劉心蕊，吳世強(qiáng)，陳鳳玲，張 亮，杜小娟，管文靜，梁文川

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，武漢 430074；2.中國石化 江漢油田分公司，武漢 430035)

近年來，隨著國內(nèi)外非常規(guī)油氣資源理論水平逐步提升、技術(shù)日趨完善，頁巖油成為油氣勘探開發(fā)的前沿和熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[1-2]。中國是世界能源需求大國，2018年數(shù)據(jù)顯示，我國石油對外依存度超過70%[3]，因此，亟需建立和發(fā)展適用于中國復(fù)雜地質(zhì)條件的非常規(guī)油氣資源理論，加大頁巖油氣的勘探開發(fā)力度，為國家能源安全提供保障[4-5]。我國頁巖油資源總體較豐富，但較國外資源條件具有特殊性。北美主要為海相盆地頁巖油，我國主要為陸相盆地頁巖油[6-7]。在中國陸相盆地中，江漢盆地屬于典型的陸相鹽湖盆地，在古近系潛江組鹽間頁巖中油氣顯示豐富，錄井均為油浸頁巖，120多口井見槽面顯示，50多口井獲工業(yè)油流，展現(xiàn)出良好的勘探開發(fā)前景。

目前，學(xué)者們針對江漢盆地潛江凹陷鹽間頁巖油儲層的生烴條件和含油性等陸續(xù)開展了大量研究并取得了豐富的成果[8-11]，探討了頁巖油儲層礦物組成、脆性特征、含油性、資源潛力和頁巖油富集機(jī)理等方面的關(guān)鍵問題。然而，由于鹽間儲層鹽韻律十分發(fā)育，巖性復(fù)雜多樣，碳酸鹽和硫酸鹽等礦物對儲層儲集空間影響較大，導(dǎo)致鹽間儲層巖相特征與儲集物性關(guān)系的研究相對薄弱[12]。為此，本文以潛江凹陷頁巖油顯示較好的4口探井/兼探井潛三段第四油組的第十韻律層(潛34-10)取心段為剖析對象，在巖心系統(tǒng)觀察描述基礎(chǔ)上，選取典型樣品開展巖石薄片鑒定、X衍射、高壓壓汞和孔滲等分析，評價(jià)潛34-10韻律鹽間頁巖礦物組成和巖相特征，分析巖相類型與儲集特征，落實(shí)鹽間頁巖油勘探有利巖相，以期為江漢盆地鹽間頁巖油勘探開發(fā)和有利層段的優(yōu)選提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

江漢盆地是我國東部古近紀(jì)陸相含油鹽湖盆地，屬燕山運(yùn)動發(fā)展起來的白堊紀(jì)—古近紀(jì)斷陷盆地，經(jīng)歷了2個斷—拗旋回，主要發(fā)育了新溝嘴組和潛江組2套生儲油層系[13]。江漢盆地由枝江、江陵、陳沱口、潛江、小板、云夢、沔陽7個次級凹陷組成[13-14](圖1)，其中又以潛江凹陷為沉積沉降中心[9,15]，面積約2 530 km2。潛江凹陷潛江組由砂泥巖層和鹽韻律層頻繁交互而成，其中鹽韻律層由鹽巖層與鹽間頁巖層組成，共有193個鹽韻律層[16-17]?？v向上，潛二段沉積早期、潛三段沉積中期、潛四下段沉積晚期沉積的鹽間頁巖，既是高效優(yōu)質(zhì)烴源巖[18-20]，又是儲集巖。由于上下鹽巖分隔、縱向運(yùn)移條件差，形成了封閉的鹽間頁巖油系統(tǒng)。

圖1 江漢盆地潛江凹陷構(gòu)造位置與剖析井分布Fig.1 Tectonic units and well locatins in Qianjiang Sag, Jianghan Basin

2 礦物組成及巖相特征

2.1 礦物組成與巖相類型

根據(jù)潛江凹陷4口頁巖油專探井/兼探井(BYY2井、BYY1井、W99井和BX7井)潛江組潛34-10韻律鹽間頁巖層系取心段巖心系統(tǒng)觀察結(jié)果，對典型巖性樣品進(jìn)行了系統(tǒng)采集與分析測試。表1為樣品全巖X衍射分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，很顯然潛34-10韻律鹽間頁巖層系縱橫向礦物組成變化大，礦物成分復(fù)雜，主要礦物包括白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英等。其中，BX7井白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英含量平均分別為31.8%，20.7%，2.2%，22.6%，8.2%；BYY1井白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英含量平均分別為28.7%，12.2%，18.5%，10.9%，7.3%；BYY2井白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英含量平均分別為30.9%，12.4%，23.4%，9.8%，6.7%；W99井白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英含量平均分別為23.6%，26.7%，22.3%，9.7%，10.8%?？偟膩碚f，該韻律層主要礦物的平均含量白云石為29.3%，黏土礦物為16.0%，鈣芒硝為17.6%，方解石為12.6%，石英為7.8%。

傳統(tǒng)的頁巖巖相分類主要采用脆性礦物、黏土礦物和碳酸鹽礦物作為3個單元，再結(jié)合有機(jī)碳含量、紋層發(fā)育程度等特征劃分巖相?？紤]到研究區(qū)的鹽湖背景和較高的鹽類礦物含量，本文以碎屑類礦物(石英+黏土+長石)、碳酸鹽類礦物(方解石+白云石)和鹽類礦物(鈣芒硝+石鹽)3大類礦物組成為基礎(chǔ)(圖2)，按照礦物成分—層理構(gòu)造—有機(jī)質(zhì)豐度作為巖相定名主要依據(jù)，識別出研究區(qū)鹽間頁巖主要的巖相類型，分別為富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相、富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相和鈣芒硝充填富碳紋層狀云質(zhì)泥巖相(圖3)。

圖2 江漢盆地潛江凹陷潛34-10韻律 鹽間頁巖層主要礦物組成和巖相劃分方案Fig.2 Major mineral composition and lithofacies division of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

2.2 巖相特征

研究表明，潛江凹陷潛江組鹽間頁巖層系厚度一般為5～10 m，部分層系在局部地區(qū)可達(dá)20 m以上。4口探井揭示潛34-10韻律鹽間頁巖層系厚度較小(取心顯示在10 m左右)，但由于鹽間沉積具有成鹽多期性和長期性，導(dǎo)致不同巖相特征具有顯著差異[21]。

富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相主要發(fā)育在潛34-10韻律中上部，巖石多呈深灰、黃褐色。該巖相礦物學(xué)特征表現(xiàn)為白云石含量最高，平均為44.1%，黏土礦物含量平均為20.3%，方解石含量平均為16.8%，石英和長石含量平均為14.7%，其余還有少量鈣石鹽、黃鐵礦及石膏等(圖3,圖4)。富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相基質(zhì)具泥晶結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)、云質(zhì)相互混雜，陸屑顆粒少量，部分巖石表面被石鹽覆蓋；晶間孔隙較不發(fā)育，部分巖石具紋層構(gòu)造(圖5)，具有較高的有機(jī)碳含量(圖3)。

表1 江漢盆地潛江凹陷潛江組潛34-10韻律鹽間頁巖層礦物成分統(tǒng)計(jì)

圖3 江漢盆地潛江凹陷W99井潛江組潛34-10鹽間頁巖巖相劃分Fig.3 Lithofacies division of inter-salt shales in rhythm,Qianjiang Formation,well W99,Qianjiang Sag,Jianghan Basin

富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相主要發(fā)育在潛34-10韻律中部，巖心呈灰色。該巖相礦物特征表現(xiàn)為黏土礦物含量較高(平均為32.3%)，石英、長石含量平均為17.4%。其中，云質(zhì)泥巖中白云石含量平均為23.5%，方解石含量平均為18.3%；灰質(zhì)泥巖中白云石含量平均為7.3%，方解石含量平均為35.8%(圖3,圖4)。此外，富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相含少量其他礦物，如鈣芒硝、黃鐵礦等。富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相紋層發(fā)育，富碳質(zhì)暗色紋層與富灰質(zhì)亮色紋層間互層，層間縫較為發(fā)育，可見局部夾有黃褐色紋層狀泥晶白云巖；泥晶灰?guī)r紋層厚度小于1 mm，熒光下紋層內(nèi)部可見波狀有機(jī)質(zhì)條帶，具有較高的有機(jī)碳含量(圖3,圖5)。

圖4 江漢盆地潛江凹陷潛江組鹽間頁巖巖心掃描照片

圖5 江漢盆地潛江凹陷潛江組 鹽間頁巖主要礦物組構(gòu)、結(jié)構(gòu)特征

鈣芒硝充填富碳紋層狀云質(zhì)泥巖相主要發(fā)育在潛34-10韻律底部。巖心呈淺灰色，礦物成分以黏土礦物為主，平均為34.7%，白云石含量平均為27.2%，鈣芒硝含量平均為25.5%，黃鐵礦含量平均為5.8%，石鹽含量平均為3.2%，其余礦物成分還包括方解石、石膏及硬石膏等(圖3,圖4)。鈣芒硝呈板塊狀分布，存在鈣芒硝充填，其粒徑為0.02～0.20 mm；晶間孔及微裂縫發(fā)育程度低，具有較高有機(jī)碳含量(圖3,圖5)。

3 巖相類型與頁巖儲集物性

根據(jù)潛江凹陷典型樣品儲集物性分析結(jié)果(表2)，潛江組潛34-10韻律鹽間頁巖儲層孔隙度較高，為1.9%～31.3%，平均總孔隙度為6.0%～22.%；但滲透率相對較低，為(0.06～5.1)×10-3μm2，平均為(0.55～2.18)×10-3μm2(表2)。總的來說，研究區(qū)潛34-10韻律頁巖儲層為中孔—特低滲頁巖儲層。進(jìn)一步的分析表明，研究區(qū)不同巖相的儲集物性具有較大的差異，即同一韻律層儲集物性受巖相控制明顯。由圖6可見，3種巖相中富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相、云質(zhì)/灰質(zhì)泥巖相儲集空間發(fā)育程度較好，其孔隙度分別為23.83%和29.38%；而鈣芒硝充填富碳紋層狀云質(zhì)泥巖相儲集空間發(fā)育程度較差，其孔隙度約為14.97%。

另一方面，基于高壓壓汞測試分析顯示，富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔喉半徑主要為6～410 nm，中值孔喉半徑為219 nm，孔徑大于41 nm的孔隙占總數(shù)的81%，壓汞孔隙度為19.07%，綜合表明該巖相儲集物性相對較好(圖7)。富碳紋層狀灰質(zhì)泥巖相儲層孔喉半徑集中分布在6～64 nm，中值孔喉半徑為21 nm，孔徑大于41 nm的孔隙占總數(shù)的18%，壓汞孔隙度為25.17%(圖7)。鈣芒硝充填紋層狀灰質(zhì)泥巖相儲層孔喉半徑主要分布在6～64 nm左右，中值孔喉半徑為21 nm，孔徑大于41 nm的孔隙占總數(shù)的27%，壓汞孔隙度為13.40%，綜合表明，該巖相儲集物性相對較差(圖7)。

表2 江漢盆地潛江凹陷潛江組 潛34-10韻律鹽間頁巖儲集物性數(shù)據(jù)Table 2 Reservoir properties of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

圖6 江漢盆地潛江凹陷王99井 潛江組潛34-10韻律鹽間頁巖巖相與孔隙度關(guān)系Fig.6 Relationship between lithofacies and porosity of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, well W99, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

4 有利巖相

頁巖儲層中烴類富集層段是頁巖油勘探開發(fā)的首選目標(biāo)。目前，頁巖油開發(fā)普遍采用壓裂增產(chǎn)措施，即頁巖含油氣層段能否高產(chǎn)，在一定程度上由烴類含量以及烴類物質(zhì)在壓裂改造過程中的可流動性共同決定。因此，頁巖油富集層段孔滲特征和游離烴含量是評價(jià)頁巖油經(jīng)濟(jì)開發(fā)的重要參數(shù)[12,22-23]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用熱解參數(shù)S1來代替游離烴含量以進(jìn)行頁巖含油潛力分析。前人[24]研究表明，潛江凹陷潛江組潛34-10韻律層的S1介于2.73～28.47 mg/g之間，平均值為14.14 mg/g，明顯高于美國的巴肯頁巖(S1平均值為2.93 mg/g)和國內(nèi)鄂爾多斯盆地長7段頁巖(S1平均值為5.24 mg/g)，表明研究區(qū)頁巖含油率較高。研究區(qū)潛34-10韻律頁巖層系上部的富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相巖性均一，TOC含量較高(圖3)，S1值約為18.47 mg/g(圖8)，表明頁巖儲層中的含油性較好。同時(shí)，其孔隙度較高，約為23.83%，孔徑大于41 nm的孔隙占總數(shù)的81%，孔喉半徑中值高達(dá)219 nm(圖7)，有利于頁巖油的儲集和產(chǎn)出。因此，富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相為鹽間頁巖油儲層中的優(yōu)勢巖相，可作為研究區(qū)頁巖油勘探中的“甜點(diǎn)”。富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相TOC含量與富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相相當(dāng)(圖3)，S1值也保持在10 mg/g左右(圖8)，孔隙度高達(dá)29.38%(圖6)，有利于頁巖油的儲集。但富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相頁巖孔喉較小，孔喉半徑集中在6～64 nm(中值為21 nm)，孔徑大于41 nm的孔隙僅占總數(shù)的18%(圖7)，不利于頁巖油的產(chǎn)出。因此，富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相開發(fā)潛能中等[12,23]。鈣芒硝充填富碳紋層狀云質(zhì)泥巖相TOC含量較低(圖3)，S1值低于5 mg/g(圖8)，表明頁巖含油穩(wěn)定性較差[8,10]。該巖相孔隙度較低，孔喉半徑為6～64 nm，中值孔喉半徑為21 nm，孔徑大于41 nm的孔隙占總數(shù)的27%(圖7)，其較差的孔隙空間和致密的孔喉結(jié)構(gòu)不利于頁巖油的富集和產(chǎn)出[23-24]。此外，由于該種類型巖相頁巖鹽類含量較高，在開發(fā)過程中易造成儲層結(jié)鹽、堵塞，導(dǎo)致開發(fā)效果較差[12]，因此，其開發(fā)潛力相對最低。

圖7 江漢盆地潛江凹陷潛江組不同巖相儲層孔徑表征Fig.7 Distribution of pore size of shale reservoirs with different lithofacies in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

圖8 江漢盆地潛江凹陷潛江組不同巖相游離烴含量分布Fig.8 Free hydrocarbon contents of different lithofacies in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

5 結(jié)論

(1)江漢盆地潛江凹陷潛江組鹽間頁巖主要可以劃分為3種巖相類型，分別為富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相、富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相和鈣芒硝充填富碳紋層狀云質(zhì)泥巖相。

(2)研究區(qū)不同巖相的儲集物性具有較大差異，其中富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相和富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相孔隙度相對較高，分別為23.83%和29.38%，而鈣芒硝充填富碳紋層狀云質(zhì)泥質(zhì)相孔隙度較低，為13.4%。不同巖相孔徑分布差異明顯，富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔喉半徑分布范圍廣，以孔徑大于41 nm的孔隙為主，中值孔喉半徑為219 nm；而富碳紋層狀云/灰質(zhì)泥巖相和鈣芒硝充填富碳紋層狀云質(zhì)泥質(zhì)相孔喉半徑分布范圍小，以孔徑小于41 nm的孔隙為主，中值孔喉半徑為21 nm。

(3)富碳紋層狀泥質(zhì)白云巖相巖性均一，頁巖儲層中的含油性較好，良好的儲集空間和較大的孔喉結(jié)構(gòu)為頁巖油的儲集和產(chǎn)出提供了有力的保障，是鹽間頁巖油儲層中的優(yōu)勢巖相，可作為研究區(qū)頁巖油勘探中的“甜點(diǎn)”。