江漢盆地潛江凹陷潛江組鹽間頁巖油儲層特征研究
——以潛34-10韻律為例

劉心蕊，吳世強，陳鳳玲，張 亮，杜小娟，管文靜，梁文川

(1.中國地質大學(武漢) 資源學院，武漢 430074；2.中國石化 江漢油田分公司，武漢 430035)

近年來，隨著國內外非常規油氣資源理論水平逐步提升、技術日趨完善，頁巖油成為油氣勘探開發的前沿和熱點研究領域[1-2]。中國是世界能源需求大國，2018年數據顯示，我國石油對外依存度超過70%[3]，因此，亟需建立和發展適用于中國復雜地質條件的非常規油氣資源理論，加大頁巖油氣的勘探開發力度，為國家能源安全提供保障[4-5]。我國頁巖油資源總體較豐富，但較國外資源條件具有特殊性。北美主要為海相盆地頁巖油，我國主要為陸相盆地頁巖油[6-7]。在中國陸相盆地中，江漢盆地屬于典型的陸相鹽湖盆地，在古近系潛江組鹽間頁巖中油氣顯示豐富，錄井均為油浸頁巖，120多口井見槽面顯示，50多口井獲工業油流，展現出良好的勘探開發前景。

目前，學者們針對江漢盆地潛江凹陷鹽間頁巖油儲層的生烴條件和含油性等陸續開展了大量研究并取得了豐富的成果[8-11]，探討了頁巖油儲層礦物組成、脆性特征、含油性、資源潛力和頁巖油富集機理等方面的關鍵問題。然而，由于鹽間儲層鹽韻律十分發育，巖性復雜多樣，碳酸鹽和硫酸鹽等礦物對儲層儲集空間影響較大，導致鹽間儲層巖相特征與儲集物性關系的研究相對薄弱[12]。為此，本文以潛江凹陷頁巖油顯示較好的4口探井/兼探井潛三段第四油組的第十韻律層(潛34-10)取心段為剖析對象，在巖心系統觀察描述基礎上，選取典型樣品開展巖石薄片鑒定、X衍射、高壓壓汞和孔滲等分析，評價潛34-10韻律鹽間頁巖礦物組成和巖相特征，分析巖相類型與儲集特征，落實鹽間頁巖油勘探有利巖相，以期為江漢盆地鹽間頁巖油勘探開發和有利層段的優選提供依據。

1 區域地質背景

江漢盆地是我國東部古近紀陸相含油鹽湖盆地，屬燕山運動發展起來的白堊紀—古近紀斷陷盆地，經歷了2個斷—拗旋回，主要發育了新溝嘴組和潛江組2套生儲油層系[13]。江漢盆地由枝江、江陵、陳沱口、潛江、小板、云夢、沔陽7個次級凹陷組成[13-14](圖1)，其中又以潛江凹陷為沉積沉降中心[9,15]，面積約2 530 km2。潛江凹陷潛江組由砂泥巖層和鹽韻律層頻繁交互而成，其中鹽韻律層由鹽巖層與鹽間頁巖層組成，共有193個鹽韻律層[16-17]。縱向上，潛二段沉積早期、潛三段沉積中期、潛四下段沉積晚期沉積的鹽間頁巖，既是高效優質烴源巖[18-20]，又是儲集巖。由于上下鹽巖分隔、縱向運移條件差，形成了封閉的鹽間頁巖油系統。

圖1 江漢盆地潛江凹陷構造位置與剖析井分布Fig.1 Tectonic units and well locatins in Qianjiang Sag, Jianghan Basin

2 礦物組成及巖相特征

2.1 礦物組成與巖相類型

根據潛江凹陷4口頁巖油專探井/兼探井(BYY2井、BYY1井、W99井和BX7井)潛江組潛34-10韻律鹽間頁巖層系取心段巖心系統觀察結果，對典型巖性樣品進行了系統采集與分析測試。表1為樣品全巖X衍射分析的統計結果，很顯然潛34-10韻律鹽間頁巖層系縱橫向礦物組成變化大，礦物成分復雜，主要礦物包括白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英等。其中，BX7井白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英含量平均分別為31.8%，20.7%，2.2%，22.6%，8.2%；BYY1井白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英含量平均分別為28.7%，12.2%，18.5%，10.9%，7.3%；BYY2井白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英含量平均分別為30.9%，12.4%，23.4%，9.8%，6.7%；W99井白云石、黏土礦物、鈣芒硝、方解石、石英含量平均分別為23.6%，26.7%，22.3%，9.7%，10.8%。總的來說，該韻律層主要礦物的平均含量白云石為29.3%，黏土礦物為16.0%，鈣芒硝為17.6%，方解石為12.6%，石英為7.8%。

傳統的頁巖巖相分類主要采用脆性礦物、黏土礦物和碳酸鹽礦物作為3個單元，再結合有機碳含量、紋層發育程度等特征劃分巖相。考慮到研究區的鹽湖背景和較高的鹽類礦物含量，本文以碎屑類礦物(石英+黏土+長石)、碳酸鹽類礦物(方解石+白云石)和鹽類礦物(鈣芒硝+石鹽)3大類礦物組成為基礎(圖2)，按照礦物成分—層理構造—有機質豐度作為巖相定名主要依據，識別出研究區鹽間頁巖主要的巖相類型，分別為富碳紋層狀泥質白云巖相、富碳紋層狀云/灰質泥巖相和鈣芒硝充填富碳紋層狀云質泥巖相(圖3)。

圖2 江漢盆地潛江凹陷潛34-10韻律 鹽間頁巖層主要礦物組成和巖相劃分方案Fig.2 Major mineral composition and lithofacies division of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

2.2 巖相特征

研究表明，潛江凹陷潛江組鹽間頁巖層系厚度一般為5～10 m，部分層系在局部地區可達20 m以上。4口探井揭示潛34-10韻律鹽間頁巖層系厚度較小(取心顯示在10 m左右)，但由于鹽間沉積具有成鹽多期性和長期性，導致不同巖相特征具有顯著差異[21]。

富碳紋層狀泥質白云巖相主要發育在潛34-10韻律中上部，巖石多呈深灰、黃褐色。該巖相礦物學特征表現為白云石含量最高，平均為44.1%，黏土礦物含量平均為20.3%，方解石含量平均為16.8%，石英和長石含量平均為14.7%，其余還有少量鈣石鹽、黃鐵礦及石膏等(圖3,圖4)。富碳紋層狀泥質白云巖相基質具泥晶結構，泥質、云質相互混雜，陸屑顆粒少量，部分巖石表面被石鹽覆蓋；晶間孔隙較不發育，部分巖石具紋層構造(圖5)，具有較高的有機碳含量(圖3)。

表1 江漢盆地潛江凹陷潛江組潛34-10韻律鹽間頁巖層礦物成分統計

圖3 江漢盆地潛江凹陷W99井潛江組潛34-10鹽間頁巖巖相劃分Fig.3 Lithofacies division of inter-salt shales in rhythm,Qianjiang Formation,well W99,Qianjiang Sag,Jianghan Basin

富碳紋層狀云/灰質泥巖相主要發育在潛34-10韻律中部，巖心呈灰色。該巖相礦物特征表現為黏土礦物含量較高(平均為32.3%)，石英、長石含量平均為17.4%。其中，云質泥巖中白云石含量平均為23.5%，方解石含量平均為18.3%；灰質泥巖中白云石含量平均為7.3%，方解石含量平均為35.8%(圖3,圖4)。此外，富碳紋層狀云/灰質泥巖相含少量其他礦物，如鈣芒硝、黃鐵礦等。富碳紋層狀云/灰質泥巖相紋層發育，富碳質暗色紋層與富灰質亮色紋層間互層，層間縫較為發育，可見局部夾有黃褐色紋層狀泥晶白云巖；泥晶灰巖紋層厚度小于1 mm，熒光下紋層內部可見波狀有機質條帶，具有較高的有機碳含量(圖3,圖5)。

圖4 江漢盆地潛江凹陷潛江組鹽間頁巖巖心掃描照片

圖5 江漢盆地潛江凹陷潛江組 鹽間頁巖主要礦物組構、結構特征

鈣芒硝充填富碳紋層狀云質泥巖相主要發育在潛34-10韻律底部。巖心呈淺灰色，礦物成分以黏土礦物為主，平均為34.7%，白云石含量平均為27.2%，鈣芒硝含量平均為25.5%，黃鐵礦含量平均為5.8%，石鹽含量平均為3.2%，其余礦物成分還包括方解石、石膏及硬石膏等(圖3,圖4)。鈣芒硝呈板塊狀分布，存在鈣芒硝充填，其粒徑為0.02～0.20 mm；晶間孔及微裂縫發育程度低，具有較高有機碳含量(圖3,圖5)。

3 巖相類型與頁巖儲集物性

根據潛江凹陷典型樣品儲集物性分析結果(表2)，潛江組潛34-10韻律鹽間頁巖儲層孔隙度較高，為1.9%～31.3%，平均總孔隙度為6.0%～22.%；但滲透率相對較低，為(0.06～5.1)×10-3μm2，平均為(0.55～2.18)×10-3μm2(表2)。總的來說，研究區潛34-10韻律頁巖儲層為中孔—特低滲頁巖儲層。進一步的分析表明，研究區不同巖相的儲集物性具有較大的差異，即同一韻律層儲集物性受巖相控制明顯。由圖6可見，3種巖相中富碳紋層狀泥質白云巖相、云質/灰質泥巖相儲集空間發育程度較好，其孔隙度分別為23.83%和29.38%；而鈣芒硝充填富碳紋層狀云質泥巖相儲集空間發育程度較差，其孔隙度約為14.97%。

另一方面，基于高壓壓汞測試分析顯示，富碳紋層狀泥質白云巖相孔喉半徑主要為6～410 nm，中值孔喉半徑為219 nm，孔徑大于41 nm的孔隙占總數的81%，壓汞孔隙度為19.07%，綜合表明該巖相儲集物性相對較好(圖7)。富碳紋層狀灰質泥巖相儲層孔喉半徑集中分布在6～64 nm，中值孔喉半徑為21 nm，孔徑大于41 nm的孔隙占總數的18%，壓汞孔隙度為25.17%(圖7)。鈣芒硝充填紋層狀灰質泥巖相儲層孔喉半徑主要分布在6～64 nm左右，中值孔喉半徑為21 nm，孔徑大于41 nm的孔隙占總數的27%，壓汞孔隙度為13.40%，綜合表明，該巖相儲集物性相對較差(圖7)。

表2 江漢盆地潛江凹陷潛江組 潛34-10韻律鹽間頁巖儲集物性數據Table 2 Reservoir properties of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

圖6 江漢盆地潛江凹陷王99井 潛江組潛34-10韻律鹽間頁巖巖相與孔隙度關系Fig.6 Relationship between lithofacies and porosity of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, well W99, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

4 有利巖相

頁巖儲層中烴類富集層段是頁巖油勘探開發的首選目標。目前，頁巖油開發普遍采用壓裂增產措施，即頁巖含油氣層段能否高產，在一定程度上由烴類含量以及烴類物質在壓裂改造過程中的可流動性共同決定。因此，頁巖油富集層段孔滲特征和游離烴含量是評價頁巖油經濟開發的重要參數[12,22-23]。

目前，國內外學者普遍采用熱解參數S1來代替游離烴含量以進行頁巖含油潛力分析。前人[24]研究表明，潛江凹陷潛江組潛34-10韻律層的S1介于2.73～28.47 mg/g之間，平均值為14.14 mg/g，明顯高于美國的巴肯頁巖(S1平均值為2.93 mg/g)和國內鄂爾多斯盆地長7段頁巖(S1平均值為5.24 mg/g)，表明研究區頁巖含油率較高。研究區潛34-10韻律頁巖層系上部的富碳紋層狀泥質白云巖相巖性均一，TOC含量較高(圖3)，S1值約為18.47 mg/g(圖8)，表明頁巖儲層中的含油性較好。同時，其孔隙度較高，約為23.83%，孔徑大于41 nm的孔隙占總數的81%，孔喉半徑中值高達219 nm(圖7)，有利于頁巖油的儲集和產出。因此，富碳紋層狀泥質白云巖相為鹽間頁巖油儲層中的優勢巖相，可作為研究區頁巖油勘探中的“甜點”。富碳紋層狀云/灰質泥巖相TOC含量與富碳紋層狀泥質白云巖相相當(圖3)，S1值也保持在10 mg/g左右(圖8)，孔隙度高達29.38%(圖6)，有利于頁巖油的儲集。但富碳紋層狀云/灰質泥巖相頁巖孔喉較小，孔喉半徑集中在6～64 nm(中值為21 nm)，孔徑大于41 nm的孔隙僅占總數的18%(圖7)，不利于頁巖油的產出。因此，富碳紋層狀云/灰質泥巖相開發潛能中等[12,23]。鈣芒硝充填富碳紋層狀云質泥巖相TOC含量較低(圖3)，S1值低于5 mg/g(圖8)，表明頁巖含油穩定性較差[8,10]。該巖相孔隙度較低，孔喉半徑為6～64 nm，中值孔喉半徑為21 nm，孔徑大于41 nm的孔隙占總數的27%(圖7)，其較差的孔隙空間和致密的孔喉結構不利于頁巖油的富集和產出[23-24]。此外，由于該種類型巖相頁巖鹽類含量較高，在開發過程中易造成儲層結鹽、堵塞，導致開發效果較差[12]，因此，其開發潛力相對最低。

圖7 江漢盆地潛江凹陷潛江組不同巖相儲層孔徑表征Fig.7 Distribution of pore size of shale reservoirs with different lithofacies in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

圖8 江漢盆地潛江凹陷潛江組不同巖相游離烴含量分布Fig.8 Free hydrocarbon contents of different lithofacies in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

5 結論

(1)江漢盆地潛江凹陷潛江組鹽間頁巖主要可以劃分為3種巖相類型，分別為富碳紋層狀泥質白云巖相、富碳紋層狀云/灰質泥巖相和鈣芒硝充填富碳紋層狀云質泥巖相。

(2)研究區不同巖相的儲集物性具有較大差異，其中富碳紋層狀泥質白云巖相和富碳紋層狀云/灰質泥巖相孔隙度相對較高，分別為23.83%和29.38%，而鈣芒硝充填富碳紋層狀云質泥質相孔隙度較低，為13.4%。不同巖相孔徑分布差異明顯，富碳紋層狀泥質白云巖相孔喉半徑分布范圍廣，以孔徑大于41 nm的孔隙為主，中值孔喉半徑為219 nm；而富碳紋層狀云/灰質泥巖相和鈣芒硝充填富碳紋層狀云質泥質相孔喉半徑分布范圍小，以孔徑小于41 nm的孔隙為主，中值孔喉半徑為21 nm。

(3)富碳紋層狀泥質白云巖相巖性均一，頁巖儲層中的含油性較好，良好的儲集空間和較大的孔喉結構為頁巖油的儲集和產出提供了有力的保障，是鹽間頁巖油儲層中的優勢巖相，可作為研究區頁巖油勘探中的“甜點”。