鄂尔多斯盆地延长地区山西组页岩储层特征及影响因素

汶锋刚，朱玉双，任战利，倪 军，高鹏鹏

(1.西北大学 地质学系，西安 710069；2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，西安 710075；3.西安石油大学 外国语学院，西安 710065)

鄂尔多斯盆地是典型的叠合盆地[1]，在盆地页岩中发育多种类型的储集空间，是页岩气赋存的场所[2-4]。储集空间类型对烃类的影响较大，对地层流体的渗流能力具有重要的控制作用[5]。本文在鄂尔多斯盆地延长地区17口钻井、测井、岩心等资料的基础上，利用氩离子抛光片进行SEM观测[6]，从微观尺度分析了山西组页岩储层中的储集空间类型及其对应孔径发育情况；采用氦气膨胀法、压汞法、低压氮气吸附、二氧化碳吸附、核磁共振等定量化的测试手段[6-7]，利用全孔径孔隙结构定量表征方法[8]，对物性和孔隙结构进行了测试分析，确定了不同岩石类型的孔隙结构特征；进一步结合储层的岩石矿物学特征和地化特征，从不同尺度讨论了影响山西组储层孔隙发育和保存的各种地质因素。

1 研究区概况

鄂尔多斯盆地位于华北板块西缘，北靠阴山、大青山，南抵秦岭，西邻六盘山、贺兰山，东接吕梁山、中条山，现今的构造形态总体上呈东翼宽缓、西翼狭窄。盆地边缘断裂褶皱发育，而盆地内部构造相对简单，地层自东向西平缓倾伏，倾角小于1°。盆地可划分为6个构造单元，包括伊盟隆起、渭北隆起、西缘冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡和晋西挠褶带；地理位置横跨陕、甘、宁、蒙、晋五省区。盆地内煤炭、石油、天然气等矿产资源丰富，近年来随着石油、天然气勘探的不断深入，尤其是在天然气勘探开发研究中取得重大突破，不仅在下古生界发现并探明了大型风化壳型气藏，而且在上古生界也发现了一批有工业价值的大中型气藏，展现了天然气勘探和开发的良好前景。研究区地处鄂尔多斯盆地东南部延长地区，位于延安地区东部(图1)。

2 储集空间类型及发育特征

山西组暗色泥页岩在鄂尔多斯盆地分布广泛，且厚度大[9-10]，主要形成于湿地沼泽和三角洲环境[11]。在研究区山西组暗色泥岩厚度一般为60～80 m；平面上，其主要发育在中东部，其次为西部，南部发育最差。本文选取研究区17口井的岩心样品127块，取心层位主要为山1、山2层，取心层井深2 100～3 500 m；利用扫描电镜观测技术，在明确孔隙类型和判识标准的基础上，从山西组页岩层系中的不同岩石类型入手，对比分析页岩储层中的孔隙类型及发育特征，半定量评价不同类型孔隙的大小和发育程度，从微观角度分析研究页岩的孔隙结构和物性特征。

2.1 岩性特征

通过野外剖面观测及研究区山西组17口井的岩心观测、测井结果表明，延长探区内山西组泥页岩层系中广泛发育有黑色泥页岩、灰色泥岩、灰黑色粉砂质泥岩以及灰色细砂岩。

2.2 储集空间类型及划分

目前，在页岩储层中应用最为广泛的是LOUCKS等[11]提出的孔隙类型三元分类方案，即粒(晶)间孔、粒(晶)内孔和有机质孔[12]。本文依据此方案和判别标准，将山西组页岩储层孔隙类型分为3大类和6小类(表1)，以此对山西组泥页岩中孔隙类型进行观测和统计。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元划分及研究区位置Fig.1 Tectonic units of Ordos Basin and location of Yanchang exploration area

表1 鄂尔多斯盆地研究区山西组孔隙类型划分方案及其特征描述Table 1 Division and description of various pore types of Shanxi Formation, Yanchang area, Ordos Basin

2.3 孔隙类型和发育特征

岩石组构中有三方面影响了页岩的物性，包括矿物组成尤其是刚性颗粒的组成、支撑类型和刚性颗粒粒径。一般而言，刚性颗粒含量高和粒径大的页岩普遍具有较好的物性。有机质含量和有机质类型(沉积有机质或运移有机质)等有机质组分特征对于物性起到了关键性的影响。胶结物尤其是碳酸盐含量是影响页岩储层物性的另一个重要因素。由于研究区碳酸盐含量普遍较低，因此，以岩石组构和有机质组分为重要标准进行了岩石划分。通过岩石组构将山西组页岩划分为粉砂质页岩(刚性颗粒的含量大于10%)和黏土质页岩(刚性颗粒的含量小于10%)。在此基础上，按照有机质类型和含量继续进行区分，将有机质较为发育(TOC大于1%)定义为高TOC黏土质页岩，而将有机质含量较低(TOC小于1%)的黏土质页岩定义为低TOC黏土质页岩。通过对研究区内56块样品进行岩石热解实验，测得山西组泥页岩TOC值，有机碳含量主要分布在0～2.5%之间，平均值为2.11%。有机碳呈现出明显的双峰分布特征，一峰主要分布于0～0.6%；另一峰主要分布在1.2%～2.2%。

2.3.1 高TOC黏土质页岩

(1)粒(晶)间孔。镜下观察结果表明，泥质层中粒间孔主要为黏土矿物粒间孔，包括发育在黏土矿物与黏土矿物之间以及黏土矿物与碎屑颗粒之间的孔隙。黏土矿物碎屑颗粒之间的孔隙主要为狭缝孔，发育在面—面接触的黏土矿物颗粒之间。泥质层中还有部分黏土矿物呈点—面接触并保存了三角形或絮凝状孔隙，黏土矿物和石英、碳酸盐、黄铁矿等刚性碎屑颗粒之间的粒间孔主要发育2种形式的孔隙：其一是在较大刚性颗粒周缘的“压力影”中；其二是刚性颗粒充填于黏土矿物中。泥质层中还可见团块状局部富集的石英、长石等刚性碎屑颗粒，这些碎屑颗粒之间有的保留了部分粒间孔，本类孔隙发育较少。石英等刚性碎屑颗粒边缘易发育碳酸盐矿物形成加大边，这些加大边经溶蚀作用改造后可形成大量溶蚀孔隙，这种成因的孔隙孔径一般较大，主要分布于11～178 nm之间。该类型的溶蚀孔在山西组高TOC黏土质页岩中大量发育，是主要的粒间孔隙类型之一。

(2)粒(晶)内孔。泥质层中粒内孔发育在黏土矿物、云母、长石、石英、方解石等颗粒内部，分布十分广泛[13]。黏土矿物粒内孔，镜下能观察到的主要是云母矿物层理缝形成的粒内孔，这类孔隙呈狭缝状，发育程度明显地受到云母颗粒长轴与层理方向关系的控制，在长轴方向和层理垂直的情况下，受压实作用的影响，更易发育孔径较大的孔隙。石英粒内孔的形状普遍为近圆形。方解石粒内孔形状上更加多样，甚至在SEM图像上也能表现出彼此相连而呈蜂窝状分布，这部分孔隙存在与方解石粒间孔形成蜂窝状连通孔隙的可能性。草莓状黄铁矿内部发育的孔隙为粒内孔，孔隙呈多边形集群式分布，大部分草莓状黄铁矿粒内孔内可见有机质分布。化石骨架内也发育有孔隙，呈现出原始腔体结构，孔径从几十纳米到几百纳米，大部分被沥青充填。石英、方解石等刚性颗粒的粒内孔主要为溶蚀成因。

(3)有机质孔。有机质内部孔隙形态多为近圆形、椭圆形、三角形、多边形和不规则长条状，有机质孔或孤立发育或集群发育，有时相互连接从而形成孔径较大的有机质孔。有机质与无机矿物形成的孔隙分布于有机质与无机矿物的分界面。此外，很多的有机质并不发育有机质孔，尤其是在与细小的黏土矿物共存、沿层理面分布和赋存于水平裂缝中的有机质。综合来看，高TOC黏土质页岩的孔隙主要是黏土矿物的粒间孔、碳酸盐胶结物的溶蚀粒间孔隙、云母矿物的粒内孔和有机质孔，这些孔隙都具有发育数量大、可形成大孔(>50 nm)的能力。

2.3.2 粉砂质页岩

(1)粒(晶)间孔。通过SEM镜下观察发现，粉砂级颗粒之间存在大量的黏土矿物而不能够形成直接接触，这种现象在粒径小于3.9 μm的矿物颗粒中更为普遍。因此，粉砂质页岩中的粒(晶)间孔主要是以黏土矿物相关的孔隙为主，刚性颗粒粒间孔不发育。黏土矿物相关孔隙存在3种主要的形式：一是由石英或碳酸盐矿物等刚性颗粒可以支撑的黏土矿物孔；二是黏土矿物形成的狭缝状粒间孔；三是絮凝状黏土矿物形成的粒间孔。

(2)粒(晶)内孔。粉砂质页岩内的粒内孔主要包括云母类矿物粒内孔、石英粒内溶蚀孔、碳酸盐矿物晶内溶蚀孔和黄铁矿等含铁矿物晶内溶蚀孔[14]。云母类矿物粒内孔：粉砂质页岩内含有大量的黑、白云母，在镜下粉砂质页岩内的云母类矿物发育少量的平行于解理缝的孔隙，形态主要为狭缝状。石英粒内溶蚀孔：与高TOC黏土质页岩相比，粉砂质页岩内的石英广泛发育粒内溶蚀孔，这些孔隙主要为椭圆和近圆状，本类孔隙的孔径明显大于高TOC黏土质页岩中的石英粒内孔。碳酸盐矿物晶内溶蚀孔：与石英粒内溶蚀孔相似，本类孔隙的形状也以圆状和椭圆状为主。黄铁矿等含铁矿物晶内溶蚀孔：虽然粉砂质页岩内的黄铁矿等含铁矿物含量较少，但发育的黄铁矿等含铁矿物普遍发育有晶内溶蚀孔，这些溶蚀孔以圆状为主。

(3)有机质孔。粉砂质页岩内的有机质包括颗粒状有机质、充填于孔隙中的有机质和充填于水平状裂缝中的有机质。经过系统的观测和统计发现，粉砂质页岩内的大部分有机质并不发育有机质孔，仅在碎屑颗粒可以起到较好支撑作用的情况下，有机质孔才能较少的发育。

2.3.3 低TOC黏土质页岩

低TOC黏土质页岩的孔隙类型主要与黏土矿物有关[15]，其主要的孔隙类型包括云母粒内孔和黏土矿物的狭缝孔，少量的碎屑颗粒支撑的黏土矿物粒间孔和溶蚀孔隙。由于有机质含量较少，故少量发育的有机质也未发育孔隙。

2.4 孔隙结构和孔隙度

综合采用He孔隙膨胀法对65块山西组泥页岩层系中的样品进行了孔隙度测试，在此基础上，利用压汞法、氮气吸附法和二氧化碳吸附法、核磁共振法分别进行了孔隙结构测试和分析[16-21]。通过上述测试，重点对山西组页岩层系中不同岩石类型中能够被气体占据的有效孔隙空间进行了定量化研究。

2.4.1 孔隙度分布特征

通过(有效)孔隙度测试数据统计结果可知，所有65块样品的孔隙度平均为1.56%。其中，高TOC黏土质页岩的孔隙度平均值为1.07%；低TOC黏土质页岩孔隙度平均值为0.78%；粉砂质页岩的孔隙度平均值为2.03%，孔隙度分布具有粉砂质页岩>高TOC黏土质页岩>低TOC黏土质页岩的特征。

2.4.2 孔体积组成特征

由表2可知，在不同岩石类型间，不同孔径级别孔隙的孔体积及其对应发育比例具有较大的差异：高TOC黏土质页岩的微孔最为发育，低TOC黏土质页岩和粉砂质页岩的微孔依次减少；粉砂质页岩的中孔、大孔最为发育，低TOC黏土质页岩和高TOC黏土质页岩的中孔、大孔依次减少。

2.4.3 孔径分布特征

为了定量评价研究区山西组页岩储层的孔隙结构特征，针对上述3种主要岩石类型，利用压汞—气体吸附联用法开展全孔径孔隙结构测试分析[22]，并结合核磁共振孔隙结构测试结果，分析了不同岩石类型中主要孔径分布发育特征。

表2 鄂尔多斯盆地研究区山西组页岩不同岩石类型孔体积含量和占总孔比例统计Table 2 Pore volume content and total hole proportion of various rock types of Shanxi Formation, Yanchang area, Ordos Basin

(1)高TOC黏土质页岩孔径分布曲线呈单峰分布特征，最高峰值位于1 nm以下的微孔区间，随孔径增大，孔隙数量逐渐减少，最大孔径一般小于10 nm，1～10 nm区间孔隙发育程度较低；100 nm以下中—大孔贡献了主要的孔隙空间(图2a,b)。

(2)低TOC黏土质页岩孔径分布曲线呈多峰分布特征(图2c)，分别在1 nm以下的微孔区间和10～1 000 nm中—大孔区间分布有峰值，但其微孔处峰值明显低于高TOC黏土质页岩。低TOC黏土质页岩最大孔径一般小于10 nm，1～10 nm区间孔隙发育程度整体较低；100 nm以下中—大孔贡献了主要的孔隙空间，但与高TOC黏土质页岩相比，这部分孔隙孔径整体相对偏向小孔径方向。

(3)粉砂质页岩孔径分布曲线呈多峰分布特征(图3)，峰值分别在1 nm以下的微孔区间和10～1 000 nm中—大孔区间，其曲线形态与低TOC黏土质页岩类似，但峰值幅度明显相对较高，并且在1～10 nm孔径区间也常发育有峰值，其幅度明显高于其他2种黏土质页岩在对应孔径区间的峰值幅度，说明粉砂质页岩中微米级大孔相对最为发育。粉砂质页岩中100 nm以下中—大孔贡献了主要的孔隙空间。从整体上看，在3种岩石类型中，粉砂质页岩这部分孔隙的孔体积发育程度最高，能够提供的孔隙空间最大。

3 页岩孔隙发育的影响因素

山西组页岩中不同岩石类型在总孔体积、不同级别孔径占比上具有一定的差异性，不同岩石类型间的孔隙发育类型同样具有较大的差异，表明不同岩石类型的影响因素可能会存在一定的差异性[23]。

3.1 中孔和大孔的影响因素

由表2可知，中孔和大孔所提供给的孔体积可以达到总孔体积的70%以上，因此，中孔和大孔的含量决定了孔隙度大小。

3.1.1 粉砂质页岩

在粉砂质页岩中，有机质不仅包含干酪根等运移有机质，还包含有大量的运移沥青，并且后者占主导。干酪根生成的液态烃等经过运移后，在热裂解、生物或氧化等作用下，液态烃会发生脱挥发分作用，从而转化为运移沥青[24]。这些运移沥青可以占据大量的无机矿物形成的孔隙或裂缝，从而降低样品的孔隙体积和孔隙度。研究区山西组粉砂质页岩中孔隙度和有机质含量间存在明显的负相关性(R2=0.59)(图4a)。可见，粉砂质页岩有机质含量(更为准确地说是沥青含量)是决定其孔隙度和中、大孔发育的决定性因素。按照3个明显的样品TOC分布区间(0～0.2%，0.2%～0.5%，>0.6%)，进一步分析了刚性颗粒粒径对于孔隙度的影响(图4b)，在3个TOC区间，刚性颗粒的粒径都与孔隙度具有较好的相关性(R2分别为0.8，0.6，0.61)，表明在有机质含量较为接近的情况下，颗粒粒径是控制孔隙度的重要影响因素。

图2 鄂尔多斯盆地研究区山西组黏土质页岩孔径分布曲线(压汞—气体吸附法联用测全孔径)Fig.2 Pore size distribution curves of argillaceous shale of Shanxi Formation, Yanchang area,Ordos Basin (using mercury injection-gas adsorption method to measure full pore size)

图3 鄂尔多斯盆地研究区山西组粉砂质页岩孔径分布曲线(压汞—气体吸附法联用测全孔径)Fig.3 Distribution of pore size of silty shale of Shanxi Formation, Yanchang area,Ordos Basin (using mercury injection-gas adsorption method to measure full pore size)

3.1.2 低TOC黏土质页岩

利用主成分分析方法，对32块数据较为齐全的低TOC黏土质页岩的孔隙度、矿物含量、有机质含量、刚性颗粒粒径/含量等参数进行了分析，获得了能够反映数据分布和关系的主成分；在计算了不同数据在主成分1，2，3上的载荷后，绘制了各个参数在3个主成份上的载荷分布图(图5)。

由图5可知，主成分1和2的地质意义不明显，主成分3具有反映孔隙度变化的能力。在主成分3中，孔隙度和石英长石含量具有最高的载荷值，载荷值分别为0.998和0.925，其他因素在主成分3上的载荷值普遍小于0.3(图5b)，显示出在低TOC页岩中，石英长石含量是影响孔隙度的最主要的因素。

低TOC黏土质页岩中主要的孔隙类型是石英、长石等颗粒支撑形成的黏土矿物相关孔及石英表面的溶蚀孔，在没有石英颗粒支撑的情况下，黏土矿物往往会紧密压实无法形成孔隙。随着石英、长石含量的增加，孔隙度呈线性增加的特征(R2= 0.56)(图6a)。可见，石英、长石等刚性颗粒的含量是低TOC黏土质页岩物性至关重要的影响因素。

3.1.3 高TOC黏土质页岩

研究了32块数据较为齐全的高TOC黏土质页岩的有机质含量、黏土矿物含量、刚性颗粒粒径等参数对孔隙度的影响(图6b-d)。由图6可知，有机质含量对于高TOC黏土质页岩孔隙度具有正向的影响，而刚性颗粒粒径和黏土矿物含量则表现出明显的负向影响，且有机质含量是影响孔隙度的最主要因素。

3.2 微孔的影响因素

泥页岩微孔(孔径小于2 nm)的发育主要受有机质和黏土矿物的影响。通过有机质和微孔的相关关系图(图7)可以看出，山西组泥页岩的微孔与有机质含量具有明显的正相关性(R2= 0.76)，说明微孔隙的主要影响因素为有机质含量。图7中TOC和微孔孔体积的关系连线在w(TOC)=0处，具有0.068 5×10-2cm3/g的微孔孔体积，说明存在一定数量的黏土矿物形成的微孔。

图4 鄂尔多斯盆地研究区山西组粉砂质页岩中有机质含量、颗粒粒径与孔隙度的关系Fig.4 Relationships among organic matter content, particle size and porosity in silty shale of Shanxi Formation, Yanchang area, Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地研究区山西组粉砂质页岩中不同地质参数在PCA双标图中的分布Fig.5 Distribution of different geological parameters of silty shale in PCA double plot of Shanxi Formation, Yanchang area, Ordos Basin

图6 鄂尔多斯盆地研究区山西组黏土质页岩孔隙度的影响因素Fig.6 Influencing factors for porosity of argillaceous shale of Shanxi Formation, Yanchang area, Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地研究区山西组有机质含量同微孔孔体积的相关关系Fig.7 Correlation between organic matter content and micro distributed volume of Shanxi Formation,Yanchang area, Ordos Basin

4 结论

(1)山西组泥页岩层系中不同类型岩石的孔隙类型、孔径和孔隙度等均存在差异，同一类型岩石中不同类型孔隙的孔径及发育特征也有所不同。无机粒间孔和粒内孔在各类岩石中均有发育，但孔径大小和发育程度有所不同；有机孔主要发育于高TOC黏土质页岩中。高TOC黏土质页岩的中孔和微孔最为发育，平均孔隙度为1.07%；粉砂质页岩的大孔最为发育，微孔最不发育，平均孔隙度为2.03%；低TOC黏土质页岩的中孔最不发育。

(2)粉砂质页岩有机质含量(沥青含量)是决定其孔隙度和中、大孔发育的决定性因素；在有机质含量较为接近的情况下，颗粒粒径是控制孔隙度的重要影响因素。在低TOC页岩中，石英、长石含量是影响孔隙度的最主要的因素，呈正相关性。有机质含量对于高TOC黏土质页岩孔隙度具有正向的影响，而刚性颗粒粒径和黏土矿物含量则表现出明显的负向影响，且有机质含量是影响孔隙度的最主要因素。山西组泥页岩的微孔与有机质含量具有明显的正相关性，同时存在一定数量的黏土矿物形成的微孔。