滄東凹陷孔二段低熟頁巖納米孔隙特征及主控因素

張盼盼，劉小平，關(guān) 銘，孫 彪

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引 言

頁巖儲層孔隙特征是頁巖油氣資源潛力評價的關(guān)鍵參數(shù)之一，對油氣富集規(guī)律的研究具有重要意義[1-2]。目前，中國對頁巖儲集空間的研究主要聚焦于南方海相成熟、高成熟頁巖[3-4]，大量研究證實有機(jī)質(zhì)孔是高、過成熟頁巖中的優(yōu)勢孔隙類型，是頁巖氣賦存的主要場所。然而，前人對中國東部廣泛發(fā)育的湖相低熟富有機(jī)質(zhì)頁巖層系的研究相對較少，尤其是低熟頁巖納米孔隙及其發(fā)育演化特征的研究更少。黃驊坳陷滄東凹陷是中國東部典型的湖相富油凹陷，其中，孔二段是主要的低熟頁巖層系，也是主要產(chǎn)油層系。前人針對滄東凹陷孔二段的研究主要集中在頁巖油的形成條件和分布特征等方面，對儲層納米孔隙特征開展的研究并不多。為此，選取滄東凹陷孔二段頁巖樣品，運(yùn)用有機(jī)地球化學(xué)測試、掃描電鏡、低溫氮?dú)馕降燃夹g(shù)，對孔二段頁巖納米孔隙進(jìn)行分析，并結(jié)合成巖演化、礦物組分、總有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)賦存形式探討了納米孔隙發(fā)育的主控因素，為湖相低熟頁巖的儲層評價和勘探開發(fā)提供了參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

滄東凹陷是渤海灣盆地中的一個二級構(gòu)造單元，為典型的富烴凹陷。現(xiàn)今構(gòu)造由孔店、舍女寺2個正向構(gòu)造帶和南皮、孔西、孔東3個斜坡構(gòu)造構(gòu)成(圖1)。其中，孔店組二段地層為一套深湖—半深湖相泥頁巖，形成于凹陷湖盆發(fā)育階段，主要沉積了黑色油頁巖、灰黑色泥巖、砂巖、白云巖等，自下而上可分為4個亞段。下部的第4亞段為三角洲沉積的砂體，上部的3個亞段為一大套頁巖沉積系統(tǒng)，泥頁巖的累計厚度為400 m，并發(fā)育較多的砂巖和碳酸鹽巖夾層?？锥雾搸r有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ和Ⅱ1型為主，Ro含量為0.40%～1.30%[5]。近年來，滄東凹陷孔二段的勘探開發(fā)表明該區(qū)頁巖油具有良好的勘探前景[6]。

圖1 滄東凹陷構(gòu)造單元劃分及樣品井位分布Fig.1 The structural unit division and sampled welllocation distribution in Cangdong Sag

2 樣品測試及結(jié)果

以孔二段為研究對象，選取6口井的12塊樣品分別進(jìn)行X衍射、有機(jī)地球化學(xué)測試、掃描電鏡、低溫氮?dú)馕降葴y試工作。

2.1 巖石礦物學(xué)特征

滄東凹陷孔二段頁巖礦物成分主要為碎屑礦物和黏土礦物，還有少量的碳酸鹽巖和黃鐵礦。其中，脆性礦物含量為25.1%～82.7%，平均為41.6%；黏土礦物含量為17.3%～67.2%，平均為35.0%。

2.2 頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

對孔二段頁巖樣品進(jìn)行地球化學(xué)分析，測試結(jié)果表明，孔二段頁巖整體上表現(xiàn)為高豐度、低成熟的特征。TOC含量為0.48%～7.23%，平均為4.93%，Ro含量為0.45%～0.84%，處于低成熟階段(圖2)。

圖2 孔二段頁巖樣品地球化學(xué)特征Fig.2 The geochemical characteristics of shale samples from the Member 2 of Kongdian Formation

2.3 頁巖納米孔隙形態(tài)特征

利用氬離子拋光-場發(fā)射掃描電子顯微鏡對滄東凹陷孔二段頁巖樣品的孔隙進(jìn)行詳細(xì)觀察和識別。研究區(qū)孔二段頁巖孔隙主要為礦物基質(zhì)孔隙和有機(jī)質(zhì)孔，礦物基質(zhì)孔隙分為粒間孔、晶間孔及溶蝕孔等，其中，晶間孔、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)收縮縫發(fā)育豐度較高，有機(jī)質(zhì)孔次之。

2.3.1 礦物基質(zhì)孔隙

研究區(qū)孔二段頁巖礦物基質(zhì)孔隙分為粒間孔、晶間孔及溶蝕孔(圖3a、b)。粒間孔主要發(fā)育在石英、長石等脆性礦物顆粒周圍，孔隙形態(tài)呈長條形、縫狀，寬度一般在幾百納米到幾微米左右；晶間孔一般發(fā)育在黃鐵礦、方解石、石英和黏土等晶體粗大、晶形較好的礦物顆粒內(nèi)，黃鐵礦晶間孔、白云石晶間孔及黏土礦物晶間孔是研究區(qū)最常見的晶間孔類型，孔徑一般為400～2 000 nm；溶蝕孔常見于方解石、長石等顆粒內(nèi)及顆粒間，呈鋸齒、長條、橢圓等形態(tài)，孔徑在幾百納米到幾微米間，少數(shù)溶蝕孔被其他礦物充填。

圖3 孔二段頁巖儲層納米孔隙特征Fig.3 The characteristics of nano-pores in shale reservoirs in the Member 2 of Kongdian Formation

2.3.2 有機(jī)質(zhì)孔

研究區(qū)孔二段發(fā)育湖相頁巖，演化階段處于低熟階段，有機(jī)質(zhì)孔特征與海相頁巖差異較大。氬離子拋光-場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察分析表明，孔二段有機(jī)質(zhì)孔可以大致劃分為2種類型：第1種孔隙為有機(jī)質(zhì)收縮縫，其主要沿有機(jī)質(zhì)與礦物基質(zhì)邊緣發(fā)育，呈長條形、彎片狀，孔徑在幾百納米到幾微米之間。此類孔隙在一定程度上連通了有機(jī)質(zhì)與礦物基質(zhì)孔，可將有機(jī)質(zhì)中生成的油氣運(yùn)送到礦物質(zhì)基質(zhì)孔中保存下來，有利于頁巖油氣的儲集，起到微裂縫的作用(圖3c)。第2種孔隙主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，是傳統(tǒng)意義上的有機(jī)質(zhì)孔(圖3d)。此類有機(jī)質(zhì)孔形態(tài)常呈凹坑狀、不規(guī)則形，少數(shù)呈近球狀、橢球狀及長條形?？讖阶兓秶^大，以納米級為主，孔隙直徑多為50～600 nm，個別可達(dá)1～2 μm?？紫斗植驾^分散，孔深較淺，非均質(zhì)性較強(qiáng)。

2.4 頁巖納米孔隙結(jié)構(gòu)特征

低溫氮?dú)馕椒啥繙y定頁巖孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑大小分布及比表面積。該文通過對研究區(qū)12個樣品進(jìn)行低溫氮?dú)馕?脫附實驗，計算其比表面積及總孔體積，分析孔隙結(jié)構(gòu)及孔徑分布特征。

2.4.1 氮?dú)馕?脫附曲線特征

利用12個樣品的吸附和脫附數(shù)據(jù)分別繪制吸附-脫附曲線，根據(jù)曲線形態(tài)及滯后環(huán)的形狀來推斷樣品的孔隙結(jié)構(gòu)特征。參照IUPAC的分類標(biāo)準(zhǔn)[7]，孔二段頁巖樣品吸附-脫附回線整體上與H3型回線接近(圖4)，表明孔二段頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)總體呈一定無規(guī)則的、四周開放的平行板狀等特征。封閉性的孔隙不能產(chǎn)生吸附回線，且吸附線的上升速率越大說明孔隙開放的程度越大。而12個樣品均可產(chǎn)生吸附回線，且吸附線上升速率一般，因此，孔二段頁巖儲層孔隙形態(tài)整體上呈較開放的狀態(tài)，孔隙開放程度中等。

圖4 孔二段頁巖樣品的吸附-脫附等溫線與H3型對比Fig.4 The comparison of adsorption-desorption isotherms of shale samples from the Member 2 of Kongdian Formation with Type H3

2.4.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔二段低熟頁巖樣品的比表面積為0.040 3～18.666 0 m2/g，平均為2.931 0 m2/g；總孔體積為0.000 3～0.048 4 cm3/g，平均為0.009 4 cm3/g；孔徑為6.19～20.68 nm，平均為11.94 nm。根據(jù)IUPAC的分類，將頁巖樣品的比表面積和孔體積按微孔(小于2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(大于50 nm)進(jìn)行分類統(tǒng)計(圖5a、b)。從比表面積的分布來看，微孔貢獻(xiàn)比表面積占比為0.094%～7.577%，平均為3.931%，介孔貢獻(xiàn)比表面積占比為61.21%～91.54%，平均為78.82%，宏孔貢獻(xiàn)比表面積為2.77%～38.69%，平均為17.25%，宏孔和介孔貢獻(xiàn)的總比表面積占總比表面積的95.00%以上；從孔體積的分布來看，微孔貢獻(xiàn)孔體積占比為0.005%～1.360%，平均為0.470%，介孔貢獻(xiàn)孔體積占比為29.400%～81.110%，平均為50.673%，宏孔貢獻(xiàn)孔體積占比為17.890%～70.490%，平均為48.860%，宏孔和介孔貢獻(xiàn)的總孔體積占總孔體積的98.000%以上。因此，頁巖中大于2 nm的宏孔和介孔提供了主要的比表面積和孔體積，是頁巖油儲存的主要場所。

3 影響納米孔隙發(fā)育的主控因素

3.1 成巖演化

滄東凹陷孔二段大部分處于中成巖階段，少量處于早成巖階段[8]。由圖5c可知，孔二段頁巖總孔體積隨著埋深的增加呈現(xiàn)先減小后增大、再減小再增大的趨勢。這是由于在機(jī)械壓實作用為主的早成巖階段，隨著上覆壓力的增加，礦物基質(zhì)原生孔隙的數(shù)量和體積隨粒間水排出而快速降低，導(dǎo)致總孔體積下降；進(jìn)入中成巖期，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入生烴階段，生烴產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)孔隙和有機(jī)質(zhì)收縮縫增加了微孔和介孔體積，黏土礦物發(fā)生蒙脫石的伊利石化作用，該過程產(chǎn)生的粒內(nèi)孔隙和收縮縫增加了介孔和宏孔的體積，研究表明，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的過程對有機(jī)質(zhì)熱演化有催化作用[9]，此時壓實作用減小的孔體積小于增加的孔體積，表現(xiàn)為總孔體積開始增加；隨著埋藏深度的增加，壓實作用減小的孔體積大于增加的孔體積，頁巖的總孔體積開始減少；隨著埋藏深度的增加，熱成熟度的提高使得有機(jī)質(zhì)不斷生成CO2、H2S和有機(jī)酸等酸性流體，酸性流體會對長石、碳酸鹽巖等礦物進(jìn)行溶蝕，促進(jìn)了溶蝕孔隙的發(fā)育，有研究表明有機(jī)質(zhì)熱演化形成的有機(jī)酸是引起溶蝕作用的關(guān)鍵因素[10]，溶蝕作用在長石、方解石等礦物的內(nèi)部或邊緣形成孔隙，增加了介孔和宏孔體積，隨著埋深的增加，溶解速率也相應(yīng)加快，總孔體積開始增加。

圖5 孔二段頁巖孔徑分布圖及孔體積與埋深關(guān)系Fig.5 The pore size distribution diagram of shale samples from the Member 2 of Kongdian Formationand the relationship between pore volume and buried depth

3.2 礦物組分

研究區(qū)頁巖樣品微孔孔體積相對于介孔和宏孔孔體積非常小，因此，將微孔、介孔的孔體積之和與礦物組分關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析。圖6a、b是孔二段黏土礦物含量及脆性礦物與孔隙發(fā)育情況的關(guān)系。黏土礦物含量與微孔介孔孔體積之和、宏孔孔體積、總孔體積都存在正相關(guān)關(guān)系，而脆性礦物含量與微孔介孔孔體積之和、宏孔孔體積、總孔體積相關(guān)性都不明顯。黏土礦物形態(tài)常常呈絮狀、層狀和纖維狀，形成晶層間微孔隙增加了微孔、介孔數(shù)量，其催化生作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)孔，也提高了微孔、介孔孔體積；黏土礦物的伊利石化作用產(chǎn)生的孔縫，增加了介孔和宏孔的體積。因此，微孔、介孔、宏孔孔體積隨著黏土礦物含量的增加而增加。

3.3 總有機(jī)質(zhì)碳含量

由圖6c可知，總有機(jī)碳含量與微孔、介孔孔體積之和、宏孔孔體積、總孔體積都存在正相關(guān)關(guān)系。有研究表明，在高成熟度頁巖中總有機(jī)碳含量與納米孔隙具有正相關(guān)關(guān)系[11]。而在孔二段低熟頁巖中，當(dāng)TOC小于5.00%時，孔體積隨著TOC含量的增加緩慢增加，當(dāng)TOC大于5.00%時，孔體積隨著TOC含量的增加快速增加。推斷認(rèn)為在低成熟階段有機(jī)質(zhì)處于生排烴初期，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育主要受成熟度影響，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育有限，表現(xiàn)孔體積隨著TOC含量的增加而緩慢增加，當(dāng)TOC大于5.00%，有機(jī)質(zhì)孔、有機(jī)質(zhì)收縮縫和有機(jī)質(zhì)溶蝕孔隙產(chǎn)生的孔體積數(shù)量增加明顯，從而表現(xiàn)出孔體積隨著TOC的升高而快速增加。

圖6 孔二段頁巖孔隙與黏土礦物含量、脆性礦物含量、總有機(jī)碳含量關(guān)系Fig.6 The relationship between the shale pores in the Member 2 of Kongdian Formation and mineral content in clay,brittle mineral content and total content of organic carbon

3.4 有機(jī)質(zhì)賦存形式

根據(jù)場發(fā)射掃描電鏡下的觀察結(jié)果，將孔二段頁巖有機(jī)質(zhì)分2類：①為游離態(tài)有機(jī)質(zhì)，其在鏡下呈片狀、橢圓形、塊狀分布，內(nèi)部基本不發(fā)育孔隙；②為粘附態(tài)有機(jī)質(zhì)，是與黏土礦物呈粘附-結(jié)合態(tài)的形式存在的有機(jī)質(zhì)，其在鏡下顏色較游離態(tài)淺，內(nèi)部發(fā)育孔隙，多呈凹坑狀，且孔深較淺。圖3顯示同一樣品在鏡下可同時觀察到游離態(tài)有機(jī)質(zhì)和粘附態(tài)有機(jī)質(zhì)，可以推斷這2類有機(jī)質(zhì)一定有不同的顯微組成[12]。無定形體一般與礦物緊密共生，黏土礦物本身的吸附保護(hù)作用使其成為無定形體主要的賦存載體。此外，無定形體產(chǎn)烴能力較高，該種有機(jī)質(zhì)賦存形式對頁巖油氣的產(chǎn)生具有重要意義。顯微組分中的惰質(zhì)組、藻類體以及鏡質(zhì)組通常以游離態(tài)有機(jī)質(zhì)的形式存在，無定形體一般以粘附態(tài)有機(jī)質(zhì)的形式存在。結(jié)合顯微組分定量分析及掃描電鏡鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)孔二段頁巖腐泥形無定形體與有機(jī)質(zhì)面孔率呈正相關(guān)關(guān)系。因此，滄東凹陷孔二段低熟頁巖中呈粘附態(tài)且發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔的有機(jī)質(zhì)顯微組分主要為無定形體，這與無定形體具有早期生油的特點相吻合。無定形體可能是滄東凹陷孔二段低熟油氣的主要貢獻(xiàn)者。

4 結(jié) 論

(1) 孔二段頁巖表現(xiàn)出高豐度、低成熟特征，TOC為0.48%～7.23%，平均為4.93%，Ro為0.45%～0.84%，處于早期生油階段。

(2) 孔二段頁巖納米孔隙的晶間孔、溶蝕孔隙、有機(jī)質(zhì)收縮縫發(fā)育豐度較高，有機(jī)質(zhì)孔次之；頁巖儲層納米孔隙形態(tài)整體上呈較開放的狀態(tài)，孔隙結(jié)構(gòu)以介孔和宏孔為主，介孔的貢獻(xiàn)孔體積為29.4%～81.11%，平均為50.673%，宏孔的貢獻(xiàn)孔體積為17.89%～70.49%，平均為48.86%，宏孔和介孔貢獻(xiàn)的總孔體積占總孔體積的98%以上；介孔貢獻(xiàn)比表面積為61.21%～91.54%，平均為78.82%，宏孔貢獻(xiàn)比表面積為2.77%～38.69%，平均為17.25%，宏孔和介孔貢獻(xiàn)的總比表面積占總比表面積的95.00%以上。頁巖中大于2 nm的宏孔和介孔提供了主要的比表面積和孔體積，是頁巖油儲存的主要場所。

(3) 孔二段頁巖總孔體積隨著埋深的增加呈現(xiàn)先減小后增大、再減小再增大的趨勢，孔體積的變化受機(jī)械壓實、有機(jī)質(zhì)生烴、黏土礦物轉(zhuǎn)化等因素的綜合影響。微孔、介孔、宏孔孔體積隨著黏土礦物含量的增加而增加。在低成熟階段，當(dāng)TOC小于5.00%時，孔體積隨著TOC含量的增加緩慢增加，當(dāng)TOC大于5.00%時，孔體積隨著TOC含量的增加快速增加。

(4)在低熟階段，頁巖有機(jī)質(zhì)的賦存形式是頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的關(guān)鍵因素，游離態(tài)有機(jī)質(zhì)不發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，粘附態(tài)有機(jī)質(zhì)發(fā)育易有機(jī)質(zhì)孔，同時，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度隨著無定形體含量的增加而增大。