含粉砂質(zhì)層頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征：以張家灘陸相頁(yè)巖為例

趙謙平,張麗霞，尹錦濤，俞雨溪，姜呈馥，王 暉，高 潮

1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 710075 2.陜西省頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心，西安 710075 3.陜西省陸相頁(yè)巖氣成藏與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710075 4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

0 引言

隨著頁(yè)巖油氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖層系已然突破了烴源巖或封蓋層的認(rèn)識(shí)，其儲(chǔ)集性和滲流能力也被廣泛地關(guān)注[1-2]?？紫督Y(jié)構(gòu)和物性特征被認(rèn)為是決定儲(chǔ)層儲(chǔ)集性和滲流能力的關(guān)鍵，其對(duì)于氣體儲(chǔ)集以及氣體的運(yùn)移具有至關(guān)重要的作用，是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征研究的重點(diǎn)之一。

鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7油層組發(fā)育厚層富有機(jī)質(zhì)的深湖—半深湖沉積頁(yè)巖[3-6]，其已被證實(shí)是頁(yè)巖氣的可采層段[7-9]。長(zhǎng)7頁(yè)巖中大量的粉砂質(zhì)層常與泥質(zhì)層頻繁交替出現(xiàn)，單層厚度為0.5～1 000.0 mm，粉砂質(zhì)層的累計(jì)厚度占頁(yè)巖段總厚度比例較高，可達(dá)10%以上[10]。研究表明，粉砂質(zhì)層與泥質(zhì)層在礦物組成和沉積結(jié)構(gòu)上具有較大的差異性，很可能對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層整體孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征具有重要影響，進(jìn)而造成頁(yè)巖儲(chǔ)層在儲(chǔ)集性和滲流能力上的非均一性[11]。前人[12-16]利用掃描電鏡(場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡FE-SEM、掃描電子顯微鏡SEM、聚焦離子束掃描電子顯微鏡FIB-SEM等)、壓汞法、氣體吸附法和He孔隙度測(cè)試重點(diǎn)對(duì)泥質(zhì)頁(yè)巖的孔隙類(lèi)型、孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征開(kāi)展了大量的研究工作，但對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)粉砂巖或粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征的研究較少。

為了能夠更加系統(tǒng)全面地認(rèn)識(shí)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7張家灘頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合掃描電鏡觀測(cè)、壓汞法、氮?dú)馕椒ê蜌鉁y(cè)孔滲等多種測(cè)試分析手段，針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)粉砂巖、粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖展開(kāi)研究，對(duì)比了三者孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征上的差異，并對(duì)可能影響孔隙形成和保存的因素進(jìn)行了分析，以期為該套頁(yè)巖的甜點(diǎn)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于我國(guó)中部地區(qū)，是穩(wěn)定沉降、坳陷遷移的克拉通內(nèi)多旋回的沉積盆地，是我國(guó)主要的含油氣盆地之一[3](圖1)。盆地內(nèi)包含有6個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，分別是伊盟隆起、渭北隆起、西緣沖斷構(gòu)造帶、晉西撓褶帶、天環(huán)坳陷以及伊陜斜坡[4]，研究區(qū)位于伊陜斜坡的南部(圖1a)。

a.研究區(qū)位置；b.樣品井位分布圖；c.地層綜合柱狀圖。圖1 研究區(qū)位置、構(gòu)造特征及樣品井位信息Fig.1 Location, tectonic characteristics and sample location in the study area

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組沉積了多旋回的河流-湖泊相碎屑沉積物。自延長(zhǎng)組沉積以來(lái)，盆地整體上經(jīng)歷了4期抬升剝蝕(三疊紀(jì)晚期、早侏羅世晚期、侏羅紀(jì)晚期和白堊紀(jì)晚期)，其中白堊紀(jì)晚期剝蝕量最大，達(dá)到800～2 000 m[6]。延長(zhǎng)組按沉積環(huán)境可進(jìn)一步劃分為10個(gè)油層組(長(zhǎng)10—長(zhǎng)1)(圖1c)。其中，長(zhǎng)7油層組沉積時(shí)期，強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)使得湖盆快速擴(kuò)張[3]，湖盆達(dá)到了鼎盛時(shí)期，盆地大部分地區(qū)被湖水覆蓋，屬于深湖—半深湖的沉積環(huán)境，水生生物和浮游生物大量繁殖，是盆地內(nèi)主要的生油母質(zhì)形成時(shí)期。長(zhǎng)7油層組底部沉積了盆地尺度上廣泛分布的富含有機(jī)質(zhì)的張家灘頁(yè)巖[11]，巖性主要為厚層灰黑色、黑色油頁(yè)巖或碳質(zhì)頁(yè)巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖[10]，研究區(qū)內(nèi)厚度為15～130 m(圖1b)。研究區(qū)內(nèi)張家灘頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以腐泥無(wú)定形為主，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要為1.76%～6.28%，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.92%，是優(yōu)質(zhì)的油源巖和頁(yè)巖氣勘探區(qū)[11]。

2 樣品與測(cè)試方法

針對(duì)張家灘頁(yè)巖內(nèi)粉砂質(zhì)層廣泛發(fā)育、單層厚度變化較大(0.5～1 000.0 mm)的特點(diǎn)[10]，按照Bates等[17]和Potter等[18]的研究，將張家灘頁(yè)巖內(nèi)發(fā)育的淺灰色細(xì)質(zhì)砂層定義為粉砂質(zhì)層，其中：?jiǎn)螌雍穸刃∮? cm的薄層定義為粉砂質(zhì)紋層；單層厚度大于1 cm的較厚層定義為粉砂質(zhì)夾層；將張家灘頁(yè)巖內(nèi)黑色富含有機(jī)質(zhì)和黏土礦物的紋層或夾層定義為泥質(zhì)層。

研究中采集了12口井的22塊樣品進(jìn)行相關(guān)測(cè)試分析工作，按照樣品內(nèi)粉砂質(zhì)層厚度和發(fā)育頻數(shù)，將樣品劃分為3種巖石類(lèi)型：僅發(fā)育泥質(zhì)層的泥質(zhì)頁(yè)巖(圖2a)；淺色粉砂質(zhì)紋層與深色泥質(zhì)層呈互層狀的粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖(圖2b)；發(fā)育于頁(yè)巖段內(nèi)粉砂質(zhì)層厚度較大的粉砂巖(圖2c)。

這些樣品在未經(jīng)任何前處理的情況下被制成顆粒狀、塊狀和標(biāo)準(zhǔn)圓柱狀樣品(直徑2.5 cm)，分別用于CO2和N2吸附法測(cè)試、高壓汞測(cè)試與氣測(cè)孔滲測(cè)試。氣體吸附法測(cè)試使用儀器為美國(guó)康塔公司NOVA4200e比表面及孔隙度分析儀，分別采用氮?dú)夂投趸甲鳛闇y(cè)試氣體。其中：氮?dú)鉁y(cè)試溫度為-195.8 ℃，測(cè)試壓力范圍為0～110.9 kPa，采用BJH模型解釋等溫吸附曲線獲得2～100 nm孔徑范圍的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[19]；二氧化碳吸附測(cè)試溫度為0 ℃，測(cè)試壓力范圍為0～104.4 kPa，采用NLDFT模型[20]解釋等溫吸附曲線獲得0.4～2.0 nm孔徑范圍的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。壓汞測(cè)試法使用美國(guó)康塔公司壓汞儀Poremaster33GT，最大進(jìn)汞壓力206 MPa，可測(cè)孔徑范圍為7 nm～100 μm；孔隙度和滲透率測(cè)試采用美國(guó)巖心公司PDP200孔滲測(cè)試儀，以氦氣作為測(cè)試氣體，采用氣體膨脹法和脈沖衰減法分別獲得巖心的孔隙度和滲透率。此外，部分樣品還被制成斷口樣以及巖石薄片用于掃描電鏡微觀觀測(cè)，其中斷口樣采用鍍金處理，巖石薄片用氬離子濺射儀進(jìn)行拋光，使用S4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(配有EDS能譜)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)電壓為5～15 kV。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 鏡下顯微觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)Loucks等[21]的頁(yè)巖中孔隙類(lèi)型分類(lèi)方案，可將頁(yè)巖孔隙分為粒(晶)間孔、粒(晶)內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)生烴孔3類(lèi)。通過(guò)FE-SEM等掃描電鏡觀測(cè)技術(shù)，結(jié)合氬離子拋光技術(shù)，可以對(duì)泥質(zhì)層和粉砂質(zhì)層中發(fā)育的儲(chǔ)集空間類(lèi)型、特征進(jìn)行觀察和定性分析。

3.1.1 泥質(zhì)層

泥質(zhì)層中黏土礦物體積分?jǐn)?shù)較高，有機(jī)質(zhì)富集，主要發(fā)育與黏土礦物和有機(jī)質(zhì)相關(guān)的孔隙類(lèi)型。

張家灘泥質(zhì)層內(nèi)粒(晶)間孔主要發(fā)育兩類(lèi)：其一為黏土礦物團(tuán)塊或顆粒堆積并經(jīng)后期壓實(shí)作用改造的粒間孔，這類(lèi)孔隙多呈現(xiàn)為縫狀或長(zhǎng)軸狀并具有線狀排列的特點(diǎn)(圖3a，b)，部分呈多角狀，孔徑較小，主要為10～40 nm；其二是黏土礦物在石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦等剛性顆粒支撐下形成的等軸狀粒間孔，孔徑相對(duì)較大，多為60～80 nm(圖3c,d)。

泥質(zhì)層中的粒(晶)內(nèi)孔主要包括云母粒內(nèi)孔(圖3e)、草莓狀黃鐵礦集合體粒內(nèi)孔(圖3f)、化石體腔粒內(nèi)孔(圖3g)、鑄模孔(圖3h)和菱鐵礦集合體粒內(nèi)孔(圖3i，j)等，粒內(nèi)孔中以化石體腔孔、黃鐵礦集合體粒內(nèi)孔和鑄?？鬃顬槌Ｒ?jiàn)。整體來(lái)看，這些粒內(nèi)孔發(fā)育數(shù)量較少，但其孔徑往往較大，可以達(dá)到100 nm以上。

除上述兩種類(lèi)型的孔隙外，泥質(zhì)層中發(fā)育大量與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的孔隙，這些孔隙形態(tài)上多呈近圓形和橢圓形(圖3k)，此外還呈現(xiàn)出三角形、多邊形以及不規(guī)則的長(zhǎng)條形，孔徑一般為8～347 nm，平均孔徑為20 nm左右。有機(jī)質(zhì)孔隙多數(shù)呈集群狀分布，存在大量的相互連接的有機(jī)質(zhì)孔可以形成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，即便是在相同的視域，并不是所有的有機(jī)質(zhì)都發(fā)育孔隙(圖3l)。

綜合上述觀察結(jié)果顯示，泥質(zhì)層中最主要的孔隙類(lèi)型是黏土礦物的長(zhǎng)軸狀和等軸狀的粒間孔以及有機(jī)孔，孔徑多在80 nm以內(nèi)。

a.泥質(zhì)頁(yè)巖；b.粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖；c.粉砂巖。圖2 研究區(qū)樣品巖性特征Fig.2 Lithology types of the tested samples in the study area

a.黏土礦物長(zhǎng)軸狀粒間孔(H36井,1 393.13 m)；b.黏土礦物長(zhǎng)軸狀粒間孔(YY8井,1 522.88 m); c.黏土礦物等軸狀粒間孔(YY8井, 1 522.88 m)；d.黏土礦物等軸狀粒間孔(YY8井, 1 520.43 m)；e.云母粒內(nèi)孔(H36井,1 393.13 m)； f.草莓狀黃鐵礦集合體粒內(nèi)孔(Y860井, 1 847.12 m)；g.化石體腔粒內(nèi)孔(Y860井, 1 847.12 m)； h.鑄模孔(YY8井, 1 520.00 m)；i.菱鐵礦集合體粒內(nèi)孔(YY7井, 1 140.87 m)；j.i中黃色四角星處EDS能譜；k.圓形和橢圓形有機(jī)質(zhì)孔(Y860井, 1 847.12 m)；l.不發(fā)育孔隙的有機(jī)質(zhì)(Y860井, 1 847.12 m)。圖3 研究區(qū)內(nèi)泥質(zhì)層中的孔隙類(lèi)型Fig.3 Pore types of the clayey layer in the study area

3.1.2 粉砂質(zhì)層

粉砂質(zhì)層中的長(zhǎng)石和石英等碎屑顆粒體積分?jǐn)?shù)較高，剛性碎屑顆粒組成的粒間孔發(fā)育，包括：1)長(zhǎng)石或石英等剛性碎屑顆粒相互接觸支撐形成的原生粒間孔(圖4a)。這些粒間孔孔隙的形態(tài)多呈不規(guī)則多邊形，孔徑可在納米級(jí)到微米級(jí)分布，甚至可達(dá)1～2 μm(圖4a，b)；此類(lèi)粒間孔可能被同沉積的黏土礦物等充填，但由于剛性顆粒的遮蔽作用，填隙物保留了較多的粒間孔，這些粒間孔呈線形、三角形或近圓形的形態(tài)，孔徑多為5～100 nm(圖4c，d)。2)長(zhǎng)石顆粒和碳酸鹽膠結(jié)物等易溶礦物常在邊緣被溶蝕，從而形成粒間溶蝕擴(kuò)大孔(圖4e，f)。其孔隙形態(tài)多呈港灣狀，孔徑較小。3)在成巖過(guò)程中，分布于碎屑顆粒間或溶蝕孔隙中的自生石英、長(zhǎng)石膠結(jié)物、碳酸鹽膠結(jié)物等自生礦物的晶體間會(huì)有較多晶間孔(圖4g，h)。有些晶體邊緣也受到溶蝕，晶體間孔隙形態(tài)眾多，以線狀、不規(guī)則多邊形為主，晶間孔孔徑為7～300 nm。

粉砂質(zhì)層中的粒內(nèi)孔主要包括:1)粉砂質(zhì)層中的長(zhǎng)石顆粒或長(zhǎng)石膠結(jié)物常被溶蝕形成粒內(nèi)溶蝕孔(圖4i，j)，孔隙形態(tài)各異，可為長(zhǎng)軸縫狀、似圓狀和不規(guī)則多邊形，孔徑分布為30 nm～2 μm，此外，在某些石英顆粒中也可見(jiàn)溶蝕孔(圖4k)；2)顆粒的鑄模和顆粒間易溶膠結(jié)物的鑄模,前者往往是由于成巖早期的易溶礦物交代了顆粒被溶解，后者往往比原來(lái)的粒間孔有所擴(kuò)大，這是由于易溶的碳酸鹽膠結(jié)物、雜基或硫酸鹽膠結(jié)物交代了顆粒邊緣的緣故(圖4l)。

由于粉砂質(zhì)層有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較低，在鏡下較少見(jiàn)有機(jī)質(zhì)孔隙。

統(tǒng)計(jì)鏡下觀察的數(shù)據(jù)顯示，在粉砂質(zhì)層中，剛性顆粒形成的粒間孔、長(zhǎng)石等顆粒的粒間溶蝕擴(kuò)大孔和粒內(nèi)溶孔最為發(fā)育，孔徑最大可達(dá)微米級(jí)，同時(shí)也存在較小孔徑的晶間孔。

a.剛性顆粒支撐的原生粒間孔(YY1井, 1 315.23 m)；b.剛性顆粒支撐的原生粒間孔(FN50井, 772.14 m);c.被自生黏土礦物充填的原生粒間孔(YY1井,1 315.23 m)；d.被黏土礦物充填的原生粒間孔(FN17井,1 054.19 m)；e.長(zhǎng)石顆粒形成的粒間溶蝕擴(kuò)大孔(FN17井,1 054.19 m)；f.長(zhǎng)石顆粒形成的粒間溶蝕擴(kuò)大孔(FN50井, 772.14 m)；g.石英微晶膠結(jié)物的晶間孔(LP171井, 1 727.25 m)；h.g中黃色四角星處EDS能譜；i.不規(guī)則多邊形長(zhǎng)石顆粒的粒內(nèi)溶蝕孔(FN50,772.14 m)；j.i中黃色四角星處EDS能譜；k.石英顆粒上的溶蝕孔(X55井, 1 053.31 m)；l.鑄?？?FN50井, 772.14 m)。圖4 研究區(qū)內(nèi)粉砂質(zhì)層中發(fā)育的孔隙類(lèi)型Fig.4 Pore types of the silty layer in the study area

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

3.2.1 壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5是根據(jù)壓汞法測(cè)試所得孔徑分布結(jié)果。由圖5可知，泥質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖和粉砂巖的孔徑分布具有較大的差異。泥質(zhì)頁(yè)巖中孔徑主要為1 μm以下，峰值為10～50 nm，以中孔為主，大孔相對(duì)不發(fā)育；粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖的孔徑分布范圍明顯大于泥質(zhì)頁(yè)巖層，在10 nm～100 μm范圍內(nèi)均有分布，且具有明顯的雙峰分布特征，最大峰值分布在5～20 μm，較小峰值分布在10～20 nm，以大孔為主，中孔相對(duì)不發(fā)育；粉砂巖樣品的孔徑分布在10 μm以上，具有單峰分布特征，以大孔為主，納米級(jí)孔隙相對(duì)不發(fā)育。利用壓汞數(shù)據(jù)計(jì)算了各個(gè)樣品的孔隙度(圖5)，結(jié)果顯示：粉砂巖的壓汞孔隙度最大，平均為2.69%；粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖的壓汞孔隙度次之，平均為2.17%；泥質(zhì)頁(yè)巖的壓汞孔隙度最小，平均為0.47%。綜上所述，在壓汞探測(cè)孔徑范圍內(nèi)(>7 nm)，粉砂巖和粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖相比，具有較大的孔徑分布特征和孔隙度，這與鏡下觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中粉砂質(zhì)層孔徑分布優(yōu)于泥質(zhì)層一致。

3.2.2 氣體吸附法

表1是氮?dú)馕椒ê投趸嘉椒y(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果。由圖5可知，粉砂巖內(nèi)小于100 nm的孔隙基本不發(fā)育，所以僅對(duì)泥質(zhì)頁(yè)巖和粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖進(jìn)行了氣體吸附測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果(圖6)可知，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖的微孔孔體積相對(duì)較低，中孔和100 nm以下大孔的孔體積相對(duì)較高(圖6a,c)，微孔、中孔和孔徑100 nm以下大孔孔體積平均值分別為0.110、0.820、1.270 cm3/100g，中-大孔孔體積平均是微孔孔體積的19.4倍；泥質(zhì)頁(yè)巖的孔體積分布也表現(xiàn)出相同特征(圖6b,d)，微孔、中孔和孔徑100 nm以下大孔的孔體積平均值分別為0.500、0.810、0.710 cm3/100g，中-大孔孔體積平均是微孔孔體積的3.1倍。

對(duì)比粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖和泥質(zhì)頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可知：泥質(zhì)頁(yè)巖微孔孔體積較大，平均是粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖微孔孔體積的4.55倍；而粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖的孔徑100 nm以下中-大孔孔體積較大，是泥質(zhì)頁(yè)巖對(duì)應(yīng)孔體積的1.4倍。由于這部分中-大孔孔體積遠(yuǎn)大于微孔孔體積，且粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖相對(duì)泥質(zhì)頁(yè)巖中-大孔更為發(fā)育，因此其總孔體積(孔徑<100 nm)大于泥質(zhì)頁(yè)巖(圖6)。

結(jié)合壓汞法測(cè)試結(jié)果所得認(rèn)識(shí)，與泥質(zhì)頁(yè)巖相比，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖在孔徑>100 nm范圍內(nèi)孔隙更為發(fā)育，對(duì)應(yīng)孔體積較大，因此粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖相比泥質(zhì)頁(yè)巖具有更高的總孔體積。

3.3 孔滲物性特征

表2是張家灘頁(yè)巖中泥質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖、粉砂巖的氣測(cè)孔滲測(cè)試數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：粉砂巖具有最好的物性特征，孔隙度平均為7.12%，垂直滲透率為923×10-9μm2，水平滲透率為3 583×10-9μm2；泥質(zhì)頁(yè)巖物性最差，平均孔隙度為1.96%，垂直滲透率平均為67×10-9μm2，水平滲透率因未能成功鉆取水平方向小巖心柱而不能測(cè)得；粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖物性參數(shù)整體介于粉砂巖和泥質(zhì)頁(yè)巖樣品之間，孔隙度分布范圍為3.36%～5.48%，平均值為4.03%，垂直滲透率平均為293×10-9μm2，水平滲透率平均為769×10-9μm2。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，粉砂質(zhì)層的存在提高了頁(yè)巖樣品的孔隙度和滲透率，增加頁(yè)巖整體的儲(chǔ)滲性能。

dV.孔體積，cm3/g；D.孔隙直徑，nm；Φ.壓汞孔隙度，%。圖5 研究區(qū)泥質(zhì)頁(yè)巖(a)、粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖(b)和粉砂巖(c)的壓汞孔徑微分分布圖Fig.5 Pore size distribution obtained from mercury injection for the clayey shale(a), the silty laminated shale(b) and the siltstone(c) in the study area

井號(hào)深度/m巖性類(lèi)型微孔孔體積/(cm3/100g)中孔孔體積/(cm3/100g)大孔孔體積/(cm3/100g)YY11 315.23YY71 150.47YY71 308.91粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖0.1000.7801.0000.0600.7071.1000.1630.9801.710(均值)0.1100.8201.270YY81 520.43Y8601 847.12YY71 140.87泥質(zhì)頁(yè)巖0.2000.8240.5780.7500.8060.7030.5210.8000.860(均值)0.5000.8100.710

a.粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖CO2吸附測(cè)試結(jié)果；b.泥質(zhì)頁(yè)巖CO2吸附測(cè)試結(jié)果;c.粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖N2吸附測(cè)試結(jié)果；d.泥質(zhì)頁(yè)巖N2吸附測(cè)試結(jié)果。圖6 研究區(qū)粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖和泥質(zhì)頁(yè)巖的氣體吸附測(cè)試孔體積分布特征Fig.6 Pore volume distribution obtained from gas adsorption for the clayey shale and the silty laminated shale in the study area

樣號(hào)井號(hào)深度 /m巖性實(shí)測(cè)孔隙度/%滲透率/(10-9μm2)小巖心柱類(lèi)型1H361 393.13泥質(zhì)頁(yè)巖1.6976垂直層理方向2L931 576.14泥質(zhì)頁(yè)巖2.2258垂直層理方向3H361 387.25粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖3.36936平行層理方向4H361 387.25粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖3.50491垂直層理方向5C100814.19粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖3.74133垂直層理方向6H361 390.80粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖3.96603平行層理方向7C100814.19粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖4.14平行層理方向8H361 390.80粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖5.48255垂直層理方向9X551 053.31粉砂巖7.09923垂直層理方向10X551 053.31粉砂巖7.143 583平行層理方向

4 討論

本文重點(diǎn)討論粉砂質(zhì)層在沉積結(jié)構(gòu)、化學(xué)成巖作用和液態(tài)烴的作用等方面與泥質(zhì)層的差異，從而分析粉砂質(zhì)層具有較好孔滲能力的原因。

4.1 沉積結(jié)構(gòu)

目前頁(yè)巖沉積的水槽實(shí)驗(yàn)研究表明[22-24]，水體中黏土礦物含量和水動(dòng)力條件的差異會(huì)造成原始沉積結(jié)構(gòu)的差異，繼而影響頁(yè)巖孔隙的發(fā)育：1)在靜水條件下，懸浮狀態(tài)的黏土礦物會(huì)以較為松散的層狀絮凝物形式沉積(圖7a)，其原始沉積孔隙往往存在于層狀絮凝物之間，呈長(zhǎng)軸狀的孔隙，孔徑較小(圖3a，b)；2)隨著水動(dòng)力增加，黏土礦物可以相互包裹、滾動(dòng)，形成較為堅(jiān)固的團(tuán)塊狀絮凝物(圖7b)，沉積后會(huì)在團(tuán)塊狀絮凝物間形成孔徑相對(duì)較大的等軸狀孔隙(圖3d)；3)黏土礦物含量減少，沉積物以石英和長(zhǎng)石等剛性碎屑顆粒為主的情況下，由于其粒徑往往大于黏土礦物的團(tuán)塊狀絮凝物(圖7c)，可以形成大孔徑的等軸狀孔隙(圖4a，b)。因此，相較于黏土礦物為主的泥質(zhì)層(圖3)，以石英和長(zhǎng)石等剛性碎屑顆粒為主的粉砂質(zhì)層的原始沉積孔隙度要好于泥質(zhì)層(圖4)。

Ohmyoung等[25]對(duì)不同類(lèi)型孔隙的抗壓程度的研究成果表明：石英或長(zhǎng)石等剛性碎屑顆粒相較于黏土礦物的絮凝物(層狀絮凝物和團(tuán)塊狀絮凝物)具有更強(qiáng)的抗壓性，其發(fā)育的孔縫具有更好的保存條件。這種特征造成了在經(jīng)受物理壓實(shí)作用過(guò)程中，粉砂質(zhì)層能夠保存更大孔徑的孔隙以及孔隙空間(圖7)。另外早白堊世末期，鄂爾多斯盆地經(jīng)受了大規(guī)模的抬升剝蝕[11]，長(zhǎng)石或石英等顆粒有利于孔隙的回彈[26]，因此，進(jìn)一步恢復(fù)了粉砂質(zhì)層中孔隙的孔徑。

4.2 化學(xué)成巖作用

除物理成巖作用外，化學(xué)成巖作用也是影響頁(yè)巖尤其是粉砂質(zhì)層孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征的重要因素。由于研究區(qū)頁(yè)巖普遍經(jīng)歷了大規(guī)模的生排烴，在此過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸為頁(yè)巖儲(chǔ)層提供了良好的酸性環(huán)境。在酸性條件下，張家灘頁(yè)巖中長(zhǎng)石的溶蝕作用以及石英的膠結(jié)作用最為常見(jiàn)。

粉砂質(zhì)層中較高的長(zhǎng)石含量為溶蝕作用的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，其較好的孔滲條件也有利于成巖流體的交換，從而使溶蝕作用得以進(jìn)行。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：粉砂質(zhì)紋層中隨處可見(jiàn)長(zhǎng)石粒內(nèi)溶蝕孔縫和粒間溶蝕孔(圖4e、f)，有的甚至可形成微米級(jí)的大孔并且能夠得到很好的保存(圖4e)。泥質(zhì)層內(nèi)礦物組成以黏土礦物為主，長(zhǎng)石含量較低，其長(zhǎng)石溶蝕作用形成的孔隙少于粉砂質(zhì)紋層?？傮w來(lái)看，粉砂質(zhì)紋層內(nèi)發(fā)生過(guò)普遍而強(qiáng)烈的溶蝕作用，提供了大量的孔隙空間，增加了整體的儲(chǔ)滲性能。長(zhǎng)石在酸性條件下發(fā)生溶解后最常見(jiàn)的是形成高嶺石，在有富鉀流體存在時(shí)，長(zhǎng)石溶解后則以伊利石產(chǎn)出為主，大部分長(zhǎng)石在這種情況下都會(huì)沉淀出石英膠結(jié)物[27]；因此，有機(jī)酸溶蝕作用后伴隨的石英膠結(jié)作用是破壞粉砂質(zhì)紋層孔隙空間的重要因素之一。顯微觀測(cè)中也發(fā)現(xiàn)粉砂質(zhì)紋層粒間孔中確有石英晶體產(chǎn)出(圖4g)，進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，石英膠結(jié)作用對(duì)粉砂質(zhì)紋層孔隙空間的破壞作用有限，粉砂質(zhì)紋層中仍然存在大量未被成巖礦物膠結(jié)的孔隙空間(圖4a)。分析其原因發(fā)現(xiàn) ，生烴過(guò)程中，粉砂質(zhì)層接收了來(lái)自頁(yè)巖層中排出的烴類(lèi)物質(zhì)，發(fā)生了烴類(lèi)尤其是液態(tài)烴的充注作用，鏡下觀察顯示，粉砂質(zhì)紋層的碎屑顆粒粒間孔中殘留有大量的含碳烴類(lèi)。圖8為粉砂質(zhì)紋層的新鮮斷口樣的SEM圖像，左圖黃框區(qū)域內(nèi)EDS顯示碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)100%，放大后發(fā)現(xiàn)碎屑顆粒表面包裹有含碳物質(zhì)，表面還殘留有若干礦物晶形的印模，說(shuō)明碎屑顆粒粒間孔中存在大量的液態(tài)烴或?yàn)r青等烴類(lèi)物質(zhì)。雖然粉砂質(zhì)紋層粒間孔中的殘留烴會(huì)占據(jù)一部分孔隙空間，但顆粒表面的“油膜”可以改變顆粒的潤(rùn)濕性，使礦物表面由親水向親油轉(zhuǎn)變，在一定程度上抑制后期成巖流體對(duì)孔隙的膠結(jié)破壞作用，減少石英膠結(jié)物對(duì)孔隙的破壞作用[28]，更有利于粉砂質(zhì)紋層中孔隙空間的保存。

a.靜水沉積黏土絮凝物；b.水流作用下黏土絮凝物；c.石英、長(zhǎng)石等粉砂級(jí)碎屑顆粒。據(jù)文獻(xiàn)[22]修編。圖7 沉積和壓實(shí)作用對(duì)頁(yè)巖中不同組成部分的孔隙結(jié)構(gòu)影響Fig.7 Fabric texture for different types of shale before and after compaction

黃色四角字星為EDS能譜測(cè)試位置。圖8 研究區(qū)內(nèi)粉砂質(zhì)紋層中被瀝青包裹的碎屑顆粒Fig.8 Detrital grains wrapped by bitumen in silty laminae observed under SEM in the study area

5 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組張家灘頁(yè)巖中粉砂質(zhì)層與泥質(zhì)層具有不同的孔隙發(fā)育類(lèi)型。粉砂質(zhì)層中碎屑顆粒間孔和溶蝕孔發(fā)育，泥質(zhì)層中主要發(fā)育黏土礦物孔隙和有機(jī)質(zhì)孔。

2)泥質(zhì)頁(yè)巖和粉砂巖具有明顯的單峰形式的孔徑分布特征，前者以孔徑1 μm以下的微孔和中孔為主，后則主要以孔徑>10 μm的大孔發(fā)育為主，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖具有雙峰形式的孔徑分布，峰值孔徑分別位于<20 nm和5～20 μm。

3)粉砂巖、粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖和泥質(zhì)頁(yè)巖的孔隙度平均值為7.12%、4.03%和1.96%，垂直滲透率平均值為923×10-9、293×10-9和67×10-9μm2，表明粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖和粉砂巖的孔隙度和滲透率明顯優(yōu)于泥質(zhì)頁(yè)巖。

4)粉砂質(zhì)層中石英、長(zhǎng)石等粉砂級(jí)剛性碎屑顆粒的富集，有利于原始孔隙的形成和在壓實(shí)過(guò)程中的保存；有機(jī)酸存在造成的酸性成巖環(huán)境，有利于長(zhǎng)石等顆粒發(fā)育溶蝕孔隙；液態(tài)烴等在顆粒表面形成的薄膜，能夠有效抑制石英等膠結(jié)作用的發(fā)生。上述3個(gè)方面是粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖和粉砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征明顯優(yōu)于泥質(zhì)頁(yè)巖的主要原因。