遼河盆地西部凹陷沙四上亞段頁(yè)巖巖石類(lèi)型、儲(chǔ)集性能及影響因素

黃雙泉.

(遼河油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，遼寧盤(pán)錦 124010)

頁(yè)巖油氣的勘探開(kāi)發(fā)成為全球非常規(guī)能源的重要支撐點(diǎn)[1]，各國(guó)開(kāi)始針對(duì)頁(yè)巖油氣開(kāi)展基礎(chǔ)研究。頁(yè)巖是一種深水沉積的具有頁(yè)理結(jié)構(gòu)的細(xì)粒沉積巖[2-3]。前人一直將頁(yè)巖作為源巖來(lái)研究，隨著非常規(guī)概念的引入，頁(yè)巖作為儲(chǔ)層逐漸進(jìn)入學(xué)者的視角。隨著納米級(jí)孔隙的發(fā)現(xiàn)[4]，泥頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)始進(jìn)入實(shí)質(zhì)性研究階段[5-10]。

曙北—高升地區(qū)在多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后形成了現(xiàn)今的斷陷深盆構(gòu)造格局-。沙四上亞段沉積時(shí)期，盤(pán)山洼陷北部地區(qū)湖侵沉積體系發(fā)育，沙四段頁(yè)巖的形成是此次湖侵的沉積響應(yīng)。前人在非常規(guī)研究工作中，針對(duì)這套富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖層段僅僅是作為烴源巖來(lái)表征，并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到頁(yè)巖可以作為油氣的有效儲(chǔ)層。隨著頁(yè)巖油研究的深入開(kāi)展，除了頁(yè)巖夾層可以作為儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)外，本文首次通過(guò)對(duì)沙河街組四段的頁(yè)巖鉆井巖心等進(jìn)行分析，細(xì)分巖石類(lèi)型，從儲(chǔ)集空間類(lèi)型、孔隙結(jié)構(gòu)等各方面剖析沙四段頁(yè)巖儲(chǔ)集性能，有效拓展了頁(yè)巖油的勘探空間。

1 頁(yè)巖巖石類(lèi)型及分布

頁(yè)巖定義為視覺(jué)上或者顯微鏡下具有層狀結(jié)構(gòu)的細(xì)粒沉積物。作為形態(tài)定名，由于成分組成的不同，不同頁(yè)巖在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上具有明顯差別[3]，對(duì)應(yīng)分布區(qū)域以及有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、含量等有較大差異。作為非常規(guī)油氣資源的生油母質(zhì)和儲(chǔ)集層，巖性的差異對(duì)其影響很大。通過(guò)巖心觀察，沙四上亞段頁(yè)巖劃分為三類(lèi)：(含)灰質(zhì)頁(yè)巖、(含)云質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)頁(yè)巖(圖2)。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Location and construction sketch of studied area

圖2 西部凹陷沙四上亞段頁(yè)巖類(lèi)型Fig.2 Types of Es41 shale in western saga.黏土質(zhì)頁(yè)巖，D22井，1 337.0 m，自然光；b.云質(zhì)頁(yè)巖，L37井，2 658.0 m，自然光；c.灰質(zhì)頁(yè)巖，S90，2 788.8 m；d.黏土質(zhì)頁(yè)巖，杜22井，1 337.0 m，25(-)；e.云質(zhì)頁(yè)巖，L37井，2 604.5 m，50(+)；f.灰質(zhì)頁(yè)巖，S111井，3 276.1 m，熒光，50(+)。

(含)灰質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育在雷家地區(qū)南部—曙光—杜家臺(tái)東南地區(qū)(圖3)，最厚超過(guò)250 m，縱向上發(fā)育于沙四上亞段杜家臺(tái)油層頂部和底部。巖石樣品呈灰褐色、灰色，頁(yè)理發(fā)育，部分手標(biāo)本呈片狀，厚度為2～5 mm(圖2c)?！癤”衍射全巖定量顯示方解石含量為10%～50%，具典型黑白相間雙紋層結(jié)構(gòu)，為毫米級(jí)微型平行層理，白色層主要為自生方解石，黑色層為黏土層(伊利石含量>90%)、微晶石英、長(zhǎng)石及自生黃鐵礦等，含豐富的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)豐度TOC>4%，見(jiàn)藻類(lèi)絲狀體，呈連續(xù)水平狀(圖2f)；鏡檢顯示有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅰ-Ⅱa型、生烴潛力很高(S1+S2>20 mg/g)。見(jiàn)自生石膏—方解石集合體，含甲基甾烷，伽馬蠟烷含量低，說(shuō)明該類(lèi)巖石形成于水體微咸、水流閉塞的湖泊環(huán)境中。

(含)云質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育在雷家北部地區(qū)，縱向上夾持于頂?shù)装自茙r之間，連續(xù)厚度近200 m。樣品顏色為灰色、灰綠色，無(wú)明顯層理，鏡下可見(jiàn)黏土—白云石紋層結(jié)構(gòu)(圖2b、2e)。黏土礦物、石英和長(zhǎng)石總量大于50%，白云石含量為25%～50%，富含有機(jī)質(zhì)，TOC>4%，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅰ型，S1+S2>20 mg/g。在測(cè)井曲線(xiàn)上表現(xiàn)為異常高阻，主要分布在主力頁(yè)巖層底部。富含咸水藻，貧黏土，高伽馬蠟烷，說(shuō)明(含)云質(zhì)頁(yè)巖在咸水環(huán)境中形成。

黏土質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育在杜家臺(tái)北部地區(qū)，巖石樣品呈灰褐色、灰色，頁(yè)理發(fā)育(圖2a、2d)。陸源粉砂碎屑含量較低，以黏土礦物為主，普遍大于50%，石英含量低于25%，碳酸鹽巖含量較低，一般低于20%。多為黏土質(zhì)泥巖層與微晶方解石層互層，類(lèi)型I有機(jī)質(zhì)有機(jī)碳含量非常高，均值為6.1%，最大超過(guò)8%。這種巖相指示陸源輸入相對(duì)變?nèi)酢?/p>

圖3 遼河坳陷西部凹陷沙四段頁(yè)巖厚度等值線(xiàn)圖Fig.3 Isometric chart of sand shale thickness in western sag of Liaohe depression

2 頁(yè)巖儲(chǔ)集空間類(lèi)型

通過(guò)巖石標(biāo)本觀察、EM及SEM觀察，沙四上亞段頁(yè)巖以發(fā)育裂縫—孔隙雙介質(zhì)儲(chǔ)集空間和指數(shù)級(jí)范圍孔喉系統(tǒng)為典型特征。

2.1 宏觀儲(chǔ)集空間

主要為宏觀裂縫、頁(yè)理縫。

研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以由裂陷作用引起的擠壓變形為主，裂縫發(fā)育比較單一，為單向高角度裂縫(圖4)，縫寬0.5～2.0 mm?？梢?jiàn)后期碳酸鹽和方沸石等充填。

不同成分紋層間為應(yīng)力脆弱面，易剝離形成頁(yè)理縫，是頁(yè)巖區(qū)別于其他類(lèi)巖石的特征，也是頁(yè)巖重要的儲(chǔ)集空間類(lèi)型。研究區(qū)灰質(zhì)頁(yè)巖和較淺層的黏土質(zhì)頁(yè)巖亮暗紋層間發(fā)育大量順層發(fā)育、長(zhǎng)距離延伸的頁(yè)巖縫，縫寬0.1～1.0 mm。云質(zhì)頁(yè)巖在宏觀尺度下，少見(jiàn)頁(yè)理縫。

2.2 微觀儲(chǔ)集空間

微觀儲(chǔ)集空間是頁(yè)巖的主要儲(chǔ)集空間，北美學(xué)者在研究中證實(shí)頁(yè)巖中發(fā)育基質(zhì)晶間孔、粒間孔[11]。本研究對(duì)西部凹陷沙四段頁(yè)巖進(jìn)行觀察，除了發(fā)現(xiàn)上述孔隙外，在該套頁(yè)巖中還發(fā)現(xiàn)了溶蝕孔隙和微裂縫。

2.2.1 微溶孔

溶蝕孔是頁(yè)巖儲(chǔ)集油氣的關(guān)鍵儲(chǔ)集空間。本區(qū)主要發(fā)育碳酸鹽的酸性溶孔以及由黏土礦物的類(lèi)型轉(zhuǎn)變形成的溶蝕孔。碳酸鹽溶孔主要發(fā)育在灰質(zhì)頁(yè)巖和云質(zhì)頁(yè)巖中，溶蝕孔徑約為5 μm。黏土溶孔主要是黏土礦物的演變引起體積變小所形成的表面凹凸不平、麻點(diǎn)狀的晶間孔隙，主要是其他礦物向伊利石轉(zhuǎn)變形成，孔徑約為1 μm。研究區(qū)三類(lèi)頁(yè)巖均可見(jiàn)黏土間溶蝕孔(圖5b、5e、5g、5h)。

2.2.2 晶間孔

沙四期，在水深、缺氧、微咸水的還原條件下，生成了大量黃鐵礦以及微晶石膏。黃鐵礦呈蜂窩狀或者草莓狀，晶間發(fā)育微孔隙1～5 μm(圖5c、5d)[12]。三類(lèi)頁(yè)巖中均可見(jiàn)晶間孔。

2.2.3 微縫

主要有微頁(yè)理縫和微裂縫兩類(lèi)。微頁(yè)理縫在宏觀條件下識(shí)別不清，主要是沿頁(yè)理層間發(fā)育(圖5i)，縫寬20 μm左右，延伸距離不遠(yuǎn)，橫向斷續(xù)狀，整體發(fā)育規(guī)模大，主要發(fā)育在灰質(zhì)頁(yè)巖和云質(zhì)頁(yè)巖中。微縫是在后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下派生或成巖收縮形成的，片狀結(jié)構(gòu)(圖5f)。縫寬一般不大，在0.1～0.3 μm，延伸距離2～8 μm，主要發(fā)育于脆性較好的云質(zhì)頁(yè)巖中。

2.2.4 其他

本區(qū)微咸水環(huán)境中，藻類(lèi)和生物較發(fā)育，并形成了有機(jī)質(zhì)層。由藻類(lèi)形成的有機(jī)質(zhì)層在生烴作用之后，形成泥頁(yè)巖獨(dú)有的有機(jī)質(zhì)孔(有機(jī)質(zhì)孔尚未有能譜定量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本次未做重點(diǎn)研究)和生物殘余骨架間孔(圖5a)，也是頁(yè)巖一種重要的儲(chǔ)集空間。

3 孔隙結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)集性能

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)

氮?dú)馕皆囼?yàn)對(duì)于研究孔隙結(jié)構(gòu)具有較高的效率。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》(GB/T 19587—2004)，在90 ℃加熱1 h、350 ℃加熱5 h進(jìn)行樣品脫氣，使用比表面測(cè)定儀Quadrasorb SI對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試(圖6)，根據(jù)細(xì)粒固體孔隙分析方法，采用吸附/脫附等溫曲線(xiàn)差異判斷孔隙結(jié)構(gòu)，計(jì)算比表面積和孔徑分布[13-16]。曙90井樣品曲線(xiàn)差異不大，反映灰質(zhì)頁(yè)巖孔喉一體的特性；杜223井和雷37井樣品吸/脫附曲線(xiàn)相同的相對(duì)壓力下，體積差異較大，反映具有孔大喉小的特征，壓力釋放，流體在窄喉道作用下脫附困難。

圖5 西部凹陷沙四上亞段3類(lèi)頁(yè)巖孔隙微觀特征(SEM)Fig.5 Microscopic features of pore for three types of Es41 shales in western sag (SEM)a.D22，1 340.70 m，生物體，1 000倍；b.D223，1 826.40 m，微溶孔，1 300倍；c.D127，2 941.00 m，黃鐵礦微晶集合體及石膏微晶，800倍；d.L57，2 604.50 m，石膏微晶間孔，2 000倍；e.L37，2 816.50 m，碳酸鹽粒內(nèi)溶孔，1 000倍；f.L37，2 816.80 m，微裂縫，8 000倍；g.S111，3 276.50 m，黏土溶蝕孔，400倍；h.S3-7-503，1 269.54 m，微溶孔，2 000倍；i.S112，3 097.00 m，頁(yè)理縫，20倍。

頁(yè)巖孔徑分布為單一峰值，值區(qū)間集中在3～6 nm之間，平均孔直徑在5.6～17 nm(圖6)[17]。由于粒度上黏土礦物<微晶白云石<自生亮晶方解石，而粒度越小，比表面積越大，且同一微觀尺度內(nèi)黏土質(zhì)頁(yè)巖及云質(zhì)頁(yè)巖層狀頁(yè)理密度較灰質(zhì)頁(yè)巖密度要大得多。綜合分析認(rèn)為，比表面積差異主要是由于頁(yè)巖主體成分粒度差異和微觀頁(yè)理密度引起的。而從平均孔徑來(lái)看，S90樣品(灰質(zhì)頁(yè)巖)>L37樣品(云質(zhì)頁(yè)巖)>D223樣品(黏土質(zhì)頁(yè)巖)。綜上，黏土質(zhì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)以微孔隙為主，云質(zhì)頁(yè)巖以微孔為主，具有孔縫混合特征，灰質(zhì)頁(yè)巖以微縫發(fā)育為主。

3.2 儲(chǔ)集性能

對(duì)于作為頁(yè)巖油氣儲(chǔ)集空間的頁(yè)巖等細(xì)粒沉積物，其儲(chǔ)集性能除體現(xiàn)在儲(chǔ)集物性之外，巖石脆性也是能否進(jìn)行后期開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素。

頁(yè)巖可測(cè)孔隙度介于0.9%～6.91%之間，平均為2.89%；滲透率介于0.00131～0.85 mD間，平均為0.178 mD，脈沖測(cè)試結(jié)果略低于測(cè)井解釋結(jié)果，評(píng)價(jià)認(rèn)為頁(yè)巖整體物性較差。

巖石脆性與微觀狀態(tài)下的不可塑性礦物含量有關(guān)，是頁(yè)巖中烴類(lèi)高效生產(chǎn)的關(guān)鍵地質(zhì)和工程參數(shù)。本次計(jì)算過(guò)程采用數(shù)據(jù)豐富的X衍射全巖定量數(shù)據(jù)，石英、長(zhǎng)石、白云石總體占比為脆性指數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，云質(zhì)頁(yè)巖脆性指數(shù)最高(72)，其次為灰質(zhì)頁(yè)巖(66)，黏土質(zhì)頁(yè)巖脆性指數(shù)最差(41)?；?、云質(zhì)頁(yè)巖類(lèi)高脆性地層是后期壓裂改造的必要條件。

圖6 不同類(lèi)型頁(yè)巖孔徑分布頻率及吸附/解吸曲線(xiàn)Fig.6 Adsorption-desorption isotherms in shales and pore size distribution

4 影響因素

通過(guò)對(duì)研究區(qū)3類(lèi)頁(yè)巖分析發(fā)現(xiàn)(表1)，不同類(lèi)型的頁(yè)巖，儲(chǔ)集空間有較大的差異。綜合分析認(rèn)為，頁(yè)巖儲(chǔ)集性差異性受控于內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因即頁(yè)巖本身的差異性，沉積環(huán)境、物源和氣候是引起研究區(qū)頁(yè)巖性質(zhì)的差異的關(guān)鍵因素；外因即頁(yè)巖沉積、成巖過(guò)程中所處的環(huán)境以及后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

4.1 內(nèi)因是儲(chǔ)集性能差異產(chǎn)生的基礎(chǔ)

通過(guò)以上分析，儲(chǔ)集空間類(lèi)型和儲(chǔ)集性能的差異明顯體現(xiàn)在頁(yè)巖巖石類(lèi)型的不同上，即物質(zhì)基礎(chǔ)是其儲(chǔ)集性差異的關(guān)鍵所在。

雷家地區(qū)靠近中部凸起，水體Ca2+、Mg2+含量豐富，在曙光地區(qū)水體加深，在杜家臺(tái)北部西斜坡，北側(cè)和南側(cè)物源均繞過(guò)此處，形成了閉塞的間灣環(huán)境。沉積環(huán)境差異導(dǎo)致黏土質(zhì)層與非黏土質(zhì)層的單個(gè)互層厚度以及巖石成分均有差異。云質(zhì)頁(yè)巖巖心宏觀上觀察到致密紋層狀頁(yè)理，灰質(zhì)頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖宏觀頁(yè)理縫十分發(fā)育，巖心呈片或薄板狀。由于成分的差異引起的脆性程度不同，黏土質(zhì)頁(yè)巖脆性指數(shù)明顯低于云質(zhì)頁(yè)巖和灰質(zhì)頁(yè)巖，成巖過(guò)程中盆地斜坡區(qū)黏土質(zhì)頁(yè)巖均未廣泛發(fā)育縱向的裂縫，相對(duì)穩(wěn)定區(qū)的灰質(zhì)頁(yè)巖多處可見(jiàn)到縱向上發(fā)育的裂縫，云質(zhì)頁(yè)巖巖心上高角度裂縫大量發(fā)育，成為后期的溶蝕通道(圖5c)。

成分的差異在后期溶蝕改造過(guò)程中體現(xiàn)也較為明顯。灰質(zhì)頁(yè)巖多黏土溶孔，云質(zhì)頁(yè)巖多碳酸鹽溶孔，黏土質(zhì)頁(yè)巖基本上少見(jiàn)溶孔。

表1 不同類(lèi)型頁(yè)巖儲(chǔ)集性能參數(shù)簡(jiǎn)表Table 1 Simple table of reservoir parameters for different types of shale

4.2 外因是儲(chǔ)集性能改造的關(guān)鍵

影響儲(chǔ)集性能的外因主要有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和成巖作用(圖7)。

成巖作用對(duì)儲(chǔ)集性的影響體現(xiàn)在三個(gè)方面：一方面體現(xiàn)在壓實(shí)作用下。有文獻(xiàn)證實(shí)[18]，頁(yè)巖初始孔隙度和砂巖基本相同為38%。中成巖A期后，在壓實(shí)作用下，泥頁(yè)巖原生孔隙基本全部損失，孔隙開(kāi)始以次生孔隙為主。石膏、榍石、黃鐵礦等礦物晶間孔以及碳酸鹽、黏土溶蝕孔成為研究區(qū)頁(yè)巖的主要儲(chǔ)集空間類(lèi)型。第二方面體現(xiàn)在演化程度上(有機(jī)質(zhì)孔少見(jiàn)，圖版未涉及)。在有機(jī)質(zhì)熱演化到生烴門(mén)限時(shí)，開(kāi)始大量生烴，有機(jī)質(zhì)孔開(kāi)始發(fā)育，成為泥頁(yè)巖儲(chǔ)集體獨(dú)有的儲(chǔ)集空間類(lèi)型。第三，成巖過(guò)程中的地層水。形成方沸石充填裂縫，有效儲(chǔ)集空間大量損失，主要發(fā)育在雷家地區(qū)云質(zhì)頁(yè)巖區(qū)。

構(gòu)造作用不但決定了裂縫的發(fā)育程度和規(guī)模，對(duì)頁(yè)巖微觀溶孔也有一定的積極作用。由于沙三期盆地裂陷作用，灰質(zhì)頁(yè)巖和云質(zhì)頁(yè)巖區(qū)廣泛高角度裂縫，同時(shí)在東部雷家地區(qū)，溝通頁(yè)理縫和縱向穿層裂縫(圖5a)，形成連片具有更大規(guī)模的儲(chǔ)集空間。另外裂縫的存在，使地下水流通性更好，地下水?dāng)y走溶蝕產(chǎn)物，促進(jìn)了溶蝕作用的進(jìn)行。

圖7 沙四段頁(yè)巖儲(chǔ)集性能與成藏事件關(guān)系模式圖Fig.7 Model of shale reservoir performance and accumulation for Es4

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與成巖作用不只是對(duì)本區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)集性能有影響的相互獨(dú)立的單因素。由于成巖作用的持續(xù)性和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的間歇性決定了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)育時(shí)間對(duì)頁(yè)巖裂縫有重大影響。本區(qū)裂縫有兩種類(lèi)型：鋸齒狀和平直狀。鋸齒狀裂縫是在泥頁(yè)巖尚未完全固結(jié)成巖時(shí)，由于泥頁(yè)巖的蠕變性，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成高角度裂縫，并發(fā)生上下盤(pán)錯(cuò)位(微斷距約為1 cm)，在后期裂陷作用下上下盤(pán)擠壓，硬度更高的灰質(zhì)層進(jìn)入塑性更高的泥質(zhì)層，泥質(zhì)層發(fā)生層間揉皺，裂縫呈現(xiàn)鋸齒狀(圖5b)。固結(jié)程度更低的云質(zhì)頁(yè)巖上部?jī)H僅發(fā)生層間揉皺，未發(fā)育鋸齒狀斷層。在巖石完全固結(jié)成巖后，脆性地層在構(gòu)造應(yīng)力下直接形成了平直狀斷層。平直狀斷層較鋸齒狀斷層，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)集性的意義更大。

5 結(jié)論

(1)西部凹陷曙北—高升地區(qū)沙四上亞段發(fā)育厚層頁(yè)巖，雷家地區(qū)厚度超過(guò)250 m，依照巖石成分劃分為灰質(zhì)頁(yè)巖、云質(zhì)頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖3類(lèi)。

(2)頁(yè)巖儲(chǔ)集空間為裂縫—孔隙雙重介質(zhì)的類(lèi)型，發(fā)育中孔—微孔—納米孔多級(jí)孔喉系統(tǒng)，溶孔、晶間孔及微裂縫。根據(jù)脈沖測(cè)試和測(cè)井解釋?zhuān)?yè)巖孔隙度介于0.9%～6.91%之間，平均為2.89%，滲透率介于0.00131～0.85 mD間，平均值為0.178 mD，為低孔低滲型儲(chǔ)層。根據(jù)氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，頁(yè)巖孔徑區(qū)間集中在3～6 nm之間，平均孔直徑在5.6～17 nm。

(3)沉積環(huán)境、物源和氣候引起頁(yè)巖性質(zhì)出現(xiàn)差異，灰質(zhì)頁(yè)巖和黏土質(zhì)頁(yè)巖頁(yè)理縫十分發(fā)育，由于成分的差異引起的脆性程度不同，黏土質(zhì)頁(yè)巖脆性指數(shù)明顯低于云質(zhì)頁(yè)巖和灰質(zhì)頁(yè)巖。成巖作用的持續(xù)性和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的間歇性黏土質(zhì)頁(yè)巖斷層開(kāi)放性差，云質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育平直狀斷層，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)集性的意義更大。