頁巖油的儲層特征及其影響因素分析
——以沾化凹陷羅家地區(qū)為例

賈屾，姜在興

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

0 引言

碳酸鹽巖和優(yōu)質(zhì)砂巖為傳統(tǒng)意義上的儲層，但隨著非常規(guī)油氣的勘探，在致密砂巖儲層、泥頁巖儲層及煤層中也發(fā)現(xiàn)了大量油氣，這無疑大大拓展了對油氣儲層的認(rèn)識。近年來，隨著美國頁巖油氣取得巨大突破[1-4]，我國也加強(qiáng)了對頁巖油氣的勘探，鄂爾多斯盆地、濟(jì)陽坳陷以及我國南方志留系頁巖氣的勘探都取得了較大進(jìn)展[5-10]。但目前對于頁巖油儲層巖性的劃分仍存在諸多爭議,頁巖油儲層儲集空間類型及影響因素認(rèn)識不清嚴(yán)重制約著頁巖油儲層的評價(jià)[11-15]。本文以渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷沾化凹陷為例，結(jié)合巖石礦物成分及沉積構(gòu)造，建立了研究區(qū)頁巖油儲層巖性劃分標(biāo)準(zhǔn)，之后在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了不同巖性中所發(fā)育的儲集空間類型及特征，并對其影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終選取5個(gè)頁巖油儲層評價(jià)參數(shù)，建立了頁巖油儲層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 研究區(qū)概況

沾化凹陷東接黃河口凹陷，東南與墾東—青坨子凸起相接，南部地層與陳家莊凸起呈超覆接觸，西與車鎮(zhèn)凹陷毗鄰，北以埕東凸起為界，面積約為2 800 km2。羅家地區(qū)位于沾化凹陷中部羅家鼻狀構(gòu)造帶上，發(fā)育一系列正斷層[16](圖1)。

圖1 沾化凹陷次級構(gòu)造單元格局Fig.1 Second structural pattern of Zhanhua sag

沾化凹陷自始新世湖盆開始持續(xù)下沉，在沙三下亞段沉積時(shí)期為深斷期，處于深湖-半深湖沉積環(huán)境，沉積厚層泥頁巖，同時(shí)該套泥頁巖也是區(qū)域內(nèi)重要的烴源巖。近年來，該套層系成為頁巖油勘探的重要層系。

2 巖性

隨著對頁巖油儲層研究的不斷深入，學(xué)者們對頁巖油儲層巖性的劃分也越來越細(xì)致，總體來說，礦物成分和沉積構(gòu)造是頁巖油儲層巖性劃分的2個(gè)重要因素[17-19]。本文在巖心、薄片、X-衍射礦物成分分析以及掃描電鏡的基礎(chǔ)上，綜合礦物成分和沉積構(gòu)造，對頁巖油儲層巖性進(jìn)行了劃分。

2.1 巖性劃分方法

首先，從礦物成分上看，沾化凹陷沙三下亞段頁巖油儲層方解石含量普遍很高，多大于30%，黏土礦物次之，此外還含有少量粉砂質(zhì)陸源碎屑。如圖2所示，將方解石、黏土礦物以及粉砂質(zhì)陸源碎屑作為“三端員”，對研究區(qū)頁巖油儲層巖性進(jìn)行初步劃分。

Ⅰ.灰?guī)r；Ⅱ.含泥質(zhì)灰?guī)r；Ⅲ.含粉砂質(zhì)灰?guī)r；Ⅳ.泥質(zhì)灰?guī)r；Ⅴ.粉砂質(zhì)灰?guī)r；Ⅵ.灰質(zhì)泥巖；Ⅶ.灰質(zhì)粉砂巖；Ⅷ.泥巖；Ⅸ.粉砂巖

圖2 沾化凹陷頁巖油儲層巖石類型劃分
Fig.2PetrologyclassificationofshaleoilreservoirinZhanhuasag

根據(jù)礦物成分，研究區(qū)發(fā)育灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖、泥巖和粉砂巖：灰?guī)r黏土礦物含量和粉砂質(zhì)含量均小于15%；泥質(zhì)灰?guī)r黏土礦物含量為25%～50%，黏土礦物含量大于粉砂質(zhì)含量；灰質(zhì)泥巖黏土礦物含量為50%～75%，方解石含量為25%～50%；泥巖黏土礦物含量大于75%；粉砂巖粉砂質(zhì)含量大于75%(圖2)。其次，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合沉積構(gòu)造，對研究區(qū)頁巖油儲層巖性進(jìn)行了綜合劃分。從巖心和薄片上觀察，沉積構(gòu)造主要包括紋層狀構(gòu)造和塊狀構(gòu)造。

2.2 巖性類型及特征

綜合礦物成分和沉積構(gòu)造2個(gè)因素，可將研究區(qū)頁巖油儲層巖性劃分為7種類型：紋層狀灰?guī)r、紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、紋層狀灰質(zhì)泥巖、塊狀灰質(zhì)泥巖、塊狀泥質(zhì)灰?guī)r、紋層狀粉砂巖和塊狀泥巖。紋層狀灰?guī)r為深色條帶和淺色條帶頻繁互層，淺色條帶主要為亮晶方解石，深色條帶為富有機(jī)質(zhì)層(圖3(a)，(b))；紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r以淺色條帶為主，深色條帶較薄，淺色條帶以泥晶方解石為主，深色條帶為富有機(jī)質(zhì)層(圖3(c))；紋層狀灰質(zhì)泥巖黏土礦物含量較高，從薄片上看，淺色紋層以泥晶方解石為主，深色紋層以黏土礦物為主，淺色紋層與深色紋層厚度相當(dāng)(圖3(d))；塊狀灰質(zhì)泥巖黏土礦物含量大于50%，方解石含量為30%～40%，泥晶方解石與黏土礦物混雜分布(圖3(e))；塊狀泥質(zhì)灰?guī)r與塊狀灰質(zhì)泥巖相似，方解石含量大于50%；紋層狀粉砂巖特征為富含粉砂質(zhì)陸源碎屑的條帶夾雜在泥晶方解石中間，粉砂質(zhì)紋層厚度較薄(圖3(f))；塊狀泥巖特征與塊狀灰質(zhì)泥巖特征相似，黏土礦物含量大于75%。

圖3-1 沾化凹陷羅家地區(qū)不同類型泥頁巖
Fig.3-1DifferenttypesofshaleinLuojiaareaofZhanhuasag

圖3-2 沾化凹陷羅家地區(qū)不同類型泥頁巖
Fig.3-2DifferenttypesofshaleinLuojiaareaofZhanhuasag

3 儲集空間分類及特征

研究區(qū)頁巖油儲層儲集空間包括微裂縫和微孔隙。

3.1 微裂縫

頁巖油儲層微裂縫主要包括構(gòu)造裂縫、異常壓力裂縫、礦物收縮裂縫和層間裂縫。構(gòu)造裂縫在巖心上清晰可見，裂縫平直，紋層有錯(cuò)斷(圖4(a))；異常壓力裂縫形態(tài)彎曲，內(nèi)部往往有油充填，該裂縫的產(chǎn)生主要是因?yàn)槌蔁N作用形成異常壓力從而導(dǎo)致巖石破裂(圖4(b))；礦物收縮裂縫主要發(fā)育在黏土礦物中，在成巖作用中由于黏土礦物脫水而形成(圖4(c))；層間裂縫沿紋層發(fā)育，較平直，較連續(xù)，主要發(fā)育在不同紋層接觸處，不同紋層間礦物成分差異較大，力學(xué)性質(zhì)差異也較大，容易形成層間裂縫(圖4(d))。礦物收縮裂縫和層間裂縫開度約幾微米。

(I/S.伊蒙混層；Cc.碳酸鹽巖)

圖4 沾化凹陷羅家地區(qū)頁巖油儲層裂縫類型
Fig.4FissuretypesofshaleoilreservoirinLuojiaareaofZhanhuasag

3.2 微孔隙

頁巖油儲層微孔隙主要包括有機(jī)質(zhì)演化孔、重結(jié)晶晶間孔以及溶蝕孔。

(1)有機(jī)質(zhì)演化孔。該類微孔隙是沾化凹陷羅家地區(qū)頁巖油儲層中十分重要的一種儲集空間類型。目前沾化凹陷羅家地區(qū)沙三下亞段鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.6%～1.0%，正處于大量排烴階段。在暗色紋層中富含有機(jī)質(zhì)，均為方解石-黏土礦物-有機(jī)質(zhì)混合體(圖5)。有機(jī)質(zhì)在排烴過程中，對黏土礦物和方解石進(jìn)行溶蝕，形成較大的孔隙，孔隙直徑為幾微米至幾十微米。

(2)重結(jié)晶晶間孔。該類微孔隙主要發(fā)育在亮晶方解石紋層中。有機(jī)質(zhì)在排烴過程中會釋放出大量有機(jī)酸，有機(jī)酸溶蝕泥晶方解石，隨著排烴作用的減弱及地層流體酸性下降，方解石會重結(jié)晶，重結(jié)晶過程中會形成大量的晶間孔。晶間孔孔徑約幾微米，連通性較好。由于重結(jié)晶晶間孔的形成與排烴作用密切相關(guān)，在重結(jié)晶晶間孔中往往有油充填(圖6(a))。

(3)溶蝕孔。該類微孔隙主要分布于黏土礦物及方解石中，孔徑較小，約幾十至幾百納米，連通性差。在常規(guī)條件下開發(fā)，此類微孔隙貢獻(xiàn)較小，但通過酸化壓裂等措施，此類微孔隙中的油也可以滲流出來(圖6(b))。

圖5 有機(jī)質(zhì)演化孔
Fig.5Organicmatterpores

圖6 重結(jié)晶晶間孔和溶蝕孔
Fig.6Recrystallizationintergranularporesanddissolutionpores

4 儲集空間類型及影響因素

根據(jù)巖心、薄片以及掃描電鏡觀察，統(tǒng)計(jì)了不同巖性發(fā)育的儲集空間類型及其發(fā)育程度。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出：紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和紋層狀灰?guī)r儲層最優(yōu)，紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r微裂縫很發(fā)育，紋層狀灰?guī)r微裂縫、有機(jī)質(zhì)演化孔和重結(jié)晶晶間孔都很發(fā)育；紋層狀灰質(zhì)泥巖儲層較好，構(gòu)造裂縫、礦物收縮裂縫、層間裂縫以及有機(jī)質(zhì)演化孔較發(fā)育；塊狀泥巖儲層一般，主要發(fā)育礦物收縮裂縫及有機(jī)質(zhì)演化孔；塊狀泥質(zhì)灰?guī)r、塊狀灰質(zhì)泥巖和紋層狀粉砂巖儲層較差，微裂縫和微孔隙發(fā)育都較小(圖7)。不同巖性儲集空間的發(fā)育主要受礦物成分、沉積構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式以及成巖作用的影響。

(線條代表發(fā)育的儲集空間類型，粗細(xì)代表發(fā)育程度)圖7 沾化凹陷頁巖油儲層不同巖性儲集空間相對含量圖Fig.7 Reservoir space content for different types of shale oil reservoir in Zhanhua sag

4.1 礦物成分

礦物成分的差異對構(gòu)造裂縫和礦物收縮裂縫的形成有很大影響。由圖7可看出，構(gòu)造裂縫主要發(fā)育在灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及灰質(zhì)泥巖巖性中，而在泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r和粉砂巖中基本不發(fā)育。通過沾化凹陷羅家地區(qū)L69、L67井沙三下亞段巖心構(gòu)造裂縫統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造裂縫的發(fā)育與方解石含量呈正相關(guān)關(guān)系(表1)。礦物收縮裂縫主要發(fā)育在黏土礦物中，黏土礦物含量高、成層性好有利于礦物收縮裂縫的發(fā)育。

表1 沾化凹陷羅家地區(qū)L69、L67井巖心構(gòu)造裂縫密度統(tǒng)計(jì)Tab.1 Structural fracture density in cores of Well L69 and Well L67 in Luojia area of Zhanhua sag

4.2 沉積構(gòu)造

沉積構(gòu)造影響層間裂縫的發(fā)育。從圖7中可明顯看出，紋層狀構(gòu)造有利于層間裂縫的發(fā)育，而塊狀構(gòu)造層間裂縫不發(fā)育。對紋層狀頁巖和塊狀泥巖分別進(jìn)行滲透率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示2塊紋層狀頁巖平行層面的滲透率和垂直層面的滲透率之比分別為32.3∶1和26.1∶1，各向異性明顯；而塊狀泥巖平行層面的滲透率與垂直層面的滲透率差別不大[20]?？梢娂y層狀構(gòu)造控制著層間裂縫的發(fā)育。

4.3 有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式

有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式影響有機(jī)質(zhì)演化孔的發(fā)育及連通性。目前通常認(rèn)為泥頁巖中的微裂縫是油氣滲流的唯一途徑，但如果有機(jī)質(zhì)中微孔隙很發(fā)育，并且這些微孔隙相互連通，有機(jī)質(zhì)本身就可以成為油氣運(yùn)移的通道[21]。在富含有機(jī)質(zhì)的暗色紋層中，有機(jī)質(zhì)演化孔是最為主要的孔隙類型，總有機(jī)碳(Total Organic Carbon,TOC)含量同孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系(圖8)。有機(jī)質(zhì)演化孔在頁巖油儲層中普遍存在，但不同巖性的有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式有較大差異。研究區(qū)頁巖油儲層中有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式存在3種模式：A模式、B模式、C模式。紋層狀灰?guī)r有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式為A模式，其中暗色條帶雖然厚度較薄，但有機(jī)質(zhì)最為富集，呈連續(xù)的條帶狀，有機(jī)質(zhì)演化孔很發(fā)育，孔徑可達(dá)幾微米至十幾微米，呈橢圓狀，沿層分布，微孔隙的連通性好(圖9(a)，(d))；紋層狀灰質(zhì)泥巖和塊狀泥巖為B模式，有機(jī)質(zhì)較為富集，呈斷續(xù)的條帶狀，有機(jī)質(zhì)演化孔較為發(fā)育，孔徑約幾百納米至幾微米，呈橢圓狀，順層分布，連通性較好(圖9(b)，(e))；其余巖性有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式為C模式，有機(jī)質(zhì)呈分散狀，有機(jī)質(zhì)演化孔孤立分布，連通性差(圖9(c)，(f))。

圖8 沾化凹陷L69井頁巖油儲層孔隙度與TOC含量關(guān)系Fig.8 Porosity vs. TOC content of shale oil reservoir in Well L69 of Zhanhua sag

(a)有機(jī)質(zhì)賦存方式A模式,熒光薄片,有機(jī)質(zhì)呈條帶狀分布(b)有機(jī)質(zhì)賦存方式B模式,熒光薄片(c)有機(jī)質(zhì)賦存方式C模式,熒光薄片

圖9 沾化凹陷頁巖油儲層暗色條帶中有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式
Fig.9ContentandoccurrenceoforganicmatterinshaleoilreservoirofZhanhuasag

4.4 成巖作用

成巖作用影響異常壓力裂縫、礦物收縮裂縫及重結(jié)晶晶間孔的發(fā)育。沾化凹陷羅家地區(qū)L69井沙三下亞段埋深為2 910～3 130 m，從巖心和薄片上觀察，異常壓力裂縫、礦物收縮裂縫和重結(jié)晶晶間孔主要位于3 020 m之下。研究層段黏土礦物以伊利石及伊蒙混層為主，二者的含量在3 020 m突然增加(圖10)，同時(shí)巖石熱解參數(shù)S1/(S1+S2)在此處也有增加的趨勢，說明在此埋深處黏土礦物由相對無序向相對有序轉(zhuǎn)變，并且伴隨黏土礦物層間水的脫出及有機(jī)質(zhì)的大量排烴。黏土礦物層間水的脫出有利于形成礦物收縮裂縫，L69井3 020～3 050 m層段塊狀泥巖及紋層狀灰質(zhì)泥巖中礦物收縮裂縫最為發(fā)育。黏土礦物層間水的脫出和有機(jī)質(zhì)排烴都會使地層壓力增大，形成異常高壓，從而產(chǎn)生異常壓力裂縫。從巖心上看，異常壓力裂縫幾乎全部位于3 020 m之下，并且裂縫中有油充填。此外，有機(jī)質(zhì)排烴有利于微晶方解石重結(jié)晶形成重結(jié)晶晶間孔。根據(jù)重結(jié)晶程度，微晶方解石先轉(zhuǎn)化為粒狀亮晶方解石，再進(jìn)一步結(jié)晶為針柱狀亮晶方解石。L69井3 040～3 080 m層段粒狀亮晶方解石及針柱狀亮晶方解石均存在。由于重結(jié)晶過程伴隨著有機(jī)質(zhì)排烴，因此重結(jié)晶晶間孔中往往有油充填。

圖10 沾化凹陷L69井頁巖油儲層伊蒙混層與伊利石含量隨深度變化圖Fig.10 Variation of illite/smectite formation and illite content with depth in shale oil reservoir of Well L69 in Zhanhua sag

4.5 頁巖油儲層分類

通過以上分析，頁巖油儲層儲集空間的發(fā)育主要受礦物成分、沉積構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式以及成巖作用的影響。因此，重點(diǎn)選取了方解石含量、紋層狀構(gòu)造、TOC含量、Ro和孔隙度5個(gè)參數(shù)做為頁巖油儲層評價(jià)參數(shù)，將沾化凹陷羅家地區(qū)頁巖油儲層分為3類(表2)。

表2 沾化凹陷頁巖油儲層評價(jià)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation parameters and criteria of shale oil reservoir in Zhanhua sag

5 結(jié)論

(1)本文根據(jù)礦物成分和沉積構(gòu)造2個(gè)因素，對沾化凹陷羅家地區(qū)頁巖油儲層巖性進(jìn)行劃分：研究區(qū)頁巖油儲層礦物成分主要包括方解石、黏土礦物以及少量粉砂質(zhì)陸源碎屑，以三者為“三端員”，對巖性進(jìn)行初步劃分；根據(jù)巖心和薄片觀察，沉積構(gòu)造主要包括紋層狀構(gòu)造和塊狀構(gòu)造。綜合以上2個(gè)因素對研究區(qū)頁巖油儲層巖性進(jìn)行劃分，可劃為7種類型，分別為紋層狀灰?guī)r、紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r、紋層狀灰質(zhì)泥巖、塊狀灰質(zhì)泥巖、塊狀泥質(zhì)灰?guī)r、紋層狀粉砂巖和塊狀泥巖。

(2)不同巖性儲集空間發(fā)育有較大差異：紋層狀泥質(zhì)灰?guī)r和紋層狀灰?guī)r儲集空間最為發(fā)育；紋層狀灰質(zhì)泥巖儲集空間較發(fā)育；塊狀泥巖儲集空間發(fā)育一般；塊狀泥質(zhì)灰?guī)r、塊狀灰質(zhì)泥巖和紋層狀粉砂巖儲集空間發(fā)育較差。

(3)研究區(qū)頁巖油儲層儲集空間的發(fā)育主要受礦物成分、沉積構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式以及成巖作用的影響：礦物成分影響構(gòu)造裂縫和礦物收縮裂縫的發(fā)育；沉積構(gòu)造影響層間裂縫的發(fā)育；有機(jī)質(zhì)含量和賦存方式影響有機(jī)質(zhì)演化孔的發(fā)育及連通性；成巖作用對異常壓力裂縫、礦物收縮裂縫及重結(jié)晶晶間孔的發(fā)育有重要影響。

(4)通過對沾化凹陷羅家地區(qū)頁巖油儲層影響因素的分析，選取方解石含量、紋層狀構(gòu)造、TOC含量、Ro及孔隙度作為頁巖油儲層評價(jià)參數(shù)，將沾化凹陷羅家地區(qū)頁巖油儲層分為優(yōu)質(zhì)儲層、有利儲層和不利儲層3類。