松遼盆地北部青一段含油泥頁巖儲集特征淺析

柳波，王蕃，冉清昌，3，李梅，戴春雷，王猛

松遼盆地北部青一段含油泥頁巖儲集特征淺析

柳波1，王蕃2，冉清昌1，3，李梅1，戴春雷1，王猛1

（1.東北石油大學(xué)非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室培育基地，黑龍江大慶163318；2.大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶163412；3.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶163318）

儲集性能的好壞是影響泥頁巖含油氣性的關(guān)鍵因素。利用巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡及等溫吸附等手段，對松遼盆地北部青一段含油泥頁巖進行了巖石學(xué)特征和儲集特征研究，對其儲集物性進行了初步評價。結(jié)果表明，青一段泥頁巖儲層的巖石類型主要包括含粉砂泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及粉砂巖等，其中粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及粉砂巖脆性礦物含量相對較高，且儲集空間類型多樣，與微裂縫構(gòu)成了“水平+垂直的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”。薄層粉砂巖夾層或紋層的粒間溶蝕微孔較為發(fā)育，溶蝕微孔可達微米級。青一段泥頁巖綜合評價為特低孔、特低滲儲層，其中又以粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及炭質(zhì)粉砂巖儲集物性較好，可望在頁巖油氣勘探中獲得突破。

頁巖油氣；儲集特征；致密儲層；納米孔隙；松遼盆地北部

0 引言

頁巖油氣在油氣資源中所占的比例逐年增長，影響了全球的能源格局［1-2］。泥頁巖主要是由固結(jié)的細粒顆粒（粒徑＜0.005 mm）組成的片狀巖，其礦物成分主要包括一定數(shù)量的長石、石英、碳酸鹽、黏土礦物、有機碳和黃鐵礦［3-4］。根據(jù)美國對頁巖氣的勘探開發(fā)成果可知，頁巖的原始孔隙度可達35%以上，并隨埋深增加而迅速減小，在埋深達到2 000 m以后，孔隙度僅為10%左右，甚至更低，但仍然可以儲集具有工業(yè)價值的油氣［5-6］。據(jù)美國含氣頁巖統(tǒng)計，頁巖巖心孔隙度一般為4.0%～6.5%（測井孔隙度一般為4%～12%），平均為5.2%；滲透率一般為0.001～2.000 mD，平均為0.040 9 mD［7］。然而，在斷裂帶或裂縫發(fā)育帶，頁巖儲層的孔隙度可達11%，滲透率可達2 mD［8］。

松遼盆地是一個油氣資源非常豐富的斷陷、坳陷疊合盆地，坳陷層發(fā)育白堊系青山口組及嫩江組2套富有機質(zhì)暗色泥頁巖［9-10］。其中，青山口組垂向上可以分為3段，自下而上分別為青一段、青二段和青三段。青山口組一段經(jīng)歷過一次大規(guī)模的湖侵，在盆地中央坳陷區(qū)幾乎全部沉積暗色泥巖，厚度為60～80 m。介形蟲層和油頁巖比較發(fā)育是該段地層的重要標志之一。根據(jù)大慶油田2 000余口探井資料復(fù)查統(tǒng)計，青山口組含油泥頁巖分布面積為3 314.4 km2，油頁巖的平均累計厚度為7.4 m，油氣顯示異常豐富。此外，在埋深較大的盆地內(nèi)部，已經(jīng)勘探證實埋深適中并處于主要生烴階段的青山口組泥頁巖含油氣性較好，尤其是齊家—古龍地區(qū)青山口組烴源巖有機質(zhì)豐度高、成熟度適中，且地層發(fā)育超壓，有利于在泥頁巖系統(tǒng)內(nèi)形成具有工業(yè)價值的油氣分布。

筆者通過系統(tǒng)整理大量已有的青山口組出油氣探井資料，包括其礦物成分特征、巖石類型及儲集空間等，進行青一段泥頁巖儲集物性的定量化研究，以此來探討松遼盆地泥頁巖層系的儲層特征，并對其儲集性能進行初步評價。

1 頁巖層系沉積背景

泥頁巖發(fā)育的沉積環(huán)境及沉積旋回，決定了泥頁巖層段儲層的宏觀巖性組合特征，進而決定了儲層巖相類型［11］。其中，海相泥頁巖層系發(fā)育于深海、半深海等沉積環(huán)境，以厚層泥頁巖夾海相砂質(zhì)巖和碳酸鹽巖等為主要特征，分布范圍大、橫向穩(wěn)定［12］；海陸過渡相泥頁巖層系發(fā)育于沼澤、潮坪及瀉湖等沉積環(huán)境，以薄層泥頁巖與粉細砂巖、炭質(zhì)泥巖等互層為顯著特征，一般有機質(zhì)豐度高，而有機質(zhì)類型較差［13］；陸相泥頁巖層系發(fā)育于深湖—半深湖等沉積環(huán)境，以大套或多套厚層泥頁巖夾薄層砂巖、湖相碳酸鹽巖為主要特征，可見風(fēng)暴沉積，沉積環(huán)境對氣候敏感，往往非均質(zhì)性較強［14］。

松遼盆地北部青一段整體為一個中期下降半旋回，下部沉積的泥頁巖有機質(zhì)豐度略高，多口井于青一段底部見油頁巖，代表了最大湖侵位置。根據(jù)層內(nèi)巖性組合及有機質(zhì)豐度的垂向變化規(guī)律，青一段自下而上可以識別出1個短期下降半旋回及2個完整的短期沉積旋回（圖1）。

圖1 松遼盆地北部青一段沉積旋回柱狀圖（魚15井）Fig.1Columnar section of sedimentary cycle of the first member of Qingshankou Formation in northern Songliao Basin

每個短期沉積旋回均控制了隨著水退巖石粒度變粗及有機質(zhì)豐度逐漸降低的特點，構(gòu)成了高有機質(zhì)豐度暗色泥巖與其他巖石類型呈薄互層的巖性組合特征。此外，在泥頁巖層內(nèi)還發(fā)育鈣質(zhì)、砂質(zhì)條帶和介形蟲層（圖2）。這種內(nèi)部沉積旋回為青一段“源內(nèi)”泥頁巖油氣的形成提供了有利的源儲多層緊密疊置條件。

圖2 松遼盆地北部青一段泥頁巖儲層鈣質(zhì)、砂質(zhì)條帶（a）和介形蟲層（b）（D28井，1 903.40～1 903.55m）Fig.2 Calcareous，sandy strips（a）and ostracod layer（b）of shale reservoir of the first member of Qingshankou Formation in northern Songliao Basin

2 頁巖層系巖石學(xué)特征

2.1 巖石類型

青一段表現(xiàn)為大套厚層泥頁巖與薄層砂質(zhì)巖石的巖性組合特征，錄井及巖心觀察可見這些砂質(zhì)巖石微孔和微裂縫相對較為發(fā)育，具有較好的油氣顯示級別，是源內(nèi)最主要的儲集層。大量的巖心觀察結(jié)果表明，儲集層的巖石類型主要為含粉砂泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及粉砂巖等。

（1）含粉砂泥巖

巖石整體較為致密，具有含粉砂黏土質(zhì)結(jié)構(gòu)（粉砂體積分數(shù)為10%～25%），少量極細砂。薄片觀察碎屑顆粒主要為石英、長石、云母及碳酸鹽晶屑，個別可見少量硅灰石等。不同的碎屑顆粒呈星散狀分布，且欠均勻，可見條帶狀聚集；泥質(zhì)以伊利石為主，具明顯重結(jié)晶且定向消光，少量炭質(zhì)碎屑多呈條紋狀定向分布?？梢婞S鐵礦呈斑點狀或零星分布；見炭質(zhì)碎屑、蛋白石充填的干縮縫（圖版Ⅰ-1）。

（2）粉砂質(zhì)泥巖

巖石具有粉砂質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)（粉砂體積分數(shù)為25%～50%）。薄片觀察粉砂質(zhì)成分主要為石英、長石、碳酸鹽晶屑及云母，云母略具定向分布；泥質(zhì)以伊利石為主，炭質(zhì)碎屑混雜分布且欠均勻?？梢娚倭奎S鐵礦呈星點狀分布；見炭質(zhì)碎屑、玉髓充填的干縮縫（圖版Ⅰ-2）。

（3）含灰質(zhì)泥巖

巖石具有紋層狀泥質(zhì)結(jié)構(gòu)（粉砂體積分數(shù)＜10%），可見大量粉晶方解石，泥質(zhì)混雜，分布均勻。局部見紋層狀有機質(zhì)。陸源碎屑以石英、長石及白云母為主，分散分布。暗色泥質(zhì)條紋與亮色灰質(zhì)、云質(zhì)條紋間互分布，定向排列明顯。偶見介形類生物化石碎片、生物鉆穴及黃鐵礦斑塊（圖版Ⅰ-3）。

（4）粉砂巖

巖石致密，發(fā)育有微裂縫，具有細粉砂結(jié)構(gòu)，少量可達到極細砂，個別為細砂級別。碎屑成分主要為碳酸鹽晶屑，少量石英、長石和云母等；可見炭質(zhì)碎屑定向分布，并與泥質(zhì)不均勻混雜；見介屑。黃鐵礦零星分布或呈條帶狀聚集；見炭質(zhì)碎屑、硅質(zhì)半充填的微裂縫及干縮縫（圖版Ⅰ-4）。

2.2 礦物學(xué)特征

在對樣品進行薄片鑒定后，通過Dmax 12 kw粉末衍射儀對不同巖性巖石的典型樣品進行了X射線衍射分析（表1）。結(jié)果表明：含粉砂泥巖中石英、長石、方解石及黏土礦物體積分數(shù)分別為9.4%，23.2%，1.0%和61.6%；粉砂質(zhì)泥巖中石英、長石、方解石及黏土礦物體積分數(shù)分別為21.3%，43.4%，0.7%和22.6%；含灰質(zhì)泥巖中石英、長石、方解石及黏土礦物體積分數(shù)分別為19.2%，38.2%，12.7%和24.0%；粉砂巖中石英、長石、方解石及黏土礦物體積分數(shù)分別為19.1%，57.5%，9.2%和4.8%。不同巖性的巖石之間礦物成分差別明顯，主要是長石含量控制了全巖粉砂含量，方解石含量控制了全巖灰質(zhì)含量，表明在沉積時期湖水水退過程中，黏土礦物含量減少，在水動力較強的地區(qū)沉積了以長石為主的陸源碎屑沉積，發(fā)育了粉砂巖—含粉砂泥巖系列，而在水動力較弱、缺少物源供給的地區(qū)則沉積了以粉晶方解石為主的灰質(zhì)泥巖。

表1 松遼盆地北部青一段不同巖性巖石的礦物平均體積分數(shù)統(tǒng)計Table 1The average mineral content of different lithologies of the first member of Qingshankou Formation in northern Songliao Basin

總體上看，該區(qū)粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及粉砂巖與美國典型泥頁巖油氣藏區(qū)的泥頁巖礦物組成既具有一定的相似性又有明顯不同，即兩者均具有相對低的黏土礦物含量，但美國典型海相頁巖石英含量占有絕對優(yōu)勢，而研究區(qū)青一段陸相泥頁巖長石含量最高，其次為石英。這種礦物含量的差異主要是由于泥頁巖體系沉積背景不同造成的。湖相沉積往往距離物源較近，成分成熟度低，且缺少海相生屑石英來源。Alqahtani等［15］的研究表明，雖然長石對頁巖脆性的貢獻低于石英，但也常用“長石+石英的含量”來整體評價頁巖的脆性，說明松遼盆地北部青一段粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及含灰質(zhì)泥巖的脆性礦物含量較高，具有較好的造縫能力，適合通過壓裂技術(shù)開采，而含粉砂泥巖的礦物組成以黏土礦物為主，脆性礦物含量相對較低。

3 頁巖層系儲集空間特征

松遼盆地北部青一段巖石類型雖以大套厚層泥巖為主，但也普遍發(fā)育鈣質(zhì)、砂質(zhì)條帶和介形蟲層薄夾層，這些薄夾層的儲集空間相對于純泥巖較為發(fā)育。筆者通過氬離子拋光后的掃描電子顯微鏡鏡下觀察，分析了儲層的孔隙組成和孔隙類型［16］。

巖心觀察結(jié)果表明，在青一段泥頁巖儲層發(fā)育段，泥頁巖裂縫十分發(fā)育，斷面可見儲層瀝青。經(jīng)掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，青一段泥頁巖發(fā)育的儲集空間主要有3種類型，即微裂縫、溶蝕微孔及晶間微孔。密集發(fā)育的微裂縫組成了“水平+垂直的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，不但為油氣儲集提供了有效的空間，更重要的是溝通了微米—納米級孔隙，有利于油氣滲流（圖版Ⅱ-1～Ⅱ-2）。粒間溶蝕孔和晶間微孔在粉砂巖—含粉砂泥巖中較普遍，尤其在紋層狀灰質(zhì)泥巖中，粒間溶蝕微孔更為發(fā)育，溶蝕微孔可達微米級（圖版Ⅱ-3～Ⅱ-4）。

此外，本次研究還通過ASAP2020比表面測定儀對該區(qū)泥頁巖樣品的儲集空間進行了定量描述，即巖石比表面與總孔體積的測定，測試過程嚴格遵守標準SY/T6154—1995［17］（表2）。結(jié)果表明，青一段暗色泥巖樣品比表面為2.968～3.542 m2/g，總孔體積為0.077 29～0.143 24 mL/g，平均孔隙直徑為6.254～9.254 nm，與同地區(qū)嫩江組和沙河子組暗色泥巖樣品（比表面為1.095～2.979 m2/g，總孔體積為0.003 41～0.282 00 mL/g，平均孔隙直徑為6.974～9.511 nm）相差不大，而不同層系泥頁巖含油氣性明顯不同，由此推斷納米級孔隙在儲集作用方面貢獻有限，粉砂質(zhì)和灰質(zhì)泥巖中發(fā)育的微米級孔隙對頁巖油氣，尤其是頁巖油的富集影響更為顯著。

表2 松遼盆地北部不同層系泥頁巖巖石比表面及孔徑分布Table 2Specific surface area and pore size distribution of different shale layers in northern Songliao Basin

4 頁巖層系儲集物性特征

采用氣測法及PDP 200型脈沖滲透率儀對松遼盆地泥頁巖的孔隙度和滲透率進行了實驗測定，檢測依據(jù)為SY/T5336—2006［18］和SY/T6490—2000［19］。測試結(jié)果表明，青一段泥頁巖孔隙度為2.84%～5.16%，平均為3.93%，滲透率為0.000 136～0.805 240 mD，平均為0.173 8 mD。另據(jù)大慶油田研究院測定，青一段泥頁巖（1 960～2 090 m）孔隙度為1.4%～8.7%，平均為4.4%，滲透率多小于20μD；美國威德福實驗室測定青一段泥頁巖孔隙度為3.5%～5.8%，平均為4.6%，滲透率為0.8～3.4μD，平均為2.1μD。由此可以看出，青一段泥頁巖屬特低孔、特低滲儲層。其中，粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及炭質(zhì)粉砂巖等巖石類型孔隙度可達5.0%～5.3%，滲透率可達0.3～16.3 μD，是特低孔、特低滲儲集層中相對高孔滲發(fā)育的有利巖石類型，其發(fā)育的沉積旋回位置橫向分布穩(wěn)定，構(gòu)成了研究區(qū)青一段頁巖油可望獲得突破的鉆探層段。

5 結(jié)論

（1）松遼盆地北部青一段泥頁巖儲層的巖石類型主要為含粉砂泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及炭質(zhì)粉砂巖等，其中粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及炭質(zhì)粉砂巖脆性礦物含量較高，具有較好的造縫能力。

（2）青一段泥頁巖發(fā)育密集的微裂縫、粒間溶蝕孔、晶間微孔和有機質(zhì)孔等，組成了“水平+垂直的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”。在薄層粉砂巖夾層或紋層中，粒間溶蝕微孔更為發(fā)育，溶蝕微孔可達微米級。

（3）青一段泥頁巖孔隙度為2.84%～5.16%，滲透率為0.000 136～0.805 240 mD，屬特低孔、特低滲儲層。粉砂質(zhì)泥巖、含灰質(zhì)泥巖及炭質(zhì)粉砂巖的物性較好，是有利的儲集巖性。

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圖版Ⅰ說明：松遼盆地北部青一段不同巖相類型顯微照片。1.含粉砂泥巖，Y16井，1 645.22 m，單偏光，×100；2.粉砂質(zhì)泥巖，SJ5井，2 430.00 m，單偏光，×100；3.含灰質(zhì)泥巖，ZS1井，2 903.00 m，單偏光，×100；4.炭質(zhì)粉砂巖，Y12井，1 705.00 m，單偏光，×100

圖版Ⅱ說明：1.大量微裂縫發(fā)育,Y29井，2 094.70 m，掃描電鏡；2.大量微裂縫發(fā)育，并伴生有裂縫溶蝕現(xiàn)象，Y29井，2 094.70 m，掃描電鏡；3.大量溶蝕孔發(fā)育，GP1井，2 804.40 m，掃描電鏡；4.典型溶蝕孔孔徑測量，GP1井，2 804.40 m，掃描電鏡

（本文編輯：于惠宇）

Characteristics of shale reservoir of the first member of Qingshankou Formation in northern Songliao Basin

LIU Bo1，WANG Fan2，RAN Qingchang1，3，LI Mei1，DAI Chunlei1，WANG Meng1
（1.Accumulation and Development of Unconventional Oil and Gas，State Key Laboratory Cultivation Base Jointly-constructed by Heilongjiang Province and the Ministry of Science and Technology，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，Heilongjiang，China；2.Well logging company，Daqing Drilling and Exploration Engineering Corporation，Daqing 163412，Heilongjiang，China；3.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163318，Heilongjiang，China）

The reservoir quality is the key factor for influencing the enrichment of shale oil and gas.Through core observation,thin section identification,scanning electronic microscope,isothermal adsorption and other means,this paper studied the petrology and reservoir characteristics of oil shale of the first member of Qingshankou Formation in northern Songliao Basin.The result shows that the rock types of reservoir include with-silt mudstone,silty mudstone, limemudstoneandsiltstone.Thesiltymudstone,limemudstoneandsiltstonearewithhigher contentsof fragilemineral, and developed various types of reservoir space which constitutes a complexes level and vertical fracture net-system. Intergranulardissolvedporesaremoredevelopedinthinsiltstonelayersorlaminate,andtheirporositycanreachmicron level.The reservoir of the first member of Qingshankou Formation belongs to ultra-low porosity and ultra-low permeabilityreservoir.Thesiltymudstone,limemudstoneandcarbonaceoussiltstonehavebestreservoirproperties.

shale oil and gas；reservoir characteristics；tight reservoir；nanopore；northern SongliaoBasin

TE122.1

：A

2014-02-18；

：2014-04-10

國土資源部全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評價專項“華北及東北地區(qū)頁巖氣資源調(diào)查評價與選區(qū)”（編號：2009GYXQ15）和國家青年自然科學(xué)

“湖相紋層泥頁巖有機質(zhì)富集機理及其與頁巖油關(guān)系”（編號：41202101）聯(lián)合資助

柳波（1983-），男，博士，副教授，從事油氣成藏地質(zhì)學(xué)、非常規(guī)油氣地質(zhì)與勘探等方面的研究工作。地址：（163318）黑龍江省大慶市東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院。E-mail：liubo6869@163.com。

1673-8926（2014）05-0064-05