劉 金，王 劍，張寶真，曹 劍，尚 玲，張曉剛，王桂君

1.新疆頁巖油勘探開發(fā)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油 新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油 新疆油田分公司 風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；4. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

頁巖油是指烴源巖(特別是頁巖)已生成并滯留在地層中的石油聚集，是21世紀(jì)重要的油氣資源接替類型[1-3]。查明頁巖油的賦存方式和賦存狀態(tài)是頁巖油流動(dòng)性評(píng)價(jià)及其有效開發(fā)的基礎(chǔ)。然而，頁巖油儲(chǔ)層因孔徑分布范圍廣，微—納米級(jí)孔隙發(fā)育，因此頁巖油的賦存方式和狀態(tài)非常復(fù)雜，是頁巖油研究的薄弱環(huán)節(jié)[4-6]。前人研究認(rèn)為，頁巖油賦存形式主要呈吸附相和游離相2種[7-8]，烴類組分在賦存狀態(tài)上表現(xiàn)為重質(zhì)、極性強(qiáng)的組分多被吸附，輕質(zhì)、分子量小、極性弱的組分更多易游離[9-11]。

頁巖油原位賦存特征研究需要以微—納米孔隙研究為基礎(chǔ)。關(guān)于孔隙表征目前主要有流體侵入法、圖像觀察法、納米CT三維重構(gòu)及核磁共振法等[12-14]。其中，二維掃描電鏡圖像孔隙提取方法表征頁巖孔隙分布具有不用洗油，在研究孔隙分布的同時(shí)還可直接研究孔隙類型與孔隙分布關(guān)系等優(yōu)勢(shì)，因而應(yīng)用較廣[15-18]。在頁巖油賦存狀態(tài)研究方面，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、激光共聚焦顯微鏡、納米CT、核磁共振等各具優(yōu)勢(shì)和缺陷。如場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分辨率高，但樣品室需要抽成較高的真空，真空和電子束的轟擊均會(huì)造成易揮發(fā)流體的散失，對(duì)頁巖油的賦存表征造成影響；納米CT利用碘化鉀、氯化錳等溶劑進(jìn)行浸泡，可將油與孔隙水進(jìn)行有效區(qū)分[4]，但缺點(diǎn)是不能區(qū)分不同組分的油；激光共聚焦顯微鏡根據(jù)熒光波長(zhǎng)可對(duì)亞微米級(jí)以上孔隙中的油質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，但缺點(diǎn)是不能表征孔隙水的分布。因此通過發(fā)揮各實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行聯(lián)合表征是目前較為準(zhǔn)確、可靠的頁巖油賦存研究方法。

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組是中國當(dāng)前勘探開發(fā)最為成功的陸相頁巖油層系之一，目前正在建設(shè)首個(gè)國家級(jí)頁巖油示范區(qū)，為開展頁巖油的賦存狀態(tài)研究提供了良好的對(duì)象。前人針對(duì)蘆草溝組烴源巖評(píng)價(jià)、頁巖油儲(chǔ)層特征及成因、“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)與優(yōu)選等研究取得了大量認(rèn)識(shí)[3,19-26]，但對(duì)頁巖油的賦存狀態(tài)研究還不夠深入，對(duì)孔隙水和不同組分油在微—納米孔隙中原位分布的研究不足[27]，影響了頁巖油高效開發(fā)。本文在微—納米孔隙表征的基礎(chǔ)上，研究頁巖油的原位賦存特征，以期對(duì)頁巖油的資源評(píng)價(jià)和提高采收率研究提供參考。

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷位于盆地東部，面積約1 278 km2，是早二疊世晚期天山海槽閉合后形成的中二疊世前陸型箕狀凹陷[6](圖1a)。本文所指的頁巖油主要聚集在中二疊統(tǒng)蘆草溝組，地層厚度25～300 m，平均為200 m，埋深為800～4 500 m，平均為3 570 m[28](圖1a)。蘆草溝組沉積期后，凹陷東、西、南、北部都經(jīng)歷了壓實(shí)再抬升的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，目前為半環(huán)帶狀單斜，構(gòu)造格局呈現(xiàn)東高西低，地層傾角3°～5°，斷裂總體不發(fā)育[28]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組厚度等值線(a)與蘆草溝組綜合柱狀圖(b)

2 頁巖油儲(chǔ)層微—納米孔隙類型

偏光顯微鏡和掃描電鏡下觀測(cè)鑒定發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層孔隙類型多樣，總體可以分5種，其微—納米孔隙尺度也不相同。

(1)粒間溶孔。為剩余粒間孔與碎屑顆粒溶蝕孔形成的復(fù)合孔隙，主體分布在10～50 μm(圖2a-c)，主要發(fā)育于砂屑云巖、長(zhǎng)石巖屑粉細(xì)砂巖等粒度相對(duì)較粗的巖性中，從掃描電鏡分析來看，蘆草溝組典型的剩余粒間孔隙發(fā)育不多，多數(shù)孔隙邊緣發(fā)生港灣狀溶蝕，反映孔隙成因類型主要還是溶蝕型。

(2)粒內(nèi)溶孔。主要為長(zhǎng)石和凝灰質(zhì)巖屑溶蝕孔隙，尺度主要在5～20 μm(圖2a)。粒內(nèi)溶孔中多充填有板狀鈉長(zhǎng)石晶體、粒狀石英晶體、(鐵)白云石晶體和似蜂巢狀伊/蒙混層礦物。其成因主要與干酪根脫羧作用生成有機(jī)酸、CO2等酸性流體進(jìn)入儲(chǔ)層，溶蝕長(zhǎng)石、巖屑等易溶組分相關(guān)[33-35]。

(3)鈉長(zhǎng)石晶間孔。長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔中鈉長(zhǎng)石晶體的結(jié)晶及格架狀排列形成鈉長(zhǎng)石晶間孔。掃描電鏡下，自生板柱狀鈉長(zhǎng)石將長(zhǎng)石溶蝕孔分割成若干個(gè)三角形小孔，孔隙邊緣平直，孔徑分布在350 nm～8 μm(圖2d)。

(4)白云石晶間孔?？讖街饕植荚?00 nm～10 μm。由菱形白云石晶體搭建而成三角狀(圖2e)。白云石晶間孔存在于抗壓能力較強(qiáng)的剛性白云石礦物顆粒間[36]。由于酸性熱流體的溶蝕改造，孔隙邊緣常呈溶蝕不規(guī)則狀，形成白云石晶間溶孔。

(5)黏土礦物晶間孔(縫)：依據(jù)孔隙形態(tài)將黏土礦物晶間孔分為狹縫狀晶間縫和蜂巢狀晶間孔[37]。黏土礦物晶間縫尺度為1～350 nm，孔隙長(zhǎng)寬比多介于10～30，廣泛發(fā)育于泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖。黏土礦物晶間孔大小400 nm～2 μm，黏土礦物晶間孔長(zhǎng)寬比接近于1，呈似圓孔形(圖2f)，由似蜂巢狀伊/蒙混層礦物晶體形成，常見于溶蝕孔隙中。

3 頁巖油儲(chǔ)層孔隙分布

3.1 粉細(xì)砂巖

碎屑顆粒粒度相對(duì)較粗，主體為細(xì)砂級(jí)，其次為粉砂級(jí)(圖2a)。碎屑顆粒以凝灰質(zhì)、陸源石英和長(zhǎng)石為主，含量在90%以上，凝灰質(zhì)含量較高。這類巖性孔隙發(fā)育最好，以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鈉長(zhǎng)石晶間孔為主，面孔率在17.0%～23.5%之間(圖3a-b)。孔隙以大于200nm為主，占比高達(dá)94.8%。其中大于2 μm孔隙占比49.0%，以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔為主，粒內(nèi)溶孔被蜂巢狀伊/蒙混層礦物和鈉長(zhǎng)石晶體進(jìn)行分割形成晶間孔；200 nm～2 μm占比45.8%，以鈉長(zhǎng)石晶間孔和黏土礦物晶間孔為主。20～200 nm和小于20 nm孔隙占比僅為3.8%和1.4%，孔隙類型為晶間孔和晶間縫(表1)。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖儲(chǔ)層微—納米孔隙特征

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層孔隙圖像分析

3.2 砂屑云巖

砂屑云巖中白云石為主要礦物成分，一般在60%～80%之間，最高可達(dá)95%，其次是陸源長(zhǎng)石、石英和凝灰質(zhì)碎屑(圖2b)?？紫额愋鸵陨靶剂ｉg溶孔、粒內(nèi)溶孔和白云石晶間孔為主(圖2b)。溶蝕組分主體為堿性長(zhǎng)石和白云石，堿性長(zhǎng)石內(nèi)部有自生鈉長(zhǎng)石和石英充填。砂屑云巖面孔率在10.5%～16.5%(圖3c-d)?？紫洞笮》植技?，以200 nm～2 μm為主，占比70.1%，孔隙類型為白云石晶間孔；大于2 μm孔隙占比20.6%，以砂屑粒間溶孔為主；20～200 nm和小于20 nm占比少，分別為7.6%和1.7%(表1)。

3.3 云質(zhì)粉砂巖

碎屑顆粒以陸源長(zhǎng)英質(zhì)碎屑為主，其次為火山碎屑。白云石含量在20%～35%之間，黏土礦物含量相對(duì)較高，平均6.8%左右(圖2c)?？紫额愋团c粉細(xì)砂巖類似，不同之處在于白云石晶間孔發(fā)育，面孔率在11.0%～17.5%。大于2 μm孔隙占比49.6%，以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔為主；200 nm～2 μm占比31.0%，以白云石、鈉長(zhǎng)石和蜂巢狀黏土礦物晶間孔為主；20～200 nm和小于20 nm孔隙分別占比13.9%和5.5%，主要為黏土礦物晶間縫(表1)。

3.4 泥質(zhì)粉砂巖

巖石組成以黏土礦物、長(zhǎng)英質(zhì)碎屑和有機(jī)質(zhì)碎屑為主，黃鐵礦含量較其他巖性高。黏土礦物含量一般在16.0%～36.0%，平均21.0%。孔隙發(fā)育最差，面孔率多小于5.0%，孔隙類型主要為狹縫狀黏土礦物晶間縫?？紫斗植枷鄬?duì)集中，以20～200 nm為主，占比57.4%。大于2 μm孔隙僅為1.4%，200～2 000 nm孔隙占比21.2%，小于20 nm占比20.0%(表1)。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層孔隙分布

4 頁巖油儲(chǔ)層中流體微觀賦存特征

采用LEICA SP5Ⅱ型激光共聚焦分析儀(分辨率0.1 μm)進(jìn)行油質(zhì)分析，樣品為甜點(diǎn)段的油浸—富含油級(jí)別樣品。樣品制備在冷凍條件下進(jìn)行，儀器激發(fā)波長(zhǎng)488 nm。根據(jù)熒光光譜解析，油質(zhì)越重，波長(zhǎng)越長(zhǎng)；油質(zhì)越輕，小分子成分含量增加，波長(zhǎng)越短。據(jù)此吉木薩爾微—納米孔隙中的油可以分為重質(zhì)組分油和中質(zhì)組分油2類。中質(zhì)組分產(chǎn)生490～600 nm波長(zhǎng)熒光信號(hào)，重質(zhì)組分產(chǎn)生600～800 nm波長(zhǎng)信號(hào)。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析前，樣品經(jīng)過Gatan 693型冷凍氬離子拋光儀拋光，主要分析重質(zhì)組分油(可能含有少量中質(zhì)組分)在孔隙中的分布，測(cè)量孔隙截面上孔隙璧附著的油膜厚度；采用MacroMR12-150H-I型核磁共振分析儀獲取密閉取心樣品初始狀態(tài)下流體的T2譜，然后用MnCl2溶液飽和樣品60 h，將水信號(hào)屏蔽，獲取油相的T2譜，分析油、孔隙水的分布；核磁共振測(cè)試完成后的樣品進(jìn)行納米級(jí)CT掃描，儀器型號(hào)為ZEISS Xradia 800 Ultra型(空間分辨率50 nm)，依據(jù)骨架礦物、油和孔隙水的灰度差異，得到孔隙、油和水分布的三維立體圖像，進(jìn)而對(duì)油、水賦存形式進(jìn)行分析。結(jié)果表明，蘆草溝組頁巖孔隙中流體組分主體為油和孔隙水，油分為重質(zhì)組分油和中質(zhì)組分油，它們?cè)谖ⅰ{米尺度上的分布具有較強(qiáng)的分異性。

(1)重質(zhì)組分油。長(zhǎng)碳鏈烴類、非烴及瀝青質(zhì)占比較高。在微—納米尺度，重質(zhì)組分油以薄膜狀和充填狀賦存，“小孔”(2～5 μm以下)中重質(zhì)組分油主要為充填狀，在“大孔”(2～5 μm以上)中以薄膜狀賦存于孔隙表面或礦物表面(圖4a)。值得注意的是，本文所提到的“大孔”與“小孔”是基于研究需要提出的，與國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)及LOUCKS等提出的孔隙分類方法不同[13]。重質(zhì)組分油具有“小孔充填狀，大孔薄膜狀”，納米孔—微米孔全尺度含油特征(圖4a-b)。在場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀察統(tǒng)計(jì)，熒光級(jí)樣品中重質(zhì)油膜厚度70～200 nm，油浸級(jí)樣品厚度300～350 nm，富含油級(jí)樣品厚度700 nm～2 μm，隨著含油程度越高，重質(zhì)油膜的厚度越大，小孔到大孔逐漸充滿，充填狀比例越高。

(2)中質(zhì)組分油。根據(jù)激光共聚焦分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)，中質(zhì)組分油主要賦存在5 μm以上的孔隙中，在亞微米—微米尺度孔隙邊緣主要為重質(zhì)組分油，孔隙中間為中質(zhì)組分油，中質(zhì)組分與重質(zhì)組分在平面上比值在0.75～2.05(圖4c)。

(3)孔隙水。納米CT流體賦存特征分析表明，“甜點(diǎn)”密閉取心樣品的“小孔”中主要為油充填，2～5 μm以上“大孔”孔壁為油，孔隙中央為水充填，油、水比94∶6(圖4d)。根據(jù)核磁共振T2譜分析結(jié)果，密閉取心樣品飽和MnCl2溶液后，孔隙水信號(hào)被屏蔽，1 ms以上的T2譜信號(hào)明顯下降(圖5)?；诩{米CT、激光共聚焦和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析，取含油樣品經(jīng)驗(yàn)值C(轉(zhuǎn)換模型系數(shù))為1 μm/ms，孔隙水分布于直徑2～5 μm以上的“大孔”中[公式(1)]。粉細(xì)砂巖、云質(zhì)粉砂巖、砂屑云巖等“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層孔隙水含量相對(duì)較多，因而飽和MnCl2溶液后T2譜下降明顯(圖5)。本次觀測(cè)到的“大孔”中的孔隙水及賦存尺度和賦存狀態(tài)與前人提到的孔隙表面束縛水膜及黏土礦物束縛水有較大的區(qū)別，這部分水可動(dòng)性較強(qiáng)，應(yīng)為游離水[38]。對(duì)于泥質(zhì)粉砂巖等巖性，泥質(zhì)含量高，束縛水含量高，泡錳前后信號(hào)幾乎沒有變化，基本不含游離水。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油微觀賦存特征

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組儲(chǔ)層核磁共振T2譜特征

r=CT2

(1)

式中：r為孔喉半徑，μm；C為轉(zhuǎn)換模型系數(shù)，μm/ms；T2為橫向弛豫時(shí)間，ms。

總體而言，研究區(qū)蘆草溝組頁巖油“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層含水飽和度在4%～35%，含油飽和度在65%～96%，重質(zhì)組分油含量在25.4%～65.4%。儲(chǔ)層微—納米孔隙中的重質(zhì)組分油附著于“大孔”表面或充填于“小孔”中，相比而言，中質(zhì)組分油和水主要賦存于2～5 μm以上的“大孔”中，孔隙中心為游離水(圖6)?！疤瘘c(diǎn)”儲(chǔ)層中重質(zhì)組分油含量、中質(zhì)組分油含量及含水飽和度受源儲(chǔ)搭配、生排烴強(qiáng)度綜合影響。下“甜點(diǎn)”烴源巖與甜點(diǎn)儲(chǔ)層呈互層狀，源儲(chǔ)搭配好，主要巖性云質(zhì)粉砂巖含油飽和度整體較高，在85%～96%之間。上“甜點(diǎn)”粉細(xì)砂巖、砂屑云巖含油飽和度在65%～86%之間，低于下“甜點(diǎn)”，且含水飽和度相對(duì)較高。

5 頁巖油微觀賦存成因探討

前人研究認(rèn)為生烴超壓是頁巖油運(yùn)移、充注的動(dòng)力，油克服毛細(xì)管壓力呈“活塞式”運(yùn)移到儲(chǔ)層，處于充注下限以上的孔隙主要為油賦存，充注下限以下的孔隙主要為水賦存，并且在充注下限以上的孔隙中，孔壁為束縛水，孔隙中間為油[27,38-40]。本次研究表明頁巖油儲(chǔ)層具有納米—亞微米—微米孔“全尺度含油”特征，且“小孔”充填有重質(zhì)組分油，“大孔”的孔壁為重質(zhì)組分油，孔隙中間為中質(zhì)組分油和孔隙水(圖6)，原因可能在于研究選取的甜點(diǎn)儲(chǔ)層樣品含油性好，為油浸—富含油級(jí)，泥質(zhì)含量一般低于3%，以自生蜂巢狀伊/蒙混層礦物為主，束縛水含量低，掃描電鏡下觀察到黏土礦物及自生鈉長(zhǎng)石表面吸附有油(圖2d，f)。此外頁巖油的微觀分布可能不是生烴超壓運(yùn)聚單一成藏機(jī)制，而是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。頁巖油生成之后從烴源巖短距離運(yùn)移到“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層之后，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，在微—納米孔隙內(nèi)部經(jīng)歷了微觀油、水分布調(diào)整。這種調(diào)整應(yīng)與潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)、孔隙表面吸附和多期次連續(xù)成藏等作用相關(guān)[34,40-42]。早期低熟油生成前，有機(jī)酸分子的吸附及對(duì)儲(chǔ)層的溶蝕改造，孔隙表面向著油潤(rùn)濕方向改變。低熟油生成期，重質(zhì)組分油中極性分子吸附到孔隙表面，導(dǎo)致孔隙表面潤(rùn)濕性出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，水被擠壓到孔隙中間，后期成熟的中質(zhì)組分油以此方式進(jìn)一步調(diào)整和分布。實(shí)際情況中，還要充分考慮泥質(zhì)含量高、含油性較差的儲(chǔ)層中的油、水分布，如在泥質(zhì)粉砂巖中存在束縛水。因此頁巖油的微觀分布應(yīng)是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，還需進(jìn)行深入的探索。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層甜點(diǎn)賦存模式示意

頁巖油的微觀賦存特征可能預(yù)示著孔隙水、不同組分油存在著差異流動(dòng)性，動(dòng)用方面存在著梯次動(dòng)用。中質(zhì)組分油由于油質(zhì)較重質(zhì)組分油輕，且主要賦存在微米級(jí)孔隙中，應(yīng)較好動(dòng)用。蘆草溝組頁巖油井經(jīng)過壓裂措施后，在壓裂液反排率大于100%后，平均含水在60%左右，佐證了“大孔”中游離水的存在，“甜點(diǎn)”采出原油密度為0.872～0.889 g/cm3，油質(zhì)總體表現(xiàn)為中質(zhì)油，表明重質(zhì)油基本沒有動(dòng)用?！按罂住笨妆诤图{米孔中的重質(zhì)組分油是未來提高采收率研究比較現(xiàn)實(shí)可行的攻關(guān)方向，這部分重質(zhì)組分油含量平均在53.2%，油質(zhì)偏重，流動(dòng)性相對(duì)較差。但有學(xué)者從場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡電子束加熱證實(shí)，在真空負(fù)壓條件下，隨著時(shí)間的累積和溫度的升高，孔隙內(nèi)部這部分油受熱外溢[27,32,42]。因此加熱應(yīng)是實(shí)現(xiàn)重質(zhì)組分油可動(dòng)的重要措施，也是頁巖油未來提高采收率的潛在重要手段。

6 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組的“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層巖性以粉細(xì)砂巖和云質(zhì)粉砂巖為主，孔隙面孔率在11.0%～23.5%之間，大于2 μm的粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔占比在49.0%以上。

(2)“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層中2～5 μm以上孔隙內(nèi)中質(zhì)組分油和游離水賦存于孔隙中心，重質(zhì)組分油以薄膜狀賦存于孔隙表面，2 μm以下孔隙中為充填狀重質(zhì)組分油。頁巖油的微觀分布受生烴超壓、孔隙表面吸附及多期次連續(xù)成藏多種作用機(jī)制綜合影響。

(3)頁巖油的微觀賦存特征預(yù)示著孔隙水、不同組分油存在著差異流動(dòng)性，動(dòng)用方面存在著梯次動(dòng)用。中質(zhì)組分油由于油質(zhì)較重質(zhì)組分油輕，且主要賦存在微米級(jí)孔隙中，應(yīng)較好動(dòng)用，重質(zhì)組分油是頁巖油未來提高采收率的重要方向。

致謝：本文在修改過程中得到審稿專家和編輯部的很多幫助，在此致以衷心感謝！