鄂爾多斯盆地南部長73頁巖層系儲層特征及主控因素

李 慶，李江山，盧 浩，齊奉強，何 羽，安可欽，李隆禹，張厚民，伍 岳

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249;3. 中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

頁巖油氣目前已成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的亮點領(lǐng)域，也是未來油氣資源的潛力所在[1-2]。在過去的幾十年，針對頁巖層系沉積、儲層等特征及成因的研究也成為非常規(guī)油氣地質(zhì)領(lǐng)域研究的熱點[3-5]。頁巖層系成分復雜，既包含物理沉積的粉砂和黏土礦物、與生物有關(guān)的有機質(zhì)，也包含化學沉積的碳酸鹽礦物及火山沉積的火山灰等[6]。頁巖層系的礦物組成、巖石結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造等往往表現(xiàn)為較強的非均質(zhì)性及差異性，如中國南方古生界海相“頁巖”以石英、黏土礦物為主[7-8]；中國東部陸湖相“頁巖”則以碳酸鹽、黏土礦物、粉砂及有機質(zhì)為主，碳酸鹽礦物平均含量甚至超過50%[9-10]；西部地區(qū)頁巖和砂質(zhì)、凝灰質(zhì)物質(zhì)形成混積紋層[11]。

針對頁巖層系巖相的分類方案及標準，前人提出了不同的觀點，包括按照組分分類，如姜在興等[6]提出三端元分類，以細粒沉積巖的主要組分粉砂、黏土和碳酸鹽為三端元，以各自含量50%為界分為4大類；根據(jù)顏色和沉積構(gòu)造分類，如Yang Hua等人根據(jù)顏色和沉積構(gòu)造，將泥巖分為黑色頁巖和黑色塊狀泥巖[12]；根據(jù)巖石的物理性質(zhì)、生物改造特征、化學成分特征等進行分類，如Li等將上揚子五峰組—龍馬溪組的頁巖劃分為7種巖相類型[4]。由此可見，不同地區(qū)的頁巖層系具有不同的成分組成以及巖石結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造等特征，相應(yīng)的不同巖相具有不同的成因及儲層質(zhì)量特征，因此有必要分具體區(qū)域?qū)搸r進行巖相的劃分進而研究其成因及儲層特征。

針對頁巖層系的孔隙類型前人也做了大量研究，如Loucks等2012年認為泥頁巖孔隙可分為有機孔、粒間孔、粒內(nèi)孔和裂縫4大類，其中粒間孔包括顆粒間孔隙、黏土晶體之間的孔隙等，粒內(nèi)孔包括草莓狀黃鐵礦粒內(nèi)孔、化石內(nèi)部孔、黏土集合體粒內(nèi)孔和鑄?？椎萚13]。對于頁巖孔隙大小的分類，一般根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學學會(IUPAC)標準將孔隙分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)[14]。對于頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的研究也從單一方法發(fā)展至多種實驗測試方法相結(jié)合的綜合研究[15-17]。不同頁巖巖相的差異性(成分、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量、沉積構(gòu)造等)會進一步影響頁巖儲層的孔隙類型、孔隙發(fā)育程度、儲層物性及脆性等，使頁巖層系的儲層質(zhì)量表現(xiàn)出很強的非均質(zhì)性。頁巖層系儲層質(zhì)量的控制因素多且復雜，影響頁巖層系儲層質(zhì)量的因素包括無機因素(礦物成分、粒度、巖相類型、成巖作用等)和有機因素(TOC含量、有機質(zhì)類型、成熟度、成烴作用等)[18-20]。

鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段具有資源量巨大的頁巖油氣資源，慶城10億噸級頁巖油已進入規(guī)模開發(fā)階段[21-22]。付金華等根據(jù)砂巖與泥巖的配置關(guān)系、比例及單砂體厚度等將長7段頁巖油分為三種類型：多期砂巖疊置發(fā)育型(I類)、含砂巖夾層泥頁巖型(II類)、頁理型(III類)[22-23]。多期砂巖疊置發(fā)育型(I類)及含砂巖夾層泥頁巖型(II類)頁巖油，主要分布在長71及長72亞段，目前已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)開采。頁理型(III類)頁巖油主要發(fā)育在長73的頁巖層系，其勘探開發(fā)潛力巨大，是未來增儲上產(chǎn)的重要接替目標。

圖1 鄂爾多斯盆地研究區(qū)位置及上三疊統(tǒng)延長組地層特征(據(jù)文獻[25]修改)Fig.1 Location of the study area and stratigraphy of the Upper Triassic Yanchang Formation in the Ordos Basin (modified after reference[25])(a)鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元及研究區(qū)位置；(b)鄂爾多斯盆地延長組地層特征

鄂爾多斯盆地長73亞段的頁巖層系較長71及長72亞段地層的砂巖含量減少，以頁巖為主，但其頁巖的有機質(zhì)含量、成熟度以及礦物含量變化大，并且盆地南部的頁巖中富含凝灰物質(zhì)，發(fā)育凝灰?guī)r夾層，體現(xiàn)出較強的非均質(zhì)性[24-25]。目前對于鄂爾多斯盆地南部長73亞段頁巖層系的巖相類型、特征以及不同巖相的孔隙結(jié)構(gòu)差異及主控因素尚不明確，儲集性能的主控因素和差異機理研究相對薄弱。

本文綜合利用巖心、薄片、有機地球化學、掃描電鏡、高壓壓汞、氣體等溫吸附等分析技術(shù)手段，對鄂爾多斯盆地南部長73頁巖層系的巖相進行系統(tǒng)劃分，對比不同巖相的儲集空間及孔隙結(jié)構(gòu)差異，探討有效孔隙網(wǎng)絡(luò)及主控因素，以期為下一步長73亞段III型頁巖油的甜點評價及預(yù)測提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于中國中西部地區(qū)，總面積約37萬km2，盆地為總體呈南北向延伸的長方形(圖1(a))[26]。鄂爾多斯盆地邊緣被活動的褶皺山系和地塹系所環(huán)繞，基底是太古宇和下元古界的變質(zhì)巖系，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)造平緩，沉降穩(wěn)定，整體西降東升，西低東高，每公里坡降不足1°。盆地內(nèi)部構(gòu)造相對簡單，二級構(gòu)造不發(fā)育，常發(fā)育以鼻狀褶曲為主的三級構(gòu)造，共有6個構(gòu)造單元，包括伊盟隆起、渭北隆起、西緣沖斷帶、晉西撓褶帶、天環(huán)坳陷、陜北斜坡等[27-28]。

鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組地層形成于盆地快速沉降期, 經(jīng)歷了湖盆坳陷、擴張和強烈坳陷，隨后湖盆回返抬升，最終萎縮并消亡的整個過程,是盆地內(nèi)重要的生油與儲集層系[29]。鄂爾多斯盆地南部延長組厚度在700～1 000 m之間，與上下地層均為平行不整合接觸[30]。根據(jù)沉積旋回、電性、巖性和古生物沉積組合等特征，延長組從下到上可細分為長10至長1共10個段(圖1(b))，其中長7段又可細分為長71、長72、長73三個亞段[31-32]。

圖2 研究區(qū)長7段頁巖有機地球化學特征Fig.2 Geochemical characteristics of Chang 7 shale in the study area

本文研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部的涇河油田，位于天環(huán)向斜、伊陜斜坡、渭北隆起的交界處。 涇河油田總體構(gòu)造形態(tài)為由南東向北西緩傾的單斜構(gòu)造，構(gòu)造比較簡單，地層平緩；面積約為3 013 km2(圖1(a))，研究層位主要為長73亞段。長73亞段沉積時期，湖平面快速上升，達到鼎盛時期，三角洲體系顯著向岸遷移，湖泊內(nèi)部局部發(fā)育重力流，湖泊中心沉積巖性以深灰色、灰黑色泥巖頁巖為主，夾雜少量薄層粉砂巖及凝灰?guī)r，俗稱“張家灘頁巖”，其奠定了陸相湖盆生油的基礎(chǔ)[33]。

2 有機地球化學特征

2.1 有機質(zhì)豐度

涇河地區(qū)長7段烴源巖厚度集中于20～100 m,中部最厚，南東最薄。長73下部頁巖(張家灘頁巖段)TOC含量為4.72%～31.65%，平均20.04%；生烴潛量(S1+S2)值為33.38～195.49 mg/g，平均33.38 mg/g(圖2(a)和(b))。長73上部頁巖TOC含量為2.46%，生烴潛量為10.98 mg/g。根據(jù)SY/T 5735-1995行業(yè)標準，長73下部(張家灘頁巖段)頁巖主要為極好烴源巖級別；長73上部烴源巖分布于好-極好級別，有機質(zhì)豐度低于長73下部頁巖；長72和長71頁巖的有機質(zhì)豐度在好-差級別范圍內(nèi)均有分布。長73下部(張家灘頁巖段)烴源巖豐度最好，長72和長71烴源巖豐度相對較差。

2.2 有機質(zhì)類型

長73下部(張家灘頁巖段)烴源巖氫指數(shù)373.38～787.41 mg/g，平均523.38 mg/g；降解率(D) 32.22%～66.55%，平均值47.26%；長73上部烴源巖氫指數(shù)426.89 mg/g，降解率(D) 36.96%(圖2(c)和(d))。根據(jù)氫指數(shù)(HI)-最高峰溫(Tmax)和降解率(D)-最高峰溫(Tmax)交匯圖(圖2(c)和(d))可以看出，研究區(qū)長73下部(張家灘頁巖段)烴源巖有機質(zhì)類型分布于Ⅰ-Ⅱ1型，以Ⅰ型為主，長73上部烴源巖有機質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型；長72烴源巖有機質(zhì)類型分布于Ⅱ1-Ⅱ2型，其中Ⅱ2型占較大比例；長71烴源巖有機質(zhì)類型分布范圍較廣，Ⅰ-Ⅱ2型均有分布，但以Ⅱ2型為主。

2.3 有機質(zhì)成熟度

長73下部(張家灘頁巖段)烴源巖最高峰溫Tmax值為431～447 ℃，平均442 ℃；長73上部烴源巖Tmax值為438 ℃；長72烴源巖Tmax值為440～444 ℃，平均442 ℃；長71烴源巖Tmax值為434～443 ℃，平均440 ℃(圖2(c)和(d))。由此可見，涇河地區(qū)長73下部(張家灘頁巖段)有機質(zhì)成熟度分布于未成熟-成熟階段，主要為成熟階段；長73上部有機質(zhì)成熟度分布于低成熟階段；長72有機質(zhì)成熟度主要為成熟-低成熟階段；長71有機質(zhì)成熟度則從成熟至未成熟階段均有分布，其平均值屬于低成熟階段。

3 巖相類型及特征

3.1 巖相分類

針對頁巖層系巖相的分類方案及標準，前人提出過不同的觀點，包括根據(jù)巖石的組分分類，根據(jù)顏色和沉積構(gòu)造分類，根據(jù)巖石的物理性質(zhì)分類等[4,6,12]。研究區(qū)長73亞段主要發(fā)育頁巖和凝灰?guī)r兩種巖性，少量發(fā)育粉砂巖。結(jié)合研究區(qū)特點，本文綜合巖石的組分、粒度、TOC含量三方面對巖相進行劃分。

首先根據(jù)巖石中火山碎屑物質(zhì)及正常沉積物質(zhì)含量的不同，將巖石分為正常碎屑巖和火山碎屑巖(主要為凝灰?guī)r)兩大類。按照粒度大小正常碎屑巖可分為頁巖(粒徑小于0.005 mm的顆粒占比大于50%)及粉砂巖(粒徑為0.005～0.1 mm的顆粒占比大于50%)兩種巖性(表1)。其中，粉砂巖在研究區(qū)的含量較少，不再進一步劃分。頁巖和凝灰?guī)r在長73亞段發(fā)育較多，且非均質(zhì)性較強，根據(jù)各自特點再繼續(xù)細分。

頁巖的總有機碳(TOC)含量及礦物含量具有較大的差異。TOC含量的差異會影響儲集空間及生烴潛力[5,34]，礦物含量的差異亦對頁巖的儲集性能及可壓裂性具有重要的影響[35]。研究區(qū)頁巖礦物成分主要為石英、長石、黃鐵礦、黏土礦物、碳酸鹽及少量其它礦物(圖3)。石英、黃鐵礦和部分長石為脆性礦物，有利于儲層形成儲集空間和后期壓裂開采，對儲層性能有重要影響；黏土礦物、云母為塑性礦物，對后期儲層儲集空間具有破壞作用，不利于后期儲層的壓裂開采。故頁巖的巖相可根據(jù)TOC及礦物的含量進一步劃分。對頁巖采用TOC、塑性礦物(黏土礦物+云母，主要為黏土質(zhì)礦物)、剛性礦物(石英+長石+黃鐵礦，主要為硅質(zhì)礦物)三端元方案可將其劃分為5類(表1)：高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(TOC>6%,R(石英+長石+黃鐵礦)/(黏土礦物+云母)>1)、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖(TOC>6%,R(石英+長石+黃鐵礦)/(黏土礦物+云母)<1]、中有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(2%1)、中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖(2%

表1 巖相劃分依據(jù)及方案

圖3 研究區(qū)長73亞段各巖相礦物組成Fig.3 Mineral composition of the various lithofacies of Chang 73 sub-member in the study area

研究區(qū)火山碎屑巖主要為凝灰?guī)r，粒徑小于0.01 mm的顆粒占比50%以上，主要含玻屑及晶屑，幾乎不含巖屑。針對本地區(qū)凝灰?guī)r，本文采用晶屑、玻屑兩端元進行分類(表1)，分析結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)主要發(fā)育玻屑凝灰?guī)r(玻屑含量>75%，晶屑含量<25%)和晶屑質(zhì)玻屑凝灰?guī)r(玻屑含量>50%，25%<晶屑含量<50%)。

根據(jù)上述粒度、TOC和礦物成分分析結(jié)果，長73細粒巖可分為8種巖相類型：高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、中有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、低有機質(zhì)頁巖、粉砂巖、玻屑凝灰?guī)r和晶屑質(zhì)玻屑凝灰?guī)r。

3.2 不同類型巖相特征

高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖：黑色，紋層發(fā)育，以有機質(zhì)紋層為主(圖4(a))，其次為黏土紋層及凝灰?guī)r紋層。礦物含量以石英為主(11.3%～44.3%，平均30.1%)，并含有大量黃鐵礦(6.7%～23.1%，平均15.3%)(圖3)。有機質(zhì)含量高，平均為17.37%，熱解分析顯示其母質(zhì)類型以Ⅰ型為主。

高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖：黑色，發(fā)育明暗相間的紋層，紋層以黏土和有機質(zhì)的混合紋層為主(圖4(b))，其次為凝灰?guī)r紋層。礦物以黏土礦物為主(59.4%～75.3%，平均67.4%)，并含較多黃鐵礦(0～17.8%，平均8.9%)(圖3)。有機質(zhì)含量高，平均為 13.75%，熱解分析顯示其母質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型。

中有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖：灰黑色，含砂的黏土紋層與富有機質(zhì)紋層薄互層(圖4(c))。礦物以長石(33%～46.7%，平均37.6%)和黏土質(zhì)礦物(36%～48.3%，平均40%)為主，含少量黃鐵礦(0～2%，平均0.7%)(圖3)。有機質(zhì)含量中等，平均為3.51%，熱解分析顯示其母質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型。

中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖：灰黑色，紋層不明顯，并夾雜晶屑/粉砂(圖4(d))。礦物類型以黏土質(zhì)礦物為主(47.1%～54%，平均50.4%)，含少量黃鐵礦(0～1.7%，平均值為0.7%)(圖3)。有機質(zhì)含量中等，平均為3.73%，熱解分析顯示其母質(zhì)類型以Ⅱ1型為主。

低有機質(zhì)頁巖：含有黏土紋層和富砂紋層(圖4(e))。礦物類型以黏土礦物為主(25.8%～64.9%，平均47.1%)，幾乎不含黃鐵礦(圖3)。TOC含量較低，平均為0.88%，熱解分析顯示其母質(zhì)類型為Ⅱ1-Ⅱ2型。

粉砂巖：灰色，以長石砂巖為主，石英、長石和黏土質(zhì)礦物含量分別為24.4%、27.6%和37.7%(圖3)；砂巖成分成熟度較低。平均粒徑為0.029 mm，磨圓以次棱角狀-次圓狀為主，分選中等(圖4(f))。

圖4 研究區(qū)頁巖層系不同巖相鏡下特征Fig.4 Microscopic characteristics of different lithofacies of the shale reservoirs in the study area(a)高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖，JH4井,1 453.62 m,(+);(b)高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖，JH4井,1 454.76 m,(-); (c)中有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖，LH2井,929.82 m,(-);(d)中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖，JH4井,1 434.59 m,(-); (e)低有機質(zhì)頁巖，JH4井,1 430.1 m,(+); (f)粉砂巖,JH4井,1 449.57 m,(-); (g)凝灰?guī)r與頁巖頻繁互層，彬1井,1 442.46 m;(h)玻屑凝灰?guī)r，彬1井,1 444.94 m，(-)；(i)晶屑質(zhì)玻屑凝灰?guī)r，彬1井,1 442.46 m,(-)

玻屑凝灰?guī)r：淺灰色，玻屑含量大于75%，玻屑形態(tài)多樣，呈雞骨狀、不規(guī)則狀等，正交光下全消光(圖4(h))。黏土礦物(18.1%～47.7%，平均24.1%)、石英(2.3%～45.4%，平均21.1%)和長石(0～32.7%，平均18.7%)含量較多，并含有部分沸石(0～28.4%，平均14.4%)(圖3)。張家灘頁巖內(nèi)部凝灰?guī)r厚度一般小于10 cm，與頁巖頻繁互層(圖4(g))。

晶屑質(zhì)玻屑凝灰?guī)r：灰色，玻屑含量大于50%，晶屑含量介于25%～50%之間。晶屑以石英、長石為主，形狀不規(guī)則，表面具有不規(guī)則的裂紋(圖4(i))。礦物類型以石英(平均37.4%)、黏土質(zhì)礦物(36.7%)和長石(21.6%)為主(圖3)。晶屑質(zhì)玻屑凝灰?guī)r往往在張家灘頁巖內(nèi)部呈夾層出現(xiàn)。

對長73亞段各巖相的發(fā)育程度進行統(tǒng)計(以彬1井取心段為例)，研究區(qū)長73亞段高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖最發(fā)育(占45.66%)，其次為玻屑凝灰?guī)r(占27.33%)及高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖(19.47%)，而中有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(占2.2%)、中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖(占1.75%)、低有機質(zhì)頁巖(占0.55%)和晶屑質(zhì)玻屑凝灰?guī)r(占3.04%)含量較低(圖5)。

圖5 研究區(qū)不同巖相比例Fig.5 Proportions of the different lithofacies in the study area1.高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖；2.高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖；3.中有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖；4.中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖；5.低有機質(zhì)頁巖；6.玻屑凝灰?guī)r；7. 晶屑質(zhì)玻屑凝灰?guī)r

4 儲層特征

4.1 儲集空間類型

4.1.1 礦物基質(zhì)孔隙

4.1.1.1 粒間孔

鏡下觀察結(jié)果顯示研究區(qū)粒間孔主要位于長石、石英及一些其他礦物之間，形狀主要為不規(guī)則狀(圖6(a))。頁巖粒間孔直徑從30 nm到8 μm，凝灰?guī)r中粒間孔直徑較頁巖稍大，從70 nm到10 μm皆有分布(圖7)。粒間孔存在兩種成因，一種為顆粒沉積時保留至今的原生孔隙，另一種為沉積之后的顆粒或其間物質(zhì)發(fā)生蝕變而形成[36-37]，如研究區(qū)凝灰?guī)r后期經(jīng)過脫?；饔眯纬纱罅糠凵凹?泥級自生礦物，而礦物間發(fā)育脫?；饔眯纬闪ｉg孔[24]。

圖6 不同孔隙類型微觀特征Fig.6 Microscopic characteristics of the different reservoir space types(a)粒間孔，掃描電鏡，彬1井，1 436.74 m; (b)粒內(nèi)孔，掃描電鏡，JH4井,1 452.5 m; (c)晶間孔，掃描電鏡，LH2井,970.99 m; (d)特大溶孔，彬1井, 1 433.76 m, (-)；(e)有機質(zhì)孔，掃描電鏡,JH4井,1 454.76 m；(f)有機質(zhì)邊緣孔，掃描電鏡，JH4井,1 452.5 m; (g)構(gòu)造縫，JH4, 1 454.19 m, (-)；(h)成巖縫，彬1井,1 433.85 m,(-); (i)晶面裂縫，彬1井，1 437.96 m,(+)

4.1.1.2 粒內(nèi)孔

研究區(qū)頁巖和凝灰?guī)r皆存在粒內(nèi)孔，粒內(nèi)孔主要位于長石和石英礦物顆粒內(nèi)部，形狀為橢圓形、方形以及不規(guī)則狀(圖6(b))。頁巖粒內(nèi)孔長9 nm到1.5 μm，凝灰?guī)r粒內(nèi)孔長10 nm到2 μm(圖7)。粒內(nèi)孔成因也有原生與次生兩種成因，其中原生粒內(nèi)孔為礦物顆粒在自身生長的過程中形成，次生粒內(nèi)孔為礦物顆粒在沉積后受到溶蝕形成。

圖7 頁巖層系主要巖相的孔隙發(fā)育差異Fig.7 Difference in pore development for the different lithofacies in the shale reservoirs

4.1.1.3 晶間孔

研究區(qū)晶間孔主要為黃鐵礦晶間孔及黏土礦物晶間孔。研究區(qū)黃鐵礦晶間孔無定形，直徑一般為9～200 nm，可達1 μm，相當一部分孔隙被有機質(zhì)充填(圖6(c))；黏土礦物晶間孔形狀多為窄縫狀，長20 nm到1.3 μm，部分孔隙被有機質(zhì)充填。

4.1.1.4 特大溶蝕孔

特大溶蝕孔指孔徑超過相鄰顆粒直徑的孔隙，發(fā)現(xiàn)于凝灰?guī)r儲集空間中(圖6(d))，特大溶蝕孔形狀不規(guī)則，孔徑一般不小于100 μm。發(fā)現(xiàn)特大溶蝕孔的薄片上有較多黑色油跡，孔隙中常有有機質(zhì)殘余，表明此類孔隙是有機酸溶蝕的產(chǎn)物。

4.1.2 有機質(zhì)相關(guān)孔隙

4.1.2.1 有機質(zhì)孔

有機質(zhì)孔隙是由于固體干酪根轉(zhuǎn)為烴類流體而在干酪根內(nèi)部形成的孔隙。研究區(qū)頁巖中有機質(zhì)的豐度雖然高，但成熟度不高，處于未成熟-成熟階段，故有機質(zhì)孔隙并不發(fā)育。鏡下可見一些長條狀等有機質(zhì)孔隙，長15～600 nm(圖6(e),圖7)，這種長條狀的有機質(zhì)孔隙指示其在較低成熟條件下形成[38-39]。

4.1.2.2 有機質(zhì)邊緣孔隙

由于有機質(zhì)與礦物物理性質(zhì)的差異，在有機質(zhì)與礦物接觸的邊緣往往容易形成有機質(zhì)邊緣孔隙[20]。研究區(qū)有機質(zhì)邊緣孔隙形狀為長條狀和不規(guī)則狀(圖6(f))，頁巖有機質(zhì)邊緣孔隙縫寬20～450 nm，凝灰?guī)r有機質(zhì)邊緣孔隙縫寬90 nm至1 μm(圖7)。

4.1.3 裂縫

4.1.3.1 構(gòu)造縫

構(gòu)造縫是由于巖石受外力作用破裂而產(chǎn)生的裂縫，其規(guī)模除與外力強度有關(guān)外，還與沉積構(gòu)造、有機質(zhì)豐度、巖性與礦物組成等相關(guān)[40]。研究區(qū)構(gòu)造縫在各巖相中皆有發(fā)育，凝灰?guī)r中構(gòu)造縫較頁巖更為發(fā)育(圖6(g))。凝灰?guī)r中構(gòu)造縫主要為高角度縫，而頁巖中低角度構(gòu)造縫較為發(fā)育。

4.1.3.2 成巖縫

成巖縫是在膠結(jié)作用、黏土礦物蝕變轉(zhuǎn)化和壓實作用等成巖作用過程中形成的裂縫[41]。研究區(qū)成巖縫以層理縫為主(圖6(h))，主要發(fā)育在頁巖紋層間。凝灰?guī)r中也有層理發(fā)育，進而發(fā)育層理縫。

4.1.3.3 晶面裂縫

研究區(qū)晶面裂縫見于凝灰?guī)r晶屑表面，其形狀為不規(guī)則長縫狀，常交互成網(wǎng)狀(圖6(i))，其含量與晶屑含量密不可分。晶面裂縫與火山活動相關(guān)。巖漿爆發(fā)式噴出時釋放的劇烈能量，使巖漿中析出或早期形成的晶屑外形扭曲不規(guī)則，內(nèi)部裂縫交錯縱橫[24]。

4.1.3.4 粒邊縫

粒邊縫見于凝灰?guī)r的晶屑及頁巖中的顆粒與周邊基質(zhì)接觸處，形狀多為不規(guī)則長縫狀(圖6(j))。粒邊縫是由于顆粒與周圍基質(zhì)成分及物理性質(zhì)差異所形成，后期進一步受到流體的溶蝕改造而擴大[42]。

利用掃描電鏡，結(jié)合Imageproplus等軟件對不同類型孔隙的形狀、大小、豐度與面孔率進行統(tǒng)計，針對不同巖相孔隙特征進行分析，進而得到主要巖相孔隙發(fā)育的差異特征(圖7)。對比結(jié)果表明，凝灰?guī)r相總面孔率較高(1.7%)，孔隙類型以粒間孔為主，粒內(nèi)孔、晶間孔和有機質(zhì)邊緣孔豐度低；高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖總面孔率為0.61%，孔隙類型以粒間孔、晶間孔和有機質(zhì)邊緣孔為主，粒內(nèi)孔和有機質(zhì)孔豐度低；高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖總面孔率為0.39%，孔隙類型以粒間孔和晶間孔為主，粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔和有機質(zhì)邊緣孔的豐度中等。孔隙分析結(jié)果表明，凝灰?guī)r巖相孔隙發(fā)育程度好于高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖相，也好于高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖巖相。

4.2 孔隙結(jié)構(gòu)及物性特征

4.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

4.2.1.1 氮氣吸附特征

氮氣吸附方法是利用氮氣進行吸附填充孔隙從而間接得到孔隙空間特征的方法，其在研究固體納米級孔隙時精度較高[43]。根據(jù)等溫吸附曲線特征及理論計算方程可得到頁巖層系各巖相的孔隙結(jié)構(gòu)特征[44-45]。各巖相等溫吸附曲線特征以IV型為主(圖8)，即以中孔毛細凝聚為主，且在壓力接近最大值時并未出現(xiàn)飽和，表明各巖相的孔隙為一套從分子級到相對無限大的連續(xù)完整孔隙系統(tǒng)[46]。其中高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖和凝灰?guī)r遲滯回線以H3型為主(圖8(a)—(c))，即以中孔毛細凝聚為主，發(fā)育片狀顆粒堆疊形成的非剛性聚集體的槽狀孔(無序的層狀孔、狹窄的楔狀孔隙)；中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖與低有機質(zhì)頁巖遲滯回線兼具H2和H3的特征(圖8(d)和(e))，表明該巖相既發(fā)育細徑和墨水瓶孔隙(柱狀和球狀孔隙)，又發(fā)育片狀顆粒堆疊形成的非剛性聚集體的槽狀孔(無序的層狀孔、狹窄的楔狀孔隙)。

圖8 頁巖層系不同巖相氮氣吸附曲線特征Fig.8 Characteristics of nitrogen adsorption curves for the different lithofacies in the shale reservoirs

采用密度泛函理論(DFT法)可獲得孔隙體積及孔徑分布[45]。結(jié)果表明，涇河地區(qū)低有機質(zhì)頁巖介孔含量高，凝灰?guī)r、中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖介孔含量依次降低(圖8(f))。

4.2.1.2 高壓壓汞特征

研究區(qū)頁巖高壓壓汞曲線整體呈細歪度，中間進汞段相對平緩，毛細管壓力大約在10 MPa時開始大量進汞，排驅(qū)壓力均較高(圖9)。凝灰?guī)r的毛細管壓力曲線相對頁巖偏粗歪度，毛細管壓力在1 MPa左右時開始大量進汞，表明凝灰?guī)r較頁巖有較大的孔喉孔徑和具有更寬范圍的孔徑分布(圖9(e))。凝灰?guī)r巖相孔喉平均直徑明顯大于其它巖相，排驅(qū)壓力最小，最大進汞飽和度最大，最大退出效率為63.55%，說明凝灰?guī)r巖相孔隙較大，以宏孔為主，孔隙連通性最佳，但流體排出效果不好。低有機質(zhì)頁巖孔喉平均直徑最小，排驅(qū)壓力最大，表明低有機質(zhì)頁巖巖相整體孔隙偏小，不如其它巖相(圖9(d))。而高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖和中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖孔喉平均直徑和排驅(qū)壓力相似，以介孔為主，孔隙大小介于凝灰?guī)r巖相和低有機質(zhì)頁巖巖相之間(圖9)。

圖9 頁巖層系不同巖相高壓壓汞曲線特征Fig.9 Characteristics of high pressure mercury injection curves for the different lithofacies in the shale reservoirs

高壓壓汞可以用來評價宏孔含量特征，通常采用宏孔比孔容來衡量，即各巖相每克含有多少容量的宏孔體積(圖9(f))。凝灰?guī)r平均宏孔比孔容最大(0.022 1 mL/g)，其次為高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖(0.002 7 mL/g)和高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(0.002 5 mL/g)，中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖宏孔比孔容為0.001 6 mL/g，低有機質(zhì)頁巖宏孔比孔容最低(0.001 3 mL/g)。

4.2.1.3 聯(lián)合孔容孔徑分析

氮氣吸附法主要測定孔徑小于100 nm的孔隙[47]；而高壓壓汞法測定的孔隙直徑范圍從3 nm至120 μm，通常對宏孔測定較準確，但對介孔測定不全面、不準確[48]。因此聯(lián)合氮氣吸附法及高壓壓汞法可以有效地、全面地定量表征頁巖層系儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征[49-50]。本文綜合氮氣吸附和高壓壓汞實驗聯(lián)合評價各巖相孔容和孔徑特征，其中介孔(孔徑2～50 nm)比孔容與孔徑分布采用氮氣吸附數(shù)據(jù)，宏孔(孔徑>50 nm)比孔容及孔徑分布采用高壓壓汞數(shù)據(jù)。

圖10 頁巖層系不同巖相聯(lián)合孔徑分布特征Fig.10 Joint pore size distribution characteristics for the different lithofacies in the shale reservoir

高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖介孔孔徑集中在6～20 nm之間，宏孔孔徑在50～110 nm相對集中；高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖介孔孔徑主要集中于5～30 nm，且具有多峰特征，宏孔孔徑主要集中于50～110 nm；中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖介孔孔徑集中于3～10 nm，宏孔孔徑>50 nm的孔隙出現(xiàn)概率逐漸降低，集中段不明顯；低有機質(zhì)頁巖介孔孔徑主要集中于3～6 nm，宏孔孔徑>50 nm的孔隙出現(xiàn)概率逐漸降低，集中段不明顯；凝灰?guī)r介孔孔徑主要集中于6～10 nm和30～50 nm，宏孔出現(xiàn)概率整體隨孔徑增大而減小，但部分樣品的宏孔孔徑在50～600 nm相對集中(圖10)。

整體上，凝灰?guī)r以宏孔為主，且宏孔含量相比其它巖相最高；高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖宏孔含量稍多于介孔含量，但不如凝灰?guī)r宏孔含量高；高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖以宏孔為主，含量與高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖相似；中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖以介孔為主，宏孔含量相對高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖宏孔含量較少；低有機質(zhì)頁巖以介孔為主，介孔含量相比其它巖相高，宏孔含量相對其它巖相小(圖10(f))。

4.2.2 物性特征

研究區(qū)各巖相中，凝灰?guī)r平均孔隙度最高，為7.19%；其次為高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖和低有機質(zhì)頁巖，其平均值依次為4.01%、3.58%、2.56%和2.34%。凝灰?guī)r平均滲透率最高(0.127 mD，1 mD=10-3μm2)，其次為高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖(0.004 3 mD)?？傮w來看，各巖相中凝灰?guī)r孔隙度及滲透率最好，其次為高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖和高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖(圖11)。

5 有效孔隙及主控因素

5.1 有效孔隙

巖石熱解產(chǎn)物有S1、S2和S3，其中S1代表樣品的殘余游離烴，S2代表熱解烴，S3代表干酪根熱解過程中形成的CO2含量。殘余游離烴S1能夠反映原始儲層含油量的高低，其值越高，代表含油量相對越高，故可用S1含量多少代表頁巖儲層有效孔隙的含油能力[51]。通過宏孔及介孔與游離油(S1)的相關(guān)性分析，可以看出頁巖及凝灰?guī)r中S1含量與宏孔含量皆呈正相關(guān)，而與介孔含量無相關(guān)性，或者呈負相關(guān)(圖12)，說明宏孔為主要的儲油空間，游離油主要儲存于宏孔中。故宏孔含量可以代表頁巖層系儲層有效儲集游離油的能力，對研究區(qū)宏孔發(fā)育影響因素的研究可反映研究區(qū)儲層有效儲集性能的影響因素。

圖11 頁巖層系不同巖相孔隙度及滲透率特征(1 mD=10-3 μm2)Fig.11 Porosity and permeability characteristics for the different lithofacies in the shale reservoirs (1 mD=10-3 μm2)

5.2 儲層質(zhì)量主控因素

5.2.1 有機質(zhì)對儲層質(zhì)量的影響

涇河地區(qū)頁巖中富含有機質(zhì)，而凝灰?guī)r中有機質(zhì)含量較少。頁巖宏孔含量受有機質(zhì)含量的影響明顯。頁巖宏孔比孔容與有機質(zhì)含量呈較好的正相關(guān)性(圖13(a))，有機質(zhì)含量越高，宏孔的含量及孔隙的平均孔徑越大。由于有機質(zhì)與礦物顆粒間形成有機質(zhì)邊緣縫、有機酸溶蝕礦物形成溶蝕孔以及有機質(zhì)生烴演化可形成有機質(zhì)孔，使儲層的孔隙更發(fā)育、物性更好。

5.2.2 礦物組分對儲層質(zhì)量的影響

圖12 宏孔及介孔比孔容與S1交匯圖Fig.12 Crossplots of macropore and mesopore specific pore volume versus S1

5.2.2.1 頁巖儲層

頁巖宏孔比孔容與黃鐵礦含量呈較好的正相關(guān)(圖13(b))。長7段沉積環(huán)境為還原性，有機質(zhì)以及周邊沉積物含有較多鐵質(zhì)礦物，在還原環(huán)境下結(jié)晶聚集形成黃鐵礦。黃鐵礦顆粒之間存在較多的晶間孔，可形成大于50 nm的宏孔；且黃鐵礦常與有機質(zhì)伴生，易發(fā)育有機質(zhì)邊緣縫等孔隙。頁巖宏孔比孔容與石英、長石、碳酸鹽、黏土礦物之間的相關(guān)性不明顯(圖13(c)—(e))，推測是由于頁巖宏孔的控制因素較多，導致其與每種礦物的相關(guān)性不強，整體上宏孔比孔容與硅質(zhì)/黏土質(zhì)比值呈微弱正相關(guān)關(guān)系(圖13(f))。

圖13 頁巖及凝灰?guī)r宏孔比孔容與各組分交匯圖Fig.13 Crossplots of macro-pore specific pore volume versus components of shale and tuff(a)—(f)頁巖；(g)—(i)凝灰?guī)r

5.2.2.2 凝灰?guī)r

凝灰?guī)r宏孔含量的影響因素較多，如物態(tài)、礦物成分等。凝灰?guī)r物態(tài)有晶屑、玻屑和巖屑，研究區(qū)以玻屑為主，少量晶屑。晶屑礦物常伴隨有晶面縫、粒邊縫，晶屑含量越高，晶面縫和粒邊縫越多；而玻屑在成巖過程中會發(fā)生脫?；饔?，形成脫?；住Ｄ?guī)r宏孔比孔容與石英礦物含量呈較好的正相關(guān)(圖13(g))，與長石、黏土礦物之間相關(guān)性差(圖13(h)和(i))。凝灰?guī)r中火山玻璃物質(zhì)在成巖過程中發(fā)生脫玻化作用，玻璃質(zhì)變?yōu)樾碌牡V物，會形成大量細小的微晶石英，并且相對原始顆粒來說體積縮小，在石英顆粒之間形成脫?；譡37]。脫?；饔眯纬傻牧ｉg孔(脫?；?在研究區(qū)凝灰?guī)r儲層中較為常見(圖6(a))，脫?；卓蛇M一步被溶蝕，形成擴大的溶蝕粒間孔[24]。自生石英含量高代表脫?；饔脧?，孔隙也更發(fā)育，表明組分對凝灰?guī)r儲層物性有較強的控制作用。

5.2.3 巖相對儲層質(zhì)量的影響

從上文分析可知，不同巖相的孔隙類型、孔徑、孔隙結(jié)構(gòu)、宏孔的比孔容、孔隙度及滲透率等皆有較大的差異。各巖相宏孔含量從高到低依次為：凝灰?guī)r、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、低有機質(zhì)頁巖。凝灰?guī)r的孔隙度及滲透率也是各巖相中最高的，其次為高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖，其他巖相的孔隙度及滲透率則較差。可見巖相是控制宏孔含量發(fā)育的主控因素，凝灰?guī)r、高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖是有利于宏孔發(fā)育的巖相，尤其是凝灰?guī)r，地層中凝灰?guī)r占比越高，宏孔含量越高。

6 結(jié) 論

(1)根據(jù)粒度、TOC含量和礦物成分將研究區(qū)細粒巖分為高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、中有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、中有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、低有機質(zhì)頁巖、玻屑凝灰?guī)r、晶屑質(zhì)玻屑凝灰?guī)r和粉砂巖8種類型，其中高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖、高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖和凝灰?guī)r較為發(fā)育。

(2)長73下部(張家灘頁巖段)烴源巖豐度以極好烴源巖級別為主，有機質(zhì)類型分布于Ⅰ-Ⅱ1型，其中以Ⅰ型為主，有機質(zhì)成熟度分布于未成熟-成熟階段；長73上部烴源巖質(zhì)量差于長73下部。

(3)根據(jù)產(chǎn)狀將儲集空間分為礦物基質(zhì)孔隙(粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、特大溶蝕孔)、有機質(zhì)相關(guān)孔隙(有機質(zhì)孔、有機質(zhì)邊緣孔隙)以及裂縫(構(gòu)造縫、成巖縫、晶面裂縫、粒邊縫)。凝灰?guī)r以粒間孔為主，高有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育粒間孔、晶間孔和有機質(zhì)邊緣縫等。各巖相等溫吸附曲線特征以IV型為主，遲滯回線以H3型為主。凝灰?guī)r介孔比孔容和宏孔比孔容均高于高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖和高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖。宏孔是儲集游離油的有效孔隙。

(4)儲集性能受巖相、有機質(zhì)含量和礦物組成控制。凝灰?guī)r孔隙度及平均宏孔比孔容最高，其次為高有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖和高有機質(zhì)黏土質(zhì)頁巖，而低有機質(zhì)頁巖宏孔比孔容最小，介孔比孔容大。有機質(zhì)、黃鐵礦的含量高，則頁巖宏孔比孔容大，儲層質(zhì)量好；凝灰?guī)r中石英含量與宏孔比孔容呈正相關(guān)，指示凝灰?guī)r脫玻化有利于儲層質(zhì)量的改善。