泌陽凹陷頁巖油儲層孔隙發育特征與測井定量評價

賈艷雨

(中石化新星(北京)新能源研究院有限公司 鄭州分公司，河南 鄭州 450000)

泌陽凹陷位于南襄盆地東北角，為一中新生代斷控凹陷。凹陷形成主要受北西西向的唐河—栗園斷裂和北東向的栗園—泌陽斷裂控制，根據沉積和構造特征，主要分為北部緩坡帶、中部深凹帶、南部陡坡帶3個次級構造單元[1]。自上而下依次沉積第四系平原組、新近系鳳凰鎮組、古近系廖莊組、核桃園組、大倉房組和玉皇頂組地層，其中，核桃園組是泌陽凹陷主要的生油與儲集巖段[2]。前期研究表明，泌陽凹陷核桃園組頁巖具有分布范圍廣、厚度大、有機質豐度高等特征，陸相頁巖油形成條件有利[3-4]，部署于該凹陷的2口頁巖油水平井—泌頁HF1井與泌頁HF2井取得勘探突破，表明泌陽凹陷頁巖油具有一定的勘探潛力。但是目前頁巖油水平井穩定產量較低，還不能滿足規模經濟開發的要求，前人對泌陽凹陷頁巖的有機質富集規律、儲集空間類型、富集高產主控因素等多個方面進行了探究[5-7]，取得了一定認識，但頁巖油最優部署目標仍不十分清晰。本文從儲層孔隙表征入手，試圖通過測井定量評價孔隙有效性，從而為尋找最優頁巖儲層提供支撐。

1 基礎地質特征

泌陽凹陷富含有機質頁巖縱向上主要位于核三二層序和核三三層序的湖侵體系域，發育5套富有機質頁巖層；平面上主要分布在深凹區，與深湖—半深湖沉積相吻合，分布面積80～120 km2(圖1)[8]。大量巖芯、薄片觀察表明，泌陽凹陷富含有機質頁巖構造以紋層狀為主，塊狀較少見；頁巖粉砂、黏土及碳酸鹽礦物三端元含量總體為20%～40%，屬于頁狀混合型細粒沉積巖。根據頁巖的礦物類型、含量及分布特點，可將其劃分為泥質粉砂巖、粉砂質頁巖、隱晶灰質頁巖、重結晶灰質頁巖及白云質頁巖5種巖相類型，5種巖相是在不同的沉積環境下形成的，具有各自不同的地球化學及巖石學特征[9]。

圖1 泌陽凹陷5套頁巖層沉積相與泥頁巖厚度等值線Fig.1 Isoline map of sedimentary facies and shale thickness of No.5 shale in Biyang Depression

2 頁巖油儲層儲集特征

2.1 儲集空間特征

前人將泌陽凹陷頁巖儲層劃分為粒間孔、晶間孔、溶蝕孔及有機質孔4種孔隙[9]，此次研究重點對不同孔隙的特征進行了量化表征，從而明確對頁巖油富集占主導作用的孔隙類型及特點，為測井宏觀表征提供基礎。粒間孔隙是沉積形成的原生孔隙，在成巖過程中被壓實，或被碳酸鹽、硅質或黃鐵礦等礦物充填(圖2(a))。該類型孔隙在該區頁巖中一般發育在石英、長石顆粒間，相對較少，尺寸幾百納米至幾微米不等。晶間孔發育主要與黏土礦物、碳酸巖礦物相關(圖2(b))。黏土礦物晶間孔是指存在于黏土礦物間的微孔隙，其尺寸多位于幾十納米到幾百納米(圖2(c))。碳酸鹽巖晶間孔主要由碳酸鹽礦物在重結晶過程中形成(圖2(d))。泌陽凹陷頁巖中方解石的溶解與重結晶現象十分豐富，方解石重結晶晶間孔較發育，孔徑較大，在1～3 μm。掃描電鏡下觀察，泌陽凹陷頁巖中莓狀黃鐵礦大量存在，且其晶間微孔隙比較發育，尺寸為幾百納米。溶蝕孔隙發育主要與方解石和長石的溶蝕有關，在方解石、長石相對發育的頁巖段，溶蝕孔隙發育程度高，發育尺寸與溶蝕的程度有關，尺寸相對較大，多在幾百納米以上(圖2(e))。而有機質孔隙受盆地熱演化程度的影響，以長條或條帶狀的邊緣孔隙發育為主，尺寸在幾納米至幾百納米。除此之外，泌陽凹陷頁巖還發育大量受構造、沉積、成巖等多種因素的影響而形成的微裂縫(圖2(g))。

圖2 泌陽凹陷陸相頁巖儲集空間類型Fig.2 Spatial type map of continental shale reservoir in Biyang Depression

2.2 儲集物性

核磁共振、SPR法等多種實驗測試結果表明，泌陽凹陷頁巖平均孔隙度大于4%，高于頁巖油的經濟開采孔隙度。泌頁HF1井頁巖巖芯核磁共振實驗測試有效孔隙度2.73%～12.50%，平均5.78%；脈沖基質滲透率為0.000 31×10-3～0.016 00×10-3μm2，平均0.003 50×10-3μm2。安深1井頁巖核磁共振實測有效孔隙度2.06%～11.45%，平均為4.76%，脈沖基質滲透率在0.000 22×10-3～0.017 00×10-3μm2，平均0.003 00×10-3μm2。SRP法測得的泌頁HF1井頁巖孔隙度1.55%～7.23%，平均4.63%；壓降基質滲透率為0.47×10-9～3.12×10-9μm2，平均1.56×10-9μm2。不同實驗方法測試的孔隙度大小相當，但滲透率有所差異，主要是受實驗方法的影響。壓降法測試滲透率是在粉碎頁巖巖芯后測的巖芯滲透率，由于裂縫遭受碾碎破壞，會大大降低滲透率的測試值。物性分析數據結合儲層微觀孔隙發育特征，認為泌陽凹陷頁巖有機質孔隙邊緣孔、碳酸鹽巖溶蝕孔隙尺寸發育更大，對儲層的宏觀物性具有更高的貢獻值。

3 頁巖油賦存特征

泌陽凹陷頁巖儲層主要以納米級孔喉為主。研究表明，以納米級孔喉占儲集空間主體的頁巖油儲層中，由于孔喉尺寸過小，產生的毛細管阻力較大，單憑浮力和水動力無法使油分子突破喉道進行運移，油氣主要為源內滯留聚集，或小規模連續油相短距離運移。頁巖油源內運移動力主要為生烴增壓和擴散作用力，運移方式為差異生烴超壓驅動、滯脹—擴散聚集。不同孔喉介質，其運移方式有一定差異，微米級孔喉以體積流方式運聚，納米級孔喉以分子擴散流運聚為主[10-12]。從泌陽凹陷頁巖儲層含油特征來看，泌陽凹陷厚度較大的頁巖生油后，由于厚度較大的頁巖排烴效率很低，造成油氣“滯留”在頁巖中。而滯留成藏的頁巖油主要以吸附油和游離油2種方式賦存在孔隙及裂縫中，其中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；吸附油主要賦存在有機質及黏土礦物顆粒表面[13-14]。以前人認識為基礎，結合上述對頁巖儲層基質孔隙和物性的認識，本文重點對泌陽凹陷頁巖吸附油和游離油的賦存狀態開展了進一步的實驗研究，為頁巖油富集目標優選提供理論支持。

吸附油是指吸附在干酪根和黏土顆粒表面的液態石油烴[15]。實驗表明，泌陽凹陷深凹區泥頁巖顆粒很細，吸附油含量與有機質發育程度、有機質表面積、礦物組成、熱演化程度、地層壓力等密切相關。有機質豐度與吸附油含量呈正相關關系，有機質豐度越高，吸附油量越大；頁巖有機質的表面積越大，干酪根表面吸附油量越大；頁巖黏土礦物中伊利石含量越豐富，比表面積越大，吸附油含量越豐富；熱演化程度越高，泥頁巖生成液態吸附油量越高，同時有機質演化形成的微孔隙體積增加，吸附油量增加；地層壓力增高，一般條件下吸附油含量增高。總體看，吸附油在頁巖儲層中的賦存狀態主要受有機質與黏土顆粒的形態和分布影響。泌陽凹陷富有有機質頁巖中的有機質一般是呈無定型、分散狀分布的，黏土礦物顆粒一般是呈塊狀、層狀、紋層狀分布，因此，有機質與黏土顆粒吸附的油分布產狀主要呈分散狀、層狀、紋層狀等賦存狀態，在熒光薄片及場發射掃描電鏡下同樣可以清晰看到黏土礦物吸附的液態石油烴類(圖3(d)、圖3(e))。綜上可以看出，泌陽凹陷頁巖中有機碳含量、黏土礦物含量越高的區域，富含吸附油的概率和量也越大。

泌陽凹陷鉆井取芯、熒光薄片、場發射電鏡等資料顯示，泌陽凹陷構造縫、層間縫及基質孔隙內均可見游離的頁巖油(圖3)，主要呈層狀及線狀分布。游離態頁巖油含量主要與頁巖有機質豐度、有機質孔隙、基質孔隙、裂縫等有關。有機質豐度越高，有機質孔隙越發育，有機質轉換成游離液態烴的含量越高，則游離態頁巖油含量越豐富；基質孔隙越發育，孔隙度越高，游離態頁巖油含量越高；頁巖中往往發育層間縫、構造縫等裂縫，裂縫越發育，頁巖油賦存空間越發育，游離態頁巖油含量也越高。

圖3 泌陽凹陷頁巖油賦存特征照片Fig.3 Photos of occurrence characteristics of shale oil in Biyang Depression

4 頁巖孔隙測井定量評價

原油初次運移過程中會首先在孔隙度較高、大孔隙較發育的源內“甜點”區聚集，之后才會從源巖中排出，運移至儲集層。因此良好的儲集能力是制約頁巖油富集的重要因素，頁巖油勘探應著力尋找高孔滲“甜點”區[16]。根據本文的認識，泌陽凹陷同等地層壓力和熱演化程度的單套頁巖層中有機碳含量和黏土礦物越高，宏觀孔縫和基質孔隙越發育的區域頁巖油更富集，有機碳含量、黏土礦物含量、宏觀孔縫的實驗數據相對多，表征也相對容易。而基質孔隙僅靠實驗數據測試點少，且費用高，本文考慮利用常規測井曲線建立泌陽凹陷頁巖孔隙定量表征相關模型，定量評價其發育特征，從而解決上述難題。

4.1 測井模型的建立

考慮泌陽凹陷頁巖主要發育溶蝕孔、粒間孔、晶間孔、有機質孔4種孔隙類型，這4種孔隙類型根據賦存狀態可簡化為三大孔隙類型，分別為有機質孔、脆性礦物孔以及黏土礦物孔，以此為基礎，建立頁巖孔隙度測井計算模型。建立模型如下：

Φ=ρ×ABri×VBri+ρ×Aclay×Vclay+ρ×AToc×VToc

式中，Φ為頁巖孔隙度；ρ為頁巖巖石密度；ABri、Aclay、AToc分別為脆性礦物、黏土和有機質三者的質量百分含量；VBri、Vclay、VToc分別為脆性礦物、黏土和有機質三者單位質量內微孔隙體積，即3種物質單位質量對孔隙的貢獻。

根據泌陽凹陷泌頁HF1井、安深1井等頁巖相關數據，利用最小二乘回歸分析法，擬合泌陽凹陷頁巖的VBri、Vclay、VToc值，結果分別為0.036 0、0.001 2、0.127 0 cm3/g。

4.2 測井定量評價

利用上述公式和求取的參數，對泌頁HF1井不同井段的有機質孔、脆性礦物孔以及黏土礦物孔發育情況進行計算，泌頁HF1井計算孔隙度縱向分布如圖4所示，可以明確反映各個孔隙類型在不同井段的發育比例。泌頁HF1井2 416.3～2 451.2 m井段，黏土礦物孔隙度所占總孔隙度比例最大，有機質孔隙度次之，脆性礦物孔隙度所占總孔隙度比例最小，總孔隙度多分布在4%～6%，不同井段不同巖相孔隙度差異明顯。考慮計算結果的可靠性，將3種孔隙度求和與核磁實驗實測孔隙度進行對比，結果顯示其具有一定的吻合性(圖5)，說明該模型對于泌陽凹陷頁巖孔隙度的計算具有一定的適用性。對于區域內沒有實測數據的頁巖井段，可以利用此方法定量評價各類型孔隙發育比例和大小，從而為尋找微觀孔隙發育區提供指導建議。

圖4 泌頁HF1井計算孔隙度縱向分布Fig.4 Longitudinal distribution of calculated porosity in Well Biye HF1

圖5 泌頁HF1井計算孔隙度與實測孔隙度關系Fig.5 Relationship between calculated porosity and measured porosity in Well Biye HF1

5 結論

(1)泌陽凹陷頁巖粒間孔隙發育相對較少，尺寸在幾百納米至幾微米；黏土礦物晶間孔尺寸多位于幾十納米到幾百納米、重結晶晶間孔孔徑在1～3 μm；溶蝕孔隙發育尺寸與溶蝕的程度有關，尺寸相對較大，多在幾百納米以上；有機質孔隙以條帶狀的邊緣孔隙發育為主，尺寸差異較大。

(2)泌陽凹陷頁巖吸附油分布產狀主要呈分散狀、層狀、紋層狀等狀態，與有機碳含量、黏土礦物含量正相關，而游離油分布狀態主要受其賦存的儲集空間類型的影響，在構造縫、層間縫及基質孔隙內的游離頁巖油較豐富。

(3)利用常規測井曲線建立了頁巖孔隙定量評價模型，明確了泌陽凹陷脆性礦物、黏土和有機質三者單位質量內的微孔隙體積，并利用模型計算了泌頁HF1井頁巖各孔隙發育情況，驗證了模型正確性，得到了泌陽凹陷頁巖儲層測井定量評價物性的方法。