馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層成巖演化與溶蝕孔隙形成機(jī)制

吳林鋼，李秀生，郭小波，羅權(quán)生，劉曉健，陳旋，姜振學(xué)

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249; 3.中國石油吐哈油田勘探開發(fā)研究院，新疆哈密 839009）

馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層成巖演化與溶蝕孔隙形成機(jī)制

吳林鋼1，李秀生1，郭小波2，羅權(quán)生3，劉曉健2，陳旋3，姜振學(xué)2

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249; 3.中國石油吐哈油田勘探開發(fā)研究院，新疆哈密 839009）

通過場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡、X射線衍射等試驗(yàn)手段，對三塘湖盆地馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層成巖演化特征與溶蝕孔隙形成機(jī)制進(jìn)行研究。結(jié)果表明:二疊系蘆草溝組泥頁巖為低孔、特低滲儲(chǔ)層，主要經(jīng)歷了壓實(shí)、膠結(jié)、交代以及溶解等成巖作用;有機(jī)質(zhì)熱演化與無機(jī)礦物成巖演化在時(shí)空上相對應(yīng)，有機(jī)質(zhì)生烴高峰、孔隙度高值區(qū)、伊利石含量高值區(qū)在同一深度出現(xiàn);生烴過程形成的酸性流體溶解不穩(wěn)定礦物，形成溶蝕孔隙，同時(shí)為伊利石化提供K+;礦物溶蝕孔和有機(jī)質(zhì)殘留孔是頁巖油重要的儲(chǔ)集空間，伊利石化可加速鉀長石溶解，并造成礦物的體積收縮，對儲(chǔ)集空間的形成具有明顯促進(jìn)作用;泥頁巖中溶蝕孔隙的形成與有機(jī)質(zhì)生烴、油氣初次運(yùn)移同步。

頁巖油;儲(chǔ)層;成巖演化;溶蝕孔隙;形成機(jī)制;馬朗凹陷

美國頁巖油氣勘探開發(fā)獲得了巨大成功，在非常規(guī)油氣領(lǐng)域提出了一系列理論、技術(shù)創(chuàng)新。2011年美國政府能源機(jī)構(gòu)再次強(qiáng)調(diào)了頁巖油、頁巖氣在美國國內(nèi)油氣生產(chǎn)中的重要性，倡導(dǎo)大力開展非常規(guī)油氣資源勘探［1－2］。在中國和世界其他國家，頁巖油資源分布范圍廣、資源潛力大［3］。新疆三塘湖盆地位于阿爾泰山系和天山山系之間，南鄰?fù)鹿璧?，西鄰?zhǔn)噶爾盆地，是在早古生代基底上發(fā)展起來的山間疊合盆地;盆地主要經(jīng)歷了前晚石炭世基底形成的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和晚石炭世以來盆地沉積蓋層形成發(fā)展的板內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)兩大階段［4］。馬朗凹陷蘆草溝組泥頁巖為一套陸相近海湖盆沉積，黃志龍①研究認(rèn)為，蘆草溝組泥頁巖為一套優(yōu)質(zhì)烴源巖，處于低成熟—成熟早期階段，生成的大量烴類滯留于烴源巖中，形成頁巖油;泥頁巖中所含大量微米—納米級(jí)次生孔隙是頁巖油重要的儲(chǔ)集空間。頁巖油賦存形式和富集程度與泥頁巖儲(chǔ)集空間類型及形成機(jī)制有很大關(guān)系。因此，筆者依據(jù)泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)與無機(jī)地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)、掃描電鏡觀察等，對馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層成巖演化與次生溶蝕孔隙形成機(jī)制進(jìn)行研究。

1 頁巖油儲(chǔ)層特征與成巖作用

1.1 儲(chǔ)層特征

盆地呈北西－南東向帶狀展布，長約500 km，寬約40～70 km，面積約為2.3×104km2。馬朗凹陷位于三塘湖盆地的西南部，是該盆地主要的富烴凹陷（圖1）［4］。馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層250個(gè)柱塞樣品物性測試顯示，72.2%的樣品孔隙度低于8.0%，74.99%的樣品滲透率低于0.05×10－3μm2，低于1×10－3μm2的樣品占82.4%，屬于典型的低孔—特低滲型儲(chǔ)層（圖2）。蘆草溝組泥頁巖礦物組成中，石英含量一般為20%～40%，長石含量一般為20%～30%，碳酸鹽巖含量一般為5%～48%。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置平面圖Fig.1 Sketch map of structural location of research area

圖2 馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層物性特征Fig.2 Reservoir properties of shale oil of Lucaogou formation in M alang sag

1.2 成巖作用類型

蘆草溝組泥頁巖儲(chǔ)層在沉積埋藏過程中，主要經(jīng)歷了壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶解作用和交代作用等成巖作用類型:①壓實(shí)作用一方面使巖石致密化，物性變差，另一方面可使剛性顆粒產(chǎn)生裂縫、微裂縫，紋層巖形成層間滑脫縫，改善儲(chǔ)層物性，鏡下可見塑性礦物彎曲和剛性礦物的破裂現(xiàn)象;②膠結(jié)作用作為一種重要的化學(xué)成巖作用，在泥頁巖中同樣存在，蘆草組泥頁巖主要發(fā)生灰質(zhì)膠結(jié)、自生黏土礦物膠結(jié)等，膠結(jié)作用一方面使孔隙空間變小，喉道變窄，儲(chǔ)層物性變差，另一方面在一定程度上可以抑制壓實(shí)作用，有利于原生孔隙的保存，此外膠結(jié)物的溶解又是次生孔隙的主要成因;③溶解作用主要為有機(jī)質(zhì)熱演化過程中形成的酸性流體對泥頁巖中不穩(wěn)定礦物的溶蝕，如長石溶蝕、碳酸鹽巖溶蝕;④交代作用在本區(qū)泥頁巖中不易觀察，電鏡下可見石英交代鉀長石形成自生石英晶體的沉淀。

頁巖油為典型的源、儲(chǔ)同體的非常規(guī)油氣，儲(chǔ)層成巖演化是一種復(fù)雜的有機(jī)、無機(jī)流體—巖石反應(yīng)及伴隨的物理變化過程，眾多學(xué)者研究泥頁巖成巖演化的重點(diǎn)多是放在其對臨近砂巖成巖演化及次生孔隙形成的影響或其他地質(zhì)方面［5－6］。本文主要從有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)和無機(jī)地球化學(xué)角度分析泥頁巖的成巖演化及其次生溶蝕孔隙的形成機(jī)制。

2 泥頁巖有機(jī)質(zhì)成巖演化與次生孔隙形成

2.1 有機(jī)質(zhì)成巖演化特征

馬朗凹陷現(xiàn)今地溫梯度一般為2.2～2.4℃/ 100 m，蘆草溝組泥頁巖最大埋深約4.3 km。有機(jī)地球化學(xué)分析表明，該泥頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro一般為0.4%～0.9%，巖心抽提物中成熟度參數(shù)C29甾烷wααα（20S）/wααα（20S+20R）與C29甾烷w （ββ）/w（αα+ββ）一般為0.2～0.4，泥頁巖處于低成熟—成熟早期階段。鏡質(zhì)體反射率（Ro）作為碎屑巖成巖階段劃分的主要依據(jù)，按碎屑巖成巖演化階段劃分標(biāo)準(zhǔn)（SY/T 5477－2003），蘆草溝組泥頁巖處于中成巖階段A期的早期。黃志龍等①黃志龍.條湖—馬朗凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油氣藏地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià).內(nèi)部報(bào)告，2011.根據(jù)生烴轉(zhuǎn)化率S1/（S1+S2）和w（氯仿瀝青“A”）/w（TOC）等參數(shù)分析，確定Ro=0.55%～0.75%為蘆草溝組泥頁巖主生烴段，對應(yīng)深度為1.8～2.9 km，并建立有機(jī)質(zhì)的成巖、生烴演化模式（圖3）。

圖3 馬朗凹陷蘆草溝組泥頁巖生烴轉(zhuǎn)化率與有機(jī)質(zhì)成巖演化模式（據(jù)黃志龍）Fig.3 Hyd rocarbon generation conversion and diagenesis evolution model of organicmatter of Lucaogou form ation shale in M alang sag（A fter Huang）

2.2 有機(jī)成因次生孔隙形成

經(jīng)氬離子拋光蘆草溝組泥頁巖樣品表面，在場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡下可見發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，如H10井2.297 1 km白云質(zhì)泥巖中可見有機(jī)質(zhì)孔（能譜分析元素主要為C），孔隙空間大小在幾十納米至幾百納米（10－9m）之間（圖4）。有機(jī)質(zhì)孔為有機(jī)質(zhì)熱演化過程中形成的生烴殘留孔隙，一般形狀較規(guī)則，多呈凹坑狀、蜂窩狀，由于泥頁巖的非均質(zhì)性，其大小、數(shù)量和密度都有較大變化［7］。對同一樣品孔隙度與總有機(jī)碳含量分析，二者呈正相關(guān)關(guān)系（圖5（a））。Daniel等［8］研究認(rèn)為TOC含量為6.41%的泥頁巖，達(dá)到生干氣窗時(shí)，會(huì)產(chǎn)生4.3%的體積孔隙。孔隙度、總有機(jī)碳含量與深度的關(guān)系顯示，有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育與成熟度關(guān)系不明顯（圖5（b）、5（c））。因此，蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育主要受總有機(jī)碳含量控制，且二者成正比。

圖4 馬朗凹陷蘆草溝組泥頁巖中有機(jī)質(zhì)孔特征Fig.4 Characteristic of organic matter pores of Lucaogou form ation shale in M alang sag

圖5 馬朗凹陷蘆草溝組泥頁巖w（TOC）與孔隙度關(guān)系Fig.5 Relationship of TOC content and porosity of Lucaogou formation shale in M alang sag

3 無機(jī)礦物成巖演化與溶蝕孔隙形成

3.1 無機(jī)礦物成巖演化特征

黏土礦物成巖演化是無機(jī)礦物成巖演化研究的重要內(nèi)容。研究區(qū)高嶺石含量隨深度變化不明顯，始終小于20%，所以自生高嶺石含量很少;綠泥石含量出現(xiàn)一個(gè)平緩高值段，之后遞減且含量一般小于20%;伊利石含量呈現(xiàn)由小變大再減小的過程，伊/蒙混層含量與伊利石呈鏡像關(guān)系，含量由大變小再增大，2.325 km處的伊利石含量達(dá)100%，伊/蒙混層為零。在深度2.0 km（圖6，a線）與2.6 km （圖6，c線）之間，伊利石高值區(qū)對應(yīng)于伊/蒙混層低值區(qū)，應(yīng)是伊/蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化造成的，綠泥石出現(xiàn)高值區(qū)，但不明顯，同時(shí)孔隙度也為高值區(qū)。在約2.3 km處（圖6，b線），孔隙度、伊利石、伊/蒙混層同時(shí)出現(xiàn)變化拐點(diǎn)?？梢姡J草溝組頁巖油儲(chǔ)集空間的形成與黏土礦物的成巖演化存在密切關(guān)系。

圖6 馬朗凹陷蘆草溝組泥頁巖孔隙度與黏土礦物演化關(guān)系Fig.6 Relationship between porosity and diagenesis of clay m ineral of Lucaogou formation shale in M alang sag

3.2 無機(jī)礦物溶蝕孔隙的形成機(jī)制

氬離子拋光的巖石表面于掃描電鏡下可見無機(jī)礦物溶蝕孔隙發(fā)育（圖7（a）、（b）），溶蝕孔隙主要是有機(jī)質(zhì)生烴造成的酸性流體對不穩(wěn)定礦物（長石、碳酸鹽巖等）的溶蝕而形成?？紫抖扰c黏土礦物成巖演化關(guān)系顯示，伊利石化對蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)集空間的形成具有重要的貢獻(xiàn)，綠泥石化和高嶺石化的作用不明顯（圖6），伊利石化在致密儲(chǔ)層中的積極作用已被眾多研究所證實(shí)［9－10］。蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層中伊利石的形成機(jī)制主要是:

蘆草溝組沉積時(shí)期火山活動(dòng)頻繁，沉積有火山灰物質(zhì)，可導(dǎo)致蘆草溝組泥頁巖中原始蒙脫石含量較高，在K+和Al3+供應(yīng)充足的情況下，蒙脫石便可經(jīng)伊蒙混層向伊利石大量轉(zhuǎn)化，從而使伊利石含量增加。蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化是成巖演化中鉀長石克服溶解動(dòng)力學(xué)屏障的重要機(jī)制［11］。Berger等［12］實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化是一個(gè)低能耗的自發(fā)反應(yīng)，有機(jī)質(zhì)的成熟可以加速鉀長石的溶解，增加蒙脫石伊利石化的反應(yīng)速率，同時(shí)形成溶蝕孔隙。蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化脫出層間水，導(dǎo)致層間塌陷，顆粒體積收縮也增加孔隙度［13］。

圖7 馬朗凹陷蘆草溝組泥頁巖中溶蝕孔隙特征Fig.7 Characteristics of dissolved pores of Lucaogou formation shale in Malang sag

其次，還可存在另一種伊利石化過程［14］:鉀長石+2/3H+→2/3K++1/3伊利石+2SiO2（sq）.

Thyne等［14］認(rèn)為此過程是一個(gè)鉀長石快速溶解、伊利石快速形成的過程，生成的SiO2溶液最終結(jié)晶形成固態(tài)SiO2，可看作伊利石、石英交代鉀長石。理論分析表明，鉀長石的摩爾體積為108.87 cm3/mol、伊利石摩爾體積為140.71 cm3/mol、SiO2的摩爾體積為22.688 cm3/mol［15］，此反應(yīng)固體體積減少約16.6 cm3/mol，相應(yīng)造成儲(chǔ)集空間的增大，而且石英增加了儲(chǔ)層的抗壓實(shí)能力。蘆草溝組泥頁巖自然斷面掃描電鏡觀察，可見溶蝕痕跡和自生石英的沉淀現(xiàn)象（圖7（c）），可見烴類的存在并沒有阻止泥質(zhì)巖中礦物的溶解和伊利石、石英的沉淀。

4 有機(jī)質(zhì)與無機(jī)礦物演化的聯(lián)系及其地質(zhì)意義

Abid等［16］研究有機(jī)質(zhì)熱成熟作用與伊利石化關(guān)系時(shí)認(rèn)為，前者造成的孔隙流體地球化學(xué)性質(zhì)的變化對伊利石化的作用可能較溫度的影響要大。蒙脫石伊利石化與其穩(wěn)定存在需要弱堿性到堿性的流體介質(zhì)，而礦物溶解形成溶蝕孔隙需要酸性流體介質(zhì)［13］。有機(jī)質(zhì)成巖演化與黏土礦物成巖演化特征表明，有機(jī)質(zhì)生烴高峰與伊利石化高峰、孔隙度高值區(qū)相對應(yīng)（圖6），可見，蘆草溝組泥頁巖中酸性和堿性流體介質(zhì)環(huán)境是共同存在的。蘆草溝組現(xiàn)今地層水主要為NaHCO3型，蘆草溝組沉積于咸水—半咸水的古水體環(huán)境，水體安靜、還原性強(qiáng)，原始地層水為堿性［17－18］。隨著沉積成巖演化，該泥頁巖成為一套致密層，滲透率普遍極低，其中流體性質(zhì)主要受原始沉積水、有機(jī)質(zhì)演化、黏土礦物成巖演化等的內(nèi)部因素影響，且原始沉積水性質(zhì)影響最大，宏觀地層水性質(zhì)為堿性［19］。在與鉀長石毗鄰的微觀環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)生烴形成酸性流體，溶蝕鉀長石等不穩(wěn)定礦物;當(dāng)K+達(dá)到一定濃度便發(fā)生蒙脫石伊利石化。伊利石化對酸性流體的消耗以及形成的堿金屬離子，有利于保持黏土礦物穩(wěn)定存在的宏觀堿性環(huán)境。因此，馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層次生孔隙形成需要泥頁巖具備良好的生烴能力，且具備適量鉀長石、碳酸鹽巖等易溶礦物。

不穩(wěn)定礦物溶蝕需要一個(gè)相對開放的環(huán)境，流體流動(dòng)可以降低溶解物質(zhì)濃度，使溶蝕作用進(jìn)一步加強(qiáng)。泥頁巖中流體可來源于地層水和蒙脫石層間水的析出，流動(dòng)動(dòng)力是成巖演化形成的局部超壓，流動(dòng)通道可以是微裂縫。泥頁巖有機(jī)與無機(jī)物質(zhì)成巖演化過程中，水體流動(dòng)直接影響油氣初次運(yùn)移。油氣生成的同時(shí)形成酸性流體，酸性流體溶蝕不穩(wěn)定礦物，形成次生孔隙，次生孔隙越發(fā)育，排出溶解物質(zhì)所需的流動(dòng)水體也就越多，油氣的初次運(yùn)移也就越明顯，從而影響頁巖油的滯留、富集。

5 結(jié)論

（1）馬朗凹陷蘆草溝組頁巖油儲(chǔ)層為一套低孔、低滲—特低滲儲(chǔ)層，主要經(jīng)歷了壓實(shí)作用、溶解作用、膠結(jié)作用和交代作用，同時(shí)存在有機(jī)質(zhì)成巖演化和無機(jī)礦物成巖演化兩種成巖演化過程。

（2）成巖演化形成的有機(jī)質(zhì)孔和無機(jī)礦物溶蝕孔是頁巖油重要的儲(chǔ)集空間。有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育主要受有機(jī)質(zhì)含量控制，二者成正比關(guān)系;無機(jī)礦物溶蝕孔隙主要由鉀長石、碳酸鹽巖等溶蝕形成，伊利石化過程促進(jìn)了鉀長石的溶解，也造成礦物體積的收縮，增大了泥頁巖的儲(chǔ)集空間。

（3）蘆草溝組泥頁巖中，有機(jī)、無機(jī)成巖演化同時(shí)發(fā)生、相互聯(lián)系，泥頁巖中溶蝕孔隙的形成與油氣生成、油氣初次運(yùn)移同步。

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Diagenetic evolution and form ation mechanism of dissolved pore of shale oil reservoirs of Lucaogou formation in M alang sag

WU Lin－gang1，LIXiu－sheng1，GUO Xiao－bo2，LUO Quan－sheng3，LIU Xiao－jian2，CHEN Xuan3，JIANG Zhen－xue2
（1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China; 2.College of Geosciences in China University of Petroleum，Beijing 102249，China; 3.Research Institute of Exploration and Development of Tuha Oilfield，PetroChina，Hami839009，China）

Based on the analysis of field emission ESEM，X－ray diffraction，the characteristics of diagenetic evolution and the formation mechanism of dissolved pores of Lucaogou formation shale oil reservoir in Malang sag were systematically researched. The results show that Permian Lucaogou formation shale oil reservoir is characterized by low porosity and ultralow－permeability. The reservoirmainly experienced compaction，dissolution，cementation andmetasomatism.Organicmatter and inorganicmineral diagenetic evolution are corresponding at space and time，because peak period of hydrocarbon－generating，high porosity and high illite content occur at the same depth.The acid fluid generated by hydrocarbon formation can dissolve unstableminerals and therefore form dissolved pores，which provides K+for illitization at the same time.Dissolved poresand organic－matter pores are themajor storage spaces of shale oil.Illitization accelerates the dissolution of potassium feldspar and causesmineral volume contraction，which obviously promotes the formation of secondary pores.The progress of the formation of dissolved pores is synchronized with hydrocarbon generation and the primarymigration of oil.

shale oil;reservoirs;diagenetic evolution;dissolved pores;formation mechanism;Malang sag

TE 122.2

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.03.007

1673－5005（2012）03－0038－06

2011－10－16

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（2011CB201105）

吳林鋼（1962－），男（漢族），浙江諸暨人，博士研究生，主要從事油氣藏評(píng)價(jià)與開發(fā)部署等研究工作。

（編輯 徐會(huì)永）