滄東凹陷孔二段低熟頁巖納米孔隙特征及主控因素

張盼盼，劉小平，關 銘，孫 彪

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(北京)，北京 102249；3.中國地質大學(北京)，北京 100083)

0 引 言

頁巖儲層孔隙特征是頁巖油氣資源潛力評價的關鍵參數之一，對油氣富集規律的研究具有重要意義[1-2]。目前，中國對頁巖儲集空間的研究主要聚焦于南方海相成熟、高成熟頁巖[3-4]，大量研究證實有機質孔是高、過成熟頁巖中的優勢孔隙類型，是頁巖氣賦存的主要場所。然而，前人對中國東部廣泛發育的湖相低熟富有機質頁巖層系的研究相對較少，尤其是低熟頁巖納米孔隙及其發育演化特征的研究更少。黃驊坳陷滄東凹陷是中國東部典型的湖相富油凹陷，其中，孔二段是主要的低熟頁巖層系，也是主要產油層系。前人針對滄東凹陷孔二段的研究主要集中在頁巖油的形成條件和分布特征等方面，對儲層納米孔隙特征開展的研究并不多。為此，選取滄東凹陷孔二段頁巖樣品，運用有機地球化學測試、掃描電鏡、低溫氮氣吸附等技術，對孔二段頁巖納米孔隙進行分析，并結合成巖演化、礦物組分、總有機碳含量和有機質賦存形式探討了納米孔隙發育的主控因素，為湖相低熟頁巖的儲層評價和勘探開發提供了參考。

1 區域地質概況

滄東凹陷是渤海灣盆地中的一個二級構造單元，為典型的富烴凹陷。現今構造由孔店、舍女寺2個正向構造帶和南皮、孔西、孔東3個斜坡構造構成(圖1)。其中，孔店組二段地層為一套深湖—半深湖相泥頁巖，形成于凹陷湖盆發育階段，主要沉積了黑色油頁巖、灰黑色泥巖、砂巖、白云巖等，自下而上可分為4個亞段。下部的第4亞段為三角洲沉積的砂體，上部的3個亞段為一大套頁巖沉積系統，泥頁巖的累計厚度為400 m，并發育較多的砂巖和碳酸鹽巖夾層。孔二段頁巖有機質豐度高，有機質類型以Ⅰ和Ⅱ1型為主，Ro含量為0.40%～1.30%[5]。近年來，滄東凹陷孔二段的勘探開發表明該區頁巖油具有良好的勘探前景[6]。

圖1 滄東凹陷構造單元劃分及樣品井位分布Fig.1 The structural unit division and sampled welllocation distribution in Cangdong Sag

2 樣品測試及結果

以孔二段為研究對象，選取6口井的12塊樣品分別進行X衍射、有機地球化學測試、掃描電鏡、低溫氮氣吸附等測試工作。

2.1 巖石礦物學特征

滄東凹陷孔二段頁巖礦物成分主要為碎屑礦物和黏土礦物，還有少量的碳酸鹽巖和黃鐵礦。其中，脆性礦物含量為25.1%～82.7%，平均為41.6%；黏土礦物含量為17.3%～67.2%，平均為35.0%。

2.2 頁巖有機地球化學特征

對孔二段頁巖樣品進行地球化學分析，測試結果表明，孔二段頁巖整體上表現為高豐度、低成熟的特征。TOC含量為0.48%～7.23%，平均為4.93%，Ro含量為0.45%～0.84%，處于低成熟階段(圖2)。

圖2 孔二段頁巖樣品地球化學特征Fig.2 The geochemical characteristics of shale samples from the Member 2 of Kongdian Formation

2.3 頁巖納米孔隙形態特征

利用氬離子拋光-場發射掃描電子顯微鏡對滄東凹陷孔二段頁巖樣品的孔隙進行詳細觀察和識別。研究區孔二段頁巖孔隙主要為礦物基質孔隙和有機質孔，礦物基質孔隙分為粒間孔、晶間孔及溶蝕孔等，其中，晶間孔、溶蝕孔、有機質收縮縫發育豐度較高，有機質孔次之。

2.3.1 礦物基質孔隙

研究區孔二段頁巖礦物基質孔隙分為粒間孔、晶間孔及溶蝕孔(圖3a、b)。粒間孔主要發育在石英、長石等脆性礦物顆粒周圍，孔隙形態呈長條形、縫狀，寬度一般在幾百納米到幾微米左右；晶間孔一般發育在黃鐵礦、方解石、石英和黏土等晶體粗大、晶形較好的礦物顆粒內，黃鐵礦晶間孔、白云石晶間孔及黏土礦物晶間孔是研究區最常見的晶間孔類型，孔徑一般為400～2 000 nm；溶蝕孔常見于方解石、長石等顆粒內及顆粒間，呈鋸齒、長條、橢圓等形態，孔徑在幾百納米到幾微米間，少數溶蝕孔被其他礦物充填。

圖3 孔二段頁巖儲層納米孔隙特征Fig.3 The characteristics of nano-pores in shale reservoirs in the Member 2 of Kongdian Formation

2.3.2 有機質孔

研究區孔二段發育湖相頁巖，演化階段處于低熟階段，有機質孔特征與海相頁巖差異較大。氬離子拋光-場發射掃描電子顯微鏡觀察分析表明，孔二段有機質孔可以大致劃分為2種類型：第1種孔隙為有機質收縮縫，其主要沿有機質與礦物基質邊緣發育，呈長條形、彎片狀，孔徑在幾百納米到幾微米之間。此類孔隙在一定程度上連通了有機質與礦物基質孔，可將有機質中生成的油氣運送到礦物質基質孔中保存下來，有利于頁巖油氣的儲集，起到微裂縫的作用(圖3c)。第2種孔隙主要發育在有機質內部，是傳統意義上的有機質孔(圖3d)。此類有機質孔形態常呈凹坑狀、不規則形，少數呈近球狀、橢球狀及長條形。孔徑變化范圍較大，以納米級為主，孔隙直徑多為50～600 nm，個別可達1～2 μm。孔隙分布較分散，孔深較淺，非均質性較強。

2.4 頁巖納米孔隙結構特征

低溫氮氣吸附法可定量測定頁巖孔隙結構、孔徑大小分布及比表面積。該文通過對研究區12個樣品進行低溫氮氣吸附-脫附實驗，計算其比表面積及總孔體積，分析孔隙結構及孔徑分布特征。

2.4.1 氮氣吸附-脫附曲線特征

利用12個樣品的吸附和脫附數據分別繪制吸附-脫附曲線，根據曲線形態及滯后環的形狀來推斷樣品的孔隙結構特征。參照IUPAC的分類標準[7]，孔二段頁巖樣品吸附-脫附回線整體上與H3型回線接近(圖4)，表明孔二段頁巖儲層的孔隙結構總體呈一定無規則的、四周開放的平行板狀等特征。封閉性的孔隙不能產生吸附回線，且吸附線的上升速率越大說明孔隙開放的程度越大。而12個樣品均可產生吸附回線，且吸附線上升速率一般，因此，孔二段頁巖儲層孔隙形態整體上呈較開放的狀態，孔隙開放程度中等。

圖4 孔二段頁巖樣品的吸附-脫附等溫線與H3型對比Fig.4 The comparison of adsorption-desorption isotherms of shale samples from the Member 2 of Kongdian Formation with Type H3

2.4.2 孔隙結構特征

孔二段低熟頁巖樣品的比表面積為0.040 3～18.666 0 m2/g，平均為2.931 0 m2/g；總孔體積為0.000 3～0.048 4 cm3/g，平均為0.009 4 cm3/g；孔徑為6.19～20.68 nm，平均為11.94 nm。根據IUPAC的分類，將頁巖樣品的比表面積和孔體積按微孔(小于2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(大于50 nm)進行分類統計(圖5a、b)。從比表面積的分布來看，微孔貢獻比表面積占比為0.094%～7.577%，平均為3.931%，介孔貢獻比表面積占比為61.21%～91.54%，平均為78.82%，宏孔貢獻比表面積為2.77%～38.69%，平均為17.25%，宏孔和介孔貢獻的總比表面積占總比表面積的95.00%以上；從孔體積的分布來看，微孔貢獻孔體積占比為0.005%～1.360%，平均為0.470%，介孔貢獻孔體積占比為29.400%～81.110%，平均為50.673%，宏孔貢獻孔體積占比為17.890%～70.490%，平均為48.860%，宏孔和介孔貢獻的總孔體積占總孔體積的98.000%以上。因此，頁巖中大于2 nm的宏孔和介孔提供了主要的比表面積和孔體積，是頁巖油儲存的主要場所。

3 影響納米孔隙發育的主控因素

3.1 成巖演化

滄東凹陷孔二段大部分處于中成巖階段，少量處于早成巖階段[8]。由圖5c可知，孔二段頁巖總孔體積隨著埋深的增加呈現先減小后增大、再減小再增大的趨勢。這是由于在機械壓實作用為主的早成巖階段，隨著上覆壓力的增加，礦物基質原生孔隙的數量和體積隨粒間水排出而快速降低，導致總孔體積下降；進入中成巖期，有機質進入生烴階段，生烴產生的有機質孔隙和有機質收縮縫增加了微孔和介孔體積，黏土礦物發生蒙脫石的伊利石化作用，該過程產生的粒內孔隙和收縮縫增加了介孔和宏孔的體積，研究表明，蒙脫石向伊利石轉化的過程對有機質熱演化有催化作用[9]，此時壓實作用減小的孔體積小于增加的孔體積，表現為總孔體積開始增加；隨著埋藏深度的增加，壓實作用減小的孔體積大于增加的孔體積，頁巖的總孔體積開始減少；隨著埋藏深度的增加，熱成熟度的提高使得有機質不斷生成CO2、H2S和有機酸等酸性流體，酸性流體會對長石、碳酸鹽巖等礦物進行溶蝕，促進了溶蝕孔隙的發育，有研究表明有機質熱演化形成的有機酸是引起溶蝕作用的關鍵因素[10]，溶蝕作用在長石、方解石等礦物的內部或邊緣形成孔隙，增加了介孔和宏孔體積，隨著埋深的增加，溶解速率也相應加快，總孔體積開始增加。

圖5 孔二段頁巖孔徑分布圖及孔體積與埋深關系Fig.5 The pore size distribution diagram of shale samples from the Member 2 of Kongdian Formationand the relationship between pore volume and buried depth

3.2 礦物組分

研究區頁巖樣品微孔孔體積相對于介孔和宏孔孔體積非常小，因此，將微孔、介孔的孔體積之和與礦物組分關系進行相關性分析。圖6a、b是孔二段黏土礦物含量及脆性礦物與孔隙發育情況的關系。黏土礦物含量與微孔介孔孔體積之和、宏孔孔體積、總孔體積都存在正相關關系，而脆性礦物含量與微孔介孔孔體積之和、宏孔孔體積、總孔體積相關性都不明顯。黏土礦物形態常常呈絮狀、層狀和纖維狀，形成晶層間微孔隙增加了微孔、介孔數量，其催化生作用產生的有機質孔，也提高了微孔、介孔孔體積；黏土礦物的伊利石化作用產生的孔縫，增加了介孔和宏孔的體積。因此，微孔、介孔、宏孔孔體積隨著黏土礦物含量的增加而增加。

3.3 總有機質碳含量

由圖6c可知，總有機碳含量與微孔、介孔孔體積之和、宏孔孔體積、總孔體積都存在正相關關系。有研究表明，在高成熟度頁巖中總有機碳含量與納米孔隙具有正相關關系[11]。而在孔二段低熟頁巖中，當TOC小于5.00%時，孔體積隨著TOC含量的增加緩慢增加，當TOC大于5.00%時，孔體積隨著TOC含量的增加快速增加。推斷認為在低成熟階段有機質處于生排烴初期，有機質孔發育主要受成熟度影響，有機質孔發育有限，表現孔體積隨著TOC含量的增加而緩慢增加，當TOC大于5.00%，有機質孔、有機質收縮縫和有機質溶蝕孔隙產生的孔體積數量增加明顯，從而表現出孔體積隨著TOC的升高而快速增加。

圖6 孔二段頁巖孔隙與黏土礦物含量、脆性礦物含量、總有機碳含量關系Fig.6 The relationship between the shale pores in the Member 2 of Kongdian Formation and mineral content in clay,brittle mineral content and total content of organic carbon

3.4 有機質賦存形式

根據場發射掃描電鏡下的觀察結果，將孔二段頁巖有機質分2類：①為游離態有機質，其在鏡下呈片狀、橢圓形、塊狀分布，內部基本不發育孔隙；②為粘附態有機質，是與黏土礦物呈粘附-結合態的形式存在的有機質，其在鏡下顏色較游離態淺，內部發育孔隙，多呈凹坑狀，且孔深較淺。圖3顯示同一樣品在鏡下可同時觀察到游離態有機質和粘附態有機質，可以推斷這2類有機質一定有不同的顯微組成[12]。無定形體一般與礦物緊密共生，黏土礦物本身的吸附保護作用使其成為無定形體主要的賦存載體。此外，無定形體產烴能力較高，該種有機質賦存形式對頁巖油氣的產生具有重要意義。顯微組分中的惰質組、藻類體以及鏡質組通常以游離態有機質的形式存在，無定形體一般以粘附態有機質的形式存在。結合顯微組分定量分析及掃描電鏡鏡下觀察，發現孔二段頁巖腐泥形無定形體與有機質面孔率呈正相關關系。因此，滄東凹陷孔二段低熟頁巖中呈粘附態且發育有機質孔的有機質顯微組分主要為無定形體，這與無定形體具有早期生油的特點相吻合。無定形體可能是滄東凹陷孔二段低熟油氣的主要貢獻者。

4 結 論

(1) 孔二段頁巖表現出高豐度、低成熟特征，TOC為0.48%～7.23%，平均為4.93%，Ro為0.45%～0.84%，處于早期生油階段。

(2) 孔二段頁巖納米孔隙的晶間孔、溶蝕孔隙、有機質收縮縫發育豐度較高，有機質孔次之；頁巖儲層納米孔隙形態整體上呈較開放的狀態，孔隙結構以介孔和宏孔為主，介孔的貢獻孔體積為29.4%～81.11%，平均為50.673%，宏孔的貢獻孔體積為17.89%～70.49%，平均為48.86%，宏孔和介孔貢獻的總孔體積占總孔體積的98%以上；介孔貢獻比表面積為61.21%～91.54%，平均為78.82%，宏孔貢獻比表面積為2.77%～38.69%，平均為17.25%，宏孔和介孔貢獻的總比表面積占總比表面積的95.00%以上。頁巖中大于2 nm的宏孔和介孔提供了主要的比表面積和孔體積，是頁巖油儲存的主要場所。

(3) 孔二段頁巖總孔體積隨著埋深的增加呈現先減小后增大、再減小再增大的趨勢，孔體積的變化受機械壓實、有機質生烴、黏土礦物轉化等因素的綜合影響。微孔、介孔、宏孔孔體積隨著黏土礦物含量的增加而增加。在低成熟階段，當TOC小于5.00%時，孔體積隨著TOC含量的增加緩慢增加，當TOC大于5.00%時，孔體積隨著TOC含量的增加快速增加。

(4)在低熟階段，頁巖有機質的賦存形式是頁巖有機質孔發育的關鍵因素，游離態有機質不發育有機質孔，粘附態有機質發育易有機質孔，同時，有機質孔發育程度隨著無定形體含量的增加而增大。