泌陽凹陷頁巖油賦存特征及可動性研究

余志遠，章新文，譚靜娟，李吉君 ，劉 召，劉潔文

（1．中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南鄭州 450000；2．中國石油大學（華東）地球科學學院，山東青島 266580）

1 頁巖油賦存特征

1.1 頁巖油賦存方式及特征

烴源巖內的液態石油主要具有吸附態和游離態兩種賦存形式，吸附態烴類是指吸附在干酪根和黏土顆粒表面的烴類；游離態烴類是指賦存在基質孔隙和微裂縫中的烴類[1]。

在泌陽凹陷頁巖巖心、熒光薄片中可見到油氣賦存跡象。巖心層間縫上有油跡顯示，且有油氣味；在顯微鏡下，通過偏光、正交光及熒光觀測到粉砂顆粒間有烴類顯示，方解石溶蝕孔內以及微裂縫網

絡中充填油，并且灰質頁巖中普遍有紋層狀熒光顯示，說明頁巖孔隙中賦存油。游離油主要賦存在層間縫、構造縫以及較大的基質孔隙內，其分布主要受基質孔隙、裂縫影響，呈層狀、線狀和點狀分布；吸附油主要賦存在有機質及黏土礦物顆粒表面，其分布主要受有機質及黏土礦物顆粒影響，呈分散狀、層狀和紋層狀分布。

1.2 頁巖油賦存空間特征

圖1 氦測孔隙度與S1關系

1.2.1 基于氦測、壓汞及低溫N2吸附實驗的頁巖油賦存空間特征

氦測孔隙度的主要方法是采用合適的氣體作為測試探針代替常規物性測試中的液相探針或大分子汞，使氣體分子進入特定范圍孔徑的孔隙空間，通過記錄監測氣體進入巖樣后壓力的變化信息，采用適用的理論模型獲得物性參數[2-3]。

壓汞法又稱汞孔隙率法，是測定部分中孔和大孔孔徑分布的方法。其基本原理是汞對一般固體不潤濕，欲使汞進入孔，需施加外壓，外壓越大，汞能進入的孔直徑越小。測量不同外壓下進入孔中汞的量，可知相應的孔大小和孔體積[2-3]。目前所用壓汞儀使用壓力最大約 200 MPa，可測孔直徑范圍：0.006 4～950 um。

氦測法及壓汞法所測孔隙度為頁巖中較大孔徑孔隙組成的孔隙體積。用這兩種方法測樣品，得出的孔隙度均與原油中輕質部分（S1）呈現出正相關的關系，反映了泌陽凹陷頁巖油主要賦存在較大的孔隙中（圖1、圖2）。

圖2 壓汞孔隙度與S1關系

為了進一步研究頁巖微觀孔隙結構特征，對樣品開展了低溫N2吸附實驗。低溫N2吸附法利用N2在固體表面的吸附原理，對微孔和介孔進行定量表征。對于氦測法及壓汞法不能測定的孔隙區域，尤其是納米級孔隙的測量，采用低溫N2吸附法。

泌陽凹陷泥頁巖樣品的微孔、介孔的孔徑分布呈多峰現象（圖3），其主峰分布在1 ～5 nm，5 nm以上的孔隙占通過低溫N2吸附實驗所得總孔體積與S1、氯仿瀝青“A”關系（圖4），可以看出，其總孔體積與含油量呈弱負相關，說明微孔、介孔發育的儲層含油性較差，也反映了泌陽凹陷頁巖油主要賦存在較大的孔隙中（宏孔）。

圖3 泌陽凹陷頁巖樣品的氮氣吸附孔徑分布

1.2.2 基于核磁共振實驗分析頁巖油賦存空間特征

核磁共振(NMR)實驗通過測量巖石孔隙流體的核磁弛豫特性，提供有關巖石孔隙度、滲透率、流體性質及含量等信息，已經成為無損檢測巖石物性和含油性特征的重要手段。儲層孔隙結構控制孔隙流體的分布狀態，而核磁共振能夠通過實際測量，得到不同孔隙流體的賦存狀態，這是核磁共振T2譜（馳豫時間）評價孔隙結構的基本依據[1-3]。

本次核磁共振實驗共分析21塊樣品，以樣品3、14為例，可以看出在不同狀態下的T2譜主峰信號明顯下降（圖 5），其中，曲線①為樣品原始T2譜分布；曲線②為飽和MnCl2后T2譜分布，即屏蔽水信號后的 T2譜分布；曲線③為真空加熱 180 ℃后T2譜分布；曲線④為樣品洗油烘干后T2譜分布。由此可得，曲線①對應的區域為水信號；曲線②對應的區域為可動油信號；曲線③對應的區域為不可動油信號；曲線②+③即為總油信號；曲線④對應的區域為基底信號。本文將②+③（總油信號）與①（水信號）的比值定義為油水比。

為了進一步確定頁巖油在孔隙中賦存的位置，利用比表面積及孔徑分析儀，通過低溫N2吸附與脫附實驗來測量樣品的比表面積和平均孔徑。將樣品的油水比與平均孔徑、比表面積進行對比（圖 6、圖7），可以看出，隨著平均孔徑的增大，所含的油也在增多，而且孔隙中油的增量明顯比水要多；隨著比表面積的增大，油水比呈明顯的減小趨勢，比表面積越大，樣品中小孔相對越多。由此可知，泌陽凹陷的頁巖油主要賦存在較大孔隙中。

圖4 總孔體積與S1及氯仿瀝青“A”關系

圖5 泌陽凹陷頁巖樣品在不同狀態下的弛豫時間

圖6 油水比與平均孔徑關系

圖7 油水比與比表面積關系

2 頁巖油可動性影響因素

2.1 頁巖油可動性與深度關系

隨著深度的增加，生烴潛量出現先增加后減小的趨勢（圖8），這是由于達到一定深度后，伴隨排烴作用的發生，有機質的生烴潛力將出現下降趨勢，據此可以判斷有機質的排烴門限[4-5]。從圖8中可以看出，泌陽凹陷排烴門限在2 000 m左右，該深度也是頁巖油具備流動性的起始深度。因此，排烴門限對應的泥頁巖最大含油量可看作是頁巖油可動的下限值。從泌陽凹陷A/TOC與S1/TOC隨深度的變化關系（圖9、圖10）可以看出，開始大量排烴所對應的值分別為0.2和60 mg/g，可以認為，當A/TOC大于0.2、S1/TOC大于60 mg/g時，所生成的油氣是可動的，故將此作為頁巖油可動量的下限值。

根據S1/TOC與A/TOC在縱向上的范圍，確定頁巖的最佳含油深度。從圖 9、圖 10中可以看出，S1/TOC與A/TOC均隨著深度先增加后減少，S1/TOC在2 800 m時為最高值，A/TOC在3 400 m時為最高值，因此，確定泌陽凹陷頁巖油的最佳含油深度為2 800～3 400 m。

2.2 頁巖油可動性與有機碳關系

研究表明，當TOC值較低時，烴源巖生成的油主要用于滿足自身有機質和礦物吸附的需要；當TOC增大到一定值時，生成的油才大量以游離態填充泥頁巖基質孔隙并運移排出。隨著TOC值的不斷增加，油氣的可動性是不斷上升的（圖11）。因此，TOC含量決定頁巖生油潛力與含油量，含量越高，生成的頁巖油越多，可動性越好。

圖8 生烴潛量與深度關系

圖9 深度與S1/TOC關系

2.3 頁巖油可動性與主要礦物關系

泌陽凹陷頁巖儲層礦物主要為石英、長石、黏土礦物及碳酸鹽巖，頁巖油可動性與碳酸鹽巖相關性較小，本文不討論。隨著黏土礦物含量的不斷增加，S1含量逐漸降低（圖12），對于黏土質泥頁巖以及云質泥頁巖來說尤為明顯，這是由于黏土礦物含量越高，其吸附能力就越強，使得頁巖油的可動性降低。

圖10 深度與氯仿瀝青“A”/TOC關系

圖11 有機碳含量與S1關系

圖12 黏土礦物與可動S1關系

隨著石英含量的增加，頁巖可動油含量逐漸增加，當石英含量增加到約 35%時，S1含量保持相對穩定（圖 13），這是由于脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙、微裂縫發育程度、含油氣性的重要因素，脆性礦物含量越高，在構造運動中越易形成天然裂縫，使得頁巖油可動性越好；隨著長石含量的增加，頁巖油的可動性逐漸降低，造成這種現象的原因與長石在地質條件下的反應有關，當長石含量較高時，地層伴隨油氣生成過程中會產生有機酸，有機酸與過量的長石產生反應，轉化為高嶺石、伊利石等黏土礦物，增強對油氣的吸附能力，導致頁巖油可動性逐漸降低。

圖13 石英含量與可動S1關系

2.4 頁巖油可動性與孔隙度關系

孔隙度是影響頁巖儲油能力及可動性的關鍵因素，氦測及壓汞孔隙度均與S1呈正相關關系。隨著頁巖儲層孔隙度的增加，其儲集性能及滲流能力都會得到提升，頁巖油可動性自然隨之變好。

3 結論

（1）綜合巖石學、氦測、壓汞及核磁實驗分析認為，泌陽凹陷頁巖油主要賦存空間為層間縫、構造縫及基質孔隙較大孔徑的無機孔隙。

（2）通過頁巖油可動性影響因素分析認為，泌陽凹陷頁巖油可動性與有機碳含量、孔隙度及石英含量呈一定的正相關關系，與黏土礦物及長石含量呈一定負相關關系。由于頁巖儲層的壓力、有機質成熟度、原油性質等與深度息息相關，因此頁巖油可動性與深度有一定關系，頁巖油可動性隨深度增加先增加后減少，在2 800～3 400 m達到最大。