鄂尔多斯盆地南部延长组7段泥页岩储层特征及其控制因素

陈鑫, 戚明辉, 邓翔, 曹茜*

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司, 天津 300452; 2.中海油能源发展股份有限公司非常规勘探开发重点实验室, 天津 300452; 3.页岩气评价与开采四川省重点实验室, 成都 610091; 4.四川省科源工程技术测试中心有限责任公司, 成都 610091)

泥页岩结构致密且物性较差,中外学者普遍认同其为“非储层”[1-3]。页岩气不但受到油气理论研究和能源勘探界的普遍重视,而且成为社会各界共同关注的对象[4-5]。泥页岩不仅可以作为良好的烃源岩,而且也能成为优质的储集岩,对泥页岩储集性能的研究逐渐引起了地质工作者的重视[6-8]。目前,对泥页岩储集性能包括且不限于成岩作用、储层物性和储集空间演化特征的研究,已经逐渐成为非常规油气勘探开发领域亟需解决的重大地质热点课题。

岩石内的矿物组合、结构、性质等因素决定了岩石的成岩演化历程,泥页岩形成过程中各类成岩作用在时空关系上相互耦合,逐渐构成外部界面相对封闭、内部空间错综复杂的泥页岩成岩演化系统。根据北美地质专家对海相页岩成岩作用的研究成果:Loucks等[8]认为早期的压实作用可以导致泥页岩孔隙度的损失率达80%以上,压实和胶结等成岩作用、石英石和黏土矿物等富硅矿物集合体均是页岩孔隙类型、页岩储层储集性的重要控制因素之一,成岩作用是泥页岩矿物组成构成、储集空间发育特征的首要控制因素,对泥页岩的生油气能力和储油气能力也起一定的控制作用[9]。

现采用野外观察与室内实验相结合的方式,野外工作包括剖面观察、野外取样、岩性对比等工作。室内实验主要为岩石薄片鉴定方法、扫描电子显微镜技术、X射线衍射技术等技术。对鄂尔多斯盆地南部延长组7段页岩储层的矿物含量变化、组成类型、储集空间分布以及成岩作用类型进行研究,根据测定的结果厘清鄂尔多斯延长组7段泥页岩矿物纵横向分布规律,分析泥页岩中的储集空间发育特征,探讨不同成岩作用对储集空间演化的影响。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地行政区域位于甘肃省及陕西省的南部地区,盆地形成于中燕山运动(期),发展于喜马拉雅运动(期)。总体上鄂尔多斯盆构造为“南北翘而起、东翼缓而长、西翼陡而短”的近“南北”走向的不对称大向斜构造,如图1(a)所示。研究目的层为延长组陆源碎屑岩,富含有机质,整体上是一套以湖泊到河流相沉积为主的陆相沉积,延长组亚相为浅湖,发育一套粉砂岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩,具有泥岩和粉砂岩的韵律性互层现象,延长组岩石颜色以深灰色、灰绿色和灰黑色为主,在研究区的局部地区夹杂薄-中层的粉-细砂岩隔夹层,如图1(b)～图1(e)所示。延长组地层与上覆的侏罗系延安组以及下伏的中三叠统纸坊组呈典型的平行不整合接触关系。

图1 鄂尔多斯盆地延长组长7段样品位置及野外剖面图Fig.1 Sampling and outcrop locations of the Yan-Chang #7 Formation in the Ordos Basin

2 储层特征

2.1 岩石学特征

延长组7段陆源碎屑矿物由石英和长石组成,与黏土矿物不同,陆源碎屑矿物长石在埋藏过程中常常被溶蚀,形成新矿物[10]。泥页岩样品测试结果显示:研究区延长组7段泥页岩样品中石英、长石等脆性矿物含量的平均值为41.6%;石英的含量分布范围大,离散的分布在14.2%～49.3%;长石含量较高(平均值为14.2%),分布范围广,为2.8%～30.3%(图2)。有研究表明脆性矿物含量越高,泥页岩的脆性越强,越有利于储层后期压裂改造过程中形成诱导裂缝,提高压裂效果[11-12]。美国页岩气开发经验“岩石脆性越高,压裂效果越好”[13-14],很好地证明了以上结论。

图2 鄂尔多斯盆地南部延长组7段矿物组成三角图Fig.2 Mineral composition of Member 7 of Yanchang Formation in the South of Ordos Basin

全球典型的页岩气盆地储层矿物成分分布中黏土矿物成分含量一般较高,例如:Barnett页岩中的黏土矿物成分含量高达70%[14],Woodford页岩中的黏土矿物成分含量为20%～60%。鄂尔多斯盆地南部延长组7段泥页岩黏土矿物由伊利石、高岭石、蒙脱石、伊蒙混层以及绿泥石等组成,样品中黏土矿物含量小于50%的仅有一个样本数据(含量为48.48%),最高为73.02%,平均值为65.40%,同样具有黏土矿物成分含量高的典型特征。延长组7段泥页岩内的伊利石含量比例较高,为11.01%～38.21%;高岭石的含量较少,不超过黏土矿物的6%;蒙脱石和伊蒙混层的含量分布不稳定,小部分泥页岩样品内的含量偏高,平均含量为7.31%和11.42%;样品内的绿泥石占比较高,含量分布在5.11%～33.04%。相比Barnett页岩黏土矿物含量,研究区内伊利石和绿泥石的含量相对其他黏土矿物呈现较高的趋势,具有总体变化趋势比较平缓的特征。黏土矿物含量对天然气的吸附性有直接的影响。有研究结果表明:在众多黏土矿物中伊利石的吸附能力最强[15],该研究区伊利石的含量占黏土矿物总含量的一半以上,从页岩气勘探开发的角度来看,延长组7段伊利石含量较高,表明该地区的页岩具有较好的吸附性能,有利于页岩气的储存。综上所述,鄂尔多斯盆地南部延长组7段泥页岩脆性矿物石英含量变化大,长石含量较高,黏土矿物以伊利石和绿泥石为主,蒙脱石和伊蒙混层的含量不稳定且含量较少。

鄂尔多斯盆地南苑延长组7段主要发育半深湖-深湖、浅湖和三角洲前缘亚相页岩[8]。受盆地沉积水体环境、物源供给、气候变化等因素的影响,不同岩相的岩石特征呈现显著的差异性。页岩颗粒粒度小、微观形貌特征复杂、矿物成分及颗粒组构关系变换多样,成岩作用对岩石的改造强烈,即使宏观特征相似的岩石其微观形貌特征千变万化。不同岩相的页岩呈现出不同的颗粒排列组合关系。将长7泥页岩可分为4种类型,分别为富有机质黏土质泥页岩、低有机质黏土质泥页岩、富有机质黏土质泥页岩和低有机质砂质泥页岩。本次研究分别在显微镜下观测了不同类型页岩的微结构特征,发现不同类型页岩的微结构具有很大的差别。图3为鄂尔多斯盆地南部延长组7段不同岩相页岩的显微薄片照片。图3(a)和图3(b)分别为典型的4种岩相显微结构(富有机质黏土质泥页岩、低有机质黏土质泥页岩、富有机质砂质泥页岩和低有机质砂质泥页岩)。富有机质黏土质泥页岩中纹层由有机质与粉砂质(石英、岩屑、云母)分布不均而形成;纹层厚0.02～0.25 mm。石英粒径为0.02～0.16 mm,粉砂占10%,细砂占4%。有机质呈条带状分布。低有机质黏土质泥页岩以粉砂为主,偶见石英沙粒,0.3 mm,粉砂主要由石英、岩屑、少量的长石和黑云母、白云母组成,岩屑里含有火山岩屑、泥质岩屑,粒径范围为0.01～0.08 mm;极少量黄铁矿,有机质呈分散状和近条带分布。富有机质砂质泥页岩中纹层由有机质、石英、岩屑含量不等而成,纹层肉眼可见,镜下不十分清晰,粉砂质占10%;石英和岩屑粒级主要是在0.01～0.08 mm。有机质主要呈絮状、条带状分布,平行于纹层。低有机质砂质泥页岩中石英、长石、云母大小范围在0.02～0.12 mm,粉砂质含量占12%,细砂占1%。不可见纹层;有机质呈斑点和短絮状分散分布,具有定向性,有机质占4%。

图3 鄂尔多斯盆地南部7段泥页岩显微薄片Fig.3 Micro-sections of Yan-Chang #7 shale in Ordos Basin

2.2 孔隙特征

基于孔隙发育产状及成因,可知延长组7段泥页岩中储集空间主要发育有晶内(溶蚀)孔、粒内(溶蚀)孔、晶间(溶蚀)孔、粒间(溶蚀)孔、晶格间隙以及有机质孔隙。其中,晶内(溶蚀)孔和粒内(溶蚀)孔来源于长石、石英、黏土矿物等不同矿物颗粒在压实作用、溶蚀作用以及岩石矿物物化转换等复杂改造作用下形成的原生孔隙。例如:蒙脱石向伊利石转化时,生成片状或纤维状伊利石晶体粒间存在有一定量的孔隙,孔隙呈狭缝状分布,此外可见部分长石、白云石等矿物晶体因发生溶蚀作用其边缘也会产生一定的晶间孔隙,部分晶(粒)间(溶蚀)孔有效性较高,孔隙间相互连通,如图4(a)～图4(c)所示;晶(粒)内孔主要是在黏土矿物转换过程中或者黄铁矿等矿物晶体自生长过程中形成[图4(d)],孔隙的形态主要为不规则状多边形,如图4(e)和图4(f)所示;7段泥页岩在电子扫描电镜下呈现发育有机质内部孔隙的典型特征,这部分有机质内部孔隙的可能成因如下,有机质热演化过程中不断生成油气,油气不断聚积、压力不断增大,突破有机质后形成的原生微孔隙,随着有机质成熟度的增加,有机质内孔隙发育数量增加,部分相互独立的“出油/气孔”组成气孔群,如图4(g)和图4(i)所示。

图4 延长组7段泥页岩孔隙类型Fig.4 The types of shales in Yanchang 7 Member

2.3 物性特征

鄂尔多斯7段泥页岩储层的孔隙度在0.1%～4%,其中48%样品的孔隙度集中在0.1%～2.0%。渗透率在0.000 1～2 mD分布。长7页岩微裂缝的发育导致了储层的渗透率波动较大。80%样品的渗透率<0.04 mD,其中渗透率为0.000 1～0.02 mD的样品占50%,0.09～2 mD的样品约占8%。

2.4 泥页岩在空间上的分布规律

鄂尔多斯延长组7段测试样品矿物组分总体上呈现稳定的趋势,除长石外,其他矿物组分所占比例差异较小,黏土矿物一般伊利石或伊蒙混层为主,绿泥石次之。根据页岩脆性矿物和黏土矿物组成特征,将研究区样品的泥页岩组成划分为以下4类(图5)。

图5 测试样品泥页岩矿物类型Fig.5 The mineral types of tested shale samples

富伊利石型,矿物成分主要为石英+伊利石+绿泥石,石英>20%,长石0～6%,长石含量较少;有些样品则不含长石,黏土矿物含量较高,其中伊利石>30%,绿泥石>19%,并有一定比例的伊蒙混层。富伊利石、伊蒙混层型,矿物成分主要为石英+伊蒙混层+伊利石+绿泥石,脆性矿物以石英为主,石英>20%,含有极少量的长石。黏土矿物主要为伊利石+伊蒙混层,其中伊利石>14%,伊蒙混层>19%,绿泥石>18%。含长石富伊蒙混层型,矿物成分主要为石英+长石+伊蒙混层+绿泥石,其中黏土矿物以伊蒙混层为主(>50%),石英和长石>23%,脆性矿物含量相对较高,含少量的绿泥石。含长石富伊利石型,矿物成分主要为石英+长石+伊利石+绿泥石,石英含量平均约为31%,长石含量较高(>23%),碎屑矿物含量高,黏土矿物含量低(平均值为50%,伊利石>30%,绿泥石>15%)。

2.5 泥页岩在空间上的分布规律

鄂尔多斯延长组7段测试样品矿物组分总体上呈现稳定的趋势,除长石外,其他矿物组分所占比例差异较小,黏土矿物一般伊利石或伊蒙混层为主,绿泥石次之。根据页岩脆性矿物和黏土矿物组成特征,将研究区样品的泥页岩组成划分为以下4类(图5)。

富伊利石型,矿物成分主要为石英+伊利石+绿泥石,石英>20%,长石0～6%,长石含量较少;有些样品则不含长石,黏土矿物含量较高,其中伊利石>30%,绿泥石>19%,并有一定比例的伊蒙混层。

富伊利石、伊蒙混层型,矿物成分主要为石英+伊蒙混层+伊利石+绿泥石,脆性矿物以石英为主,石英>20%,含有极少量的长石。黏土矿物主要为伊利石+伊蒙混层,其中伊利石>14%,伊蒙混层>19%,绿泥石>18%。

含长石富伊蒙混层型,矿物成分主要为石英+长石+伊蒙混层+绿泥石,其中黏土矿物以伊蒙混层为主(>50%),石英和长石>23%,脆性矿物含量相对较高,含少量的绿泥石。

含长石富伊利石型,矿物成分主要为石英+长石+伊利石+绿泥石,石英含量平均约为31%,长石含量较高(>23%),碎屑矿物含量高,黏土矿物含量低(平均值为50%,伊利石>30%,绿泥石>15%)。

平面上,碎屑矿物长石从湖盆的边缘向中心呈现减少的趋势,黏土矿物伊利石含量由西南部向东南部逐渐减少,盆地西南部和东北部绿泥石含量较高;湖盆边缘以含长石富伊利石型页岩为主,湖盆中心的页岩多为富伊利石型(图6)。据X射线衍射实验结果显示,盆地延长组长石含量极不稳定,有较强的非均一性。总的分布趋势表现为,从盆地边缘向湖盆方向长石含量逐渐减少(图6)。盆地东部和西南部长石含量最高,且多有蚀变并与高变岩屑形成矿物组合,石英颗粒具波状消光的特征,反映了母岩为高级变质岩;南部长石含量次之,但石英含量较高,脆性矿物含量约为2/3,黏土矿物含量偏低;中部庆阳地区长石含量最少,有些则不含长石矿物,其含量远低于平均水平,只有6%左右。

图6 鄂尔多斯延长组矿物类型及长石、石英含量分布图Fig.6 Mineral types and content distribution of feldspar and quartz in Yanchang Formation, Ordos

3 成岩作用

3.1 压实作用

扫描电镜下观察发现:长7段泥页岩在成岩作用过程中部分矿物结构被改变,如塑性矿物、有机质等成分的形态会发生较为明显的变化,部分黏土矿物呈半定向-定向排列,部分石英、长石等脆性矿物内部发育微裂缝等现象,如图7(a)～图7(c)所示;在压实作用下,长7段泥页岩储层的储集空间呈现骤减趋势,储层物性相应的变差变坏。

图7 长7段泥页岩不同成岩作用现象Fig.7 Different diagenesis phenomena of shale in Chang 7 Member

3.2 黏土矿物转化作用

长7段泥页岩样品中不同类型黏土矿物与深度变化关系图(图8)可知,随着埋深增加,孔隙度减小,对应研究区伊利石含量呈现先增大后减小再增大的过程,高岭石和伊蒙混层含量均较少,随深度变化不明显;分析原因压大量水分的排出导致部分黏土矿物成分和结构也随之发生变化,进而导致黏土矿物粒间孔隙/粒内孔隙发生变化。结合7段泥页岩黏土矿物转化对孔隙发育的影响,既深度对孔隙度的影响可知(图8):在早期成岩阶段,随着埋深加深,泥页岩孔隙度减小,可能的原因是蒙皂石等黏土矿物吸水膨胀,导致泥页岩中的孔隙变小、喉道变窄;在中期成岩阶段,随着埋深加深,蒙脱石、伊蒙混层等黏土矿物转变为伊利石,伊蒙混层层间水脱出,矿物颗粒体积收缩形成黏土矿物间孔隙,增加储层孔隙度;伊蒙混层层间水脱出,也会导致矿物粒间或矿物层间出现塌陷现象,有利于泥页岩收缩缝发育,增加储层孔隙度。随着伊利石不断增多,黏土矿物转化成因孔以伊利石晶间隙为主,孔隙数量减少,同时受压实作用,原生晶(粒)内、间孔和黏土矿物转化成因孔都会有所减小。Berger等[15]研究表明:蒙脱石向伊利石转化是一个低能耗的自发反应,可自行发生;随着泥页岩内有机质成熟增大,钾长石的溶解增大,蒙脱石转化为伊利石的速率也在增大,形成溶蚀孔隙的速度增大;同时,泥页岩内的流体介质不断发生变化,高岭石逐渐转化为绿泥石[12]。

3.3 有机质生烃作用的影响

有机质热成熟过程中发育大量储集空间,增大了泥页岩储层的孔隙度。大量的延长组7段泥页岩扫描电镜测试结果表明:随着有机质热演化程度的增加,有机孔隙发育程度增大;随着有机质热成熟(Ro)的增大(>1.1%),大量出气孔组成“气孔群”[23];此外,有机质生烃过程中会不断释放出H2S、CO2、CH4等酸性介质,从而干扰无机成岩演化过程,并间接影响泥页岩孔隙的演化和发育历程。

3.4 溶蚀作用

Morse等[20]通过热模拟实验证明:泥页岩中干酪根热降解过程中生成有机酸(H2S、CO2、CH4等);有机碳生产有机酸的比例为1.30 mmol/g,有机质酸性流体对泥页岩中不稳定矿物产生溶蚀作用[16]。研究区延长组7段泥页岩中可以发现不同溶蚀程度的长石、碳酸盐矿物以及黄铁矿,可观察到晶(粒)间溶孔、晶(粒)内溶孔等次生孔隙,如图7(d)～图7(f)所示。

3.5 黄铁矿形成作用

扫描电镜下,研究区延长组7段泥页岩内黄铁矿多呈自形晶体和草莓状的球粒集合体形,可观察到少量被压扁后呈透镜状的黄铁矿。其中,黄铁矿集合体粒径均匀的分布在 10 nm～1 μm;部分黄铁矿晶体自生长形成过程中伴随着生成晶间孔隙[16],孔隙呈多边形分布,如图7(g)～图7(i)所示。

4 成岩作用与孔隙演化

在W11井中选取不同深度不同成熟度的泥页岩样品,并在扫描电镜下观察其成岩演化过程,可知:随着埋藏深度增大,地层压力和地温不断增高,研究区泥页岩的成熟度相应的增大,泥页岩黏土矿物具备发生重结晶,以及黏土矿物(主要为蒙脱石、伊蒙混层等)逐渐向伊利石(具有物化性质相对稳定的特点)转化的沉积环境,转化过程中黏土矿物层间水分子逐渐排出、层间阳离子移除、结晶格架单层厚度的减薄、矿物孔隙直径增大,孔隙度增加,有利于油气的保存和运移[17-18](图8)。Hower等[19]通过对地层中黏土矿物转化研究提出,当埋深超过3 000 m、对应地层温度达到70～100 ℃时,蒙脱石将向伊蒙混层、伊利石等稳定矿物转化;随着埋深的进一步加深,伊利石所占的比例将增大[20]。

早成岩阶段,延长组7段沉积物处于弱固结到半固结成岩阶段,古地温大致在65 ℃以下,镜质体反射率Ro<0.5%。晚成岩阶段,延长组7段泥页岩岩石进入深埋藏成岩阶段,延长组古地温为65～140 ℃,Ro的分布范围为0.5%～1.5%,伊蒙混层比为15%～50%,有机质热演化处于凝析油-湿气阶段。白垩世早期,延长组7段古地温已高达90 ℃,Ro达到0.5%,有机质进入早成熟阶段。白垩世晚期,延长组7段泥页岩Ro值分布于0.7%～1.1%。随着埋藏深度、古地温的增加,地层水酸性不断减小,pH不断增大,高岭石的稳定性逐渐减弱,在地层水存在K+、Ca2+、Na2+或Mg2+等离子的条件下,不稳定的高岭石会逐渐转化成稳定的蒙脱石或绿泥石,或者不稳定的高岭石和伊蒙混层反应生成稳定的伊利石[21-23]。矿物成岩演化过程使矿物的性质趋于稳定化,在此过程中伴随着孔隙体积的变化(图8和图9)。

图9 长7段泥页岩黏土矿物转化对孔隙发育的影响Fig.9 Effect of clay mineral transformation of Chang 7 shale on pore development

5 结论

对鄂尔多斯盆地南部延长组7段泥页岩矿物成分含量及分布规律研究,论述不同因素对泥页岩矿物组成及纵横分布的影响,得出如下结论。

(1)鄂尔多斯南部延长组7段岩石脆性矿物石英含量高,长石的含量极不稳定,非均一性较强,波动范围较大;黏土矿物以伊利石、伊蒙混层和绿泥石为主,碳酸盐岩、黄铁矿等其他矿物含量较少,个别矿物中含有黄铁矿,碳酸盐矿物的含量变化不明显,一般在5%左右。根据X射线衍射测试结果,将研究区泥页岩划分为以下4种类型:富伊利石型、富伊利石和伊蒙混层型、含长石富伊蒙混层型、含长石富伊利石型。

(2)平面上,碎屑矿物长石从盆地的四周向湖盆中心呈现减少的趋势。黏土矿物伊利石含量由西南部向东南部逐渐减少,盆地西南部和东北部绿泥石含量较高。纵向上,随着埋深增加,伊蒙混层的含量变化由高到低,伊利石的含量变化由低到高,矿物演化趋于矿物性质稳定化且平均孔隙体积增大[12]。页岩矿物组分与沉积环境、成岩演化和构造等因素有关。地层演化过程中成岩演化会造成不同地区纵向上矿物演化程度的差异,从而影响泥页岩矿物的组成成分。

(3)7段泥页岩中储集空间主要有:晶(粒)内(溶蚀)孔、晶(粒)间(溶蚀)孔晶间隙以及有机质孔隙,各种类型的孔隙特征及发育程度有一定的差异性。成岩作用主要有:压实作用、黏土矿物转化作用、有机质热演化生烃作用、溶蚀作用以及黄铁矿形成作用。随着埋藏深度以及有机质热演化程度的增加,压实作用明显,黏土矿物成分、结构以及对应储集空间发生变化,有机孔隙发育;有机质生烃过程中会不断释放出H2S、CO2、CH4等有机酸性介质,影响无机成岩演化历程,间接地影响泥页岩内孔隙发育特征和演化方向。7段泥页岩中可以观察到不同程度的溶蚀作用,包括长石、碳酸盐矿物以及黄铁矿,产生晶(粒)间溶孔、晶(粒)内溶孔。