松辽盆地古龙页岩油储层黏土中纳米孔和纳米缝的发现及其意义

何文渊

（1.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163002；2.黑龙江省陆相页岩油重点实验室，黑龙江 大庆 163712）

0 引 言

松辽盆地古龙凹陷的泥岩油发现较早，高瑞祺［1］在1984 年首次报道了古龙凹陷竖直裂缝型泥岩油藏。这可以看作是古龙凹陷页岩油发现和勘探开发的前奏。近期施工的井S7、井S9 等井均在页岩油勘探上取得了突破，尤其是井A1 的勘探突破具有重大战略转折意义［2］。松辽盆地页岩在纵向上具有含油层位多、油藏类型多样的特点，但由于起步较晚，资料较少，加上基础研究较薄弱，未知性也较多，页岩油的油藏类型、分布规律及成藏主控因素目前仍未彻底搞清楚，为页岩油的勘探开发带来了巨大的困难和挑战。

古龙页岩的页理缝可分为有机成因和无机成因2 种类型［2］，其垂向渗透率极低但水平渗透率较高，在覆压42 MPa 下，垂直渗透率小于0.01×10-6μm2，水 平 渗 透 率 为0.07×10-6～0.75×10-3μm2，在2 000 m 以下深度可以形成高孔渗带。但到目前为止，针对页岩中页理缝的研究还不够深入，有关页理缝的具体类型、特征、储集性能和成因方面的分析也不够透彻，需要进一步深入分析，加强认识。本文通过近期的研究发现，页岩油储层的末端主要储集空间是纳米孔和纳米缝。它们的发现对古龙页岩油的勘探开发具有理论指导意义。

1 地质概况

松辽盆地位于中国东北地区，地理位置跨越黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区，是一个以中生代地层为主的大型陆相沉积盆地，分为中央坳陷区、西部斜坡区、北部倾没区、东北隆起区、东南隆起区和西南隆起区6 个一级构造单元（图1（a））。研究区位于一级构造单元中央坳陷区中部（图1（b）），主体部分为齐家—古龙凹陷，西部与龙虎泡—大安阶地相邻，东部与大庆长垣相邻，由深层至浅层构造格局基本一致，整体表现为西北高东南低的单斜构造［3］。

图1 松辽盆地构造分区及研究区位置Fig.1 Structural division and location of studied area in Songliao Basin

松辽盆地的基底为古生代和前古生代的变质岩、火成岩等岩系，白垩纪时期是盆地的主要发育时期，在此时期，大量陆源输入的火山灰、火山碎屑岩等与湖泊相、河流相的碎屑沉积岩大量堆叠，发育了巨厚的地层。沉积层序自下而上依次为由火石岭组、沙河子组、营城组组成的下部断陷沉积层序，由登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组组成的中部坳陷沉积层序和由四方台组、明水组和新生界组成的上部反转期沉积层序（图2）［3］。青山口组时期和嫩江组时期是松辽盆地两次最大的湖泛期，湖盆面积广，水体深度大。其中在青山口组一、二段沉积时期，古气候温暖湿润，火山喷发等携带的大量营养物质有利于有机质的富集。同时较深水体下的还原环境也为有机质提供了很好的保存条件，该时期发育了大规模高有机质含量的细粒暗色泥页岩，是古龙页岩油产出的主要层段［3］。

图2 松辽盆地北部地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of northern Songliao Basin

松辽盆地青山口组的页岩油潜力巨大，经过初步勘探证实，资源量可达151×108t。该页岩油属于典型的纯页岩型（Ⅲ型）页岩油［4］，页岩中夹持的白云岩、粉砂岩等其他岩性厚度在整个地层中的厚度比例小于10%，砂体含量低，单砂体厚度一般小于0.2 m，累计厚度不超过总地层厚度的5%。从2018 年以来，随着对青山口组页岩油的全力攻关，在页岩油的含油性、储集空间类型等方面取得了较多的成果［2-12］，有效地支撑了页岩油的勘探突破。

2 古龙页岩油储层的特点

2.1 古龙页岩油储层的岩性

青山口组岩石类型主要是一套页岩占绝对优势的细粒碎屑岩，基本岩石类型还包括泥岩、粉砂岩、细砂岩、液化砂泥混合岩、介形虫灰岩以及云岩等其他岩性，沉积构造中页岩特征明显。

2.2 古龙页岩油储层的矿物组成

古龙页岩黏土矿物含量高，通过矿物定量分析表明，黏土矿物含量一般在25%～40%，以伊利石为主。较浅埋深的样品中含有一定量的蒙脱石，但随着深度增加到1 650 m 之下，蒙脱石基本消失。长英质颗粒直径在0.01 mm 以下，甚至小于3.9 μm，因而岩石在结构上显示出泥岩或页岩的特点。在薄片观测下，极易将这种黏土级别的长英质矿物归结为黏土矿物。

冯子辉等［10］通过研究发现，在青山口组储层的矿物组成中，主要为长英质矿物，其次为黏土矿物。其中，青一段矿物组成中，w（长英质矿物）为55.86%，w（黏土矿物）为32.64%；青二段砂质夹层矿物中，w（长英质矿物） 为68.31%，w（黏土矿物）为20.72%。另外，王凤兰等［7］经过研究发现，青山口组泥页岩中，黏土矿物含量在全岩中所占比例较小，一般不超过1/3。

总体来说，青山口组泥页岩层的矿物组成中，长英质矿物含量最高，其质量分数多为40%～70%，其次为黏土矿物，其质量分数一般为25%～40%，碳酸盐岩矿物含量最少，其质量分数一般为5%～20%。古龙页岩脆性矿物含量较高，与美国典型页岩油储层矿物组成具有一定的相似性，有利于后期的压裂改造。

2.3 古龙页岩油储层的纳米孔和纳米缝

古龙页岩油储层的储集空间具有多类型、多尺度和多成因的特点。由于古龙页岩油储层的黏土矿物含量较高，因而本文仅讨论由于黏土脱水收缩形成的纳米孔和纳米缝这2 种储集空间类型。

2.3.1 纳米孔

古龙页岩油储层发育了大量的纳米孔。在电子背散射图上制作了4 条能谱剖面，这些剖面在平面上交织成“井”字形，可以发现其中发育了大量的纳米孔、纳米缝（图3（a））。黑色部分不都是有机质，而是有机质与黏土矿物的混合体（或空腔）或者纳米孔、纳米缝与黏土矿物的混合体。白色部分也不都是矿物质，也存在有机质与黏土矿物的混合体或者纳米孔、纳米缝与黏土矿物的混合体，都含有较多的Si、C（图3（b）—（e）、表1）。两片或多片黏土片的末端对接往往容易发育这种纳米孔，所以很多纳米孔是由黏土矿物E-E（edge to edge）凝聚形成的产物。

2.3.1.1 形态与规模

纳米孔的形态比较复杂（图4（a）），总的是不规则多边形，主要是由多条纳米缝相互连接引起的，或者是由于纳米缝的局部膨大形成的。两片或多片黏土片的末端对接容易发育这种主要主要由黏土矿物E-E 凝聚所形成的纳米孔（图4（a）—（d））。黏土内的格架纳米孔有2 种形成方式。第1种是黏土片边缘对黏土片面，简称E-F（edge to face） 凝聚，主要形成一种三角形孔隙（图4（e））；部分纳米孔被沥青充填，一般沿纳米孔的尖端和边缘充填（图4（e））。第2 种是黏土片的边缘对边缘，简称E-E（edge to edge）凝聚（图4（f））。这种孔的特点是边缘呈锯齿状，主要是由于黏土片边缘参差不齐所引起的；纳米孔按直径大小还可以分为3 级——直径小于20 nm 的小纳米孔、直径为20～50 nm 的中纳米孔和直径大于50 nm的大纳米孔（图3、图4）。其中以小于50 nm 的中—小纳米孔为主，占整个纳米孔的比例达90%以上，但累计体积小于大纳米孔。这3 种级别的纳米孔与同时发育的一些纳米缝共同构成了一个多级多型的网状储运系统，为古龙页岩油的有效和高效开发提供了很好的基础条件。

图3 古龙页岩Y11-q24样品背散射图像及能谱Fig.3 Backscatter electron images and energy spectrum of Sample Y11-q24 of Gulong shale

2.3.1.2 连通关系及方式

纳米孔的连通性比较好，因为很多纳米孔的成因与黏土的凝聚有关，而黏土的凝聚会产生大量的F-F 凝聚体，结合形成纳米缝，这些缝基本都是连通的（图4（f））。所以，纳米孔的连通方式主要是通过纳米缝的端点对接或侧向分支进行连通。

2.3.1.3 有机质含量

对富有机质的黏土域（clay domains）作了200多个点的能谱分析，发现黏土中的纳米孔（包括纳米缝）均被有机质充填。对Y11-q24 样品作了4 条在平面上组合成“井”字形的能谱剖面，获得了25 个点的能谱分析结果（图3（a））。Y11-q24 样品的碳质量分数为17.50%～44.20%， 平均为25.07%（表1），其他样品的碳质量分数为6%～80%（如45 号点），反映了在页岩中碳质量分数的分布程度不均一。所以，推测古龙页岩有些黏土中的纳米孔和纳米缝很多都含油、沥青或其他固体有机质（如干酪根），是一种“有机黏土”。这些充填有机质的纳米孔和纳米缝是古龙页岩油的基本储集空间，共同构成了连续的页岩油藏，为古龙页岩油的箱体开发奠定了坚实的基础。

表1 Y11-q24样品能谱分析结果Table 1 Energy spectrum analysis of sample Y11-q24

2.3.1.4 成因

纳米孔的成因多半与黏土的E-E 凝聚或E-F凝聚及因凝聚形成的弱结构面或弱结构点有关，同时还与黏土的脱水收缩有关。有机质生烃形成的高压液态烃把黏土的弱结构面和弱结构点撕裂，就近富集在旁边的撕裂纳米孔和纳米缝中。所以，纳米孔和纳米缝中的液态烃经常会含有一些黏土等矿物质（图3（b）—（e）、表1）。

2.3.2 纳米缝

纳米缝可简称为“纳缝”，它是在古龙页岩油储层中新发现的一种重要的末端储集空间和运移通道。

2.3.2.1 形态与规模

纳米缝的形态总体上是缝隙状，多微弱弯曲，平面上交织呈网状（图5）。主要发育在黏土片（clay flakes）之间，是由黏土片F-F 聚合和收缩形成的（图4（f））。具体形态比较复杂，主要以两头尖中间宽的蠕虫状为主，也有两头分叉的螯状纳米缝或末端膨大分叉，有的还在侧面分叉出另一条纳米缝。

图4 古龙页岩电子背散射图中纳米孔缝微观照片Fig.4 Microphotographs of nano pores and nano fractures in backscatter electron images of Gulong shale

图5 古龙页岩背散射图中呈网状密集分布的纳米孔缝微观照片Fig.5 Microphotographs of nano pores and nano fractures distributed as dense network in backscatter electron images of Gulong shale

根据缝宽可将纳米缝分为3 种类型：第1 种是缝宽小于20 nm 的小纳米缝，缝宽小于10 nm 的小纳米缝被认为是黏土片F-F 凝聚形成的残留缝［13］，相当于碎屑岩颗粒之间的残留孔；第2 种是缝宽20～50 nm 的中纳米缝；第3 种是缝宽大于50 nm 的大纳米缝。其中以宽度小于50 nm 的中小纳米缝为主，按条数计算占整体纳米缝数量的比例达90%以上，但在储集能力和输导能力上可能远不及大纳米缝，今后有必要在这方面作进一步研究。

通过微观照片可以看出，古龙页岩在页理面或层面上还可以见到大量蠕虫状的纳米缝（图6（a）、（b））。大纳米缝宽100～200 nm，长度为数百纳米到1 μm。缝壁多呈锯齿状（图6（a））。小纳米缝宽为数十纳米，缝长为100～200 nm（图6（b））；这种纳米缝与现代干裂非常相似（图6（c）），会向下和向上扩展发育并穿透黏土片，与F-F 缝连接，形成一个立体网络系统。

图6 页岩储层黏土矿物中的脱水收缩纳米缝及其与泥裂对比Fig.6 Comparison of desiccated shrinkage nano fractures and their mud cracks in clay minerals of shale reservoir

2.3.2.2 连通关系

纳米缝的连通性比较好，甚至比纳米孔更好（图6（a）、图7），因为纳米缝的成因与纳米孔一样，大多数与黏土的凝聚和脱水收缩有关，而黏土的凝聚会产生大量的F-F 凝聚体并结合成基本连通的纳米缝。由于所有黏土片均会发生脱水收缩现象，并且具有三维形体的特点，因而，纳米缝具有很好的连通性。图6（b）显示出完美的黏土F-F凝聚体及其顺页理方向发育的F-F 面的纳米缝（红色箭头）和沥青充填，揭示了顺页理方向的连通性很好。图5 中页理面的脱水收缩缝向下延伸，在平面上密集均匀分布，从平面上揭示了纳米缝分布具有广泛性、密集性和均匀性，在平面上具有普遍连通性。黏土凝聚体因为含水量很高且受垂向压实作用而发生变形和波浪状弯曲。蠕虫状的纳米缝占优势，末端具有变大分叉的特点，有的向纳米孔转化（黄色箭头），因而纳米孔的连通性也很好，因为其本身就是纳米缝的一部分。由图7 中可以看出，由于纳米孔多处于2 条或2 条以上纳米缝的合并或连接端点处，纳米缝和纳米孔不太好区分。此外，从纳米缝和纳米孔均被沥青充填也可以看出纳米缝和纳米孔的连通性很好，否则不会被沥青充满。利用面孔率估算，沥青的质量分数应该在30%左右，古龙页岩含较多的有机质或沥青。

图7 古龙页岩中纳米孔缝的连通性特征微观照片Fig.7 Microphotographs of connectivity characteristics of nano pores and nano fractures in Gulong shale

2.3.2.3 有机质含量

在2.3.1.3 中已经对有机质含量作过分析，故不进行重复分析。

2.3.2.4 成因

纳米缝的成因与黏土的F-F 凝聚有关。古龙页岩油储层中的纳米孔、纳米缝的形成主要与生排烃形成的高压有关。干酪根生排烃会形成超压，使得应力约束失效，使有机质或黏土被击穿、撕裂，形成纳米孔和纳米缝，是古龙页岩油储层纳米孔、纳米缝形成的重要机理。所以，页岩油储层的基本储集空间确实发育在黏土矿物中，而不是发育在长英质碎屑和藻屑中。由于这些孔缝基本被沥青所充填，因而样品的物性分析结果均很差，但这并不能代表在地下高温、高压和含有大量轻质油及天然气条件下的真实物性。

2.3.3 黏土的早期成岩与孔隙度演化

页岩储层黏土的孔隙无疑与沉积—成岩演化作用有关。从以上内容可以看出，黏土储层发育了密集的类似干裂的裂缝网络（图6（a）、（b）），揭示了黏土（刚沉积时含水率为80%～90%）在成岩过程中发生过强烈的脱水收缩，形成了大量纳米级的孔缝。刚沉积下来的黏土含水量和孔隙度极大［13］，J.Schieber［14］通过实际观察，发现泥灰岩刚沉积时含水率可达85%，但随着埋藏深度逐渐增加，孔隙度和含水率急剧减小。R.H.Bennett 等［15］认为初始沉积时孔隙度为70%～75%，而在埋深为90～150 m 时孔隙度仅为50%。对井C6、井J2 和井J3 等井的岩心观察发现，在埋深400～600 m 就已经发育了很好的摩擦镜面、阶步和擦痕，这间接地表明了埋深小于400 m 黏土已经完全固结变硬变脆，孔隙度自然很小。可见黏土或泥质沉积物的孔隙度在很浅的埋藏深度就会大幅损失，也间接地证明了黏土片进行的F-F 凝聚比较彻底。

通过对现代湖泊湖底沉积黏土的含水率研究，重新建立了一个新的孔隙度与埋藏深度的关系，认为黏土的孔隙度和含水率在埋深达到600 m 之前就已经损失了80%～90%，甚至在350 m 就已经损失了80% 左右（表2、图8）。过去认为，黏土在1 500 m 的埋深，孔隙度和含水率均会减少80%（表2），现在看来达到这个孔隙度和含水率并不需要很大的埋深。黏土孔隙度的大幅降低会使黏土出现强烈的收缩，黏土片定向紧密排列，再加上蒙脱石转变为伊利石导致体积的收缩（体积缩小10%左右），黏土的干裂收缩孔（clay desiccation pores）会非常发育［13］。所以无论从竖直面还是从平面上看都会发育密集的纳米级裂缝，同时揭示了纳米孔缝在空间上是一个连通性很好的网络系统，为纳米孔缝中的油气储集和运移创造了得天独厚的条件，这也是古龙页岩油纳米孔缝中油气得以有效和高效开发的基本保证。

图8 青一段黏土孔隙度随深度变化特征Fig.8 Change of clay porosity with depth in Member Qing-1

表2 松辽盆地泥岩成岩阶段Table 2 Diagenetic stages of mudstone in Songliao Basin

2.3.4 图像分析定量描述大纳米孔缝（＞50 nm）

用图像分析定量地描述了直径大于50 nm 的大纳米孔和宽度大于50 nm 的大纳米缝（图9），孔缝面孔率在19.98%左右，如果结合电子显微镜的能谱分析结果分析，可以转化为有机质含量也在19.98%左右（图9（c））。局部尺寸大于50 nm 的纳米孔、纳米缝的面孔率可达35.10%（图9（e）），也即有机质的含量可达35.10%，与能谱分析的结果基本一致（表1）。所以可以认为古龙页岩中的黏土颗粒富含有机质。有机质主要分布在黏土内部的F-F 界面上，这种有机质是液态烃运移过去撕裂F-F 界面形成的或是原来沉积形成的，以及如何定量并精确描述页岩储层中的纳米孔缝需要在今后进一步的深入研究。

图9 背散射图像及其分析处理后的大纳米孔缝（蓝色部分）Fig.9 Backscatter electron images and analyzed large nano pores and nano fractures(blue)

2.3.5 大比例尺上有机质的能谱图

在大比例尺的背散射图（图10（a））上进行了能谱分析（图10（b）—（e）），得到图像中最黑部位的C 质量分数为40%～50%，与小比例尺上的背散射图（图3）上作的C 质量分数能谱分析结果比较接近，表明在小比例尺上作的能谱分析结果也比较可靠，没有受到采集对象面积大小的影响而出现较大的误差。大比例尺中的有机团块也不完全是纯有机质，其中混杂了很多黏土和其他矿物，间接地反映了这种有机质可能是液态烃形成的。

图10 古龙页岩Y11-q25样背散射图像及能谱Fig.10 Backscatter electron images and energy spectrum of Sample Y11-q25 of Gulong shale

3 意 义

纳米孔和纳米缝的发现对于古龙页岩油的勘探开发主要有3 方面意义：

（1）古龙页岩储层黏土中纳米孔、纳米缝的发现揭示了古龙页岩油储层的有效储集空间的尺度极小，纳米孔的直径主要为10～50 nm，中值为20～30 nm；纳米缝的宽度也主要为10～50 nm，中值也为20～30 nm，是古龙页岩油区别于其他页岩油的重要特征，正是这种特性决定了古龙页岩油的勘探开发具有自己独特的经济技术属性。

（2）纳米孔与纳米缝之间具有很好的连通性，几乎所有纳米孔与纳米缝以及纳米缝之间都能够相连相通，纳米缝又与其他大尺度的微缝和页理缝相连相通，构成了一个“四通八达”的裂缝网络系统，使古龙页岩油成为一种连续油藏，有利于深度开发。

（3）古龙页岩油储层中的纳米孔、纳米缝的形成与黏土矿物本身的结构和凝聚、脱水收缩、沉积、压实及后期的构造应力反转有关，生排烃过程中的高压撕裂作用是形成纳米孔和纳米缝的直接动力。

4 讨 论

以上简要地介绍了古龙页岩油储层黏土中的纳米孔和纳米缝，尚未涉及其他矿物和有机质中的纳米孔和纳米缝。页岩黏土中一般有5 种孔隙：①格架孔或粒间孔（Framepore）；②粒内孔（Intrapore）；③溶蚀孔（Solvopore）；④有机质内的大孔（Meceropores 或Foam pore）；⑤脱水收缩孔（Desipores）。本文仅讨论了第1 种和第5 种，其他3 种孔隙均不在本次讨论之列。在这5 种孔隙中格架孔和脱水收缩孔毫无疑问是最重要的2 种孔隙，页岩储层中的格架孔隙随着黏土矿物含量的增加而增多［13］，所以黏土矿物含量的增多对于油气的储集来说并非完全起到消极作用（对于开发压裂较为不利）。对古龙页岩油储层中格架孔和脱水收缩孔的研究工作是非常重要的，今后将深入研究黏土中的这2 种孔隙。

由于本文的研究成果仅用到了3 块样品，而且是针对有机质含量较高的黏土团粒进行的研究，是否具有普遍性还需在今后的研究当中进一步检验。此外，黏土内部的纳米孔、纳米缝中充填的有机质是生排烃过程中形成的液态烃或者天然气和轻质油的残留沥青亦或是固态干酪根，有待于今后进一步深入研究。

另外，从古龙青一段页岩w（TOC）一般为2%～4%的特点来看，本次研究获得的碳含量明显偏高，发生这种现象的原因，除了与选择的测试对象有关之外，两者之间是否存在一些系统偏差（如碳酸盐矿物干扰），或者两者之间是否存在一个对应关系，同样值得在今后工作当中深入研究。由于纳米孔和纳米缝的研究工作刚刚开始，还有很多相关问题没有解决，如纳米孔和纳米缝的测井及地震特点、形成机理、数字表征、与S1、w（TOC）及有效和优质储层之间的关系、垂向和平面分布规律等问题均需要在今后的工作中进一步研究解决。