江漢盆地潛江凹陷古近系潛江組鹽間可動(dòng)頁巖油賦存空間多尺度表征

孫中良，王芙蓉，韓元佳，侯宇光，何 生，羅 京，鄭有恒，吳世強(qiáng)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

頁巖油是指以游離態(tài)、吸附態(tài)等形式賦存在有效生烴泥頁巖系統(tǒng)內(nèi)的非氣態(tài)烴類，具有源儲(chǔ)一體、滯留聚集的特征[1]。頁巖油賦存的介質(zhì)主要為泥頁巖儲(chǔ)層的微納米孔隙，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用掃描電鏡、低溫氮?dú)馕健⒏邏簤汗?、微—納米CT、核磁共振等大量的實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)泥頁巖儲(chǔ)層的孔隙發(fā)育特征進(jìn)行了定性、定量表征[2-11]。同時(shí)，由于單一實(shí)驗(yàn)方法很難精確表征全尺度的孔隙空間，部分學(xué)者[11-12]采用多種實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合的手段，對(duì)頁巖孔隙特征進(jìn)行多尺度描述，推動(dòng)了微觀儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的進(jìn)程。但是，由于頁巖油的流動(dòng)性差，且頁巖油在儲(chǔ)層空間中的賦存方式多樣，使得對(duì)頁巖孔隙空間特征的表征還不能真正反映可動(dòng)頁巖油在儲(chǔ)層中的賦存特征。目前對(duì)可動(dòng)頁巖油的表征方法可大致分為直接表征法[13]和間接計(jì)算法[14-20]。直接表征法主要是利用掃描電鏡、微—納米CT掃描等技術(shù)方法，對(duì)油進(jìn)行直接觀測(cè)和模擬，研究油的賦存形態(tài)及賦存的孔隙類型等；間接計(jì)算法主要是利用核磁共振、抽提法等手段對(duì)頁巖油的賦存孔徑、狀態(tài)等進(jìn)行表征。直接表征法不能定量描述可動(dòng)頁巖油在各孔徑范圍內(nèi)賦存量的變化，而核磁共振技術(shù)受復(fù)雜孔隙、順磁性礦物、模型選擇等因素影響，模擬結(jié)果存在不確定性。在抽提法中，由于抽提前后的孔隙空間差異可直觀地表示頁巖油賦存的空間類型及平面展布，也可定量計(jì)算出頁巖油賦存的頁巖儲(chǔ)層孔徑大小，因此在典型樣品的科學(xué)研究中使用比較廣泛。前人[21-23]已從巖性巖相、孔滲特征等方面對(duì)江漢盆地潛江凹陷古近系潛江組頁巖儲(chǔ)層特征進(jìn)行了描述，其主要孔隙類型為晶(粒)間孔，以宏孔為主，孔隙度分布在11%～19%，滲透率平均為(2.6～4.8)×10-3μm2，但對(duì)不同尺度孔隙中頁巖油賦存特征的研究還比較薄弱。

1 地質(zhì)背景

潛江凹陷位于江漢盆地中部，面積約2 500 km2，是在中、古生界基底上發(fā)育的新生代內(nèi)陸斷陷湖盆。潛江凹陷北緣經(jīng)歷了強(qiáng)烈的斷層構(gòu)造活動(dòng)和快速的沉降，形成了南淺北深的半地塹式斷陷凹陷；自下而上沉積了白堊系漁陽組，古近系沙市組、新溝嘴組、荊沙組、潛江組、荊河鎮(zhèn)組，新近系廣華寺組，共193個(gè)韻律。潛江組沉積時(shí)期潛江凹陷為盆地的沉降中心與匯水中心，發(fā)育了約5 000 m的鹽系沉積。鹽間地層是水體相對(duì)淡化時(shí)期的沉積產(chǎn)物，在深水、強(qiáng)還原的條件下沉積了大面積的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖。由于上下鹽巖阻隔，鹽間泥頁巖生成的頁巖油很難發(fā)生縱向運(yùn)移，并滯留在烴源巖中，形成了獨(dú)特的鹽間頁巖油系統(tǒng)。[22,26-27]。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

表1 江漢盆地潛江凹陷潛江組頁巖樣品地化特征及礦物組成

圖1 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律有利區(qū)分布及取樣位置[28]

低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)使用ASAP2020全自動(dòng)比表面積和微孔/中孔分析儀。該儀器測(cè)量的孔徑范圍為0.35～500 nm，最低可測(cè)的比表面積為0.000 5 m2/g，最小檢測(cè)孔體積為0.1 mm3/g。實(shí)驗(yàn)前將3～5 g、粒徑為1～2 mm的樣品在真空烘箱中烘干2 h，設(shè)置溫度為100 ℃，以去除樣品中的水分和揮發(fā)性物質(zhì)。以純度大于99.999%的氮?dú)鉃槲劫|(zhì)，在-196 ℃(77 K)下測(cè)定不同壓力下的氮?dú)馕健摳降葴鼐€。

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)儀器公司生產(chǎn)的Autopore IV 9520高壓壓汞儀，最大進(jìn)汞壓力為200 MPa；孔喉測(cè)試范圍在3 nm～1 000 μm之間。選擇無明顯裂紋的樣品進(jìn)行切割，獲得規(guī)則的1 cm3立方體，實(shí)驗(yàn)前將樣品干燥處理24 h。

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡使用SU8010日立冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，分辨率達(dá)1.0 nm，放大倍數(shù)可達(dá)到20～800 000。樣品用氬離子束拋光，得到一個(gè)平整的表面,最后需在樣品表面鍍一層約10～20 nm厚的金膜。該儀器配有能量色散譜儀(EDS)，可用于鑒別礦物成分。

索氏抽提采用體積比為丙酮∶氯仿∶甲醇(19∶16∶15)的三元溶劑抽提樣品，前期研究表明以此三元溶劑抽提效果最好[29]。提取的頁巖樣品在真空爐中以70 ℃干燥，直到重量變化小于0.001 g再進(jìn)行抽提實(shí)驗(yàn)，抽提時(shí)在70～90 ℃溫度下加熱至少72 h，保證最后一次循環(huán)時(shí)抽提劑無色。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 頁巖孔隙類型

3.2 抽提前后低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)下的孔隙分布特征

由氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出(圖3)，該地區(qū)頁巖孔隙在孔徑小于5 nm時(shí)，隨孔徑增大孔隙發(fā)育頻率逐漸降低；在孔徑大于5 nm時(shí)，孔隙隨孔徑增大發(fā)育頻率增加；在50 nm左右達(dá)到峰值，隨后又逐漸減小。通過抽提前后的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，塊狀發(fā)育的泥巖(BYY2-21與BYY2-161)抽提前后的孔隙差異較小，而紋層狀發(fā)育的頁巖(BYY2-28，BYY2-90，BYY2-101)中抽提前后的孔隙差異較大，這與掃描電鏡中可動(dòng)頁巖油主要發(fā)育在紋層狀頁巖中的結(jié)果相同。由抽提結(jié)果表明，在氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)條件下，該地區(qū)可動(dòng)頁巖油主要賦存在5～80 nm孔徑的孔隙中，小于5 nm孔徑的孔隙內(nèi)也有少量可動(dòng)頁巖油賦存。同時(shí)，頁巖油主要賦存在白云石晶間孔、粒間孔以及黏土礦物層間孔中(圖2)。前期研究[29]發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)可動(dòng)頁巖油的賦存與黏土和白云石有較強(qiáng)的相關(guān)性，而與方解石的相關(guān)性較差。樣品BYY2-28和BYY2-101方解石含量相似，而黏土礦物和白云石含量差異較為明顯(表1)。樣品BYY2-28不含黏土礦物，白云石含量較高；而樣品BYY2-101黏土礦物含量較多，對(duì)比2個(gè)樣品在低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)以及高壓壓汞實(shí)驗(yàn)下的孔隙分布特征，可較好表征研究區(qū)頁巖孔隙分布的差異性。依據(jù)氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)的BJH模型計(jì)算出不同孔徑下的比孔容分布特征(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，樣品BYY2-28的孔隙在孔徑小于3 nm較為集中，孔徑大于10 nm的孔隙也廣泛分布。抽提后樣品孔徑小于50 nm的孔隙比孔容顯著增加。樣品BYY2-101抽提前孔隙分布特征與樣品BYY2-28相似，但抽提后比孔容在孔徑為5～50 nm的范圍內(nèi)增加較多。

圖2 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖油樣品孔隙特征及可動(dòng)頁巖油賦存空間

圖3 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品抽提前后比孔容分布特征

3.3 抽提前后高壓壓汞實(shí)驗(yàn)下的孔隙分布特征

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(圖4)，由于礦物成分以及巖性差異，不同樣品的孔喉分布存在差異。塊狀樣品BYY2-21和BYY2-161孔徑峰值出現(xiàn)在10 nm和600 nm左右；紋層狀發(fā)育的樣品孔徑主要在10～200 nm之間。對(duì)比抽提前后的孔喉分布差異發(fā)現(xiàn)，塊狀發(fā)育的樣品，抽提前后的孔喉分布差異性較小，紋層狀發(fā)育的頁巖抽提前后的孔喉分布差異較大，可動(dòng)頁巖油主要賦存在孔徑小于200 nm的孔喉內(nèi)。以樣品BYY2-28和樣品BYY2-101為例，抽提前，樣品BYY2-28孔徑主要為40～200 nm，峰值出現(xiàn)在70 nm左右；樣品BYY2-101孔徑分布范圍較廣，主要集中在小于100 nm的范圍內(nèi)，在孔徑10 nm和40 nm出現(xiàn)2個(gè)峰值。樣品BYY2-28抽提后除在孔徑為40～70 nm進(jìn)汞量有所減小外，在孔徑小于200 nm的范圍內(nèi)進(jìn)汞量普遍增加，且出現(xiàn)孔徑峰值后移現(xiàn)象，抽提后孔徑峰值主要集中在100 nm左右。樣品BYY2-101抽提后在孔徑小于6 nm和30～60 nm時(shí)進(jìn)汞量減??；在孔徑為7～20 nm時(shí)孔徑峰值增加，未出現(xiàn)峰值后移現(xiàn)象，而孔徑在50～200 nm時(shí)進(jìn)汞量增加，較抽提前出現(xiàn)進(jìn)汞量峰值后移現(xiàn)象。

圖4 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品抽提前后不同孔徑進(jìn)汞量分布曲線

3.4 抽提前后掃描電鏡實(shí)驗(yàn)下的孔隙分布特征

高壓壓汞測(cè)試結(jié)果表明，該地區(qū)存在微米級(jí)孔隙，但由于微米級(jí)孔隙分布頻率較低，汞注入量較少，較難真實(shí)表征抽提前后的孔隙變化。因此本次研究運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，統(tǒng)計(jì)抽提前后掃描電鏡片中微米級(jí)孔隙孔徑的變化，判斷可動(dòng)頁巖油賦存的微米級(jí)孔徑范圍，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充。其原理是利用孔隙與巖石其他部分的灰度級(jí)不同，在掃描電鏡圖像中將多孔部分與非多孔部分區(qū)分開來。研究區(qū)樣品普遍含鹽，抽提后鹽礦物的析出，改變了掃描電鏡片中礦物成分的形態(tài)特征，重新拋光后再觀察，尋找同一視域內(nèi)礦物接觸關(guān)系有很大難度。因此本次研究對(duì)同一塊掃描電鏡片盡量多選擇有滯留烴賦存的視域，觀察統(tǒng)計(jì)孔徑數(shù)值，最后取平均值進(jìn)行抽提前后對(duì)比。由圖5可見，抽提前孔隙周邊存在較多的有機(jī)質(zhì)，抽提后有機(jī)質(zhì)被抽離，孔徑變大。

圖5 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品抽提前后孔隙分布特征

4 可動(dòng)頁巖油賦存空間分析

前人[30]研究表明，抽提有機(jī)質(zhì)的量與S1呈很好的正相關(guān)關(guān)系。前期研究證實(shí)，抽提有機(jī)質(zhì)與S1的線性相關(guān)系數(shù)R2約為0.97，相關(guān)關(guān)系為y=1.102 2x+0.325 9(y為可溶有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，x為S1質(zhì)量分?jǐn)?shù))[29]。因此抽提有機(jī)質(zhì)的量可近似為S1的量。且研究發(fā)現(xiàn)，S1與抽提前后孔體積變化值也呈較好的線性相關(guān)(圖6)，因此抽提前后的孔體積變化特征可表征可動(dòng)頁巖油的賦存空間。

圖6 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品S1與抽提前后孔體積差值的相關(guān)性

4.1 可動(dòng)頁巖油賦存的孔徑分布特征

為更清晰地表征該地區(qū)可動(dòng)頁巖油賦存的孔隙空間特征，本文分別對(duì)抽提前后的氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)、高壓壓汞實(shí)驗(yàn)以及掃描電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理。在低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)中(圖7)，樣品BYY2-28孔徑在2～80 nm范圍內(nèi)比孔容所占比例均有所增加，在2～40 nm范圍內(nèi)顯著增加，說明可動(dòng)頁巖油賦存的孔徑為2～80 nm，其中大量的頁巖油主要賦存在2～40 nm的孔徑范圍內(nèi)；樣品BYY2-101可動(dòng)頁巖油的賦存孔徑為2～80 nm，大量可動(dòng)頁巖油主要賦存在5～50 nm和70～80 nm的孔徑范圍內(nèi)。

在高壓壓汞實(shí)驗(yàn)中(圖8)，抽提后，樣品BYY2-28在孔徑小于40 nm和70～100 nm這2個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)汞量有所增加，說明可動(dòng)頁巖油在此孔徑范圍內(nèi)賦存；而樣品BYY2-101主要在孔徑為60～100 nm時(shí)進(jìn)汞量增加較多，說明可動(dòng)頁巖油在60～100 nm內(nèi)賦存。同時(shí)，2個(gè)樣品在孔徑大于1 μm時(shí)，抽提后進(jìn)汞量也有所增加，說明微米級(jí)孔隙內(nèi)亦有可動(dòng)頁巖油賦存。

圖7 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品不同孔徑下比孔容分布

圖8 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品抽提前后進(jìn)汞量分布

前人[31]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)汞壓力高于25 MPa(對(duì)應(yīng)孔徑約小于80 nm)時(shí)，頁巖樣品就會(huì)發(fā)生變形。有學(xué)者運(yùn)用拼接的方法，綜合運(yùn)用低溫氮?dú)馕胶透邏簤汗瘉肀碚黜搸r孔徑[24-26]。氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)顯示在孔徑小于等于80 nm時(shí)，抽提后吸附量均有所增加(圖3，圖7)。綜合考慮，本文采用80 nm為拼接點(diǎn)，拼接2種實(shí)驗(yàn)來反映孔徑分布。拼接后的結(jié)果(圖9)顯示，該地區(qū)頁巖樣品在常溫常壓狀態(tài)下可動(dòng)頁巖油主要賦存在孔徑小于200 nm的孔隙中，其中在孔徑90～200 nm內(nèi)賦存最多，在孔徑2～10 μm范圍內(nèi)也有賦存。

圖9 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品可動(dòng)頁巖油分布孔徑特征

在掃描電鏡實(shí)驗(yàn)中(圖10)，統(tǒng)計(jì)不同視域下抽提前后的孔徑分布特征發(fā)現(xiàn)，抽提后大于1 μm的孔隙比例有所增多，且當(dāng)比例尺增大時(shí)，大于2 μm的孔徑增加比例更多，說明在大于2 μm的孔隙內(nèi)賦存著較多的可動(dòng)頁巖油。

圖10 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品抽提前后的孔徑分布

4.2 可動(dòng)頁巖油賦存孔徑差異性分析

由圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，相較于樣品BYY2-101，樣品BYY2-28在孔徑小于5 nm的范圍內(nèi)抽提出較多的可動(dòng)頁巖油，除去樣品非均質(zhì)性因素影響外，說明該較小孔徑范圍內(nèi)仍有部分可動(dòng)頁巖油被抽提。樣品BYY2-28和BYY2-101主要存在黏土礦物的差異，樣品BYY2-28不含黏土礦物(表1)，降低了礦物對(duì)游離態(tài)頁巖油的吸附作用[32]，使得儲(chǔ)存在小孔內(nèi)的可動(dòng)頁巖油較容易被抽提出；樣品BYY2-101中黏土礦物含量可達(dá)20%，對(duì)頁巖油的吸附作用較強(qiáng)，能夠被抽提的頁巖油需要更大的孔隙，導(dǎo)致樣品BYY2-101的可動(dòng)頁巖油主要賦存在孔徑大于5 nm的孔隙內(nèi)。根據(jù)已抽提物成分GC、GC-MS的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其輕質(zhì)烴含量高(表2)，推測(cè)在5 nm以下的孔隙中存在較小的烴類分子是可動(dòng)的，而大部分的可動(dòng)烴主要賦存在大于5 nm的孔隙內(nèi)。

表2 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品抽提物族組分含量

由壓汞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(圖4，圖8)，樣品BYY2-28在孔徑為40～70 nm、樣品BYY2-101在孔徑為30～60 nm的范圍內(nèi)均出現(xiàn)抽提后進(jìn)汞量減小、進(jìn)汞量峰值后移的現(xiàn)象?？赡転槌樘岷蟪霈F(xiàn)擴(kuò)孔現(xiàn)象，導(dǎo)致部分孔徑變大，原孔徑范圍內(nèi)的孔隙變少，進(jìn)汞量減小，也導(dǎo)致了進(jìn)汞量峰值的后移。樣品BYY2-101在孔徑小于6 nm的范圍內(nèi)抽提后進(jìn)汞量減小，且不存在進(jìn)汞量峰值后移現(xiàn)象，可能是由于樣品的非均質(zhì)性所導(dǎo)致。

4.3 可動(dòng)頁巖油賦存孔隙空間預(yù)測(cè)

壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)得的孔隙度和平均孔徑與游離烴S1的相關(guān)關(guān)系顯示，S1與頁巖孔隙度和平均孔徑均呈較好的正相關(guān)關(guān)系(圖11)。這說明在潛江凹陷潛江組頁巖中，孔隙度高的樣品往往含有更多的可動(dòng)頁巖油，平均孔徑越大，可動(dòng)頁巖油越富集。相較于塊狀發(fā)育的泥巖樣品，紋層狀發(fā)育的頁巖孔隙度與平均孔徑均較大，為頁巖油開采的有利目標(biāo)。

圖11 江漢盆地潛江凹陷潛江組韻律頁巖樣品中可動(dòng)頁巖油與各影響因素的關(guān)系

5 結(jié)論

(2)低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該地區(qū)可動(dòng)頁巖油賦存的孔徑范圍為5～80 nm，當(dāng)黏土礦物含量較少時(shí)，小于5 nm的孔隙內(nèi)也有可動(dòng)頁巖油賦存。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果也揭示，可動(dòng)頁巖油在孔徑為70～100 nm時(shí)比較富集。以孔徑80 nm為界進(jìn)行低溫氮吸附和高壓壓汞測(cè)試孔徑的拼接來表征該韻律可動(dòng)頁巖油主要賦存空間，發(fā)現(xiàn)可動(dòng)頁巖油主要賦存在孔徑小于200 nm的孔隙中，其中在孔徑為90～200 nm范圍內(nèi)賦存最多。結(jié)合抽提前后掃描電鏡片中微米級(jí)孔隙孔徑變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，總結(jié)出該地區(qū)可動(dòng)頁巖油在微米級(jí)內(nèi)也有賦存，在孔徑大于2 μm的范圍內(nèi)賦存較多。

(3)在潛江凹陷潛江組頁巖中，孔隙度越高，平均孔徑越大，可能富集更多的可動(dòng)頁巖油。相較于塊狀泥巖，紋層狀發(fā)育的頁巖有更高的孔隙度和更大的孔隙，為頁巖油開發(fā)的優(yōu)選目標(biāo)。