周華建， 孫先達， 柳 波， 羅曉容， 申家年，邢濟麟

( 1. 東北石油大學 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)教育部國家重點實驗室培育基地，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)的成功經驗，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，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，學術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)具有應用價值和指導作用。

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質的三維分布進行原位聯合表征，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，為泥頁巖開采技術提供基礎數據。

1 實驗方法

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、細砂巖與泥巖組成的不等厚互層，中部以粉、細砂巖為主，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，為深湖相細粒沉積[8-12](見圖1)。樣品為現場取樣。為保證巖樣未遭到破壞，采用低溫保樣方式做相關實驗。應用光學顯微鏡、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構等巖石微觀特征，利用二維核磁共振和激光掃描共聚焦分析方法，精細分析巖石孔隙結構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造地質Fig.1 The tectonic geology of the first member of Qingshankou Formation in Songliao Basin

將巖心制成光片。利用普通光學顯微鏡透射光、反射光觀測巖石的微觀晶粒結構，通過陰極發(fā)光分析觀測同一標記視域，判定組成巖石的礦物成分和結構[13]。采用自主開發(fā)的孔隙分析系統對巖石的掃描電鏡圖進行孔隙數據提取，對孔隙進行孔喉和喉道分割，計算孔隙的孔喉寬度、喉道寬度，以及孔隙配位數等參數，統計孔隙類型，實驗過程需對巖樣進行氬離子拋光，至巖樣表面形貌高差不超過2 μm；電子探針背散射實驗可以高清晰地顯示微米級及納米級的巖石微觀孔隙結構，根據普通光學顯微鏡分析結果，對巖石中礦物的不同位置(粒核、粒殼及孔隙)進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瑯擞浻^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 ℃，工作頻率設置為23 MHz，巖石烘干后進行二維核磁共振測量。為表征原油組分在巖石孔隙結構中的微觀賦存狀態(tài)，利用激光掃描共聚焦對標記視域進行掃描，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組分的波長，選擇波長為600～800 nm作為接收原油中重質組分的波長。根據獲取的激光掃描共聚焦體數據，建立原油組分在孔隙結構中的三維分布模型，實現原油組分分布可視化表征。

為考慮各項實驗之間的數據與采樣點差異，提高實驗結果的準確性和可靠性，采用標記觀測視域的方法，實現多分析方法聯合對巖心的原位分析，以排除由采樣點差異而導致各項實驗結果的關聯性差。

2 結果與討論

2.1 巖石微觀特征

2.1.1 微觀結構

薄片結果顯示，巖石由粒度為30～40 μm的自形—半自形晶粒組成。在反射偏光下呈現不同反射光強度，晶粒之間呈線接觸模式，巖石結構致密，孔隙空間細小(見圖2(a))。在透射光下，礦物顆粒表現為乳白色半自形結構，礦物顆粒內部的自形程度較高、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，組成巖石的礦物晶粒出現明顯的內外差異現象，晶粒由亮黃色致密的內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)光強度分為極強、強、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[13-15]的研究結果一致。

圖2 巖樣顯微照片Fig.2 Micrographs of a rock sample

樣品的普通光學顯微圖(見圖2(a))反映巖石自形程度較高的晶粒結構，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 化學組成

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

根據電子探針元素分析表征結果，樣品的化學組成以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。根據測試點1、2和3、4的元素測試結果(見圖3)，晶體內部的Ca和Mg元素質量分數顯著高于外部的，晶體外部的Si、K、Al元素質量分數明顯高于晶體內部的。整體上，晶體內部—外部—孔隙的元素相對質量分數變化規(guī)律為Ca、Mg元素質量分數減少，Si、K、Al元素質量分數增加。

巖石主要由碳酸鹽礦物組成，但礦物晶粒的組成結構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部，在晶體內部周圍包裹一層疏松的碳酸鹽礦物。粒間孔隙中填充硅質礦物。元素分析結果與陰極發(fā)光實驗結果符合，樣品巖性為微晶碳酸鹽巖。

結合陰極發(fā)光(見圖2(d))和元素分析(見圖3)的數據推斷，儲層的巖性為自形程度較高的微晶碳酸鹽礦物構成的碳酸鹽巖，巖石滴酸實驗也證明該巖石屬于碳酸鹽巖類。礦物晶體的陰極發(fā)光強度和顏色出現內外明顯差異，是由構成礦物的化學元素質量分數不同導致的(見圖4)，內部形成的高鎂碳酸鹽具有極強的陰極發(fā)光強度，外部形成的低鎂碳酸鹽的陰極發(fā)光強度較低，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)光強度更弱。

圖3 樣品電子探針元素分析實驗測試點及測試點元素質量分數Fig.3 The electron probe element analysis of the samples and the statistics of element mass fraction of test points

圖4 樣品元素組成質量分數Fig.4 The comparison of component mass fraction of sample elements

2.1.3 孔隙結構特征

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

根據孔隙統計分析結果(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，分選因數為9.97，平均配位數為1.11，平均孔喉比為1.59，均質因數為0.36。根據油氣儲層評價方法(SY/T 6285—1997)，屬于碳酸鹽巖儲層孔隙類型中的低孔。

圖5 樣品孔隙結構及孔隙參數頻率直方圖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構配位數分析結果

對孔隙喉道寬度和數目進行統計分析，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。孔隙喉道寬度對原油的分布影響巨大，決定原油在巖石中的運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)定性反映有機質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、鎂元素構成巖石骨架，碳元素集中分布于巖石孔隙空間。根據樣品核磁共振二維譜圖(見圖7)中顏色強度，孔隙中心向孔隙邊緣碳含量呈現遞減的趨勢，即碳主要分布于巖石孔隙中心?？紫吨械奶贾饕捎袡C質(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)域為水區(qū)和束縛水區(qū)，紅色劃線區(qū)域為油區(qū)和固體有機質(干酪根)區(qū)。通過對譜圖中流體面積積分可計算流體的相對體積。巖石孔隙中總流體為4.001 μL，束縛水和輕質油體積為3.763 μL，油氣體積為1.162 μL，輕質油體積為0.925 μL。因此，油氣占總流體體積的29.05%，束縛水和輕質油占總流體體積的94.05%，輕質油占總流體體積的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據，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]，進而彌補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行逐層掃描，將采集到的體數據制成有機質及礦物的三維分布圖(見圖8)。根據接收的波長信號用不同的顏色代表不同的物質，灰色代表巖石礦物顆粒，紅色代表孔隙中的輕質組分，藍色代表重質組分。有機質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，還反映原油輕質和重質組分在孔隙中的分布規(guī)律[25]。

根據原油中輕重組分在孔隙中分布的三維圖，礦物(灰色)的晶形、孔隙結構及孔隙中充填的原油(藍色和紅色)清晰可見(見圖8(a-b))。將掃描獲取的原油分布的體數據通過三維建模分析得到輕質組分(紅色)與重質組分(藍色)分布的三維模型(見圖8(c))。根據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量比，從而計算原油中輕質組分與重質組分質量比為0.876，表明原油中富含碳數高的膠質和瀝青質。

根據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

根據熒光強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，熒光強度反映原油的含量，熒光產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產生的，原油偏重；為中強發(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，還可精確測定巖石中含油性，可準確識別原油、固體有機質、束縛水和自由水4種流體類型及其含量，進而通過各流體的含量推斷巖石的孔隙類型[29-31]。根據樣品的二維核磁定量分析數據，巖石孔隙中含有大量束縛水(占總流體體積的94.05%)，輕質油組分較多(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算的輕重組分質量比(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)物質產生熒光，不同分子結構的物質產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構的三維形態(tài)，而且還清晰展現有機質在孔隙中的三維分布，以及原油輕重組分之間的接觸關系。根據掃描數據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差異而產生分異(見圖8(c))，重質組分主要以吸附態(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，而輕質組分以游離態(tài)分布于孔腔內部及松散的碳酸鹽晶粒外殼。由于重質組分的黏度較輕質組分的大，流動時需要更高的壓力和溫度地質條件，因而不易流動。模型和喉道統計反映喉道結構中喉道狹窄細小(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管阻力，原油在巖石孔隙中被束縛，難以運移出孔隙。

3 結論

(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，晶體內外部在化學組成上存在明顯差異，即內部鈣、鎂元素質量分數較高(w(Ca)=73%～78%；w(Mg)=20%～23%)，外部鈣、鎂元素質量分數較低(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(平均配位數為1.11)和均質因數(0.36)，表明儲層非均質性較高。

(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果表明，原油組分中重質組分含量多(輕重組分質量比為0.876)，且輕質與重質組分在空間分布上發(fā)生分異；輕質組分以游離態(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。