滄東凹陷孔二段頁巖紋層結構類型及其對儲集性能的影響

宋斯宇,陳世悅,鄢繼華,蒲秀剛

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東 青島 266580;2.中國石油大港油田公司勘探開發研究院,天津 300280)

頁巖是由粒度小于62.5 μm的礦物組成且發育有頁理構造的巖石類型,占地表沉積巖總量的70%以上,但由于過往對常規油氣的開采,在很長時間內頁巖未能引起足夠的重視,相關的研究也進展緩慢。隨著非常規油氣的進一步推進,頁巖作為“源儲一體”的連續性富油氣巖,有著巨大的開發潛力,逐漸成為非常規石油地質學中的研究熱點[1-2]。黎茂穩等[3]認為,中國陸相沉積盆地發育優質頁巖,其中陸相頁巖發育毫米級紋層,主要發育在深湖相沉積環境,規模相對較小。渤海灣盆地滄東凹陷孔二段的頁巖恰是如此,其發育了多套典型的富有機質紋層狀頁巖。學者們從多個角度探究劃分紋層結構類型,劉國恒等[4]根據礦物組分將延長組長7段頁巖紋層劃分為亮層結構與暗層結構;Lazar等[5]通過紋層的成分、結構與層理劃分紋層結構類型;董虎等[6]根據有機質含量將松遼盆地的青山口組頁巖劃分為低-中-高3種有機質紋層結構類型;Broadhead等[7]根據有機質和黏土礦物對俄亥俄上泥盆統頁巖紋層進行了劃分;葸克來等[8]依據礦物組分、厚度等因素將鄂爾多斯盆地的延長組7、8段頁巖劃分為“富有機質+粉砂級長英質”紋層組合與“富長英質+富凝灰質”紋層組合;華柑霖等[9]根據紋層形態將龍馬溪組頁巖紋層劃分為4類:水平等厚紋層結構、透鏡體紋層結構、水平不等厚紋層結構與水平-小型波狀紋層結構;Wang等[10]根據紋層發育密度與厚度總結了低密度與低厚度型、低密度與高厚度型、高密度與高厚度型3種紋層結構。紋層結構為頁巖富集研究提供基礎信息,不同的紋層結構對頁巖儲層的評價有著不可忽視的影響。因此,對紋層結構的研究成為目前亟需解決的問題。

滄東凹陷孔二段頁巖非均質性強、紋層結構發育、黏土礦物含量高、有機質發育分散且局部聚集。前人對紋層的研究往往集中在對樣品粉碎后測定TOC、礦物組成,而忽略了非均質性的影響,研究重點大多將頁巖簡單的劃分為塊狀頁巖與紋層狀頁巖,其中孔二段紋層狀頁巖有以下3個基本特征:(1)厚度薄,一般都在mm尺度以下;(2)成分多,包括有機-無機組分,長英質礦物(30%～55%)、碳酸鹽礦物(20%～40%)、黏土礦物(含量較少,不超過20%)、方沸石(不超過20%)、有機質與黏土礦物伴生;(3)粒度細,粉砂-泥晶為主,值得注意的是顯微鏡下觀察礦物含量與XRD測試含量會存在微弱差別,這是由于長英質礦物與碳酸鹽礦物部分粒度過小從而難以辨別,可能會將其誤認為黏土礦物。這些研究尚未在此基礎上提出更為嚴謹的紋層結構劃分方案。

此次研究以礦物類型與有機質為紋層劃分依據,分析不同紋層組合結構之間的差異,觀察不同類型紋層間孔隙與裂縫的差異,進而分別對不同紋層結構頁巖的儲集性能展開相應的研究。由于頁巖巖心粒度細、顏色深、紋層結構觀察與劃分難度偏大,所以采用宏觀與微觀相結合的研究方法,以巖心觀察手段在宏觀尺度上來分析頁巖紋層顏色、薄厚與連續性等;在微觀層面上可以通過光學顯微鏡、氬離子拋光-高分辨率場發射掃描電鏡、AMICS等鏡下觀察礦物組成、紋層疊置關系、不同紋層結構中有機質發育特征與孔隙結構與裂縫特征,最終來評價不同紋層結構的儲集性能優劣。

1 研究區地質概況與實驗方法

1.1 地質概況

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷的南部地區,是黃驊坳陷內部第二大富集油氣凹陷,油氣勘探面積約為4 700 km2,是應力拉張作用下形成的陸相斷陷盆地[11-12]。滄東凹陷地處孔店凸起以北,東光凸起以南,滄縣隆起以西,徐黑凸起以東;由于東西兩側隆起更明顯,故此凹陷整體上表現為北東-南西向的狹長展布形態[13-14]。滄東凹陷在孔二段沉積時期是典型淡水-半咸水封閉型的坳陷湖盆(見圖1),沉積相帶沿坳陷湖盆呈環狀分布,外環發育有常規砂巖(三角洲前緣亞相),內環發育有一定規模的頁巖,頁巖源儲一體,烴類大多原地聚集成藏,其獨特的閉塞湖盆沉積模式造就了凹陷級常規-非常規油氣一體有序成藏的格局[15]。研究區面積約為750 km2,孔二段沉積厚度為60～300 m,整個孔二段劃分為4個亞段,EK24以灰色粉砂質泥巖為主、EK23以灰黑色頁巖為主、EK22以重力流砂巖為主、EK21發育有灰黑色頁巖[16]?？锥雾搸r發育有大量的紋層,不同礦物成層且互相混合或者縱向疊置,不同的紋層結構也導致不同的儲集性能。因此,有必要利用多口重點井的資料開展頁巖紋層結構的研究,評價不同紋層間儲集性能的差異,為頁巖油的進一步勘探部署提供依據。

1.2 實驗方法

實驗樣品來自孔二段的4口重點井(官108-8、官東12、官東14、官19-25)(見圖1),巖性為頁巖。利用巖心觀察手段對宏觀紋層結構進行研究,微觀層面上可以通過光學顯微鏡、氬離子拋光-場發射掃描電鏡、AMICS等鏡下觀察紋層結構對頁巖礦物組分、孔隙類型與孔隙結構進行評價,并進一步評價不同紋層結構類型的儲集性能。主要實驗測試方法介紹如下:

氬離子拋光-場發射掃描電鏡測試使用德國ZEISS公司 Zeiss-Merlin儀器來完成[17]。在中國石油大學國家重點實驗室對孔二段重點井的樣品進行測試,檢測環境要保證溫度23 ℃,濕度60%。該測試先通過氬離子束對測試樣品表面進行拋光處理,獲得平滑且無損的截面,以便利用掃描電鏡觀察到樣品表面的微觀孔隙結構以及孔隙分布,然后作進一步的定性分析[18-19]。

圖1 渤海灣盆地滄東凹陷Ek Ⅱ頁巖沉積有利區(據大港油田)Fig.1 Ek Ⅱ shale sedimentary favorable areas in the Cangdong sag Bohai Bay Basin (according to Dagang oilfield)

礦物自動定量分析系統(AMICS,advanced mineral identification and characterization system)是利用掃描電子顯微鏡(SEM)對樣品中的礦物進行自動快速表征。選取孔二段重點井的巖心樣品,在中國科學院地質與地球物理研究所進行測試,該測試以背散射電子圖像為基礎,結合現代圖像分析技術及能譜測試,最終由電腦自動計算后獲得礦物基本參數[20]。使用的場發射掃描電鏡型號為Zeiss Merlin Gemini2,在實驗前先利用Leica EM RES 102儀器將測試樣品進行剖光,再用Leica EM ACE 200儀器對樣品表面噴涂碳膜,之后在場發射掃描電鏡的背散射探頭下選擇目標區域,利用配套的能譜儀對樣品特定區域進行面掃,再通過AMICS軟件進行礦物識別和定量分析。

2 頁巖紋層結構類型

紋層是指沉積巖中可分辨的最小/最薄的原始沉積單元,紋層組合結構能夠直接反映沉積時期的水動力特征以及沉積環境,為頁巖油富集判斷提供有效依據[21]。此次通過巖心觀察、顯微鏡下觀察與XRD、氬離子拋光-掃描電鏡、AMICS測試等分析[22],對孔二段頁巖紋層結構進行“由大到小”的全尺度表征。觀察不同紋層的疊置關系,以及對頁巖生儲性質的影響,總結出3種紋層結構,分別為長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構、黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構、長英質-碳酸鹽-黏土(有機質)紋層結構?？锥雾搸r3種紋層結構具體特征如表1所列。

表1 滄東凹陷EK2頁巖紋層結構分類

2.1 長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構

通過多尺度觀察長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構(見圖2),發現巖心(見圖2(a))發育有淺灰色長英質紋層、灰黑色泥質紋層與碳酸鹽紋層[23],紋層連續性弱(受沉積環境變化速率較快影響),淺灰色長英質紋層波動明顯且起伏較大,局部發育液化變形現象,表明此時沉積水體環境動蕩,水動力作用較強。顯微鏡與AMICS鏡下觀察可知,長英質礦物、碳酸鹽礦物(以白云石為主)、黏土礦物基本都順層發育[24];長英質紋層發育有間斷且厚度小(見圖2(c)),石英與鈉長石粒度由泥級到粉砂,個別情況下會出現粒度過大的顆粒,這往往是由于不穩定降水使得大量碎屑物質流向湖泊帶入粒度較大的長英質(正長石、鈉長石與石英);黏土礦物紋層(伊利石與綠泥石為主)粒度小(見圖2(d)、(e)),顏色偏深,更容易受擠壓變形,單層厚度往往受到其他礦物擠壓變形,粗細不均(見圖2(c));白云石紋層粒度分布在泥級到粉砂級之間,顏色偏淺,紋層較為平直且厚度較小(見圖2(b)、(c))。結合XRD測試結果可知,長英質礦物平均質量分數最高(39.2%),其次為碳酸鹽礦物(27.3%)和黏土礦物(19.8%)。

2.2 黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構

通過多尺度觀察黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構(見圖3),發現巖心中發育大量褐色紋層與深灰色紋層相互疊置組成明暗相間的層偶[25],紋層界面清晰平直,單個紋層厚度1～3 mm,連續性好,部分紋層彎曲(見圖3(a))。顯微鏡與AMICS鏡下觀察可知,亮色紋層與暗色紋層分層明顯,亮色的為碳酸鹽紋層與方沸石紋層(見圖3(b)、(c));碳酸鹽紋層厚度大(見圖3(b)),主要發育自形程度較好的微晶白云石,大多較為純凈,偶爾夾雜部分黏土礦物,幾乎不含長英質礦物,表明此沉積時期湖盆鹽度較高;方沸石紋層發育間斷(孔二段方沸石主要由黏土礦物在成巖早期轉化而來),粒度為粉砂級,顯微鏡下呈現出小透鏡狀與蝌蚪狀(見圖3(c));暗色的黏土(有機質)紋層厚度較大且粒度多為泥級(見圖3(b)、(c)),其中伊利石中混雜著絲狀有機質,層厚通常小于碳酸鹽紋層(見圖3(b)、(c))。結合XRD分析測試可知,該紋層結構平均含有32.6%的白云石、27.3%的方沸石、27.8%的黏土礦物和11.4%的泥級長英質礦物。

圖2 孔二段長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構頁巖照片Fig.2 Photographs of shale with quartz & feldspar-carbonate-clay type grain structure in EK Ⅱ

圖3 孔二段黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構頁巖照片Fig.3 Photographs of shale with clay (organic matter)-carbonate-square zeolite type grain structure in EK Ⅱ

2.3 長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構

通過多尺度觀察長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構(見圖4),發現巖心發育有清晰且細密的紋層,整體呈深灰色-灰黑色,單個紋層厚度0.5～2 mm,不同紋層間的礦物組分有所區別,其力學性質亦有所不同,層理面易收縮發生破裂形成大量微裂縫,后期被白云石所充填(見圖4(a))。顯微鏡與AMICS鏡下觀察可知,長英質紋層(以鈉長石紋層為主)順層間斷發育且紋層厚度較小,粒度為細粉砂級(見圖4(b)、(c));碳酸鹽紋層厚度大且紋層間斷較少,粒度為泥級到細粉砂級(見圖4(b)、(c));黏土紋層間斷發育且厚度較薄,有機質以小團塊狀分布、絲狀有機質與綠泥石混雜分布,部分有機質條帶也單獨成層,部分絲狀有機質混雜在鈉長石紋層內;長石與伊利石互層,鈉長石含量相對較多(見圖4(d)～(g)),反映此沉積時期湖盆為微咸水環境,陸源輸入效果較弱且古氣候發生頻繁變化。結合XRD分析測試,長英質礦物(32.4%)與碳酸鹽礦物(40.8%)質量分數接近,而黏土(19.2%)質量分數相對較低。

圖4 孔二段長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構頁巖照片Fig.4 Photographs of shale with quartz & feldspar-carbonate-clay mineral (organic matter) grain structure in E Ⅱ

3 紋層結構類型對儲集性能的影響

3.1 不同紋層結構頁巖的孔縫類型

頁巖儲層微-納米孔隙系統主要為有機質孔和無機孔,其中無機孔包括有粒間孔、晶間孔、溶蝕孔。根據孔二段的氬離子剖光-場發射掃描電鏡照片(見圖5),研究不同紋層結構類型對應的孔隙結構與類型以及孔隙空間展布。

(OM:有機質,Ca1:方解石,Do1:白云石,An1:方沸石,Qtz:石英,Py:黃鐵礦,Ⅲ:伊利石)圖5 孔二段紋層狀頁巖場發射掃描電鏡照片Fig.5 Field emission scanning electron microscope photo of EK Ⅱ laminated shale

長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構與黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構多發育納米級有機質孔,有機質孔呈蜂窩狀、氣泡狀、串珠狀等分布形式[26],孔型較為圓滑,孔隙分布較為集中,孔徑大小低于400 nm,根據IUPAC(international union of pure and applied chemistry)劃分方案,有機孔隙多屬于介、宏孔(見圖5(c)、(f)、(g))。值得注意的是,盡管在二維空間視角有機孔隙彼此并不聯通,然而在三維空間內有機質孔隙卻彼此聯通[27-28],并且有機質和礦物顆粒(石英、白云石)間的邊緣微裂縫也可以與有機質孔形成良好的聯通孔-縫體系(見圖5(c)、(f)、(g))。各種無機孔隙類型在不同紋層結構中都有分布但側重不同,其中長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構與長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構中粒間孔發育較多,粒間孔發育數大多分布在0.2～3 μm,孔隙形態受相鄰礦物決定且不盡相同,孔隙往往帶有一定的棱角,部分在成巖過程中被伊利石等礦物充填迫使其有效聯通性降低(見圖5(d)、(e)、(h));晶間孔大多發育在黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構中,孔徑更小,晶間孔多受礦物晶體特征決定,孔隙形態多不規則(見圖5(b)、(i));溶蝕孔在3種紋層組合類型中都有分布,往往會單獨出現在白云石或黃鐵礦內部,孔徑不均,聯通性較差,常呈現出橢圓狀(見圖5(e))。微裂縫大多發育在長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構與長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構中,形態多為鋸齒狀且彎曲分布(見圖5(c)、(h)),長度多在100～220 μm間,寬度在40～100 nm間,在微觀狀態下微裂縫的發育往往受礦物形態的影響,在后期壓裂過程中起到一定促進作用。

3.2 不同紋層結構頁巖的物性差異

通過對比孔二段不同紋層結構的孔隙度(見圖6),發現孔二段孔隙度介于0.03%～6%,長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構與長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構的物性優于黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構的物性,主要體現在含長英質礦物的紋層結構的孔徑范圍較大,在孔隙度為0.03%～6%間呈左偏態分布;黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構的孔隙度大多集中在0.03%～2%之間,孔隙度大于4%的占比非常少。經分析有以下幾點原因:(1)紋層中的長英質礦物有利于儲層孔、縫的發育,頁巖發育的粒間孔主要沿石英、長石和部分碳酸鹽顆粒邊緣發育[29-30],石英顆粒減小了頁巖機械壓實能力,對含長英質礦物的頁巖紋層中發育的孔、微裂縫起到了良好的保存效果;(2) 白云石和方解石發育較多晶間孔以及溶蝕孔,晶間孔與溶蝕孔孔徑相對較小[31-32],且粉晶狀方沸石會充填部分粒間孔、粒內孔以及微裂縫,進一步降低黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構的物性。

圖6 孔二段不同紋層結構頁巖孔隙度分布直方圖Fig.6 Histogram of porosity distribution of shales withdifferent grain structure in EK Ⅱ

通過對比孔二段不同紋層結構的氮氣吸附(見圖7),發現從3種紋層結構孔容對比來看,長英質-碳酸鹽-黏土礦物紋層結構頁巖孔容為0.025 4 cc/nm/g(見圖7(a)),長英質-碳酸鹽-黏土型(有機質)紋層結構頁巖孔容為0.042 cc/nm/g(見圖7(b)),黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構頁巖孔容為0.016 cc/nm/g(見圖7(c)),表明含有長英質的紋層結構頁巖的儲集性能偏高。從孔徑分布看,不同紋層結構頁巖均表現有較明顯的雙峰特征,孔徑分布為1～100 nm,介孔范圍內峰高且尖銳,其中長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構頁巖孔、縫發育最多,宏孔發育較多。

圖7 孔二段不同紋層結構頁巖氮氣吸附Fig.7 Nitrogen adsorption diagram of pore diaphragm structure of EK Ⅱ

4 結論

(1) 針對滄東凹陷孔二段頁巖,根據鏡下觀察的紋層間礦物的組合關系、紋層厚度、紋層連續性、礦物粒度、有機質的賦存狀態以及全巖XRD數據進行綜合分析,發現主要存在4種紋層:長英質礦物紋層、碳酸鹽礦物紋層、黏土礦物(有機質)紋層、方沸石紋層。分析與觀察這4種主要礦物紋層的組合關系,總結歸納了主要發育的3種紋層結構類型,即長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構、長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構以及黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構類型。

(2) 長英質-碳酸鹽-黏土型紋層結構紋層有間斷,粒度由泥級到粉砂,紋層較為平直且厚度較小,長英質礦物占比偏高;黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構主要以明暗相間的紋層組成,紋層界面清晰平直,粒度由泥級到細粉砂,白云石與方沸石含量偏高;長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構紋層平直且層厚度較小,粒度為泥級到細粉砂級,碳酸鹽礦物與長英質礦物含量偏高。

(3) 不同頁巖紋層結構對儲集物性有不同的影響，其中長英質-碳酸鹽-黏土礦物(有機質)紋層結構孔徑范圍較大(由微孔到宏孔),孔隙度分布在0.03%～6%、基本呈現左偏態分布,粒間孔與有機質孔大量發育,儲集性能最好;長英質-碳酸鹽-黏土礦物紋層結構孔徑范圍較大(由介孔到宏孔),孔隙度分布在0.03%～6%,基本呈現左偏態分布,粒間孔與溶蝕孔大量發育,儲集性能次之;黏土(有機質)-碳酸鹽-方沸石型紋層結構孔徑相對較小(微孔與介孔),孔隙度分布在0.03%～4%,晶間孔與溶蝕孔大量發育,儲集性能較弱。