松遼盆地南部青山口組頁巖油儲集空間及富集模式研究

劉晨璞

(大慶油田有限責任公司勘探事業部，黑龍江 大慶 163453)

0 引言

目前，頁巖孔隙度的類型、成因和控制因素得到了廣泛研究[1-3]。研究表明，頁巖孔隙的豐度主要受礦物組成和有機質含量的控制，孔隙體積、表面積和尺寸分布隨成熟度而變化。關于頁巖孔隙演化的研究，主要采用掃描電子顯微鏡、聚焦離子束研磨、低壓氣體吸附和壓汞毛細管壓力，從天然樣品和熱解實驗中的人工樣品中獲取孔隙特征[4]。Chen 和 Xiao[5]研究了一系列等效鏡質體反射率在0.69%～4.19% Ro的人造頁巖樣品的微孔和中孔特征，發現頁巖孔隙體積的變化與成熟度、總有機質含量、碳(TOC)含量及石油的生成和裂解有關，對于富有機質頁巖，孔隙體積在成熟度范圍內從油窗增加到3.5% Ro ，然后略有下降。Hu[6]分析了一系列無水熱解實驗獲得的頁巖樣品的孔隙特性，發現孔隙體積隨著成熟度從0.27% Ro 增加到2.09% Ro。Guo等[7]使用含 II 型干酪根的湖相長7頁巖樣品，在封閉和半封閉單元中進行熱解實驗，獲得了一系列不同成熟度的頁巖樣品，隨著成熟度的增加，由于液態烴的生成、排出和裂解，孔隙體積先減小后增大。相比之下，有研究報道，使用長7頁巖樣品的含水熱解樣品的孔隙體積隨著成熟度的增加而增加，這種反向趨勢表明實驗方法對孔隙演化具有重要影響。

為了消除烴類滯留和裂解對頁巖孔隙演化的影響，應使用有機溶劑提取的頁巖樣品。研究表明，頁巖孔隙體積演化的差異可能是由TOC含量、有機質類型、礦物組成和熱解方法等因素造成的。對于自然系列，調查樣品一般選自不同的沉積相，難以區分樣品非均質性的影響。通過使用成熟度低的單個頁巖樣品進行熱解實驗，可以在很大程度上克服這個問題。鑒于水、水壓和巖石靜壓都會影響烴類的生成，來自無水熱解實驗的人造頁巖樣品可能無法充分表征頁巖的孔隙演化[8-10]。此外，研究中的大多數頁巖樣品都是海相頁巖。相對于海相頁巖而言，陸相頁巖具有更高的氣候敏感性，導致巖相縱橫向變化較快，硅質以陸源碎屑石英為主；相對于小型斷陷內源湖盆群，大型坳陷陸源碎屑湖盆表現為均一的整體沉降，湖底地形簡單平緩，由于淺水三角洲物源輸入充沛，古水體性質以淡水為主，湖盆邊緣主要沉積粗粒和富含碎屑的相帶，在半深湖-深湖區沉積的頁巖貧碳酸鹽礦物，為黏土礦物含量較高的純頁巖，因此松遼盆地青山口組頁巖油的勘探難以照搬海相細粒沉積體系和咸化湖盆混積體系的頁巖油勘探經驗，在巖性巖相分析的基礎上，對大型坳陷陸源碎屑湖盆大面積發育的半深湖-深湖區頁巖開展巖相空間展布、儲集空間類型與頁巖油富集模式研究極為重要。

1 材料與方法

1.1 樣本

初始熱解樣品采自松遼盆地上青山口組一段。 原始樣品的地球化學特征表明，該樣品富含有機質，成熟度低，烴類潛力高。

初始樣品經過熱解儀得到一系列人工樣品，其成熟度為 0.71%～1.56% EASY%Ro。將每個人工樣品分成兩部分。使用二氯甲烷和甲醇的25∶2 vol/vol 混合物對一個餾分進行索氏提取，以獲得提取的樣品。將未經萃取的頁巖樣品稱為人工樣品，使用二氯甲烷和甲醇混合萃取的樣品稱為萃取樣品。

1.2 TOC

提取前后的研究樣品根據標準方案通過 Rock-Eval (RE) 6 進行測量。將所研究的樣品在表面清潔后粉化至100目(<150 μm)，并將粉狀樣品進行RE 6儀器處理，使用 CS-230元素分析儀測量TOC。準備分析程序時，用5% HCl在80℃下處理約100 mg干燥的粉狀頁巖樣品，以去除碳酸鹽。

用去離子水洗滌樣品，以除去殘留的HCl。將處理后的粉末與鐵粉和鎢錫合金作為添加劑混合，使用O2作為助燃氣體，N2作為載氣。將燃燒溫度提高到3 000℃，通過有機物燃燒產生的CO2的峰面積計算TOC。

2 結果與討論

2.1 礦物成分

提取樣品的礦物組成見圖1。黏土礦物占優勢，其次是石英、長石、黃鐵礦和方解石。黏土礦物含量在45.9wt%～56.6wt%，平均為52.3wt%。石英含量從24.0wt%～31.3wt%不等，平均為26.9wt%。

圖1 提取樣品的礦物組成Fig.1 Mineral composition of the samples

2.2 有機地球化學特征

基于含水熱解實驗中使用的加熱速率，使用 Sweeny和 Burnham建立的方法計算研究樣品的鏡質體反射率。隨著 EASY%Ro的增加，參數S1在減小之前先增大。TOC含量、S2、S1+S2和HI均隨著EASY%Ro的增加而降低。然而，對于0.89% EASY%Ro的樣品，上述這些參數高于前一個溫度點(0.82% EASY%Ro)。提取后S1參數顯著降低，而TOC含量、S2 和HI略有降低。所研究樣品的T最大值隨著EASY%Ro降低。

2.3 CO2 吸附等溫線

圖 5 顯示了含水熱解實驗后頁巖樣品的 CO2吸附等溫線，低壓CO2吸附等溫線為I型。對于人工樣品，吸附CO2體積沒有明顯趨勢。對于提取的樣品，樣品的 CO2吸附量隨著 EASY%Ro 從 0.71% 到 1.08% 的增加而減少，相比之下，吸附體積從1.14%增加到1.56% EASY%Ro，提取樣品的 CO2吸附量遠高于人工樣品。

2.4 N2吸附等溫線

研究樣品的 N2吸附等溫線如圖 2 所示。根據 Brunauer、Deming、Deming 和 Teller 分類，N2吸附等溫線為 II 型。所有樣品均顯示 H4型滯后。除 EASY%Ro 為 0.71% 的樣品外，提取樣品的 N2吸附量均高于大部分人工樣品。

圖2 來自含水熱解實驗的頁巖樣品的 N2 等溫線Fig.2 N2 isotherm of shale samples from containing water pyrolysis experiment

低壓氣體(CO2和N2)吸附實驗被廣泛用于表征頁巖的孔隙結構。兩種方法可以分別得到0.35～2 nm(CO2)和1.7～300 nm(N2)范圍內孔的體積、表面積和孔徑分布。甲烷(CH4)吸附可以用來反映吸附氣勢，因為甲烷始終是天然氣中的主要成分。研究人員經常將低壓氣體吸附和甲烷吸附參數中的孔隙結構參數結合起來，研究孔隙特征對頁巖吸附天然氣能力的控制。本研究重點探索湖相頁巖的孔隙演化，來自低壓吸附實驗的數據分析如下：

研究樣品的低壓CO2吸附等溫線為I型，表明研究樣品含有微孔。N2吸附等溫線為II型，表示多層吸附，可以使用BET理論對樣品進行分析，所有樣品均表現出H4型滯后現象，表明基于de Boer分類系統的孔隙可以解釋為狹縫型。

在其他頁巖中已廣泛觀察到微孔體積與 TOC 含量之間存在強烈的正相關關系，這可以解釋為有機質比頁巖中的其他組分含有更多的微孔，但是在此樣本中找不到類似的關系。在這個成熟階段，液態烴和固態瀝青會出現一些微孔，這些微孔產生的影響比TOC含量更重要。此外，沒有發現微孔體積與各種礦物的含量之間存在任何相關性，包括石英、長石、方解石、黃鐵礦和黏土。中孔體積隨著TOC含量的增加而減小，這可能與TOC含量隨著成熟度的增加而減小有關，說明TOC含量的損失與排烴有關，而干酪根基質沒有明顯的中孔體積和礦物含量變化。

3 結論

對湖相頁巖進行了含水熱解實驗，使其達到各種成熟度，對來自熱解實驗的樣品進行索氏提取，分析了提取前后樣品的地球化學和孔隙結構數據。根據以上結果，可以得出以下結論：與天然樣品相比，熱解實驗的頁巖樣品可以大大降低地球化學和礦物成分對孔隙結構的影響，可有效用于研究頁巖孔隙演化。液態烴主要儲存在微孔中，隨著成熟度的增加，微孔先減少后增加，這是對液態烴生成和裂解的反應。中孔體積在成熟過程中不斷增加，主要受有機物分解或碳損失的控制。