鄂爾多斯盆地東南部長(zhǎng)7段頁(yè)巖孔隙特征及其控制因素

曹尚，李樹(shù)同，黨海龍，邢海雪，張麗霞，張?zhí)忑?，白?/p>

（1.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 研究院，西安 710065；4.大慶油田有限責(zé)任公司 第七采油廠(chǎng)，黑龍江 大慶 163000）

頁(yè)巖油氣是一種自生自?xún)?chǔ)的特殊油氣資源，頁(yè)巖孔隙特征直接影響儲(chǔ)集層品質(zhì)和油氣賦存。中國(guó)發(fā)育大量的陸相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，以鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組頁(yè)巖為代表[1-4]。

前人對(duì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的研究[5-11]，但多集中在海相頁(yè)巖，對(duì)陸相頁(yè)巖的研究相對(duì)薄弱，尚未形成系統(tǒng)和明確的認(rèn)識(shí)。主要有2 方面原因：一是受制于測(cè)試方法較為單一，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖孔隙的全孔徑定量表征，如采用氣體吸附法，僅明確延長(zhǎng)組頁(yè)巖1.5～30.0 nm 孔徑的孔隙結(jié)構(gòu)特征，但對(duì)孔徑大于50.0 nm的大孔認(rèn)識(shí)不足[12-13]；二是對(duì)陸相頁(yè)巖層系非均質(zhì)性的特征及其對(duì)孔隙的影響認(rèn)識(shí)不足，在研究頁(yè)巖孔隙發(fā)育特征時(shí)多選擇富有機(jī)質(zhì)的純黑色頁(yè)巖作為樣品，而長(zhǎng)7 段頁(yè)巖層系中粉砂質(zhì)紋層廣泛發(fā)育[14-16]，多與純頁(yè)巖呈交互層出現(xiàn)，單層厚度最小約0.5 mm，在頁(yè)巖段中累計(jì)厚度占比較高，而粉砂質(zhì)紋層含量對(duì)頁(yè)巖孔隙的影響較大[17]。頁(yè)巖層系中純頁(yè)巖與粉砂質(zhì)紋層在巖石學(xué)特征上的差異，很可能對(duì)整個(gè)頁(yè)巖層系的孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征產(chǎn)生重要影響，因此，在研究頁(yè)巖孔隙特征時(shí)，除了選取富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，還需選取粉砂質(zhì)紋層進(jìn)行測(cè)試，才能更加全面系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)頁(yè)巖層系的孔隙特征。

前人雖然對(duì)頁(yè)巖孔隙發(fā)育的控制因素進(jìn)行了大量研究[18-20]，認(rèn)為鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁(yè)巖孔隙發(fā)育受礦物類(lèi)型及含量影響[14]，但這些研究同樣把頁(yè)巖層系作為一個(gè)整體，未能考慮到頁(yè)巖層系中不同巖石類(lèi)型孔隙發(fā)育的主控因素可能不同。因此，本文以鄂爾多斯盆地東南部長(zhǎng)7 段頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過(guò)掃描電鏡、鑄體薄片、氣體吸附法和壓汞法等實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)頁(yè)巖層系中純頁(yè)巖和粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖的孔隙特征進(jìn)行分析，確定孔隙發(fā)育的主控因素，深化對(duì)長(zhǎng)7 段頁(yè)巖儲(chǔ)集層的認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西緣，屬于大型克拉通內(nèi)陸拗陷盆地，面積約25×104km2，地層平緩，傾角小于1°，發(fā)育伊盟隆起、渭北隆起、伊陜斜坡等6 個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[21]。研究區(qū)位于伊陜斜坡東南部（圖1），三疊系發(fā)育較全，從老到新依次為劉家溝組、和尚溝組、紙坊組和延長(zhǎng)組。延長(zhǎng)組自下而上又分為10 段，其中長(zhǎng)7 段以深湖—半深湖相為主，發(fā)育了盆地內(nèi)分布穩(wěn)定的張家灘頁(yè)巖[22]，頁(yè)巖厚度為15～120 m，整體具東北薄、西南厚的特點(diǎn)。

2 頁(yè)巖層系中巖石類(lèi)型劃分

選用鄂爾多斯盆地東南部長(zhǎng)7 段的19 塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行了分析，由于長(zhǎng)7 段頁(yè)巖非均質(zhì)性強(qiáng)，頁(yè)巖內(nèi)粉砂質(zhì)紋層廣泛發(fā)育，因此，將測(cè)試樣品分為2 種巖石類(lèi)型：純頁(yè)巖和粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖。通過(guò)鏡下薄片和掃描電鏡觀察及X 射線(xiàn)衍射分析等手段，確定不同類(lèi)型巖石的礦物學(xué)特征。

（1）純頁(yè)巖 黑色或灰色，總有機(jī)碳含量較高，一般大于4%，是延長(zhǎng)組頁(yè)巖的主體巖石類(lèi)型，主要發(fā)育在長(zhǎng)7 段的中部和頂部，以層理構(gòu)造為主，碎屑顆粒粒度一般較??；礦物以黏土礦物為主，平均含量為51%，主要為伊利石、伊蒙混層和綠泥石。

（2）粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖 以灰色、灰白色和灰黃色為主，最突出的特點(diǎn)是粉砂質(zhì)紋層發(fā)育，與相鄰純頁(yè)巖呈薄互層產(chǎn)出，多見(jiàn)于長(zhǎng)7 段頂部和底部，以及頁(yè)巖較薄的部位，紋層厚度多小于1 mm，最厚可達(dá)1 cm，水平層理或波狀—透鏡狀層理非常發(fā)育，礦物以石英、長(zhǎng)石等剛性碎屑顆粒為主，黏土礦物含量低于純頁(yè)巖。

3 不同巖性孔隙特征

3.1 孔隙空間類(lèi)型

通過(guò)聚焦離子束掃描電鏡和鑄體薄片分析，研究區(qū)長(zhǎng)7 段頁(yè)巖發(fā)育多種類(lèi)型孔隙，主要包括粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)孔（圖2）。

（1）粒間孔和晶間孔 主要發(fā)育在黏土礦物與石英、長(zhǎng)石等剛性顆粒間或礦物晶體間，孔隙形態(tài)多樣，呈現(xiàn)三角形、狹縫狀及多角狀等，一些粒間孔周緣被溶蝕形成粒間孔（圖2a—圖2d），孔徑介于5.0～600.0 nm，最大可達(dá)3.4 μm，多數(shù)孔隙的孔徑小于200.0 nm，平均為75.0 nm。此類(lèi)孔隙連通性較好，對(duì)頁(yè)巖油氣的滲流和運(yùn)移有利。

（2）粒內(nèi)孔 頁(yè)巖中粒內(nèi)孔主要分為3 類(lèi)：長(zhǎng)石、方解石等的粒內(nèi)孔，黏土礦物集合體粒內(nèi)孔，黃鐵礦集合體粒內(nèi)孔。具有近圓形、菱形、三角形、橢圓形、縫狀、不規(guī)則多角狀等多種形狀（圖2e—圖2h），孔徑較大的粒內(nèi)孔為長(zhǎng)石顆粒溶孔，孔徑峰值為20.0～30.0 nm。

（3）有機(jī)孔 多發(fā)育于有機(jī)組分與黏土礦物的分界面，少量發(fā)育在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，順層富集分布，常呈橢圓形或蜂窩狀（圖2i），孔徑較小，可小于2.0 nm。有機(jī)孔整體發(fā)育較少，這與長(zhǎng)7 段頁(yè)巖的熱成熟度較低有關(guān)[23]。

研究區(qū)長(zhǎng)7 段頁(yè)巖中，粉砂質(zhì)紋層和純頁(yè)巖中的孔隙類(lèi)型存在一定差異。純頁(yè)巖中主要發(fā)育黏土礦物粒間孔和有機(jī)孔，主要原因是純頁(yè)巖中黏土礦物含量高，有機(jī)質(zhì)相對(duì)富集；粉砂質(zhì)紋層中剛性碎屑顆粒組成的粒間孔和粒內(nèi)孔比較發(fā)育，孔徑較純頁(yè)巖中大。同時(shí)，粉砂質(zhì)紋層中，由于有機(jī)質(zhì)含量較低，有機(jī)孔發(fā)育差，只有當(dāng)剛性顆粒足夠多，能起到支撐作用時(shí)，有機(jī)孔才局部發(fā)育。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

本文結(jié)合氣體吸附法（CO2吸附和N2吸附）和壓汞法，綜合表征頁(yè)巖孔隙全孔徑特征。CO2吸附法用來(lái)表征微孔（孔徑0.4～2.0 nm），N2吸附法常用來(lái)表征中孔（孔徑2.0～50.0 nm）和部分大孔（孔徑50.0～300.0 nm），壓汞法可以獲得孔徑3.6～100 000.0 nm 的孔隙結(jié)構(gòu)信息。在孔徑分布的疊合區(qū)，以壓汞法的孔徑分布為準(zhǔn)，獲得長(zhǎng)7 段頁(yè)巖微孔、中孔和大孔的連續(xù)分布（表1）。

（1）孔體積特征 在所有孔隙中，中孔體積最大，分布在0.002 6～0.017 4 cm3/g，平均0.010 4 cm3/g，其次為大孔體積，分布在0.002 5～0.008 3 cm3/g，平均為0.005 4 cm3/g，微孔體積最小，平均為0.001 6 cm3/g。相應(yīng)的，中孔體積占孔系總體積的比例較大，其次為大孔。粉砂質(zhì)紋層發(fā)育的頁(yè)巖中，微孔、中孔和大孔體積分別為0.001 5 cm3/g、0.011 8 cm3/g和0.006 5 cm3/g，中—大孔體積是微孔體積的12.2倍，純頁(yè)巖中也呈現(xiàn)出同樣的特征，中—大孔是孔隙體積的主要貢獻(xiàn)者（表1）。在2 種巖性中，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖的中—大孔體積較大，是純頁(yè)巖對(duì)應(yīng)孔體積的1.38 倍；純頁(yè)巖微孔比粉砂質(zhì)紋層發(fā)育，其微孔體積占比是粉砂質(zhì)紋層的2倍；粉砂質(zhì)紋層的總孔體積明顯大于純頁(yè)巖。同時(shí)，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖的平均孔隙度為5.01%，是純頁(yè)巖的1.3倍。另外，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖，滲透率分布范圍較寬，為0.009 3～0.066 0 mD，平均為0.042 6 mD，純頁(yè)巖滲透率分布在0.002 8～0.027 5 mD，平均為0.017 3 mD，粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖滲透率是純頁(yè)巖的2.5倍?？诐B數(shù)據(jù)表明，相比純頁(yè)巖，粉砂質(zhì)紋層儲(chǔ)集和滲流能力更強(qiáng)。

表1 研究區(qū)長(zhǎng)7段部分樣品孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)測(cè)試參數(shù)和計(jì)算結(jié)果Table 1.Test parameters and calculation results related to the pore structure of some samples from Chang 7 member in the study area

（2）孔徑分布特征 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖3），頁(yè)巖孔徑（D）分布曲線(xiàn)整體呈單峰型和雙峰—多峰型2 種；微孔和部分孔徑較小的中孔（2.0～5.0 nm）峰值高但圍成面積小，發(fā)育數(shù)量多但提供孔體積（V）不大，中—大孔數(shù)量雖比微孔少，但提供了主要的孔隙空間。其中，純頁(yè)巖以32 號(hào)和5 號(hào)樣品為代表，孔徑分布曲線(xiàn)多樣（圖3a、圖3b），峰值位于1.0 nm 附近，屬微孔，大孔相對(duì)不發(fā)育；粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖以31 號(hào)和22 號(hào)樣品為代表（圖3c、圖3d），峰值位于1.0～2.0 nm 附近，第二高峰在100.0～1 000.0 nm，其大孔比純頁(yè)巖更為發(fā)育（圖3a、圖3c），對(duì)應(yīng)的孔體積也更大。

綜上所述，長(zhǎng)7 段頁(yè)巖以中—大孔發(fā)育為主，粉砂質(zhì)紋層的中—大孔比純頁(yè)巖更為發(fā)育，孔滲性更好，這與鏡下觀測(cè)結(jié)果一致。

4 影響孔隙發(fā)育的因素

4.1 純頁(yè)巖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在純頁(yè)巖中，中孔體積與總有機(jī)碳含量呈正相關(guān)（圖4a），大孔體積與石英和長(zhǎng)石含量具有很好的線(xiàn)性正相關(guān)性（圖4b），表明純頁(yè)巖中中孔的發(fā)育主要受控于總有機(jī)碳含量，大孔的發(fā)育主要受控于石英和長(zhǎng)石等剛性碎屑顆粒含量。同時(shí)，孔隙度與石英和長(zhǎng)石含量的相關(guān)性好于總有機(jī)碳含量（圖4c、圖4d），相關(guān)系數(shù)分別為0.87 和0.59，說(shuō)明純頁(yè)巖孔隙發(fā)育的主要影響因素是剛性碎屑顆粒含量，其次是總有機(jī)碳含量。

4.2 粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖

由鏡下觀察可知，粉砂質(zhì)紋層中有機(jī)質(zhì)含量較低，主要發(fā)育中—大級(jí)別的無(wú)機(jī)質(zhì)粒間孔和粒內(nèi)孔，孔體積和孔隙度與總有機(jī)碳含量的關(guān)系不大（圖5a、圖5b）。石英、長(zhǎng)石含量與微孔和中孔體積不具有相關(guān)關(guān)系，與大孔體積具有一定正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性較差（圖5c）；孔隙度與石英、長(zhǎng)石等剛性礦物顆粒含量關(guān)系不明顯（圖5d）。前文研究表明，粉砂質(zhì)紋層的孔徑、孔體積和孔隙度均比純頁(yè)巖大，儲(chǔ)集和滲流能力比純頁(yè)巖強(qiáng)，由此說(shuō)明粉砂質(zhì)紋層孔隙發(fā)育的影響因素較為復(fù)雜。粉砂質(zhì)紋層中原始孔隙的形成不是問(wèn)題，孔隙保存條件是關(guān)鍵。雖然剛性顆粒含量、粒度等在孔隙形成過(guò)程中具有重要作用，但化學(xué)成巖和有機(jī)質(zhì)生烴對(duì)孔隙的后期改造作用可能具有更高的增孔或減孔效率。

粉砂質(zhì)紋層以石英、長(zhǎng)石等剛性顆粒為主，這些剛性顆粒比黏土礦物成熟度高，抗機(jī)械壓實(shí)性更強(qiáng)，顆粒間的孔隙更易保存。同時(shí)，頁(yè)巖生、排烴過(guò)程中，隨著熱演化程度的提高，會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸、CO2等酸性流體，導(dǎo)致長(zhǎng)石被溶蝕。粉砂質(zhì)紋層中長(zhǎng)石含量較高，溶蝕作用較強(qiáng)烈，相較于以黏土礦物為主的純頁(yè)巖，形成了更多的孔隙。從鏡下觀察可知，粉砂質(zhì)紋層中長(zhǎng)石的粒內(nèi)孔和粒間孔隨處可見(jiàn)（圖3a、圖3e）。

在發(fā)生酸性物質(zhì)溶蝕作用后，粉砂質(zhì)紋層中會(huì)伴隨出現(xiàn)膠結(jié)作用，主要形成包括石英微晶、方解石、鐵白云石、菱鐵礦等膠結(jié)物。雖然膠結(jié)作用占據(jù)了一部分的原始孔隙空間，但有機(jī)質(zhì)演化生成的液態(tài)烴包裹了孔隙和礦物表面，改變了孔隙潤(rùn)濕性，礦物表面由親水向親油轉(zhuǎn)變，抑制了后期膠結(jié)作用，對(duì)孔隙保存具有一定積極影響。

綜上所述，粉砂質(zhì)紋層比純頁(yè)巖具有更好的孔隙結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)集能力。因此，在頁(yè)巖評(píng)價(jià)中，應(yīng)重點(diǎn)考慮粉砂質(zhì)紋層，以中—大孔為主的粉砂質(zhì)紋層發(fā)育頁(yè)巖對(duì)油氣的富集更為重要。同時(shí)，在粉砂質(zhì)紋層與暗色礦物接觸面，容易產(chǎn)生順層層理或微裂縫，形成孔隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，成為頁(yè)巖油氣有利的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道。此外，頁(yè)巖中粉砂質(zhì)紋層發(fā)育段脆性相對(duì)較大，對(duì)壓裂射孔較為有利。鄂爾多斯盆地中南部的勘探實(shí)踐表明，探井中粉砂質(zhì)紋層發(fā)育的薄頁(yè)巖層段日產(chǎn)氣量是純頁(yè)巖厚層段的一倍多，長(zhǎng)7 段粉砂質(zhì)紋層發(fā)育段也有較好的油流顯示。

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地東南部長(zhǎng)7 段頁(yè)巖層系中，純頁(yè)巖主要發(fā)育黏土礦物粒間孔和有機(jī)孔，粉砂質(zhì)紋層頁(yè)巖主要發(fā)育剛性顆粒粒間孔和長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔。

（2）長(zhǎng)7 段頁(yè)巖孔體積主要由中—大孔貢獻(xiàn)，粉砂質(zhì)紋層的中—大孔相比純頁(yè)巖更為發(fā)育，孔徑和孔體積更大，物性更好。

（3）純頁(yè)巖孔隙發(fā)育主控因素是剛性顆粒含量，其次是有機(jī)質(zhì)含量；粉砂質(zhì)紋層頁(yè)巖孔隙發(fā)育主控因素為孔隙的保存條件，如石英、長(zhǎng)石等剛性顆粒的富集利于孔隙保存，酸性流體對(duì)長(zhǎng)石的溶蝕具有增孔作用，液態(tài)烴包裹礦物抑制膠結(jié)作用的發(fā)生。

（4）在頁(yè)巖油氣勘探中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注粉砂質(zhì)紋層發(fā)育段，其大概率是油氣富集的有利層段。