武 瑾,肖玉峰,劉 丹,劉 鑫,郭 為，李樹新,高金亮，吝 文

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083； 2.國家能源頁巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心,北京 100083； 3.中國石油長慶油田公司,陜西 西安710000； 4.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100028)

0 引言

2000年以來,全球頁巖氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。中國已在四川盆地實(shí)現(xiàn)海相頁巖氣資源的有效開發(fā),2020年產(chǎn)量為2.00×1010m3[1]。海陸過渡相頁巖廣泛發(fā)育于華北地區(qū)、華南地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地[2],頁巖氣資源量約為1.98×1013m3,占總資源量的25%,是未來頁巖氣勘探的重要領(lǐng)域[3]。近年來，海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)取得進(jìn)展。鄂爾多斯盆地延安甘泉地區(qū)云頁平3井二疊系山西組頁巖段壓裂測試產(chǎn)量為5.3×104m3/d,云頁平1井組、云頁平6井等測試產(chǎn)量為(2.0～3.0)×104m3/d[4]；大寧—吉縣地區(qū)5口直井山西組頁巖段壓裂測試獲得工業(yè)氣流,產(chǎn)氣量為(0.2～1.0)×104m3/d[3]。南華北盆地中牟區(qū)塊牟頁1井、鄭東頁2井二疊系太原組—山西組直井壓裂分別獲得1 256.0和3 614.0 m3/d穩(wěn)定頁巖氣流[5]。漣源盆地湘頁1井二疊系大隆組直井壓裂測試產(chǎn)量為2 400.0 m3/d[6]。沁水盆地鉆探的SX-306、SY-Y-01、WY-001等3口井二疊系見到良好的頁巖氣顯示[7]。四川盆地川東北地區(qū)明1井二疊系龍?zhí)督M壓裂測試產(chǎn)量為(3.02～3.85)×104m3,川東南地區(qū)東頁深1井龍?zhí)督M巖心測試含氣量為0.56～8.78 m3/t[8]。

鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區(qū)二疊系山西組發(fā)育一套典型的海陸過渡相頁巖,具有良好的勘探開發(fā)前景[3]。相較于海相頁巖,海陸過渡相頁巖沉積受海相與陸相環(huán)境的雙重控制,水動力條件變化快,具有有機(jī)質(zhì)來源多樣、礦物種類多樣、巖石類型豐富、垂向疊置關(guān)系復(fù)雜等特征,導(dǎo)致表征頁巖氣儲層特征的參數(shù)存在非均質(zhì)性,制約優(yōu)質(zhì)頁巖層段識別優(yōu)選。中國對海陸過渡相頁巖的研究主要集中在頁巖的基本特征、分布及資源潛力評價等方面[9-16],頁巖氣儲層系統(tǒng)評價研究薄弱,圍繞頁巖儲層和孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性開展研究較少,對于有利層段的分布及其控制因素認(rèn)識不足,制約海陸過渡相頁巖氣開發(fā)實(shí)踐的規(guī)?；_展。

以鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣區(qū)塊山西組頁巖為例,根據(jù)礦物組分、地球化學(xué)參數(shù)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)特征,分析頁巖氣儲層參數(shù)變化特征,探討儲層非均質(zhì)性及控制因素,為海陸過渡相頁巖氣有利層段優(yōu)選提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

大寧—吉縣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶東南部,東接呂梁山脈,西鄰黃河,北起隰縣,南至鄉(xiāng)寧,面積約為5 784 km2(見圖1(a))[17]。晚古生代,華北地臺受區(qū)域構(gòu)造、基底斷裂及海平面升降影響,經(jīng)歷巨大的海陸變遷,發(fā)生多次海侵,在石炭—二疊系沉積一套海陸過渡相地層。鄂爾多斯盆地東緣發(fā)育本溪組、太原組、山西組3套頁巖。本溪組、太原組頁巖層段欠發(fā)育,山西組縱向發(fā)育多套頁巖,橫向分布穩(wěn)定,厚度為30～85 m。山西組自下而上可劃分為山2段和山1段,山2段自下而上又可細(xì)分為山23(P1s23)、山22(P1s22)、山21(P1s21)3個亞段。P1s23頁巖廣泛發(fā)育且分布穩(wěn)定,厚度為20～40 m(見圖1(a)),是大寧—吉縣區(qū)塊海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)層位[4,18-19]。

大寧—吉縣區(qū)塊P1s23發(fā)育深灰色/灰黑色頁巖、深灰色/灰黑色粉砂質(zhì)頁巖,夾粉砂巖、細(xì)砂巖、煤層及煤線。綜合分析巖性、沉積構(gòu)造、地球化學(xué)及古生物特征,大寧—吉縣區(qū)塊山西組沉積環(huán)境為濱淺海相與三角洲相共存,P1s23形成于潮控三角洲—潮控河口海灣沉積環(huán)境[20]。潮控三角洲相可分為上三角洲平原、下三角洲平原和潮控三角洲前緣3類亞相；潮控河口海灣相又可分為潮坪、沼澤、障壁島、潟湖、海灣5類亞相[18](見圖1(b))。

2 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品取自大寧—吉縣區(qū)塊2口典型海陸過渡相頁巖氣取心井——大吉51和大吉3-4井,目的層為山西組山23(P1s23) 亞段。對大吉51井P1s23以20 cm 間隔連續(xù)系統(tǒng)采集巖心樣品183塊,對大吉3-4井P1s23采集代表性巖心樣品60塊,制備5 種規(guī)格的樣品:(1)75～150 μm(100～200 目)粉末樣品243 份,用于TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定、X 線衍射全巖礦物定量分析；(2)干酪根濕樣69 份,用于干酪根鏡檢；(3)垂直層理方向切制10 mm×10 mm×2 mm 塊體巖樣26 塊,進(jìn)行氬離子拋光及鍍碳處理,用于場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察；(4) 150～180 μm(80～100 目)粉末樣品26 份,用于低溫CO2、N2吸附測試；(5)10 mm×10 mm×10 mm 顆粒樣品26 份,用于高壓壓汞分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試、X線衍射全巖礦物分析在國家能源頁巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心完成,實(shí)驗(yàn)儀器分別為美國LECCO CS230 碳硫儀和日本理學(xué)TTRⅢ全自動X線衍射儀,測試依據(jù)分別為GB/T 19145—2022《沉積巖中總有機(jī)碳測定》和SY/T 5163—2018《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X線衍射分析方法》。干酪根顯微組分、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)實(shí)驗(yàn)在四川省科源工程技術(shù)測試中心完成,實(shí)驗(yàn)儀器分別為偏光顯微鏡Axio Scope.A1和ZEISS Sigma300掃描電鏡顯微鏡,測試依據(jù)為SY/T 5162—2014《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》。低溫氣體吸附及高壓壓汞實(shí)驗(yàn)在北京理化測試中心完成,實(shí)驗(yàn)儀器分別為美國康塔儀器公司Autosorb-IQ-MP 比表面積及孔徑分布儀和PoreMasterGT60 儀,測試孔徑范圍分別為0.35～200.00 nm和0.36×10-2～1.00×103μm。首先將頁巖樣品研磨至80～1 000目(150～1 800 μm),在70 ℃溫度條件下干燥48 h,在110 ℃溫度條件下抽真空,持續(xù)脫氣12 h,以除去水分及各種揮發(fā)分；然后設(shè)定相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；最后選取計(jì)算模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,測試依據(jù)為GB/T 19587—2017《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》。

3 非均質(zhì)性

3.1 礦物與地化參數(shù)

3.1.1 礦物特征

山西組地層具有典型的海陸過渡相煤系地層礦物組成特征,整體上富黏土礦物,硅質(zhì)礦物(石英、長石)含量相對較少,含一定量的碳酸鹽礦物(方解石、白云石、鐵白云石)及少量黃鐵礦和菱鐵礦。將大寧—吉縣區(qū)塊山西組海陸過渡相頁巖與四川盆地N201、JY1、WX2井龍馬溪組海相頁巖及北美Barnett海相頁巖氣儲層礦物組分進(jìn)行三角圖投點(diǎn)對比(見圖2)。由圖2可以看出,P1s23頁巖礦物組分具有更強(qiáng)的非均質(zhì)性,相對于海相頁巖黏土礦物整體上質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏多,但也有部分樣品硅質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)或碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。

海陸過渡相頁巖氣儲層沉積環(huán)境多變,巖石類型多樣,礦物組分復(fù)雜。縱向上,P1s23頁巖礦物具有強(qiáng)非均質(zhì)性,不同沉積相對應(yīng)頁巖層段礦物組分對比見圖3。

P1s23上段為潮控三角洲相沉積,頁巖礦物組分對比見圖3(a),頁巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,為44.0%～82.0%(平均為60.0%)；脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,為18.0%～56.0%(平均為39.2%),以石英為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.0%～51.0%(平均為34.9%),含少量長石(平均為2.2%)和菱鐵礦(平均為2.4%),不含碳酸鹽礦物和黃鐵礦。

P1s23下段為潮控河口海灣相沉積,由于潮坪、沼澤、障壁島3類亞相頁巖段不發(fā)育,僅討論潟湖、海灣2類亞相,并進(jìn)一步細(xì)分沉積微相。潟湖亞相可分為半封閉潟湖、封閉潟湖微相；海灣亞相可分為咸化海灣、深水海灣微相。潮控河口海灣相頁巖段礦物組分對比見圖3(b),縱向非均質(zhì)性較強(qiáng),不同沉積微相頁巖礦物組分差異較大。整體上,河口海灣相頁巖黏土礦物(平均為48.4%)與脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均為51.6%)相當(dāng),其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為44.5%,部分樣品含大量碳酸鹽礦物,含少量菱鐵礦、黃鐵礦,不含長石。半封閉潟湖、封閉潟湖微相頁巖段礦物組分對比見圖3(c-d)。半封閉潟湖微相頁巖脆性礦物(平均為51.3%)與黏土礦物(平均為48.8%)相當(dāng),脆性礦物以石英為主(平均為42.7%),含少量白云石(平均為2.0%),個別樣品發(fā)育菱鐵礦結(jié)核,質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40.0%。封閉潟湖微相頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,為68.0%～80.0%(平均為74.1%),其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.0%～73.0%(平均為68.1%),含少量白云石(平均為2.9%)和黃鐵礦(平均為3.1%)。咸化海灣、深水海灣微相頁巖段礦物組分對比見圖3(e-f)。海灣亞相頁巖碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始增多。咸化海灣微相發(fā)育白云質(zhì)頁巖,脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為67.0%～70.0%(平均為68.7%),其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.0%～52.0%(平均為49.7%),方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%～8.0%,白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%～9.0%。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,為30.0%～33.0%,平均為31.3%。深水海灣微相發(fā)育灰質(zhì)頁巖,脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.0%～70.0%(平均為65.7%),以碳酸鹽礦物為主,方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.0%～39.0%,白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%～5.0%,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.0%～28.0%(平均為24.7%),黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.0%～41.0%(平均為34.3%)。整體上,封閉潟湖微相頁巖與四川盆地龍馬溪組海相頁巖氣儲層礦物組分及含量近似[1],指示較好的可壓裂性。

3.1.2 有機(jī)質(zhì)特征

不同類型的干酪根具有不同的生油、氣能力[20-22]。藻類體比鏡質(zhì)體更富含氫和脂質(zhì)組分,Ⅱ型比Ⅲ型干酪根有機(jī)孔更發(fā)育[23-25]。P1s23頁巖顯微組分以殼質(zhì)組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為58.6%)為主,呈絮狀、團(tuán)塊狀,透射光下呈棕黑色,無熒光(見圖4(a))；其次為鏡質(zhì)組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為30.9%),反射光下呈灰色、灰白色塊狀(見圖4(a-b)),透射光下呈棕黑色,無熒光(見圖4(b))；含少量惰質(zhì)組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為8.7%),主要為絲質(zhì)體,透射光下呈黑色,形狀各異,無熒光(見圖4(c、f))；部分樣品含腐泥組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為6.8%),透射光下呈團(tuán)塊狀、棕黑色,反射光下呈團(tuán)絮狀、深棕—棕黑色,由于熱演化程度高,未見熒光(見圖4(d-e))。根據(jù)干酪根類型指數(shù)TI確定干酪根類型,TI≥80,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型；40≤TI<80,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ1型；0 ≤TI<40,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型；TI<0,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。P1s22頁巖干酪根類型指數(shù)TI介于-48.3～36.3,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2～Ⅲ型。

不同沉積相頁巖段顯微組分存在一定差異(見圖5)。三角洲相頁巖樣品顯微組分以殼質(zhì)組為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.0%～71.0%(平均為56.9%),包括腐殖無定形體(平均為54.0%)和少量角質(zhì)體(平均為4.0%)。鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.0%～75.0%(平均為33.0%),惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%～17.0%(平均為10.0%),幾乎不含腐泥組。TI為-48.3～-0.8,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。河口海灣相頁巖樣品顯微組分以殼質(zhì)組為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.0%～76.0%(平均為67.0%),主要包括腐殖無定形體(平均為66.0%)和少量角質(zhì)體(平均為2.5%)。鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.0%～27.0%(平均為19.0%)。惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～9.0%(平均為4.0%)。河口海灣相頁巖段含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～24.0%的腐泥組無定形體,尤其深水海灣微相頁巖腐泥組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.0%～24.0%,TI為3.8～36.3,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型。

P1s23頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～11.7%,平均為2.9%(剔出非頁巖樣品)。不同沉積環(huán)境中富集形成的頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大。三角洲相頁巖樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～7.3%,平均為2.3%。河口海灣相頁巖樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～11.7%,平均為4.3%。潟湖亞相中,半封閉潟湖微相發(fā)育富含粉砂紋層的頁巖,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低,為1.0%～2.7%,平均為1.6%；封閉潟湖微相發(fā)育含白云石條帶、含炭屑紋層的頁巖,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%～8.9%,平均為7.3%。海灣亞相中,咸化海灣微相發(fā)育生屑白云質(zhì)頁巖,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.9%～11.7%,平均為11.2%；深水海灣微相發(fā)育生屑鈣質(zhì)頁巖,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%～7.4%,平均為6.6%(見圖1(b)、圖6)。

3.2 微觀孔隙結(jié)構(gòu)

3.2.1 孔隙類型

P1s23頁巖主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、礦物粒間孔、黏土礦物層間孔、黃鐵礦晶間孔、礦物溶蝕孔及微裂縫(見圖7)。

三角洲相頁巖主要發(fā)育礦物粒間孔、黏土礦物層間孔,有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育不佳。礦物粒間孔孔徑集中在20～200 nm之間,黏土礦物層間孔孔徑多在100～200 nm之間(見圖7(a-b))。該類頁巖中有機(jī)質(zhì)呈條塊狀,形狀棱角分明(見圖7(c)),發(fā)育少量圓形或橢圓形原始生氣孔,孔徑小于20 nm,且常見與礦物顆粒間發(fā)育狹長邊緣微裂縫(見圖7(d))。利用JMicroVision圖像分析三角洲相頁巖面孔率較低,為0.36%～0.59%。河口海灣相頁巖礦物粒間孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫發(fā)育。該類頁巖發(fā)育團(tuán)塊狀、填隙狀及條塊狀3類有機(jī)質(zhì)。團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)周邊略圓滑,發(fā)育大量復(fù)雜液態(tài)烴氣泡孔,呈“大孔套小孔”或海綿狀,孔徑為50～100 nm(見圖7(e-g))；填隙狀有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒間發(fā)育粒間孔,孔徑為50～100 nm(見圖7(h))；條塊狀有機(jī)質(zhì)發(fā)育原始生氣孔,孔徑小于20 nm(見圖7(i))。礦物粒間孔孔徑集中在20～200 nm之間(見圖7(j))。此外,發(fā)育黃鐵礦晶間孔、方解石溶蝕孔,孔徑分布在100～500 nm之間(見圖7(k-l))。河口海灣相頁巖面孔率較高,為1.0%～1.4%。

3.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)低溫CO2吸附法、低溫N2吸附法及高壓壓汞法,分別定量表征P1s23頁巖微孔(d<2 nm)、中孔(2 nm50 nm)孔隙結(jié)構(gòu)特征[26-27]。

由低溫CO2吸附曲線(見圖8(a))可知,三角洲相頁巖微孔吸附量小,最大吸附量為0.76～0.78 cm3/g,微孔比表面積為2.18～8.48 m2/g,微孔孔體積為0.003 cm3/g。河口海灣微相頁巖微孔發(fā)育,最大吸附量為1.29～2.99 cm3/g,微孔比表面積為18.18～41.26 m2/g,微孔孔體積為0.003～0.015 cm3/g。咸化海灣微相頁巖微孔最發(fā)育,最大吸附量為2.99 cm3/g,微孔比表面積為41.26 m2/g,微孔孔體積為0.015 cm3/g。

低溫N2吸附—脫附曲線特征(見圖8(b))表明,三角洲相頁巖主要發(fā)育兩端開口的楔形孔或似片狀顆粒組成的槽狀孔,中孔比表面積和孔體積分別為5.00～5.40 m2/g和0.010～0.017 cm3/g。河口海灣微相頁巖主要發(fā)育四邊開放的槽狀孔或狹縫形孔,中孔比表面積和孔體積分別為2.40～5.00 m2/g和0.008～0.030 cm3/g。

高壓壓汞曲線特征(見圖8(c))表明,三角洲相頁巖進(jìn)汞曲線隨壓力增大先快速升高后保持不變,發(fā)育一定量的宏孔,退汞效率約為40%,孔隙連通性一般。河口海灣微相頁巖宏孔結(jié)構(gòu)存在一定差異。半封閉潟微相湖頁巖宏孔發(fā)育最差,退汞效率為5%；封閉潟湖微相頁巖進(jìn)汞曲線持續(xù)上升,退汞效率約為60%,孔隙連通性較好；深水海灣微相頁巖進(jìn)汞曲線先快速增加后緩慢增加,退汞曲線先保持不變后快速下降,退汞效率約為30%；咸化海灣微相頁巖進(jìn)汞曲線呈臺階式上升,退汞效率約為60%,孔隙連通性較好。

整體上,三角洲相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)較差,總比表面積為7.60～13.40 m2/g,總孔體積為0.013～0.020 cm3/g,孔隙度為0.58%～1.93%。三角洲相頁巖以微孔、中孔為主,占比分別為36.5%、37.8%,宏孔占比為25.7%(見圖8(d))。除半封閉潟湖微相頁巖外,河口海灣相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)整體較好,總比表面積較高,為21.30～43.63 m2/g；總孔體積較大,為0.014～0.023 cm3/g；孔隙度為5.10%～5.50%。河口海灣相頁巖以微孔為主,占比為78.8%；宏孔占比為14.2%；中孔最少,為7.0%。

4 主控因素

封閉潟湖—海灣微相頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好,儲集空間類型多樣,孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu),脆性礦物含量高,是山西組優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層發(fā)育段?？傮w上,優(yōu)質(zhì)頁巖的形成受沉積環(huán)境和成巖作用共同控制。

4.1 沉積環(huán)境

沉積環(huán)境控制富有機(jī)質(zhì)頁巖的形成與分布,決定頁巖有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物的發(fā)育特征,是控制頁巖氣儲層非均質(zhì)性的基礎(chǔ)因素。

三角洲相沉積距離物源最近,受陸源碎屑輸入影響最大。Al、Ti 元素常被用來指示陸源碎屑物的輸入,Sr/Ba可有效判斷水體鹽度,Ni/Co廣泛用于判別氧化還原環(huán)境。元素分析結(jié)果顯示,三角洲相頁巖Al2O3與TiO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高,分別為23.90%和0.93%,表明沉積環(huán)境臨近物源區(qū),陸源碎屑物的輸入稀釋有機(jī)質(zhì),同時帶來大量陸源黏土,Sr/Ba為 0.23～0.74,Ni/Co為0.80～4.65,指示淡水含氧沉積環(huán)境,不利于有機(jī)質(zhì)保存,導(dǎo)致儲層TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。半封閉潟湖微相沉積為海岸帶因發(fā)育障壁砂壩而形成半局限低能淺水環(huán)境,局部與外海及河流溝通,Al2O3與TiO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.40%和0.66%,表明在一定程度上也受到陸源碎屑輸入的影響,Sr/Ba為0.38～0.49,Ni/Co為3.20～4.69,指示陸相淡水氧化的沉積水體,不利于有機(jī)質(zhì)的堆積埋藏,同樣表現(xiàn)為TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。封閉潟湖微相為沉積靠近海洋的閉塞低能環(huán)境,與海灣微相的相似,距離物源較遠(yuǎn),Al2O3與TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,分別為10.50%和0.40%,表明封閉潟湖—海灣微相受陸源碎屑物輸入影響較小,陸源黏土較少,Sr/Ba為0.80～2.60,Ni/Co為7.70～11.30,指示厭氧條件海相海水介質(zhì),強(qiáng)還原沉積水體利于有機(jī)質(zhì)的保存,封閉潟湖—海灣微相頁巖氣儲層TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。

不同沉積環(huán)境發(fā)育的泥頁巖有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來源存在較大差異,控制有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育[28-29]。生烴能力較強(qiáng)的有機(jī)質(zhì)顯微組分形成有機(jī)質(zhì)孔的潛能更強(qiáng),生烴能力較差的有機(jī)質(zhì)顯微組分形成有機(jī)質(zhì)孔的潛能較低[30]。山西組頁巖主要發(fā)育條塊狀、填隙狀及團(tuán)塊狀3類有機(jī)質(zhì)。條塊狀有機(jī)質(zhì)棱角分明,呈較大的孤立塊狀,多為陸源植物木質(zhì)有機(jī)質(zhì),為典型的Ⅲ型干酪根,生烴能力較差,發(fā)育少量孔隙,孔徑小于20 nm,孔隙結(jié)構(gòu)特征較差。這類孔隙可能含部分繼承于母源物質(zhì)的孔,即并非自生有機(jī)質(zhì)孔隙[31-32]。填隙狀有機(jī)質(zhì)為充填于礦物顆粒間的固體瀝青,與礦物顆粒間發(fā)育粒間孔,孔徑為50～100 nm。團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)與海相頁巖中常見的有機(jī)質(zhì)特征近似,來源于海洋浮游藻類,為Ⅱ2型干酪根,生烴能力相對較強(qiáng)[22-24],發(fā)育復(fù)雜、海綿狀液態(tài)烴氣泡孔,孔徑為50～100 nm。三角洲相頁巖有機(jī)質(zhì)主要來源于陸源植物碎屑,干酪根類型為Ⅲ型,生烴能力相對較弱[22-24],有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育較差。封閉潟湖—海灣微相頁巖沉積受陸源和海洋雙重控制,有機(jī)質(zhì)來源既有陸源植物碎屑,也有海洋浮游藻類,干酪根類型為Ⅱ2,生烴能力相對較強(qiáng),有機(jī)質(zhì)孔隙較發(fā)育。此外,封閉潟湖—海灣微相中大量的浮游生物死亡后沉落海底,形成大量生物硅質(zhì),可有效提高儲層的脆性[33]。

4.2 成巖作用

山西組成巖作用主要為壓實(shí)作用,在一定程度上控制頁巖氣儲層儲集空間特征。海陸過渡相頁巖礦物組分及含量的強(qiáng)非均質(zhì)性,造成成巖過程中不同層段頁巖的抗壓實(shí)作用能力不同。頁巖Si與Al元素交會圖可判識硅質(zhì)成因,研究區(qū)P1s23頁巖與北美Barnett海相富有機(jī)質(zhì)頁巖Si 與Al元素交會圖見圖9,可見封閉潟湖—海灣微相頁巖與北美Barnett海相富有機(jī)質(zhì)頁巖類似,在伊利石Si/Al線之上為過量硅部分,反映更多成分的生物成因硅。早—中成巖階段早期,封閉潟湖—海灣微相硅質(zhì)生物蛋白石轉(zhuǎn)化形成高硬度結(jié)構(gòu)的隱晶質(zhì)、微晶石英集合體[4、18],構(gòu)成堅(jiān)硬的硅質(zhì)顆粒支撐格架,避免原生孔隙的進(jìn)一步壓實(shí)[34](見圖10)。早期液態(tài)烴充注于格架粒間孔,隨熱演化程度的增高,滯留于格架粒間孔的液態(tài)烴裂解生氣而形成有機(jī)質(zhì)孔隙[33]。因此,硅質(zhì)支撐格架為有機(jī)質(zhì)孔的形成與保持提供空間與保持[35-36]。三角洲相非優(yōu)勢巖相Si、Al 元素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)多位于Si/Al 線之下(見圖9),反映更多成分的陸源碎屑硅,由母巖風(fēng)化后通過風(fēng)、河流等搬運(yùn)至盆地中,顆粒粒徑較大,原生孔隙少,且抗壓實(shí)能力較差,對儲集空間的貢獻(xiàn)不大[36-37]。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣區(qū)塊山西組頁巖氣儲層非均質(zhì)性包括礦物組分、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及類型、微觀孔隙類型、微觀孔隙結(jié)構(gòu)等。潮控三角洲相頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型,有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育不佳,面孔率低,孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)較差,對應(yīng)中等頁巖氣儲層。潮控河口海灣相頁巖中,封閉潟湖—海灣微相頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型,儲集空間類型多樣,且發(fā)育大量液態(tài)烴氣泡孔,面孔率高,孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu),對應(yīng)優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層。

(2)封閉潟湖—海灣微相是山西組優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層發(fā)育段。頁巖氣儲層非均質(zhì)性受沉積環(huán)境和成巖作用共同控制。封閉潟湖—海灣微相有機(jī)質(zhì)來源于陸源植物碎屑和海洋浮游藻類,有利于Ⅱ2型干酪根形成,易于產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)氣泡孔,富生物成因硅也有利于有機(jī)質(zhì)孔的形成與保持。三角洲相頁巖有機(jī)質(zhì)來源于陸源植物碎屑,發(fā)育Ⅲ型干酪根,有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育不佳,且陸源硅質(zhì)對于儲集空間貢獻(xiàn)不大。