賈艷雨

(中石化新星(北京)新能源研究院有限公司 鄭州分公司，河南 鄭州 450000)

泌陽凹陷位于南襄盆地東北角，為一中新生代斷控凹陷。凹陷形成主要受北西西向的唐河—栗園斷裂和北東向的栗園—泌陽斷裂控制，根據(jù)沉積和構(gòu)造特征，主要分為北部緩坡帶、中部深凹帶、南部陡坡帶3個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元[1]。自上而下依次沉積第四系平原組、新近系鳳凰鎮(zhèn)組、古近系廖莊組、核桃園組、大倉房組和玉皇頂組地層，其中，核桃園組是泌陽凹陷主要的生油與儲(chǔ)集巖段[2]。前期研究表明，泌陽凹陷核桃園組頁巖具有分布范圍廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高等特征，陸相頁巖油形成條件有利[3-4]，部署于該凹陷的2口頁巖油水平井—泌頁HF1井與泌頁HF2井取得勘探突破，表明泌陽凹陷頁巖油具有一定的勘探潛力。但是目前頁巖油水平井穩(wěn)定產(chǎn)量較低，還不能滿足規(guī)模經(jīng)濟(jì)開發(fā)的要求，前人對(duì)泌陽凹陷頁巖的有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律、儲(chǔ)集空間類型、富集高產(chǎn)主控因素等多個(gè)方面進(jìn)行了探究[5-7]，取得了一定認(rèn)識(shí)，但頁巖油最優(yōu)部署目標(biāo)仍不十分清晰。本文從儲(chǔ)層孔隙表征入手，試圖通過測(cè)井定量評(píng)價(jià)孔隙有效性，從而為尋找最優(yōu)頁巖儲(chǔ)層提供支撐。

1 基礎(chǔ)地質(zhì)特征

泌陽凹陷富含有機(jī)質(zhì)頁巖縱向上主要位于核三二層序和核三三層序的湖侵體系域，發(fā)育5套富有機(jī)質(zhì)頁巖層；平面上主要分布在深凹區(qū)，與深湖—半深湖沉積相吻合，分布面積80～120 km2(圖1)[8]。大量巖芯、薄片觀察表明，泌陽凹陷富含有機(jī)質(zhì)頁巖構(gòu)造以紋層狀為主，塊狀較少見；頁巖粉砂、黏土及碳酸鹽礦物三端元含量總體為20%～40%，屬于頁狀混合型細(xì)粒沉積巖。根據(jù)頁巖的礦物類型、含量及分布特點(diǎn)，可將其劃分為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、隱晶灰質(zhì)頁巖、重結(jié)晶灰質(zhì)頁巖及白云質(zhì)頁巖5種巖相類型，5種巖相是在不同的沉積環(huán)境下形成的，具有各自不同的地球化學(xué)及巖石學(xué)特征[9]。

圖1 泌陽凹陷5套頁巖層沉積相與泥頁巖厚度等值線Fig.1 Isoline map of sedimentary facies and shale thickness of No.5 shale in Biyang Depression

2 頁巖油儲(chǔ)層儲(chǔ)集特征

2.1 儲(chǔ)集空間特征

前人將泌陽凹陷頁巖儲(chǔ)層劃分為粒間孔、晶間孔、溶蝕孔及有機(jī)質(zhì)孔4種孔隙[9]，此次研究重點(diǎn)對(duì)不同孔隙的特征進(jìn)行了量化表征，從而明確對(duì)頁巖油富集占主導(dǎo)作用的孔隙類型及特點(diǎn)，為測(cè)井宏觀表征提供基礎(chǔ)。粒間孔隙是沉積形成的原生孔隙，在成巖過程中被壓實(shí)，或被碳酸鹽、硅質(zhì)或黃鐵礦等礦物充填(圖2(a))。該類型孔隙在該區(qū)頁巖中一般發(fā)育在石英、長(zhǎng)石顆粒間，相對(duì)較少，尺寸幾百納米至幾微米不等。晶間孔發(fā)育主要與黏土礦物、碳酸巖礦物相關(guān)(圖2(b))。黏土礦物晶間孔是指存在于黏土礦物間的微孔隙，其尺寸多位于幾十納米到幾百納米(圖2(c))。碳酸鹽巖晶間孔主要由碳酸鹽礦物在重結(jié)晶過程中形成(圖2(d))。泌陽凹陷頁巖中方解石的溶解與重結(jié)晶現(xiàn)象十分豐富，方解石重結(jié)晶晶間孔較發(fā)育，孔徑較大，在1～3 μm。掃描電鏡下觀察，泌陽凹陷頁巖中莓狀黃鐵礦大量存在，且其晶間微孔隙比較發(fā)育，尺寸為幾百納米。溶蝕孔隙發(fā)育主要與方解石和長(zhǎng)石的溶蝕有關(guān)，在方解石、長(zhǎng)石相對(duì)發(fā)育的頁巖段，溶蝕孔隙發(fā)育程度高，發(fā)育尺寸與溶蝕的程度有關(guān)，尺寸相對(duì)較大，多在幾百納米以上(圖2(e))。而有機(jī)質(zhì)孔隙受盆地?zé)嵫莼潭鹊挠绊?，以長(zhǎng)條或條帶狀的邊緣孔隙發(fā)育為主，尺寸在幾納米至幾百納米。除此之外，泌陽凹陷頁巖還發(fā)育大量受構(gòu)造、沉積、成巖等多種因素的影響而形成的微裂縫(圖2(g))。

圖2 泌陽凹陷陸相頁巖儲(chǔ)集空間類型Fig.2 Spatial type map of continental shale reservoir in Biyang Depression

2.2 儲(chǔ)集物性

核磁共振、SPR法等多種實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，泌陽凹陷頁巖平均孔隙度大于4%，高于頁巖油的經(jīng)濟(jì)開采孔隙度。泌頁HF1井頁巖巖芯核磁共振實(shí)驗(yàn)測(cè)試有效孔隙度2.73%～12.50%，平均5.78%；脈沖基質(zhì)滲透率為0.000 31×10-3～0.016 00×10-3μm2，平均0.003 50×10-3μm2。安深1井頁巖核磁共振實(shí)測(cè)有效孔隙度2.06%～11.45%，平均為4.76%，脈沖基質(zhì)滲透率在0.000 22×10-3～0.017 00×10-3μm2，平均0.003 00×10-3μm2。SRP法測(cè)得的泌頁HF1井頁巖孔隙度1.55%～7.23%，平均4.63%；壓降基質(zhì)滲透率為0.47×10-9～3.12×10-9μm2，平均1.56×10-9μm2。不同實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試的孔隙度大小相當(dāng)，但滲透率有所差異，主要是受實(shí)驗(yàn)方法的影響。壓降法測(cè)試滲透率是在粉碎頁巖巖芯后測(cè)的巖芯滲透率，由于裂縫遭受碾碎破壞，會(huì)大大降低滲透率的測(cè)試值。物性分析數(shù)據(jù)結(jié)合儲(chǔ)層微觀孔隙發(fā)育特征，認(rèn)為泌陽凹陷頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙邊緣孔、碳酸鹽巖溶蝕孔隙尺寸發(fā)育更大，對(duì)儲(chǔ)層的宏觀物性具有更高的貢獻(xiàn)值。

3 頁巖油賦存特征

泌陽凹陷頁巖儲(chǔ)層主要以納米級(jí)孔喉為主。研究表明，以納米級(jí)孔喉占儲(chǔ)集空間主體的頁巖油儲(chǔ)層中，由于孔喉尺寸過小，產(chǎn)生的毛細(xì)管阻力較大，單憑浮力和水動(dòng)力無法使油分子突破喉道進(jìn)行運(yùn)移，油氣主要為源內(nèi)滯留聚集，或小規(guī)模連續(xù)油相短距離運(yùn)移。頁巖油源內(nèi)運(yùn)移動(dòng)力主要為生烴增壓和擴(kuò)散作用力，運(yùn)移方式為差異生烴超壓驅(qū)動(dòng)、滯脹—擴(kuò)散聚集。不同孔喉介質(zhì)，其運(yùn)移方式有一定差異，微米級(jí)孔喉以體積流方式運(yùn)聚，納米級(jí)孔喉以分子擴(kuò)散流運(yùn)聚為主[10-12]。從泌陽凹陷頁巖儲(chǔ)層含油特征來看，泌陽凹陷厚度較大的頁巖生油后，由于厚度較大的頁巖排烴效率很低，造成油氣“滯留”在頁巖中。而滯留成藏的頁巖油主要以吸附油和游離油2種方式賦存在孔隙及裂縫中，其中游離油主要賦存在層間縫、構(gòu)造縫以及較大的基質(zhì)孔隙內(nèi)，其分布主要受基質(zhì)孔隙、裂縫影響；吸附油主要賦存在有機(jī)質(zhì)及黏土礦物顆粒表面[13-14]。以前人認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合上述對(duì)頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙和物性的認(rèn)識(shí)，本文重點(diǎn)對(duì)泌陽凹陷頁巖吸附油和游離油的賦存狀態(tài)開展了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，為頁巖油富集目標(biāo)優(yōu)選提供理論支持。

吸附油是指吸附在干酪根和黏土顆粒表面的液態(tài)石油烴[15]。實(shí)驗(yàn)表明，泌陽凹陷深凹區(qū)泥頁巖顆粒很細(xì)，吸附油含量與有機(jī)質(zhì)發(fā)育程度、有機(jī)質(zhì)表面積、礦物組成、熱演化程度、地層壓力等密切相關(guān)。有機(jī)質(zhì)豐度與吸附油含量呈正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)豐度越高，吸附油量越大；頁巖有機(jī)質(zhì)的表面積越大，干酪根表面吸附油量越大；頁巖黏土礦物中伊利石含量越豐富，比表面積越大，吸附油含量越豐富；熱演化程度越高，泥頁巖生成液態(tài)吸附油量越高，同時(shí)有機(jī)質(zhì)演化形成的微孔隙體積增加，吸附油量增加；地層壓力增高，一般條件下吸附油含量增高。總體看，吸附油在頁巖儲(chǔ)層中的賦存狀態(tài)主要受有機(jī)質(zhì)與黏土顆粒的形態(tài)和分布影響。泌陽凹陷富有有機(jī)質(zhì)頁巖中的有機(jī)質(zhì)一般是呈無定型、分散狀分布的，黏土礦物顆粒一般是呈塊狀、層狀、紋層狀分布，因此，有機(jī)質(zhì)與黏土顆粒吸附的油分布產(chǎn)狀主要呈分散狀、層狀、紋層狀等賦存狀態(tài)，在熒光薄片及場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下同樣可以清晰看到黏土礦物吸附的液態(tài)石油烴類(圖3(d)、圖3(e))。綜上可以看出，泌陽凹陷頁巖中有機(jī)碳含量、黏土礦物含量越高的區(qū)域，富含吸附油的概率和量也越大。

泌陽凹陷鉆井取芯、熒光薄片、場(chǎng)發(fā)射電鏡等資料顯示，泌陽凹陷構(gòu)造縫、層間縫及基質(zhì)孔隙內(nèi)均可見游離的頁巖油(圖3)，主要呈層狀及線狀分布。游離態(tài)頁巖油含量主要與頁巖有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)孔隙、基質(zhì)孔隙、裂縫等有關(guān)。有機(jī)質(zhì)豐度越高，有機(jī)質(zhì)孔隙越發(fā)育，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換成游離液態(tài)烴的含量越高，則游離態(tài)頁巖油含量越豐富；基質(zhì)孔隙越發(fā)育，孔隙度越高，游離態(tài)頁巖油含量越高；頁巖中往往發(fā)育層間縫、構(gòu)造縫等裂縫，裂縫越發(fā)育，頁巖油賦存空間越發(fā)育，游離態(tài)頁巖油含量也越高。

圖3 泌陽凹陷頁巖油賦存特征照片F(xiàn)ig.3 Photos of occurrence characteristics of shale oil in Biyang Depression

4 頁巖孔隙測(cè)井定量評(píng)價(jià)

原油初次運(yùn)移過程中會(huì)首先在孔隙度較高、大孔隙較發(fā)育的源內(nèi)“甜點(diǎn)”區(qū)聚集，之后才會(huì)從源巖中排出，運(yùn)移至儲(chǔ)集層。因此良好的儲(chǔ)集能力是制約頁巖油富集的重要因素，頁巖油勘探應(yīng)著力尋找高孔滲“甜點(diǎn)”區(qū)[16]。根據(jù)本文的認(rèn)識(shí)，泌陽凹陷同等地層壓力和熱演化程度的單套頁巖層中有機(jī)碳含量和黏土礦物越高，宏觀孔縫和基質(zhì)孔隙越發(fā)育的區(qū)域頁巖油更富集，有機(jī)碳含量、黏土礦物含量、宏觀孔縫的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)多，表征也相對(duì)容易。而基質(zhì)孔隙僅靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)少，且費(fèi)用高，本文考慮利用常規(guī)測(cè)井曲線建立泌陽凹陷頁巖孔隙定量表征相關(guān)模型，定量評(píng)價(jià)其發(fā)育特征，從而解決上述難題。

4.1 測(cè)井模型的建立

考慮泌陽凹陷頁巖主要發(fā)育溶蝕孔、粒間孔、晶間孔、有機(jī)質(zhì)孔4種孔隙類型，這4種孔隙類型根據(jù)賦存狀態(tài)可簡(jiǎn)化為三大孔隙類型，分別為有機(jī)質(zhì)孔、脆性礦物孔以及黏土礦物孔，以此為基礎(chǔ)，建立頁巖孔隙度測(cè)井計(jì)算模型。建立模型如下：

Φ=ρ×ABri×VBri+ρ×Aclay×Vclay+ρ×AToc×VToc

式中，Φ為頁巖孔隙度；ρ為頁巖巖石密度；ABri、Aclay、AToc分別為脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì)三者的質(zhì)量百分含量；VBri、Vclay、VToc分別為脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì)三者單位質(zhì)量?jī)?nèi)微孔隙體積，即3種物質(zhì)單位質(zhì)量對(duì)孔隙的貢獻(xiàn)。

根據(jù)泌陽凹陷泌頁HF1井、安深1井等頁巖相關(guān)數(shù)據(jù)，利用最小二乘回歸分析法，擬合泌陽凹陷頁巖的VBri、Vclay、VToc值，結(jié)果分別為0.036 0、0.001 2、0.127 0 cm3/g。

4.2 測(cè)井定量評(píng)價(jià)

利用上述公式和求取的參數(shù)，對(duì)泌頁HF1井不同井段的有機(jī)質(zhì)孔、脆性礦物孔以及黏土礦物孔發(fā)育情況進(jìn)行計(jì)算，泌頁HF1井計(jì)算孔隙度縱向分布如圖4所示，可以明確反映各個(gè)孔隙類型在不同井段的發(fā)育比例。泌頁HF1井2 416.3～2 451.2 m井段，黏土礦物孔隙度所占總孔隙度比例最大，有機(jī)質(zhì)孔隙度次之，脆性礦物孔隙度所占總孔隙度比例最小，總孔隙度多分布在4%～6%，不同井段不同巖相孔隙度差異明顯?？紤]計(jì)算結(jié)果的可靠性，將3種孔隙度求和與核磁實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)孔隙度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示其具有一定的吻合性(圖5)，說明該模型對(duì)于泌陽凹陷頁巖孔隙度的計(jì)算具有一定的適用性。對(duì)于區(qū)域內(nèi)沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的頁巖井段，可以利用此方法定量評(píng)價(jià)各類型孔隙發(fā)育比例和大小，從而為尋找微觀孔隙發(fā)育區(qū)提供指導(dǎo)建議。

圖4 泌頁HF1井計(jì)算孔隙度縱向分布Fig.4 Longitudinal distribution of calculated porosity in Well Biye HF1

圖5 泌頁HF1井計(jì)算孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度關(guān)系Fig.5 Relationship between calculated porosity and measured porosity in Well Biye HF1

5 結(jié)論

(1)泌陽凹陷頁巖粒間孔隙發(fā)育相對(duì)較少，尺寸在幾百納米至幾微米；黏土礦物晶間孔尺寸多位于幾十納米到幾百納米、重結(jié)晶晶間孔孔徑在1～3 μm；溶蝕孔隙發(fā)育尺寸與溶蝕的程度有關(guān)，尺寸相對(duì)較大，多在幾百納米以上；有機(jī)質(zhì)孔隙以條帶狀的邊緣孔隙發(fā)育為主，尺寸差異較大。

(2)泌陽凹陷頁巖吸附油分布產(chǎn)狀主要呈分散狀、層狀、紋層狀等狀態(tài)，與有機(jī)碳含量、黏土礦物含量正相關(guān)，而游離油分布狀態(tài)主要受其賦存的儲(chǔ)集空間類型的影響，在構(gòu)造縫、層間縫及基質(zhì)孔隙內(nèi)的游離頁巖油較豐富。

(3)利用常規(guī)測(cè)井曲線建立了頁巖孔隙定量評(píng)價(jià)模型，明確了泌陽凹陷脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì)三者單位質(zhì)量?jī)?nèi)的微孔隙體積，并利用模型計(jì)算了泌頁HF1井頁巖各孔隙發(fā)育情況，驗(yàn)證了模型正確性，得到了泌陽凹陷頁巖儲(chǔ)層測(cè)井定量評(píng)價(jià)物性的方法。