東營凹陷沙河街組頁巖油層段微觀孔隙研究

張鳳偉

（成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059）

頁巖油是指賦存于烴源巖層系的泥頁巖及其他巖性夾層中，通過非常規(guī)勘探開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)開采的石油資源，屬于典型的非常規(guī)油氣資源[1]。據(jù)張金川、劉洪林等的研究成果[2]，我國頁巖油總資源量476億t，頁巖氣26～30 萬億m3，頁巖油對中國石油工業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，乃至整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要意義。目前，對于這類泥頁巖儲層，研究者多強調(diào)微裂縫和微孔隙的儲集和滲流作用，均側(cè)重裂縫控制油氣的聚集，隨著最近幾年頁巖氣研究的深入，通過先進(jìn)的技術(shù)手段，在泥頁巖中發(fā)現(xiàn)了大量微米、納米級的孔隙顯示[3]，微米、納米級微孔隙是有效的儲集空間，而微裂縫則起滲流通道的作用。

本文主要從巖石學(xué)特征、儲集空間類型和儲層物性方面闡述頁巖油藏的儲層微觀特征。利用薄片鑒定、X 射線全巖分析、掃描電鏡研究頁巖油儲層的礦物學(xué)和巖石學(xué)特征，明確研究區(qū)頁巖油儲層巖石巖性和礦物成分。利用場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡、背散射、X 射線能譜等分析手段，研究頁巖油儲層的微觀孔隙，明確不同巖性樣品的孔隙類型和孔隙大小。運用氮氣吸附實驗更進(jìn)一步了解研究區(qū)儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)和微觀孔徑大小。

1 研究區(qū)泥頁巖發(fā)育特征

牛頁1 井取心井段巖性主要以泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖為主，中間夾部分含泥白云巖及灰質(zhì)白云巖。巖石礦物成分主要為泥質(zhì)、方解石、白云石，另外有少量的黃鐵礦和陸源碎屑。泥質(zhì)含量較高，方解石次之，白云石含量較少，伊利石是研究區(qū)發(fā)育最為普遍且含量最高的黏土礦物，伊/蒙間層次之，此外有極少量的高嶺石和綠泥石。取心段有機碳含量一般為1 %～5 %，部分大于6 %。牛頁1 井的巖心常規(guī)分析報告顯示[4]，泥巖、含云泥巖、含灰泥巖的孔隙度均大于其他巖性，孔隙度最大的是含云泥巖，泥巖樣品孔隙度較好于灰?guī)r樣品，泥巖樣品孔隙度數(shù)值分布在13 %～16 %，而灰?guī)r的孔隙度基本分布在10 %左右。滲透率方面，大部分樣品滲透率小于1 mD，部分有裂縫或者層理發(fā)育的樣品滲透率大于1 mD。

2 掃面電鏡下不同巖性樣品的微觀孔隙

在巖心、鑄體薄片觀察的基礎(chǔ)上，綜合利用氬離子拋光[5]、場發(fā)射掃描電子顯微鏡[6]實驗方法，對儲集層進(jìn)行微觀孔隙特征分析。巖石表面微觀觀察時，對巖石表面進(jìn)行氬離子拋光，然后在掃描電子顯微鏡下觀察分析，采用場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡[7]，分辨率可達(dá)1.2 nm，可以對樣品形貌有比較清楚和直觀的觀察。選取牛頁1 井四塊巖心樣品，利用實驗儀器的圖像處理和分析系統(tǒng)對每個樣品進(jìn)行掃描觀察和分析。

2.1 泥質(zhì)灰?guī)r樣品

該泥質(zhì)灰?guī)r樣品取自深度3 323.47 m，電鏡下該樣品溶蝕作用明顯，較多溶蝕孔發(fā)育，而且孔徑較大（見圖1a），方解石顆粒間可見較多的粒間孔和粒間縫，孔徑也較大，同樣可見泥質(zhì)包裹方解石（見圖1b）。統(tǒng)計該樣品儲集空間類型和孔徑大小，泥質(zhì)灰?guī)r樣品儲集空間包括溶蝕孔、粒間微孔、粒間微縫、晶內(nèi)微孔四種，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示樣品面孔率不大，孔隙較發(fā)育，其中溶蝕孔孔徑最大，大部分在3 000 nm 左右，微孔基本分布在為700 nm 左右，微縫集中在800 nm，晶內(nèi)微孔較少，孔徑較小。

2.2 灰質(zhì)泥巖樣品

灰質(zhì)泥巖樣品深度是3 451.04 m，樣品泥質(zhì)含量較高，較多區(qū)域被泥質(zhì)覆蓋（見圖1c），泥質(zhì)間微孔和微縫較多（見圖1d）。統(tǒng)計掃描電鏡下灰質(zhì)泥巖樣品的儲集空間分布與大小，該樣品儲集空間主要是以粒間微孔、粒間微縫、溶蝕孔為主，粒間微孔，粒間微縫發(fā)育，微孔孔徑分布在0 nm～500 nm，微縫分布0 nm～400 nm，溶蝕孔較少，孔徑較大。

2.3 微晶白云巖樣品

微晶白云巖樣品來自深度3 450.56 m，電鏡下清晰可見白云石顆粒晶間孔較多較發(fā)育（見圖1e），此外有較多的溶蝕孔，且部分溶蝕孔和晶間孔是可見油跡的（見圖1f）。白云巖樣品的面孔率較泥巖和灰?guī)r樣品偏大，白云巖的儲集空間較發(fā)育，儲集空間中晶間孔較多，溶蝕孔較少，兩者孔徑均較大，晶間孔分布在0 μm～4.5 μm，大部分孔徑在3 μm 左右，溶蝕孔分布在1.5 μm～10 μm，較多孔徑是在8 μm 左右。

2.4 白云質(zhì)泥巖樣品

白云質(zhì)泥巖樣品深度是3 302.9 m，從掃描電鏡圖片上可以看見，黃鐵礦成群分布且可見油跡（見圖1g），溶蝕孔分布較多（見圖1h）且孔徑較大（見圖1i），部分溶蝕孔可見油跡，此外泥質(zhì)間微孔和微縫有部分發(fā)育。白云質(zhì)泥巖樣品面孔率較小，儲集空間類型較多，以溶蝕孔為主，孔徑較大，大部分在3.5 μm 左右，泥質(zhì)間微孔微縫也較多，黃鐵礦晶間孔較發(fā)育。

圖1 牛頁1 井不同巖性樣品掃描電鏡

總結(jié)以上四種不同巖性樣品孔隙類型和孔徑大小可以發(fā)現(xiàn)：泥巖儲集空間類型主要是以泥質(zhì)碎片間的微孔、微縫為主，面孔率較好，孔徑大小不一，基本分布在幾十到幾百納米；灰?guī)r類儲集空間類型是以溶蝕孔、粒間微孔、粒間微縫為主，溶蝕孔較多，微孔微縫多少與泥質(zhì)含量多少有關(guān)，面孔率差；白云巖樣品的儲集空間類型多樣，以白云石晶間孔為主，孔徑較大，面孔率較好；不同巖性下顆粒間溶蝕作用對面孔率貢獻(xiàn)較大，溶蝕作用形成的溶蝕孔的孔徑較其他類型的孔隙孔徑偏大。

3 氮氣吸附法

為了進(jìn)一步研究儲層的微觀孔隙特征，開展低溫氮氣吸附實驗[8]。將烘干脫氣處理后的樣品置于液氮中，調(diào)節(jié)不同壓力，分別測出對氮氣的吸附量，繪出吸附和脫附等溫線。根據(jù)滯后環(huán)的形狀確定孔形狀，按不同的孔隙模型計算孔的分布、孔的容積和比表面積?；谖锢砦叫阅芎兔?xì)管凝聚理論[9]，國際理論與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會（IUPAC）[10]，將多孔物質(zhì)的孔隙按孔徑大小分為微孔（孔徑小于2 nm），介孔（孔徑在2 nm～50 nm）和大孔（孔徑大于50 nm）。

牛頁1 井共有12 塊不同巖性樣品的實驗曲線，整體來看曲線形態(tài)可以分為兩類，大部分樣品的曲線形態(tài)與樣品15 較相似，另外小部分樣品的實驗曲線和樣品759 較相似。從樣品15（見圖2a）和樣品759（見圖2b）的氮氣吸附曲線形態(tài)可以看出，樣品在相對壓力小于0.4 范圍內(nèi)吸附脫附差距很小，幾乎重合，在相對壓力0.4～0.5 出現(xiàn)明顯的拐點，吸附體積迅速變大，而在高壓端出現(xiàn)吸附陡升，且未達(dá)到吸附飽和，樣品15 滯后環(huán)較大，樣品759 滯后環(huán)較小，根據(jù)滯后環(huán)的形狀可以判斷樣品15 的孔隙形狀是墨水瓶型；樣品759 所對應(yīng)的是四面開放的槽狀孔，兩個樣品均出現(xiàn)高壓段陡升，說明樣品中含有大于50 nm 的孔隙。從兩個樣品的孔徑分布可以看出，樣品15 和樣品759 微孔孔徑分布均呈單峰態(tài)，峰值范圍均在5 nm～6 nm。

圖2 牛頁1 井樣品氮氣吸脫附曲線和孔徑分布曲線

4 結(jié)論

（1）牛頁1 井巖性主要以泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖為主，巖石礦物成分主要為泥質(zhì)、方解石、白云石，此外還有少量的黃鐵礦和陸源碎屑。

（2）泥巖儲集空間主要以泥質(zhì)碎片間的微孔、微縫為主，孔徑大小不一，基本分布在幾十到幾百納米；灰?guī)r儲集空間以溶蝕孔、粒間微孔、粒間微縫為主；白云巖樣品的儲集空間類型多樣，以白云石晶間微孔為主，孔徑較大，不同巖性的樣品如果發(fā)生溶蝕作用面孔率將會明顯增大。

（3）牛頁1 井不同巖性樣品孔徑分布來看，樣品孔徑分布峰值大多出現(xiàn)在4 nm～6 nm，小于6 nm 的孔隙占絕大多數(shù)，而相對較大的孔隙所占比表面較少。

［1］ 楊光輝.強抑制鉆井液體系在牛頁1 井應(yīng)用［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013，24（1）：154-155.

［2］ 張林曄，李政，李鉅源.東營凹陷古近系泥頁巖中存在可供開采的油氣資源［J］.天然氣地球科學(xué)，2012，23（1）:11-13.

［3］ 周慶凡，楊國豐.致密油與頁巖油的概念與應(yīng)用［J］.石油與天然氣地，2012，33（4）：542-544+570.

［4］ 國家能源局油氣司，中國石化.中國頁巖油中長期發(fā)展規(guī)劃研究［R］.2012.

［5］ 王亮，章雄冬，曹海虹.頁巖的氬離子拋光制樣研究［J］.石油實驗地質(zhì)，2015，37（4）：526-529.

［6］ 韓輝，錢寧寧.泥頁巖孔隙的掃描電子顯微鏡觀察［J］.電子顯微學(xué)報，2013，32（4）:325-327.

［7］ 李闊，曾韜，潘磊.川東北地區(qū)須家河組儲層特征研究［J］.巖性油氣藏，2012，24（1）：47-51.

［8］ 楊峰，寧正福，胡昌蓬，等.頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征［J］.石油學(xué)報，2013，34（2）：302-310.

［9］ 潘磊，陳桂華，肖賢明.下?lián)P子地區(qū)二疊系富有機質(zhì)泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征［J］.煤炭學(xué)報，2013，38（5）:788-790.

［10］ 顧忠安，鄭榮才，王亮，等.渝東涪陵地區(qū)大安寨段頁巖儲層特征研究［J］.巖性油氣藏，2014，26（2）：68-73.