玛页1井风城组页岩微观孔隙特征及其影响因素

2022-02-16杨帆孟鑫王先虎余佩蓉邵广辉陈火红

新疆石油地质 2022年1期

杨帆，孟鑫，王先虎，余佩蓉，邵广辉，陈火红

（1.中国石油集团测井有限公司地质研究院，西安 710077；2.中国石油新疆油田分公司a.开发公司，b.勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000；3.中国石油集团测井有限公司新疆分公司，新疆克拉玛依 834000）

准噶尔盆地玛湖凹陷下二叠统风城组发育一套碱湖环境下独特的白云质混积岩，是玛湖凹陷多个大型油藏的烃源岩[1]。早期的油气勘探大多只将其作为烃源岩，按照常规油藏的勘探思路，在玛湖凹陷北斜坡区风城组发现风3 井区、风5 井区、风城1 井区等白云质岩油藏。2011 年，受吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油勘探突破的启发[2-3]，相继部署风南7井和风南14井，在风城组白云质岩储集层中压裂均获工业油流，证实了风城组作为页岩油开发的可能性。2018年，在勘探程度较低的北斜坡区部署玛页1 井，针对油气显示较好的细粒白云质岩段，进行直井多级分层压裂后试油，最高日产油50.6 m3，显示出风城组页岩油良好的勘探开发前景。

风城组作为准噶尔盆地一个新的陆相页岩油勘探领域，勘探程度较低，相关研究主要集中在沉积环境、烃源岩发育程度等方面[4-10]，大多是整体宏观的研究，对页岩储集层微观孔隙发育方面的研究尚处于起步阶段。与常规岩性油藏不同，页岩储集层孔隙结构复杂，储集空间主要为微纳米级尺度的孔隙，孔隙发育特征直接影响页岩油的赋存和富集。因此，有必要借助系统的实验分析，对其微观孔隙特征进行研究。笔者选取玛页1 井岩心，通过有机地化、X 射线衍射、扫描电镜、低温液氮吸附及高压压汞等多项检测，对风城组页岩孔隙类型、孔隙结构以及孔隙发育的影响因素等进行分析，以期为玛湖凹陷风城组页岩油的勘探开发提供依据。

1 地质概况

玛页1 井位于准噶尔盆地西部隆起乌夏断裂带（图1），紧邻中央坳陷玛湖凹陷，区域上邻近玛湖凹陷北斜坡区，地层发育较全，从古生界石炭系到新生界第四系皆有发育，其中二叠系由下至上发育下二叠统佳木河组和风城组、中二叠统夏子街组和下乌尔禾组，缺失上二叠统上乌尔禾组。研究区经石炭纪—二叠纪早期的演化，形成了风城组独特的碱湖沉积。玛页1 井位于碱湖边缘，主要发育滨浅湖沉积，钻遇的风城组厚度为454 m，自下而上划分为风一段、风二段和风三段，风一段顶部及风二段、风三段为暗色泥页岩与白云质岩的混杂沉积体，风一段中—下部为爆发相的火山岩，在风一段顶部—风三段见连续的油气显示，油气显示纵向跨度大，白云质储集层和烃源岩区分不明显，油藏具有源储一体和整体含油的特征。

2 玛页1井风城组页岩特征

2.1 岩石学与地化特征

根据岩心观察、岩石薄片、扫描电镜、X 射线衍射等分析鉴定结果，玛页1 井风城组页岩矿物成分多样，以石英、长石、白云石、方解石和黏土矿物为主，仅有个别样品见碳酸钠钙石、硅硼钠石等碱性矿物，且含量均在2%以下；石英、长石、白云石等脆性矿物含量占总矿物组成的90%以上，黏土矿物含量较低，普遍发育黄铁矿，个别样品中含有一定量的角闪石。

脆性矿物中，以石英和白云石为主，石英含量为4.1%～73.2%，平均为31.1%，白云石含量为2.9%～55.6%，平均为30.0%；其次为长石，含量为3.1%～64.9%，平均为21.0%；方解石含量较少，为0.6%～44.7%，平均为11.9%。黏土矿物含量为1.2%～14.0%，平均含量为4.8%，主要为伊蒙混层，相对含量平均为75.0%；其次为伊利石，相对含量平均为19.0%。黄铁矿含量为1.0%～10.2%，平均为3.9%。矿物组合具典型的混合沉积特征。

玛页1 井风城组页岩有机质以颗粒状或条带状分散赋存在泥岩中，总有机碳含量为0.34%～1.59%，平均为0.81%；镜质体反射率为0.71%～0.89%，平均约0.80%，烃源岩处于成熟阶段，具有较大的生油潜力[6]。

2.2 页岩岩相划分

目前关于页岩岩相的分类及命名，基本上是采用三端元组分法，三端元分别为碳酸盐、碎屑和黏土矿物（或有机质、火山岩等）[11-13]。本文采用碳酸盐矿物（方解石、白云石）、长英质矿物（石英、钾长石、斜长石）和黏土矿物作为三个端元，将风城组页岩划分为3 类岩相，即长英质岩岩相（Ⅱ区）、碳酸盐岩岩相（Ⅲ区）和混积岩岩相（Ⅳ区）（图2），由于混积岩岩相的样品数量较少，本文重点讨论长英质岩岩相和碳酸盐岩岩相。

3 孔隙特征

3.1 孔隙度

玛页1井风城组岩心洗油后，实测氦气孔隙度为0.17%～9.50%，平均为2.26%；洗油后饱和水核磁孔隙度为1.39%～11.38 %，平均为3.29%，属于低孔储集层。不同岩相的孔隙度存在一定差异，其中长英质岩氦气孔隙度为0.17%～5.23 %，平均为2.22%，饱和水核磁孔隙度为1.79%～11.38 %，平均为3.48%；碳酸盐岩氦气孔隙度为0.23%～5.62 %，平均为1.58%，饱和水核磁孔隙度为1.39%～6.96 %，平均为3.11%。总体上，长英质岩的孔隙度好于碳酸盐岩。

3.2 孔隙类型

玛页1 井风城组孔隙类型可分为无机孔、有机质孔和微裂缝，有机质孔发育程度较低，无机孔包括溶蚀孔、粒间孔、黏土矿物层间孔和晶间孔等（图3），储集空间以无机孔为主。

溶蚀孔包括粒内溶孔和粒间溶孔（图3a、图3b），主要由碳酸盐矿物溶蚀形成，孔隙形状多样，大小不一，孔径分布范围广，为风城组最常见的孔隙类型。粒间孔主要为残余的原生粒间孔隙，受压实和胶结作用共同影响，保存较少，见于无机矿物颗粒之间及无机矿物与有机质交界处，孔隙形状不规则，一般小于2 μm（图3 c、图3d）。黏土矿物层间孔形成于黏土矿物的排列组合，孔隙多呈三角状或狭缝状，相互之间的连通性较差（图3e）。晶间孔主要发育在黄铁矿晶体之间，一般呈不规则的多边形，尺寸较大，偶见被有机质局部充填（图3f）。微裂缝主要为黏土矿物脱水形成的收缩缝或脆性矿物破碎产生的粒间缝，呈近直线或弯曲状，裂缝延伸较长，可达几十微米（图3g、图3h），微裂缝不仅为页岩油的富集提供了空间，还对改善渗流环境有重要作用。风城组页岩有机质含量较低，有机质孔零散发育，多呈近圆状或椭圆状随机分布在有机质中（图3 i），与海相页岩的差别较大，有机质孔孔径从纳米级到微米级均有，总体对储集性能的贡献较小。

3.3 孔隙结构特征

3.3.1 孔隙形态

低温液氮吸附-脱附实验可确定页岩孔隙的整体形貌和复杂程度[14-18]，其基本方法是，利用实际测量的吸附-脱附曲线形成的“回滞环”特征，与国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）分类方案对比，进而推断出页岩的孔隙形状。

玛页1 井风城组不同岩相页岩样品的低温液氮吸附量各不相同，但吸附-脱附曲线形态组合可归纳为2 类，一种呈倒“L”型，在相对低压段（p/po＜0.80），吸附-脱附曲线近似为低斜率直线；在相对高压段（p/po＞0.80），斜率陡然上升，“回滞环”较小（图4a）。另一种吸附曲线的斜率在整个压力段平缓上升，脱附曲线在中等压力段（p/po=0.45左右）出现台阶状上升，“回滞环”相对宽大（图4b）。2 类组合形态均不同于IUPAC 的标准分类形态，而是多种标准形态的综合体现，前者为H3-H4 型，后者为H2-H3 型。根据吸附-脱附曲线与孔隙形态的对应关系[15，18]，玛页1 井风城组页岩储集层发育平行板状狭缝、楔状孔隙及墨水瓶状孔隙，与利用扫描电镜观察的结果一致。

3.3.2 孔径分布

考虑到不同实验方法测得孔径的精度和误差，将低温液氮吸附和高压压汞2 种方法联合起来表征风城组孔隙的孔径分布，对于孔径小于50 nm 的孔隙，采用低温液氮吸附实验的测量结果；孔径大于50 nm的孔隙，采用高压压汞实验的测量结果[11]。

长英质岩和碳酸盐岩2 类岩相的孔径分布规律基本一致，均为三峰状（图5），具有1 个明显的主峰，位置为30～60 nm，在8～10 nm 和100～200 nm 位置有2 个较小的峰。长英质岩100～200 nm 的峰值总体上大于碳酸盐岩，说明长英质岩更容易发育较大尺度的孔隙。

3.3.3 孔隙结构参数

根据联合表征的孔体积结果（表1），总孔体积分布区间为0.89×10-3～18.44×10-3cm3/g，主体分布在2.16×10-3～7.85×10-3cm3/g，主体平均值为4.42×10-3cm3/g，长英质岩和碳酸盐岩的总孔体积平均值分别为5.55×10-3cm3/g和6.59×10-3cm3/g，二者相差不大。

表1 玛页1井风城组页岩样品的孔隙体积分布Table 1.Pore volume distribution of shale samples from Fengcheng formation in Well Maye-1

根据前苏联学者霍多特提出的分类方案[19]，将孔隙按照孔径的大小划分为大孔（孔径大于1 000 nm）、中孔（孔径100～1 000 nm）、小孔（孔径10～100 nm）和微孔（孔径小于10 nm），玛页1井风城组页岩主要发育中孔、小孔和微孔，长英质岩的微孔、小孔和中孔体积占总孔体积的比例分别为17.54%、67.47%和14.99%，碳酸盐岩中的比例分别为18.90%、73.77%和7.33%。因此，玛页1 井风城组页岩的孔体积主要由小孔提供，是页岩油的主要储集空间，微孔和中孔的贡献较少，长英质岩的大尺度孔隙发育好于碳酸盐岩。

3.3.4 孔隙连通性

玛页1 井风城组页岩样品最大进汞饱和度为20.56%～55.76%，平均为37.36%，最大进汞饱和度大于50.00%的样品较少，均为长英质岩，长英质岩和碳酸盐岩的最大进汞饱和度平均值分别为39.31%和34.76%，长英质岩的连通性略好于碳酸盐岩，但总体连通性均较差。

通过聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）对页岩进行三维图像重构，提取不同类型的岩石组分与孔隙，可直观展示孔隙的空间分布特征[20-21]。图6是2块长英质岩样品的三维图像，图像大小为10.00 μm×10.00 μm×5.00 μm，像素分辨率为10 nm，视域内可见孔隙较为发育，但连通性差，26 号样品仅在局部呈簇状连通，簇状连通孔隙占整个样品0.39%；48号样品的连通孔隙主要为有机质边缘裂缝，呈片状，连通孔隙占整个样品的0.49%。因此，对于风城组页岩储集层，需要通过大规模的压裂来提高孔隙的连通性。

3.4 优势岩相

从实验分析结果可知，玛页1 井风城组页岩储集层中，不同岩相的孔隙类型、形态及孔径分布趋势基本一致，差异主要在于孔隙度、孔隙发育比例及连通性。长英质岩的孔隙度高于碳酸盐岩；在微观孔隙结构上，2类岩相的总孔体积也基本一致，但长英质岩的中孔占比较高，孔隙连通性也相对较好，对于页岩储集层，较大孔隙才可能赋存更多的游离油，对油藏开发更有意义，因此，长英质岩是具有相对优势的岩相。

4 孔隙发育影响因素

前人的研究成果表明，页岩储集层孔隙发育的影响因素复杂，往往受多种因素的共同控制[9，14]。沉积相、成岩作用以及构造演化等是影响孔隙发育的宏观因素，为孔隙发育提供基础条件；而储集层的有机质、矿物组分及其含量等影响孔隙的分布特征及连通性，是控制孔隙发育的直接因素。

4.1 矿物组分

研究页岩组分对孔隙发育的影响，主要是分析黏土、碳酸盐岩等矿物含量与孔隙参数的关系，其规律性地区差异显著[16，18，22]，玛页1 井风城组页岩的主要矿物为石英、白云石、长石、方解石和黏土矿物。

玛页1 井风城组微孔和小孔体积与黏土矿物含量呈正相关，相关系数分别为0.817 和0.676，中孔体积与黏土矿物含量无明显关系（图7），表明黏土矿物对页岩孔隙发育，特别是微孔和小孔的发育，具有积极作用。黏土矿物主要为伊蒙混层和伊利石，发育大量的层间孔缝（图3e），同时，黏土矿物间的相互转化易形成微裂缝，共同促进微孔和小孔的发育。

黏土矿物含量小于6%时，总孔体积与长英质矿物含量和白云石含量具有一定的正相关关系，表明这2 类矿物能促进页岩孔隙的发育。石英的物理化学性质稳定，具有较强的抗压实能力，能够保存更多的粒间孔隙；长石、白云石等矿物易被有机酸溶蚀[23]，形成次生溶蚀孔隙；脆性矿物有利于微裂缝的形成，提升孔隙的发育程度。2 类矿物中，长英质矿物和白云石含量与总孔体积的相关性较弱，表明页岩孔隙的发育不是由某一类矿物单独决定，而是受多类矿物的共同影响。进一步分析发现，2 类矿物含量与某一尺度的孔隙也无明显的相关性，其原因主要是风城组页岩矿物混积，依托于不同矿物组分发育的孔隙类型同时存在，单类型孔隙无法形成数量和孔体积的绝对优势，矿物对各尺度孔隙的发育具有同等贡献。孔隙度随各类矿物含量的增加而增大，与矿物含量和孔体积的关系一致。

4.2 有机碳含量

页岩生烃演化过程中产生的有机质孔，是页岩储集层孔隙的重要组成部分，总有机碳含量是影响有机质孔发育的主要因素[24]。从总孔体积与有机碳含量的关系可以看到（图8a），除去个别黏土矿物含量较高的数据点之外，风城组微孔、小孔和中孔的孔体积并没有随着总有机碳含量的升高出现明显的减小或增大趋势，说明有机质对孔隙发育程度的影响较弱，主要原因是研究区有机碳含量低。玛页1 井风城组页岩储集层与其他地区富含有机质、高成熟度的页岩储集层有明显差异。在海相页岩中，有机质孔通常是优势的孔隙类型，孔隙发育程度与总有机碳含量往往具有很强的正相关性[18，25]；而玛页1 井风城组有机碳含量较低，镜质体反射率不高，有机质热演化程度有限，有机质孔发育不均匀，其密集程度和大小不一，有机质孔对总孔体积的贡献较小，总孔体积主要受控于无机矿物。

总之，玛页1 井风城组页岩储集层孔隙度与总有机碳含量呈正相关性（图8b），但相关性较弱，表明有机质对页岩储集层有增孔作用，但作用并不显著。

综合对比影响风城组孔隙发育程度的因素，在微观上，孔隙体积与黏土矿物含量的相关性最好，似乎黏土矿物含量是控制孔隙发育的决定性因素，但事实上，风城组黏土矿物含量较低，黏土矿物主要影响微孔和小孔的发育。黏土矿物含量小于6%时，孔体积与黏土矿物含量无明显规律；当黏土矿物含量大于6%时，其对孔体积的影响才较明显（图7）。有机质对孔体积的影响与黏土矿物类似，在低含量时对孔体积的影响较小。因此，石英、白云石等无机矿物是控制孔隙发育程度的主要因素，依托于这些矿物发育的孔隙贡献了绝大部分的孔体积。孔隙度受各种矿物组分及有机质的共同影响，无机孔及有机质孔都有发育，均为页岩储集层贡献了储集空间。因此，对于风城组的混积岩储集层，每一类岩相都具备页岩油聚集的基本条件，玛页1 井岩心普遍含油，也印证了这一点。

长英质岩的孔隙度大于碳酸盐岩，孔隙结构也优于碳酸盐岩，是甜点发育的有利岩相。裂缝也是页岩储集层甜点优选时必需要考虑的因素，除了页岩本身是否具有微裂缝之外，更要考虑是否有利于后期压裂改造形成网状缝，脆性是影响可压裂性的重要条件。研究表明，白云石能极大地增大页岩的脆性。因此，风城组的碳酸盐岩同样具备甜点层的潜力（图9），通过大规模体积压裂，可提高页岩储集层的渗流能力，实现风城组页岩油藏的勘探突破。