準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組微—納米孔隙頁巖油原位賦存特征

劉 金，王 劍，張寶真，曹 劍，尚 玲，張曉剛，王桂君

1.新疆頁巖油勘探開發(fā)實驗室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油 新疆油田分公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油 新疆油田分公司 風城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；4. 南京大學 地球科學與工程學院，南京 210023

頁巖油是指烴源巖(特別是頁巖)已生成并滯留在地層中的石油聚集，是21世紀重要的油氣資源接替類型[1-3]。查明頁巖油的賦存方式和賦存狀態(tài)是頁巖油流動性評價及其有效開發(fā)的基礎。然而，頁巖油儲層因孔徑分布范圍廣，微—納米級孔隙發(fā)育，因此頁巖油的賦存方式和狀態(tài)非常復雜，是頁巖油研究的薄弱環(huán)節(jié)[4-6]。前人研究認為，頁巖油賦存形式主要呈吸附相和游離相2種[7-8]，烴類組分在賦存狀態(tài)上表現(xiàn)為重質(zhì)、極性強的組分多被吸附，輕質(zhì)、分子量小、極性弱的組分更多易游離[9-11]。

頁巖油原位賦存特征研究需要以微—納米孔隙研究為基礎。關于孔隙表征目前主要有流體侵入法、圖像觀察法、納米CT三維重構及核磁共振法等[12-14]。其中，二維掃描電鏡圖像孔隙提取方法表征頁巖孔隙分布具有不用洗油，在研究孔隙分布的同時還可直接研究孔隙類型與孔隙分布關系等優(yōu)勢，因而應用較廣[15-18]。在頁巖油賦存狀態(tài)研究方面，場發(fā)射掃描電鏡、激光共聚焦顯微鏡、納米CT、核磁共振等各具優(yōu)勢和缺陷。如場發(fā)射掃描電鏡分辨率高，但樣品室需要抽成較高的真空，真空和電子束的轟擊均會造成易揮發(fā)流體的散失，對頁巖油的賦存表征造成影響；納米CT利用碘化鉀、氯化錳等溶劑進行浸泡，可將油與孔隙水進行有效區(qū)分[4]，但缺點是不能區(qū)分不同組分的油；激光共聚焦顯微鏡根據(jù)熒光波長可對亞微米級以上孔隙中的油質(zhì)進行區(qū)分，但缺點是不能表征孔隙水的分布。因此通過發(fā)揮各實驗方法的優(yōu)勢，進行聯(lián)合表征是目前較為準確、可靠的頁巖油賦存研究方法。

準噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組是中國當前勘探開發(fā)最為成功的陸相頁巖油層系之一，目前正在建設首個國家級頁巖油示范區(qū)，為開展頁巖油的賦存狀態(tài)研究提供了良好的對象。前人針對蘆草溝組烴源巖評價、頁巖油儲層特征及成因、“甜點”評價與優(yōu)選等研究取得了大量認識[3,19-26]，但對頁巖油的賦存狀態(tài)研究還不夠深入，對孔隙水和不同組分油在微—納米孔隙中原位分布的研究不足[27]，影響了頁巖油高效開發(fā)。本文在微—納米孔隙表征的基礎上，研究頁巖油的原位賦存特征，以期對頁巖油的資源評價和提高采收率研究提供參考。

1 地質(zhì)背景

準噶爾盆地吉木薩爾凹陷位于盆地東部，面積約1 278 km2，是早二疊世晚期天山海槽閉合后形成的中二疊世前陸型箕狀凹陷[6](圖1a)。本文所指的頁巖油主要聚集在中二疊統(tǒng)蘆草溝組，地層厚度25～300 m，平均為200 m，埋深為800～4 500 m，平均為3 570 m[28](圖1a)。蘆草溝組沉積期后，凹陷東、西、南、北部都經(jīng)歷了壓實再抬升的構造運動，目前為半環(huán)帶狀單斜，構造格局呈現(xiàn)東高西低，地層傾角3°～5°，斷裂總體不發(fā)育[28]。

圖1 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組厚度等值線(a)與蘆草溝組綜合柱狀圖(b)

2 頁巖油儲層微—納米孔隙類型

偏光顯微鏡和掃描電鏡下觀測鑒定發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)蘆草溝組頁巖油儲層孔隙類型多樣，總體可以分5種，其微—納米孔隙尺度也不相同。

(1)粒間溶孔。為剩余粒間孔與碎屑顆粒溶蝕孔形成的復合孔隙，主體分布在10～50 μm(圖2a-c)，主要發(fā)育于砂屑云巖、長石巖屑粉細砂巖等粒度相對較粗的巖性中，從掃描電鏡分析來看，蘆草溝組典型的剩余粒間孔隙發(fā)育不多，多數(shù)孔隙邊緣發(fā)生港灣狀溶蝕，反映孔隙成因類型主要還是溶蝕型。

(2)粒內(nèi)溶孔。主要為長石和凝灰質(zhì)巖屑溶蝕孔隙，尺度主要在5～20 μm(圖2a)。粒內(nèi)溶孔中多充填有板狀鈉長石晶體、粒狀石英晶體、(鐵)白云石晶體和似蜂巢狀伊/蒙混層礦物。其成因主要與干酪根脫羧作用生成有機酸、CO2等酸性流體進入儲層，溶蝕長石、巖屑等易溶組分相關[33-35]。

(3)鈉長石晶間孔。長石粒內(nèi)溶孔中鈉長石晶體的結晶及格架狀排列形成鈉長石晶間孔。掃描電鏡下，自生板柱狀鈉長石將長石溶蝕孔分割成若干個三角形小孔，孔隙邊緣平直，孔徑分布在350 nm～8 μm(圖2d)。

(4)白云石晶間孔?？讖街饕植荚?00 nm～10 μm。由菱形白云石晶體搭建而成三角狀(圖2e)。白云石晶間孔存在于抗壓能力較強的剛性白云石礦物顆粒間[36]。由于酸性熱流體的溶蝕改造，孔隙邊緣常呈溶蝕不規(guī)則狀，形成白云石晶間溶孔。

(5)黏土礦物晶間孔(縫)：依據(jù)孔隙形態(tài)將黏土礦物晶間孔分為狹縫狀晶間縫和蜂巢狀晶間孔[37]。黏土礦物晶間縫尺度為1～350 nm，孔隙長寬比多介于10～30，廣泛發(fā)育于泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖。黏土礦物晶間孔大小400 nm～2 μm，黏土礦物晶間孔長寬比接近于1，呈似圓孔形(圖2f)，由似蜂巢狀伊/蒙混層礦物晶體形成，常見于溶蝕孔隙中。

3 頁巖油儲層孔隙分布

3.1 粉細砂巖

碎屑顆粒粒度相對較粗，主體為細砂級，其次為粉砂級(圖2a)。碎屑顆粒以凝灰質(zhì)、陸源石英和長石為主，含量在90%以上，凝灰質(zhì)含量較高。這類巖性孔隙發(fā)育最好，以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鈉長石晶間孔為主，面孔率在17.0%～23.5%之間(圖3a-b)。孔隙以大于200nm為主，占比高達94.8%。其中大于2 μm孔隙占比49.0%，以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔為主，粒內(nèi)溶孔被蜂巢狀伊/蒙混層礦物和鈉長石晶體進行分割形成晶間孔；200 nm～2 μm占比45.8%，以鈉長石晶間孔和黏土礦物晶間孔為主。20～200 nm和小于20 nm孔隙占比僅為3.8%和1.4%，孔隙類型為晶間孔和晶間縫(表1)。

圖2 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖儲層微—納米孔隙特征

圖3 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲層孔隙圖像分析

3.2 砂屑云巖

砂屑云巖中白云石為主要礦物成分，一般在60%～80%之間，最高可達95%，其次是陸源長石、石英和凝灰質(zhì)碎屑(圖2b)?？紫额愋鸵陨靶剂ｉg溶孔、粒內(nèi)溶孔和白云石晶間孔為主(圖2b)。溶蝕組分主體為堿性長石和白云石，堿性長石內(nèi)部有自生鈉長石和石英充填。砂屑云巖面孔率在10.5%～16.5%(圖3c-d)。孔隙大小分布集中，以200 nm～2 μm為主，占比70.1%，孔隙類型為白云石晶間孔；大于2 μm孔隙占比20.6%，以砂屑粒間溶孔為主；20～200 nm和小于20 nm占比少，分別為7.6%和1.7%(表1)。

3.3 云質(zhì)粉砂巖

碎屑顆粒以陸源長英質(zhì)碎屑為主，其次為火山碎屑。白云石含量在20%～35%之間，黏土礦物含量相對較高，平均6.8%左右(圖2c)?？紫额愋团c粉細砂巖類似，不同之處在于白云石晶間孔發(fā)育，面孔率在11.0%～17.5%。大于2 μm孔隙占比49.6%，以粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔為主；200 nm～2 μm占比31.0%，以白云石、鈉長石和蜂巢狀黏土礦物晶間孔為主；20～200 nm和小于20 nm孔隙分別占比13.9%和5.5%，主要為黏土礦物晶間縫(表1)。

3.4 泥質(zhì)粉砂巖

巖石組成以黏土礦物、長英質(zhì)碎屑和有機質(zhì)碎屑為主，黃鐵礦含量較其他巖性高。黏土礦物含量一般在16.0%～36.0%，平均21.0%?？紫栋l(fā)育最差，面孔率多小于5.0%，孔隙類型主要為狹縫狀黏土礦物晶間縫?？紫斗植枷鄬?，以20～200 nm為主，占比57.4%。大于2 μm孔隙僅為1.4%，200～2 000 nm孔隙占比21.2%，小于20 nm占比20.0%(表1)。

表1 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲層孔隙分布

4 頁巖油儲層中流體微觀賦存特征

采用LEICA SP5Ⅱ型激光共聚焦分析儀(分辨率0.1 μm)進行油質(zhì)分析，樣品為甜點段的油浸—富含油級別樣品。樣品制備在冷凍條件下進行，儀器激發(fā)波長488 nm。根據(jù)熒光光譜解析，油質(zhì)越重，波長越長；油質(zhì)越輕，小分子成分含量增加，波長越短。據(jù)此吉木薩爾微—納米孔隙中的油可以分為重質(zhì)組分油和中質(zhì)組分油2類。中質(zhì)組分產(chǎn)生490～600 nm波長熒光信號，重質(zhì)組分產(chǎn)生600～800 nm波長信號。場發(fā)射掃描電鏡分析前，樣品經(jīng)過Gatan 693型冷凍氬離子拋光儀拋光，主要分析重質(zhì)組分油(可能含有少量中質(zhì)組分)在孔隙中的分布，測量孔隙截面上孔隙璧附著的油膜厚度；采用MacroMR12-150H-I型核磁共振分析儀獲取密閉取心樣品初始狀態(tài)下流體的T2譜，然后用MnCl2溶液飽和樣品60 h，將水信號屏蔽，獲取油相的T2譜，分析油、孔隙水的分布；核磁共振測試完成后的樣品進行納米級CT掃描，儀器型號為ZEISS Xradia 800 Ultra型(空間分辨率50 nm)，依據(jù)骨架礦物、油和孔隙水的灰度差異，得到孔隙、油和水分布的三維立體圖像，進而對油、水賦存形式進行分析。結果表明，蘆草溝組頁巖孔隙中流體組分主體為油和孔隙水，油分為重質(zhì)組分油和中質(zhì)組分油，它們在微—納米尺度上的分布具有較強的分異性。

(1)重質(zhì)組分油。長碳鏈烴類、非烴及瀝青質(zhì)占比較高。在微—納米尺度，重質(zhì)組分油以薄膜狀和充填狀賦存，“小孔”(2～5 μm以下)中重質(zhì)組分油主要為充填狀，在“大孔”(2～5 μm以上)中以薄膜狀賦存于孔隙表面或礦物表面(圖4a)。值得注意的是，本文所提到的“大孔”與“小孔”是基于研究需要提出的，與國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)及LOUCKS等提出的孔隙分類方法不同[13]。重質(zhì)組分油具有“小孔充填狀，大孔薄膜狀”，納米孔—微米孔全尺度含油特征(圖4a-b)。在場發(fā)射掃描電鏡下觀察統(tǒng)計，熒光級樣品中重質(zhì)油膜厚度70～200 nm，油浸級樣品厚度300～350 nm，富含油級樣品厚度700 nm～2 μm，隨著含油程度越高，重質(zhì)油膜的厚度越大，小孔到大孔逐漸充滿，充填狀比例越高。

(2)中質(zhì)組分油。根據(jù)激光共聚焦分析結果統(tǒng)計，中質(zhì)組分油主要賦存在5 μm以上的孔隙中，在亞微米—微米尺度孔隙邊緣主要為重質(zhì)組分油，孔隙中間為中質(zhì)組分油，中質(zhì)組分與重質(zhì)組分在平面上比值在0.75～2.05(圖4c)。

(3)孔隙水。納米CT流體賦存特征分析表明，“甜點”密閉取心樣品的“小孔”中主要為油充填，2～5 μm以上“大孔”孔壁為油，孔隙中央為水充填，油、水比94∶6(圖4d)。根據(jù)核磁共振T2譜分析結果，密閉取心樣品飽和MnCl2溶液后，孔隙水信號被屏蔽，1 ms以上的T2譜信號明顯下降(圖5)?；诩{米CT、激光共聚焦和場發(fā)射掃描電鏡分析，取含油樣品經(jīng)驗值C(轉(zhuǎn)換模型系數(shù))為1 μm/ms，孔隙水分布于直徑2～5 μm以上的“大孔”中[公式(1)]。粉細砂巖、云質(zhì)粉砂巖、砂屑云巖等“甜點”儲層孔隙水含量相對較多，因而飽和MnCl2溶液后T2譜下降明顯(圖5)。本次觀測到的“大孔”中的孔隙水及賦存尺度和賦存狀態(tài)與前人提到的孔隙表面束縛水膜及黏土礦物束縛水有較大的區(qū)別，這部分水可動性較強，應為游離水[38]。對于泥質(zhì)粉砂巖等巖性，泥質(zhì)含量高，束縛水含量高，泡錳前后信號幾乎沒有變化，基本不含游離水。

圖4 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油微觀賦存特征

圖5 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組儲層核磁共振T2譜特征

r=CT2

(1)

式中：r為孔喉半徑，μm；C為轉(zhuǎn)換模型系數(shù)，μm/ms；T2為橫向弛豫時間，ms。

總體而言，研究區(qū)蘆草溝組頁巖油“甜點”儲層含水飽和度在4%～35%，含油飽和度在65%～96%，重質(zhì)組分油含量在25.4%～65.4%。儲層微—納米孔隙中的重質(zhì)組分油附著于“大孔”表面或充填于“小孔”中，相比而言，中質(zhì)組分油和水主要賦存于2～5 μm以上的“大孔”中，孔隙中心為游離水(圖6)。“甜點”儲層中重質(zhì)組分油含量、中質(zhì)組分油含量及含水飽和度受源儲搭配、生排烴強度綜合影響。下“甜點”烴源巖與甜點儲層呈互層狀，源儲搭配好，主要巖性云質(zhì)粉砂巖含油飽和度整體較高，在85%～96%之間。上“甜點”粉細砂巖、砂屑云巖含油飽和度在65%～86%之間，低于下“甜點”，且含水飽和度相對較高。

5 頁巖油微觀賦存成因探討

前人研究認為生烴超壓是頁巖油運移、充注的動力，油克服毛細管壓力呈“活塞式”運移到儲層，處于充注下限以上的孔隙主要為油賦存，充注下限以下的孔隙主要為水賦存，并且在充注下限以上的孔隙中，孔壁為束縛水，孔隙中間為油[27,38-40]。本次研究表明頁巖油儲層具有納米—亞微米—微米孔“全尺度含油”特征，且“小孔”充填有重質(zhì)組分油，“大孔”的孔壁為重質(zhì)組分油，孔隙中間為中質(zhì)組分油和孔隙水(圖6)，原因可能在于研究選取的甜點儲層樣品含油性好，為油浸—富含油級，泥質(zhì)含量一般低于3%，以自生蜂巢狀伊/蒙混層礦物為主，束縛水含量低，掃描電鏡下觀察到黏土礦物及自生鈉長石表面吸附有油(圖2d，f)。此外頁巖油的微觀分布可能不是生烴超壓運聚單一成藏機制，而是多種機制共同作用的結果。頁巖油生成之后從烴源巖短距離運移到“甜點”儲層之后，在漫長的地質(zhì)時期，在微—納米孔隙內(nèi)部經(jīng)歷了微觀油、水分布調(diào)整。這種調(diào)整應與潤濕性反轉(zhuǎn)、孔隙表面吸附和多期次連續(xù)成藏等作用相關[34,40-42]。早期低熟油生成前，有機酸分子的吸附及對儲層的溶蝕改造，孔隙表面向著油潤濕方向改變。低熟油生成期，重質(zhì)組分油中極性分子吸附到孔隙表面，導致孔隙表面潤濕性出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，水被擠壓到孔隙中間，后期成熟的中質(zhì)組分油以此方式進一步調(diào)整和分布。實際情況中，還要充分考慮泥質(zhì)含量高、含油性較差的儲層中的油、水分布，如在泥質(zhì)粉砂巖中存在束縛水。因此頁巖油的微觀分布應是多種機制共同作用的結果，還需進行深入的探索。

圖6 準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油儲層甜點賦存模式示意

頁巖油的微觀賦存特征可能預示著孔隙水、不同組分油存在著差異流動性，動用方面存在著梯次動用。中質(zhì)組分油由于油質(zhì)較重質(zhì)組分油輕，且主要賦存在微米級孔隙中，應較好動用。蘆草溝組頁巖油井經(jīng)過壓裂措施后，在壓裂液反排率大于100%后，平均含水在60%左右，佐證了“大孔”中游離水的存在，“甜點”采出原油密度為0.872～0.889 g/cm3，油質(zhì)總體表現(xiàn)為中質(zhì)油，表明重質(zhì)油基本沒有動用?！按罂住笨妆诤图{米孔中的重質(zhì)組分油是未來提高采收率研究比較現(xiàn)實可行的攻關方向，這部分重質(zhì)組分油含量平均在53.2%，油質(zhì)偏重，流動性相對較差。但有學者從場發(fā)射掃描電鏡電子束加熱證實，在真空負壓條件下，隨著時間的累積和溫度的升高，孔隙內(nèi)部這部分油受熱外溢[27,32,42]。因此加熱應是實現(xiàn)重質(zhì)組分油可動的重要措施，也是頁巖油未來提高采收率的潛在重要手段。

6 結論

(1)準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組的“甜點”儲層巖性以粉細砂巖和云質(zhì)粉砂巖為主，孔隙面孔率在11.0%～23.5%之間，大于2 μm的粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔占比在49.0%以上。

(2)“甜點”儲層中2～5 μm以上孔隙內(nèi)中質(zhì)組分油和游離水賦存于孔隙中心，重質(zhì)組分油以薄膜狀賦存于孔隙表面，2 μm以下孔隙中為充填狀重質(zhì)組分油。頁巖油的微觀分布受生烴超壓、孔隙表面吸附及多期次連續(xù)成藏多種作用機制綜合影響。

(3)頁巖油的微觀賦存特征預示著孔隙水、不同組分油存在著差異流動性，動用方面存在著梯次動用。中質(zhì)組分油由于油質(zhì)較重質(zhì)組分油輕，且主要賦存在微米級孔隙中，應較好動用，重質(zhì)組分油是頁巖油未來提高采收率的重要方向。

致謝：本文在修改過程中得到審稿專家和編輯部的很多幫助，在此致以衷心感謝！