松辽盆地南部洼槽下白垩统泥页岩孔隙发育特征及其控制因素

2022-05-22刘思琦李晓松李金池

大庆石油地质与开发 2022年1期

刘思琦李晓松李金池

（1. 长江大学地球科学学院，湖北武汉 430100；2. 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北武汉 430100；3. 中国石油吉林油田公司研究院，吉林松原 138000；4. 中海石油（中国）有限公司海南分公司，海南海口 570312）

0 引言

随着油气勘探理念的转变和创新，泥页岩层系中的非常规油气资源开始受到广泛关注［1‐4］。松辽盆地作为中国东北部的大型陆相含油气盆地，在中—新生代发育多套烃源岩，油气资源丰富，具有巨大的页岩油气资源潜力［5‐8］。

近年来的勘探实践表明，松辽盆地南部德惠、梨树、王府、孤店等多个断陷同样发育多套湖相泥页岩，下白垩统的火石岭组、沙河子组、营城组暗色泥页岩厚度大、有机质丰度高、成熟度高，且地层具有超压，是生油气能力很强的优质烃源岩，有利于在泥页岩层形成具有工业价值的页岩气田［9‐13］。其中，苏家屯地区营一段泥页岩的现场解吸附含气量为0.77～4.64 m3/t，平均为2.5 m3/t［14］。此外，在王府、梨树、德惠等主力生烃断陷内均有钻井试油试采获得烃类气流，预示着页岩气将成为松辽盆地南部勘探的重要领域。

孔隙类型及特征对于天然气在泥页岩中的富集起到极其关键的作用［14‐16］。宋振响等［14］认为梨树断陷苏家屯地区营一段泥页岩的微米—纳米孔隙、天然裂缝及微裂缝发育；姚嘉琪［16］针对松辽盆地南部白垩系富有机质泥页岩孔隙类型和特征做了一定的研究，认为上白垩统嫩江组、青山口组泥岩储层中裂缝广泛发育，同时受泥页岩的有机碳含量、矿物组成、力学特征、厚度、脆性等多种因素控制；高凤琳等［17‐18］指出长岭断陷沙河子组泥页岩黏土矿物中孔隙发育程度高，有机质孔隙和脆性矿物粒间孔隙次之。

然而，松辽盆地南部页岩气效益勘探开发取决于甜点区的有效刻画，而页岩气储层类型及特征研究为宏观甜点区的刻画起到关键作用。目前，松辽盆地南部页岩气还处于勘探初级阶段，对于下白垩统富有机质泥页岩孔隙的整体发育情况缺少统一认识，孔隙发育主控因素尚不明确，这些都将制约后期页岩气资源潜力评价及有利区带优选。

本文针对松辽盆地南部东南隆起区重点洼槽开展研究，结合前人取得的成果和认识，探讨泥页岩的地质特征和孔隙类型，并分析不同类型孔隙发育的主控因素，为下步页岩气整体评价和目标区优选提供依据。

1 地质概况

松辽盆地是中国东北地区大型陆相含油气盆地，沿北东—南西方向延伸，面积约为26×104km2。松辽盆地南部下白垩统共有32 个洼槽，总面积6 720 km2。其中钻井揭示泥页岩具有明显气测显示的洼槽有10 个，即中、西部断陷带的五棵树、乾北、哈什坨、孤店、查干花洼槽，东部断陷带的苏家、金山、梨南、华家、小城子洼槽（图1）。

图1 松辽盆地南部下白垩统洼槽分布Fig.1.Distribution of Lower Cretaceous trough in south Songliao Basin

研究区下白垩统主力气源岩为营城组、沙河子组、火石岭组，岩性以暗色页岩、泥岩、炭质泥岩为主，沉积厚度大，有机质丰度高，埋藏深度为2 000～4 000 m（表1）。其中，火石岭组自下而上分为3段：下段为砂砾岩或中基性火山岩；中段为灰黑色泥岩夹砂、砾岩，为湖沼相沉积；上段为中性火山岩或偏中酸性火山岩、凝灰质砾岩。沙河子组下部为砂砾岩、暗色泥岩、粉砂岩、含煤层；中部为灰黑色泥岩夹薄层砂、凝灰岩；上部为浅色砂砾岩、灰色砂、粉砂岩夹煤层。营城组下部为杂色砂砾岩、中酸性火山岩，向上变为湖相粉砂岩、深灰色泥岩；上部为浅灰色砂砾岩、砂岩与泥岩互层，向上快速变为湖相深灰色泥岩、粉砂岩。

表1 松辽盆地南部下白垩统地层发育特征及构造演化阶段Table 1 Stratigraphy of Lower Cretaceous in south Songliao Basin

本次研究主要在勘探程度相对较高的小城子、孤店、华家、苏家洼槽进行泥页岩取样，通过对泥页岩基础地球化学分析（有机碳含量、镜质体反射率以及干酪根镜检）和矿物组成分析，进行泥页岩基础地质特征研究；通过扫描电镜技术和低温氮气吸附实验，进行泥页岩储层孔隙类型、孔隙结构及其主控因素研究。

2 有机地球化学特征

本次研究通过实验分析得到有机碳质量分数w（TOC）、镜质体反射率Ro以及干酪根镜检数据，对下白垩统泥页岩有机质丰度、有机质类型和热演化程度进行描述，有机质类型计算公式为

式中：T——有机质类型指数，T≤0 为Ⅲ型，T∈（0，40）为Ⅱ2型，T∈［40，80）为Ⅱ1型，T≥80为I 型；A、B、C、D——腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组的体积分数，%。

整体上下白垩统w（TOC）为1.52%～3.00%，平均为2.1%（表2、图2（a））。Ro随深度变化规律明显，埋藏深度2 000 m 已经达到1.11%，埋藏深度4 000 m 时Ro达到3.34%，有机质进入过成熟演化阶段（表2、图2（b））。

表2 松辽盆地南部部分洼槽下白垩统泥页岩有机地球化学数据Table 1 Organic geochemical data of Lower Cretaceous mud shale in parts of troughs in south Songliao Basin

干酪根镜检结果显示，腐泥组体积分数大多数超过50%（3 个样品除外），平均61%，最大86%；惰质组次之，体积分数为11%～65%，平均为33%。

营城组和沙河子组有少量镜质组，体积分数大多小于10%。计算得到有机质类型指数一般为30～80，表明有机质类型以Ⅰ1、Ⅱ2为主（表2、图2（c））。其中，火石岭组w（TOC）为1.54%～3.00%，有机质类型为Ⅱ2、Ⅲ型，Ro为3.34%；沙河子组w（TOC）为1.52%～2.86%，有机质类型为Ⅱ1、Ⅱ2型，Ro达到2.06%，已经进入高—过成熟阶段；营城组w（TOC）为1.52%～2.00%，有机质类型为Ⅱ2型，Ro为1.11%～1.92%，也具有高热演化程度。

图2 松辽盆地南部部分洼槽下白垩统泥页岩地球化学特征Fig.2 Geochemical characteristics of Lower Cretaceous mud shale in parts of troughs of south Songliao Basin

综合分析，苏家地区营城组以及小城子地区的沙河子组泥页岩具有较高的有机碳含量，有机质热演化程度高，是页岩气富集比较有利的区带和层位；而火石岭组泥页岩埋藏深度大，有机质已进入高—过成熟热演化阶段，不利于天然气的富集。

3 岩石学特征

储层岩石学特征及矿物组成不仅影响泥页岩对油气的储集性能，也是判断储层是否具有可压性以及评价压裂效果的重点参数。

图3 展示了松辽盆地南部重点洼槽下白垩统泥页岩岩心，颜色多为深灰色和灰黑色，具有层状或块状结构，中间夹有粉砂质、凝灰质薄层。不同断陷泥页岩的矿物组成表现出较大差异。

图3 松辽盆地南部部分洼槽下白垩统泥页岩岩心照片Fig.3 Core photos of Lower Cretaceous mud shale in parts of troughs of south Songliao Basin

整体上，松辽盆地南部泥页岩矿物组成非均质性较强，φ（脆性矿物（石英+长石））为20%～60%，φ（黏土矿物）为5%～60%，还含有少量的碳酸盐矿物（方解石、白云石）；黏土矿物当中伊蒙混层体积分数大部分超过50%，华家洼槽伊蒙混层体积分数达到59%～90%（表3）。

表3 松辽盆地南部部分洼槽下白垩统页岩储层矿物组成Table 3 Mineral composition of Lower Cretaceous shale reservoirs in parts of troughs in south Songliao Basin

4 孔隙类型

烃源岩生成的烃类气在泥页岩储层中赋存状态以吸附态和游离态为主［12‐13］，其赋存状态受泥页岩储层的孔隙类型及特征影响。前人［18‐19］对泥页岩储集空间中烃类的赋存及渗流分析认为微观孔隙对泥页岩中烃类气的聚集、成藏起重要作用。

4.1 有机质孔隙

泥页岩有机质中纳米—微米级孔隙广泛发育对页岩气的储集和运移具有至关重要的作用［13，17］。通过岩心观察结合扫描电镜研究有机质孔发育特征。

岩心观察下白垩统沙河子组泥岩中，植物叶茎化石清晰可见（图3（a）），沉积时期，水体稳定，为还原环境和良好的保存条件。通过扫描电镜对泥页岩储层微观特征进行观察，有机质呈条带状、椭圆状、块状及不规则状发育（图4），与周围其他矿物成分之间有清晰的接触边界。有机质孔隙广泛发育，多呈不规则圆形、椭圆形或拱形，有受力挤压变形的痕迹。孔隙直径一般小于1 μm，最大接近16 μm。

图4 松辽盆地南部部分洼槽下白垩统泥页岩电镜扫描照片Fig.4 EM photos of Lower Cretaceous mud shale in parts of troughs of south Songliao Basin

4.2 颗粒内孔

镜下可观察到泥页岩储层中的石英颗粒、长石矿物被溶蚀形成孔隙，黄铁矿晶体排列方式可产生内部孔隙，以及生物骨架残留孔等。东南隆起区王府断陷CS38 井样品镜下可见丰富的黄铁矿，颗粒为微米级，晶间孔隙发育（图5（a）、（b））。在孤店断陷LS5井火石岭组泥页岩中也观察到莓粒状黄铁矿与条带状有机质伴生，发育晶间孔隙（图5（c）、（d））。泥页岩中的长石等易溶解矿物在有机酸作用下，颗粒内部及边缘常发生溶蚀形成孔隙。火石岭组泥页岩有钾长石沿解理溶蚀的现象（图5（e））；沙河子组泥岩存在方解石晶间孔隙，孔隙内充填有丝片状伊利石（图5（f））。总体上，研究区颗粒内孔隙多以钾、钠长石溶孔为主，溶孔多为继承矿物解理形状，孔隙直径为0.05～3.00 μm，局部可见方解石、铁白云石溶孔，但多数被丝片状伊利石等黏土矿物充填。

图5 松辽盆地南部部分洼槽下白垩统泥页岩粒内孔隙薄片照片Fig.5 Thin section photos of intragranular pores of Lower Cretaceous mud shale in parts of troughs of south Songliao Basin

4.3 粒间孔隙

梨树断陷下白垩统营城组泥页岩样品可观察到伊蒙混层、长石晶间发育微孔隙，孔隙直径一般为2～9 μm（图6（a）），孤店断陷下白垩统火石岭组页岩可观察到片状云母和丝片状伊利石发育中—微孔隙（图6（b））。粒间孔隙的孔径多为微米级别，可成为天然气的储集空间和渗流通道。

图6 松辽盆地南部部分洼槽下白垩统泥页岩粒间孔薄片照片Fig.6 Thin section photos of intergranular pores of Lower Cretaceous mud shale in parts of troughs of south Songliao Basin

4.4 微裂缝

微裂缝作为储集空间，对天然气的富集起到了重要的作用。通过镜下观察，可以发现研究区的泥页岩中存在微米级微裂缝。在王府断陷沙河子组泥页岩中可见部分块状有机质内发育微孔隙和微缝隙，宽度为4～5 μm，延伸长度大，表面成分主要为丝片状伊利石（（图7（a）、（b））。梨树断陷营城组泥页岩中可见层间缝，充填高等植物残片（图7（c））。微裂缝与沉积构造纹理伴生，延伸长度较大，宽度一般可达到微米级。

图7 松辽盆地南部部分洼槽下白垩统页岩微裂缝薄片照片Fig.7 Thin section photos of micro-fracture characteristics of Lower Cretaceous shale in parts of troughs of south Songliao Basin

5 孔隙发育控制因素

5.1 沉积环境

沉积环境对页岩储层孔隙有明显的控制作用［20］。松辽盆地南部下白垩统发育的洼槽面积一般为100～500 km2（图1），暗色泥页岩沉积过程受周边物源影响较大，形成较为复杂泥页岩岩性组合，以及各类结构构造，含粉砂质、砂质及凝灰质成分（图3）。镜下观察到大量的黄铁矿（图5），指示当时长期处于连续低能还原的沉积环境当中，有利于有机质的沉积和保存，是有机质孔隙和黄铁矿晶间孔发育的基础。

5.2 有机质类型

有机质对页岩储层的控制作用，前人［21］认为泥页岩储层孔隙系统受有机组分和无机组分共同控制。聂海宽等［22］指出Ⅱ型有机质结构复杂，热演化过程中易生成有机质孔隙，而Ⅰ型有机质颗粒较小，生成的气体较少且单个气孔的体积较小。Ⅲ型干酪根以生气为主，排烃后残余有机质中的孔隙空间有限［19］。研究区内泥页岩有机质类型以Ⅱ1和Ⅱ2为主，有机质孔隙发育较好，也证实了有机质类型对其孔隙形成的控制作用。

5.3 有机质热演化程度

有机质热演化程度与泥页岩孔隙发育密切相关［23］。研究表明，随着热演化程度增加，有机质开始转化为烃类产生孔隙，并随着有机酸流体的产出，腐蚀硅质和钙质矿物，形成溶蚀孔隙［24］。高凤琳［18］在松辽盆地南部长岭断陷沙河子组泥页岩中观察到随着镜质体反射升高，比表面积和总孔容积明显增大，表明随着热演化程度升高有机质生烃后形成了更多的孔隙（图8）。

图8 松辽盆地南部长岭断陷沙河子组泥页岩镜质体反射率与总孔容、比表面积关系[18]Fig.8 Relationship of Ro versus total pore volume and specific surface area for Lower Cretaceous Shahezi mud shale in Changling Rift of south Songliao Basin[18]

在热演化程度逐渐增加的过程中，钾离子的沉淀促进了蒙脱石向伊利石转化，促进了粒间孔和粒内孔隙的形成。

5.4 有机碳含量

有机碳含量是泥页岩气孔隙度的重要影响因素［25‐26］，Q.R.Passey 等［27］和C.H.Sondergeld 等［28］指出富有机质中有机质孔隙最多可以占总有机质体积的50%，而此时5%的w（TOC）对岩石孔隙体积的贡献多达20%。

研究区沙河子组泥页岩w（TOC）与总孔容、比表面积交会来看（图9），w（TOC）与总孔容积和比表面积整体上呈较好的正相关关系，说明有机碳含量对泥页岩储层起到一定控制作用，能够提供油气储存的空间和吸附面。

图9 松辽盆地南部洼槽沙河子组泥页岩w(TOC)与总孔容、比表面积关系Fig.9 Relationship of TOC versus total pore volume and specific surface area for Lower Cretaceous Shahezi mud shale in the troughs of south Songliao Basin

5.5 矿物组成

研究区内泥页岩中φ（石英）为10.9%～53.5%，φ（长石）为4.1%～70.4%，φ（黏土矿物）为4.6%～59.3%，这些矿物组分必定对页岩的孔隙结构起到一定的影响。扫描电镜下，可以观察到伊利石矿物与其他矿物搭建成各类形状的空间，常见有黏土晶层之间的狭长缝、颗粒之间的粒间孔和溶孔等。前人研究认为黏土矿物含量与总孔容及比表面积有较好的正相关性，不同级别孔隙的孔隙体积随着黏土矿物含量的增加有增大的趋势［29］。同时，蒙皂石向伊利石转化过程中，由体积收缩产生的微裂（孔）隙，也增加了天然气的吸附及运移空间。

脆性矿物的种类及含量不仅影响泥页岩的孔隙发育，而且对页岩气开采过程中储层的压裂改造有重要的影响［29］。研究区脆性矿物组成以石英、长石为主，在扫描电镜下可以观察到钾、钠长石沿着解理被溶蚀从而形成的粒内溶孔，同时，脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在构造应力或压裂作用下，更容易形成天然裂缝或诱导裂缝，有助于储层改造，更大程度的发挥产能。