0 引言
在以往的研究中，鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段（长7段）沉积时期一直被认为是其内陆湖泊发育的鼎盛时期。在这个阶段，湖盆范围明显扩大，水体变深，发育一系列深灰色、灰黑色泥页岩，这套泥页岩一直被认为是良好的烃源岩。然而，2012年在耿295 井长72泥页岩段射孔试油获日产纯油 20.5 t的高产工业油流，预示长7段不仅是良好的烃源岩，而且也发育有页岩油储层，具有良好的页岩油勘探潜力。
因此，认识清楚页岩油有效储层的岩性是研究的主要问题之一。
归根结底，相对于常规油气资源来说，页岩油的问题主要可以归结为岩性与其矿物组成、储集空间和油气的可动性等3个方面。因此，本文选取鄂尔多斯盆地延长组长7油层组耿295井、庄233井开展详细研究，并在盆地范围内选取另外4口井（白522井、盐56井、里211井和罗254井）与庄233井进行对比研究，采用电脉冲页岩孔隙分析、低温吸附、高压压汞、氩离子抛光以及核磁共振等先进的实验方法，从岩石的岩性、孔隙度与孔隙结构形貌以及流体可动性3个方面对页岩油储层的储集性进行综合研究，以便进一步认识鄂尔多斯盆地长7页岩油储层特征。
1 页岩油储层岩性及矿物组成
无论是常规的碎屑岩和碳酸盐岩储层，还是非常规的致密砂岩或泥页岩储层，岩石中需要存在一定的储集空间，石油和天然气才能赋存在其中。常规储层中储集油气的空间主要是孔洞、裂缝等，孔渗相对较好，而泥页岩宏观储集空间发育较差，孔径小，渗透率低，受到岩性与矿物组成影响较大。因此，开展页岩油储层的岩性和矿物组成的研究对了解其储集性能极其重要。
观察岩心可以获得岩石的岩性、颜色、结构、构造等方面的信息，由这些信息进而可以推断出相应的沉积相和沉积环境。本文研究所涉及的鄂尔多斯盆地长7油层组岩石类型比较简单，都属于碎屑岩沉积，粒度普遍较细，以泥岩与粉砂岩为主，最粗只能达到细砂级别。岩石的颜色以反映水下沉积特征的深灰色、灰黑色为主。
根据132块样品的岩石薄片和X-射线衍射分析的结果，在长7油层组的岩石中存在的主要陆源碎屑矿物成分为石英、长石和黏土矿物，石英含量在 16.9%~80.4%之间；斜长石与钾长石的总量一般为 9%~43%，黏土矿物含量在8%~62%之间。另外，如果我们根据岩石的粒度将样品分为细砂岩、粉砂岩和泥页岩3类，并绘制矿物含量饼图，则可以看出，随着岩石粒度的减小，岩石中石英和长石的含量减少而黏土矿物含量明显增加（图1）。在黏土矿物中，含量最高的是以伊/蒙混层矿物形式存在的伊利石和蒙脱石，两者含量占黏土矿物总量的50%以上，而高岭石和绿泥石的含量较低（图2）。同时，一些岩石样品中还含有较多的胶结物，包括较多的碳酸盐矿物（含方解石、白云石和菱铁矿）以及黄铁矿。这些胶结物的含量在不同样品中变化较大，含量高者可达10%左右。
通过对岩石的岩性和矿物组成的深入研究，可以帮助我们选取长7段页岩油储层具有典型代表性的样品，进行储层物性、孔隙结构形貌和流体可动性的研究。
2 页岩油储层物性特征
利用电脉冲页岩孔渗分析对表1中所示的10个样品进行测试，长7段岩石样品的孔隙度主要介于0.85%~9.57%之间，其中，极细砂岩为9.57%，粉砂岩类平均为3.08%，泥页岩类平均为1.55%；渗透率主要介于（0.000 15~0.012 88）×10-3 μm2之间，其中，极细砂岩为0.003 33×10-3 μm2，粉砂岩类平均为0.004 09×10-3 μm2，泥页岩类平均为0.000 99×10-3 μm2。
表1 长7段页岩油储层样品物性Table 1 Physical properties of Chang 7 Member shale oil reservoir samples |
| 样品号 | 深度/m | 岩性 | 孔隙度/% | 渗透率 /(10-3 μm2) | 吸附回线类型 | 可动流体饱和度/% | 束缚水饱和度/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 庄233-10 | 1 789.8 | 褐灰色油斑极细砂岩 | 9.566 | 0.003 328 | 1 | / | / |
| 白522-02 | 1 946.80 | 油斑粉砂岩 | 6.849 | 0.004 367 | 2 | / | / |
| 里211-01 | 2 371.80 | 灰黄色油迹粉砂岩 | 3.27 | 0.000 149 | 2 | / | / |
| 庄233-15 | 1 776.11 | 灰色泥质粉砂岩 | 1.934 | 0.005 585 | 2 | / | / |
| 庄233-18 | 1 749.95 | 灰色泥质粉砂岩 | 1.809 | 0.001 134 6 | 2 | 37.11 | 62.89 |
| 盐56-02 | 3 001.00 | 浅灰色泥质粉砂岩 | 2.18 | 0.000 418 7 | 2 | / | / |
| 庄233-17 | 1 756.65 | 灰色泥质粉砂岩 | 2.447 | 0.012 883 5 | 2 | / | / |
| 庄233-12 | 1 784.75 | 灰色粉砂质泥岩 | 0.851 | 0.002 159 | 2 | / | / |
| 庄233-09 | 1 796.30 | 灰黑色泥岩 | 2.926 | 0.000 652 | 1 | 27.25 | 72.75 |
| 白522-01 | 1 959.50 | 褐灰色粉砂质泥岩 | 0.86 | 0.000 172 | 1 | 44.54 | 55.46 |
为了进一步研究页岩油储层的物性与其岩石岩性的关系，笔者对孔径、比表面积等孔隙参数与岩石中黏土矿物含量分别作图（图4）。在不同岩性的孔隙参数比较中（图4）可以看出，细砂岩—粉砂岩要优于过渡岩性和泥岩。也就是说，细砂岩—粉砂岩等相对粗粒的岩性是长7段中比较重要的页岩油储层。另外，在过渡岩性（含粉砂泥岩和粉砂质泥岩）和泥页岩的样品中，黏土矿物含量与孔隙率、孔容以及比表面积有一定的正相关关系，这可能与黏土矿物的卡片房架结构有关，因为卡片房架结构可以改变上述岩石物理属性，而泥页岩中砂粒的增加可以破坏这种结构。这说明在长7段页岩油储层中，黏土矿物的存在可能使岩石中的微小孔隙数量增加，在一定程度上提高了岩石的孔隙度。
3 储层孔隙结构和形貌研究
在研究储集岩中孔隙和喉道的相互关系时，提出了孔隙结构的概念。一般来说，储集岩的孔隙结构是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通关系。孔隙形貌指的就是孔隙的形态、大小等。而孔隙的结构与形貌决定着泥页岩能否成为有效的油气储集体。
常见的研究储层孔隙结构的方法有毛管压力法、铸体薄片法、扫描电镜法、CT扫描法、低温吸附实验等。然而，由于研究样品致密性较高，很难注胶成功，所以铸体薄片的方法并未在多数样品中采用。因此，针对长7段岩石样品，本文采取CT扫描、低温吸附实验、高压压汞、扫描电镜、氩离子抛光、背散射、能谱分析等实验对其进行分析研究。
3.1 低温吸附（BET）实验对储层孔隙结构和形貌的研究
BET测试法可以将在压力变动条件下气体在泥页岩孔隙内壁上的吸附和解吸过程通过吸附—脱附曲线来表征。不同的孔隙形态和孔隙结构导致气体在孔隙内壁上的吸附和解吸过程不同，反映在吸附—脱附曲线上即可形成不同的形态特征。因此，我们可以通过吸附—脱附曲线的形态对长7段岩石样品中的孔隙结构进行研究。吸附—脱附曲线上的2个分支为吸附分支与脱附分支。当吸附过程与脱附过程相同或相近时，两者重合或近于重合；当吸附与脱附过程差异较大时，两者不重合，形成吸附回线。
通过对鄂尔多斯盆地长7段岩石的吸附—脱附曲线的研究，依据吸附线和解吸线的形态特征及其相互关系，将研究所涉及岩石的吸附—脱附曲线分为2种类型（图5）。
Ⅰ型吸附回线（图5（a））的主要特征为：吸附线在相对压力较低时上升缓慢，当压力达到P 0附近时吸附量急剧增大，而由于发生吸附和脱附的相对压力较为接近，吸附线和脱附线重叠或接近重叠，表现为无吸附回线或吸附回线不明显。这类吸附—脱附曲线反映了长7段岩石中的孔隙主要是孔喉比较均匀的连通性比较好的孔隙，气体吸附进去以后也比较容易按原路脱附，因此其形态应该是比较平直的，包括圆筒形、平行板状、楔形以及锥形孔。同时，吸附曲线急剧增大的拐点所对应的压力则反映了孔隙的大小，压力大则孔隙小。
Ⅱ型吸附回线［图5（b）］的主要特征为：回线主要出现在相对压力较大处（p/p 0=0.5~1.0）且具有明显的拐点G。这类吸附回线反映了岩石中孔隙组成较为复杂。在较低的相对压力处吸附和脱附曲线基本重合，说明孔径较大的孔隙形态为比较平直的孔隙，与Ⅰ型吸附回线相似；而在较高压力处出现明显的吸附回线，反映了岩石中存在比较明显的孔喉差异，一些气体被吸附进由比较细小的喉道连通的孔隙中后，在压力释放的情况下，因细小喉道的阻碍而不易脱附并释放出来。
从表1中可以看出，鄂尔多斯盆地长7段岩石的吸附—脱附曲线总体以Ⅱ型为主，有少量Ⅰ型。尤其是处于泥岩和粉砂岩之间的过渡岩性样品，它们的吸附—脱附曲线均为Ⅱ型，反映了岩石中的孔隙大小不均，孔喉差异较大，形态复杂多样；泥岩样品的吸附—脱附曲线为Ⅰ型，但吸附曲线的拐点压力比较大，说明岩石中的孔隙主要为比较细小的孔隙，但孔隙大小差别不大；极细砂岩的吸附—脱附曲线也为Ⅰ型，其吸附曲线的拐点压力比较小，说明岩石中的孔隙大小比较均匀，连通性好，而且孔隙也比较大。
3.2 高压压汞实验对孔隙结构的研究
高压压汞实验是获得储层岩石孔喉特征参数的重要途径。常规压汞仪器的最高进汞压力较低，无法突破泥页岩纳米级孔隙中的毛管压力，因此不能有效描述泥页岩纳米量级的孔隙结构。在本研究中，我们利用高压压汞实验对岩石样品中的孔喉关系进行分析。
3.3 CT扫描对孔隙结构的研究
高压压汞实验的结果表明，储集层渗流能力不能仅依靠气测渗透率来表征，主流喉道半径是表征储层渗透能力的重要参数。另外，一些研究表明，孔隙内流体压力的变化会影响我们对于孔隙结构的判断，而CT扫描技术可以在不损坏样品内部结构的条件下进行二维截面和三维空间发育重构，大大提高对于孔隙结构的认识。
在CT扫描图像中，灰色为硅质组分、浅灰可能为碳酸盐岩组分、亮白色可能为金属重矿物。通过定量计算CT扫描的数据体可以看到对应的孔隙，并且可以定量计算出孔隙度、连通体积百分比、孔隙及喉道的体积和半径。
3.4 扫描电镜对孔隙形貌的研究
为了清楚了解孔隙形貌以及发育特征，采取扫描电镜观察和背散射等实验手段对样品开展了研究。图7是长7段油页岩储层样品扫描电镜孔隙形貌照片。从图中可以看出，长7段岩石中的孔隙依据成因总体可以分为原生孔隙和次生孔隙两大类。原生孔隙是指在成岩作用过程中保存下来的孔隙，主要包括基质晶间孔、粒间孔等；次生孔隙产生的原因主要包括岩石中矿物的收缩、有机质生烃、矿物重结晶以及有机酸或其他流体的溶蚀等，表现为形成于成岩作用过程中或成岩后作用下产生的有机质孔、溶蚀孔。
图7 长7段油页岩储层孔隙形貌（a） 白522井，1 960.31 m，长7段，黏土矿物中的晶间孔；（b）里211井，2 371.8 m，长7段，粉砂岩中的裂缝；（c）庄233井，1 796.30 m，长73亚段，黏土矿物中的晶间孔；（d）庄233井，1 784.75 m，长72亚段，黏土矿物中的晶间孔；（e）里211井，2 371.8 m，长7段，草莓状黄铁矿中的晶间孔；（f）白522井，1 960.31 m，长7段，草莓状黄铁矿中的晶间孔；（g）庄233井，1 785.8 m，长73亚段，草莓状黄铁矿中的晶间孔；（h）庄233井，1 749.95 m，长71亚段，石英颗粒溶蚀孔；（i）白522井，1 948.04 m，长7，长石颗粒中的粒内孔 Fig.7 Pore morphology of Chang 7 Member oil shale reservoir by SEM |
3.4.1 页岩油储层中的原生孔隙
原生孔隙存在于泥页岩原始沉积的碎屑中，随着埋深这些孔隙遭到挤压以及次生矿物填充而逐渐减小。在鄂尔多斯盆地长7段泥页岩中，原生晶间孔是观察到的主要孔隙类型，其主要出现在定向、半定向排列的黏土矿物薄片中，比如成板片状的绿泥石晶体集合体。原生晶间孔是泥页岩中广泛发育的有效储集空间。除了晶间孔外，在长7段泥页岩中还发育少量原生粒间孔，主要存在于泥页岩中较大的碎屑颗粒之间。
3.4.2 页岩油储层中的次生孔隙
次生晶间孔主要是由于泥页岩中自生矿物的生成或原生矿物的重结晶而形成的。在泥页岩成岩过程中，随着成岩环境的改变，方解石、白云石等自生矿物逐渐形成，同时，黏土矿物会发生重结晶，这些矿物晶粒间形成的孔隙即为次生晶间孔。有机质孔隙也是次生孔隙中的一种，其主要是指有机质及其团块内部由于生烃作用形成的残留孔隙。有机质孔的形成与泥页岩中有机质的含量及热演化程度密切相关。有机质的生烃作用还可导致其体积缩小，在有机质内部或有机质与周围的矿物基质之间产生收缩缝隙。另外，颗粒溶蚀也可以形成次生孔隙。
在本文研究的样品中，发现大量结晶较好的莓状黄铁矿、其矿物颗粒间孔隙发育。草莓状黄铁矿形成之后填充于黏土矿物之间的缝隙中，多个黄铁矿颗粒集中发育，其各个晶体颗粒间形成明显的孔隙。一些泥页岩样品中还可以见到有机质团块或条带，其间发育一些次生孔隙以及少量的颗粒溶蚀。
总的来说，鄂尔多斯盆地长7段岩石中的孔隙普遍为微米—纳米级别。岩石的储集空间既有纳米级孔隙，又有微米级孔隙，以纳米孔隙为主，微米孔隙相对较少。微米孔多以孔径在1~10 μm之间的孔隙为主，但发育局限，主要出现在细砂岩、粉砂岩以及过渡岩性之中；纳米级孔隙主要包括黏土矿物晶间孔、自生矿物的晶间孔、有机孔隙和溶蚀孔隙等，孔径多小于500 nm；这些孔隙通常存在于泥岩中。
4 页岩油储层流体流动性研究
4.1 核磁共振实验原理
当岩心抽真空饱和并冲注盐水后，岩心孔隙内盐水的T 2弛豫时间大小主要取决于水分子受到孔隙固体表面作用力强弱的影响。因此，当水分子受到较强的孔隙固体表面作用力时（微小孔隙内的水或较大孔隙内与固体表面紧密接触的水），这部分水处于束缚状态或不可流动状态，称之为束缚水（束缚流体），在核磁共振中表现为T 2弛豫时间较小。反之，受到较小的孔隙固体表面作用力的水则称为可动水（可动流体），在核磁共振中表现为T 2弛豫时间较长。由于这两者之间在核磁共振T 2弛豫时间上有明显区别，因此利用核磁共振T 2谱可对岩心孔隙内盐水的赋存状态（可动或束缚）进行分析，并定量的给出可动流体饱和度和束缚流体饱和度。而峰值T 2弛豫时间则总体反映了可动水在样品中所占的比例，该值越大，则可动水在样品中所占比例越高。
4.2 长7段页岩油储层流体流动性特征
为了重点评估页岩油储层中细粒岩石的油气储集潜力和可动能力，特选取了比较细粒的3个样品：庄233-18（灰色泥质粉砂岩）、白522-01（褐灰色粉砂质泥岩）和庄233-09（灰黑色泥岩）用来开展核磁共振研究。图8是这3个样品的T 2弛豫时间谱。
另外，前述根据高压压汞的分析结果（图6），按照中石油的孔隙结构分级标准（表2）统计了上面这3个样品中微孔和细孔在孔隙中所占的比例，这个比例代表了储层样品中比较细小的孔隙在孔隙中的占比。将上述这些参数和用电脉冲页岩孔隙分析法测得的3个样品的孔隙度数据等列于表3。将表3数据对孔隙度作图（图9），从图中可以看出，峰值T 2弛豫时间（ms）与孔隙度成正相关，说明孔隙度越大，孔隙中可容纳的自由流体越多，这与一般的认识吻合。但是，束缚水饱和度与孔隙度成正相关也就意味着可动流体与孔隙度成负相关，这与一般认识不符。进一步对图9和表3进行观察研究，发现在被测样品中，孔隙度相对较高的样品其微孔+细孔在孔隙中的占比也较高。这说明这些样品虽然孔隙度较高，但多数是比较细微的孔隙；而那个孔隙度较低的样品（白522-01）的细微孔隙的占比则比较低，说明其含有比较多的较大孔隙。综合分析下来，在孔隙度较低但孔隙较大的样品中，可动流体的饱和度相对较高，而在孔隙度较高但孔隙较小的样品中，可动流体的饱和度反而相对较低。这表明在页岩油储层样品中，孔隙结构而不是孔隙度是流体可动性的关键因素，尽管孔隙度可能较大，但孔隙越小对流体可动性越不利。
表2 中国石油孔隙结构分级参考标准Table 2 Classification of pore size of CNPC |
| 中石油孔隙结构分级参考标准 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 大孔 | 中孔 | 小孔 | 细孔 | 微孔 |
| >80 μm | 80~50 μm | 50~10 μm | 10~0.5 μm | <0.5 μm |
表3 长7段页岩油储层样品孔隙与可动性参数Table 3 Pore and mobility parameters of Chang 7 Member shale oil reservoir samples |
| 样品号 | 深度/m | 岩性 | 孔隙度/% | 微孔+细孔在孔隙中的占比/% | 峰值T 2弛豫时间/ms | 可动流体饱和度/% | 束缚水饱和度/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 白522-01 | 1 959.5 | 褐灰色粉砂质泥岩 | 0.86 | 58.84 | 55.46 | 64.3 | 35.7 |
| 庄233-18 | 1 749.95 | 灰色泥质粉砂岩 | 1.809 | 76.51 | 62.89 | 61.4 | 38.6 |
| 庄233-09 | 1 796.3 | 灰黑色泥岩 | 2.926 | 77.94 | 72.75 | 57.9 | 42.1 |
5 结论
通过对鄂尔多斯盆地长7段页岩油储层进行详细的岩性、孔隙度与孔隙结构形貌以及流体可动性这3个方面的分析可知：
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（1）鄂尔多斯盆地长7段岩石岩性主要以粉砂岩和泥页岩为主，含有少量细砂岩，属于页岩层系。
（2）页岩油储层岩石的孔渗较差，孔隙主要以细小孔隙为主，但孔径差异较大，形成明显的孔—喉结构，大多数孔隙为黏土矿物的原生晶间孔和自生草莓状黄铁矿形成的次生晶间孔。因此，尽管泥页岩的孔隙度和孔径都非常微小，但也具备一定的储集性和流体可动性。
（3）粉砂岩—泥页岩系的流体可动性主要依赖于孔隙结构，而孔隙度对其影响较小。
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