潛江凹陷頁巖巖相對頁巖油儲層的控制作用

云念寒，王芙蓉，侯宇光，曾宏斌，楊榮巖

中國地質大學 構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北武漢430074

0 前言

巖相是巖石的一種基本特征，通常反映一定的沉積環(huán)境和沉積過程［1］，也可以反映巖石學特征和沉積微相特征［2］.近年來隨著頁巖油氣勘探工作的深入，石油地質學家發(fā)現雖然泥頁巖礦物成分復雜、非均質性較強，但是其有機質的成熟度、天然氣的含量及氣體賦存狀態(tài)都與頁巖中有機質的含量及礦物組成關系密切［3］，如Jacobi 等［4］證實了頁巖巖相與TOC 以及孔隙度的分布有密切聯系，Mitra 等［5］證實頁巖巖相在TOC預測、巖石物理學分析、孔隙度分析和甜點預測方面具有十分重要的作用.同時國外在Bakken 組頁巖、Barnett 頁巖、Marcellus 頁巖和Woodford 頁巖等非常規(guī)頁巖儲層油氣勘探和開發(fā)中，基于頁巖層理、結構、生物、礦物組成、巖性等方面開展富有機質頁巖巖相研究，已取得了廣泛的成功［6-9］.

相比海相頁巖油儲層來說，中國陸相頁巖油儲層的礦物組成更為多樣、巖石類型更為豐富、疊置關系更為復雜，眾多學者對鄂爾多斯盆地頁巖、渤海灣盆地濟陽拗陷頁巖、黃驊拗陷滄東凹陷頁巖開展巖相研究，對于油氣勘探均有一定的指示意義.馮增昭［10］、沈騁等［11］認為不同巖相儲集層形成條件存在差異，導致其礦物組成和有機碳含量存在較大差異，進而導致儲層孔隙度以及頁巖油的賦存機制存在差異；王圣柱、王勇、徐興友、李士超等［12-15］認為紋層狀巖相的水平滲透率相對較高，孔滲條件好，富有機質頁巖有機質多呈網狀分布，含油性較好；柳波等［16］認為塊狀高有機質頁巖孔隙多孤立，中等有機質含量時，生油潛力好且孔隙發(fā)育較好；Iqbal 等［17］、Shang 等［18］認為富含泥質的頁巖微孔及有機質較為發(fā)育.

江漢盆地潛江凹陷古近系潛江組頁巖含油性好，可采資源量豐富，具有較大的勘探潛力.近年來，眾多學者對潛江凹陷潛江組頁巖開展了不同程度的研究，主要集中在頁巖的巖石學組成、地球化學性質以及儲層特征等方面：孫中良、Huang 等［19-20］認為礦物組成以白云石、方解石、黏土礦物以及石英和長石為主；李樂等［21］認為潛江凹陷頁巖儲層孔隙特征為高-中孔、特低滲；徐二社、劉心蕊等［22-23］認為潛江組34 油組第10 韻律層為最有利于頁巖油富集的層系；Wang、Hou等［24-25］認為該層段為缺氧環(huán)境，有利于有機質的發(fā)育及保存，而對頁巖巖相對儲層的控制關系的研究較為缺乏.

潛江凹陷潛江組頁巖儲層礦物成分復雜、巖性多樣、巖相變化快，儲層孔隙類型多、結構復雜，導致頁巖油富集規(guī)律的研究難度增大.為此，本研究在前人研究的基礎上，以潛江凹陷鉆井中潛江組頁巖為研究對象，通過XRD 分析、氬離子拋光掃描電鏡、低溫氮氣吸附、高壓壓汞和巖石熱解分析等方法，對比研究不同巖相的巖石學特征、孔隙特征以及含油性特征，分析造成差異的相關地質因素，建立巖相與孔隙結構及含油性的關系，最終明確優(yōu)勢巖相，為下一步勘探部署提供依據.

1 地質概況

潛江凹陷位于江漢盆地中部，面積達2 530 km2.北部與荊門凹陷、樂鄉(xiāng)關地壘、漢水凹陷相連，東部與江陵凹陷相鄰，南部以通?？谕蛊馂榻?，西部與岳口低凸起相連.始新世晚期到漸新世早期，潛北大斷裂活動強烈，斷裂前緣快速下陷，北東向構造特征弱化，北西向隆升的構造趨勢得以加強［26-27］（圖1）.江漢盆地潛江組地層沉積時期以亞熱帶干旱為主，且與潮濕環(huán)境交替較為頻繁.因此，潛江組在縱向上顯示出化學蒸發(fā)沉積與陸源碎屑沉積交替出現的特征［28］，地層長期處于封閉性強、蒸發(fā)性強以及高鹽度環(huán)境，具有周期性淺水-半深水鹽湖沉積特點［29］，最終沉積形成了巨厚的潛江組含鹽系地層，普遍發(fā)育泥頁巖，油氣顯示豐富.與北美及中國其他地區(qū)的相比，潛江組鹽間地層頁巖具有“高黏土、低石英、高碳酸鹽”的礦物特征，同時頁巖中又含有一定量的蒸發(fā)鹽類礦物，對頁巖油儲層的孔隙和含油性產生了較大的影響.潛江組按地層層序自下而上可分為潛四段（Eq4）、潛三段（Eq3）、潛二段（Eq2）和潛一段（Eq1），其中潛三下段和潛四下段是頁巖油勘探最有利層段［22］.

圖1 潛江凹陷構造位置及取樣井位圖（據文獻［27］修改）Fig.1 Tectonic map with sampling well location of Qianjiang Sag（Modified from Reference［27］）1—砂泥巖相區(qū)（sandy mudstone facies）；2—咸淡過渡區(qū)（saline waterfreshwater transition zone）；3—鹽韻律區(qū)（salt rhythm area）；4—砂巖尖滅線（pinch-out line of sandstone）；5—巖鹽尖滅線（pinch-out line of rock salt）；6—地層尖滅線（stratigraphic pinch-out line）；7—凸起邊界（boundary of uplift）；8—斷層（fault）；9—物源方向（source direction）；10—取樣井（sampling well）

2 分析方法與樣品

受北部單向碎屑物源的影響，本次實驗所用樣品取自潛江凹陷北部周磯向斜帶BX7 井以及南部蚌湖洼陷BYY2 井的潛34油組10 韻律（圖1），共37 塊巖心樣.BX7 井樣品的深度為3 046～3 062 m，巖相多為淺灰色塊狀云-灰質泥巖相，TOC 含量0.32%～2.58%，平均含量為1.40%；BYY2 井樣品的深度為2 813～2 823 m，巖相多為紋層狀黃褐色泥質云巖相和云質泥巖相，TOC 含量0.49%～2.91%，平均含量為1.58%.

XRD 分析采用D8 DISCOVER X 射線衍射儀，通過對材料進行X 射線衍射，分析其衍射圖譜，從而計算出特征X 射線的波長，進而可根據已有資料查出試樣中所含的元素.

低溫氮氣吸附試驗采用ASAP2020 全自動比表面及孔徑分析儀進行測試.該儀器孔徑測量范圍為0.35～500.00 nm，測試條件為：低溫-195.8 ℃，壓力97.3～127.0 kPa，樣品要求0.18～0.28 mm（80～60 目），以純度大于99.999%的氮氣為吸附質.根據BET 方程計算出頁巖的比表面積，應用BJH 理論和Kelvin 方程求出孔隙所對應的分布情況.

高壓壓汞分析采用Autopore Ⅳ9520 高壓壓汞儀進行測試.利用汞對一般固體不潤濕的特性進行分析，根據相關資料得出孔徑分布情況.最大進汞壓力為413 MPa，孔喉測試范圍為3 nm～800 μm，樣品為1 cm3的立方體.

索式抽提實驗采用經典索氏提取器，以丙酮、氯仿、甲醇（體積比19 ∶16 ∶15）的三元溶劑為抽提劑，在70～90 ℃溫度條件下對樣品進行抽提.以上分析測試均在中國地質大學（武漢）構造與油氣教育部重點實驗室完成.

孔隙度采用氦孔隙度測量儀JS 100007，滲透率采用高低滲透率測定儀JS 100006 和JS 100010，實驗在江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院石油地質測試中心完成.

場發(fā)射掃描電鏡采用日本日立冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，型號為SU8010，測試條件為加速電壓：0.1～30 kV、0.1 kV/步，在中國科學院微生物研究所完成.

3 實驗結果

3.1 儲層的礦物成分及地球化學特征

XRD 分析數據顯示，BX7 井及BYY2 井樣品的礦物成分主要為白云石和黏土礦物，其次為方解石和石英，以及少量長石、黃鐵礦、石膏和巖鹽.

兩口井頁巖樣品中礦物含量存在差異，主要表現在黏土礦物和白云石的含量不同.BYY2 井樣品黏土礦物平均含量為15.42%，而BX7 井樣品黏土礦物平均含量為25.5%；BYY2 井樣品白云石平均含量為44.89%，而BX7 井白云石平均含量為29.9%（表1）.

表1 樣品礦物組分及地球化學特征Table 1 Mineral compositions and geochemical characteristics of shale samples

兩口井頁巖樣品中含油性參數也存在差異，主要表現在TOC 含量、S1含量和OSI 值.BYY2 井頁巖樣品中含油性參數相對較高，TOC 含量多為1%～3%，S1含量多為0～15×10-3，平均為10.14×10-3，OSI 值多為300×10-3～800×10-3，平均為793×10-3，為含油且具有較高產油性的巖層.BX7 井頁巖樣品TOC 含量多為1%～2%，S1含量多為0～5×10-3，平均為4.24×10-3，OSI 值多為200×10-3～400×10-3，平均321.71×10-3，為含油且具有產油性的巖層.

以“碎屑（石英、長石以及黏土礦物）-方解石-白云石”三端元分類法進行頁巖巖相劃分.同時結合巖心觀察發(fā)現：BX7 井頁巖樣品主要為淺灰色，塊狀構造，主要發(fā)育塊狀灰質泥巖相以及塊狀云質泥巖相；BYY2 井頁巖樣品從淺灰色到深灰色均有，夾有黃褐色泥質巖層，主要發(fā)育紋層狀泥質云巖相并夾有黃褐色紋層狀灰質泥巖相（圖2）.

圖2 樣品巖相劃分散點圖Fig.2 Lithofacies classification diagram of shale samplesI—泥巖相（mudstone facies）；II—灰質泥巖相（calcareous mudstone facies）；III—云質泥巖相（dolomitic mudstone facies）；IV—泥質灰?guī)r相（argillaceous limestone facies）；V—泥質云巖相（argillaceous dolomite facies）；VI—云質灰?guī)r相（dolomitic limestone facies）；VII—灰質云巖相（calcareous dolomite facies）；VIII—灰?guī)r相（limestone facies）；IX—白云巖相（dolomite facies）；1—BX7 井（BX7 well）；2—BYY2 井（BYY2 well）

3.2 孔隙結構

兩口井頁巖樣品的脫附曲線出現了2 種明顯不同的遲滯環(huán)曲線［30］，塊狀頁巖相和紋層狀頁巖相樣品孔隙結構具有較大差異.塊狀頁巖樣品孔隙為圓柱形、平行板狀狹縫形以及墨水瓶形三者混合（圖3a），紋層狀頁巖樣品孔隙結構多為四周開放的平行板狀狹縫孔隙（圖3b）.

圖3 樣品孔隙結構Fig.3 Pore structures of shale samplesa—塊狀頁巖樣品低溫氮氣吸附-脫附曲線（low temperature nitrogen adsorption-desorption curves of massive shale samples）；b—紋層狀頁巖樣品低溫氮氣吸附-脫附曲線（low temperature nitrogen adsorption-desorption curves of laminated shale samples）；c—孔徑分布曲線（氮氣吸附）（pore-size distribution curves，nitrogen adsorption）；d—孔徑分布曲線（進汞增量）（pore-size distribution curves，incremental intrusion Hg）；1—塊狀云質泥巖相（massive dolomitic mudstone facies）；2—塊狀灰質泥巖相（massive calcareous mudstone facies）；3—紋層狀泥質云巖相（laminated argillaceous dolomite facies）；4—紋層狀云質泥巖相（laminated dolomitic mudstone facies）；5—紋層狀灰質泥巖相（laminated calcareous mudstone facies）

低溫氮氣吸附-脫吸附曲線顯示，樣品的孔徑多為2～100 nm，其中塊狀頁巖樣品孔徑多小于10 nm，紋層狀頁巖樣品孔徑主要集中在10～100 nm（圖3c）.高壓壓汞實驗結果進一步表明，樣品的孔徑主要集中在10～200 nm 之間，且不同巖相樣品的進汞曲線和孔徑分布存在較大差異，其中紋層狀云質泥巖相、紋層狀泥質云巖相中大孔最為發(fā)育，孔隙體積也相對較大（圖3d）.

3.3 孔隙類型

氬離子拋光掃描電鏡結果顯示，潛江組頁巖樣品的孔隙類型主要有粒間孔、碳酸鹽晶間孔、黏土礦物層間孔，部分孔隙內可見黑色的有機質充填.其中粒間孔主要發(fā)育于碳酸鹽礦物之間以及黏土礦物顆粒間及顆粒邊緣，孔徑大小不一，部分孔隙邊緣可見有機質賦存（圖4a）；晶間孔主要發(fā)育在白云石晶體之間，多數情況下呈現出規(guī)則的多面體狀，孔徑較大，連通性好（圖4b、c）；黏土礦物層間孔主要分布在黏土礦物之間，孔徑普遍較低，多為納米級，孔隙形狀多為狹長狀、扁平狀（圖4d）.

圖4 頁巖掃描電鏡圖Fig.4 SEM photographs of shale samplesa—BX7 井，塊狀云質泥巖相樣品，主要發(fā)育碳酸鹽礦物粒間孔和黏土礦物層間孔，部分碳酸鹽礦物內可見粒內孔，部分孔隙內可見少量滯留烴賦存；b—BX7 井，塊狀泥質云巖相樣品，可見黏土礦物中發(fā)育少量的層間孔，白云石顆粒接觸緊密，僅見少量的粒內溶孔；c—BYY2 井，紋層狀泥質云巖相樣品，廣泛發(fā)育白云石（粒）晶間孔，滯留烴富集；d—BYY2 井，紋層狀泥質云巖相樣品，黏土礦物間層間孔發(fā)育，部分孔隙內可見滯留烴賦存

4 討論

4.1 巖相對儲層孔隙的影響

潛江凹陷潛江組頁巖樣品實測的孔隙度小于20%，大部分處于5%～10%的范圍內；滲透率主要分布范圍為0.1×10-3～100×10-3μm2，平均值為46×10-3μm2（表2）.整體來看，潛江組鹽間頁巖屬于低孔低滲-特低滲儲層，孔隙度滲透率的發(fā)育與巖相之間沒有明顯的對應關系.比較而言，塊狀巖相的頁巖樣品的滲透率較高，與樣品發(fā)育裂縫有關；紋層狀巖相的頁巖樣品孔隙度較為發(fā)育.

表2 樣品不同巖相孔滲數據統(tǒng)計表Table 2 Porosity and permeability data of shale samples in different lithofacies

相對而言，巖相對孔徑的影響較為明顯（圖5、6）.低溫氮氣吸附試驗中頁巖樣品不同孔徑下孔體積分布以及高壓壓汞試驗中頁巖樣品不同孔徑下進汞量分布顯示，潛江凹陷潛江組頁巖樣品孔徑分布復雜，孔徑分布曲線呈多峰型，不同孔徑的孔隙均有發(fā)育，其中塊狀云質泥巖相以及塊狀灰質泥巖相以微孔為主（圖5a），孔徑主要分布在2～8 nm；而紋層狀泥質云巖相以及紋層狀灰質泥巖相的微孔、介孔和大孔均發(fā)育較好，孔徑主要分布在2 nm 左右和40～50 nm，部分微米級孔隙（圖5b）；紋層狀云質泥巖相樣品孔隙發(fā)育相對均勻，以介孔和大孔為主，孔徑主要集中在50～200 nm（圖5c）.

圖5 樣品全孔徑分布曲線Fig.5 Full-scale pore size distribution curves of shale samples1—塊狀云質泥巖相（氮氣吸附）（massive dolomitic mudstone facies，nitrogen adsorption）；2—塊狀云質泥巖相（高壓壓汞）（massive dolomitic mudstone facies，high pressure Hg injection）；3—塊狀灰質泥巖相（氮氣吸附）（massive calcareous mudstone facies，nitrogen adsorption）；4—塊狀灰質泥巖相（高壓壓汞）（massive calcareous mudstone facies，high pressure Hg injection）；5—紋層狀泥質云巖相（氮氣吸附）（laminated argillaceous dolomite facies，nitrogen adsorption）；6—紋層狀泥質云巖相（高壓壓汞）（laminated argillaceous dolomite facies，high pressure Hg injection）；7—紋層狀灰質泥巖相（氮氣吸附）（laminated calcareous mudstone facies，nitrogen adsorption）；8—紋層狀灰質泥巖相（高壓壓汞）（laminated calcareous mudstone facies，high pressure Hg injection）；9—紋層狀云質泥巖相（氮氣吸附）（laminated dolomitic mudstone facies，nitrogen adsorption）；10—紋層狀云質泥巖相（高壓壓汞）（laminated dolomitic mudstone facies，high pressure Hg injection）

抽提前后氮氣吸附以及高壓壓汞增加的孔隙體積是滯留烴所占據的空間，可以用來表示頁巖的孔隙連通性［30］.抽提前后孔徑分布曲線顯示，塊狀樣品的氮氣吸附以及高壓壓汞進汞量的增加主要集中在2～20 nm 的介孔，而紋層狀樣品的曲線則呈現出雙峰，分別在2～5 nm 以及10～100 nm 之間，且增量整體較大于塊狀樣品（圖6），說明巖相不僅影響了孔隙的大小，也影響了孔隙的連通性.

圖6 樣品抽提前后氮氣吸附曲線與進汞量曲線Fig.6 Nitrogen adsorption and incremental intrusion Hg curves before and after extraction of shale samplesa，c—塊狀（massive）；b，d—紋層狀（laminated）；1—灰質泥巖相（抽提前）（calcareous mudstone facies，before extraction）；2—灰質泥巖相（抽提后）（calcareous mudstone facies，after extraction）；3—云質泥巖相（抽提前）（dolomitic mudstone facies，before extraction）；4—云質泥巖相（抽提后）（dolomitic mudstone facies，after extraction）

掃描電鏡顯示頁巖儲層中孔隙主要為碳酸鹽礦物晶間孔，部分為黏土礦物層間孔（圖4）.紋層狀頁巖相中泥晶白云石顆粒多呈環(huán)狀聚集，晶間孔十分發(fā)育，孔徑較大［31］.汪品先認為藻類勃發(fā)誘發(fā)湖水中碳酸鹽的周期性化學沉淀是許多湖相紋層的形成機理［32］，但以塊狀為主的樣品中，化學沉淀的白云石占主體地位，壓實作用強，顆粒接觸緊密［33］，反而不利于孔隙的發(fā)育（圖4b）.比較而言，紋層狀巖相樣品比塊狀巖相樣品的孔隙體積總體較高，且介孔和大孔相對發(fā)育（圖7）.頁巖儲層中的黏土礦物有利于層間孔的發(fā)育，但由于黏土礦物極易擠壓變形，黏土礦物的含量越高，孔隙受壓實作用遭受破壞，整體表現為介孔相對發(fā)育，紋層狀巖相樣品在白云石含量為30%～40%時介孔及大孔更為發(fā)育（圖7）.

圖7 樣品孔隙與礦物含量相關性散點圖Fig.7 Scatter diagrams showing the correlation between pore and mineral contents of shale samplesI—白云石（dolomite）；II—黏土礦物（clay mineral）；1—塊狀云質泥巖相（massive dolomitic mudstone facies）；2—紋層狀云質泥巖相（laminated dolomitic mudstone facies）；3—紋層狀泥質云巖相（laminated argillaceous dolomite facies）；4—塊狀灰質泥巖相（massive calcareous mudstone facies）；5—紋層狀灰質云巖相（laminated calcareous dolomite facies）

4.2 巖相對含油性的影響

兩口井的頁巖樣品的TOC 含量和S1含量普遍較高，TOC 含量介于1%～3%，S1含量介于0～35×10-3，且兩者具有較為明顯的正相關性.比較而言，紋層狀巖相的頁巖樣品的TOC 含量高，部分可高達3%，絕大多數樣品的S1含量高于5×10-3；塊狀巖相的頁巖樣品TOC 含量多低于2%，S1含量多低于5×10-3（表3），其中紋層狀泥質云巖相具有相對高的TOC 含量和S1含量.

表3 樣品不同巖相含油性數據統(tǒng)計表Table 3 Oil-bearing property data of shale samples in different lithofacies

頁巖礦物組成在一定程度上影響頁巖油儲層中的有機質富集和滯留烴的賦存.黏土礦物多為陸源碎屑，可以攜帶部分有機質進入，但是由于潛江凹陷有機質來源主要為水生藻類及細菌［34］，陸源碎屑所攜帶的有機質貢獻較小，在一定程度上會稀釋有機質的濃度，表現為黏土礦物與TOC 含量多為負相關關系（圖8）.黏土礦物中多發(fā)育微小孔徑，不利于滯留烴（S1）的大量賦存，與S1含量、OSI 值也多呈現負相關性（圖8）.白云石含量與TOC 含量、S1含量及OSI 值均有一定程度的正相關性，其中紋層狀樣品的相關性更強（圖8），主要是由于這類樣品多形成于還原性較強的湖泊深水區(qū)，有機質保存良好，紋層大部分呈微波狀且物質組成較為復雜，高有機質含量反映了其沉積時期微生物勃發(fā)，創(chuàng)造了有利于碳酸鹽礦物形成的沉積環(huán)境［29］.

圖8 樣品地球化學參數與不同礦物含量分布相關性散點圖Fig.8 Correlations between geochemical parameters and mineral contents of shale samples1—塊狀云質泥巖相（massive dolomitic mudstone facies）；2—塊狀泥質云巖相（massive argillaceous dolomite facies）；3—塊狀灰質泥巖相（massive calcareous mudstone facies）；4—紋層狀云質泥巖相（laminated dolomitic mudstone facies）；5—紋層狀泥質云巖相（laminated argillaceous dolomite facies）；6—紋層狀灰質泥巖相（laminated calcareous mudstone facies）

相比較而言，紋層狀泥質云巖相具有良好的孔滲性，孔隙度一般為5%～15%，滲透率為1×10-3～10×10-3μm2，而且紋層狀泥質云巖相的頁巖具有較高的TOC 含量、S1含量和OSI 值，其中TOC 含量為1%～2.5%，S1含量為7×10-3～30.5×10-3，OSI 值范圍為357.51×10-3～1 350.49×10-3，是潛江組鹽間地層頁巖油勘探的優(yōu)質巖相（圖9）.

圖9 潛江凹陷潛34-10 韻律綜合柱狀圖Fig.9 Comprehensive stratigraphic column of Eq34-10 rhythm in Qianjiang Saga—BX7 井（BX7 well）；b—BYY2 井（BYY2 well）；1—石英（quartz）；2—輝長石（gabbro）；3—斜長石（plagioclase）；4—黏土（clay）；5—方解石（calcite）；6—白云石（dolomite）；7—硬石膏（anhydrite）；8—黃鐵礦（pyrite）；9—石鹽（halite）；10—鈣芒硝（glauberite）

5 結論

（1）研究區(qū)潛江組頁巖礦物成分復雜，主要為白云石、黏土礦物、方解石、石英，以及少量長石、黃鐵礦、石膏和巖鹽，其中白云石和黏土礦物占主導地位.主要發(fā)育灰質泥巖相、云質泥巖相、泥質云巖相三大類.

（2）潛江組頁巖主要發(fā)育碳酸鹽巖晶間孔、黏土礦物層間孔，孔徑分布范圍主要為2～200 nm，孔隙度多低于20%，滲透率主要為0.1×10-3～100×10-3μm2，為低孔低滲-特低滲儲層.

（3）潛江組頁巖TOC 含量較高，大多在1%～2.5%，S1含量多處于5×10-3～10×10-3，OSI 值介于200×10-3～800×10-3，具有良好的生油性；生物成因的白云石含量與TOC 含量、S1含量及OSI 值均有一定程度的正相關性；紋層狀頁巖比塊狀頁巖具有相對較高的孔徑、較好的孔隙連通性和含油性，是潛江組鹽間地層優(yōu)勢巖相.