泌阳凹陷页岩油储层孔隙发育特征与测井定量评价

2021-04-08贾艳雨

能源与环保 2021年3期

贾艳雨

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

泌阳凹陷位于南襄盆地东北角，为一中新生代断控凹陷。凹陷形成主要受北西西向的唐河—栗园断裂和北东向的栗园—泌阳断裂控制，根据沉积和构造特征，主要分为北部缓坡带、中部深凹带、南部陡坡带3个次级构造单元[1]。自上而下依次沉积第四系平原组、新近系凤凰镇组、古近系廖庄组、核桃园组、大仓房组和玉皇顶组地层，其中，核桃园组是泌阳凹陷主要的生油与储集岩段[2]。前期研究表明，泌阳凹陷核桃园组页岩具有分布范围广、厚度大、有机质丰度高等特征，陆相页岩油形成条件有利[3-4]，部署于该凹陷的2口页岩油水平井—泌页HF1井与泌页HF2井取得勘探突破，表明泌阳凹陷页岩油具有一定的勘探潜力。但是目前页岩油水平井稳定产量较低，还不能满足规模经济开发的要求，前人对泌阳凹陷页岩的有机质富集规律、储集空间类型、富集高产主控因素等多个方面进行了探究[5-7]，取得了一定认识，但页岩油最优部署目标仍不十分清晰。本文从储层孔隙表征入手，试图通过测井定量评价孔隙有效性，从而为寻找最优页岩储层提供支撑。

1 基础地质特征

泌阳凹陷富含有机质页岩纵向上主要位于核三二层序和核三三层序的湖侵体系域，发育5套富有机质页岩层；平面上主要分布在深凹区，与深湖—半深湖沉积相吻合，分布面积80～120 km2(图1)[8]。大量岩芯、薄片观察表明，泌阳凹陷富含有机质页岩构造以纹层状为主，块状较少见；页岩粉砂、黏土及碳酸盐矿物三端元含量总体为20%～40%，属于页状混合型细粒沉积岩。根据页岩的矿物类型、含量及分布特点，可将其划分为泥质粉砂岩、粉砂质页岩、隐晶灰质页岩、重结晶灰质页岩及白云质页岩5种岩相类型，5种岩相是在不同的沉积环境下形成的，具有各自不同的地球化学及岩石学特征[9]。

图1 泌阳凹陷5套页岩层沉积相与泥页岩厚度等值线Fig.1 Isoline map of sedimentary facies and shale thickness of No.5 shale in Biyang Depression

2 页岩油储层储集特征

2.1 储集空间特征

前人将泌阳凹陷页岩储层划分为粒间孔、晶间孔、溶蚀孔及有机质孔4种孔隙[9]，此次研究重点对不同孔隙的特征进行了量化表征，从而明确对页岩油富集占主导作用的孔隙类型及特点，为测井宏观表征提供基础。粒间孔隙是沉积形成的原生孔隙，在成岩过程中被压实，或被碳酸盐、硅质或黄铁矿等矿物充填(图2(a))。该类型孔隙在该区页岩中一般发育在石英、长石颗粒间，相对较少，尺寸几百纳米至几微米不等。晶间孔发育主要与黏土矿物、碳酸岩矿物相关(图2(b))。黏土矿物晶间孔是指存在于黏土矿物间的微孔隙，其尺寸多位于几十纳米到几百纳米(图2(c))。碳酸盐岩晶间孔主要由碳酸盐矿物在重结晶过程中形成(图2(d))。泌阳凹陷页岩中方解石的溶解与重结晶现象十分丰富，方解石重结晶晶间孔较发育，孔径较大，在1～3 μm。扫描电镜下观察，泌阳凹陷页岩中莓状黄铁矿大量存在，且其晶间微孔隙比较发育，尺寸为几百纳米。溶蚀孔隙发育主要与方解石和长石的溶蚀有关，在方解石、长石相对发育的页岩段，溶蚀孔隙发育程度高，发育尺寸与溶蚀的程度有关，尺寸相对较大，多在几百纳米以上(图2(e))。而有机质孔隙受盆地热演化程度的影响，以长条或条带状的边缘孔隙发育为主，尺寸在几纳米至几百纳米。除此之外，泌阳凹陷页岩还发育大量受构造、沉积、成岩等多种因素的影响而形成的微裂缝(图2(g))。

图2 泌阳凹陷陆相页岩储集空间类型Fig.2 Spatial type map of continental shale reservoir in Biyang Depression

2.2 储集物性

核磁共振、SPR法等多种实验测试结果表明，泌阳凹陷页岩平均孔隙度大于4%，高于页岩油的经济开采孔隙度。泌页HF1井页岩岩芯核磁共振实验测试有效孔隙度2.73%～12.50%，平均5.78%；脉冲基质渗透率为0.000 31×10-3～0.016 00×10-3μm2，平均0.003 50×10-3μm2。安深1井页岩核磁共振实测有效孔隙度2.06%～11.45%，平均为4.76%，脉冲基质渗透率在0.000 22×10-3～0.017 00×10-3μm2，平均0.003 00×10-3μm2。SRP法测得的泌页HF1井页岩孔隙度1.55%～7.23%，平均4.63%；压降基质渗透率为0.47×10-9～3.12×10-9μm2，平均1.56×10-9μm2。不同实验方法测试的孔隙度大小相当，但渗透率有所差异，主要是受实验方法的影响。压降法测试渗透率是在粉碎页岩岩芯后测的岩芯渗透率，由于裂缝遭受碾碎破坏，会大大降低渗透率的测试值。物性分析数据结合储层微观孔隙发育特征，认为泌阳凹陷页岩有机质孔隙边缘孔、碳酸盐岩溶蚀孔隙尺寸发育更大，对储层的宏观物性具有更高的贡献值。

3 页岩油赋存特征

泌阳凹陷页岩储层主要以纳米级孔喉为主。研究表明，以纳米级孔喉占储集空间主体的页岩油储层中，由于孔喉尺寸过小，产生的毛细管阻力较大，单凭浮力和水动力无法使油分子突破喉道进行运移，油气主要为源内滞留聚集，或小规模连续油相短距离运移。页岩油源内运移动力主要为生烃增压和扩散作用力，运移方式为差异生烃超压驱动、滞胀—扩散聚集。不同孔喉介质，其运移方式有一定差异，微米级孔喉以体积流方式运聚，纳米级孔喉以分子扩散流运聚为主[10-12]。从泌阳凹陷页岩储层含油特征来看，泌阳凹陷厚度较大的页岩生油后，由于厚度较大的页岩排烃效率很低，造成油气“滞留”在页岩中。而滞留成藏的页岩油主要以吸附油和游离油2种方式赋存在孔隙及裂缝中，其中游离油主要赋存在层间缝、构造缝以及较大的基质孔隙内，其分布主要受基质孔隙、裂缝影响；吸附油主要赋存在有机质及黏土矿物颗粒表面[13-14]。以前人认识为基础，结合上述对页岩储层基质孔隙和物性的认识，本文重点对泌阳凹陷页岩吸附油和游离油的赋存状态开展了进一步的实验研究，为页岩油富集目标优选提供理论支持。

吸附油是指吸附在干酪根和黏土颗粒表面的液态石油烃[15]。实验表明，泌阳凹陷深凹区泥页岩颗粒很细，吸附油含量与有机质发育程度、有机质表面积、矿物组成、热演化程度、地层压力等密切相关。有机质丰度与吸附油含量呈正相关关系，有机质丰度越高，吸附油量越大；页岩有机质的表面积越大，干酪根表面吸附油量越大；页岩黏土矿物中伊利石含量越丰富，比表面积越大，吸附油含量越丰富；热演化程度越高，泥页岩生成液态吸附油量越高，同时有机质演化形成的微孔隙体积增加，吸附油量增加；地层压力增高，一般条件下吸附油含量增高。总体看，吸附油在页岩储层中的赋存状态主要受有机质与黏土颗粒的形态和分布影响。泌阳凹陷富有有机质页岩中的有机质一般是呈无定型、分散状分布的，黏土矿物颗粒一般是呈块状、层状、纹层状分布，因此，有机质与黏土颗粒吸附的油分布产状主要呈分散状、层状、纹层状等赋存状态，在荧光薄片及场发射扫描电镜下同样可以清晰看到黏土矿物吸附的液态石油烃类(图3(d)、图3(e))。综上可以看出，泌阳凹陷页岩中有机碳含量、黏土矿物含量越高的区域，富含吸附油的概率和量也越大。

泌阳凹陷钻井取芯、荧光薄片、场发射电镜等资料显示，泌阳凹陷构造缝、层间缝及基质孔隙内均可见游离的页岩油(图3)，主要呈层状及线状分布。游离态页岩油含量主要与页岩有机质丰度、有机质孔隙、基质孔隙、裂缝等有关。有机质丰度越高，有机质孔隙越发育，有机质转换成游离液态烃的含量越高，则游离态页岩油含量越丰富；基质孔隙越发育，孔隙度越高，游离态页岩油含量越高；页岩中往往发育层间缝、构造缝等裂缝，裂缝越发育，页岩油赋存空间越发育，游离态页岩油含量也越高。

图3 泌阳凹陷页岩油赋存特征照片Fig.3 Photos of occurrence characteristics of shale oil in Biyang Depression

4 页岩孔隙测井定量评价

原油初次运移过程中会首先在孔隙度较高、大孔隙较发育的源内“甜点”区聚集，之后才会从源岩中排出，运移至储集层。因此良好的储集能力是制约页岩油富集的重要因素，页岩油勘探应着力寻找高孔渗“甜点”区[16]。根据本文的认识，泌阳凹陷同等地层压力和热演化程度的单套页岩层中有机碳含量和黏土矿物越高，宏观孔缝和基质孔隙越发育的区域页岩油更富集，有机碳含量、黏土矿物含量、宏观孔缝的实验数据相对多，表征也相对容易。而基质孔隙仅靠实验数据测试点少，且费用高，本文考虑利用常规测井曲线建立泌阳凹陷页岩孔隙定量表征相关模型，定量评价其发育特征，从而解决上述难题。

4.1 测井模型的建立

考虑泌阳凹陷页岩主要发育溶蚀孔、粒间孔、晶间孔、有机质孔4种孔隙类型，这4种孔隙类型根据赋存状态可简化为三大孔隙类型，分别为有机质孔、脆性矿物孔以及黏土矿物孔，以此为基础，建立页岩孔隙度测井计算模型。建立模型如下：

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

式中，Φ为页岩孔隙度；ρ为页岩岩石密度；ABri、Aclay、AToc分别为脆性矿物、黏土和有机质三者的质量百分含量；VBri、Vclay、VToc分别为脆性矿物、黏土和有机质三者单位质量内微孔隙体积，即3种物质单位质量对孔隙的贡献。

根据泌阳凹陷泌页HF1井、安深1井等页岩相关数据，利用最小二乘回归分析法，拟合泌阳凹陷页岩的VBri、Vclay、VToc值，结果分别为0.036 0、0.001 2、0.127 0 cm3/g。

4.2 测井定量评价

利用上述公式和求取的参数，对泌页HF1井不同井段的有机质孔、脆性矿物孔以及黏土矿物孔发育情况进行计算，泌页HF1井计算孔隙度纵向分布如图4所示，可以明确反映各个孔隙类型在不同井段的发育比例。泌页HF1井2 416.3～2 451.2 m井段，黏土矿物孔隙度所占总孔隙度比例最大，有机质孔隙度次之，脆性矿物孔隙度所占总孔隙度比例最小，总孔隙度多分布在4%～6%，不同井段不同岩相孔隙度差异明显。考虑计算结果的可靠性，将3种孔隙度求和与核磁实验实测孔隙度进行对比，结果显示其具有一定的吻合性(图5)，说明该模型对于泌阳凹陷页岩孔隙度的计算具有一定的适用性。对于区域内没有实测数据的页岩井段，可以利用此方法定量评价各类型孔隙发育比例和大小，从而为寻找微观孔隙发育区提供指导建议。