鄂爾多斯盆地長7段泥頁巖儲層物性特征及控制因素研究

吳銀輝 ，周 文 ，陳文玲 ，易 婷

（1.成都理工大學能源學院，四川成都 610059；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都 610059）

油氣地質

鄂爾多斯盆地長7段泥頁巖儲層物性特征及控制因素研究

吳銀輝1，2，周 文1，2，陳文玲1，2，易 婷1

（1.成都理工大學能源學院，四川成都 610059；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都 610059）

將鄂爾多斯盆地長7段陸相泥頁巖儲層孔隙類型劃分為無機孔隙、有機質孔隙和微裂縫三大類，其形成與有機質在不同演化階段生烴、排烴過程有關。通過高壓壓汞實驗將長7段陸相泥頁巖儲層孔隙分為四大類，結合掃描電鏡觀察結果及壓汞數據可知，晶間隙、晶（粒）間孔隙及有機質孔隙均比較發育，且在一定程度其連通性較好，可以確定這三類孔隙以及微裂縫是研究區的主要滲流通道。有機質類型以I型和Ⅱ1型為主；TOC含量為0.51%～22.6%，平均值3.29%；Ro分布于0.7%～1.2%。綜合分析認為沉積環境、礦物組分、成巖演化、有機質熱演化是影響鄂爾多斯盆地長7段陸相泥頁巖儲層物性的主要因素。

頁巖儲層；物性特征；孔隙類型；孔隙特征

1 地質背景

鄂爾多斯盆地是華北板塊、秦嶺板塊、揚子板塊相互俯沖碰撞且又經歷了復雜的大陸內多期次造山及成盆作用而形成的[1]。延長組為一套以湖泊－河流相沉積為主的陸源碎屑巖系，地層厚度約為0.3 km～3 km。區內長7油層組上部主要為深灰色、灰黑色泥巖夾泥質粉砂巖和粉砂巖組合，下部主要為含油頁巖、深灰色頁巖、灰黑色頁巖以及泥質粉砂巖等組合[2]。長7油層組沉積時期初發生迅速的構造沉降作用，導致湖侵達到鼎盛，湖水迅速上升，湖岸線大幅度向外擴展，水體覆蓋面積約達1 000 km2以上，水體明顯加深[3]，半深湖－深湖分布于鹽池北、定邊、吳起、志丹、永寧、環縣東、慶陽、正寧、直羅、洛川及其以東廣大地區，在金鎖關、宜君也有分布，發育厚度約為70 m～120 m的灰黑色、深灰色頁巖，形成了最主要的分布穩定的“張家灘”頁巖[12]。

2 地化特征

根據鏡下干酪根顯微組分鑒定結果：富縣區塊長7段頁巖腐泥組平均79.6%，殼質組平均13.5%，鏡質組平均2.79%，惰質組平均4.04%，有機質類型以I型為主，其次是Ⅱ1型。鎮涇區塊長7段含油（氣）泥（頁）巖有機質類型基本為Ⅰ～Ⅱ1型，其中腐泥組58%～97%，平均75.5%；殼質組0%～20%，平均7.3%；鏡質組0%～8%，平均3.7%，惰質組2%～43%，平均13.5%。長7段TOC含量為0.51%～22.6%，主要分布在1%～2%和＞7%，分別占25%和10%，平均值3.29%。下寺灣區塊長7段TOC含量在3.5%～12%，在柳評171井-新31井一帶為高值區，TOC含量最高可到12%。富縣區塊TOC含量在3%～9%，在中富2井-中富29井-中富12井一帶為高值區，TOC含量在7%～9%。長7段頁巖分布區內Ro分布于0.7%～1.2%，總體上與現今埋深不完全對應。Ro有兩個達到1.5%以上的高值區，一個在延安、富縣至宜川區域，最高可達到1.2%以上；總體上屬于低成熟－成熟演化階段。

3 物性特征

3.1 孔隙類型

本次主要研究盆地延長組泥（頁）巖的微觀孔隙和裂縫類型。鄂爾多斯盆地長7段主要的孔隙類型分為三大類：無機孔隙，即礦物顆（晶）粒間（內）孔隙；有機孔隙，即出油孔隙，氣孔；微裂縫，即各類天然裂縫[7]。

無機孔隙特征：礦物粒間孔隙可分為原生粒間孔和次生孔隙。溶蝕粒間孔的孔隙直徑可達27.8 μm；礦物粒內微孔包括晶格缺陷造成的原生微孔和溶蝕造成的粒內溶蝕微孔；礦物晶間微孔主要指黏土礦物晶間孔，包括晶體間的原生微孔、晶間溶蝕微孔和黏土礦物轉化過程中脫水形成的晶間孔[4]，如蒙脫石向伊利石轉化時脫水形成的晶間孔。

有機孔隙特征：有機孔隙一般為有機質內氣孔，集中分布在有機質內，多以球形分散分布。有機質含量高的樣品，有機質內氣孔也會增多，多以球形分布，大小一般在75 nm～200 nm。同時也見到黏土礦物中的氣孔，可能是氣體生成和運移時產生的[5]。

微裂縫特征：粒緣縫，即礦物顆粒間形成的縫；片理縫，一般為片狀礦物（如伊利石黏土礦物、云母等）晶間隙擴大而成。

3.2 孔隙結構

選取鄂爾多斯盆地長7段14個樣品，采用麥克默瑞提克（上海）儀器有限公司的Autopore9500壓汞儀進行測試分析，最大外壓力400 MPa（60 000 psia）。實驗可得到不同樣品對應的門檻壓力（Pcd）、中值壓力（Pc50）、毛細管壓力曲線、孔喉分布以及孔隙結構特征參數等。

不同樣品的壓汞曲線（進汞-退汞曲線）孔隙滯后環寬度以及進汞、退汞體積差（壓力差）、排驅壓力、最大進汞飽和度及退汞效率不同，據此可以分析樣品的孔隙特征。通過壓汞實驗將鄂爾多斯盆地延長組長7段泥頁巖儲層孔隙大致分為以下四大類：

第一種類型以YY18-4為代表（見圖1），由圖1可以看出壓汞測試范圍內對應開放孔很多，見大孔隙發育，孔隙連通性較好。

第二種類型以FY2-24為代表（見圖2），退汞曲線呈階梯式，退汞效率約40%，壓汞測試范圍內孔徑分布范圍較廣。

第三種類型以永頁1-8為代表（見圖3），隨著壓力增大，進汞曲線呈現緩慢增大趨勢，壓力測試范圍內中孔發育，連通性較好。

第四種類型以永頁1-10為代表（見圖4），隨著壓力增大，進汞曲線呈現緩慢增大趨勢，孔隙分選相對較好，由圖表明壓汞測試范圍內對應喉道較細，連通性較差。

圖1 YY18-4進退汞曲線

圖2 FY2-24進退汞曲線

圖3 永頁1-8、進退汞曲線

圖4 永頁1-10進退汞曲線

3.3 孔隙度與滲透率

通過酒精法及脈沖法對研究區的35個頁巖樣品進行孔隙度測定。通過酒精法測得的長7段陸相泥頁巖孔隙度為0.335 4%～6.834 2%，平均為1.342 9%，主要區間為1%～1.5%。其中，6.06%的樣品孔隙度為0～0.5%，30.30%的樣品孔隙度為 0.5%～1%，39.39%的樣品孔隙度為1%～1.5%，18.18%的樣品孔隙度為1.5%～2%，6.06%的樣品孔隙度大于2%；通過脈沖法測得的長7段陸相泥頁巖孔隙度為0.21%～7.41%，平均為1.54%，主要區間為0.5%～1%。其中，21.43%的樣品孔隙度為0～0.5%，42.86%的樣品孔隙度為0.5%～1%，7.14%的樣品孔隙度為1%～1.5%，7.14%的樣品孔隙度為1.5%～2%，14.29%的樣品孔隙度大于2%；可以看出酒精法測得的孔隙度在1%～1.5%比脈沖法高可能是因為酒精法實驗時有部分酒精未進入孔隙的原因。延長地區孔隙度主要分布在0.335 4%～6.834 2%，平均為1.382 8%，孔隙度在0.5%～1%的占主要部分，為38.1%；鎮涇地區孔隙度主要分布在1%～1.5%，平均為1.27%。

從滲透率分布頻率直方圖上可以看出，長7段陸相泥頁巖滲透率在0～0.1 mD的為25.93%，0.1 mD～0.2 mD為25.93%，0.2 mD～1 mD 為22.22%，1 mD～2 mD為14.81%，大于2 mD為11.11%，可以看出在0～1 mD的占主要部分（見圖5），不同巖性的孔隙度與滲透率關系圖不明顯（見圖6）。通過長7段所有樣品的孔隙度和滲透率關系圖（見圖7）可看出孔隙度與滲透率相關性中等，整體表現為滲透率隨孔隙度增大而升高的趨勢。相關系數為0.953 5，孔滲變化趨勢相對較集中，估計可能是由于存在裂縫、微裂縫較多的緣故，兩組段砂巖孔隙度滲透率相關性最好，反映了孔隙間連通性較好。

圖5 滲透率頻率分布直方圖

圖6 不同類型泥頁巖孔隙度與滲透率關系圖

圖7 滲透率與孔隙度的關系圖

研究區鄂爾多斯盆地延長組儲層孔隙度與埋深之間的關系比較復雜，延長、鎮涇區塊井為孔隙度埋深關系對比圖（見圖8）。由圖8可知隨埋藏深度增加，延長區塊孔隙度最大值和平均值逐漸增大；鎮涇區塊井孔隙度則略有減小。通過分析可能是因為延長區塊頁巖微裂縫發育程度較高，整個研究區基本處于機械壓實平衡階段，孔隙度很難體現機械壓實作用的差異[6]。因為區內儲層以粒內溶孔、縮小粒間孔和黏土礦物晶間孔為主，其他有利于孔隙保存的條件，如骨架顆粒的強度、膠結類型、膠結物含量、黏土礦物特征、微裂縫發育程度都將影響孔隙度的垂向分布。

圖8 延長、鎮涇地區井埋深孔隙度關系對比圖

3.4 比表面、孔徑和孔容

通過遞增孔體積-孔徑關系圖（dV-r）及累計孔體積-孔徑關系圖（sum（V）-r）來分別表征高壓壓汞測試范圍內樣品的孔徑分布特征（見圖9）。從圖9可以看出不同泥頁巖樣品其累計孔體積曲線形態差異較大，當孔徑＜100 nm時，隨著孔徑的變化，樣品FY2-7、永頁1-10、YY18-25的曲線斜率較大，累計孔體積的增長率比其余樣品快，說明該類樣品中孔徑＜100 nm的孔隙所占比例較大，微孔和中孔相對比較發育，當孔徑＞100 nm時，部分樣品（如FY2-24）累計孔體積發生變化，說明這些樣品中發育一定量的過渡孔和大孔，對應樣品的dV-r關系曲線也證實了該結論（見圖10）。結果表明：壓汞測試范圍內不同樣品總的孔體積存在一定的差異，大部分樣品總孔隙體積主要分布在0.05 cm3/g～0.013 cm3/g，最大孔喉半徑與孔體積之間的關系不明顯。

4 頁巖儲層物性主控因素分析

不同地區，影響儲層物性的原因不一，因此，從沉積環境、礦物組分、成巖演化、有機質熱演化四個方面對長7段頁巖儲層物性因素進行分析研究。

4.1 不同沉積環境的孔隙發育特征

不同的沉積環境下的頁巖儲層，沉積物的組成（礦物組合及含量）有所不同，有機質的特征（有機質類型、含量）也有明顯變化，形成的含油（氣）頁巖儲層也存在不同。沉積相控制著不同的巖石類型以及巖石組分，鄂爾多斯盆地中生界主要表現為湖泊-河流相沉積，沉積一套含泥頁巖和含油頁巖，其中沉積于封閉-半封閉的缺氧還原環境下的細粒狀或草莓狀黃鐵礦呈星散狀或紋層狀分布[8]，發育少量的黃鐵礦晶間孔，而長7組底部發育大量天然泥巖裂縫，見層間頁理縫，連通性好，構成重要的儲集空間。

圖9 不同樣品累計孔體積－孔徑關系曲線

圖10 部分樣品孔徑分布圖

4.2 礦物組分對孔隙的影響

受沉積環境控制的黏土礦物與脆性礦物從不同角度控制著頁巖儲層孔裂隙的發育，前人研究表明泥頁巖中黏土、石英和方解石相對組成的變化影響了巖石的力學性質、孔隙結構以及對氣體的吸附能力。黏土礦物對于孔隙的演化和保存具有重要作用，高嶺石相對含量變化與孔隙演化趨勢一致，伊利石、綠泥石相對含量的變化與孔隙演化趨勢相反[9]。與石英和方解石相比，黏土礦物具有較多的微孔隙和較大的比表面積，對氣體有較強的吸附能力，一方面由于黏土礦物隨著地層埋深增加和地層水逐漸變為堿性，黏土礦物發生脫水轉化析出大量層間水，在層間形成微裂隙，另一方面，黑色頁巖在黏土伊利石轉化過程中也會產生大量微孔隙。當泥頁巖中黏土礦物含量較少，硅質、碳酸鹽巖等礦物較多時，巖石脆性較大，容易在外力作用下形成天然裂隙和誘導裂隙，有利于滲流。

4.3 成巖演化對孔隙的影響

無機孔隙類型會隨著成巖演化而發生變化。黏土礦物受頁巖儲層壓實作用，通過堆積作用、脫水作用和新生變形作用發生顯著變化，黏土礦物的體積縮小，使頁巖儲層產生新的孔隙度。最明顯的就是黏土礦物轉化時形成的大量納米級微孔隙，如蒙脫石向伊利石轉化時由于脫水形成的網絡微孔，伊蒙混層的晶間溶蝕微孔等[10]。頁巖的孔隙空間在礦物顆粒和有機質中均有存在，通過不同類型礦物含量與孔隙度擬合，顯示孔隙度受伊利石含量影響較大，伊利石含量與孔隙度呈負相關關系（見圖11），可以看出成巖演化和巖石類型對長7油層組頁巖孔隙度有一定影響。

4.4 有機質熱演化對孔隙形成的影響

頁巖儲層的有機孔隙主要是有機質中存在的大量氣孔，是在原油和天然氣大量生成時而形成的孔隙[11]。隨著埋深增大、地溫的升高，有機質開始生成油和氣，Ro≈0.5%。延長組的有機質類型以Ⅰ～Ⅱ型為主，主要生成原油。原油生成時，在有機質中會產生出油孔。而當油中大量產生裂解氣時，有機質中會產生氣孔，有時聚集成氣孔群，此時Ro一般＞1.1%（見圖13、圖14）。

5 結論

（1）將長7段陸相泥頁巖儲層孔隙分為三大類，結合掃描電鏡觀察結果及壓汞數據可知，晶間隙、晶（粒）間孔隙及有機質孔隙均比較發育，且在一定程度其連通性較好，可以確定這三類孔隙以及微裂縫是研究區的主要滲流通道。

（2）有機質類型以I型和Ⅱ1型為主；TOC含量為0.51%～22.6%，主要分布在1%～2%和＞7%，分別占25%和10%，平均值3.29%；Ro分布于0.7%～1.2%。

（3）沉積環境、礦物組分、成巖演化、有機質熱演化是影響鄂爾多斯盆地長7段陸相泥頁巖儲層物性的主要因素。

圖11 長7段陸相泥頁巖孔隙度與伊利石相對含量關系圖

圖12 長7段陸相泥頁巖孔隙度與TOC關系圖

圖13 長7段頁巖孔隙度與Ro關系圖

圖14 孔隙度與伊利石絕對含量、Ro關系圖

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Physical properties and controlling factors of shale reservoir in Chang 7 member of Ordos basin

WU Yinhui1，2，ZHOU Wen1，2，CHEN Wenling1，2，YI Ting1
（1.School of Energy Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China；2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu Sichuan 610059，China）

The pore types of continental shale reservoirs in Chang 7 member of Ordos basin are divided into three types,inorganic pores,organic pores and microcracks.Their formation is related to the processes of hydrocarbon generation and hydrocarbon expulsion in different evolution stages of organic matter.According to the high pressure mercury intrusion experiments,the pores of the continental shale reservoirs in the Chang 7 member are divided into four major categories.According to the results of scanning electron microscopy and mercury intrusion data,the intergranular,intergranular and intergranular pores are well developed,And to a certain extent,its connectivity is better.It can be determined that these three types of pores and micro-cracks are the main seepage channels in the study area.The main types of organic matter are Type I and Type II1.TOC content is 0.51%～22.6%with an average of 3.29%.Ro is distributed at 0.7%～1.2%.The comprehensive analysis shows that sedimentary environment,mineral composition,diagenesis evolution and organic matter thermal evolution are the main factors affecting the physical properties of continental shale reservoirs in Chang 7 member of Ordos basin.

shale reservoir；physical characteristics；pore type；pore characteristics

TE122.23

A

1673-5285（2017）12-0078-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.12.020

2017－11-25

國家高技術研究發展計劃（863計劃），項目編號：2013AA064501。

吳銀輝，男（1991-），成都理工大學，在讀研究生，研究方向為非常規油氣儲層地質。