng)弱順序?yàn)椋好擅撌?伊利石>綠泥石>高嶺石[20-23]。東營(yíng)凹陷成熟生烴階段頁巖中的黏土礦物主要為伊蒙混層、伊利石等，伊蒙混層向伊利石的轉(zhuǎn)化程度對(duì)頁巖油的可動(dòng)性有一定的影響。

樊頁1井沙四上亞段埋藏深度相近的頁巖中，伊利石的轉(zhuǎn)化程度(伊利石與伊蒙混層的比值)隨著黏土礦物含量的增加而降低，而隨著碳酸鹽礦物含量的增加而明顯增高(圖7)。說明在同樣的埋深條件下，頁巖的礦物組成影響著伊利石的轉(zhuǎn)化程度。黏土礦物含量越低，碳酸鹽礦物含量越高，越有利于黏土礦物中伊蒙混層向伊利石的轉(zhuǎn)化。從黏土礦物轉(zhuǎn)化程度與黏土礦物含量或碳酸鹽礦物含量關(guān)系來看，泥質(zhì)灰?guī)r的黏土礦物轉(zhuǎn)化程度更高，對(duì)頁巖油的可動(dòng)性更加有利。分析其原因，可轉(zhuǎn)化過程中，需要K+、Al3+的進(jìn)入，產(chǎn)生的Fe2+、Mg2+、Si4+需排出。在灰質(zhì)泥巖中，黏土礦物含量較高，可能導(dǎo)致所需的K+、Al3+的不足，以及Fe2+、Mg2+、Si4+的累積難以排出，進(jìn)而阻滯蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化；而泥質(zhì)灰?guī)r中黏土礦物含量較低，有利于伊蒙混層向伊利的轉(zhuǎn)化。

圖7 渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上亞段頁巖黏土礦物轉(zhuǎn)化程度與黏土礦物、碳酸鹽礦物含量關(guān)系

6 結(jié)論

(1)黏土、碳酸鹽礦物和長(zhǎng)英質(zhì)礦物是渤海灣盆地東營(yíng)凹陷沙四上亞段頁巖的主要礦物成分。其中，長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量與黏土含量正相關(guān)，而與碳酸鹽礦物含量負(fù)相關(guān)。

(2)在鏡下觀察可見頁巖中的有機(jī)質(zhì)與黏土礦物呈共生關(guān)系。對(duì)比有機(jī)質(zhì)豐度、含油性與礦物組成關(guān)系也表明，灰質(zhì)泥巖比泥質(zhì)灰?guī)r具有更高的有機(jī)質(zhì)豐度和更好的含油性。

(3)對(duì)比灰質(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r的儲(chǔ)集性，認(rèn)為灰質(zhì)泥巖具有相對(duì)較高的孔隙度，但孔喉一般偏?。欢噘|(zhì)灰?guī)r孔隙度相對(duì)較低，但大孔隙喉道更為發(fā)育。泥質(zhì)灰?guī)r比灰質(zhì)泥巖具有更好的儲(chǔ)集性能。

(4)從含油飽和度指數(shù)、礦物對(duì)原油的吸附能力、黏土礦物的轉(zhuǎn)化程度方面比較，泥質(zhì)灰?guī)r中的頁巖油比灰質(zhì)泥巖中的頁巖油具有更好的可動(dòng)性。