非常规天然气

陆相纹层型页岩油储集空间特征及其控制因素——以松辽盆地长岭凹陷青山口组页岩为例

  • 万佳林 , 1, 2 ,
  • 于志超 , 2 ,
  • 黄文辉 1
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  • 1. 中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083
  • 2. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
于志超(1984-),男,北京人,博士后,高级工程师,主要从事储层表征及成岩演化研究.E-mail:.

万佳林(1995-),女,河北保定人,博士研究生,主要从事页岩油储层综合评价研究.E-mail:.

收稿日期: 2023-10-05

  修回日期: 2024-01-17

  网络出版日期: 2024-04-07

Reservoir space and controlling factors of lacustrine laminated shale oil reservoir: A case study of Cretaceous Qingshankou Formation in the Changling Sag, southern Songliao Basin, NE China

  • Jialin WAN , 1, 2 ,
  • Zhichao YU , 2 ,
  • Wenhui HUANG 1
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  • 1. School of Energy Resources,China University of Geosciences (Beijing),Beijing 100083,China
  • 2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China

Received date: 2023-10-05

  Revised date: 2024-01-17

  Online published: 2024-04-07

Supported by

The Scientific Research Project of CNPC(2021DJ0103)

摘要

松辽盆地陆相页岩油勘探前景广阔,但目前关于长岭凹陷白垩系青山口组纹层型页岩油储层微观孔隙结构特征的认识相对薄弱。基于薄片鉴定、TOC、岩石热解和XRD分析,结合场发射扫描电镜、低温氮气吸附及高压压汞等测试手段,对青山口组页岩进行岩相划分,系统分析页岩储集空间分布规律,明确优势岩相和孔隙结构的控制因素。依据“有机质丰度—矿物组成”标准,将页岩样品划分为低TOC混合质页岩(M—L)、中TOC硅质页岩(S—M)、中TOC混合质页岩(M—M)、中TOC黏土质页岩(C—M)、高TOC硅质页岩(S—H)、高TOC混合质页岩(M—H)及高TOC黏土质页岩(C—H) 7种岩相。其中,C—H岩相生烃潜力好,储集空间发育,以狭缝状黏土矿物晶间孔、粒间孔和微裂缝为主,孔隙结构参数优,是研究区储层的优势岩相。青山口组页岩储集空间分布受控于纹层特征、TOC含量和矿物组成等因素,长英质纹层能够有效缓解上覆岩石压实作用,有机酸扩溶作用和超压裂缝的形成改善了宏孔体积占比,而黏土矿物晶间孔和微裂缝提供了主要的比表面积和孔体积。

本文引用格式

万佳林 , 于志超 , 黄文辉 . 陆相纹层型页岩油储集空间特征及其控制因素——以松辽盆地长岭凹陷青山口组页岩为例[J]. 天然气地球科学, 2024 , 35(9) : 1671 -1687 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.01.010

Abstract

Based on thin section identification, the organic geochemistry, XRD, combined with scanning electron microscopy, N2 isothermal adsorption and high pressure mercury injection tests, the characteristics of laminated shale lithofacies were identified and the reservoir pore structure was comprehensively analyzed, and then the favorable shale lithofacies and main controlling factors of pore development were clarified. According to the classification standard of “abundance of organic matter and mineral composition”, the shale of Qingshankou Formation is divided into seven lithofacies: M-L, S-M, M-M, C-M, S-H, M-H and C-H. The kind of C-H shale lithofacies is regarded as the favorable type in the study area, because it has absolute hydrocarbon generation potential, and its reservoir space is well developed with superior pore structure parameters, which is dominated by slit clay mineral intercrystalline pores, intergranular pores and micro-fractures. The shale reservoir space of Qingshankou Formation is controlled by laminae development, TOC content and mineral composition. The felsic lamination effectively alleviates overlying rock compaction, organic acid diffusion and formation of overpressure fractures improve macropore volume ratio, and the clay mineral intercrystalline pores and fractures provide the main specific surface area and pore volume.

0 引言

美国历经20年的科技创新完成了页岩油技术革命,已在Willston盆地Bakken组和Western Gulf盆地Eagle Ford组等页岩中实现了油气资源的规模效益开发,由此改变了未来的全球能源市场1-2。近年来,中国东部和西部的页岩油资源勘探已经取得了重要突破。截至2022年底,鄂尔多斯、准噶尔与渤海湾等盆地积极开展页岩油勘探开发研究,揭示了陆相页岩油巨大的资源潜力3-4。特别是松辽盆地中央凹陷青山口组页岩油气资源丰富,发育互层型、夹层型和纯页岩型3种不同类型页岩油,纯页岩型又可细分为页理型和纹层型页岩油。本文研究的纹层型页岩油是指青山口组粉砂质、钙质和黏土质纹层发育的页岩中赋存的原油。其中,互层型页岩油已部分实现商业开发,而纹层型页岩油仅展现出广阔的资源前景,勘探进程尚未取得重大突破,对页岩储层的地质理论研究正处于初级阶段5-6
储层孔隙结构是衡量和评价页岩油储层优劣的关键因素,直接决定了页岩储集性能和勘探开发潜力7-9。与北美海相页岩不同,陆相页岩具有构造复杂、成熟度低、纹层发育、沉积相变频繁、非均质性强和黏土矿物含量高等鲜明的细粒沉积特征10-11,造成储集空间的多样性和特殊性。因此,准确刻画微纳米孔隙结构已成为陆相页岩储层研究的重要内容。目前,页岩微观孔隙结构表征技术大致可分为定性描述和定量表征2类,其中光学显微镜、场发射扫描电镜、聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)和微纳米CT扫描等实验方法能够直观、精细地观察孔隙结构形态712-13,但受限于仪器高分辨率,只能对局部孔隙结构样式进行描述,得到的孔隙信息均质性强,代表性差,而气体(CO2、N2)吸附法、恒速/高压压汞、核磁共振和气体脉冲渗透率测试等手段能表征较广的孔隙区域,储集空间特征容易量化14-16,但缺少可视化表征能力。系统分析页岩储集空间特征需要结合多种测试方法,综合刻画孔隙类型及结构特征对于页岩油甜点区优选具有重要指导意义。值得注意的是,识别和划分页岩岩相类型是页岩油储层孔隙精细表征和甜点评价的基础,页岩岩相特征控制着页岩生烃能力和储集空间分布规律,决定着页岩油“甜点段”的分布17-18。其中,纹层作为陆相页岩重要的岩相划分参数,其形态与成分不仅可以反映页岩的基本沉积特征,还可以作为页岩油储层的重要研究媒介19
因此,本文聚焦松辽盆地长岭凹陷白垩系青山口组纹层型页岩油储层,在岩相学分析的基础上,利用大视域薄片扫描和X射线荧光光谱分析技术综合刻画青山口组页岩的岩相特征,结合氮气吸附、高压压汞测试和扫描电镜系统表征不同岩相页岩储集空间类型和孔隙结构特征,明确研究区优势岩相,探讨孔隙发育的主控因素。本文旨在完善陆相页岩的储层地质研究理论,以期对页岩油的勘探和开发提供一定的数据支撑。

1 地质背景

松辽盆地位于中国东北地区,是在海西期褶皱基底上发育形成的中—新生界断坳复合型盆地。盆地整体呈北东向展布,长约750 km,宽330~370 km,垂向上具有下断上坳的双层构造结构20。长岭凹陷位于中央坳陷区的南部,覆盖面积超过20 000 km2,东与东南隆起区相接,南与西南隆起区毗邻,西与西部斜坡区过渡,呈三面隆起向北延伸的 “U”型凹陷21-22图1(a)]。
图1 松辽盆地南部长岭凹陷区域地质背景(a)、(b)23 和研究井的综合柱状图(c)

Fig.1 Regional geological background(a),(b) of Changling Sag in southern Songliao Basin and the synthetic histogram of the well(c)

松辽盆地上白垩统青山口组以温暖潮湿条件下的湖泊沉积为主23图1(b)],岩性以厚层页岩夹薄层粉砂岩和介壳灰岩为特征[图1(c)],广泛分布的富有机质暗色泥页岩是中、浅部含油气组合的主力供烃岩系及页岩油赋存层系24。前人研究表明25,长岭凹陷青山口组页岩有机质类型主要为I型和II型,TOC含量普遍小于3%,主体介于1%~2%之间,R O值为0.8%~1.3%,处于成熟—高成熟阶段。

2 样品与实验方法

2.1 样品

本文目的层为松辽盆地长岭凹陷典型井 (A井) 青二段下部和青一段页岩,取样深度为2 240~2 375 m。总共对38个样品进行了TOC测定、岩石热解、X射线衍射、薄片鉴定和X射线荧光光谱(XRF)分析技术以识别页岩岩相特征。在此基础上,选取不同岩相页岩样品进行场发射扫描电镜观察、低温氮气吸附和高压压汞测试实验,系统研究不同岩相页岩储集空间特征差异。选取了研究区代表性页岩岩心和薄片手标本照片,用来直观、清晰地对比不同岩相页岩的纹层发育特征(图2)。
图2 研究区代表性页岩样品的岩心和薄片手标本照片

(a)、(b)2 266.9 m,中TOC硅质页岩(S—M)岩心及其薄片手标本照片,见明暗相间的纹层发育;(c)、(d)2 248.8 m,中TOC混合质页岩(M—M)岩心及其薄片手标本照片,见矿物混合沉积的纹层分布;(e)、(f)2 318.14 m,高TOC混合质页岩(C—M)岩心及其薄片手标本照片,见亮色纹层和暗色纹层分布

Fig.2 Photos of core and thin slice hand specimens of representative shale samples in the study area

2.2 实验方法

TOC测定、岩石热解、X射线衍射、薄片鉴定、X 射线荧光光谱(XRF)和场发射扫描电镜都是在中国石油天然气集团有限公司油气储层重点实验室完成,依次采用CS-i 碳硫分析仪、Rock-Eval 6 热解仪、日本理学电机公司 (Rigaku) X射线衍射仪、日本BX51偏光显微镜、Bruker M4 Tornado仪器和Apreo场发射扫描电镜进行测试。
采用北京理化测试中心的Autosorb-IQ-MP 型比表面和孔径分布仪以及PoreMaster GT60仪器分别完成低温氮气吸附和高压压汞实验,检测的孔径范围分别为0.35~200 nm和0.003 6~1 000 μm。气体等温吸附实验采用BET (Brunauer-Emmett-Teller) 模式讨论页岩的比表面积分布特征,利用DFT (Density-Functional-Theory) 模型提供精确的孔径信息26。以上所有实验测试均严格按照国家行业实验规范操作完成。

3 岩相类型及分布特征

3.1 岩相划分原则及方案

岩相是储层地质学的重要研究内容,其内容包括形成于特定沉积环境的岩石类型、岩性组合及沉积构造特征27。目前国内外学者针对页岩岩相的识别划分标准及分类方案尚未形成统一的认识。 本文在岩心观察的基础上,遵循操作简单、实用性强,能够准确反映岩石沉积环境以及有效指导生产实践的原则28,采用“矿物组成—有机质丰度”作为青山口组页岩岩相划分标准。
全岩矿物X射线衍射测试结果显示,青山口组页岩主要分布黏土矿物和石英,含量分别为31.3%~61.8%(均值为46.1%)和20.8%~37.2%(均值为29.9%)。还有部分斜长石和方解石,以及少量的钾长石、菱铁矿和黄铁矿。目前多采用三端元分类法对页岩岩相进行初步划分29,即以矿物含量50%为界,将青山口组页岩划成为黏土质页岩、硅质页岩和混合质页岩。同时,将混合质页岩相区等分成黏土质硅质混合页岩相、黏土质钙质混合页岩相和钙质硅质混合页岩相。此外,有机质丰度是页岩岩相划分的另一个参考指标。通过前人30对松辽盆地青山口组页岩的研究发现,氢指数(I H 分布特征与TOC值具有一定相关性,当TOC值小于1%,I H值极低;当TOC值介于1%~2%之间,两者呈现正相关关系;当TOC值大于2%,I H值则趋于稳定。因此,分别定义TOC<1%、1%<TOC<2%和TOC>2%为低有机质含量(低TOC)、中有机质含量(中TOC)和高有机质含量(高TOC)。
基于以上划分原则,将长岭凹陷青山口组页岩样品划分为低TOC混合质页岩(M—L)、中TOC硅质页岩(S—M)、中TOC混合质页岩(M—M)、中TOC黏土质页岩(C—M)、高TOC硅质页岩(S—H)、高TOC混合质页岩(M—H)及高TOC黏土质页岩(C—H)7种岩相(表1)。由于研究区页岩只分布在黏土质硅质混合页岩区块,因此本文阐述中统一简称为混合质页岩(图3)。需要说明的是,受岩心破损的影响,本文研究尚未采集到低TOC硅质页岩和低TOC黏土质页岩样品,因此本文仅针对上述7种类型岩相页岩样品展开分析。
表1 研究区页岩岩相类型和主要参数分析结果

Table 1 Analysis results of shale lithofacies types and main parameters in the study area

岩相 岩相符号 长英质矿物含量/% 碳酸盐矿物含量/% 黏土矿物含量/% TOC/% S 1/(mg/g) S 1+S 2)/(mg/g)
TOC混合质页岩 M—L 48 ~ 50 49 6 ~ 7 6 40 ~ 42 41 0.80 ~ 0.82 0.81 0.66 ~ 0.80 0.73 3.42 ~ 7.72 5.57
TOC硅质页岩 S—M 50 ~ 60 55 8 ~ 9 8 30 ~ 35 31 1.52 ~ 1.94 1.80 1.12 ~ 1.34 1.28 9.84 ~ 11.23 10.75
TOC混合质页岩 M—M 37 ~ 50 44 3 ~ 15 8 37 ~ 50 45 1.15 ~ 2.00 1.59 0.75 ~ 2.18 1.56 4.62 ~ 12.24 9.09
TOC黏土质页岩 C—M 32 ~ 42 35 1 ~ 10 6 50 ~ 65 55 1.44 ~ 1.90 1.63 1.19 ~ 1.58 1.38 5.02 ~ 8.63 8.25
TOC硅质页岩 S—H 50 ~ 55 51 4 ~ 5 4 40 ~ 45 41 2.00 ~ 2.20 2.10 1.55 ~ 2.12 1.88 9.47 ~ 12.34 10.69
TOC混合质页岩 M—H 37 ~ 48 43 5 ~ 15 9 40 ~ 50 45 2.18 ~ 3.27 2.51 0.77 ~ 2.75 2.05 7.35 ~ 20.00 12.78
TOC黏土质页岩 C—H 40 ~ 45 42 2 ~ 3 2 50 ~ 55 53 2.34 ~ 3.12 2.53 2.00 ~ 3.10 2.59 10.01 ~ 15.43 12.59

注: 48 ~ 50 49 最小 值— 最大 平均

图3 松辽盆地长岭凹陷青山口组页岩岩相类型三端元分布

Fig.3 Distribution of shale lithofacies types in Qingshankou Formation, Changling Sag, Songliao Basin

3.2 岩相分布特征

陆相页岩的岩相分布特征具有极强的非均质性,需深化沉积构造、矿物成分和有机质丰度方面的研究。
(1)低TOC混合质页岩(M—L): 镜下观察显示泥质结构和粒屑结构,见次棱角状—次圆状的长英质矿物、隐晶状黏土矿物和长条形生物介壳,构成了介壳质—黏土质—长英质组合的三元纹层结构[图4(a),图4(b)]。长英质矿物和黏土矿物含量相当,介于40%~50%之间,碳酸盐矿物含量小于8%。有机地球化学结果中TOC值小于0.90%,生烃潜量(S 1+S 2)为3~8 mg/g。大视域薄片扫描结果表明,M—L岩相样品以厚层黏土质纹层分布为主,同时也有厚度较薄的长英质纹层和介壳质纹层发育。纹层间主体以微波状平行产出,见部分长英质纹层以透镜体分布。XRF分析显示介壳质纹层以富集Ca元素为显著特征,黏土质纹层和长英质纹层都含有较多的Si元素[图5(a)—图5(c)]。该类岩相在青山口组层段分布较少,指示季节性悬浮和低流作用交替的微弱水动力环境。
图4 松辽盆地青山口组页岩镜下纹层分布特征

(a)、(b)2 275.43 m,分别为M—L岩相页岩的单偏光和正交偏光,介壳质、黏土质和长英质纹层平行分布;(c)、(d)2 266.9 m,分别为S—M岩相页岩的单偏光和正交偏光,分布的长英质纹层中见次棱角状—次圆形石英和长石颗粒;(e)、(f)2 248.8 m,分别为M—M岩相页岩的单偏光和正交偏光,碎屑和生物介壳混合沉积,混合质纹层中见有机质充填,TOC值为1.78%;(g)、(h)2 323.75 m,分别为C—M岩相页岩的单偏光和正交偏光,见细长条状有机质分布在黏土质纹层中,TOC值为1.53%;(i)、(j)2 253.95 m,分别为S—H岩相页岩的单偏光和正交偏光,长英质纹层中见沥青和亮晶方解石突起,TOC值为2.10%;(k)、(l)2 318.14 m,分别为M—H岩相页岩的单偏光和正交偏光,发育介壳质—黏土质纹层组合的二元结构;(m)、(n)2 318.14 m,分别为M—H岩相页岩的单偏光和正交偏光,介壳质纹层见透镜状亮晶方解石构造和固体沥青充填,TOC值为2.32%;(o)、(p)2 359.83 m,分别为C—H岩相页岩的单偏光和正交偏光,见方解石脉体呈纤维状生长垂直于黏土质纹层方向,伴随沥青沉积,TOC值为2.53%

Fig.4 Distribution characteristics of shale lamination in Qingshankou Formation, Songliao Basin

图5 不同岩相页岩大视域薄片扫描及X射线荧光扫描照片

(a)—(c)2 275.43 m,分别为M—L岩相页岩样品的大视域薄片扫描,Ca元素,Si元素分布强度图,Ca和Si元素质量百分数分别为12%和51%;(d)—(f)2 248.8 m,分别为M—M岩相页岩样品的大视域薄片扫描,Ca元素,Fe元素分布强度图,Ca和Fe元素质量百分数分别为17%和5%;(g)—(i)2 253.95 m,分别为S—H岩相页岩样品的大视域薄片扫描,Fe元素,Si元素分布强度图,Fe和Si元素质量百分数分别为8%和57%

Fig.5 Large-field slice scanning and X-ray fluorescence scanning photographs of shale with different lithofacies

(2)中TOC硅质页岩(S—M): 显微镜观察见粉砂泥质结构和粒屑结构,富含硅质矿物,含量介于50%~60%之间,磨圆度呈次棱角—次圆状,还有30%~35%的黏土矿物呈鳞片状或隐晶状,纹层组合为介壳质—黏土质—长英质纹层三元结构。对比M—L岩相,S—M岩相的长英质纹层厚度明显增加,单层厚度为0.5~1 mm[图4(c),图4(d)]。地球化学参数TOC值为1.52%~1.94%,生烃潜量(S 1+S 2)均值约为10 mg/g。大视域薄片和XRF扫描结果见分布有明暗相间的纹层组合,其中长英质纹层中Si元素占有绝对优势,黏土质纹层富含K、Al、Fe和S元素,指示季节性悬浮和低流作用交替的偏静水的沉积环境。
(3)中TOC混合质页岩(M—M):与上述岩相特征不同,M—M岩相发育混合质纹层,具有粉砂碎屑、黏土矿物和生物介壳混合沉积的特征,表现为泥质结构和粒屑结构,且存在生物扰动现象[图4(e),图4(f)]。长英质矿物和黏土矿物含量均介于35%~50%之间,碳酸盐矿物含量最高可达15%。TOC值介于1.2%~2.0%之间,生烃潜量(S 1+S 2)分布在4~15 mg/g之间。大视域薄片和XRF扫描结果显示介壳和矿物颗粒相混[图5(d)—图5(f)],同时长英质透镜体纹层中的黑色物质呈高强度的Fe元素分布,推测为黄铁矿富集,指示还原性沉积环境。
(4)中TOC黏土质页岩(C—M):该岩相以泥质结构为主,分布的黏土矿物和生物介壳组成了介壳质—黏土质纹层组合的二元结构。黏土矿物以隐晶状为主,含量介于50%~65%之间,常见有机质呈细长条状与黏土矿物混杂分布[图4(g),图4(h)],长英质矿物含量为32%~42%,碳酸盐矿物含量主体为4%~8%。TOC值介于1.4%~1.9%之间,生烃潜量(S 1+S 2)分布在5~9 mg/g之间。大视域薄片扫描和XRF扫描的测试结果显示,黏土质纹层厚度较大,纹层中Fe元素含量较高,猜测是绿泥石相对发育导致,其成因有待进一步研究。而介壳质纹层较薄,以断续状分布在黏土质纹层间。
(5)高TOC硅质页岩(S—H): 光学显微镜观察到粉砂泥质结构和粒屑结构,主要由粉砂碎屑、黏土矿物以及生物介壳组成,还有少许的菱铁矿和黄铁矿零星分布。与S—M岩相类似,S—H岩相发育介壳质—长英质—黏土质纹层组合。镜下分析中,长英质纹层见有沥青和亮晶方解石突起现象[图4(i),图4(j)],其成因是烃类流体侵入到纹层中导致长石等不稳定矿物发生溶蚀,并在地层水作用下发生方解石结晶沉淀,伴随有固体沥青残余31。该岩相中长英质矿物和黏土矿物含量均值分别为51%和41%。TOC值大于2%,生烃潜量(S 1+S 2)约为10 mg/g。大视域薄片扫描和XRF测试结果显示[图5(g)—图5(i)],黏土质纹层、长英质纹层和介壳质纹层以平直连续状分布,厚度依次减小。该岩相观察到与M—M岩相同样的现象,即长英质透镜体中高含量的Fe元素和S元素,但透镜体宽度明显变大,介于0.5~1.5 mm之间,说明沉淀作用受季节性气候交替变化影响。
(6)高TOC混合质页岩(M—H):该岩相与其他岩相的显著区别是有介形虫化石富集成层分布,还有较薄的黏土质纹层分布,组成了黏土质—介壳质纹层组合的二元结构[图4(k),图4(l)]。介壳质纹层的抗压能力和储集空间极为优越,在外界压力作用下,压实水优先顺纹层方向形成透镜体状高矿化度“液泡”,在撑开介壳质纹层的同时,发生方解石的重结晶沉淀32,形成透镜状亮晶方解石构造,同时伴随大量固体沥青充填序列[图4(m),图4(n)]。M—H岩相页岩矿物分布特征与M—M岩相相似,但有机地球化学参数更优越,TOC值大于2%,生烃潜量(S 1+S 2)分布在7~20 mg/g之间。此外,M—H岩相中的介壳质纹层和黏土质纹层界面模糊,大部分纹层以平行、连续状产出,富集有Si、Ca和Fe等元素,在季节性悬浮和低流作用交替的偏静水环境下形成。
(7)高TOC黏土质页岩(C—H):光学显微镜下呈现深褐色,矿物颗粒非常小,发育有长英质纹层和黏土质纹层互层的组合样式。镜下观察到黏土质纹层中有方解石脉体垂直页岩纹层方向呈纤维状生长,并与固体沥青同时存在[图4(o),图4(p)]。该现象可以解释为有机质生烃产生的异常高压形成了微裂隙,在Fe2+与孔隙水双重作用下沉淀出方解石脉,而残留的固体沥青物质可作为超压流体作用的代表性产物33。该岩相矿物成分以黏土矿物为主,含量大于50%,长英质矿物含量介于40%~45%之间,碳酸盐矿物含量小于3%。有机质含量高,TOC值为2%~3.12%,生烃潜量(S 1+S 2)为13 mg/g。XRF扫描结果中黏土质纹层吸附有大量的Fe元素,为方解石脉体的形成提供了物质基础。

4 不同岩相储集空间特征

研究页岩储集空间特征对于分析油气的储集和运移具有重要指示意义,其表征内容主要涉及孔隙的类型、形状、大小、体积、比表面积及其连通性等方面34。因此,综合对比不同岩相类型页岩油储层的孔隙发育情况有助于明确研究区储层优势岩相。

4.1 孔隙类型

根据储集空间的伴生矿物及产出状态,长岭凹陷白垩系青山口组页岩的孔隙类型以无机孔和微裂缝为主,还有少量的有机孔。其中无机孔包含矿物粒间孔、粒内孔、黏土矿物晶间孔、黄铁矿晶间孔及少量生物有关的孔隙。研究区微裂缝多为成岩作用成因,以收缩缝和页理缝为主,对于提高孔隙连通性起积极作用。
C—M和C—H岩相页岩中黏土矿物占主导地位,储层分布有大量伊/蒙混层和伊利石集合体内或层间的晶间孔[图6(a),图6(b)]。扫描电镜观察到长石和石英矿物颗粒内部分布有小孔径的粒内孔,黏土矿物与脆性矿物颗粒间常见棱角状粒间孔,孔径分布范围较大,可达微米级以上,提供了部分宏孔体积。青山口组页岩有机质成熟度低,有机质多以团块状或长条状分布,其内部可见少量的微孔级圆形或椭圆形孔隙[图6(c)]。此外,这2类岩相页岩储层发育数量可观的微裂缝,包括在沉积和构造作用下形成的页理缝和构造缝,还有大量成岩演化作用形成的收缩缝。
图6 松辽盆地青山口组纹层型页岩油储层孔隙类型分布特征

(a)2 323.75 m,C—M岩相发育大量的黏土矿物晶间孔和矿物粒间孔,也有部分粒内孔;(b)2 359.83 m,C—H岩相见粒间孔和微裂缝分布;(c)2 359.83 m,C—H岩相分布有机孔和微裂缝,TOC值为2.53%;(d)2 275.43 m,M—L岩相发育草莓状黄铁矿晶间孔,粒间孔和微裂缝;(e)2 275.43 m,M—L岩相见草莓状黄铁矿集合体分布;(f)2 248.8 m, M—M岩相中黄铁矿常与有机质伴生,见有机质与矿物间有微裂缝分布,TOC值为1.78%;(g)2 248.8 m,M—M岩相中有机质内部发育微孔,与周围矿物形成微裂缝,TOC值为1.78%;(h)2 318.14 m,M—H岩相中生物壳体紧密接触,储层孔隙欠发育;(i)2 318.14 m,M—H岩相见少量生物壳体受溶蚀作用产生微孔,但连通性差;(j)2 266.9 m,S—M岩相以粒内孔、粒间孔和微裂缝为主;(k)2 266.9 m,S—M岩相分布粒内孔,粒间孔和微裂缝,粒内孔分布较为分散且孔径较小;(l)2 253.95 m,S—H岩相分布有矿物粒内孔和粒间孔,粒间孔孔径较大, 但被碎屑和有机质充填,TOC值为2.10%。 注:OP:有机孔;PIP:晶间孔;IP:粒间孔;MF:微裂缝; INP:粒内孔

Fig.6 Pore type distribution characteristics of laminated shale oil reservoir in Qingshankou Formation, Songliao Basin

M—L和M—M岩相储集空间类型多种多样,以粒间孔、晶间孔和微裂缝为主,也有部分有机孔缝分布[图6(d)—图6 (g)]。脆性矿物粒间孔提供了部分宏孔体积,孔径有数十微米,粒间孔分布相对聚集时,对改善孔隙网络连通性起到促进作用。研究区可见大量的草莓状黄铁矿集合体分布,形成棱角状的晶间孔,孔径为50~200 nm [图6(e)]。填隙状有机质内部见近圆形、狭缝状微孔星点分布,同时有机质与周围矿物颗粒间有狭窄的微裂缝分布,延伸长度较大,有数十微米,但缝宽仅为10~30 nm[图6(f),图6(g)]。
对比M—L和M—M岩相,M—H岩相的储集空间发育最差,大面积分布的介壳质纹层由长条形生物介形虫构成。扫描电镜观察显示,大部分壳体内部没有孔隙发育,仅有部分腔体受有机酸的溶蚀作用形成少量的粒内孔,孔径极小,且连通性差[图6(h),图6(i)]。同时,介壳颗粒间多为线接触,结构相对致密,也存在黏土矿物充填现象,以发育小孔径的黏土矿物晶间孔为特征。
S—M和S—H岩相的孔隙类型以粒间孔、黏土矿物晶间孔和微裂缝为主[图6(j)—图6(l)]。由于长石和石英等刚性矿物含量增加,粒间孔的体积占比增大。S—H岩相的TOC含量高,有机质生烃排酸能力增强,更能形成微米级粒间溶蚀孔[图6(l)]。扫描资料显示,页岩油呈薄膜状赋存于矿物粒间孔,以游离态为主。微裂缝在S—M和S—H岩相中也十分发育,包含有矿物解理缝和颗粒边缘缝,前者一般比较平直且长度较短,后者围绕刚性颗粒边缘分布,呈锯齿状弯曲,延伸性较好,长度可达数十微米以上。
上述特征认识表明,松辽盆地长岭凹陷青山口组页岩主要发育有脆性矿物粒间孔、黏土矿物晶间孔和微裂缝,还有部分黄铁矿晶间孔和有机孔。黏土矿物晶间孔、粒间溶蚀孔和微裂缝是页岩油主要的储集空间和渗流通道。由于纹层的发育,顺层排列的碎屑矿物的尖端效应促使微裂缝横向扩展,有效提高了孔隙连通性。同时,黏土矿物成岩作用形成的大量收缩缝显著增加了孔体积,改善了储层孔隙网络连通性。

4.2 孔隙结构特征

为综合表征研究区青山口组页岩的孔隙结构特征,本文采用低温氮气吸附和高压压汞联用的测试手段,选择以孔径50 nm为界限对介孔(2~50 nm)和宏孔(>50 nm)的孔体积进行分类统计35,分析不同岩相储层孔隙形态和孔径分布特征(图7)。
图7 松辽盆地长岭凹陷青山口组页岩油储层孔隙结构定量表征

Fig.7 Quantitative characterization of pore structure of shale oil reservoir in Qingshankou Formation, Changling Sag, Songliao Basin

M—L和S—H岩相页岩储层的孔隙结构定量测试结果相似。氮气吸附等温线回滞环都为H2型 (IUPAC)36,脱附曲线斜率大并出现快速下降的拐点,形成宽大的回环面积,反映了细颈广体瓶孔隙发育,孔隙连通性较差;毛细管压力曲线在100 MPa以上有较长的平直段,孔径小于7.3 nm的孔隙居多,同时, 0.01 MPa以下也有进汞量产生,说明分布部分73 μm以上的宏孔,退汞效率低,同样指示较差的孔隙连通性。孔体积随孔径变化频繁,孔隙结构复杂,孔径分布呈多峰型,M—L岩相页岩的介孔范围包络的面积小于S—H岩相,宏孔分布特征则相反,说明S—H岩相中宏孔体积贡献值更多,与发育较多粒间溶蚀孔的认识一致。
S—M岩相的等温线特征与S—H岩相形成鲜明对比,回环面积狭小,吸附曲线缓慢上升,脱附线拐点不明显,表现为H3型回滞环,反映了开放的狭缝型孔隙;毛细管压力曲线整体形态与S—H岩相近似,但0.01 MPa以下的进汞量减少,而储层孔隙在100 MPa以上注入更多的汞含量,退汞效率变低,说明S—M岩相分布的孔隙直径主体偏小。该岩相的孔径分布曲线与横轴包络面积小,储集空间发育有限。
M—M和C—M岩相具有相似的孔隙结构特征。等温线回滞环均为H2型,指示有墨水瓶状孔隙发育,在相对压力趋近于1时,吸附曲线上扬明显,表征孔径较大的纹层间缝隙产生的吸附作用;毛细管压力曲线急速上升段呈近45°的斜线,直到压力达100 MPa以上,曲线趋于平缓,表示孔隙分选性较差。孔径分布解释结果显示,M—M岩相和C—M岩相的孔径显示“双峰”分布,前者面积大于后者,表示介孔是孔隙总体积的主要贡献者。然而,C—M岩相的宏孔分布范围更大,孔径介于30~50 μm之间,提供了更多的孔体积,指示大孔径微裂缝在C—M岩相储层中更为发育。
M—H岩相的氮气吸附等温线回滞环为H3型,吸附曲线在平衡压力接近饱和蒸汽压时仍未饱和,指示两端开口的狭缝型孔隙发育;毛细管压力曲线表征压力达到10 MPa时,汞才开始进入页岩储层,随着压力的变大,进汞量快速增加,直到压力达到100 MPa,曲线趋于平缓,指示储层发育的孔隙分布在73 nm以内。孔体积与孔径分布特征显示单峰,主峰孔径为40 nm,且介孔提供了主要的孔隙空间,对应扫描电镜观察到的黏土矿物晶间孔。
C—H岩相的气体吸附等温线以H3型回滞环为特征,反映片状颗粒的非刚性聚集体形成的狭缝型孔隙;与其他岩相页岩对比,C—H岩相的毛细管压力曲线在0.01 MPa以下的平直段最长,表明73 μm的宏孔相对发育。此外,较高的退汞效率说明储集空间良好的连通性。孔径分布呈现多峰形式,宏孔与横坐标的包络面积大于介孔总体积,指示该岩相页岩孔体积以大孔径的微裂缝贡献为主,兼有黏土矿物晶间孔和矿物粒间孔提供的孔体积。
综上分析认为,松辽盆地长岭凹陷青山口组页岩主要发育墨水瓶型和狭缝型孔隙,S—M和M—H岩相的储集空间发育最差,孔径小,数量少,连通性差;M—L和C—M岩相显示介孔—宏孔的双峰分布,前者面积大于后者,表征黏土矿物晶间孔提供大量的孔体积;M—L、S—H和C—H岩相的孔隙类型多种多样,孔体积随孔径变化频繁,且S—H和C—H岩相的宏孔体积优势明显,以黏土矿物晶间孔、矿物粒间孔和微裂缝分布为主。

5 纹层型页岩油储集空间控制因素

5.1 优势岩相特征

划分页岩优势岩相是对页岩生烃潜力、储集性能和可压性的综合评价,一般以TOCS 1(页岩内滞留烃)、孔隙结构和矿物成分指标分析2437
TOC值较高的S—H、M—H和C—H岩相页岩储层储集性能差异明显(图8)。M—H岩相页岩储层空间发育最差,总孔体积受控于介孔分布,表现为孔隙数量少、孔径小且连通性差。对于S—H岩相,页岩储集空间相对发育,孔隙形态多呈墨水瓶状,介孔和宏孔的孔体积占比分别为60%和40%左右,主要是由黏土矿物晶间孔、粒间溶蚀孔和微裂缝提供。然而,S—H岩相页岩中S 1值偏低,含油饱和度指数(OSI,即S 1TOC含量的比值)<100 mg/g,指示储层内部可动油含量较低。C—H岩相的有机质含量高,S 1值大于2 mg/g,生烃潜力大,OSI值大于100 mg/g,说明油已经满足了有机质的吸附,存在大量的游离可动油,满足页岩油 “甜点段”的必要条件38。此外,C—H岩相页岩储集空间最为发育,宏孔体积贡献值达54%,发育的长英质—黏土质纹层组合具有较好的抗压实性,刚性颗粒形成的支撑格架有效保存了矿物基质孔39,助力了片状黏土矿物晶间孔和粒间孔的发育。从矿物成分上,C—H岩相页岩长英质矿物含量均值为42%(表1),脆性矿物含量一般,但研究区页岩黏土矿物演化程度高,成岩转化过程中析出的大量硅质增大了页岩脆性,明显改善了页岩储层的可压性40,同时微裂缝的相对发育也有利于后期储层改造。
图8 松辽盆地青山口组页岩地化指标和孔隙结构参数分布特征

(a)不同岩相页岩S 1值和OSI值分布特征;(b)不同岩相储集空间总孔体积以及介孔和宏孔体积贡献值分布特征

Fig.8 Distribution characteristics of geochemical indexes and pore structure parameters of shale in Qingshankou Formation, Songliao Basin

TOC值较低的M—M、C—M、M—L和S—M岩相页岩储集性能整体较差。M—M、C—M和M—L岩相页岩的孔隙结构特征相似,孔隙形态为墨水瓶状,孔径分布范围较广,介孔和宏孔均有分布。但这3种岩相页岩的有机质含量较低,S 1值普遍小于2 mg/g,M—M岩相页岩滞留烃含量甚至小于1 mg/g。而S—M岩相页岩的总孔体积最小,且介孔体积占主导地位,储集空间类型以狭缝型的黏土矿物晶间孔为主,不具备页岩油大量富集的空间条件。
综上所述,C—H岩相是松辽盆地长岭凹陷青山口组页岩储层的优势岩相。该类岩相生烃潜力高,赋存大量的游离态原油。同时,页岩储集空间最为发育,孔隙结构参数优,宏孔体积占比高,分布的黏土矿物晶间孔、粒间孔和微裂缝组合构成了连通的储集网络,有利于页岩油的富集和渗流,具备了可观的压裂性。结合现场测井资料显示,C—H岩相页岩主要分布于研究井的青一段下部,该层段TOC值在2.5%~4.5%之间,综合解释有效含油饱和度约为35.6%~56.4%,岩心荧光直照显示黄色,局部见延伸较远的裂缝发育,裂缝面较平整,被油膜充填,都指示良好的页岩油富集潜力。

5.2 页岩孔隙发育的控制因素

5.2.1 孔隙结构与纹层类型的关系

陆相页岩纹层类型和组合形式多样,组构特征复杂,非均质性强,直接影响了页岩油储层的储集性能和渗流能力41。研究区青山口组页岩分布有混合质纹层、长英质—黏土质纹层组合、介壳质—黏土质纹层组合以及介壳质—长英质—黏土质纹层组合类型。研究显示,单独发育的黏土质纹层不利于页岩油的富集,黏土矿物极易压实变形,孔径变小,孔隙多呈扁平状,连通性变差42。C—H岩相页岩中分布的长英质纹层能够构建坚硬的支撑格架,缓解上覆压实作用对基质孔隙的影响,为黏土矿物晶间孔提供伸展空间43。但是,介壳质纹层的发育则对储层物性产生负面影响,前文已述,M—H岩相的储集空间有限,孔隙结构致密,孔径小、数量少、孔隙体积小、微裂缝不发育。发育介壳质—黏土质纹层组合的C—M岩相页岩储层内部宏孔的发育情况同样证实了此观点。M—L、S—M和S—H岩相页岩储层都发育三元纹层结构,而S—H岩相的储集空间发育最好,这是因为在持续增加的上覆压力作用下,富含黏土矿物类塑性组分的纹层储集空间持续趋于缩小,有机质含量的增加,促使更多的酸性流体流向长英质纹层,脆性矿物溶蚀作用进一步增加,同时生烃过程中形成的超压微裂缝和有机孔,有效改善了页岩储层物性,最终表现为大孔隙和微裂缝相互连通44。综上所述,长英质—黏土质纹层组合对改善储集空间分布特征具有重要意义。

5.2.2 孔隙结构与有机质的关系

有机质质量分数(TOC)是页岩储层孔隙发育的重要影响因素。7个页岩样品的实验结果显示总孔体积、比表面积与TOC之间存在弱相关性[图9(a),图9(b)]。分岩相来看,M—H岩相中介壳质纹层大面积分布,导致孔隙结构相对致密,储层物性受外界因素影响较小,若除去M—H岩相的数据点,TOC和孔隙结构参数整体相关性变好[图9(c)—图9(f)]。
图9 松辽盆地青山口组页岩孔隙结构参数与TOC值的关系

(a)页岩TOC含量与总孔体积关系;(b)页岩TOC含量与比表面积关系;(c)剔除M—H岩相页岩后TOC含量与总孔体积关系;(d) 剔除M—H岩相页岩后TOC含量与比表面积关系;(e) 剔除M—H岩相页岩后TOC含量与介孔体积关系;(f) 剔除M—H岩相页岩后TOC含量与宏孔体积关系

Fig.9 Relationship between pore structure parameters and TOC values of shale in Qingshankou Formation, Songliao Basin

页岩总孔体积则随着TOC含量的增加表现为先降低后增加的趋势,而比表面积与TOC含量具有弱正相关性。进一步分析发现,介孔的孔体积与TOC呈现明显的负相关性,说明介孔的孔体积主要通过与TOC含量的负相关性而影响孔隙网络整体的物性特征,这与前人45对陆相纹层型页岩油储层的认识一致。而宏孔体积与TOC含量的相关性类似于总孔体积的分布特征,相关系数达0.85。在TOC值较低时,随着埋深的增加,储层受到上覆压实作用,原生大孔径储集空间明显减少。随着热演化程度的增加,发生有机酸的扩溶作用,改善了储层宏孔的发育情况。与此同时,有机质热演化过程中形成的超压微裂缝,也对宏孔体积的增加起到促进作用。

5.2.3 孔隙结构与矿物成分的关系

矿物成分差异对储层孔隙发育也有非常重要的影响,与TOC分析相同,除去M—H岩相数据点,页岩储层孔隙结构主要受控于黏土矿物和长石矿物(图10)。总孔体积和比表面积与黏土矿物呈正相关[图10(a),图10(b)],说明青山口组页岩主要由黏土矿物晶间孔提供储集空间。从黏土矿物含量与各尺度孔隙的相关关系中可以看出[图10(c), 图10(d)],介孔和宏孔的孔体积都与黏土矿物呈现正相关性,相关系数分别为0.50和0.57。黏土矿物含量越多,发育的黏土质纹层连续性越强,单层厚度越大,成岩过程形成的微裂缝越发育46,且与长英质纹层接触面属于岩石力学强度薄弱面,易沿着接触面形成微裂缝47,由此增加了页岩宏孔体积。相比之下,长石矿物含量与孔隙结构参数都表现为明显的负相关性[图10(e)—图10(h)],说明研究区页岩长石溶蚀孔规模有限,在孔隙网络中占据的比例较低。此外,泥页岩成岩环境较为封闭,成岩早期溶解的斜长石产物易于原地沉积,对溶蚀孔隙进行充填,导致长石含量与孔隙体积和比表面积呈现负相关48
图10 松辽盆地青山口组页岩孔隙结构参数与矿物成分的关系

(a)页岩黏土矿物含量与总孔体积关系;(b) 页岩黏土矿物含量与比表面积关系;(c) 页岩黏土矿物含量与介孔体积关系;(d) 页岩黏土矿物含量与宏孔体积关系;(e)页岩长石含量与总孔体积关系;(f) 页岩长石含量与比表面积关系;(g) 页岩长石含量与介孔体积;(h) 页岩长石含量与宏孔体积关系

Fig.10 Relationship between pore structure parameters and mineral composition of shale in Qingshankou Formation, Songliao Basin

6 结论

采用“矿物组成—有机质丰度”的识别标准,将松辽盆地青山口组页岩划分出低TOC混合质页岩(M—L)、中TOC硅质页岩(S—M)、中TOC混合质页岩(M—M)、中TOC黏土质页岩(C—M)、高TOC硅质页岩(S—H)、高TOC混合质页岩(M—H)及高TOC黏土质页岩(C—H)7种岩相。其中,M—L、S—M、S—H岩相页岩发育有介壳质、黏土质和长英质纹层形成的三元纹层组合类型,C—M和M—H岩相页岩以介壳质纹层和黏土质纹层互层分布为主,C—H岩相页岩发育长英质—黏土质纹层组合,且常见固体沥青残留,而M—M岩相页岩分布混合质纹层。
不同岩相页岩的生烃潜力、储集性能和可压性具有明显差异。C—H岩相页岩的有机质含量高,OSI值大于100 mg/g,储层内部富集大量的游离可动页岩油。同时,该岩相储集空间最为发育,宏孔体积贡献较大,孔隙类型以黏土矿物晶间孔、粒间孔和微裂缝为主,具有数量多、孔径大且连通性好的显著优势,为页岩油的排出提供了良好的运移通道。此外,黏土矿物成岩过程中析出了大量硅质,以及数量可观的微裂缝分布,改善了页岩储层可压性。因此,C—H岩相页岩是研究区的优势岩相类型,指示了广阔的资源勘探前景。
松辽盆地长岭凹陷青山口组页岩孔隙发育特征主要由纹层类型、TOC含量和矿物成分等因素综合控制。长英质纹层能够有效缓解上覆岩石对无机孔的压实作用,而介壳质纹层结构相对致密,孔隙发育极差,对页岩油储集产生不利影响。此外,随着有机质热演化程度的增加,受溶蚀作用和超压作用的影响,宏孔分布比例增大,而有机孔的形成也对增加总孔体积起到了促进作用。同时,研究区青山口组页岩主要由黏土矿物晶间孔和微裂缝提供比表面积和孔体积,长石溶蚀孔发育有限,对孔隙发育方面贡献较小。
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