曾維主,宋之光,周?chē)?guó)議

(1.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510640;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

頁(yè)巖油主要賦存于頁(yè)巖的基質(zhì)孔隙中,前人通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同孔徑范圍內(nèi)的孔隙體積與含油率的關(guān)系,得到頁(yè)巖油主要富集在大于20 nm的孔隙內(nèi)的初步認(rèn)識(shí)[1]。頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,頁(yè)巖油富集除了受到孔隙體積的影響外,還受到孔隙連通性和孔喉比等多方面孔隙結(jié)構(gòu)的影響?？蒲腥藛T采用掃描電鏡研究頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)[2-3],但只能觀察到較大孔徑的孔隙,而且觀察區(qū)域很小。氣體吸附法在描述頁(yè)巖孔隙方面有廣泛的應(yīng)用[4-6],但只能測(cè)量納米孔隙結(jié)構(gòu)。壓汞法分析測(cè)試速度快,測(cè)試孔徑范圍寬,能獲得頁(yè)巖從納米尺度到微米尺度的多方面孔隙結(jié)構(gòu)信息,是頁(yè)巖油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究的重要方法。筆者以松遼盆地古龍凹陷青山口組烴源巖巖心樣品為例,采用壓汞法測(cè)量頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征,分析頁(yè)巖的壓汞孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與含油率關(guān)系,探討頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)頁(yè)巖油富集的影響。

1 地質(zhì)背景

松遼盆地可劃分為6個(gè)構(gòu)造單元,分別為西部斜坡帶、北部斜坡帶、中央坳陷區(qū)、東北抬升區(qū)、東南抬升區(qū)和西南抬升區(qū)。中央坳陷區(qū)及其鄰近地區(qū)為盆地的主要產(chǎn)油氣區(qū),而位于中央坳陷區(qū)西北部的齊家古龍凹陷為盆地的主要生烴凹陷。盆地發(fā)育有侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)和古近紀(jì)碎屑沉積地層深度達(dá)10 km,其中晚白堊系青山口組為盆地坳陷階段發(fā)育的一套半深湖、深湖相富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖沉積地層,沉積厚度大,分布范圍廣,是盆地上部含油氣系統(tǒng)的主力烴源巖[7],同時(shí)具備頁(yè)巖油資源富集的地質(zhì)條件[8]。

2 樣品與試驗(yàn)

以古龍凹陷Yx58井(圖1)為例,等間距選取青山口組底部11個(gè)樣品(表1),樣品埋深從1 996到2 117 m。樣品巖性以黑色頁(yè)巖為主,部分樣品含有薄層粉砂質(zhì)條帶。各樣品均勻分成兩部分,一部分樣品做總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和巖石熱解分析,另一部分樣品做壓汞測(cè)試。

稱(chēng)取樣品約10 g,粉碎至粒徑小于0.150 mm,在80 ℃真空條件下干燥24 h后,分別進(jìn)行TOC和巖石熱解分析。TOC分析在美國(guó)LECO公司生產(chǎn)的C230型碳硫分析儀上完成,巖石熱解分析采用法國(guó)Vinci Technologies公司生產(chǎn)的Rock-Eval 6 標(biāo)準(zhǔn)型熱解分析儀[9]。

壓汞測(cè)試采用美國(guó)Micromeritice公司生產(chǎn)的Autopore 9510型儀器[10]。稱(chēng)取3～5 g粉碎至粒徑為0.850 mm～2.5 cm的塊狀樣品,在80 ℃真空條件下干燥24 h。儀器工作壓力為0.01～379 MPa,壓力分辨率為70 Pa。低壓階段(0.01～0.21 MPa)選取壓力點(diǎn)13個(gè),高壓階段(0.21～379 MPa)選取壓力點(diǎn)39個(gè),每個(gè)點(diǎn)穩(wěn)定10 s。進(jìn)汞測(cè)試結(jié)束后,壓力開(kāi)始逐步降低至大氣壓力,并測(cè)得30個(gè)壓力點(diǎn)的退汞曲線。通過(guò)Washburn公式p=-2γcosθ/r可計(jì)算出對(duì)應(yīng)壓力下的孔徑,測(cè)試汞的表面張力γ設(shè)為485 mN/m,接觸角θ設(shè)為130°,計(jì)算得對(duì)應(yīng)孔徑為3 nm～120 μm。

圖1 松遼盆地Yx58井地理位置Fig.1 Location of sampling well Yx58 in Songliao Basin

3 結(jié)果分析

3.1 青山口組頁(yè)巖的有機(jī)地球化學(xué)特征

所選取的青山口組頁(yè)巖樣品的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和巖石熱解參數(shù)見(jiàn)表1。除樣品11的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.84%外,其余樣品的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.03%～1.90%。頁(yè)巖的氫指數(shù)(IH)為346～483 mg/g,顯示較高的生烴潛力。Tmax指數(shù)為435～447 ℃,產(chǎn)率指數(shù)(IP)為0.14～0.30,表明頁(yè)巖正處在成熟階段內(nèi)。頁(yè)巖的自由烴(S1)為0.69～5.78 mg/g,含油飽和度(So)為67～180 mg/g,與松科1井青山口組頁(yè)巖的含油率相當(dāng)[11]。在底部的3個(gè)樣品的含油率均較高,So均超過(guò)100 mg/g。按評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]表明松遼盆地Yx58井地區(qū)青山口組底部具備一定的頁(yè)巖油資源潛力。

表1 松遼盆地青山口組頁(yè)巖樣品的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和巖石熱解參數(shù)Table 1 TOC mass fraction and pyrolysis parameters of shales from Qingshankou Formation,Songliao Basin

3.2 青山口組頁(yè)巖的壓汞孔隙結(jié)構(gòu)特征

如圖2所示,青山口組頁(yè)巖樣品的進(jìn)汞曲線可分為3階段:低壓進(jìn)汞階段(壓力為0.01～0.1 MPa)、中壓緩慢增加階段(0.1～34.47 MPa)、高壓快速進(jìn)汞階段(34.47～379.21 MPa)。樣品11在低壓階段有較大汞體積,表明其大孔相對(duì)較發(fā)育。各樣品的退汞曲線形態(tài)相似,均表現(xiàn)為退汞效率低,有大量汞滯留在頁(yè)巖孔隙內(nèi)。以壓力恢復(fù)至大氣壓力時(shí)的汞體積與最高壓力下的汞體積之間的比值來(lái)表征頁(yè)巖的汞滯留能力,計(jì)算得各頁(yè)巖的汞滯留量為61%～84%,平均為72%(表2)。

儀器計(jì)算所得頁(yè)巖的壓汞孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。頁(yè)巖的孔隙度為5.0%～8.0%,平均值為6.0%。相比四川盆地高、過(guò)成熟度頁(yè)巖樣品[10],青山口組頁(yè)巖的孔隙度較大;與哥倫比亞上白堊統(tǒng)頁(yè)巖油儲(chǔ)層樣品相比,青山口組頁(yè)巖樣品則孔隙度較小[13]。比表面積為10.0～13.3 m2/g,平均為11.7 m2/g,這與前人測(cè)得的青山口組頁(yè)巖N2吸附比表面積相當(dāng)[14]。各頁(yè)巖樣品的平均孔徑為7.2～13.5 nm,平均為8.7 nm。相比哥倫比亞上白堊統(tǒng)頁(yè)巖油儲(chǔ)層樣品[13],青山口組頁(yè)巖的平均孔徑較小。頁(yè)巖以納米孔隙為主,其孔隙占比(體積)為72.4%～90.9%,平均為86.2%;微米孔隙占比為9%～27.5%,平均為13.8%。

圖2 青山口組頁(yè)巖的進(jìn)汞和退汞曲線Fig.2 Mercury intrusion and extrusion curves of shales from Qingshankou Formation

表2 青山口組頁(yè)巖樣品的壓汞孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Pore structure parameters calculated from MICP analysis for shales of Qingshankou Formation

墨水瓶孔喉理論認(rèn)為退汞曲線反映孔隙直徑,進(jìn)汞曲線反映喉道直徑,在同一汞飽和度下其比值即為對(duì)應(yīng)孔隙直徑下的孔喉比[15]。按此方法計(jì)算得到頁(yè)巖樣品的孔喉比從1到103變化(圖3(a))。各樣品孔喉比均隨著汞飽和度的增加而減小(圖3(b)),相同汞飽和度下頁(yè)巖的孔喉比差異較大。隨著孔隙直徑的增加,孔喉比也線性增大(圖3(c))。同一孔隙直徑下,各頁(yè)巖的孔喉比基本一致,這可能與它們具有相似的孔隙類(lèi)型有關(guān)[16]。納米級(jí)孔隙的孔喉比小于100,而微米級(jí)孔隙的孔喉比多大于100。隨著孔隙直徑的增大,孔隙占比迅速降低(圖3(d)),微米級(jí)孔隙占比小于5%,而小于20 nm的孔隙占比大于20%。按孔隙占比計(jì)算得到各頁(yè)巖的平均孔喉比為4.9～36.2(表2)。樣品4的平均孔喉比最小,退汞效率較高;樣品11的平均孔喉比最大,退汞效率較低。

圖3 利用壓汞數(shù)據(jù)計(jì)算頁(yè)巖的平均孔喉比Fig.3 Calculating pore-throat ratio based on mercury intrusion and extrusion curves

隨著平均孔徑的增加,頁(yè)巖的孔隙度和微米孔隙占比均增加(圖4(a)、(b)),表明頁(yè)巖的孔隙度主要來(lái)自較大的微米孔隙的貢獻(xiàn)。頁(yè)巖的汞滯留量隨著平均孔徑的增加而增大(圖4(c)),表明汞主要滯留在微米孔隙內(nèi)。頁(yè)巖的汞滯留量可以反映孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性,汞滯留量越大,孔隙連通性越差。因此頁(yè)巖中微米孔隙的連通性較差,這可能與頁(yè)巖中的礦物粒間孔隙有關(guān)[16]。頁(yè)巖的平均孔喉比與孔隙度之間呈現(xiàn)較明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖4(d))。微米孔隙越發(fā)育,平均孔喉比越大(圖4(e))。汞滯留量與頁(yè)巖的平均孔喉比之間存在非常明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖4(f)),表明頁(yè)巖平均孔喉比與孔隙連通性之間有一定的關(guān)系。通過(guò)玻璃管模擬墨水瓶孔喉結(jié)構(gòu)研究[17]表明,隨著孔喉比的減小,汞的滯留量也降低。頁(yè)巖微米孔隙越發(fā)育,平均孔喉比越大,汞滯留量越大,孔隙連通性越差;頁(yè)巖納米孔隙越發(fā)育,平均孔喉比越小,汞滯留量越小,孔隙連通性越好。這表明頁(yè)巖的孔隙網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)量較多的納米孔隙連通少數(shù)孤立的微米孔隙所組成。

3.3 頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與含油率關(guān)系

頁(yè)巖的含油飽和度隨產(chǎn)烴指數(shù)的增加而增大(圖5(a)),表明有機(jī)質(zhì)生烴強(qiáng)度對(duì)頁(yè)巖含油率起重要控制作用,說(shuō)明青山口組頁(yè)巖油資源屬于一種自生自儲(chǔ)型,而非外源型。頁(yè)巖中生成的油首先吸附在干酪根內(nèi)部,當(dāng)生油量滿足自身干酪根吸附后,生成的油開(kāi)始聚集于頁(yè)巖的基質(zhì)孔隙中[18]。因此在生油量較大的條件下,頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)將對(duì)含油率起著重要影響。

頁(yè)巖的孔隙度與So之間存在正相關(guān)關(guān)系(圖5(b)),表明頁(yè)巖的孔隙體積對(duì)含油率也有一定的控制作用。與頁(yè)巖氣不同,頁(yè)巖油主要儲(chǔ)集在較大的孔隙中[19],因而頁(yè)巖的微米孔隙越發(fā)育,越有利于頁(yè)巖油的儲(chǔ)集。頁(yè)巖平均孔喉比與So之間也存在一定的正相關(guān)關(guān)系(圖5(c)),表明頁(yè)巖孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)其含油率有重要影響。頁(yè)巖的平均孔喉比越大,微米孔隙越發(fā)育,孔隙的連通性反而越差。從這個(gè)角度看,頁(yè)巖油屬于滯留在微米孔隙中的殘留油。頁(yè)巖的汞滯留量與So之間呈正相關(guān)關(guān)系(圖5(d)),這從另一方面說(shuō)明頁(yè)巖油的殘留屬性。頁(yè)巖的微米孔隙為頁(yè)巖油的有效儲(chǔ)集空間,而納米孔隙作為頁(yè)巖孔隙網(wǎng)絡(luò)的主要連接通道,對(duì)頁(yè)巖油的富集和保存也有重要影響。頁(yè)巖基質(zhì)中干酪根生成的油在滿足自身吸附后便開(kāi)始通過(guò)納米孔隙喉道向周?chē)奈⒚卓紫犊臻g內(nèi)聚集;在頁(yè)巖基質(zhì)孔隙被生成的油飽和后便開(kāi)始發(fā)生大量排烴作用,但仍有部分油殘留在頁(yè)巖的微米孔隙中。因此,頁(yè)巖基質(zhì)的納米孔隙越發(fā)育一方面可能越有利于干酪根生成的油向周?chē)|(zhì)孔隙內(nèi)聚集;另一方面納米孔隙越發(fā)育使頁(yè)巖孔隙連通性變好,烴源巖排烴效率越高,可能越不利于頁(yè)巖油的保存。樣品9和10在孔隙度、平均孔喉比和汞滯留量較低的情況下仍具有較高的含油率,可能原因有:一方面平均孔喉比較低,孔隙連通性較好,有利于油向周?chē)|(zhì)孔隙內(nèi)聚集;另一方面頁(yè)巖的w(TOC)較高，生油瀝青充填孔隙較大,不利于頁(yè)巖微米孔隙的發(fā)育和保存[20]。

圖4 頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系Fig.4 Relationships among pore structure parameters of shales

圖5 頁(yè)巖含油率的主要控制因素Fig.5 Factors controlling oil content of shales

4 結(jié) 論

(1)青山口組頁(yè)巖的汞孔隙度為5.0%～8.0%,平均孔徑為7.2～13.5 nm,汞滯留量為61%～84%。頁(yè)巖以納米孔隙為主,微米孔隙較少。頁(yè)巖的平均孔喉比為4.9～36.2,微米孔隙的孔喉比較大,納米孔隙的孔喉比較小。

(2)青山口組頁(yè)巖平均孔喉比與汞滯留量間具有非常明顯的正相關(guān)關(guān)系,表明頁(yè)巖孔喉比越大,孔隙連通性越差。

(3)頁(yè)巖微米級(jí)孔隙的發(fā)育程度決定了頁(yè)巖油的有效儲(chǔ)集空間,而頁(yè)巖納米孔隙發(fā)育程度決定著孔隙間的連通性,連通性越好越有利于干酪根生成的油向周?chē)|(zhì)孔隙內(nèi)聚集,但同時(shí)可能由于排烴效率提高反而不利于頁(yè)巖油的保存。