潛江凹陷古近系鹽間典型韻律層頁巖孔隙結構

孫中良，王芙蓉，何 生，鄭有恒，吳世強，羅 京

1)中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北武漢 430074；2)中國石化江漢油田分公司勘探開發研究院，湖北武漢 430223

江漢盆地作為典型的東部斷陷鹽湖盆地，其潛江凹陷古近系蘊含豐富的頁巖油資源，是中國鹽湖頁巖油發育條件最好的地區之一[1]．與海相頁巖、淡水湖相頁巖相比，鹽湖盆地泥頁巖相變頻繁、有機質類型多、演化程度低、脆性礦物含量低、粘土含量高和成巖性差，使頁巖油成藏機理和成藏條件特殊[2]．江漢盆地潛江凹陷鹽間頁巖油儲層主要為機械沉積和化學沉積的復合產物，巖性除了泥頁巖外，還包括碳酸鹽巖、鈣芒硝巖及多種過渡巖類[3-7]．鹽湖沉積除具有成鹽多期性和長期性、沉積連續性等特點外，其最顯著的地質特征表現為鹽韻律十分發育，且具多級性[8-9 ]．

目前，對鹽間頁巖油藏的研究尚比較少，多數學者集中研究咸化湖盆頁巖中有機質的富集及優質烴源巖的形成[10-12]，對鹽湖沉積中發育的泥頁巖儲集層特征的研究罕見，特別是對鹽湖環境下沉積的巖性巖相與油氣富集程度之間的關系開展的研究還不夠深入．有學者對江漢盆地潛江凹陷鹽間頁巖油儲層的生烴條件、儲集條件及含油氣性等方面進行了研究．王國力等[4-5]研究表明，該地區的總有機碳(total organic carbon，TOC)質量分數一般為1.00%～3.44%，有機質類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，成熟度為0.5%～1.0%，熱解烴量一般為0.5～30.0 mg/g；儲集空間主要以晶間孔、裂縫、溶孔為主，平均連通孔隙度為4%～15%，含油性良好．本研究在潛江凹陷W99井系統取心及大量樣品分析測試的基礎上，X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)、薄片觀察、掃描電子顯微鏡(scanning electrochemical microscopy, SEM)+能譜、低溫氮吸附、熱解等分析數據，進一步開展潛江凹陷潛34段第10韻律(以下簡稱Eq3410韻律)儲集空間的巖性巖相劃分、孔隙類型識別、孔隙結構刻畫及其影響因素分析等方面的研究．

1 區域地質背景

潛江凹陷位于江漢盆地中部，由于北部有強烈的大斷層活動，構造上潛江凹陷表現為東西向平緩，北部較陡，南部較為平緩的箕狀，深度較大，構成湖盆匯水中心[13-15]．沉積物主要來源于西北方向的河流，致使沉積相從西向東呈現出鹽度逐漸增大的現象，可大致分為砂泥巖相區、咸淡過渡區和鹽發育區(圖1)．潛江凹陷鹽間頁巖油儲層的巖性主要為泥頁巖和白云巖等，縱向上可分為4段，即潛1段(Eq1)、潛2段(Eq2)、潛3段(Eq3)和潛4段(Eq4)，共193個韻律，研究目的層段為潛34段第10韻律．

圖1 潛江凹陷沉積相及取樣位置圖[6]Fig.1 (Color online) Sedimentary facies and sample locations in the Qianjiang Sag [6]

2 樣品與實驗

樣品取自潛江凹陷W99井Eq3410韻律，共12塊．巖心照片顯示Eq3410韻律頁巖油儲層的紋層極其發育 (圖2)，巖性主要為白云巖和泥頁巖，整體大致可分為底部主要為薄層灰色—淺灰色的白云巖，中部主要為黑色—灰色的白云巖和泥頁巖，頂部主要為紋層極其發育的深黑色—褐色的泥頁巖和白云巖．地層中次生充填的鈣芒硝含量從底部到頂部逐漸降低．

圖2 潛江凹陷W99井Eq3410韻律測井與巖相綜合圖Fig.2 (Color online) Eq3410 prosodic logging and facies synthetical map of W99 well in the Qianjiang Sag

X衍射實驗采用荷蘭帕納科公司型號為X’Pert PRODY2198的X射線衍射儀，在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成．測試條件為：CuKα射線，Ni濾波，40 kV，30 mA．

低溫氮氣吸脫附實驗，采用美國麥克公司生產的ASAP2020全自動比表面積及微孔/中孔分析儀，該儀器孔徑測量范圍為0.35～500.00 nm，在中國地質大學(武漢)構造與油氣教育部重點實驗室完成．測試條件為：低溫-195.8 ℃，壓力為97.3～127.0 kPa．

環境掃描電鏡和能譜實驗采用FEI有限公司生產的Quanta 450FEG環境掃描電子顯微鏡與SDD Inca X-Max 50 X射線能譜儀，在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成．測試條件為：0.2～30.0 kV，連續可調，真空環境．

場發射掃描電鏡為日本 Hitachi生產的日立冷場發射掃描電子顯微鏡，型號為SU8010，在中國科學院微生物研究所完成，測試條件為：加速電壓0.1～30.0 kV，觀測倍率為20～1 200 000 ．

3 實驗結果及討論

3.1 礦物組成與巖相分析

全巖XRD測試結果顯示潛江凹陷W99井Eq3410韻律的礦物成分總體表現為低黏土礦物、低石英、高碳酸鹽的特征(圖3)，但非均質性較強：碳酸鹽礦物含量較多，且白云石與方解石互為消長關系．方解石僅在部分樣品中存在，其質量分數w(方解石)在6.9%～43.8%，平均值為24.1%；白云石普遍存在但含量差異明顯，w(白云石)在2.5%～61.2%，平均值為27.0%；硫酸鹽礦物分布不均，僅在少數樣品中發育，w(硫酸鹽)在7.1%～92.7%，平均值為55.7%；w(黏土)在1.0%～45.2%內，平均值為20.5%；石英和長石普遍發育但含量較少，w(石英)在2.3%～18.6%，平均值為9.5%；w(長石)在0.7%～1.9%，平均值為1.1%；石鹽與黃鐵礦普遍含量較低．根據“碎屑(石英+長石+黏土礦物)-方解石-白云石”三端元圖進行的巖相分類，潛江凹陷W99井Eq3410韻律的巖相主要為泥質云巖相、云質泥巖相、灰質泥巖相和泥質灰巖相(圖4)．結合圖2可知，潛江凹陷W99井Eq3410韻律上段主要為富碳紋層狀泥質云巖相，中段富碳紋層狀泥質云巖相和紋層狀灰質泥巖相，下段主要為富碳紋層狀云質泥巖相．

圖3 潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖樣品 礦物成分條形圖Fig.3 (Color online) A bar chart of the mineral composition of Eq3410 prosodic shale samples in the W99 well of Qianjiang Sag

圖4 潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖樣品 巖相分類圖Fig.4 (Color online) Classification diagram of Eq3410 prosodic shale samples in the W99 well of Qianjiang Sag

3.2 孔隙結構特征

圖5為潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖樣品氮吸附曲線圖(每種巖相選取1塊樣品)．由圖5可見，潛江凹陷W99井Eq3410韻律的氮吸附-脫附曲線屬于S型特征，滯回環狹小，吸附-脫附曲線近乎平行，孔隙結構類似于H3和H4型特征，表明該地區的孔隙類型為層狀狹縫型孔隙[16-20]，低溫氮吸附曲線在相對壓力(吸附質平衡蒸汽壓與吸附溫度下吸附質的飽和蒸汽壓的比值， 即p/p0)小于0.8時普遍上升緩慢，后段急劇上升，持續升至相對壓力為1.0時仍未呈現飽和狀態，說明該地區樣品含有一定量的中孔和大孔．吸附/脫附滯回環隨著樣品顏色的加深(以及TOC含量的增加)，吸附量減少，回滯環開口逐漸減小，說明中孔逐漸減少，孔隙結構逐漸變差．

圖5 潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖樣品 氮吸附曲線圖Fig.5 (Color online) Nitrogen adsorption curve of Eq3410 prosodic shale sample in the W99 well of Qianjiang Sag

基于國際理論與應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)對頁巖儲層孔徑的分類[21]，Eq3410韻律頁巖樣品的孔隙體積以宏孔體積為主，中孔體積次之，微孔體積最小(圖6)．其中，每個孔徑從左到右展示了樣品W99-1到W99-17的孔體積比例)．

圖6 潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖不同 孔徑范圍內的孔體積比例直方圖Fig.6 The pore volume ratio histogram of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag

為更好地對比不同樣品孔隙結構之間的差別，本研究選取了8塊樣品，來分析潛江凹陷W99井Eq3410的韻律頁巖孔體積與孔徑關系，結果如圖7．由圖7可見，從不同孔徑下孔體積的集中范圍和隨孔徑增加累計孔體積變化趨勢來看，孔徑在中孔及大孔范圍內分布較廣，當孔徑>10 nm時，大部分樣品的累計孔體積開始明顯增加，且隨孔徑增大，累計孔體積的增加速率也有所提高．不同巖相的累計孔體積變化有所差異，泥質云巖相的樣品在宏孔范圍內的累計孔體積增速明顯高于其他巖相，同一巖相不同樣品的累計孔體積也有所區別，如樣品W99-17和樣品W99-13．

3.3 孔隙類型

由圖8的場發射掃描電子顯微鏡下薄片資料可見，潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖樣品的孔隙空間多樣．其中，圖8(a)為主要發育黏土礦物層間孔；圖8(b)為白云石晶間孔；圖8(c)、(d)和(e)為碎屑粒間孔；圖8(c)、(e)和(f)為碳酸鹽和石英顆粒粒內孔；所有掃描電鏡結果均未見有機孔．有機質多賦存在在碎屑顆粒粒間孔邊緣及白云石晶間孔內，如圖8(b)、(c)和(e)，鈣芒硝多為次生，充填在孔隙內，如圖8(d)．

3.4 有機質對孔隙結構的影響

有機質會影響泥頁巖的孔隙結構，一方面有機質生烴過程中會產生酸性流體對碳酸鹽、長石等不穩定礦物產生溶蝕作用；另一方面，干酪根生成烴類并在有機質排除過程中會使有機質本身產生大量的孔隙[22]．但研究發現，潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖總孔隙體積與TOC含量呈弱負相關(圖9)，反映TOC含量越高越不利于頁巖總孔體積的發育，推測主要是由于富含有機質的樣品受壓實程度較強；掃描電鏡顯示，研究區黏土礦物受壓實作用多定向排列，如圖8(a)和(g)，反映較強的壓實作用.另外，電鏡照片顯示，有機質內未發現有機孔隙的存在，如圖8(c)和(g)，發生此現象可能與該地區的有機質演化程度較低(成熟度RO≈0.6%)有關[23-24]．

3.5 巖相/礦物成分對孔隙結構的影響

已有對潛江凹陷潛江組的巖相的研究發現，不同巖相的儲集物性有很大的不同[5]．相比較而言，潛江凹陷W99井Eq3410韻律的4種巖相中，云質泥巖相和泥質云巖相的孔隙結構相對較好(圖6和圖7)，主要表現為云質泥巖相與泥質云巖相的孔徑和總孔體積相對較大，樣品中孔徑大于50 nm的宏孔約占60%以上(圖6)．對孔體積而言，云質泥巖相與泥質云巖相頁巖樣品的孔徑在到達中孔時，累計孔體積迅速增加，其中泥質云巖相孔徑在100 nm左右時體積更加明顯(圖7)，說明存在更大孔徑的孔隙，對孔隙體積增加起重要貢獻．

圖7 潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖孔體積與孔徑關系圖Fig.7 The relationship between pore volume and pore size distribution of Eq3410 in the W99 well of Qianjiang Sag

圖8 場發射掃描電子顯微鏡下潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖主要孔隙類型Fig.8 (Color online) The main pore types of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag using field emission scanning electron microscope

圖9 潛江凹陷W99井Eq3410韻律頁巖TOC含量與 總孔體積關系散點圖Fig.9 TOC content and total pore volume relationship scatter diagram of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag

進一步研究發現，白云石、黏土礦物和鈣芒硝的含量對頁巖樣品的孔隙結構有明顯影響．樣品W99-6與樣品W99-9的礦物組成基本相似(圖3)，主要差別是方解石和白云石含量不同．樣品W99-6的白云石質量分數僅為3.6%，方解石質量分數為32.8%；而樣品W99-9的白云石質量分數為27.2%，方解石質量分數為15.9%，反映在孔隙結構上(圖7)為白云石含量高、方解石含量低、孔隙結構好(樣品W99-9)，單位孔體積在中孔和宏孔都有較高的峰值，累計孔體積在宏孔范圍內差異逐漸變大，說明白云石主要促進了宏孔的發育，同薄片與掃描電鏡觀察發現大量白云石晶間孔可很好的對應．

樣品W99-8與樣品W99-17的礦物組成主要是碳酸鹽和為黏土礦物含量的不同(圖3)，表現在孔隙結構上(圖7)為黏土礦物含量較高的樣品(W99-17)單位孔體積在中孔范圍內有較高的峰值，白云石含量較高的樣品(樣品W99-8)孔徑較大，兩者總的孔隙結構差異不明顯，也進一步說明，白云石晶間孔和黏土礦物層間孔對潛江凹陷頁巖油儲層具有同等重要的地位．

本地區鈣芒硝分布不均且差異較大．由圖7可知，樣品W99-18與樣品W99-16主要為鈣芒硝含量和黏土礦物含量的不同： 樣品W99-8不含鈣芒硝，黏土礦物質量分數為31.5%，樣品W99-16淺灰-灰色鈣芒硝質量分數為14.7%，黏土礦物質量分數為22.3%，表現在孔隙結構上為較高黏土含量、不含鈣芒硝的樣品(樣品W99-8)在中孔與宏孔范圍內的孔體積普遍高于含鈣芒硝的樣品(樣品W99-16)，由于高黏土礦物的樣品一般中孔發育，說明鈣芒硝抑制了樣品中宏孔的發育．

3.6 礦物成分與含油性的關系

圖10展示了潛江凹陷W99井Eq3410韻律不同頁巖樣品TOC與S1的關系．由圖10可知，除鈣芒硝含量較高的樣品外，該地區的TOC與S1都普遍偏高，其中泥質云巖相樣品的含油最好，普遍大于6 mg/g，w(TOC)普遍高于2%，灰質泥巖相次之，含油性與w(TOC)都有所降低，S1普遍在5～8 mg/g，w(TOC)≈2%～3%， 鈣芒硝含量較高樣品的含油性與w(TOC)普遍較低．含油飽和度指數(oil saturation index, OSI)為S1與TOC的比，其值與礦物成分之間的關系見圖11．由圖11可見，OSI隨黏土礦物含量先增后降，在w(黏土)=20%時達到最大，說明樣品中黏土礦物的存在能提供儲集空間，有助于游離烴的富集，但過高的黏土礦物含量會導致樣品塑形變強、受擠壓程度強，從而降低孔隙，使得部分灰質泥巖相和云質泥巖相的樣品具有高黏土礦物、低含油性的特征；OSI與碳酸鹽礦物含量(特別是白云石)大致正相關，在w(碳酸鹽)>60%后油飽和度指數略有降低趨勢，說明樣品中碳酸鹽礦物可提供大量的儲集空間有助于游離烴的富集；部分云質泥巖相和泥質云巖相具有高碳酸鹽礦物、低含油性的特征，主要是由于鈣芒硝所致；OSI與鈣芒硝大致負相關，說明鈣芒硝的存在充填孔隙空間，不利于游離烴的富集．

圖10 潛江凹陷W99井Eq3410韻律 不同頁巖樣品TOC與S1關系圖Fig.10 The relationship between TOC and S1 in different shale samples of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag

圖11 潛江凹陷W99井Eq3410韻律 頁巖礦物成分與含油飽和度指數關系圖Fig.11 The relationship between mineral composition and oil saturation index of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag

4 結 論

1)潛江凹陷Eq3410韻律頁巖的礦物成分主要有白云石、方解石和黏土礦物，還有少量的石英、長石、石鹽和黃鐵礦，巖相主要為云質泥巖相、泥質云巖相、灰質泥巖相和泥質灰巖相．

2)潛江凹陷Eq3410韻律頁巖的孔隙類型主要白云石晶間孔、黏土礦物層間孔和碎屑礦物粒間孔，少量的石英粒內孔，未發現有機孔的存在．

3)潛江凹陷Eq3410韻律頁巖的孔徑主要為中孔和宏孔，云質泥巖相與泥質云巖相孔隙結構較好，孔隙結構差異主要受礦物含量的影響，一定含量的白云石、黏土礦物都不同程度的改善孔隙結構，而鈣芒硝對孔隙結構有破壞作用；有機質含量增加，頁巖孔隙結構略有變差的趨勢．

4)潛江凹陷Eq3410韻律頁巖中泥質云巖相和灰質泥巖相的TOC、含油性較好，其中黏土礦物質量分數約為20%、白云石質量分數約為60%的泥質白云巖相為最有利的頁巖油勘探目標．