江漢盆地潛江凹陷鹽間頁巖油儲層不同巖相微觀儲集特征
——以古近系潛江組三段4亞段10韻律為例

徐二社，陶國亮，李志明，吳世強(qiáng)，張文濤，饒 丹

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126；3.國家能源頁巖油研發(fā)中心，江蘇 無錫 214126；4.中國石油化工集團(tuán)公司 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126； 5.中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

自2005年以來，美國在海相地層中開展的頁巖油勘探開發(fā)取得一系列重大突破，2018年頁巖油產(chǎn)量已經(jīng)超過其原油總產(chǎn)量的一半，已顯現(xiàn)出巨大的勘探開發(fā)前景。頁巖油氣革命給美國能源獨(dú)立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，改變了世界能源格局[1-6]。我國新生代沉積盆地富有機(jī)質(zhì)泥頁巖分布廣泛，蘊(yùn)藏著巨大的頁巖油資源，是現(xiàn)實(shí)的拓展領(lǐng)域[7-12]。其中，江漢盆地通過老井復(fù)查初步明確潛江凹陷鹽間層系頁巖油潛力大，盆地內(nèi)共有128口鉆井在古近系泥頁巖層系中見到油氣顯示，其中有3口井初始日產(chǎn)量超過千噸[13-14]。勘探成果表明，潛江凹陷鹽間頁巖層系是我國陸相頁巖層系中含油性最好的層系之一。

1 地質(zhì)概況

潛江凹陷位于江漢盆地中部，面積2 530 km2，北部以潛北控凹斷層為界，分別與荊門、漢水地塹、樂鄉(xiāng)關(guān)地壘及永隆河隆起相鄰；南以通?？跀鄬臃纸?；東西兩側(cè)分別與岳口低凸起和丫角—新溝低凸起呈斜坡過渡。構(gòu)造上潛江凹陷為東西向平緩，北部陡、南部緩的箕狀，深度較大，構(gòu)成湖盆的匯水中心[14]。沉積相上由西向東呈現(xiàn)出鹽度逐漸增大的現(xiàn)象，可劃分為砂泥巖相區(qū)、咸淡過渡區(qū)和鹽發(fā)育區(qū)[14，22](圖1)。潛江組沉積時期發(fā)育了一套厚達(dá)5 000 m的鹽系地層，縱向上發(fā)育193套鹽間韻律層[23]。鹽間地層為一套由碳酸鹽、硫酸鹽、泥質(zhì)等多種成分混雜、互層組成的富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖，一般厚度5～10 m，單層最厚38 m。潛江組縱向上可分為4段，即潛一段(Eq1)、潛二段(Eq2)、潛三段(Eq3)和潛四段(Eq4)。3個最大湖泛面為富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育時期，其中潛二段有機(jī)質(zhì)成熟度偏低，潛三下段和潛四下段是頁巖油勘探最有利層段。

圖1 江漢盆地潛江凹陷區(qū)域構(gòu)造、沉積相及取樣位置[14]Fig.1 Regional structures, sedimentary facies and sample locations of Qianjiang Sag, Jianghan Basin

2 礦物組成與巖相劃分

圖2 江漢盆地潛江凹陷W99井韻律綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic chart of rhythm in well W99, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

圖3 江漢盆地潛江凹陷W99井韻律樣品巖相分類Fig.3 Classification diagram of rhythm samples in well W99, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

3 鹽間頁巖油儲層微觀孔、縫類型

目前，國內(nèi)外學(xué)者對非常規(guī)儲層孔縫類型的劃分具有不同的方案[24-25]，其中LOUCKS的劃分方案[24]——粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙及裂縫孔隙最為常見。本文綜合前人的研究成果[21-23]，在巖心觀察、新鮮斷面氬離子拋光掃描電鏡觀察等基礎(chǔ)上，按照不同巖相，對不同尺度下的鹽間頁巖油儲層進(jìn)行觀察，劃分出成巖縫、構(gòu)造縫、晶間孔、晶間溶孔等。其中裂縫(微裂縫)在上述不同巖相中均有發(fā)育；而孔隙類型則與不同巖相的礦物組成密切相關(guān)。

3.1 裂縫(微裂縫)

通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)，鹽間不同巖相均大量存在順層發(fā)育的水平層理縫，其中上部在紋層狀泥質(zhì)白云巖相中最為發(fā)育，通?？蛇_(dá)1～2 mm寬，常有液態(tài)烴充填(圖4a)；下部可見鈣芒硝充填的垂直及斜交縫，且有油跡顯示(圖4b)。掃描電鏡下觀察，紋層狀泥質(zhì)白云巖相、紋層狀云、灰質(zhì)泥巖相多見微裂縫及層理縫，主要為沉積形成的層理縫及后期構(gòu)造活動引起的微裂縫，多為微米級以上(圖4c，d)。其中極其發(fā)育的層理縫，為主要的儲集空間和運(yùn)移通道[23]。

圖4 江漢盆地潛江凹陷潛江組鹽間地層微裂縫、層理縫發(fā)育概況Fig.4 Development of micro-fractures and bedding fractures of inter-salt strata in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

3.2 不同巖相的主要孔隙類型

基于鑄體薄片、新鮮斷面及氬離子拋光掃描電鏡觀察可知，紋層狀泥質(zhì)白云巖相白云石晶間孔隙最為發(fā)育，多呈三角形或不規(guī)則狀，可見油膜，未充填的孔徑尺寸為微米級，被瀝青所充填的殘余孔隙，尺寸在數(shù)百納米—微米級，孔隙連通性好，為有效孔隙(圖5a)；白云石晶間溶孔較為常見，尺寸為微米級，白云石晶粒周緣呈參差不齊狀，溶蝕程度劇烈時，其溶蝕體積多倍于周圍晶粒(圖5b)。紋層狀云(灰)質(zhì)泥巖相黏土礦物晶間孔隙最為發(fā)育，多為片狀伊利石晶間孔，孔隙呈片狀或不規(guī)則狀，通常在數(shù)百納米級(圖5c)；碎屑礦物中的火山碎屑也常見沸石類礦物溶蝕孔及層狀火山凝灰溶孔，其尺寸一般可達(dá)微米級(圖5d)；白云石、方解石晶間孔較為發(fā)育，但發(fā)育程度弱于紋層狀泥質(zhì)白云巖相。鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相主要發(fā)育黏土礦物晶間孔、白云石晶間孔，但由于鈣芒硝的次生充填，基質(zhì)孔隙被堵塞，偶有裂縫發(fā)育(圖5e，f)。

圖5 江漢盆地潛江凹陷鹽間潛江組頁巖不同巖相主要的孔隙類型Fig.5 Main pore types of different lithofacies of inter-salt shale in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

總之，紋層狀泥質(zhì)白云巖相層理縫最為發(fā)育，其白云石晶間孔、晶間溶孔尺寸多在微米級以上，連通性好，可見油膜覆蓋；紋層狀云(灰)質(zhì)泥巖相次之，以數(shù)百納米的黏土礦物晶間孔為主；鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相，與紋層狀云質(zhì)泥巖相孔隙類型一樣，差異在于基質(zhì)孔隙堵塞，可將此巖相視為紋層狀云質(zhì)泥巖相中儲集條件較差的一種。

4 不同巖相與孔縫發(fā)育的關(guān)系

4.1 全孔徑分布特征(高壓壓汞—低溫液氮吸附)

頁巖油氣儲層孔隙尺寸的分類通常采用IUPAC(國際理論與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會)孔隙分類方法[26]。氣體吸附法與壓汞法均可以測得頁巖油氣儲層孔隙大小分布，可有效地反映儲層樣品的非均質(zhì)性。氣體吸附法可以有效反映頁巖油氣儲層中微—介孔的分布，壓汞法可以反映頁巖油氣儲層中宏孔的信息。針對兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，微孔(0～2 nm)、介孔(2～50 nm)采用吸附數(shù)據(jù)，宏孔(>50 nm)則采用壓汞數(shù)據(jù)，其測試分析過程參照《頁巖全孔徑分布的測定 壓汞—吸附聯(lián)合法：NB/T 14008—2015》。同時基于前人對不同巖性孔徑分布的研究[27]以及掃描電鏡下觀察到的孔、縫尺寸，在IUPAC孔隙分類方法基礎(chǔ)上，再將宏孔劃分為50～100 nm、100～500 nm及>500 nm三段，以便于展現(xiàn)不同巖相孔隙演化規(guī)律。

結(jié)合上述掃描電鏡等所定性觀察到的不同巖相主要孔隙類型可知，鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相由于基質(zhì)孔隙堵塞，僅剩部分未充填黏土礦物晶間孔，孔徑分布呈單峰型，介孔比例可達(dá)85%(圖6a)。紋層狀云質(zhì)泥巖相孔徑分布呈雙峰型，主要發(fā)育介孔，比例約為55%，主要由黏土礦物晶間孔、火山灰溶蝕孔貢獻(xiàn)；宏孔大于500 nm段比例達(dá)20%以上，主要由白云石晶間孔、部分層理縫貢獻(xiàn)(圖6b)。紋層狀灰質(zhì)泥巖相孔徑分布呈雙峰型，主要發(fā)育微—介孔，比例達(dá)50%以上，其中介孔、宏孔50～100 nm段比例相對較高，主要由黏土礦物晶間孔、方解石晶間孔貢獻(xiàn)(圖6c)。紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔徑分布呈單峰型，主要發(fā)育宏孔(>50 nm)，比例可達(dá)90%以上，且主要集中于100～500 nm段，主要由白云石晶間孔、溶蝕孔貢獻(xiàn)；宏孔大于500 nm段有一定比例，約為30%，主要為極其發(fā)育的層理縫所貢獻(xiàn)(圖6d)。

因此，隨著巖相的變化(鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相—紋層狀云、灰質(zhì)泥巖相—紋層狀泥質(zhì)白云巖相)，所發(fā)育孔隙尺寸由小變大，孔隙結(jié)構(gòu)由“以介孔為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙院昕诪橹鳌?，且宏?00～500 nm段比例逐漸變大。其中紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔隙結(jié)構(gòu)以宏孔為主，孔徑最大，為最優(yōu)巖相。

4.2 微米CT三維表征

CT掃描三維重構(gòu)可以有效地研究頁巖油氣儲層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)[28-34]，并可通過三維數(shù)據(jù)體得到很好的展示。在數(shù)字巖心技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以求得孔徑分布、孔喉分布及其計(jì)算孔隙度等參數(shù)。同時潛江組頁巖油儲層微裂縫發(fā)育，巖心碎裂化嚴(yán)重，柱塞難以鉆取，常規(guī)物性測試誤差大，三維重構(gòu)及其計(jì)算結(jié)果可以作為很好的補(bǔ)充和參考。由此，在上述定量表征的基礎(chǔ)上，將上述主要巖相系列進(jìn)行CT三維表征。實(shí)驗(yàn)所用的CT設(shè)備為美國通用電氣公司(GE)生產(chǎn)的納米焦點(diǎn)CT。該設(shè)備最大管電壓為180 kV，能夠分析的樣品直徑最大約為2.5 cm。樣品為1 mm左右時最小的體元像素尺寸(分辨率)為0.5 μm。針對研究區(qū)不同巖相層理縫發(fā)育且泥質(zhì)含量較高、CT圓柱取心困難，同時考慮頁巖油儲層所需要的研究尺度，本次巖石樣品采用2 mm圓柱樣，像素分辨率為1 μm。

由微米CT三維重構(gòu)及計(jì)算結(jié)果(表1、圖7)可知，CT 計(jì)算孔隙度與巖性密切相關(guān)，紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔隙度最大，可達(dá)13.3%；紋層狀灰質(zhì)泥巖相與紋層狀云質(zhì)泥巖相相差不大，為3.5%左右；鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相最小，僅3.2%。紋層狀泥質(zhì)白云巖相主體孔隙直徑100～400 μm、主體孔喉直徑1～4 μm，平均孔喉長度為8.49 μm，三維重構(gòu)體上顯示為孔隙發(fā)育密集，喉道連通性最優(yōu)(連通的喉道最多)，為最佳巖相(圖7a-b)；紋層狀灰質(zhì)泥巖相與紋層狀云質(zhì)泥巖相次之，主體孔隙直徑4～40 μm、主體孔喉直徑0.8～4 μm，孔隙分布呈層狀，喉道連通性較好(圖7c-f)；鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相對最差，主體孔隙直徑4～20 μm、主體孔喉直徑0.8～2 μm，三維重構(gòu)體顯示孔隙分布較為孤立，孔隙連通性差(連通的喉道零星分布)(圖7g-h)。

由此，鹽間頁巖油儲層孔隙發(fā)育主要受巖性、巖相控制，鈣芒硝紋層狀云質(zhì)泥巖相—紋層狀云、灰質(zhì)泥巖相—紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔隙發(fā)育程度依次增強(qiáng)。紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔隙發(fā)育密集，孔徑最大，喉道連通性最優(yōu)。

圖6 江漢盆地潛江凹陷鹽間潛江組頁巖不同巖相全孔徑分布特征宏孔(直徑大于50 nm)為壓汞法；微孔—介孔(0～50 nm)為吸附法Fig.6 Pore diameter distribution characteristics of different lithofacies of inter-salt shale in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

表1 江漢盆地潛江凹陷W99井韻律不同巖相微米CT分析計(jì)算結(jié)果

圖7 江漢盆地潛江凹陷W99井韻律不同巖相微米CT三維重構(gòu)圖Fig.7 3D reconstruction of different lithofacies with micro CT from rhythm in well W99, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

5 不同巖相與含油性的關(guān)系

國內(nèi)外學(xué)者基于熱解實(shí)驗(yàn)的普遍性及可操作性，通常以熱解參數(shù)S1來代替游離烴含量以進(jìn)行頁巖含油潛力分析[35-40]。LOPATIN[35]、JARVIE[36]提出以含油飽和指數(shù)(OSI)(S1與TOC的比值)以表征頁巖含油潛力的大小，現(xiàn)已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用。若頁巖油層段OSI值大于100 mg/g時，則認(rèn)為出現(xiàn)油跨越，可被認(rèn)定為頁巖油的有利段[39]。

潛江組鹽間頁巖油縱向上來看(圖2),由上至下四類巖相均存在一定的油跨越現(xiàn)象。鹽間地層整體含油性好?；谏鲜鑫⒂^儲集特征可知，上部紋層狀泥質(zhì)白云巖相巖性均一，孔隙中宏孔發(fā)育，孔隙連通性最佳，含油性更加穩(wěn)定(S1值最高，可達(dá)26.0mg/g)；紋層狀云、灰質(zhì)泥巖相次之；底部鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相最差，穩(wěn)定性不佳，呈尖刺狀。

總之，潛江組頁巖油儲層孔隙發(fā)育類似于常規(guī)油藏，主要受巖性、巖相控制，并決定其儲集物性，紋層狀結(jié)構(gòu)具有積極的作用。紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔隙最為發(fā)育，以宏孔為主，孔隙連通性最優(yōu)，含油性最佳，為鹽間頁巖油儲層中的優(yōu)勢巖相；同時其可壓性礦物——白云石含量最高，可作為鹽間頁巖油勘探中的“甜點(diǎn)”。

6 結(jié)論

(1)潛江組鹽間頁巖油儲層主要的礦物成分為碳酸鹽類、碎屑礦物及硫酸鹽礦物，其巖相主要有紋層狀泥質(zhì)白云巖相、紋層狀云質(zhì)泥巖相、紋層狀灰質(zhì)泥巖相和鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相。

(2)潛江組鹽間地層中裂縫(層理縫)在不同巖相中均有發(fā)育。主要孔隙類型有白云石晶間孔、白云石晶間溶蝕孔、黏土礦物晶間孔等，其中紋層狀泥質(zhì)白云巖晶間孔、晶間溶孔最為發(fā)育，孔隙尺寸最大。

(3)隨著巖相的變化(鈣芒硝充填紋層狀云質(zhì)泥巖相—紋層狀云、灰質(zhì)泥巖相—紋層狀泥質(zhì)白云巖相)，所發(fā)育孔隙尺寸由小變大，孔隙結(jié)構(gòu)由“以介孔為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙院昕诪橹鳌保液昕?00～500 nm段所占比例逐漸變大。結(jié)合三維重構(gòu)可知，鹽間頁巖油儲層孔隙發(fā)育主要受巖性、巖相控制，鈣芒硝紋層狀云質(zhì)泥巖相—紋層狀云、灰質(zhì)泥巖相—紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔隙發(fā)育程度依次增強(qiáng)。

(4)紋層狀泥質(zhì)白云巖相孔隙最為發(fā)育，且以宏孔為主，孔隙連通性最優(yōu)，含油性最佳，為鹽間頁巖油儲層中的優(yōu)勢巖相，同時可壓性礦物——白云石含量最高，為鹽間頁巖油最有利的勘探目標(biāo)。