瑪頁1井風(fēng)城組頁巖微觀孔隙特征及其影響因素

楊帆，孟鑫，王先虎，余佩蓉，邵廣輝，陳火紅

（1.中國石油集團(tuán)測井有限公司 地質(zhì)研究院，西安 710077；2.中國石油 新疆油田分公司a.開發(fā)公司，b.勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油集團(tuán)測井有限公司 新疆分公司，新疆 克拉瑪依 834000）

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風(fēng)城組發(fā)育一套堿湖環(huán)境下獨特的白云質(zhì)混積巖，是瑪湖凹陷多個大型油藏的烴源巖[1]。早期的油氣勘探大多只將其作為烴源巖，按照常規(guī)油藏的勘探思路，在瑪湖凹陷北斜坡區(qū)風(fēng)城組發(fā)現(xiàn)風(fēng)3 井區(qū)、風(fēng)5 井區(qū)、風(fēng)城1 井區(qū)等白云質(zhì)巖油藏。2011 年，受吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油勘探突破的啟發(fā)[2-3]，相繼部署風(fēng)南7井和風(fēng)南14井，在風(fēng)城組白云質(zhì)巖儲集層中壓裂均獲工業(yè)油流，證實了風(fēng)城組作為頁巖油開發(fā)的可能性。2018年，在勘探程度較低的北斜坡區(qū)部署瑪頁1 井，針對油氣顯示較好的細(xì)粒白云質(zhì)巖段，進(jìn)行直井多級分層壓裂后試油，最高日產(chǎn)油50.6 m3，顯示出風(fēng)城組頁巖油良好的勘探開發(fā)前景。

風(fēng)城組作為準(zhǔn)噶爾盆地一個新的陸相頁巖油勘探領(lǐng)域，勘探程度較低，相關(guān)研究主要集中在沉積環(huán)境、烴源巖發(fā)育程度等方面[4-10]，大多是整體宏觀的研究，對頁巖儲集層微觀孔隙發(fā)育方面的研究尚處于起步階段。與常規(guī)巖性油藏不同，頁巖儲集層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，儲集空間主要為微納米級尺度的孔隙，孔隙發(fā)育特征直接影響頁巖油的賦存和富集。因此，有必要借助系統(tǒng)的實驗分析，對其微觀孔隙特征進(jìn)行研究。筆者選取瑪頁1 井巖心，通過有機(jī)地化、X 射線衍射、掃描電鏡、低溫液氮吸附及高壓壓汞等多項檢測，對風(fēng)城組頁巖孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)以及孔隙發(fā)育的影響因素等進(jìn)行分析，以期為瑪湖凹陷風(fēng)城組頁巖油的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

瑪頁1 井位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起烏夏斷裂帶（圖1），緊鄰中央坳陷瑪湖凹陷，區(qū)域上鄰近瑪湖凹陷北斜坡區(qū)，地層發(fā)育較全，從古生界石炭系到新生界第四系皆有發(fā)育，其中二疊系由下至上發(fā)育下二疊統(tǒng)佳木河組和風(fēng)城組、中二疊統(tǒng)夏子街組和下烏爾禾組，缺失上二疊統(tǒng)上烏爾禾組。研究區(qū)經(jīng)石炭紀(jì)—二疊紀(jì)早期的演化，形成了風(fēng)城組獨特的堿湖沉積。瑪頁1 井位于堿湖邊緣，主要發(fā)育濱淺湖沉積，鉆遇的風(fēng)城組厚度為454 m，自下而上劃分為風(fēng)一段、風(fēng)二段和風(fēng)三段，風(fēng)一段頂部及風(fēng)二段、風(fēng)三段為暗色泥頁巖與白云質(zhì)巖的混雜沉積體，風(fēng)一段中—下部為爆發(fā)相的火山巖，在風(fēng)一段頂部—風(fēng)三段見連續(xù)的油氣顯示，油氣顯示縱向跨度大，白云質(zhì)儲集層和烴源巖區(qū)分不明顯，油藏具有源儲一體和整體含油的特征。

2 瑪頁1井風(fēng)城組頁巖特征

2.1 巖石學(xué)與地化特征

根據(jù)巖心觀察、巖石薄片、掃描電鏡、X 射線衍射等分析鑒定結(jié)果，瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖礦物成分多樣，以石英、長石、白云石、方解石和黏土礦物為主，僅有個別樣品見碳酸鈉鈣石、硅硼鈉石等堿性礦物，且含量均在2%以下；石英、長石、白云石等脆性礦物含量占總礦物組成的90%以上，黏土礦物含量較低，普遍發(fā)育黃鐵礦，個別樣品中含有一定量的角閃石。

脆性礦物中，以石英和白云石為主，石英含量為4.1%～73.2%，平均為31.1%，白云石含量為2.9%～55.6%，平均為30.0%；其次為長石，含量為3.1%～64.9%，平均為21.0%；方解石含量較少，為0.6%～44.7%，平均為11.9%。黏土礦物含量為1.2%～14.0%，平均含量為4.8%，主要為伊蒙混層，相對含量平均為75.0%；其次為伊利石，相對含量平均為19.0%。黃鐵礦含量為1.0%～10.2%，平均為3.9%。礦物組合具典型的混合沉積特征。

瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖有機(jī)質(zhì)以顆粒狀或條帶狀分散賦存在泥巖中，總有機(jī)碳含量為0.34%～1.59%，平均為0.81%；鏡質(zhì)體反射率為0.71%～0.89%，平均約0.80%，烴源巖處于成熟階段，具有較大的生油潛力[6]。

2.2 頁巖巖相劃分

目前關(guān)于頁巖巖相的分類及命名，基本上是采用三端元組分法，三端元分別為碳酸鹽、碎屑和黏土礦物（或有機(jī)質(zhì)、火山巖等）[11-13]。本文采用碳酸鹽礦物（方解石、白云石）、長英質(zhì)礦物（石英、鉀長石、斜長石）和黏土礦物作為三個端元，將風(fēng)城組頁巖劃分為3 類巖相，即長英質(zhì)巖巖相（Ⅱ區(qū)）、碳酸鹽巖巖相（Ⅲ區(qū)）和混積巖巖相（Ⅳ區(qū)）（圖2），由于混積巖巖相的樣品數(shù)量較少，本文重點討論長英質(zhì)巖巖相和碳酸鹽巖巖相。

3 孔隙特征

3.1 孔隙度

瑪頁1井風(fēng)城組巖心洗油后，實測氦氣孔隙度為0.17%～9.50%，平均為2.26%；洗油后飽和水核磁孔隙度為1.39%～11.38 %，平均為3.29%，屬于低孔儲集層。不同巖相的孔隙度存在一定差異，其中長英質(zhì)巖氦氣孔隙度為0.17%～5.23 %，平均為2.22%，飽和水核磁孔隙度為1.79%～11.38 %，平均為3.48%；碳酸鹽巖氦氣孔隙度為0.23%～5.62 %，平均為1.58%，飽和水核磁孔隙度為1.39%～6.96 %，平均為3.11%?？傮w上，長英質(zhì)巖的孔隙度好于碳酸鹽巖。

3.2 孔隙類型

瑪頁1 井風(fēng)城組孔隙類型可分為無機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度較低，無機(jī)孔包括溶蝕孔、粒間孔、黏土礦物層間孔和晶間孔等（圖3），儲集空間以無機(jī)孔為主。

溶蝕孔包括粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔（圖3a、圖3b），主要由碳酸鹽礦物溶蝕形成，孔隙形狀多樣，大小不一，孔徑分布范圍廣，為風(fēng)城組最常見的孔隙類型。粒間孔主要為殘余的原生粒間孔隙，受壓實和膠結(jié)作用共同影響，保存較少，見于無機(jī)礦物顆粒之間及無機(jī)礦物與有機(jī)質(zhì)交界處，孔隙形狀不規(guī)則，一般小于2 μm（圖3 c、圖3d）。黏土礦物層間孔形成于黏土礦物的排列組合，孔隙多呈三角狀或狹縫狀，相互之間的連通性較差（圖3e）。晶間孔主要發(fā)育在黃鐵礦晶體之間，一般呈不規(guī)則的多邊形，尺寸較大，偶見被有機(jī)質(zhì)局部充填（圖3f）。微裂縫主要為黏土礦物脫水形成的收縮縫或脆性礦物破碎產(chǎn)生的粒間縫，呈近直線或彎曲狀，裂縫延伸較長，可達(dá)幾十微米（圖3g、圖3h），微裂縫不僅為頁巖油的富集提供了空間，還對改善滲流環(huán)境有重要作用。風(fēng)城組頁巖有機(jī)質(zhì)含量較低，有機(jī)質(zhì)孔零散發(fā)育，多呈近圓狀或橢圓狀隨機(jī)分布在有機(jī)質(zhì)中（圖3 i），與海相頁巖的差別較大，有機(jī)質(zhì)孔孔徑從納米級到微米級均有，總體對儲集性能的貢獻(xiàn)較小。

3.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.3.1 孔隙形態(tài)

低溫液氮吸附-脫附實驗可確定頁巖孔隙的整體形貌和復(fù)雜程度[14-18]，其基本方法是，利用實際測量的吸附-脫附曲線形成的“回滯環(huán)”特征，與國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）分類方案對比，進(jìn)而推斷出頁巖的孔隙形狀。

瑪頁1 井風(fēng)城組不同巖相頁巖樣品的低溫液氮吸附量各不相同，但吸附-脫附曲線形態(tài)組合可歸納為2 類，一種呈倒“L”型，在相對低壓段（p/po＜0.80），吸附-脫附曲線近似為低斜率直線；在相對高壓段（p/po＞0.80），斜率陡然上升，“回滯環(huán)”較?。▓D4a）。另一種吸附曲線的斜率在整個壓力段平緩上升，脫附曲線在中等壓力段（p/po=0.45左右）出現(xiàn)臺階狀上升，“回滯環(huán)”相對寬大（圖4b）。2 類組合形態(tài)均不同于IUPAC 的標(biāo)準(zhǔn)分類形態(tài)，而是多種標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)的綜合體現(xiàn)，前者為H3-H4 型，后者為H2-H3 型。根據(jù)吸附-脫附曲線與孔隙形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系[15，18]，瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖儲集層發(fā)育平行板狀狹縫、楔狀孔隙及墨水瓶狀孔隙，與利用掃描電鏡觀察的結(jié)果一致。

3.3.2 孔徑分布

考慮到不同實驗方法測得孔徑的精度和誤差，將低溫液氮吸附和高壓壓汞2 種方法聯(lián)合起來表征風(fēng)城組孔隙的孔徑分布，對于孔徑小于50 nm 的孔隙，采用低溫液氮吸附實驗的測量結(jié)果；孔徑大于50 nm的孔隙，采用高壓壓汞實驗的測量結(jié)果[11]。

長英質(zhì)巖和碳酸鹽巖2 類巖相的孔徑分布規(guī)律基本一致，均為三峰狀（圖5），具有1 個明顯的主峰，位置為30～60 nm，在8～10 nm 和100～200 nm 位置有2 個較小的峰。長英質(zhì)巖100～200 nm 的峰值總體上大于碳酸鹽巖，說明長英質(zhì)巖更容易發(fā)育較大尺度的孔隙。

3.3.3 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)聯(lián)合表征的孔體積結(jié)果（表1），總孔體積分布區(qū)間為0.89×10-3～18.44×10-3cm3/g，主體分布在2.16×10-3～7.85×10-3cm3/g，主體平均值為4.42×10-3cm3/g，長英質(zhì)巖和碳酸鹽巖的總孔體積平均值分別為5.55×10-3cm3/g和6.59×10-3cm3/g，二者相差不大。

表1 瑪頁1井風(fēng)城組頁巖樣品的孔隙體積分布Table 1.Pore volume distribution of shale samples from Fengcheng formation in Well Maye-1

根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者霍多特提出的分類方案[19]，將孔隙按照孔徑的大小劃分為大孔（孔徑大于1 000 nm）、中孔（孔徑100～1 000 nm）、小孔（孔徑10～100 nm）和微孔（孔徑小于10 nm），瑪頁1井風(fēng)城組頁巖主要發(fā)育中孔、小孔和微孔，長英質(zhì)巖的微孔、小孔和中孔體積占總孔體積的比例分別為17.54%、67.47%和14.99%，碳酸鹽巖中的比例分別為18.90%、73.77%和7.33%。因此，瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖的孔體積主要由小孔提供，是頁巖油的主要儲集空間，微孔和中孔的貢獻(xiàn)較少，長英質(zhì)巖的大尺度孔隙發(fā)育好于碳酸鹽巖。

3.3.4 孔隙連通性

瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖樣品最大進(jìn)汞飽和度為20.56%～55.76%，平均為37.36%，最大進(jìn)汞飽和度大于50.00%的樣品較少，均為長英質(zhì)巖，長英質(zhì)巖和碳酸鹽巖的最大進(jìn)汞飽和度平均值分別為39.31%和34.76%，長英質(zhì)巖的連通性略好于碳酸鹽巖，但總體連通性均較差。

通過聚焦離子束-掃描電鏡（FIB-SEM）對頁巖進(jìn)行三維圖像重構(gòu)，提取不同類型的巖石組分與孔隙，可直觀展示孔隙的空間分布特征[20-21]。圖6是2塊長英質(zhì)巖樣品的三維圖像，圖像大小為10.00 μm×10.00 μm×5.00 μm，像素分辨率為10 nm，視域內(nèi)可見孔隙較為發(fā)育，但連通性差，26 號樣品僅在局部呈簇狀連通，簇狀連通孔隙占整個樣品0.39%；48號樣品的連通孔隙主要為有機(jī)質(zhì)邊緣裂縫，呈片狀，連通孔隙占整個樣品的0.49%。因此，對于風(fēng)城組頁巖儲集層，需要通過大規(guī)模的壓裂來提高孔隙的連通性。

3.4 優(yōu)勢巖相

從實驗分析結(jié)果可知，瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖儲集層中，不同巖相的孔隙類型、形態(tài)及孔徑分布趨勢基本一致，差異主要在于孔隙度、孔隙發(fā)育比例及連通性。長英質(zhì)巖的孔隙度高于碳酸鹽巖；在微觀孔隙結(jié)構(gòu)上，2類巖相的總孔體積也基本一致，但長英質(zhì)巖的中孔占比較高，孔隙連通性也相對較好，對于頁巖儲集層，較大孔隙才可能賦存更多的游離油，對油藏開發(fā)更有意義，因此，長英質(zhì)巖是具有相對優(yōu)勢的巖相。

4 孔隙發(fā)育影響因素

前人的研究成果表明，頁巖儲集層孔隙發(fā)育的影響因素復(fù)雜，往往受多種因素的共同控制[9，14]。沉積相、成巖作用以及構(gòu)造演化等是影響孔隙發(fā)育的宏觀因素，為孔隙發(fā)育提供基礎(chǔ)條件；而儲集層的有機(jī)質(zhì)、礦物組分及其含量等影響孔隙的分布特征及連通性，是控制孔隙發(fā)育的直接因素。

4.1 礦物組分

研究頁巖組分對孔隙發(fā)育的影響，主要是分析黏土、碳酸鹽巖等礦物含量與孔隙參數(shù)的關(guān)系，其規(guī)律性地區(qū)差異顯著[16，18，22]，瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖的主要礦物為石英、白云石、長石、方解石和黏土礦物。

瑪頁1 井風(fēng)城組微孔和小孔體積與黏土礦物含量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.817 和0.676，中孔體積與黏土礦物含量無明顯關(guān)系（圖7），表明黏土礦物對頁巖孔隙發(fā)育，特別是微孔和小孔的發(fā)育，具有積極作用。黏土礦物主要為伊蒙混層和伊利石，發(fā)育大量的層間孔縫（圖3e），同時，黏土礦物間的相互轉(zhuǎn)化易形成微裂縫，共同促進(jìn)微孔和小孔的發(fā)育。

黏土礦物含量小于6%時，總孔體積與長英質(zhì)礦物含量和白云石含量具有一定的正相關(guān)關(guān)系，表明這2 類礦物能促進(jìn)頁巖孔隙的發(fā)育。石英的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗壓實能力，能夠保存更多的粒間孔隙；長石、白云石等礦物易被有機(jī)酸溶蝕[23]，形成次生溶蝕孔隙；脆性礦物有利于微裂縫的形成，提升孔隙的發(fā)育程度。2 類礦物中，長英質(zhì)礦物和白云石含量與總孔體積的相關(guān)性較弱，表明頁巖孔隙的發(fā)育不是由某一類礦物單獨決定，而是受多類礦物的共同影響。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，2 類礦物含量與某一尺度的孔隙也無明顯的相關(guān)性，其原因主要是風(fēng)城組頁巖礦物混積，依托于不同礦物組分發(fā)育的孔隙類型同時存在，單類型孔隙無法形成數(shù)量和孔體積的絕對優(yōu)勢，礦物對各尺度孔隙的發(fā)育具有同等貢獻(xiàn)?？紫抖入S各類礦物含量的增加而增大，與礦物含量和孔體積的關(guān)系一致。

4.2 有機(jī)碳含量

頁巖生烴演化過程中產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)孔，是頁巖儲集層孔隙的重要組成部分，總有機(jī)碳含量是影響有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育的主要因素[24]。從總孔體積與有機(jī)碳含量的關(guān)系可以看到（圖8a），除去個別黏土礦物含量較高的數(shù)據(jù)點之外，風(fēng)城組微孔、小孔和中孔的孔體積并沒有隨著總有機(jī)碳含量的升高出現(xiàn)明顯的減小或增大趨勢，說明有機(jī)質(zhì)對孔隙發(fā)育程度的影響較弱，主要原因是研究區(qū)有機(jī)碳含量低。瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖儲集層與其他地區(qū)富含有機(jī)質(zhì)、高成熟度的頁巖儲集層有明顯差異。在海相頁巖中，有機(jī)質(zhì)孔通常是優(yōu)勢的孔隙類型，孔隙發(fā)育程度與總有機(jī)碳含量往往具有很強(qiáng)的正相關(guān)性[18，25]；而瑪頁1 井風(fēng)城組有機(jī)碳含量較低，鏡質(zhì)體反射率不高，有機(jī)質(zhì)熱演化程度有限，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育不均勻，其密集程度和大小不一，有機(jī)質(zhì)孔對總孔體積的貢獻(xiàn)較小，總孔體積主要受控于無機(jī)礦物。

總之，瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖儲集層孔隙度與總有機(jī)碳含量呈正相關(guān)性（圖8b），但相關(guān)性較弱，表明有機(jī)質(zhì)對頁巖儲集層有增孔作用，但作用并不顯著。

綜合對比影響風(fēng)城組孔隙發(fā)育程度的因素，在微觀上，孔隙體積與黏土礦物含量的相關(guān)性最好，似乎黏土礦物含量是控制孔隙發(fā)育的決定性因素，但事實上，風(fēng)城組黏土礦物含量較低，黏土礦物主要影響微孔和小孔的發(fā)育。黏土礦物含量小于6%時，孔體積與黏土礦物含量無明顯規(guī)律；當(dāng)黏土礦物含量大于6%時，其對孔體積的影響才較明顯（圖7）。有機(jī)質(zhì)對孔體積的影響與黏土礦物類似，在低含量時對孔體積的影響較小。因此，石英、白云石等無機(jī)礦物是控制孔隙發(fā)育程度的主要因素，依托于這些礦物發(fā)育的孔隙貢獻(xiàn)了絕大部分的孔體積。孔隙度受各種礦物組分及有機(jī)質(zhì)的共同影響，無機(jī)孔及有機(jī)質(zhì)孔都有發(fā)育，均為頁巖儲集層貢獻(xiàn)了儲集空間。因此，對于風(fēng)城組的混積巖儲集層，每一類巖相都具備頁巖油聚集的基本條件，瑪頁1 井巖心普遍含油，也印證了這一點。

長英質(zhì)巖的孔隙度大于碳酸鹽巖，孔隙結(jié)構(gòu)也優(yōu)于碳酸鹽巖，是甜點發(fā)育的有利巖相。裂縫也是頁巖儲集層甜點優(yōu)選時必需要考慮的因素，除了頁巖本身是否具有微裂縫之外，更要考慮是否有利于后期壓裂改造形成網(wǎng)狀縫，脆性是影響可壓裂性的重要條件。研究表明，白云石能極大地增大頁巖的脆性。因此，風(fēng)城組的碳酸鹽巖同樣具備甜點層的潛力（圖9），通過大規(guī)模體積壓裂，可提高頁巖儲集層的滲流能力，實現(xiàn)風(fēng)城組頁巖油藏的勘探突破。

5 結(jié)論

（1）瑪頁1 井風(fēng)城組孔隙類型包括無機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫，微裂縫和溶蝕孔是最主要的儲集空間，孔隙形態(tài)多樣，發(fā)育平行板狀狹縫、楔狀孔及墨水瓶狀孔等。頁巖孔隙度較低，孔隙主要為微孔、小孔和中孔，其中小孔是儲集空間主要貢獻(xiàn)者，孔隙連通性差。

（2）瑪頁1 井風(fēng)城組頁巖堿性礦物不發(fā)育，礦物成分以石英、長石和白云石為主，黏土礦物和有機(jī)質(zhì)含量較少，按照三端元組分法可劃分為長英質(zhì)巖和碳酸鹽巖2 類，長英質(zhì)巖孔隙度好，大尺度孔隙發(fā)育比例較高，富集更多的游離油；碳酸鹽巖儲集空間稍差，但有利于形成微裂縫，2 類巖相均可成為甜點層段優(yōu)選的目標(biāo)。

（3）風(fēng)城組頁巖孔隙發(fā)育受多種因素的共同影響，黏土礦物對微孔和小孔的發(fā)育有積極作用，對中孔的影響較弱；石英、長石和白云石對孔隙發(fā)育均有貢獻(xiàn)，有機(jī)質(zhì)對孔隙發(fā)育影響較?。粺o機(jī)礦物和有機(jī)質(zhì)均有利于頁巖孔隙度的增大。