作者简介:孙中良( 1993—),中国地质大学硕士研究生.研究方向:非常规油气地质研究.E-mail:995974375@qq.com
中文责编:英 子; 英文责编:天 澜
1)中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室,湖北武汉 430074; 2)中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院,湖北武汉 430223
1)Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of Ministry of Education, China University of Geoscience, Wuhan 430074, Hubei Province, P.R.China2)Research Institute of Exploration and Development,SINOPEC Jianghan Oilfield Branch Company, Wuhan 430223, Hubei Province, P.R.China
geology; Jianghan Basin; inter-salt shale oil; salt rhythm; mineral composition; pore structure; oiliness
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2019.03289
为精细刻画江汉盆地潜江凹陷潜江组34段第10韵律(简称Eq3410韵律)页岩的矿物组成、岩相特征组合、孔隙类型和孔径分布,判断孔隙结构的影响因素,寻找最有利的页岩油勘探目标,采用X射线衍射、低温氮气吸附、薄片观察、扫描电镜和能谱分析等方法进行研究.结果发现,潜江凹陷Eq3410韵律的矿物成分主要有白云石、方解石和黏土矿物,以及钙芒硝、石英、长石、石盐和黄铁矿等,主要岩相有泥质云岩相、云质泥岩相、灰质泥岩相和泥质灰岩相; 主要孔隙类型为白云石晶间孔、粘土矿物晶间孔和碎屑粒间孔,泥质云岩相和云质泥岩相的页岩孔隙结构较好,主要受白云石、黏土矿物和钙芒硝含量的影响.页岩油储层的总有机碳质量分数和含油性也与这些地质因素密切相关,黏土矿物质量分数约为20%、白云石质量分数约为60%的泥质云岩相为最好的页岩油勘探目标.
X-ray diffraction(XRD), low temperature nitrogen adsorption, rock pyrolysis, thin section observation, scanning electrochemical microscopy and X-ray energy dispersive spectrometer are used to determine the mineral composition, lithofacies characteristics, pore types and size distribution, and the influencing factors on pore structures of the 10 rhythm of Qian 34 formation(Eq3410 for short)of Qianjiang Sag in the Jianghan Basin. The results show that the mineral compositions of the Eq3410 rhythm are mainly dolomite, calcite, clay minerals, and anisometric glauberite, quartz, feldspar, rock salt, and pyrite. The lithofacies include argillaceous dolomite facies, dolomitic mudstone facies, calcareous mudstone facies and argillaceous limestone facies. Intercrystalline pores of dolomite and clay minerals, and detrital intergranular pores commonly develope in the shales of Eq3410 rhythm. Better pore structures mostly exist in the argillaceous dolomite facies and dolomitic mudstone facies,and their characteristics are mainly affected by dolomite, clay minerals and glauberite, so are the total organic carbon and oil content of shale oil reservoir. The shale with 20% clay minerals and 60% dolomite in argillaceous dolomite facies is the best exploration target for inter-salt shale oil reservoir.
江汉盆地作为典型的东部断陷盐湖盆地,其潜江凹陷古近系蕴含丰富的页岩油资源,是中国盐湖页岩油发育条件最好的地区之一[1].与海相页岩、淡水湖相页岩相比,盐湖盆地泥页岩相变频繁、有机质类型多、演化程度低、脆性矿物含量低、粘土含量高和成岩性差,使页岩油成藏机理和成藏条件特殊[2].江汉盆地潜江凹陷盐间页岩油储层主要为机械沉积和化学沉积的复合产物,岩性除了泥页岩外,还包括碳酸盐岩、钙芒硝岩及多种过渡岩类[3-7].盐湖沉积除具有成盐多期性和长期性、沉积连续性等特点外,其最显著的地质特征表现为盐韵律十分发育,且具多级性[8-9 ].
目前,对盐间页岩油藏的研究尚比较少,多数学者集中研究咸化湖盆页岩中有机质的富集及优质烃源岩的形成[10-12],对盐湖沉积中发育的泥页岩储集层特征的研究罕见,特别是对盐湖环境下沉积的岩性岩相与油气富集程度之间的关系开展的研究还不够深入.有学者对江汉盆地潜江凹陷盐间页岩油储层的生烃条件、储集条件及含油气性等方面进行了研究.王国力等[4-5]研究表明,该地区的总有机碳(total organic carbon,TOC)质量分数一般为1.00%~3.44%,有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1型为主,成熟度为0.5%~1.0%,热解烃量一般为0.5~30.0 mg/g; 储集空间主要以晶间孔、裂缝、溶孔为主,平均连通孔隙度为4%~15%,含油性良好.本研究在潜江凹陷W99井系统取心及大量样品分析测试的基础上,X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、薄片观察、扫描电子显微镜(scanning electrochemical microscopy, SEM)+能谱、低温氮吸附、热解等分析数据,进一步开展潜江凹陷潜34段第10韵律(以下简称Eq3410韵律)储集空间的岩性岩相划分、孔隙类型识别、孔隙结构刻画及其影响因素分析等方面的研究.
潜江凹陷位于江汉盆地中部,由于北部有强烈的大断层活动,构造上潜江凹陷表现为东西向平缓,北部较陡,南部较为平缓的箕状,深度较大,构成湖盆汇水中心[13-15].沉积物主要来源于西北方向的河流,致使沉积相从西向东呈现出盐度逐渐增大的现象,可大致分为砂泥岩相区、咸淡过渡区和盐发育区(图1).潜江凹陷盐间页岩油储层的岩性主要为泥页岩和白云岩等,纵向上可分为4段,即潜1段(Eq1)、潜2段(Eq2)、潜3段(Eq3)和潜4段(Eq4),共193个韵律,研究目的层段为潜34段第10韵律.
图1 潜江凹陷沉积相及取样位置图[6]
Fig.1 (Color online)Sedimentary facies and sample locations in the Qianjiang Sag [6]
样品取自潜江凹陷W99井Eq3410韵律,共12块.岩心照片显示Eq3410韵律页岩油储层的纹层极其发育(图2),岩性主要为白云岩和泥页岩,整体大致可分为底部主要为薄层灰色—浅灰色的白云岩,中部主要为黑色—灰色的白云岩和泥页岩,顶部主要为纹层极其发育的深黑色—褐色的泥页岩和白云岩.地层中次生充填的钙芒硝含量从底部到顶部逐渐降低.
图2 潜江凹陷W99井Eq3410韵律测井与岩相综合图
Fig.2 (Color online)Eq3410 prosodic logging and facies synthetical map of W99 well in the Qianjiang Sag
X衍射实验采用荷兰帕纳科公司型号为X'Pert PRODY2198的X射线衍射仪,在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成.测试条件为:CuKα射线,Ni滤波,40 kV,30 mA.
低温氮气吸脱附实验,采用美国麦克公司生产的ASAP2020全自动比表面积及微孔/中孔分析仪,该仪器孔径测量范围为0.35~500.00 nm,在中国地质大学(武汉)构造与油气教育部重点实验室完成.测试条件为:低温-195.8 ℃,压力为97.3~127.0 kPa.
环境扫描电镜和能谱实验采用FEI有限公司生产的Quanta 450FEG环境扫描电子显微镜与SDD Inca X-Max 50 X射线能谱仪,在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成.测试条件为:0.2~30.0 kV,连续可调,真空环境.
场发射扫描电镜为日本 Hitachi生产的日立冷场发射扫描电子显微镜,型号为SU8010,在中国科学院微生物研究所完成,测试条件为:加速电压0.1~30.0 kV,观测倍率为20~1 200 000.
全岩XRD测试结果显示潜江凹陷W99井Eq3410韵律的矿物成分总体表现为低黏土矿物、低石英、高碳酸盐的特征(图3),但非均质性较强:碳酸盐矿物含量较多,且白云石与方解石互为消长关系.方解石仅在部分样品中存在,其质量分数w(方解石)在6.9%~43.8%,平均值为24.1%; 白云石普遍存在但含量差异明显, w(白云石)在2.5%~61.2%,平均值为27.0%; 硫酸盐矿物分布不均,仅在少数样品中发育, w(硫酸盐)在7.1%~92.7%,平均值为55.7%; w(黏土)在1.0%~45.2%内,平均值为20.5%; 石英和长石普遍发育但含量较少, w(石英)在2.3%~18.6%,平均值为9.5%; w(长石)在0.7%~1.9%,平均值为1.1%; 石盐与黄铁矿普遍含量较低.根据“碎屑(石英+长石+黏土矿物)-方解石-白云石”三端元图进行的岩相分类,潜江凹陷W99井Eq3410韵律的岩相主要为泥质云岩相、云质泥岩相、灰质泥岩相和泥质灰岩相(图4).结合图2可知,潜江凹陷W99井Eq3410韵律上段主要为富碳纹层状泥质云岩相,中段富碳纹层状泥质云岩相和纹层状灰质泥岩相,下段主要为富碳纹层状云质泥岩相.
图3 潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩样品矿物成分条形图
Fig.3 (Color online)A bar chart of the mineral composition of Eq3410 prosodic shale samples in the W99 well of Qianjiang Sag
图4 潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩样品岩相分类图
Fig.4 (Color online)Classification diagram of Eq3410 prosodic shale samples in the W99 well of Qianjiang Sag
图5为潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩样品氮吸附曲线图(每种岩相选取1块样品).由图5可见,潜江凹陷W99井Eq3410韵律的氮吸附-脱附曲线属于S型特征,滞回环狭小,吸附-脱附曲线近乎平行,孔隙结构类似于H3和H4型特征,表明该地区的孔隙类型为层状狭缝型孔隙[16-20],低温氮吸附曲线在相对压力(吸附质平衡蒸汽压与吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压的比值, 即p/p0)小于0.8时普遍上升缓慢,后段急剧上升,持续升至相对压力为1.0时仍未呈现饱和状态,说明该地区样品含有一定量的中孔和大孔.吸附/脱附滞回环随着样品颜色的加深(以及TOC含量的增加),吸附量减少,回滞环开口逐渐减小,说明中孔逐渐减少,孔隙结构逐渐变差.
图5 潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩样品氮吸附曲线图
Fig.5 (Color online)Nitrogen adsorption curve of Eq3410 prosodic shale sample in the W99 well of Qianjiang Sag
基于国际理论与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)对页岩储层孔径的分类[21],Eq3410韵律页岩样品的孔隙体积以宏孔体积为主,中孔体积次之,微孔体积最小(图6).其中,每个孔径从左到右展示了样品W99-1到W99-17的孔体积比例).
图6 潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩不同孔径范围内的孔体积比例直方图
Fig.6 The pore volume ratio histogram of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag
为更好地对比不同样品孔隙结构之间的差别,本研究选取了8块样品,来分析潜江凹陷W99井Eq3410的韵律页岩孔体积与孔径关系,结果如图7.由图7可见,从不同孔径下孔体积的集中范围和随孔径增加累计孔体积变化趋势来看,孔径在中孔及大孔范围内分布较广,当孔径>10 nm时,大部分样品的累计孔体积开始明显增加,且随孔径增大,累计孔体积的增加速率也有所提高.不同岩相的累计孔体积变化有所差异,泥质云岩相的样品在宏孔范围内的累计孔体积增速明显高于其他岩相,同一岩相不同样品的累计孔体积也有所区别,如样品W99-17和样品W99-13.
由图8的场发射扫描电子显微镜下薄片资料可见,潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩样品的孔隙空间多样.其中,图8(a)为主要发育黏土矿物层间孔; 图8(b)为白云石晶间孔; 图8(c)、(d)和(e)为碎屑粒间孔; 图8(c)、(e)和(f)为碳酸盐和石英颗粒粒内孔; 所有扫描电镜结果均未见有机孔.有机质多赋存在在碎屑颗粒粒间孔边缘及白云石晶间孔内,如图8(b)、(c)和(e),钙芒硝多为次生,充填在孔隙内,如图8(d).
有机质会影响泥页岩的孔隙结构,一方面有机质生烃过程中会产生酸性流体对碳酸盐、长石等不稳定矿物产生溶蚀作用; 另一方面,干酪根生成烃类并在有机质排除过程中会使有机质本身产生大量的孔隙[22].但研究发现,潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩总孔隙体积与TOC含量呈弱负相关(图9),反映TOC含量越高越不利于页岩总孔体积的发育,推测主要是由于富含有机质的样品受压实程度较强; 扫描电镜显示,研究区黏土矿物受压实作用多定向排列,如图8(a)和(g),反映较强的压实作用.另外,电镜照片显示,有机质内未发现有机孔隙的存在,如图8(c)和(g),发生此现象可能与该地区的有机质演化程度较低(成熟度RO≈0.6%)有关[23-24].
已有对潜江凹陷潜江组的岩相的研究发现,不同岩相的储集物性有很大的不同[5].相比较而言,潜江凹陷W99井Eq3410韵律的4种岩相中,云质泥岩相和泥质云岩相的孔隙结构相对较好(图6和图7),主要表现为云质泥岩相与泥质云岩相的孔径和总孔体积相对较大,样品中孔径大于50 nm的宏孔约占60%以上(图6).对孔体积而言,云质泥岩相与泥质云岩相页岩样品的孔径在到达中孔时,累计孔体积迅速增加,其中泥质云岩相孔径在100 nm左右时体积更加明显(图7),说明存在更大孔径的孔隙,对孔隙体积增加起重要贡献.
图7 潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩孔体积与孔径关系图
Fig.7 The relationship between pore volume and pore size distribution of Eq3410 in the W99 well of Qianjiang Sag
图8 场发射扫描电子显微镜下潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩主要孔隙类型
Fig.8 (Color online)The main pore types of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag using field emission scanning electron microscope
图9 潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩TOC含量与总孔体积关系散点图
Fig.9 TOC content and total pore volume relationship scatter diagram of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag
进一步研究发现,白云石、黏土矿物和钙芒硝的含量对页岩样品的孔隙结构有明显影响.样品W99- 6与样品W99-9的矿物组成基本相似(图3),主要差别是方解石和白云石含量不同.样品W99- 6的白云石质量分数仅为3.6%,方解石质量分数为32.8%; 而样品W99-9的白云石质量分数为27.2%,方解石质量分数为15.9%,反映在孔隙结构上(图7)为白云石含量高、方解石含量低、孔隙结构好(样品W99-9),单位孔体积在中孔和宏孔都有较高的峰值,累计孔体积在宏孔范围内差异逐渐变大,说明白云石主要促进了宏孔的发育,同薄片与扫描电镜观察发现大量白云石晶间孔可很好的对应.
样品W99-8与样品W99-17的矿物组成主要是碳酸盐和为黏土矿物含量的不同(图3),表现在孔隙结构上(图7)为黏土矿物含量较高的样品(W99-17)单位孔体积在中孔范围内有较高的峰值,白云石含量较高的样品(样品W99-8)孔径较大,两者总的孔隙结构差异不明显,也进一步说明,白云石晶间孔和黏土矿物层间孔对潜江凹陷页岩油储层具有同等重要的地位.
本地区钙芒硝分布不均且差异较大.由图7可知,样品W99-18与样品W99-16主要为钙芒硝含量和黏土矿物含量的不同: 样品W99-8不含钙芒硝,黏土矿物质量分数为31.5%,样品W99-16浅灰-灰色钙芒硝质量分数为14.7%,黏土矿物质量分数为22.3%,表现在孔隙结构上为较高黏土含量、不含钙芒硝的样品(样品W99-8)在中孔与宏孔范围内的孔体积普遍高于含钙芒硝的样品(样品W99-16),由于高黏土矿物的样品一般中孔发育,说明钙芒硝抑制了样品中宏孔的发育.
图 10展示了潜江凹陷W99井Eq3410韵律不同页岩样品TOC与S1的关系.由图 10可知,除钙芒硝含量较高的样品外,该地区的TOC与S1都普遍偏高,其中泥质云岩相样品的含油最好,普遍大于6 mg/g,w(TOC)普遍高于2%,灰质泥岩相次之,含油性与w(TOC)都有所降低,S1普遍在5~8 mg/g,w(TOC)≈2%~3%, 钙芒硝含量较高样品的含油性与w(TOC)普遍较低.含油饱和度指数(oil saturation index, OSI)为S1与TOC的比,其值与矿物成分之间的关系见图 11.由图 11可见,OSI随黏土矿物含量先增后降,在w(黏土)=20%时达到最大,说明样品中黏土矿物的存在能提供储集空间,有助于游离烃的富集,但过高的黏土矿物含量会导致样品塑形变强、受挤压程度强,从而降低孔隙,使得部分灰质泥岩相和云质泥岩相的样品具有高黏土矿物、低含油性的特征; OSI与碳酸盐矿物含量(特别是白云石)大致正相关,在w(碳酸盐)>60%后油饱和度指数略有降低趋势,说明样品中碳酸盐矿物可提供大量的储集空间有助于游离烃的富集; 部分云质泥岩相和泥质云岩相具有高碳酸盐矿物、低含油性的特征,主要是由于钙芒硝所致; OSI与钙芒硝大致负相关,说明钙芒硝的存在充填孔隙空间,不利于游离烃的富集.
图 10 潜江凹陷W99井Eq3410韵律不同页岩样品TOC与S1关系图
Fig.10 The relationship between TOC and S1 in different shale samples of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag
图 11 潜江凹陷W99井Eq3410韵律页岩矿物成分与含油饱和度指数关系图
Fig.11 The relationship between mineral composition and oil saturation index of the Eq3410 prosodic shale in the W99 well of Qianjiang Sag
1)潜江凹陷Eq3410韵律页岩的矿物成分主要有白云石、方解石和黏土矿物,还有少量的石英、长石、石盐和黄铁矿,岩相主要为云质泥岩相、泥质云岩相、灰质泥岩相和泥质灰岩相.
2)潜江凹陷Eq3410韵律页岩的孔隙类型主要白云石晶间孔、黏土矿物层间孔和碎屑矿物粒间孔,少量的石英粒内孔,未发现有机孔的存在.
3)潜江凹陷Eq3410韵律页岩的孔径主要为中孔和宏孔,云质泥岩相与泥质云岩相孔隙结构较好,孔隙结构差异主要受矿物含量的影响,一定含量的白云石、黏土矿物都不同程度的改善孔隙结构,而钙芒硝对孔隙结构有破坏作用; 有机质含量增加,页岩孔隙结构略有变差的趋势.
4)潜江凹陷Eq3410韵律页岩中泥质云岩相和灰质泥岩相的TOC、含油性较好,其中黏土矿物质量分数约为20%、白云石质量分数约为60%的泥质白云岩相为最有利的页岩油勘探目标.
深圳大学学报理工版
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