海陸過渡相黑色頁巖優(yōu)勢巖相類型及成因機(jī)制
——以鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組為例

武瑾 ，王紅巖 ，施振生 ，王琦，趙群 ，董大忠 ，李樹新，劉德勛 ，孫莎莎 ，邱振

（1. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，北京 100083；3. 中國石油天然氣股份有限公司對外合作經(jīng)理部，北京 100007；4. 中國石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

海陸過渡相頁巖是中國油氣勘探的重要領(lǐng)域，廣泛發(fā)育于華北地區(qū)、華南地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地[1]，頁巖氣資源量約19.8′1012m3，是未來頁巖氣勘探的重要接替領(lǐng)域[2]。巖相是形成于特定沉積環(huán)境的巖石類型、巖性組合及沉積構(gòu)造特征的總和，決定著頁巖“甜點(diǎn)”段的分布，控制著頁巖的生烴能力和儲(chǔ)集性能，影響著頁巖的可壓裂性[3]。近年來，海相頁巖巖相研究在巖相特征及分布、形成環(huán)境、優(yōu)勢巖相特征及其對儲(chǔ)集層的控制[4-6]等方面取得了重要進(jìn)展，而海陸過渡相頁巖巖相研究尚處于起步階段。鄂爾多斯盆地東緣二疊系發(fā)育豐富的海陸過渡相頁巖，具有良好的勘探開發(fā)前景[2,7]。巖相研究不僅可以極大豐富頁巖沉積學(xué)和儲(chǔ)集層地質(zhì)學(xué)的內(nèi)容，更是中國海陸過渡相頁巖氣勘探規(guī)模拓展和高效開發(fā)的關(guān)鍵[7-8]。

目前，圍繞海陸過渡相頁巖的研究主要集中在頁巖基本特征、分布及資源潛力評價(jià)等方面，巖相分類表征及系統(tǒng)評價(jià)研究薄弱，僅有極少數(shù)學(xué)者以顏色、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造等定性指標(biāo)進(jìn)行巖相的基礎(chǔ)劃分[9-11]，方案可操作性、準(zhǔn)確性均不足，且未考慮有機(jī)碳含量指標(biāo)，不能全面表征頁巖儲(chǔ)集層特性。海陸過渡相頁巖研究有 3個(gè)方面問題亟待解決：①頁巖巖相劃分方案、巖相類型及特征尚不清楚；②不同巖相的儲(chǔ)集空間類型及孔隙結(jié)構(gòu)尚不清楚；③優(yōu)勢巖相類型及其成因機(jī)制尚未研究。本文以鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組為例，重點(diǎn)探討海陸過渡相頁巖的巖相類型及特征、優(yōu)勢巖相類型及其形成機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地東緣呈狹長弧形帶狀，南北長約450 km，東西寬26～100 km，總面積約4.5′104km2[2]（見圖1a）。晚石炭世本溪組沉積期，華北地臺(tái)持續(xù)沉降，華北海呈北東向侵入盆地東部，為濱淺海相沉積；早二疊世太原組沉積期，海侵范圍擴(kuò)大，超覆于中央古隆起形成統(tǒng)一陸表海。早二疊世山西組沉積期，受海西構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，華北地臺(tái)整體抬升，海水從東西兩側(cè)逐漸退出盆地，為陸表海背景下海陸過渡沉積階段，受潮汐作用影響，發(fā)育濱淺?！獫暫笨厝侵蕹练e體系。至中二疊世下石盒子組沉積期，海水完全退出，進(jìn)入陸相淡水湖盆沉積演化階段[12]。

圖1 鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組山2段頁巖厚度（a）及地層柱狀圖（b）

早二疊世山西組沉積期，鄂爾多斯地區(qū)處于海陸過渡相至陸相過渡過程，沉積了多套富有機(jī)質(zhì)頁巖，累計(jì)厚度為43.5～187.3 m，平均厚度為88.6 m[2]。根據(jù)巖性和沉積旋回等特征，山西組自下而上劃分為山2段和山1段（見圖1b）。研究區(qū)山2段頁巖最為典型，發(fā)育榆林—佳縣、清澗—大寧、吉縣—河津等沉積厚度中心，頁巖累計(jì)厚度達(dá)50 m（見圖1a）。山2段自下而上又可分為山23、山22、山213個(gè)亞段。山23亞段頁巖分布穩(wěn)定，厚度為20～40 m，夾層少且薄，是鄂爾多斯東緣海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)層位。

2 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

樣品取自大寧—吉縣地區(qū) 2口典型海陸過渡相頁巖氣取心井——大吉51井和大吉3-4井。大吉51井完鉆層位為奧陶系馬家溝組，完鉆井深 2 685 m，目的層為山西組山23亞段，以20 cm間隔連續(xù)系統(tǒng)取樣183塊。大吉 3-4井完鉆層位為奧陶系馬家溝組，完鉆井深2 277 m，在山23亞段選取代表性樣品60塊。針對不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹苽淞?種規(guī)格的樣品：①75～150 μm（100～200目）粉末樣品 243份，用于TOC測定；②75 μm（200目）粉末樣品243份，用于X光衍射礦物分析、主微量元素測定；③干酪根濕樣69份，用于干酪根鏡檢；④10 mm′20 mm′0.03 mm薄片243片，用于薄片觀察；⑤垂直層理方向切制10 mm′10 mm′2 mm塊體巖樣26塊，進(jìn)行氬離子拋光及鍍碳處理，用于掃描電鏡觀察；⑥直徑25 mm，高度30～35 mm柱塞樣54塊，用于氦氣孔隙度測定；⑦150～180 μm（80～100目）粉末樣品26份，用于低溫氣體吸附測試；⑧10 mm′10 mm′10 mm顆粒樣品26份，用于高壓壓汞分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

TOC測試、X光衍射礦物分析、聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）實(shí)驗(yàn)在國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備分別為美國 LECCO CS230碳硫儀、日本理學(xué) TTRIII全自動(dòng) X光射線衍射儀和 FEI Helios NanoLab 650型聚焦離子雙束電鏡。主微量元素測試在四川省科源工程技術(shù)測試中心完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備分別為X光射線熒光光譜儀、電感耦合等離子體原子發(fā)射質(zhì)譜。低溫氣體吸附及高壓壓汞實(shí)驗(yàn)在北京理化測試中心完成，實(shí)驗(yàn)設(shè)備分別為美國康塔儀器公司Autosorb-IQ-MP比表面和孔徑分布儀、PoreMaster GT60儀器，測試孔徑范圍分別為 0.35～200 nm 和0.003 6～1 000 μm。以上實(shí)驗(yàn)測試均嚴(yán)格按照國家行業(yè)實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作完成。

3 巖相類型及特征

3.1 巖相劃分原則

巖相標(biāo)志選取的關(guān)鍵，一是看其能否反映沉積環(huán)境，二是看其能否對生產(chǎn)實(shí)踐起到指導(dǎo)作用。合理的巖相劃分標(biāo)志選取需遵循以下原則：①有效反映巖石沉積環(huán)境因素；②構(gòu)成巖相分類簡單，區(qū)分標(biāo)志明顯，實(shí)用性強(qiáng)；③定量易獲取，可操作性強(qiáng)。礦物組分是巖石發(fā)育環(huán)境的直接反映，是造成巖石類型多樣的根本因素；有機(jī)質(zhì)含量指示細(xì)粒沉積巖的烴類富集特征，對儲(chǔ)集層分類和評價(jià)具有重要作用[3]。這2項(xiàng)參數(shù)均可通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確獲取，巖相劃分結(jié)果準(zhǔn)確性高。因此，本次研究選取礦物組分和TOC作為巖相劃分指標(biāo)，建立山西組頁巖巖相綜合劃分方案（見圖2a）。

圖2 鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組頁巖相類型三端元圖

山西組頁巖礦物組分主要為硅質(zhì)礦物、黏土礦物和碳酸鹽礦物。礦物組分作為巖相劃分的第1要素，可通過全巖X光衍射分析準(zhǔn)確定量獲取。依據(jù)硅質(zhì)礦物（石英+長石）、碳酸鹽礦物和黏土礦物三端元圖解進(jìn)行頁巖巖相劃分（見圖2）。當(dāng)硅質(zhì)礦物含量大于50%時(shí)，為硅質(zhì)頁巖相（S）；當(dāng)黏土礦物含量大于50%時(shí)，為黏土質(zhì)頁巖相（C）；當(dāng)碳酸鹽礦物含量大于50%時(shí)，為灰質(zhì)頁巖相（CA）；當(dāng) 3類礦物含量均小于 50%且大于25%時(shí)，為混合質(zhì)頁巖相（M）。有機(jī)質(zhì)含量作為巖相劃分的第2要素。以TOC值5.5%與8.5%為界，厘定高有機(jī)質(zhì)（TOC＞8.5%）頁巖（H）、中有機(jī)質(zhì)（5.5%≤TOC≤8.5%）頁巖（M）和低有機(jī)質(zhì)（TOC＜5.5%）頁巖（L）3種類型（見圖2a）。含氣性是評價(jià)頁巖氣儲(chǔ)集層是否具備開發(fā)潛力的關(guān)鍵指標(biāo)，中國下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣商業(yè)開采含氣量的下限值為2.0 m3/t[8]。本次統(tǒng)計(jì)了大寧—吉縣地區(qū)17口井山23亞段頁巖含氣量為1.38～5.66 m3/t。以含氣量2.0 m3/t為標(biāo)準(zhǔn)，將含氣量與TOC進(jìn)行相關(guān)性擬合：當(dāng)含氣量大于2.0 m3/t，對應(yīng)TOC值約為8.5%；當(dāng)含氣量為1.5 m3/t時(shí)，對應(yīng)TOC值約為5.5%。鑒于此，確定了TOC值5.5%和8.5%的界限。

綜合以上劃分原則，在研究區(qū)山西組山23亞段識(shí)別出低TOC黏土質(zhì)頁巖相（C-L）、低TOC硅質(zhì)頁巖相（S-L）、中TOC硅質(zhì)頁巖相（S-M）、中TOC混合質(zhì)頁巖相（M-M）、高TOC硅質(zhì)頁巖相（S-H）、高TOC黏土質(zhì)頁巖相（C-H）6種巖相（見圖2b）。

3.2 巖相類型及特征

3.2.1 低有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相（C-L）

C-L巖相為灰—深灰色粉砂質(zhì)頁巖夾砂質(zhì)條帶，巖心層面見大量植物莖葉化石（見圖 3a、圖 3b）。顯微鏡下觀察到大量植物炭屑，炭屑被菱鐵礦交代，發(fā)育波狀紋層，見生物擾動(dòng)（見圖4a—圖4b）。TOC值為 1.0%～2.0%，顯微組分主要為殼質(zhì)組（平均值為52%）和鏡質(zhì)組（平均值為 37.5%），含惰質(zhì)組（平均值為10.5%），干酪根類型指數(shù)（TI）為-48.3～-0.8，屬典型的Ⅲ型干酪根。黏土礦物含量為44%～82%（平均值為60.8%），硅質(zhì)礦物含量為12%～50%（平均值為36.7%），脆性指數(shù)為18%～56%（平均值為39.2%）（見表1）。

圖3 鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組典型頁巖相巖心照片

3.2.2 低有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖相（S-L）

S-L巖相為灰—深灰色含粉砂頁巖，發(fā)育水平紋理（見圖 3c—圖 3d），含細(xì)小植物化石碎片。鏡下觀察白云石粉砂紋層與顆粒狀炭屑交替，偶見透鏡狀層理，炭屑多且細(xì)小，見生物擾動(dòng)（見圖 4c—圖 4e）。TOC值主要為1.0%～1.5%，顯微組分主要為殼質(zhì)組（平均值為57%）和鏡質(zhì)組（平均值為32%），含少量惰質(zhì)組（平均值為 8%）和腐泥組（平均值為 3%），TI值為-0.8～-0.5，屬Ⅲ型干酪根。硅質(zhì)礦物含量為 40%～58%（平均值為 50.9%），黏土礦物含量為 30%～53%（平均值為41.5%），脆性指數(shù)為47%～70%（平均值為58.5%）（見表1）。

圖4 鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組典型頁巖相巖心薄片照片

3.2.3 中有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖相（S-M）

S-M巖相為灰黑色硅質(zhì)頁巖（見圖3e、圖3f），含粉砂白云石紋層與炭屑紋層疊加呈紋層狀（見圖 4f—圖4h）。TOC值為6%～9%（平均值為7.2%），顯微組分除殼質(zhì)組（平均值為68%）、鏡質(zhì)組（平均值為19%）外，還含腐泥組（平均值為10%），TI值為17.8～30.0，屬Ⅱ2型干酪根。硅質(zhì)礦物含量為63%～73%（平均值為 68.1%），黏土礦物含量為 20%～29%（平均值為25.9%），脆性指數(shù)68%～80%。

3.2.4 中有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖相（M-M）

M-M巖相為灰黑色灰質(zhì)頁巖（見圖 3g），巖心見大量殼體生物碎屑。巖石薄片見大量鈣質(zhì)生物碎屑（約30%～40%）及少量白云石生物碎屑（見圖4i—圖4k）。TOC值為 6%～8%（平均值為 6.5%），顯微組分主要為殼質(zhì)組（平均值為58%）、腐泥組（平均值為21.5%）和鏡質(zhì)組（平均值為17%），TI值為30.8～36.3，屬Ⅱ2型干酪根。碳酸鹽、硅質(zhì)和黏土等礦物的含量分別為30%～45%、20%～30%和 30%～40%，脆性指數(shù)為60%～70%（見表1）。

表1 鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組頁巖巖相類型及特征表

3.2.5 高有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖相（S-H）

S-H巖相為黑灰色頁巖（見圖3h）。見有孔蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物，含白云質(zhì)生物碎屑（約20%～30%）及少量鈣質(zhì)生物碎屑（見圖 4l—圖 4o）。TOC值為10%～12%（平均值為 11%），顯微組分為殼質(zhì)組（平均值為60%）、腐泥組（平均值為14%）和鏡質(zhì)組（平均值為 19%），TI值為 17.0～27.3，屬Ⅱ2型干酪根。硅質(zhì)礦物含量超過50%，碳酸鹽礦物含量10%～20%，方解石和白云石約各占一半，黏土礦物含量小于35%，脆性指數(shù)67%～70%（見表1）。

3.2.6 高有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖相（C-H）

C-H巖相為黑灰色炭質(zhì)頁巖（見圖3i），TOC值為15%～25%（平均值為20%），顯微組分以殼質(zhì)組為主（平均值為60%），含鏡質(zhì)組（平均值為30%）和惰質(zhì)組（平均值為10%），TI值為-3.0～-2.5，屬Ⅲ型干酪根。黏土礦物、硅質(zhì)含量分別為65%～85%和15%～35%。發(fā)育極細(xì)密紋層，見泥質(zhì)條帶及生物擾動(dòng)（見圖4p）。

3.3 不同巖相形成環(huán)境與縱向分布

沉積環(huán)境控制巖相類型特征及其縱向分布[3]。海陸過渡相水動(dòng)力條件變化快，巖相縱向演化更復(fù)雜?；趲r性、沉積構(gòu)造、地球化學(xué)及古生物特征綜合分析，研究區(qū)山西組沉積環(huán)境為濱淺海相與三角洲相共存，山23亞段頁巖形成于潮控三角洲—潮控河口灣沉積環(huán)境[7]。潮控三角洲相分為受潮汐影響的上三角洲平原、潮控下三角洲平原和潮控三角洲前緣 3類亞相，潮控河口灣相分為潮坪、沼澤、障壁島、潟湖、海灣 5類亞相，頁巖特征與發(fā)育位置見圖5。

圖5 鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組大寧—吉縣地區(qū)山23亞段頁巖巖相類型及儲(chǔ)集層參數(shù)

利用Sr/Ba值可有效判斷古鹽度，Sr/Ba值大于0.8為海水，0.5～0.8為混合水，小于0.5為淡水[12]。Ni/Co值廣泛用于判別氧化還原環(huán)境，Ni/Co值大于7.0為厭氧環(huán)境，5.0～7.0為貧氧環(huán)境，小于5.0為富氧環(huán)境。Al、Ti元素常被用來指示陸源碎屑物的輸入。山西組頁巖Sr/Ba值為0.23～2.60，數(shù)據(jù)投點(diǎn)位于陸相、過渡相及海相區(qū)（見圖 6a），為典型的海陸過渡相沉積。Ni/Co值為0.8～11.3（見圖6b），指示了厭氧—貧氧—富氧沉積環(huán)境。C-L巖相位于山23亞段上部，發(fā)育于潮控三角洲相。Sr/Ba值為0.23～0.64，Ni/Co值為0.80～4.65，指示了陸相淡水氧化沉積環(huán)境。Al2O3與 TiO2平均含量偏高，分別為21.80%和 0.87%，表明沉積環(huán)境鄰近物源區(qū)，大量陸源碎屑輸入帶來大量泥質(zhì)，有機(jī)質(zhì)受到一定程度的稀釋，黏土礦物含量高，有機(jī)質(zhì)含量低。C-H巖相位于山23亞段中上部，發(fā)育于三角洲相分流河道間灣。Sr/Ba值為 0.28～0.74，Ni/Co值為1.12～4.65，指示了陸相淡水—混合水氧化沉積環(huán)境。Al2O3與 TiO2平均含量分別為 25.90%和 0.99%，沉積環(huán)境鄰近物源區(qū)。

圖6 研究區(qū)山西組典型頁巖微量元素含量關(guān)系圖

S-L、S-M、S-H和M-M巖相位于山23亞段下部，發(fā)育于潮控河口海灣相。S-L巖相形成于半封閉潟湖環(huán)境。Sr/Ba值為0.38～0.49，Ni/Co值為3.20～4.69，指示了陸相淡水氧化的沉積環(huán)境。Al2O3與 TiO2平均含量分別為17.4%和0.66%，距離物源區(qū)較近。S-M巖相形成于封閉潟湖環(huán)境，Sr/Ba值為 0.4～1.4，Ni/Co值為 8.0～11.3，指示了過渡相混合水厭氧沉積環(huán)境。封閉潟湖為靠近海洋的閉塞安靜低能環(huán)境，水體相對較深，有利于有機(jī)質(zhì)保存。S-H和M-M巖相形成于海灣環(huán)境，Sr/Ba值為0.8～2.6，Ni/Co值為7.7～9.4，指示頁巖沉積時(shí)處于厭氧條件下的海相海水介質(zhì)中。S-M、S-H、M-M 巖相 Al2O3與 TiO2平均含量分別為 10.5%和0.4%，表明封閉潟湖—海灣環(huán)境遠(yuǎn)離物源，受陸源碎屑影響小。薄片可見透鏡狀層理發(fā)育（見圖4g、圖4h），見大量有孔蟲、海綿骨針等硅質(zhì)生物碎屑（見圖4l、圖4m），浮游生物死亡后沉落海底，提供了豐富的有機(jī)質(zhì)和生物硅。值得注意的是，S-M、S-H和 M-M巖相沉積受河流和海洋雙重影響，有機(jī)質(zhì)來源既有陸源高等植物又有海洋浮游生物。

4 不同巖相儲(chǔ)集空間特征

不同巖相沉積環(huán)境、礦物組成、有機(jī)質(zhì)類型及含量等宏觀特征差異，造成其微觀孔隙特征差異顯著。

4.1 孔隙類型

山西組頁巖儲(chǔ)集空間包括有機(jī)質(zhì)孔縫、礦物粒間孔、黏土礦物層間孔、黃鐵礦晶間孔及礦物溶蝕孔等，不同巖相孔隙類型存在差異（見圖7）。

圖7 鄂爾多斯盆地東緣二疊系山西組典型頁巖相SEM照片

C-L巖相主要發(fā)育黏土礦物層間孔及少量有機(jī)質(zhì)孔縫、礦物粒間孔等（見圖 7a—圖 7c）。有機(jī)質(zhì)呈條塊狀分布，形狀棱角分明，顆粒大小為幾至幾十微米，發(fā)育少量圓形或橢圓形原始生氣孔，孔徑小于20 nm，與礦物顆粒間發(fā)育狹長孔縫（見圖7b、圖7c）。S-L巖相主要發(fā)育礦物粒間孔，條塊狀有機(jī)質(zhì)發(fā)育少量原始生氣孔（見圖7d、圖7e）。

S-M、S-H和M-M巖相儲(chǔ)集空間均以有機(jī)質(zhì)孔縫、礦物粒間孔為主，且發(fā)育黏土礦物層間孔、黃鐵礦晶間孔、礦物溶蝕孔等（見圖7f—圖7n）。值得注意的是，這3類巖相中有機(jī)質(zhì)呈團(tuán)塊狀、條塊狀或填隙狀3種賦存狀態(tài)。團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)周邊略圓滑，顆粒大小為幾微米至十幾微米，發(fā)育大量復(fù)雜液態(tài)烴氣泡孔，由小孔隙嵌套于大孔隙構(gòu)成（“大孔套小孔”），孔徑為 50～200 nm（見圖7f—圖7m）。填隙狀有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒間發(fā)育大量粒間孔縫，形狀不規(guī)則，孔徑為幾百納米（見圖7h、圖7k）。大量莓狀黃鐵礦集合體成簇或分散分布，常與有機(jī)質(zhì)伴生，發(fā)育大量晶間孔及粒間孔，孔徑為50～100 nm（見圖 7i）。此外，M-M 巖相還可見大量微晶方解石發(fā)育溶蝕孔，呈圓形或不規(guī)則形，孔徑數(shù)十納米（見圖7n）。C-H巖相發(fā)育大量黏土礦物層間孔縫，顆粒狀高嶺石脫落后形成大量鑄?？祝ㄒ妶D7o、圖7p）。

4.2 孔隙結(jié)構(gòu)

圖8a為6類巖相低溫CO2等溫吸附曲線。隨著相對壓力的升高，吸附量逐漸增加，相對壓力在（0，0.01）區(qū)間內(nèi)吸附速率最大，屬于微孔充填式吸附。C-L、S-L巖相吸附量最小，最大吸附量分別為 0.78 cm3/g和0.76 cm3/g，微孔比表面積分別為2.18 m2/g和8.48 m2/g，微孔孔體積平均為0.003 cm3/g。S-M、M-M巖相最大吸附量分別為1.75 cm3/g和1.29 cm3/g，微孔比表面積分別為21.38 m2/g和18.18 m2/g，微孔體積分別為0.003 cm3/g和0.006 cm3/g。S-H、C-H巖相吸附量最大，最大吸附量分別為2.99 cm3/g和4.76 cm3/g，微孔比表面積分別為100.3 m2/g和41.26 m2/g，微孔體積分別為0.015 cm3/g和0.033 cm3/g，微孔最為發(fā)育。

圖8 山西組典型頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征圖

圖8b為6類巖相低溫N2吸附-脫附曲線。隨相對壓力增大，C-L巖相吸附曲線快速上升，在平衡壓力接近飽和蒸汽壓時(shí)仍未吸附飽和，代表了兩端開口的楔形孔或似片狀顆粒組成的槽狀孔。中孔比表面積和孔體積分別為5.44 m2/g和0.017 cm3/g。S-L巖相吸脫附回環(huán)寬大，脫附曲線斜率大并出現(xiàn)快速下降的拐點(diǎn)，反映了細(xì)頸廣體孔。中孔比表面積和孔體積分別為4.98 m2/g和0.01 cm3/g。S-M、M-M、S-H巖相吸脫附曲線回環(huán)較窄，吸附曲線先緩慢上升，高壓處陡直上升，反映了四邊開放的槽狀孔或狹縫形孔。中孔比表面積分別為5.04，3.12，2.36 m2/g，中孔孔體積分別為0.012，0.008，0.003 cm3/g。C-H巖相回環(huán)最窄，中孔比表面積和孔體積分別僅為0.47 m2/g和0.003 cm3/g。

高壓壓汞曲線形態(tài)反映宏孔結(jié)構(gòu)特征。圖8c為6類巖相高壓壓汞曲線。C-L巖相進(jìn)汞曲線先快速增大，隨后保持不變，表明宏孔較發(fā)育，退汞效率為 40%，孔隙連通性較好。S-L巖相進(jìn)汞曲線隨壓力增大呈階段式上升，孔喉分布不均，退汞效率低于5%，表明較多的汞被圈閉在孔隙體系中，在退汞時(shí)無法得到釋放，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜且連通性差。S-M 巖相進(jìn)汞曲線先快速增大，隨后持續(xù)增加，退汞效率為 60%，孔隙連通性較好。M-M巖相進(jìn)汞曲線先快速增大，隨后緩慢增加，退汞曲線先保持不變，隨后快速下降，退汞效率為30%。S-H巖相進(jìn)汞曲線隨壓力增大呈階段式上升，孔喉分布不均，退汞效率達(dá)60%，孔隙連通性較好。C-H巖相進(jìn)汞曲線在低壓和高壓段上升，退汞曲線幾乎不變，退汞效率低于5%，孔隙連通性差。

總體而言，S-H巖相孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)，總孔體積為0.023 3 cm3/g，總比表面積為43.63 m2/g，孔隙度為5.54%。S-M、M-M巖相孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)較優(yōu)，總孔體積為0.014～0.015 cm3/g，總比表面積為21.3～26.4 m2/g，孔隙度為5.1%～5.4%。這3類巖相微孔占比70%，中孔、宏孔占比為 30%，孔隙連通性較好。C-H巖相總孔體積為0.036 cm3/g，總比表面積為100.77 m2/g，微孔占94%，中孔、宏孔發(fā)育不佳。C-L、S-L巖相孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)較差，總孔體積為0.013～0.020 cm3/g，總比表面積為7.6～13.4 m2/g，孔隙度為0.58%～1.93%，宏孔占比為60%，中孔、微孔各占20%左右（見圖8d）。

5 優(yōu)勢巖相及其主控因素

5.1 優(yōu)勢巖相類型

優(yōu)勢巖相的主要判別依據(jù)為有機(jī)質(zhì)類型及豐度、儲(chǔ)集空間類型及發(fā)育程度、礦物類型及含量。有機(jī)質(zhì)類型及豐度決定了頁巖的生烴潛力[13]，Ⅱ型干酪根相對于Ⅲ型干酪根生油氣潛力更好[14]。儲(chǔ)集空間類型及發(fā)育程度影響頁巖儲(chǔ)集性能[15]。脆性礦物含量決定頁巖的可壓裂性，巖石脆性越強(qiáng)，壓裂改造效果越理想[13]。

S-M、M-M和S-H巖相這3類優(yōu)勢巖相發(fā)育于淺海海灣—封閉潟湖環(huán)境（見圖 5），有機(jī)質(zhì)來源于海洋低等生物、浮游藻類及陸源植物，屬Ⅱ2型干酪根，受陸源輸入影響小，有機(jī)質(zhì)更富集，TOC高（5.5%～12.0%），巖心含氣量高（2.0～4.0 m3/t）。S-M、M-M和S-H巖相儲(chǔ)集空間類型多樣（見圖7），孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)，孔隙開放性及連通性均較好，尤其以S-H巖相孔隙系統(tǒng)發(fā)育最佳（見圖9a）。這3類巖相發(fā)育團(tuán)塊狀、填隙狀及條塊狀有機(jī)質(zhì)。條塊狀有機(jī)質(zhì)發(fā)育原始生氣孔[15]，結(jié)構(gòu)簡單、分布分散，孔徑小于 20 nm（見圖7c、圖7e）。填隙狀有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒間發(fā)育粒間孔縫，孔徑幾百納米（見圖7l）。團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)發(fā)育液態(tài)烴氣泡孔[16]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成簇分布，孔徑一般大于 50 nm（見圖7h—圖7n）。這3類巖相發(fā)育Ⅱ2型干酪根，其孔隙發(fā)育潛力是Ⅲ型干酪根的數(shù)倍[15-16]。Ⅱ2型干酪根在熱演化過程中先生成大量液態(tài)烴，再進(jìn)一步裂解生氣，經(jīng)氣泡變孔形成密集的有機(jī)質(zhì)孔。FIB-SEM切割成像及Avizo軟件數(shù)字模型化處理結(jié)果顯示，Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量氣泡孔，圓球度較好，孔徑主體為10～300 nm，孔隙度約6.5%（見圖10）。氣泡孔間可見許多孤立大孔，可能呈多級多孔結(jié)構(gòu)（“大孔套小孔”）[15]。小孔隙賦存吸附氣，大孔隙儲(chǔ)集游離氣，兩類孔隙相互連通構(gòu)成有效的三維網(wǎng)絡(luò)孔隙空間。JMicro Vision軟件圖像分析S-M、M-M和S-H巖相面孔率為1.00%～1.45%。

C-L、S-L巖相發(fā)育于三角洲或半封閉潟湖環(huán)境（見圖 5），有機(jī)質(zhì)來源于陸源植物碎屑，干酪根類型為Ⅲ型，大量陸源碎屑輸入造成TOC值整體小于5.5%，巖心含氣量為0.7～0.9 m3/t。C-H巖相發(fā)育于分流河道間灣（見圖5），TOC值為15%～25%，干酪根類型為Ⅲ型。這3類巖相儲(chǔ)集空間相對單一，發(fā)育礦物粒間孔、黏土礦物層間孔縫及少量有機(jī)質(zhì)孔縫，面孔率為0.35%～0.60%。這 3類巖相主要發(fā)育條塊狀有機(jī)質(zhì)，原始干酪根母質(zhì)為Ⅲ型，易生氣，液態(tài)烴產(chǎn)量很少，缺乏氣泡變孔的過程，難以形成大量復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)孔，有機(jī)質(zhì)孔隙孔徑小、連通性差[16-17]（見圖7c、圖7e）。然而，值得注意的是，C-H巖相有機(jī)質(zhì)含量高，且微孔孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)高（見表 1、圖 9），推測該類巖相中Ⅲ型有機(jī)質(zhì)發(fā)育大量微孔，但由于掃描電鏡分辨率的局限性，這些微孔并未被觀察到。

圖9 山西組典型頁巖相儲(chǔ)集層參數(shù)對比圖

山西組S-M、M-M和S-H巖相脆性礦物含量最高，為60%～80%（平均71%），與川南龍馬溪組頁巖儲(chǔ)集層脆性礦物組分及含量近似（平均70%），可壓裂性好。S-L巖相脆性礦物含量為47%～70%（平均值為58%），C-L巖相脆性礦物含量為36%～52%（平均值為39%），二者可壓裂性相對較差。C-H巖相脆性礦物含量為15%～35%（平均24%），可壓裂性最差（見圖9b）。

綜上分析，S-M、M-M和S-H巖相有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好，儲(chǔ)集空間類型多樣、孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)，脆性礦物含量高，為研究區(qū)山西組優(yōu)勢頁巖相。其中，S-H巖相的儲(chǔ)集條件最優(yōu)，S-M和M-M巖相次之。

圖10 山西組團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)孔隙三維重構(gòu)圖像及孔徑分布圖

5.2 優(yōu)勢巖相縱向?qū)佣畏植?/h3>

鄂爾多斯盆地東緣二疊系頁巖優(yōu)勢巖相發(fā)育于山西組山23亞段中下部海灣—潟湖沉積相，具有“TOC高、Ro適中、儲(chǔ)集性好、含氣性高、脆性好”的特性（見圖 5）。以大吉 51井為例，其優(yōu)勢巖相發(fā)育層段TOC值為 6%～12%，Ro值為 2.4%～2.8%，孔隙度為3.0%～6.0%，總孔體積為0.015～0.025 cm3/g，總比表面積為20～45 m2/g，含氣量為1.5～2.5 m3/t，脆性指數(shù)為60%～80%。優(yōu)勢巖相發(fā)育層段壓裂產(chǎn)氣量穩(wěn)定，平均日產(chǎn)氣0.6′104m3，測試期間共產(chǎn)出頁巖氣33.9′104m3。對已試氣段進(jìn)行1 612 h連續(xù)試井，絕對無阻流量為2.3′104m3/d。若以絕對無阻流量的1/5～1/3進(jìn)行配產(chǎn)，該井能夠以0.6′104m3/d進(jìn)行有效生產(chǎn)。與美國頁巖氣直井壓裂平均日產(chǎn)量 0.8′104m3相比，具有很好的開發(fā)前景[7]。

5.3 優(yōu)勢巖相形成主控因素

沉積環(huán)境和成巖作用控制著山西組優(yōu)勢頁巖的形成及分布。

沉積環(huán)境決定了頁巖的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)[18-20]。S-M、M-M 和 S-H優(yōu)勢巖相主要形成于淺海海灣—潟湖環(huán)境，巖相以水平紋層為主，沉積時(shí)期水體平靜，水動(dòng)力條件弱。白云石和方解石含量高，表明頁巖沉積于較封閉的水體，受陸源碎屑影響較小。Sr/Ba值為0.8～2.6，Ni/Co值為7.7～11.3，表明水體鹽度較高，還原性較強(qiáng)。Al2O3與 TiO2含量低，指示陸源輸入少，且二者含量與SiO2含量無明顯相關(guān)性，表明陸源物質(zhì)僅貢獻(xiàn)了部分硅質(zhì)。將研究區(qū)山西組頁巖與四川盆地龍馬溪組、北美Barnett硅質(zhì)富有機(jī)質(zhì)頁巖Si、Al元素值投點(diǎn)對比（見圖 11）發(fā)現(xiàn)，海灣—潟湖相優(yōu)勢頁巖數(shù)據(jù)點(diǎn)多位于伊利石Si/Al線之上，其特征與龍馬溪組、Barnett頁巖類似，反映更多成分的自生成因硅[20]。依據(jù)文獻(xiàn)[21]公式計(jì)算優(yōu)勢巖相過量硅含量約為 25%～52%，為生物成因硅。綜上分析，海灣—潟湖環(huán)境陽光充足、水體安靜，富硅浮游生物大量繁盛，提供了豐富的有機(jī)質(zhì)和生物硅質(zhì)，且閉塞缺氧的沉積水體和較低的沉積速率有利于有機(jī)質(zhì)的埋藏保存，形成了一套富含有機(jī)質(zhì)的硅質(zhì)—混合質(zhì)頁巖。

圖11 山西組、龍馬溪組及Barnett頁巖Si-Al相關(guān)圖

成巖作用控制著頁巖的儲(chǔ)集空間。成巖作用分為有機(jī)成巖和無機(jī)成巖 2種[18]。優(yōu)勢巖相有機(jī)質(zhì)為Ⅱ2型干酪根，富含蛋白質(zhì)和類脂化合物，含中等相對分子質(zhì)量的正構(gòu)烷烴、正構(gòu)脂肪酸及豐富的甾類烷烴，易產(chǎn)生大量蜂窩狀有機(jī)質(zhì)氣泡孔構(gòu)成三維連通孔隙網(wǎng)絡(luò)[22]。非優(yōu)勢巖相有機(jī)質(zhì)為Ⅲ型，富含纖維素和木質(zhì)素，含較高相對分子質(zhì)量的正構(gòu)烷烴、萜類和藿烷甾族化合物，在成熟階段易生氣，難以形成大量有機(jī)質(zhì)孔[22]。山西組無機(jī)成巖作用主要為壓實(shí)作用和膠結(jié)作用。優(yōu)勢巖相中生物成因硅形成于早—中成巖階段早期，構(gòu)成堅(jiān)硬的顆粒支撐格架，在后期壓實(shí)過程中有效保存大量原生孔隙[18-19]。納米級生物成因硅常與有機(jī)質(zhì)緊密共生，為早期液態(tài)烴提供了重要的賦存空間，為高成熟階段有機(jī)孔的發(fā)育與保持、頁巖氣的生成與儲(chǔ)集提供了空間和保護(hù)[18]。此外，優(yōu)勢巖相含方解石礦物，易受有機(jī)酸溶蝕產(chǎn)生溶蝕孔，對儲(chǔ)集層改善具有積極作用。圖11中三角洲相非優(yōu)勢巖相Si、Al元素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)多位于Si/Al線之下，反映更多成分的陸源碎屑硅，由母巖風(fēng)化后通過風(fēng)、河流等搬運(yùn)至盆地中，顆粒粒徑大，原生孔隙少，抗壓實(shí)能力較差。此外，少量數(shù)據(jù)點(diǎn)位于Si/Al線之上，表明除了陸源碎屑硅，部分樣品含少量黏土礦物轉(zhuǎn)化成因石英。該類石英由成巖作用中晚期蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中硅質(zhì)析離形成[23]，通常發(fā)生膠結(jié)作用，減少儲(chǔ)集層孔隙。

6 結(jié)論

鄂爾多斯盆地東緣山西組山23亞段主要發(fā)育低TOC黏土質(zhì)頁巖相（C-L）、低TOC硅質(zhì)頁巖相（S-L）、中TOC硅質(zhì)頁巖相（S-M）、中TOC混合質(zhì)頁巖相（M-M）、高TOC硅質(zhì)頁巖相（S-H）、高TOC黏土質(zhì)頁巖相（C-H）6種巖相。其中，C-L、C-H巖相位于山23亞段中上部，發(fā)育于潮控三角洲相，S-L、S-M、S-H和M-M巖相位于山23亞段下部，發(fā)育于潮控河口海灣相。S-M、M-M和S-H巖相發(fā)育于淺海海灣—封閉潟湖沉積環(huán)境，有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好，儲(chǔ)集空間類型多樣，孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)，脆性礦物含量高，為研究區(qū)山西組具生儲(chǔ)綜合條件優(yōu)勢的頁巖相。其中，S-H巖相為頁巖儲(chǔ)集條件最優(yōu)巖相，S-M和M-M巖相次之。山西組優(yōu)勢巖相的形成受沉積環(huán)境和成巖作用共同控制，淺海海灣—潟湖沉積環(huán)境有利于Ⅱ2型干酪根形成，易于產(chǎn)生大量蜂窩狀有機(jī)質(zhì)氣泡孔，富生物成因硅不僅有利于各類孔隙保存，并且增強(qiáng)了儲(chǔ)集層的可壓裂性。

致謝：本文在研究過程中，巖石薄片鑒定工作得到了中國石油勘探開發(fā)研究院羅平教授的指導(dǎo)與幫助，在此表示衷心感謝。