基于數(shù)字巖心技術(shù)的陸相頁(yè)巖油微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征及主控因素
——以松遼盆地白堊系青山口組一段泥頁(yè)巖為例

董 虎，楊建國(guó)，吳國(guó)強(qiáng)，馬 克，李 想

1.數(shù)巖科技股份有限公司，北京100094；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng)110034

0 引言

近年來(lái)，以致密油、頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣為代表的非常規(guī)油氣資源逐漸成為中國(guó)油氣勘探和開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域.相應(yīng)的非常規(guī)油氣儲(chǔ)層成為了我國(guó)學(xué)者重要的研究對(duì)象［1-3］.在前人研究［4-5］的基礎(chǔ)上，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心圍繞松遼盆地齊家－古龍地區(qū)白堊系青山口組頁(yè)巖油開(kāi)展了系統(tǒng)性綜合研究.松遼盆地白堊系青山口組受大規(guī)模湖侵影響，廣泛發(fā)育了大套黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，特別是青山口組一段（K2qn1，青一段），因其優(yōu)質(zhì)的有機(jī)質(zhì)已成為研究重點(diǎn)［6］.與海相泥頁(yè)巖相比，陸相碎屑湖盆沉積背景下形成的青一段泥頁(yè)巖在礦物組分含量、巖性特征與接觸關(guān)系等方面存在較大的差異.在沉積過(guò)程中，三角洲成為主要陸源物源，湖盆自身還能夠成為碳酸鹽物源，因此導(dǎo)致在近陸源地區(qū)形成碎屑含量較高的沉積相帶.隨著水體逐漸加深，在半深湖—深湖沉積區(qū)則由碳酸鹽礦物和黏土礦物構(gòu)成了較為質(zhì)純的泥頁(yè)巖.

研究表明，頁(yè)巖油儲(chǔ)層發(fā)育有多種類(lèi)型的納米級(jí)孔喉系統(tǒng)，是構(gòu)成頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層的主要儲(chǔ)集空間［7-9］.隨著表征技術(shù)的快速發(fā)展，基于數(shù)字巖心技術(shù)的先進(jìn)表征技術(shù)被大范圍應(yīng)用于孔喉與礦物的定量化、可視化研究［10］.數(shù)字巖心技術(shù)主要利用微納米CT、掃描電鏡圖像拼接（Modular Automated Processing System，MAPS）、巖石礦物定量分析（Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning Electron Microscopy，QEMSCAN）等技術(shù)針對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)表征［11-15］.因此，針對(duì)松遼盆地青山口組陸相頁(yè)巖油儲(chǔ)層復(fù)雜的礦物成分、分布特征和多尺度孔喉系統(tǒng)構(gòu)成的儲(chǔ)集空間，利用數(shù)字巖心技術(shù)進(jìn)行巖石相的精細(xì)劃分并開(kāi)展多尺度孔喉系統(tǒng)的量化表征就顯得尤為重要.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地位于中國(guó)東北部，在晚白堊世青山口組一段沉積期發(fā)生了大規(guī)模的湖侵，最大湖泊面積可達(dá)10×104km2［6］，在半深湖—深湖區(qū)穩(wěn)定沉積了青一段的厚層泥頁(yè)巖，同期在湖泊邊緣存在西部、西南、東南3個(gè)主要的三角洲物源［16］.

青一段泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度與熱演化程度均較高，是頁(yè)巖油發(fā)育的重點(diǎn)層系［4］.在頁(yè)巖油資源潛力評(píng)價(jià)中，青一段頁(yè)巖油資源量評(píng)價(jià)可達(dá)55.93×108t［17］.沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心以青一段泥頁(yè)巖為風(fēng)險(xiǎn)勘探目標(biāo)，在齊家南、古龍北和三肇凹陷分別部署了風(fēng)險(xiǎn)探井（圖1），平面上距離3個(gè)主要的陸源物源較遠(yuǎn)，沉積環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，區(qū)域上存在穩(wěn)定分布的頁(yè)巖層系.在開(kāi)展了3口頁(yè)巖油井改造試驗(yàn)后均獲得了工業(yè)油流，在青一段取得了頁(yè)巖油的重大突破，展現(xiàn)了松遼盆地齊家－古龍凹陷及三肇凹陷青一段頁(yè)巖油資源的巨大潛力［17-18］.

圖1 研究區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨熬徊渴饒DFig.1 Tectonic division and well locations in the study area

2 巖石相特征

2.1 巖性基本特征

齊家－古龍凹陷及三肇凹陷青一段以泥巖－泥頁(yè)巖沉積為主，垂向上在局部區(qū)域可見(jiàn)薄層的泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及灰質(zhì)泥巖.泥巖－泥頁(yè)巖顏色多為深灰色至灰黑色，通過(guò)巖心觀(guān)察及全直徑巖心CT掃描在青山口組識(shí)別出2種典型的沉積構(gòu)造：一是層理十分發(fā)育，呈現(xiàn)出明顯的片狀分布的頁(yè)巖薄層水平層理構(gòu)造（圖2a、b）；二是較為均質(zhì)的塊狀構(gòu)造，巖心表面未見(jiàn)裂縫及明顯層理，整體均質(zhì)性較強(qiáng)，水平紋層十分發(fā)育（圖2c、d）.

整體上，齊家－古龍凹陷與三肇凹陷青一段泥頁(yè)巖脆性礦物（陸源碎屑礦物、碳酸鹽礦物、黃鐵礦）含量為40%～70%，碳酸鹽礦物含量較低（＜10%），黏土礦物含量為30%～60%，以伊利石為主，占黏土礦物總量的40%～60%.根據(jù)頁(yè)巖分類(lèi)，青一段頁(yè)巖主要為富硅黏土質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)黏土質(zhì)頁(yè)巖以及富黏土硅質(zhì)頁(yè)巖（圖2e）.受物源、水深與水動(dòng)力影響，在局部還發(fā)育長(zhǎng)英質(zhì)灰?guī)r與黏土質(zhì)灰?guī)r.

圖2 齊家古龍－三肇凹陷青一段典型沉積構(gòu)造及頁(yè)巖類(lèi)型（據(jù)文獻(xiàn)［19］修改）Fig.2 Typical sedimentary structures and shale types of K2qn1 in Qijiagulong-Sanzhao Sag（Modified from Reference［19］）

2.2 有機(jī)質(zhì)分布特征

通過(guò)MAPS與QEMSCAN實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，青一段頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)體積百分含量為1%～9.22%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沉積作用通過(guò)控制礦物組分間接控制了有機(jī)質(zhì)豐度及分布特征，在不同類(lèi)型頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)存在不同的賦存狀態(tài).根據(jù)有機(jī)質(zhì)發(fā)育形態(tài)及充填特征將有機(jī)質(zhì)劃分為2種類(lèi)型：①條帶狀有機(jī)質(zhì)，呈薄片狀充填于頁(yè)巖層理之間，幾乎不存在有機(jī)質(zhì)孔隙；②集塊狀有機(jī)質(zhì)，呈塊狀構(gòu)造充填于獨(dú)立的孔隙內(nèi)，局部發(fā)育少量有機(jī)質(zhì)孔隙.

2.3 巖石相分類(lèi)

由于不同類(lèi)型頁(yè)巖礦物組分含量、有機(jī)質(zhì)含量、分布特征3方面存在差異，且受控于沉積作用，因此，依據(jù)“有機(jī)質(zhì)含量－沉積特征－礦物含量”3方面特征，在齊家古龍凹陷－三肇凹陷青一段劃分出5種巖石相類(lèi)型，分別為低有機(jī)質(zhì)紋層狀黏土質(zhì)灰?guī)r相、低有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)灰?guī)r相、中有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖相、中有機(jī)質(zhì)夾層粉砂巖相、高有機(jī)質(zhì)紋層狀硅質(zhì)頁(yè)巖.

（1）低有機(jī)質(zhì)紋層狀黏土質(zhì)灰?guī)r相

多為灰黑色，紋層較為發(fā)育.礦物成分以方解石和伊利石為主，其中方解石含量大于50%，黏土礦物含量大于20%，石英和長(zhǎng)石含量低于20%.有機(jī)質(zhì)含量低，體積百分含量一般小于3%.水平微層理發(fā)育，礦物顆粒具有明顯的定向排列特征（圖3a）.

（2）低有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)灰?guī)r相

多呈深灰色，塊狀構(gòu)造.方解石含量大于50%，石英和長(zhǎng)石含量大于20%，黏土礦物含量小于20%.主要發(fā)育在B井，更靠近湖盆邊緣，處于湖相碳酸鹽沉積相帶與陸源碎屑沉積相帶過(guò)渡.陸源碎屑含量略高，有機(jī)質(zhì)含量低.掃描電鏡觀(guān)察礦物分布均勻，粒級(jí)在5種巖石相中最粗（圖3b）.

（3）中有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖相

多為灰黑色，以黏土礦物為主.其中伊利石含量大于50%，石英和長(zhǎng)石含量大于20%，碳酸鹽礦物和黃鐵礦含量低，有機(jī)質(zhì)體積百分含量一般為3%～6%.紋層十分發(fā)育，具有明顯的定向排列特征（圖3c）.

（4）中有機(jī)質(zhì)夾層粉砂巖相

圖3 齊家古龍－三肇凹陷青一段巖石相類(lèi)型（基于QEMSCAN）Fig.3 Lithofacies of the K2qn1 rocks in Qijiagulong-Sanzhao Sag by QEMSCAN

以淺灰－深灰色粉砂巖條帶為主，沉積構(gòu)造近似脈狀層理，砂質(zhì)條帶內(nèi)石英和長(zhǎng)石含量大于50%.砂質(zhì)條帶內(nèi)可見(jiàn)大量黃鐵礦及鈣質(zhì)生物殼體，有機(jī)質(zhì)體積百分含量在為3%～6%，黏土礦物含量相對(duì)較低.碎屑顆粒粒級(jí)較粗，薄層粉砂質(zhì)條帶一般形成于近陸源物源沉積相帶內(nèi)或由于洪水等事件性沉積形成（圖3d）.

（5）高有機(jī)質(zhì)紋層狀硅質(zhì)頁(yè)巖相

多為純黑色，頁(yè)理十分發(fā)育.伊利石含量大于50%，有機(jī)質(zhì)體積百分含量一般大于6%，長(zhǎng)石和石英含量一般小于30%.主要發(fā)育水平層理，各類(lèi)礦物具有十分明顯的顆粒定向性，主要形成于半深湖—深湖的安靜水體環(huán)境（圖3e）.

3 青一段儲(chǔ)集物性特征

基于MAPS實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果，齊家－古龍凹陷與三肇凹陷青一段各類(lèi)巖石相樣品的孔隙面孔率為0.71%～8.23%，平均面孔率為4.18%.納米級(jí)孔隙面孔率分布在0.58%～6.61%之間，微米級(jí)孔隙面孔率分布在0.13%～1.86%之間.整體上青一段各巖相儲(chǔ)集空間均以納米級(jí)孔隙為主，在總孔隙含量占比中普遍大于50%.盡管納米級(jí)孔喉系統(tǒng)構(gòu)成了儲(chǔ)集空間的主體，但不同類(lèi)型巖石相存在多類(lèi)型儲(chǔ)集空間，巖石相控特征明顯.

3.1 儲(chǔ)集空間特征

從孔隙成因、發(fā)育特征、孔隙大小及充填狀態(tài)4個(gè)角度可將青一段儲(chǔ)集空間劃分為3個(gè)大類(lèi)，分別為粒間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔.并能夠進(jìn)一步細(xì)分：粒間孔包括未充填的顆粒溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)半充填的復(fù)合孔及未充填的粒緣溶蝕孔；粒內(nèi)孔包括粒內(nèi)溶孔、黏土礦物晶內(nèi)孔和黃鐵礦晶內(nèi)孔；有機(jī)質(zhì)孔包括有機(jī)質(zhì)孔、有機(jī)質(zhì)微裂隙及有機(jī)質(zhì)邊緣孔（圖4）.

（1）粒間孔

典型的粒間孔主要發(fā)育在石英、長(zhǎng)石等脆性礦物含量較高的巖石相內(nèi)，幾乎全部為成巖作用控制形成的孔隙，還存在部分原生殘余粒間孔與次生孔隙構(gòu)成復(fù)合孔和酸性流體導(dǎo)致顆粒完整溶蝕形成的溶蝕孔.孔隙半徑在數(shù)十納米至數(shù)微米之間.

（2）粒內(nèi)孔

粒內(nèi)孔主要為黏土礦物片狀晶體或黃鐵礦晶體形成的顆粒內(nèi)部的粒內(nèi)孔，同時(shí)還有少量長(zhǎng)石礦物形成的微量納米級(jí)粒內(nèi)溶蝕孔，基本全部處于未充填－半充填狀態(tài).

（3）有機(jī)質(zhì)孔

有機(jī)質(zhì)孔隙可呈不規(guī)則氣泡狀或長(zhǎng)條狀賦存于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部或塊狀有機(jī)質(zhì)邊緣.在紋層狀泥頁(yè)巖中，呈條帶狀分布的有機(jī)質(zhì)內(nèi)部還有長(zhǎng)條狀微裂隙的存在.

青一段不同巖相的主力儲(chǔ)集空間類(lèi)型有所不同，高有機(jī)質(zhì)紋層狀硅質(zhì)頁(yè)巖相是青一段最有利的巖石相類(lèi)型，儲(chǔ)集空間主要由粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔構(gòu)成，中有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖相則更多地為復(fù)合孔、粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔，兩種低有機(jī)質(zhì)的灰?guī)r相更多以未充填或半充填的粒間孔為主.

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

由于青一段地層儲(chǔ)集空間大小普遍為微納米級(jí)，本次研究采用了微納米CT相結(jié)合的方式聯(lián)合表征孔隙結(jié)構(gòu).微納米CT掃描結(jié)果同樣能夠表明青一段巖石相類(lèi)型是頁(yè)巖儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)的主控因素之一（圖5）.

高有機(jī)質(zhì)紋層狀硅質(zhì)頁(yè)巖相與中有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖相中的孔隙在具有層理縫處集中發(fā)育，微米級(jí)孔隙在裂縫發(fā)育區(qū)沿裂縫發(fā)育帶定向分布（圖5a、b），裂縫構(gòu)成了主要的連通空間.低有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)灰?guī)r相盡管孔隙比較發(fā)育，由于層理縫發(fā)育程度弱，孔隙連通性差，多呈孤立狀，與MAPS實(shí)驗(yàn)圖像結(jié)果比較一致（圖5c）.

圖4 齊家古龍－三肇凹陷青一段儲(chǔ)集空間類(lèi)型（基于MAPS孔隙分析）Fig.4 Reservoir space types of K2qn1 in Qijiagulong-Sanzhao Sag by MAPS pore analysis

圖5 不同巖石相微納米孔隙結(jié)構(gòu)特征（基于微納米CT孔隙－裂縫分析）Fig.5 Micro-and nano-pore structures of different lithofacies by micro-nano CT pore and fracture analysis

本次研究采用的納米CT最大分辨率可達(dá)65 nm，綜合納米孔隙三維表征結(jié)果與二維電鏡結(jié)果，分析認(rèn)為高有機(jī)質(zhì)紋層狀硅質(zhì)頁(yè)巖相樣品內(nèi)部納米級(jí)孔隙十分發(fā)育，主要為通過(guò)納米級(jí)喉道連通形成的納米級(jí)黏土礦物孔，與半充填的層理縫共同構(gòu)成了主要儲(chǔ)集空間（圖5d）；而中有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖相則更依賴(lài)于層理縫的發(fā)育，納米級(jí)孔隙往往伴隨著層理縫的發(fā)育（圖5e）；低有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)灰?guī)r相隨機(jī)性強(qiáng)，電鏡圖像結(jié)果表明其內(nèi)部零星可見(jiàn)大孔隙（紅色），主要為未充填溶蝕孔，在微米、納米2個(gè)級(jí)次下孔隙連通性均較差（圖5f）.

3.3 裂縫發(fā)育特征

微米CT掃描結(jié)果能夠三維定量化、可視化表征儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育特征［20］.青一段層理縫產(chǎn)狀相似，但層理縫的發(fā)育同樣明顯受控于巖石相類(lèi)型（圖6）.整體上，3種類(lèi)型的紋層狀巖石相層理縫主要分布區(qū)間為1～100μm，均具有明顯的雙峰狀分布特征.在不同開(kāi)度區(qū)間的裂縫分布頻率有所差異，相應(yīng)可劃分為2個(gè)區(qū)間.有機(jī)質(zhì)含量與裂縫的分布頻率存在一定的相關(guān)性，高有機(jī)質(zhì)與中有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖相在區(qū)間A的分布頻率明顯高于低有機(jī)質(zhì)灰?guī)r相，相應(yīng)在區(qū)間B的分布頻率低于低有機(jī)質(zhì)灰?guī)r相，即頁(yè)巖相內(nèi)部開(kāi)度相對(duì)較大的裂縫更為發(fā)育（圖6a），這也與MAPS實(shí)驗(yàn)圖像表征的結(jié)果一致.

在裂縫體積占比方面則明顯體現(xiàn)出了少量大裂縫（＞10μm）明顯占據(jù)了更多的裂縫，裂縫體積主要由大裂縫貢獻(xiàn).在1～10μm分布區(qū)間內(nèi)，各紋層狀巖石相類(lèi)型差異不大.對(duì)于開(kāi)度在10μm以上的裂縫來(lái)說(shuō)，頁(yè)巖相發(fā)育有開(kāi)度更大的裂縫.與中有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖相相比，高有機(jī)質(zhì)紋層狀硅質(zhì)頁(yè)巖相開(kāi)度在10μm以上的裂縫體積占比達(dá)70%以上（圖6b）.在紋層界面形成的層理縫不僅能夠貢獻(xiàn)主要的儲(chǔ)集空間，同時(shí)黃鐵礦具有明顯的沿裂縫分布的特征（圖3e），表明開(kāi)度較大的層理縫是青一段重要的滲流通道.

4 結(jié)論

（1）根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量－沉積特征－礦物含量將齊家古龍－三肇凹陷青一段劃分為低有機(jī)質(zhì)紋層狀黏土質(zhì)灰?guī)r相、低有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)灰?guī)r相、中有機(jī)質(zhì)紋層狀長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖相、中有機(jī)質(zhì)夾層粉砂巖相、高有機(jī)質(zhì)紋層狀硅質(zhì)頁(yè)巖相.

圖6 青一段紋層狀巖石相裂縫發(fā)育特征（基于微米CT裂縫分析）Fig.6 Fracture characteristics of lamellar lithofacies in K2qn1 by micro-CT fracture analysis

（2）青一段儲(chǔ)集空間可以劃分為粒間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖相主要以有機(jī)質(zhì)孔和粒內(nèi)孔或復(fù)合孔構(gòu)成，普遍為有機(jī)質(zhì)充填.不同巖石相類(lèi)型儲(chǔ)集物性差異明顯，2種灰?guī)r相存在相對(duì)較大的溶蝕孔隙，但層理縫發(fā)育程度弱，孔隙連通性差，基本處于未充填狀態(tài).高有機(jī)質(zhì)紋層狀硅質(zhì)頁(yè)巖相層理縫最為發(fā)育，開(kāi)度大于10μm的層理縫是主要的滲流通道，有效改善了儲(chǔ)滲物性.

（3）紋層狀頁(yè)巖相有機(jī)質(zhì)含量和層理縫發(fā)育程度優(yōu)于其他類(lèi)型巖石相，是形成頁(yè)巖油聚集最為有利的巖石相.夾層粉砂巖相內(nèi)部具有多種尺度孔隙且多與頁(yè)巖相伴生，沿沉積層理方向具有一定的定向連通性，與緊鄰的泥頁(yè)巖共同構(gòu)成了青一段頁(yè)巖油開(kāi)發(fā)的重要層段.