松遼盆地北部白堊系嫩江組低熟頁巖原位滲透率隨溫度變化演化特征

何文淵，蒙啟安，林鐵鋒，王瑞，劉鑫，馬生明，李昕，楊帆，孫國昕

（1.大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江大慶 163712；2.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712；3.黑龍江省致密油與泥頁巖油成藏研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163712）

0 引言

中國陸相頁巖油資源豐富，開發(fā)和利用頁巖油等非常規(guī)資源是實(shí)現(xiàn)中國“能源獨(dú)立”的重要方向[1]。依據(jù)成熟度，頁巖油分為低熟頁巖油和中高成熟頁巖油，低熟頁巖油以重質(zhì)油、瀝青和尚未轉(zhuǎn)化的有機(jī)質(zhì)為主，需地下原位加熱轉(zhuǎn)化方能獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[2]。低熟頁巖油的原位轉(zhuǎn)化加熱方式主要包括電加熱、流體加熱、輻射加熱等[3-4]，其中荷蘭殼牌公司提出的電加熱 ICP（In-situ Conversion Process）原位開采方法被認(rèn)為是目前最為成熟的技術(shù)之一。

地層條件下，溫度-壓力（軸壓和圍壓）約束的原位滲透率是評(píng)價(jià)低熟頁巖原位改質(zhì)效果的重要參數(shù)，也是目前低熟頁巖油原位轉(zhuǎn)化的研究趨勢(shì)[5]。研究表明，滲透率的演變受控于溫度、壓力、干酪根類型和有機(jī)質(zhì)成熟度[6]。Mohnhoff等[6]研究了30 MPa限壓下流體萃取對(duì)未熟—成熟—過熟頁巖烴類組分及滲透率的影響，發(fā)現(xiàn)滲透率隨成熟度的增大先升后降，認(rèn)為生油窗期液態(tài)烴對(duì)孔裂隙的填充造成成熟頁巖滲透率降低，但流體萃取后3類頁巖滲透率提升了17.0～26.6倍。Eseme等[7]考察了單軸高溫作用（8 MPa、室溫至350 ℃）下油頁巖孔隙度、比表面積和滲透率的變化規(guī)律，通過巖石物理和地球化學(xué)分析手段得出高溫壓實(shí)作用后油類產(chǎn)物的排出增加了巖石孔隙度，而裂隙滲透率是控制液態(tài)烴產(chǎn)出的主要通道。但是上述研究溫度較低，且與頁巖地下三軸（軸壓-圍壓）應(yīng)力的原位狀態(tài)有所區(qū)別?；诖?，Wang等[8]基于高溫高壓三軸滲透系統(tǒng)研究了撫順未熟頁巖室溫至600 ℃平行層理和垂直層理方向原位滲透率隨溫度的演變規(guī)律及其各向異性，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力約束下平行層理方向滲透率先升后降而后急劇上升，并在350 ℃達(dá)到最低值，而垂直層理方向滲透率逐步增加，且滲透率各向異性于450 ℃達(dá)到最低。聯(lián)合顯微CT和壓汞結(jié)果，他們認(rèn)為溫度作用下熱破裂是平行層理方向滲透率的主控因素，而大孔的連通性決定了油頁巖垂直層理方向滲透率的演變規(guī)律。Zhao等[9]采用高溫三軸滲透系統(tǒng)模擬了軸壓5 MPa和圍壓6 MPa下?lián)犴樜词祉搸r平行層理方向原位滲透率隨溫度的變化特征，發(fā)現(xiàn)350 ℃是滲透率的閾值溫度，認(rèn)為熱破裂和固體有機(jī)質(zhì)的熱解控制了滲透率的演化特征，但未考慮油氣產(chǎn)出規(guī)律對(duì)滲透率的影響。不同成熟度頁巖的孔隙演化模式及其特征有所差異[10-12]，而低熟頁巖熱解的油氣產(chǎn)出特征是決定頁巖孔隙結(jié)構(gòu)變化的本質(zhì)因素[13-15]。因此，低熟頁巖原位轉(zhuǎn)化過程中的油氣產(chǎn)出和孔隙結(jié)構(gòu)特征是控制不同類型低熟頁巖原位滲透率演化的關(guān)鍵要素。綜合上述研究，需聯(lián)合溫壓共控下低熟頁巖熱解過程中油氣產(chǎn)出和孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征，系統(tǒng)分析溫度和三軸應(yīng)力作用下低熟頁巖原位滲透率的演化特征。

松遼盆地北部白堊系嫩江組低熟頁巖油資源潛力巨大，是有規(guī)模的重大戰(zhàn)略資源接替領(lǐng)域，一旦取得理論技術(shù)新突破，有望為大慶油田增儲(chǔ)建產(chǎn)帶來積極變化[16-17]。國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)松遼盆地嫩江組低熟頁巖集中開展有機(jī)地球化學(xué)、富集分布規(guī)律及沉積古環(huán)境的研究[18-19]。此外，柳波等[17]基于生烴動(dòng)力學(xué)和和熱傳導(dǎo)模型，通過數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)了松遼盆地南部中央坳陷區(qū)嫩江組低熟頁巖電加熱原位改質(zhì)油氣資源量，仿真結(jié)果得出加熱第5年末嫩江組一段（簡稱嫩一段）原位改質(zhì)油氣資源量可達(dá)245.02×108t，嫩江組二段（簡稱嫩二段）為 65.89×108t，表現(xiàn)出較高的資源潛力。但是，總體而言，針對(duì)電加熱轉(zhuǎn)化方式下嫩江組低熟頁巖原位滲透率的研究鮮有報(bào)道。因此，需要開展電加熱模式下松遼盆地嫩江組低熟頁巖原位滲透率的實(shí)驗(yàn)研究，為大慶油田低熟頁巖油原位轉(zhuǎn)化開采的制訂方案提供理論依據(jù)。

針對(duì)上述理論認(rèn)識(shí)和實(shí)踐需求等問題，考慮到平行層理方向相比垂直層理方向滲透率的優(yōu)勢(shì)性[6,20]，筆者以松遼盆地北部嫩江組頁巖巖心為研究對(duì)象，基于電加熱轉(zhuǎn)化模式，采用溫度-三軸應(yīng)力聯(lián)合的滲透測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定溫度-三軸應(yīng)力作用下低熟頁巖平行層理方向的滲透率。鑒于三軸滲透測(cè)試系統(tǒng)油氣采集的局限性，本文通過封閉體系高壓釜電傳導(dǎo)熱解模擬實(shí)驗(yàn)分析單軸應(yīng)力狀態(tài)下低熟頁巖隨溫度的油氣產(chǎn)出特征，并使用掃描電鏡（SEM）觀察頁巖微觀結(jié)構(gòu)、孔裂隙形態(tài)、類型和尺寸隨溫度的變化特征，進(jìn)而分析油氣產(chǎn)出和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)原位滲透率演化的影響。

1 松遼盆地北部嫩江組低熟頁巖分布特征

松遼盆地位于中國東北部，面積約26×104km2，是具有下斷上坳結(jié)構(gòu)并以中生界為主的大型陸相沉積盆地。由北向南，依據(jù)構(gòu)造分布特征，劃分出6個(gè)構(gòu)造區(qū)，其中中央坳陷區(qū)是油氣的主要勘探區(qū)。盆地坳陷層發(fā)育了兩套分布面積廣、厚度大的泥頁巖沉積，分別為白堊系青山口組和嫩江組，其中嫩江組泥頁巖成熟度較低，整體為0.35%～0.78%，為本次研究的目的層位。嫩一段和嫩二段暗色頁巖分布面積超過9.0×104km2，其中嫩二段暗色頁巖在中央坳陷區(qū)厚度超過160 m，嫩一段暗色頁巖在古龍凹陷、朝陽溝階地厚度超過100 m。

松遼盆地北部嫩江組發(fā)育 3套高總有機(jī)碳含量的低熟頁巖油甜點(diǎn)層，分別為嫩二段底部、嫩一段中部及嫩一段底部甜點(diǎn)層，均具有中央坳陷區(qū)較厚，向盆地邊緣逐漸減薄的規(guī)律，其中嫩二段底部甜點(diǎn)層分布最穩(wěn)定，品質(zhì)最優(yōu)。嫩二段底部甜點(diǎn)層分布范圍廣，TOC值整體大于4%，中央坳陷區(qū)大于5%，齊家古龍凹陷南部至朝陽溝階地平均超過 5.5%（見圖 1a），厚度大于10 m的甜點(diǎn)層分布在中央坳陷區(qū)主體位置，面積為16 273 km2（見圖1b）。

圖1 松遼盆地北部嫩二段底部低熟頁巖油甜點(diǎn)層TOC（a）和厚度（b）分布圖

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品特征

基于嫩江組低熟頁巖分布特征，以中央坳陷區(qū)嫩二段底部的S15井巖心（見圖1）為研究對(duì)象，巖性為灰黑色頁巖，巖心樣品的井段深度為880.67 m。依據(jù)GB/T 19145—2003[21]，采用CS-230碳硫分析儀測(cè)定了樣品總有機(jī)碳（TOC）。依據(jù)GB/T 18602—2012[22]，采用Rock-Eval 6 plus進(jìn)行巖石熱解分析，獲取最大熱解溫度（Tmax）、游離烴（S1）和熱解烴（S2）含量?；赥OC值和S2值計(jì)算樣品氫指數(shù)（HI）。根據(jù)SY/T 5124—2012[23]和 SY/T 6414—2014[24]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè)定了樣品最大鏡質(zhì)體反射率（Ro,max）和全巖顯微組分含量。參照 SY/T 5163—2018[25]標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了頁巖全巖和黏土礦物含量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣品TOC值為11.05%，屬于富有機(jī)質(zhì)頁巖。樣品Ro,max值為0.536%，Tmax值為438 ℃，說明頁巖樣品屬于低熟烴源巖[18]。根據(jù)Farhaduzzaman等[26]和 Hakimi等[27]研究成果繪制了 Tmax-HI關(guān)系圖（見圖 2a），表明樣品的干酪根類型為Ⅰ型。TOC-S2油氣潛力劃分圖[27]（見圖2b）顯示樣品處于Ⅰ型生油有利區(qū)，表現(xiàn)出較高的生油潛力。全巖顯微組分顯示采集樣品以腐泥組為主（76%），殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量均少于 10%。腐泥組內(nèi)層狀藻類體居多，次為結(jié)構(gòu)藻類體（見圖 2c），因此提供了較高的生油潛力。上述特征說明采集樣品為Ⅰ型干酪根且藻類體為主的腐泥型低熟頁巖，與Jia等[18]報(bào)道結(jié)果一致。頁巖礦物組成以石英和黏土礦物為主，含量分別為 42.1%和 42.8%，黃鐵礦含量低，僅為 4.7%，黏土礦物主要由伊蒙混層組成，次為伊利石，綠泥石含量最低。

圖2 低熟頁巖有機(jī)地球化學(xué)指示圖和全巖顯微組分圖

2.2 原位滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)

采用實(shí)時(shí)高溫三軸巖石穩(wěn)態(tài)法滲透測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定樣品平行層理方向不同熱解溫度的原位滲透率。實(shí)驗(yàn)前，采用線切割機(jī)順平行層理方向制備直徑50 mm、高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱。依據(jù)樣品深度，按照0.98 MPa/100 m靜水壓力梯度，實(shí)驗(yàn)選取的軸壓和圍壓分別為 8 MPa和10 MPa，設(shè)定熱解溫度為300～500 ℃，除375 ℃設(shè)定溫度，其余溫度間隔為50 ℃，共計(jì)6個(gè)溫度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，以 20 ℃/min的加熱速率升溫到 6個(gè)設(shè)定的熱解溫度。采用高純氮?dú)猓?9.99%）測(cè)定了0.5～3.0 MPa（間隔為0.5 MPa）孔隙壓力作用下的滲透率。原位滲透率測(cè)試的樣品為連續(xù)性加熱，每當(dāng)一個(gè)設(shè)定溫度測(cè)試完，繼續(xù)測(cè)定下一個(gè)溫度下不同孔隙壓作用的原位滲透率。需要指出，樣品熱解過程中排出的油氣影響了滲透率的測(cè)定，為避免上述問題，待油氣產(chǎn)物排盡后進(jìn)行恒溫恒壓的原位滲透率測(cè)試。穩(wěn)態(tài)法滲透率基于達(dá)西定律測(cè)試，計(jì)算公式如下：

需要指出，松遼盆地北部低熟頁巖因沉積、構(gòu)造等地質(zhì)因素在有機(jī)地球化學(xué)、巖性組合等方面存在差異。因此，采集樣品并不能代表整個(gè)松遼盆地北部低熟頁巖原位滲透率的演化特征，但目標(biāo)樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為該區(qū)低熟頁巖油的原位開采提供借鑒。

2.3 低熟頁巖電加熱模擬實(shí)驗(yàn)

電加熱實(shí)驗(yàn)設(shè)備為無錫石油地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)研究中心的 DK-Ⅲ型熱壓模擬儀，實(shí)驗(yàn)選取封閉體系的高壓釜作為反應(yīng)容器。依據(jù)原位滲透率壓力設(shè)定，軸壓設(shè)置為8 MPa。實(shí)驗(yàn)前將巖心加工成粒徑約1 cm的碎塊并充分混合均勻（見圖 3a、圖 3b）。從混合樣品里選取5個(gè)位置進(jìn)行TOC值和S2值的測(cè)定判斷樣品非均質(zhì)性的影響（見圖3c）。圖3表明，5個(gè)位置樣品TOC值范圍為 10.98%～11.65%（平均為 11.13%），S2值范圍為87.47～92.95 mg/g（平均為88.68 mg/g），氫指數(shù)HI值為796.3～798.6 mg/g。結(jié)果表明，參數(shù)波動(dòng)很小，可以忽略非均質(zhì)性的影響。依據(jù)設(shè)定的6個(gè)熱解溫度，將制備好的樣品等分成 6組平行樣，每組樣品質(zhì)量約60 g。將加工好的樣品置于高壓釜，封閉高壓釜，設(shè)定軸向壓力后，抽真空排除裝置中的空氣。實(shí)驗(yàn)升溫速率為20 ℃/min，每個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)恒溫加熱72 h。熱解實(shí)驗(yàn)期間，通過排水集氣法明確生氣量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，待反應(yīng)釜壓力降至空氣壓力后，收集排出油于裝有氯仿的磨口瓶內(nèi)，并采用氯仿清洗排烴管道內(nèi)的液態(tài)烴，兩者之和定義為排出油量[28]。依據(jù)SY/T 5118—2005標(biāo)準(zhǔn)[29]，采用氯仿溶劑抽提熱解后的固體殘?jiān)?，氯仿抽提量定義為殘留油量。排出油和殘留油合稱總油。參照SY/T 5119—2016標(biāo)準(zhǔn)[30]采用柱色層分離方法將排出油和殘留油劃分為飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質(zhì) 4種組分。將不同熱解后的低熟頁巖半焦產(chǎn)物保存于密封的玻璃安瓿，以備后續(xù)SEM實(shí)驗(yàn)測(cè)試。需要說明：受儀器制約，無法加載圍壓，實(shí)施了單軸應(yīng)力狀態(tài)下低熟頁巖的熱解模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一定程度上反映了應(yīng)力-溫度耦合作用下低熟頁巖的油氣產(chǎn)出特征[31]。

圖3 不同位置點(diǎn)樣品的TOC和S2參數(shù)對(duì)比

2.4 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)

掃描電鏡（SEM）實(shí)驗(yàn)儀器為高分辨率的 FEI Helios Nanolab 600i場發(fā)射掃描（FE-SEM）/聚焦離子束（FIB）“雙束”掃描儀。實(shí)驗(yàn)前，使用Leica EM TXP精研一體機(jī)切割樣品，制備成邊長5～7 mm，高小于2 mm的薄片，隨后通過Leica RES 102 離子拋光儀進(jìn)行表面氬離子束拋光4 h，保證樣品拋光面的平整性。采用EMITECH K950X鍍膜儀對(duì)拋光樣品鍍碳層，增加樣品表面的導(dǎo)電能力。隨后將樣品置于SEM真空腔體內(nèi)，實(shí)驗(yàn)過程中工作模式為高真空。通過SEM的背散射電子像（BSEM），區(qū)分樣品內(nèi)無機(jī)與有機(jī)成分的差異，由低倍至高倍逐步觀察樣品礦物及有機(jī)質(zhì)隨溫度的變化特征。為了降低樣品非均質(zhì)性的影響，每個(gè)溫度點(diǎn)都采用2～3個(gè)樣品進(jìn)行觀測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與地質(zhì)認(rèn)識(shí)

3.1 原位滲透率隨溫度的變化特征

圖 4繪制了不同孔隙壓力下平行層理方向原位滲透率隨熱解溫度的變化曲線。實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，滲透率為（0.000 2～2.364 0）×10-3μm2，與 Ghanizadeh 等[32]和Zhao等[9]所得滲透率范圍一致。圖4表明溫度低于400 ℃時(shí)滲透率很低，為（0.000 2～0.072 0）×10-3μm2，高于 400 ℃時(shí)滲透率明顯改善，孔隙壓力為0.5 MPa下，500 ℃時(shí)滲透率高達(dá)2.364×10-3μm2。同一溫度條件下，滲透率隨孔隙壓力的增大而減小，Wang等[8]也發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象，他們將其歸因于克林伯格效應(yīng)作用的結(jié)果，同等溫度和地應(yīng)力條件，高溫低滲儲(chǔ)集層的孔隙壓越低，克林伯格滑脫效應(yīng)越明顯，滲透率越高[32-33]。

圖4 不同孔隙壓力下的平行層理滲透率隨熱解溫度的變化曲線

依據(jù)曲線變化特征，實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)滲透率演化劃分為4個(gè)階段：①第1階段，300 ℃時(shí)，滲透率為（0.004～0.012）×10-3μm2，350 ℃時(shí)，滲透率提升至（0.015～0.072）×10-3μm2，升高了 4～7倍。②第2階段，350～375 ℃時(shí)，滲透率下幅顯著，實(shí)驗(yàn)溫度為375 ℃時(shí)滲透率降低了 1個(gè)數(shù)量級(jí)，幾乎接近于零。Wang等[8]和Zhao等[9]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)撫順油頁巖滲透率幾乎降低為零的溫度為350 ℃。區(qū)別于本文湖相沉積的低熟頁巖，撫順油頁巖形成于陸相煤系，陸源有機(jī)質(zhì)含量增多，干酪根為Ⅱ型。上述地球化學(xué)特征的差異可能造成滲透率演化對(duì)溫度的差異響應(yīng)[6,14]。③第3階段，375～450 ℃時(shí)，滲透率穩(wěn)定上升，450 ℃時(shí)滲透率提升至（0.119～0.391）×10-3μm2。④第4階段，450～500 ℃時(shí)，滲透率急劇上升，增長了近1個(gè)數(shù)量級(jí)，孔隙壓力為 0.5～3.0 MPa，500 ℃時(shí)滲透率已高于 1.7×10-3μm2。

3.2 低熟頁巖熱解油氣產(chǎn)出特征

表 1統(tǒng)計(jì)了低熟頁巖不同溫度下排出油、殘留油和排出氣的產(chǎn)率數(shù)據(jù)。表 2統(tǒng)計(jì)了排出油和殘留油各自的族組成含量。表 1表明排出油、殘留油和總油產(chǎn)率均隨溫度升高呈現(xiàn)先升后降的變化規(guī)律，三者的產(chǎn)油高峰均為375 ℃。具體為：300 ℃時(shí)油產(chǎn)率低，為83.94 mg/g，300～350 ℃時(shí)產(chǎn)量上升了7.7倍，375 ℃時(shí)產(chǎn)油率最高，為682.06 mg/g，450～500 ℃產(chǎn)率迅速下降至9.37 mg/g。實(shí)驗(yàn)溫度范圍，300～375 ℃時(shí)殘留油和排出油產(chǎn)率分別為46.24～427.60 mg/g和37.70～254.46 mg/g，且殘留油產(chǎn)率高于排出油產(chǎn)率，400 ℃時(shí)兩者對(duì)等，450～500 ℃時(shí)相反，該規(guī)律與馬中良等[31]報(bào)道結(jié)果一致。表 1表明生氣量隨著溫度的升高一直增大，且溫度高于400 ℃時(shí)氣體大量生成。依據(jù)Easy Ro模型[34]計(jì)算了對(duì)應(yīng)溫度下樣品的鏡質(zhì)體反射率（見表1）。結(jié)合有機(jī)質(zhì)演化過程，依據(jù)前人研究成果[14]，樣品的油氣生成分為 4個(gè)階段：300 ℃處于瀝青生成階段、300～400 ℃處于生油窗階段、400～450 ℃處于生油窗末端至濕氣生成階段、450～500 ℃處于干氣階段，分別對(duì)應(yīng)于低熟、成熟—高成熟、過成熟和高過成熟階段。

表1 不同熱解溫度下的油氣產(chǎn)率統(tǒng)計(jì)表

表2 不同溫度下排出油和殘留油族組成統(tǒng)計(jì)表

瀝青生成階段干酪根轉(zhuǎn)化為瀝青，排出油和殘留油族組成中極性組分（瀝青質(zhì)+非烴）含量較高，黏度高、不易流動(dòng)而殘留于基質(zhì)內(nèi)[6]，而樣品中相對(duì)較高的飽和烴含量可能來自于樣品內(nèi)原先殘留的可溶有機(jī)質(zhì)[28]。隨溫度升高至350 ℃，排出油中飽和烴和芳烴含量顯著升高，分別增長了11.47倍和6.59倍，至375 ℃，處于生油窗高峰期，兩者含量持續(xù)升高，說明瀝青持續(xù)轉(zhuǎn)化為飽和烴和芳烴含量較高的液態(tài)烴[35]。375 ℃殘留油含量最高，其族組成中瀝青質(zhì)和芳烴含量最大，分別為14.59，14.51 mg/g。上述現(xiàn)象可能歸因于單軸壓力（靜巖壓力）的限制和液態(tài)烴的賦存狀態(tài)。馬忠良等[31]研究表明，烴源巖熱模擬實(shí)驗(yàn)中壓實(shí)作用延緩了干酪根向油的轉(zhuǎn)化。Wu等[36]發(fā)現(xiàn) 12.5～62.5 MPa靜巖壓力促進(jìn)干酪根的初次裂解（生成瀝青），同時(shí)弱化液態(tài)烴的排出。Schwark等[37]研究表明液態(tài)烴的賦存狀態(tài)影響了頁巖的排烴特征，他們發(fā)現(xiàn)成熟頁巖里液態(tài)烴多以吸附態(tài)賦存于孔隙、干酪根和黏土表面而難以排出，以高黏土含量的富有機(jī)質(zhì)頁巖尤為顯著。Mohnhoff等[6]基于頁巖流體萃取實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液態(tài)烴需經(jīng)溶解—擴(kuò)散—流動(dòng)通道逐步排出，且成熟頁巖中高含量的多環(huán)芳烴多吸附于孤立和可達(dá)性較差的納米級(jí)孔隙內(nèi)，增加了產(chǎn)出難度。綜合前人研究成果，本文采用的單軸壓力為 8 MPa，該壓力一定程度上促進(jìn)了干酪根的瀝青化，減緩了瀝青向油的轉(zhuǎn)化速率，導(dǎo)致生成的液態(tài)烴中富含瀝青質(zhì)和芳烴，而芳烴和瀝青質(zhì)黏度較大，可能吸附于干酪根或黏土表面，亦或賦存于孔喉窄小的納米孔隙內(nèi)而不易排出，造成溫度為375 ℃的殘留油高含量。

400 ℃對(duì)應(yīng)生油窗末期，所有液態(tài)烴類組分含量下降，殘留油中瀝青質(zhì)含量降幅尤為顯著，由14.59 mg/g下降至4.49 mg/g，而氣體產(chǎn)率升高了2倍，液態(tài)烴裂解生氣，濕氣生成階段開始[38]。溫度為 400～500 ℃時(shí)，排出油和殘留油族組成含量急劇下降，油裂解大量生氣，氣態(tài)烴產(chǎn)率顯著增加，由13.80 mL/g增長至76.51 mL/g。不同溫度排出油、殘留油以及族組成的分布反映了低熟頁巖熱演化的生排烴過程，控制了孔隙的發(fā)育特征和流體運(yùn)移通道[6,10]，對(duì)滲透率的演化有著關(guān)鍵性的影響。

3.3 孔隙結(jié)構(gòu)變化特征

25 ℃常溫下，原始樣品結(jié)構(gòu)致密（見圖 5a），有機(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)狀態(tài)與海相頁巖類似[14,39]，主要有 4種：①團(tuán)塊狀，內(nèi)部常包括石英、黃鐵礦等礦物，邊界清晰（見圖5a），對(duì)比光學(xué)全巖顯微組分，屬于結(jié)構(gòu)藻類體；②條帶狀，內(nèi)部礦物很少，呈扁狀、狹長形，邊界清晰，組分主要為層狀藻類體（見圖5b）；③有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體（見圖 5a），是主要的有機(jī)質(zhì)賦存類型，與礦物界限不清，礦物多為黏土；④散塊狀，零星隨機(jī)分布，邊界清晰，成分可能是鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組等碎片（見圖 5a）。部分有機(jī)質(zhì)內(nèi)部形成深淺不一、似圓形的生烴孔隙（見圖 5b），孔隙尺寸處于納米級(jí)別，說明嫩江組頁巖發(fā)生過微弱的排烴，符合低熟特征。長石多呈角礫狀、塊狀，內(nèi)部局部發(fā)現(xiàn)溶蝕孔（見圖 5a）。云母發(fā)育晶內(nèi)順層裂隙，寬度為0.1～2.0 μm。

圖5 25～350 ℃熱解溫度下嫩二段低熟頁巖的微觀結(jié)構(gòu)

300 ℃對(duì)應(yīng)瀝青生成階段，出現(xiàn)明顯的破裂面（見圖5c），Ko等[14]認(rèn)為是樣品快速冷卻后收縮形成，但依據(jù)Wang等[8]研究成果，本文認(rèn)為是由于有機(jī)質(zhì)與礦物的熱膨脹各向異性，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)、礦物邊緣以及兩者相互交界處發(fā)生熱破裂，孔縫寬度約為1～2 μm。黏土礦物內(nèi)部高溫失水出現(xiàn)收縮裂縫[40]（見圖 5d）。有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體內(nèi)部出現(xiàn)大小不等的似圓形的生烴孔隙，直徑約0.1～1.0 μm（見圖5d）。其余賦存形態(tài)的有機(jī)質(zhì)沒有發(fā)生明顯的生烴，印證了300 ℃時(shí)生烴量小的結(jié)果（見表 1）。該階段主要是熱破裂和少量的生烴孔隙。

350 ℃熱破裂程度加大（見圖5e），但干酪根內(nèi)不同類型的有機(jī)組分隨溫度升高表現(xiàn)出優(yōu)先熱解順序。①包裹礦物的團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)熱解不強(qiáng)烈（見圖5f），內(nèi)部包裹礦物邊緣的有機(jī)質(zhì)體積收縮，形成微裂縫，局部部位形成大小不一、孤立分布的氣孔和狹長型孔縫，孔縫邊緣處充填液態(tài)烴，該類型有機(jī)質(zhì)形成的孔裂隙連通性弱。相反，團(tuán)塊狀的純有機(jī)質(zhì)熱解后，內(nèi)部出現(xiàn)形態(tài)各異、大小不等的氣孔，氣孔直徑多為1～5 μm（見圖5g）。②尺寸大的條帶狀有機(jī)質(zhì)熱解后形成寬度大于1 μm的裂隙（最寬可達(dá)25 μm），裂隙延伸長，具有一定的貫通性（見圖5h），紅色線圈內(nèi)顯示裂隙內(nèi)固體有機(jī)質(zhì)排烴后形成色澤暗淡的焦瀝青（見圖5h），裂隙邊緣部位可見似奶油花狀的液態(tài)烴。需要指出，SEM樣品進(jìn)行氬離子拋光時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生一定的溫度（30 ℃左右），造成殘留或物理吸附于樣品基質(zhì)內(nèi)的液態(tài)烴沿著已有的裂隙、孔隙等優(yōu)勢(shì)通道排出。尺寸較小的條帶狀有機(jī)質(zhì)內(nèi)部形成橢圓形、圓形的氣孔（見圖 5h）。③有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體內(nèi)部有機(jī)質(zhì)熱解后體積減少，轉(zhuǎn)化程度強(qiáng)，只與礦物交界處殘留一層薄壁（見圖5i）。這種類型有機(jī)質(zhì)熱解后形成的孔隙，孔隙骨架多為礦物，直徑為納米級(jí)（小于1 μm），產(chǎn)狀上轉(zhuǎn)變?yōu)榈V物粒間孔[12,41]（見圖5i），是該溫度段主要的有機(jī)孔隙類型。這些孔隙在礦物顆粒的支撐下形成尺寸為納米級(jí)的連通網(wǎng)絡(luò)。④散塊狀有機(jī)質(zhì)未生烴，不發(fā)育孔隙（見圖5f），與Ko等[14]研究結(jié)果一致。上述結(jié)果顯示350 ℃時(shí)層狀藻類體優(yōu)先熱解生烴，而結(jié)構(gòu)藻類體延遲，表現(xiàn)出有機(jī)組分對(duì)溫度熱解的差異響應(yīng)，驗(yàn)證了前人的研究成果[10,12,42]，其原因可能與其組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)[7,35]，需進(jìn)一步研究。該階段生烴孔隙增多，伴隨條帶狀有機(jī)質(zhì)熱解形成幾至十幾微米寬度的裂隙?？紫额愋椭饕怯袡C(jī)成因的礦物粒間孔，但孔隙直徑多小于1 μm。

溫度為375 ℃時(shí)，熱破裂裂隙寬度變窄，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化生油明顯，氬離子拋光過程中，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化生成的液態(tài)烴遷移至樣品表面（見圖 6a—圖 6c）。不同狀態(tài)的有機(jī)質(zhì)孔隙特征如下：①團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)生烴后形成顆粒大小不一的焦瀝青，焦瀝青之間組合成泥粒級(jí)別的“納米球粒集合體”。納米球粒粒度小，粒間間距窄，粒間尺寸均小于1 μm，顆粒邊緣或內(nèi)部充填液態(tài)烴（見圖 6b）。②對(duì)于有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體，有機(jī)質(zhì)熱解后形成的孔隙之間充填大量的液態(tài)烴（見圖6c），堵塞孔喉，連通性下降。③散塊狀有機(jī)質(zhì)，一部分排烴后生成孤立的、扁平狀的納米孔隙，一部分依然未生烴（見圖 6c）。整體而言，相比 350 ℃，同等放大倍數(shù)下，有機(jī)質(zhì)熱解后頁巖基質(zhì)變得致密，孔隙度下降。結(jié)合前人研究成果，分析原因可能如下：①有機(jī)質(zhì)的塑性變形。相比礦物顆粒，干酪根隨溫度增加發(fā)生塑化，擠壓孔裂隙，降低孔隙度[20]。②吸附溶脹。如3.2節(jié)分析，375 ℃時(shí)生成的液態(tài)烴會(huì)吸附于殘留有機(jī)質(zhì)、黏土和孔隙表面，引發(fā)吸附溶脹，壓縮孔裂隙空間，降低了孔隙連通性，Wu等[43]也報(bào)道了一致的結(jié)論。上述結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致頁巖基質(zhì)內(nèi)保留了較高的殘留油含量（見表1）。

圖6 375～500 ℃熱解溫度下嫩二段低熟頁巖的微觀結(jié)構(gòu)

區(qū)別于溫度為375 ℃的情況，400 ℃情況下焦瀝青周圍雖附著液態(tài)烴，但與礦物顆粒相混合形成粒間孔，擴(kuò)大了孔隙尺寸，形成了有效滲流通道，改善了孔隙連通性（見圖 6d、圖 6e），散塊狀有機(jī)質(zhì)在高溫?zé)釕?yīng)力作用下形成微米級(jí)熱破裂孔縫（見圖6e）。450 ℃時(shí)進(jìn)入干氣階段，有機(jī)成因的礦物粒間孔發(fā)育，尺寸由生油窗期的納米級(jí)孔隙轉(zhuǎn)變成微米級(jí)孔隙（見圖6f），散塊狀有機(jī)質(zhì)熱破裂寬度加大（見圖6g）。500 ℃時(shí)孔隙系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，孔隙之間相互連通，造成黏土、石英、長石等不同礦物之間形成相互連通的微米級(jí)孔裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（見圖6h、圖6i），形成了優(yōu)勢(shì)滲流通道。一部分散塊狀有機(jī)質(zhì)生烴后局部破裂形成連通的微裂隙，一部分形成蜂窩狀孔隙（見圖6i）。需要指出，雖然X射線衍射（XRD）結(jié)果顯示隨溫度升高黏土礦物發(fā)生伊利石化（見表3），但與Ko等[14]觀察結(jié)果一致，實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，礦物對(duì)微米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的演變影響不大，主要是有機(jī)質(zhì)熱解形成的有機(jī)成因孔隙。

表3 不同溫度下黏土礦物相對(duì)含量

3.4 原位滲透率的演化機(jī)制

溫度-三軸應(yīng)力作用下，原位滲透率是溫度、壓力和有機(jī)質(zhì)熱解耦合作用的結(jié)果，而不同成熟階段有機(jī)質(zhì)熱解形成的有機(jī)孔隙及其類型、液態(tài)烴含量及其族組成影響了滲透率的演化過程。依據(jù)上述分析，原位滲透率的演化機(jī)制分為以下幾個(gè)階段。

第1階段：溫度為25～300 ℃時(shí)。自然狀態(tài)下低熟頁巖致密，微米級(jí)孔隙不發(fā)育。隨溫度升高，有機(jī)質(zhì)和礦物受熱膨脹作用不均勻熱變形產(chǎn)生熱破裂[9,44]，形成寬度大于1 μm的裂隙，一定程度上提高了儲(chǔ)集層滲透率。此外，黏土礦物中的層間水發(fā)生高溫脫水作用，形成收縮裂縫[40]，有利于滲透率的提升。

第2階段：溫度為 300～350 ℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)-礦物復(fù)合體中的層狀藻類體強(qiáng)烈裂解，形成以礦物為骨架的納米級(jí)連通孔隙網(wǎng)絡(luò)，而條帶狀的層狀藻類體熱解后可以形成局部貫通的裂隙通道，這些滲流通道提高了頁巖滲透率。然而，生成的液態(tài)烴以黏度稠、流動(dòng)性低的瀝青質(zhì)為主，在受到圍壓和軸壓應(yīng)力的約束下，液態(tài)烴更易滯留于孔隙內(nèi)堵塞孔喉。另外，結(jié)構(gòu)藻類體基本未生烴，條帶狀有機(jī)質(zhì)熱解不完全，導(dǎo)致不同狀態(tài)有機(jī)質(zhì)熱解形成的通道空間上相互獨(dú)立而互不連通。上述因素導(dǎo)致滲透率提高程度有限。

第3階段：350～375 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)生油窗中期，不同類型的有機(jī)質(zhì)強(qiáng)烈裂解生油，但滲透率急劇下降。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，原因如下：①該溫度段殘留油組分內(nèi)分子量較大、黏度較稠的芳烴和瀝青質(zhì)含量提高了1.44倍。依據(jù)前人研究結(jié)果[6,37]，這些烴類產(chǎn)物更容易吸附或賦存于孔隙、干酪根和黏土礦物表面而難以排出。吸附或溶解于固體基質(zhì)內(nèi)的液態(tài)烴會(huì)引發(fā)吸附溶脹效應(yīng)[43]，壓縮孔裂隙等滲流通道。②該溫度段固體基質(zhì)受熱膨脹作用軟化而橫向變形，但熱膨脹引起的變形和位移在原位條件下受到圍壓應(yīng)力的約束，橫向上阻礙了頁巖的位移，導(dǎo)致在固體基質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生附加膨脹熱應(yīng)力[44]，擠壓滲流通道。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)熱解生成的氣體壓力低，在圍壓約束下，反向作用于固體基質(zhì)，壓縮孔裂隙。Saif等[45]使用數(shù)字體積相關(guān)技術(shù)對(duì)油頁巖熱解過程中微裂縫的動(dòng)態(tài)演化進(jìn)行了量化，發(fā)現(xiàn)小裂縫的受壓閉合是由局部壓應(yīng)力造成的，與本文結(jié)果一致。③軸向應(yīng)力下，壓實(shí)作用降低了熱解裂縫的張開程度。上述因素惡化了原位條件下低熟頁巖的滲流能力。值得注意的是，3.2節(jié)顯示溫度為375 ℃時(shí)排出油產(chǎn)率所占比例為37.31%，說明具備一定的滲流能力，但需要說明：①電加熱模擬實(shí)驗(yàn)是在單軸應(yīng)力下進(jìn)行的，無圍壓的限制，不會(huì)受附加膨脹熱應(yīng)力的影響，液態(tài)烴可以從側(cè)向孔隙通道滲出；②電加熱模擬實(shí)驗(yàn)樣品是大小約1 cm的小碎塊組合的，在軸向壓力壓實(shí)作用下雖形成柱狀體，但顆粒間的孔隙度可能大于原始狀態(tài)的圓柱體巖心。因此，原位三軸應(yīng)力約束下，殘留油產(chǎn)量可能更高，滲透率也明顯下降。

第4階段：溫度為375～450 ℃時(shí)，滲透率穩(wěn)定增加。在此溫度段，油產(chǎn)量持續(xù)下降，氣態(tài)烴產(chǎn)量持續(xù)增加，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化后其占據(jù)的空間轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌転榈V物的粒間孔隙，并與熱破裂形成的裂縫相互連接，空間上形成相互連通的微米級(jí)孔裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，滲透率增強(qiáng)。該溫度段，伊利石由375 ℃的34%增加到450 ℃的75%（見表3），高溫高壓作用顯著促進(jìn)了黏土礦物伊蒙混層向伊利石的轉(zhuǎn)化，造成巖石可壓性強(qiáng)度升高[43]，減弱了軸向壓力對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的壓實(shí)作用。同時(shí)，液態(tài)烴產(chǎn)量的下降減弱了基質(zhì)溶脹，而氣體含量的增加逐步加大了頁巖內(nèi)部壓力，減緩了圍巖應(yīng)力和附加熱膨脹應(yīng)力的限制。上述因素促進(jìn)滲透率持續(xù)增加。

第5階段：溫度為450～500 ℃時(shí)，滲透率顯著增加。此溫度段孔隙結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定，但有機(jī)質(zhì)熱解生成的大量氣體顯著增加了頁巖內(nèi)部壓力，打開了垂直于頁巖層理的裂縫。實(shí)驗(yàn)卸載后可以發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)部不同層理方向的裂縫，合并形成相互交錯(cuò)的裂隙網(wǎng)絡(luò)（見圖7）。同時(shí)，黏土礦物的伊利石化依然明顯（見表3），可壓性強(qiáng)度也隨之增大。這種情形更加削弱了周圍應(yīng)力的限制，頁巖滲透率顯著提升。

圖7 原位滲透率測(cè)試卸載后樣品圖像

4 結(jié)論

在溫度和三軸應(yīng)力共控實(shí)驗(yàn)條件下，松遼盆地北部白堊系嫩江組二段低熟頁巖樣品的原位滲透率隨溫度呈現(xiàn)先升后降又升的變化趨勢(shì)，溫度為375 ℃時(shí)，滲透率達(dá)到最低，溫度大于400 ℃時(shí)，滲透率持續(xù)升高。同一溫度，滲透率隨孔隙壓的增大而減小。

隨著溫度的升高，總油、排出油和殘留油產(chǎn)率先升后降，溫度為350～400 ℃時(shí)為產(chǎn)油高峰，排油峰值溫度為375 ℃。溫度高于400 ℃時(shí)，油產(chǎn)率顯著下降，生氣率急劇上升。生油窗階段，殘留油含量明顯高于排出油，族組成顯示液態(tài)烴以吸附態(tài)賦存。

SEM結(jié)果揭示，300～500 ℃溫度范圍內(nèi)頁巖孔隙變化模式為：①300 ℃處于瀝青生成期，生成直徑1～2 μm的熱破裂孔縫及少量生烴孔隙。②350 ℃對(duì)應(yīng)生油窗早期—中期，層狀藻類體優(yōu)先熱解形成有機(jī)孔隙，其中以有機(jī)-礦物復(fù)合體生烴形成的納米級(jí)孔隙（孔徑多小于1 μm）為主，產(chǎn)狀上為礦物粒間孔，次為條帶狀有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化生烴后形成的孔徑大于1 μm的微米級(jí)孔縫和氣孔。以結(jié)構(gòu)藻類體為主的團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)生烴弱，形成孤立的氣孔或孔縫。③375 ℃對(duì)應(yīng)生油窗高峰期，有機(jī)成因形成的礦物粒間孔為主，次為結(jié)構(gòu)藻類體熱解后焦瀝青顆粒之間的孔隙，孔隙直徑小于1 μm。上述孔隙多被液態(tài)烴充填。④400～500 ℃對(duì)應(yīng)生油窗末期—干氣期，有機(jī)成因的礦物粒間孔形成相互交錯(cuò)連通的孔隙網(wǎng)絡(luò)，部分散塊狀有機(jī)質(zhì)生烴形成蜂窩狀孔隙。

軸壓和圍壓約束下，原位滲透性的演化劃分為 5個(gè)階段：溫度為25～300 ℃時(shí)滲透率緩慢增加、300～350 ℃時(shí)滲透率明顯升高、350～375 ℃時(shí)滲透率顯著下降、375～450 ℃時(shí)滲透率穩(wěn)定增加、450～500 ℃時(shí)滲透率顯著增加。5個(gè)階段內(nèi)有機(jī)質(zhì)熱解形成的烴含量及其族組成、孔隙結(jié)構(gòu)特征和周圍應(yīng)力的耦合作用是原位滲透率演化的主控因素。

符號(hào)注釋：

K——滲透率，m2；L——樣品長度，m；p1——進(jìn)口壓力，Pa；p0——大氣壓，Pa；p2——出口壓力，Pa；Q0——單位時(shí)間的流量，m3/s；Ro,max——最大鏡質(zhì)體反射率，%；S——樣品截面積，m2；S1——游離烴含量，mg/g；S2——熱解烴含量，mg/g；Tmax——最大熱解溫度，℃；μ——?dú)怏w動(dòng)力黏度，Pa·s。