全球含油氣細(xì)粒沉積巖研究進(jìn)展

肖路安

（蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

非常規(guī)油氣是指用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法獲得自然工業(yè)產(chǎn)量、需用新技術(shù)改善儲(chǔ)層滲透率或流體粘度等能經(jīng)濟(jì)開采、連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)型聚集的油氣資源。2016年7月，貴州遵義安頁(yè)1井獲得重大突破，發(fā)現(xiàn)中國(guó)首個(gè)高產(chǎn)海相致密天然氣藏，中國(guó)進(jìn)入了常規(guī)與非常規(guī)油氣并重的勘探開發(fā)新時(shí)代，地質(zhì)開發(fā)理論進(jìn)入了非常規(guī)油氣創(chuàng)新的“黃金期”[1]。隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的不斷深入，出現(xiàn)了現(xiàn)有適用于常規(guī)油氣開發(fā)的理論與非常規(guī)油氣開發(fā)不相適應(yīng)的矛盾，非常規(guī)油氣開發(fā)亟需新的理論發(fā)展支撐。非常規(guī)油氣的烴源巖和儲(chǔ)集層主要是細(xì)粒沉積巖，細(xì)粒沉積巖分布廣泛，約占沉積巖的2/3，但由于粒度小、觀察難度大以及受超微觀實(shí)驗(yàn)條件的限制，細(xì)粒沉積學(xué)的研究程度低，研究難度較大，也是目前國(guó)內(nèi)外研究前沿。本文將從細(xì)粒沉積巖的研究進(jìn)展、概念、分類、孔隙結(jié)構(gòu)定量表征、評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行闡述。

1 細(xì)粒沉積巖的研究進(jìn)展

在充分吸收和借鑒前人對(duì)細(xì)粒沉積巖研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陸相與海相盆地細(xì)粒沉積巖進(jìn)行了大量的研究工作，在巖性—巖相、沉積分類、成巖過(guò)程、沉積體系和儲(chǔ)集層特征等方面取得了一系列成果認(rèn)識(shí)。姜在興[2]理清了細(xì)粒沉積巖相關(guān)概念及術(shù)語(yǔ)，建立了系統(tǒng)、科學(xué)的細(xì)粒沉積巖分類方案，明確硅質(zhì)與碳酸鹽等細(xì)粒物質(zhì)沉積、成巖動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以東營(yíng)凹陷為例建立了針對(duì)深水細(xì)粒沉積巖的沉積模式，用氣候、相對(duì)湖平面及物源3種成分的組合變化來(lái)指代層序主控因素，進(jìn)而為深水細(xì)粒沉積層序地層分析提供了解決方案。孫龍德[3]通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段、松遼盆地白堊系青山口組等不同類型盆地黑色頁(yè)巖巖相、巖石組成及其微觀特征的研究，建立了3類湖相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的成因模式。Chalmers[4]研究了細(xì)粒沉積巖在隨埋深增加進(jìn)入到晚成巖階段和初始變質(zhì)階段（近變質(zhì)和淺變質(zhì)）時(shí)，孔隙度有減小的趨勢(shì)。孔隙度減小到2%時(shí)，巖石經(jīng)歷了淺變質(zhì)過(guò)程，認(rèn)為是無(wú)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氣儲(chǔ)層；頁(yè)巖成熟度在石油窗時(shí)，孔隙度的減少是由于大孔的減少，隨成熟度增加（干氣階段）孔隙度繼續(xù)減少，在低級(jí)變質(zhì)巖中孔隙度的減少是由于中孔的減少；從大孔減少到中孔減少的孔隙大小分布變化反映了在成熟度低的巖石中以孔隙機(jī)械破壞為主，在成熟度高的巖石中以白云母和伊利石的生長(zhǎng)及自生重結(jié)晶的化學(xué)過(guò)程為主；中孔的減少對(duì)基質(zhì)滲透率的影響很大，天然和誘導(dǎo)裂縫在完井中日益重要。

2 細(xì)粒沉積巖的概念及分類

細(xì)粒沉積巖是由細(xì)粒物質(zhì)所組成的巖石。細(xì)粒物質(zhì)是指顆粒粒級(jí)小于0.0625mm的組分，主要包括碳酸鹽、粘土礦物、有機(jī)質(zhì)、生物碎屑、石英等[2]。對(duì)于細(xì)粒沉積巖的分類，目前沒(méi)有比較公認(rèn)統(tǒng)一的分類方案。一般原則是從礦物成分因素和適用因素來(lái)考慮的，但由于細(xì)粒沉積巖的研究與油田的非常規(guī)油氣實(shí)際生產(chǎn)開采關(guān)系緊密，另一類細(xì)粒沉積巖的分類方案則偏向于更具有實(shí)際生產(chǎn)的工業(yè)用途意義，如郝運(yùn)輕[5]根據(jù)工業(yè)用途將泥巖頁(yè)巖分為室內(nèi)和錄井兩大類（圖1）。鄢繼華[6]認(rèn)為細(xì)粒沉積巖成分復(fù)雜、粒徑較細(xì)且非均質(zhì)性較強(qiáng)，在粗碎屑巖研究中常用的薄片鑒定法統(tǒng)計(jì)礦物含量已不適用，應(yīng)將X射線衍射（XRD）分析的礦物含量作為巖石分類的重要依據(jù)，采用“三端元、四組分”分類方案（圖2），將細(xì)粒沉積巖劃分為細(xì)粒長(zhǎng)英沉積巖類、碳酸鹽巖類、粘土巖類與細(xì)?；旌铣练e巖類4類12種巖石類型。Milliken[7]基于對(duì)傳統(tǒng)的以沉積結(jié)構(gòu)、顆粒大小及成分為標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)粒沉積巖分類的改進(jìn)，提出根據(jù)顆粒來(lái)源和成分，以細(xì)粒沉積巖的主要組分陸源—粘土、碳酸鹽—粘土和硅質(zhì)—粘土為三端元，陸源—粘土的盆外來(lái)源超過(guò)75%、碳酸鹽—粘土的盆外碎屑來(lái)源少于75%，生物成因的盆內(nèi)碳酸鹽顆粒占優(yōu)勢(shì)、硅質(zhì)—粘土的盆外碎屑來(lái)源少于75%且生物硅質(zhì)成因顆粒比碳酸鹽顆粒占優(yōu)勢(shì)為界分為3大類。

圖1 泥巖—灰?guī)r系列綜合分類命名方案[5]

圖2 滄東凹陷細(xì)粒沉積巖巖石類型分類表[6]

3 細(xì)粒沉積巖定量表征

對(duì)細(xì)粒沉積巖進(jìn)行定量研究才能更好地揭示細(xì)粒沉積巖生烴排烴性質(zhì)規(guī)律，創(chuàng)新非常規(guī)油氣儲(chǔ)層地學(xué)理論。張琴[8]對(duì)頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，對(duì)細(xì)粒沉積巖孔徑進(jìn)行了定量的表征（圖3）。Pan[9]利用偏最小二乘法處理合成混合物和自然泥巖的熱發(fā)射光譜，來(lái)評(píng)價(jià)其對(duì)于恢復(fù)壓實(shí)細(xì)粒沉積巖的礦物豐度的適用性，并對(duì)細(xì)粒沉積巖中的礦物豐度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，表明砂和壓實(shí)的細(xì)粒沉積物的熱發(fā)射光譜具有顯著差異，能夠區(qū)分出二者。偏最小二乘法的主要優(yōu)勢(shì)是提高的細(xì)粒度壓實(shí)混合物的準(zhǔn)確性，在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集內(nèi)允許有無(wú)數(shù)的樣品，而且能夠再?zèng)]有分開單成分顆粒的完整信息情況下恢復(fù)礦物豐度，能夠準(zhǔn)確在熱發(fā)射光譜數(shù)據(jù)集中從非常細(xì)的巖石中恢復(fù)±10%豐度。

圖3 沾化凹陷頁(yè)巖儲(chǔ)集空間類型及分類標(biāo)準(zhǔn)[8]

4 細(xì)粒沉積巖的綜合評(píng)價(jià)與研究方法

非常規(guī)油氣評(píng)價(jià)重點(diǎn)是烴源巖特性、巖性、物性、脆性、含油氣性與應(yīng)力各向異性“六特性”及匹配關(guān)系。非常規(guī)油氣富集“甜點(diǎn)區(qū)”有8項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中3項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是TOC大于2%、孔隙度較高（致密油氣大于10%，頁(yè)巖油氣大于3%）和微裂縫發(fā)育。非常規(guī)油氣具有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：一是孔隙度小于10%，二是孔喉直徑小于1μm或空氣滲透率小于1mD；而常規(guī)油氣孔隙度范圍多處于10%～30%，滲透率多大于1mD[4]。礦物元素分析技術(shù)能精細(xì)識(shí)別泥頁(yè)巖的礦物含量和沉積組構(gòu)，成像測(cè)井技術(shù)可以有效識(shí)別泥頁(yè)巖的孔隙特征。Bourg[10]認(rèn)為細(xì)粒沉積巖中粘土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有很重要的意義，通過(guò)實(shí)驗(yàn)投圖（圖4），他將細(xì)粒沉積巖中泥質(zhì)含量（層狀硅酸鹽）占全巖1/3為閥值；不同泥質(zhì)含量的細(xì)粒沉積巖，其抗壓強(qiáng)度、孔隙度和滲透率等性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化，這與現(xiàn)在大部分存在的模型（認(rèn)為孔隙度和滲透率不隨粘土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化）是相反的；抗壓強(qiáng)度和其他材料性質(zhì)在粘土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)1/3處的轉(zhuǎn)變是很好很明顯的礦物學(xué)劃分標(biāo)志，能夠劃分可供油氣開采的細(xì)粒沉積巖和可用于CCS（碳捕獲與儲(chǔ)存）及核廢料存儲(chǔ)的細(xì)粒沉積巖。Pan[11]報(bào)道了一種測(cè)量巖石各向異性滲透率的新方法，使用立方體樣品和3D打印膠套，通過(guò)旋轉(zhuǎn)立方體樣品測(cè)試巖石三軸方向的滲透率(圖5)。

圖4 致密頁(yè)巖和脆性頁(yè)巖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及概念模型[10]

圖5 滲透率測(cè)量的三軸裝置示意圖[11]

5 結(jié)論

目前而言，細(xì)粒沉積巖沉積模式的研究較多，但都還處于定性或半定量階段，對(duì)于定量化的研究還較少；對(duì)于細(xì)粒沉積巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)的定量研究應(yīng)是未來(lái)的一個(gè)研究重點(diǎn)。細(xì)粒沉積巖由于粒度小，孔隙為納米—微米級(jí)，研究起來(lái)難度較大，未來(lái)需要新技術(shù)的革新，優(yōu)化研究手段。

細(xì)粒沉積巖既是非常規(guī)油氣的烴源巖也是儲(chǔ)層，非常規(guī)油氣得以開發(fā)主要是由于水平井技術(shù)和水力壓裂的發(fā)現(xiàn)，因而需要一種定量的脆性指數(shù)來(lái)表征巖石的脆性大小及預(yù)測(cè)壓裂改造效果。

細(xì)粒沉積巖中巖性巖相、物性、孔隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)集性能和生烴能力等的非均質(zhì)性研究也需要進(jìn)一步加強(qiáng)。細(xì)粒沉積巖的埋藏演化模型需要進(jìn)一步精細(xì)刻畫，且未來(lái)工作需進(jìn)一步研究有機(jī)質(zhì)演化、剛性顆粒、成巖作用類型與強(qiáng)度對(duì)細(xì)粒沉積巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)及其非均質(zhì)性的控制機(jī)理。