沧东凹陷孔二段页岩纹层结构类型及其对储集性能的影响

宋斯宇,陈世悦,鄢继华,蒲秀刚

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东 青岛 266580;2.中国石油大港油田公司勘探开发研究院,天津 300280)

页岩是由粒度小于62.5 μm的矿物组成且发育有页理构造的岩石类型,占地表沉积岩总量的70%以上,但由于过往对常规油气的开采,在很长时间内页岩未能引起足够的重视,相关的研究也进展缓慢。随着非常规油气的进一步推进,页岩作为“源储一体”的连续性富油气岩,有着巨大的开发潜力,逐渐成为非常规石油地质学中的研究热点[1-2]。黎茂稳等[3]认为,中国陆相沉积盆地发育优质页岩,其中陆相页岩发育毫米级纹层,主要发育在深湖相沉积环境,规模相对较小。渤海湾盆地沧东凹陷孔二段的页岩恰是如此,其发育了多套典型的富有机质纹层状页岩。学者们从多个角度探究划分纹层结构类型,刘国恒等[4]根据矿物组分将延长组长7段页岩纹层划分为亮层结构与暗层结构;Lazar等[5]通过纹层的成分、结构与层理划分纹层结构类型;董虎等[6]根据有机质含量将松辽盆地的青山口组页岩划分为低-中-高3种有机质纹层结构类型;Broadhead等[7]根据有机质和黏土矿物对俄亥俄上泥盆统页岩纹层进行了划分;葸克来等[8]依据矿物组分、厚度等因素将鄂尔多斯盆地的延长组7、8段页岩划分为“富有机质+粉砂级长英质”纹层组合与“富长英质+富凝灰质”纹层组合;华柑霖等[9]根据纹层形态将龙马溪组页岩纹层划分为4类:水平等厚纹层结构、透镜体纹层结构、水平不等厚纹层结构与水平-小型波状纹层结构;Wang等[10]根据纹层发育密度与厚度总结了低密度与低厚度型、低密度与高厚度型、高密度与高厚度型3种纹层结构。纹层结构为页岩富集研究提供基础信息,不同的纹层结构对页岩储层的评价有着不可忽视的影响。因此,对纹层结构的研究成为目前亟需解决的问题。

沧东凹陷孔二段页岩非均质性强、纹层结构发育、黏土矿物含量高、有机质发育分散且局部聚集。前人对纹层的研究往往集中在对样品粉碎后测定TOC、矿物组成,而忽略了非均质性的影响,研究重点大多将页岩简单的划分为块状页岩与纹层状页岩,其中孔二段纹层状页岩有以下3个基本特征:(1)厚度薄,一般都在mm尺度以下;(2)成分多,包括有机-无机组分,长英质矿物(30%～55%)、碳酸盐矿物(20%～40%)、黏土矿物(含量较少,不超过20%)、方沸石(不超过20%)、有机质与黏土矿物伴生;(3)粒度细,粉砂-泥晶为主,值得注意的是显微镜下观察矿物含量与XRD测试含量会存在微弱差别,这是由于长英质矿物与碳酸盐矿物部分粒度过小从而难以辨别,可能会将其误认为黏土矿物。这些研究尚未在此基础上提出更为严谨的纹层结构划分方案。

此次研究以矿物类型与有机质为纹层划分依据,分析不同纹层组合结构之间的差异,观察不同类型纹层间孔隙与裂缝的差异,进而分别对不同纹层结构页岩的储集性能展开相应的研究。由于页岩岩心粒度细、颜色深、纹层结构观察与划分难度偏大,所以采用宏观与微观相结合的研究方法,以岩心观察手段在宏观尺度上来分析页岩纹层颜色、薄厚与连续性等;在微观层面上可以通过光学显微镜、氩离子抛光-高分辨率场发射扫描电镜、AMICS等镜下观察矿物组成、纹层叠置关系、不同纹层结构中有机质发育特征与孔隙结构与裂缝特征,最终来评价不同纹层结构的储集性能优劣。

1 研究区地质概况与实验方法

1.1 地质概况

沧东凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷的南部地区,是黄骅坳陷内部第二大富集油气凹陷,油气勘探面积约为4 700 km2,是应力拉张作用下形成的陆相断陷盆地[11-12]。沧东凹陷地处孔店凸起以北,东光凸起以南,沧县隆起以西,徐黑凸起以东;由于东西两侧隆起更明显,故此凹陷整体上表现为北东-南西向的狭长展布形态[13-14]。沧东凹陷在孔二段沉积时期是典型淡水-半咸水封闭型的坳陷湖盆(见图1),沉积相带沿坳陷湖盆呈环状分布,外环发育有常规砂岩(三角洲前缘亚相),内环发育有一定规模的页岩,页岩源储一体,烃类大多原地聚集成藏,其独特的闭塞湖盆沉积模式造就了凹陷级常规-非常规油气一体有序成藏的格局[15]。研究区面积约为750 km2,孔二段沉积厚度为60～300 m,整个孔二段划分为4个亚段,EK24以灰色粉砂质泥岩为主、EK23以灰黑色页岩为主、EK22以重力流砂岩为主、EK21发育有灰黑色页岩[16]。孔二段页岩发育有大量的纹层,不同矿物成层且互相混合或者纵向叠置,不同的纹层结构也导致不同的储集性能。因此,有必要利用多口重点井的资料开展页岩纹层结构的研究,评价不同纹层间储集性能的差异,为页岩油的进一步勘探部署提供依据。

1.2 实验方法

实验样品来自孔二段的4口重点井(官108-8、官东12、官东14、官19-25)(见图1),岩性为页岩。利用岩心观察手段对宏观纹层结构进行研究,微观层面上可以通过光学显微镜、氩离子抛光-场发射扫描电镜、AMICS等镜下观察纹层结构对页岩矿物组分、孔隙类型与孔隙结构进行评价,并进一步评价不同纹层结构类型的储集性能。主要实验测试方法介绍如下:

氩离子抛光-场发射扫描电镜测试使用德国ZEISS公司 Zeiss-Merlin仪器来完成[17]。在中国石油大学国家重点实验室对孔二段重点井的样品进行测试,检测环境要保证温度23 ℃,湿度60%。该测试先通过氩离子束对测试样品表面进行抛光处理,获得平滑且无损的截面,以便利用扫描电镜观察到样品表面的微观孔隙结构以及孔隙分布,然后作进一步的定性分析[18-19]。

图1 渤海湾盆地沧东凹陷Ek Ⅱ页岩沉积有利区(据大港油田)Fig.1 Ek Ⅱ shale sedimentary favorable areas in the Cangdong sag Bohai Bay Basin (according to Dagang oilfield)

矿物自动定量分析系统(AMICS,advanced mineral identification and characterization system)是利用扫描电子显微镜(SEM)对样品中的矿物进行自动快速表征。选取孔二段重点井的岩心样品,在中国科学院地质与地球物理研究所进行测试,该测试以背散射电子图像为基础,结合现代图像分析技术及能谱测试,最终由电脑自动计算后获得矿物基本参数[20]。使用的场发射扫描电镜型号为Zeiss Merlin Gemini2,在实验前先利用Leica EM RES 102仪器将测试样品进行剖光,再用Leica EM ACE 200仪器对样品表面喷涂碳膜,之后在场发射扫描电镜的背散射探头下选择目标区域,利用配套的能谱仪对样品特定区域进行面扫,再通过AMICS软件进行矿物识别和定量分析。

2 页岩纹层结构类型

纹层是指沉积岩中可分辨的最小/最薄的原始沉积单元,纹层组合结构能够直接反映沉积时期的水动力特征以及沉积环境,为页岩油富集判断提供有效依据[21]。此次通过岩心观察、显微镜下观察与XRD、氩离子抛光-扫描电镜、AMICS测试等分析[22],对孔二段页岩纹层结构进行“由大到小”的全尺度表征。观察不同纹层的叠置关系,以及对页岩生储性质的影响,总结出3种纹层结构,分别为长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构、黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构、长英质-碳酸盐-黏土(有机质)纹层结构。孔二段页岩3种纹层结构具体特征如表1所列。

表1 沧东凹陷EK2页岩纹层结构分类

2.1 长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构

通过多尺度观察长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构(见图2),发现岩心(见图2(a))发育有浅灰色长英质纹层、灰黑色泥质纹层与碳酸盐纹层[23],纹层连续性弱(受沉积环境变化速率较快影响),浅灰色长英质纹层波动明显且起伏较大,局部发育液化变形现象,表明此时沉积水体环境动荡,水动力作用较强。显微镜与AMICS镜下观察可知,长英质矿物、碳酸盐矿物(以白云石为主)、黏土矿物基本都顺层发育[24];长英质纹层发育有间断且厚度小(见图2(c)),石英与钠长石粒度由泥级到粉砂,个别情况下会出现粒度过大的颗粒,这往往是由于不稳定降水使得大量碎屑物质流向湖泊带入粒度较大的长英质(正长石、钠长石与石英);黏土矿物纹层(伊利石与绿泥石为主)粒度小(见图2(d)、(e)),颜色偏深,更容易受挤压变形,单层厚度往往受到其他矿物挤压变形,粗细不均(见图2(c));白云石纹层粒度分布在泥级到粉砂级之间,颜色偏浅,纹层较为平直且厚度较小(见图2(b)、(c))。结合XRD测试结果可知,长英质矿物平均质量分数最高(39.2%),其次为碳酸盐矿物(27.3%)和黏土矿物(19.8%)。

2.2 黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构

通过多尺度观察黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构(见图3),发现岩心中发育大量褐色纹层与深灰色纹层相互叠置组成明暗相间的层偶[25],纹层界面清晰平直,单个纹层厚度1～3 mm,连续性好,部分纹层弯曲(见图3(a))。显微镜与AMICS镜下观察可知,亮色纹层与暗色纹层分层明显,亮色的为碳酸盐纹层与方沸石纹层(见图3(b)、(c));碳酸盐纹层厚度大(见图3(b)),主要发育自形程度较好的微晶白云石,大多较为纯净,偶尔夹杂部分黏土矿物,几乎不含长英质矿物,表明此沉积时期湖盆盐度较高;方沸石纹层发育间断(孔二段方沸石主要由黏土矿物在成岩早期转化而来),粒度为粉砂级,显微镜下呈现出小透镜状与蝌蚪状(见图3(c));暗色的黏土(有机质)纹层厚度较大且粒度多为泥级(见图3(b)、(c)),其中伊利石中混杂着丝状有机质,层厚通常小于碳酸盐纹层(见图3(b)、(c))。结合XRD分析测试可知,该纹层结构平均含有32.6%的白云石、27.3%的方沸石、27.8%的黏土矿物和11.4%的泥级长英质矿物。

图2 孔二段长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构页岩照片Fig.2 Photographs of shale with quartz & feldspar-carbonate-clay type grain structure in EK Ⅱ

图3 孔二段黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构页岩照片Fig.3 Photographs of shale with clay (organic matter)-carbonate-square zeolite type grain structure in EK Ⅱ

2.3 长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构

通过多尺度观察长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构(见图4),发现岩心发育有清晰且细密的纹层,整体呈深灰色-灰黑色,单个纹层厚度0.5～2 mm,不同纹层间的矿物组分有所区别,其力学性质亦有所不同,层理面易收缩发生破裂形成大量微裂缝,后期被白云石所充填(见图4(a))。显微镜与AMICS镜下观察可知,长英质纹层(以钠长石纹层为主)顺层间断发育且纹层厚度较小,粒度为细粉砂级(见图4(b)、(c));碳酸盐纹层厚度大且纹层间断较少,粒度为泥级到细粉砂级(见图4(b)、(c));黏土纹层间断发育且厚度较薄,有机质以小团块状分布、丝状有机质与绿泥石混杂分布,部分有机质条带也单独成层,部分丝状有机质混杂在钠长石纹层内;长石与伊利石互层,钠长石含量相对较多(见图4(d)～(g)),反映此沉积时期湖盆为微咸水环境,陆源输入效果较弱且古气候发生频繁变化。结合XRD分析测试,长英质矿物(32.4%)与碳酸盐矿物(40.8%)质量分数接近,而黏土(19.2%)质量分数相对较低。

图4 孔二段长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构页岩照片Fig.4 Photographs of shale with quartz & feldspar-carbonate-clay mineral (organic matter) grain structure in E Ⅱ

3 纹层结构类型对储集性能的影响

3.1 不同纹层结构页岩的孔缝类型

页岩储层微-纳米孔隙系统主要为有机质孔和无机孔,其中无机孔包括有粒间孔、晶间孔、溶蚀孔。根据孔二段的氩离子剖光-场发射扫描电镜照片(见图5),研究不同纹层结构类型对应的孔隙结构与类型以及孔隙空间展布。

(OM:有机质,Ca1:方解石,Do1:白云石,An1:方沸石,Qtz:石英,Py:黄铁矿,Ⅲ:伊利石)图5 孔二段纹层状页岩场发射扫描电镜照片Fig.5 Field emission scanning electron microscope photo of EK Ⅱ laminated shale

长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构与黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构多发育纳米级有机质孔,有机质孔呈蜂窝状、气泡状、串珠状等分布形式[26],孔型较为圆滑,孔隙分布较为集中,孔径大小低于400 nm,根据IUPAC(international union of pure and applied chemistry)划分方案,有机孔隙多属于介、宏孔(见图5(c)、(f)、(g))。值得注意的是,尽管在二维空间视角有机孔隙彼此并不联通,然而在三维空间内有机质孔隙却彼此联通[27-28],并且有机质和矿物颗粒(石英、白云石)间的边缘微裂缝也可以与有机质孔形成良好的联通孔-缝体系(见图5(c)、(f)、(g))。各种无机孔隙类型在不同纹层结构中都有分布但侧重不同,其中长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构与长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构中粒间孔发育较多,粒间孔发育数大多分布在0.2～3 μm,孔隙形态受相邻矿物决定且不尽相同,孔隙往往带有一定的棱角,部分在成岩过程中被伊利石等矿物充填迫使其有效联通性降低(见图5(d)、(e)、(h));晶间孔大多发育在黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构中,孔径更小,晶间孔多受矿物晶体特征决定,孔隙形态多不规则(见图5(b)、(i));溶蚀孔在3种纹层组合类型中都有分布,往往会单独出现在白云石或黄铁矿内部,孔径不均,联通性较差,常呈现出椭圆状(见图5(e))。微裂缝大多发育在长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构与长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构中,形态多为锯齿状且弯曲分布(见图5(c)、(h)),长度多在100～220 μm间,宽度在40～100 nm间,在微观状态下微裂缝的发育往往受矿物形态的影响,在后期压裂过程中起到一定促进作用。

3.2 不同纹层结构页岩的物性差异

通过对比孔二段不同纹层结构的孔隙度(见图6),发现孔二段孔隙度介于0.03%～6%,长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构与长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构的物性优于黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构的物性,主要体现在含长英质矿物的纹层结构的孔径范围较大,在孔隙度为0.03%～6%间呈左偏态分布;黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构的孔隙度大多集中在0.03%～2%之间,孔隙度大于4%的占比非常少。经分析有以下几点原因:(1)纹层中的长英质矿物有利于储层孔、缝的发育,页岩发育的粒间孔主要沿石英、长石和部分碳酸盐颗粒边缘发育[29-30],石英颗粒减小了页岩机械压实能力,对含长英质矿物的页岩纹层中发育的孔、微裂缝起到了良好的保存效果;(2) 白云石和方解石发育较多晶间孔以及溶蚀孔,晶间孔与溶蚀孔孔径相对较小[31-32],且粉晶状方沸石会充填部分粒间孔、粒内孔以及微裂缝,进一步降低黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构的物性。

图6 孔二段不同纹层结构页岩孔隙度分布直方图Fig.6 Histogram of porosity distribution of shales withdifferent grain structure in EK Ⅱ

通过对比孔二段不同纹层结构的氮气吸附(见图7),发现从3种纹层结构孔容对比来看,长英质-碳酸盐-黏土矿物纹层结构页岩孔容为0.025 4 cc/nm/g(见图7(a)),长英质-碳酸盐-黏土型(有机质)纹层结构页岩孔容为0.042 cc/nm/g(见图7(b)),黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构页岩孔容为0.016 cc/nm/g(见图7(c)),表明含有长英质的纹层结构页岩的储集性能偏高。从孔径分布看,不同纹层结构页岩均表现有较明显的双峰特征,孔径分布为1～100 nm,介孔范围内峰高且尖锐,其中长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构页岩孔、缝发育最多,宏孔发育较多。

图7 孔二段不同纹层结构页岩氮气吸附Fig.7 Nitrogen adsorption diagram of pore diaphragm structure of EK Ⅱ

4 结论

(1) 针对沧东凹陷孔二段页岩,根据镜下观察的纹层间矿物的组合关系、纹层厚度、纹层连续性、矿物粒度、有机质的赋存状态以及全岩XRD数据进行综合分析,发现主要存在4种纹层:长英质矿物纹层、碳酸盐矿物纹层、黏土矿物(有机质)纹层、方沸石纹层。分析与观察这4种主要矿物纹层的组合关系,总结归纳了主要发育的3种纹层结构类型,即长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构、长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构以及黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构类型。

(2) 长英质-碳酸盐-黏土型纹层结构纹层有间断,粒度由泥级到粉砂,纹层较为平直且厚度较小,长英质矿物占比偏高;黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构主要以明暗相间的纹层组成,纹层界面清晰平直,粒度由泥级到细粉砂,白云石与方沸石含量偏高;长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构纹层平直且层厚度较小,粒度为泥级到细粉砂级,碳酸盐矿物与长英质矿物含量偏高。

(3) 不同页岩纹层结构对储集物性有不同的影响，其中长英质-碳酸盐-黏土矿物(有机质)纹层结构孔径范围较大(由微孔到宏孔),孔隙度分布在0.03%～6%、基本呈现左偏态分布,粒间孔与有机质孔大量发育,储集性能最好;长英质-碳酸盐-黏土矿物纹层结构孔径范围较大(由介孔到宏孔),孔隙度分布在0.03%～6%,基本呈现左偏态分布,粒间孔与溶蚀孔大量发育,储集性能次之;黏土(有机质)-碳酸盐-方沸石型纹层结构孔径相对较小(微孔与介孔),孔隙度分布在0.03%～4%,晶间孔与溶蚀孔大量发育,储集性能较弱。