渤海湾盆地济阳坳陷沙河街组泥页岩储集空间演化过程分析

巩建强

(中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257015)

随着常规油气勘探开发程度的不断提高,页岩油气正逐步成为重要领域和后备阵地[1- 4]。美国是页岩油气勘探开发最为成功的国家,页岩气的快速勘探开发使美国天然气储量增加了40%。近年来受美国页岩气成功开发的启示,中国加强了页岩气形成条件和成藏机理研究,在页岩气储层方面,对泥页岩储层的形成条件、储层类型和基本特征进行研究,并提出针对页岩气的储层评价标准[5-7]。邹才能等[8]通过场发射扫描电子显微镜和纳米CT技术在泥页岩中首次发现纳米级空隙,掀开了油气储层纳米级空隙研究的序幕。

济阳坳陷古近系沙三下亚段和沙四上亚段泥页岩中蕴含着巨大油气资源[9-10]。济阳坳陷页岩油气发现始于20世纪60年代,有35口井在泥页岩段获工业油流,据2012年《中国石化页岩油气资源评价与选区专项》研究结果,济阳坳陷泥页岩中页岩油资源量约为34.8×108t,展示了页岩油气在济阳坳陷良好的勘探前景[11]。相比北美地区,济阳坳陷泥页岩主要为陆相沉积,湖相泥岩非均质性强、岩石类型多、岩性变化快,影响泥页岩储集性的因素众多[12-13],所以落实页岩油气储集性、预测甜点分布是泥页岩研究的主要内容。通过研究不同沉积环境和岩相组合的泥页岩储集特征,明确岩相类型储集空间发育模式,恢复页岩孔隙演化规律对中国东部陆相页岩油气勘探开发具有重要的指导意义。

1 区域地质背景

济阳坳陷东邻郯庐断裂,西北以大型基底断裂与埕宁隆起相接,南邻鲁西隆起区,由西向东撒开,西窄东宽,坳陷内在地貌上呈“群山环湖、群湖环山”的景观,凹陷呈“北断南超、北深南浅”的箕状结构,面积约2.6×104km2,是一个中新生代裂陷-断陷-坳陷复合型盆地(图1)。

在地区分布上,以东营凹陷页岩油资源量最多,约为19.5×108t,占总页岩油资源量的52.0%;其次为渤南洼陷,页岩油资源量为7.0×108t,占总页岩油资源量的18.7%;以下依次为临南洼陷、孤北洼陷、车镇凹陷和孤南-富林洼陷。东营凹陷和沾化凹陷的渤南洼陷为济阳坳陷近期页岩油勘探最为有利的地区。

在层系分布上,沙三下亚段泥页岩中页岩油气资源分布范围较广,页岩油资源最为丰富,约为23.3×108t,占总页岩油资源量的62.2%;其次为沙四上亚段,页岩油资源量约为11.0×108t,占总页岩油资源量的31.0%;沙一下亚段页岩油资源量最少,约为2.5×108t,仅占总页岩油资源量的6.8%。在深度分布上,济阳坳陷页岩油资源主要分布于3 000～4 500 m。

图1 济阳坳陷区域位置、构造单元划分及泥页岩发育特征

2 泥页岩岩石学特征

单纯的矿物组成及岩石类型不能全面反映岩石特点[14]。采用岩心观察、薄片鉴定与X-衍射分析相结合的手段,综合岩石结构、构造特征和成分特征组合法将济阳坳陷沙河街组泥页岩划分为11种岩相(图2),其中以层状泥质灰岩相、纹层状泥质灰岩相为主,其次为层状灰质泥岩相、层状含泥质灰岩相等。层状、纹层状显晶泥质灰岩和灰质泥岩相常为富集高产层,系有利岩相,为次生成因。

3 泥页岩储集空间特征

泥页岩中的储集空间包括泥岩裂缝和孔隙两大类。裂缝主要包括层间微裂缝、构造裂缝[15];孔隙主要为微孔隙,包括黏土矿物微孔、方解石溶蚀孔、黄铁矿晶间孔等[16]。通过环境扫描分析和原子力显微镜分析表明,济阳坳陷沙河街组泥页岩储集空间以层间微裂缝、黏土矿物晶间孔、方解石溶蚀孔、黄铁矿晶间孔及构造张裂缝为主。

3.1 裂 缝

(1)层间微裂缝。纹层状岩石中,由于不同纹层在埋藏过程中平行于层面方向伸展率或收缩率存在差异,纹层间相对易于分离形成页理缝。

常在不同成分纹层间发育(图3(a)～(d)),宽度较窄,均在0.02 mm以下,但其重要意义在于发育潜在微裂缝而且容易顺层延续。扫描电镜下,层间微裂缝一般长度为10～100 μm,缝宽为0.5～2 μm。

(2)超压微裂缝。有机质在演化过程中产生的异常压力缝指有机质演化过程中产生局部异常压力使岩石破裂而形成的裂缝,此类裂缝优先突破层间缝而形成。一方面,在烃源岩生烃增压演化过程中,烃源岩大量排水和各类阳离子,因此常常引起矿物溶解及再沉淀,表现为重结晶的方解石晶体充填于增压过程中产生的顺层缝中(图3(d)、(g)),重结晶的晶体常发育晶间孔缝;另一方面,含烃流体垂向运移形成的异常压力缝相对缝面不规则,不成组系性,多见泥质及有机质混合物残留在不规则超压缝中(图3(h))。

(3)构造缝。构造裂缝是指在构造应力的作用下形成的裂缝,缝面较平直,常见纹层被错断的现象。裂缝常被方解石充填,但充填常不完全,镜下观察可见充填残余孔隙,并被黑色沥青质充填(图3(e)、(i))。

图2 济阳坳陷沙河街组泥页岩主要岩相类型

3.2 孔 隙

泥页岩孔隙微小,薄片观察仅见少量方解石晶间孔,荧光观察可见到部分方解石发出绿色荧光、晶间沥青质不发光,为油气运聚的证据。

(1)黏土矿物晶间微孔。与砂岩中多孔性的黏土矿物相比,泥页岩中黏土矿物由于缺乏碎屑颗粒的支撑保护,通常形态上表现为片状。这类孔隙长度一般<10 μm,宽度一般≤1 μm(图3(j)、(m))。

(2)碳酸盐矿物晶间孔。济阳坳陷泥页岩常常富含碳酸盐矿物,并以方解石为主。偏光显微镜下可见亮晶方解石晶间孔(含黑色沥青质)(图3(k)),是重要的孔隙类型,最大为60 μm(图3(o));电镜下可见方解石晶间微孔常和黏土矿物微孔相互叠合(图3(l))或者呈现互层状产出(图3(n))。局部见方解石及白云石的晶内溶蚀孔隙。

传统的CLIQUE算法在处理问题空间时，根据给定的划分参数将问题空间每一维等分为若干分，然后使用 MDL（Minimum Description Length）[10]算法对划分后的网格单元进行剪枝，剔除网格密度低于给定的密度阈值的网格单元。但是当给定的划分参数不恰当时，会导致算法忽略稠密区域的边界甚至整个稠密区域，使得聚类结果呈锯齿状或丢失聚类，降低聚类结果的准确性。图1（a）和图1（b）分别展示了采用固定宽度划分问题空间的缺陷。

(3)黄铁矿晶间微孔。根据对罗69、牛页1等重点取心井的统计,泥页岩中黄铁矿含量通常在2%～3%,部分样品黄铁矿含量达到10%以上,因此黄铁矿晶间孔也是一类重要的储集空间。黄铁矿晶间孔发现的另一个重要意义在于环境扫描电镜下可观察到其为有效油气储集空间,孔径尺寸一般为10～100 nm(图3(l)),说明页岩油气可以在非常细小的孔隙中保存。

(4)砂质粒间微孔

据系统取心样品电镜观察,黏土矿物常和石英、长石等陆源碎屑相混产出,相应发育不规则状粒间微孔。

综上所述,泥页岩孔隙型储集空间形态受矿物类型、大小及矿物颗粒相互关系的控制。黏土矿物晶间微孔主要为片状孔,当黏土矿物和石英、长石等陆源碎屑相混或与碳酸盐矿物同时沉积时,则整体表现为不规则粒状孔;碳酸盐矿物晶间孔一般为不规则粒状孔,柱纤状方解石晶间孔为垂直层理的孔缝;黄铁矿、自生石英及其它自生矿物晶间孔一般均为不规则粒状;有机质孔隙常和黏土矿物密切相关,多为收缩型孔缝。

4 泥页岩储集空间发育模式

岩石整体孔隙空间组合受岩石构造类型及裂缝发育情况的控制。按照岩石中孔隙型储集空间发育特征及组合,首先将泥页岩分为纹层状、层状和块状三类:纹层状岩石孔隙型储集空间明显具有不同形态储集空间组合互层产出的特点;层状岩石孔隙型储集空间具有整体较均匀、单个孔隙具横向拉长的趋势;块状岩石孔隙型储集空间整体较均匀、形态以不规则粒状为主。不同类型岩石孔隙型空间组合,叠加各类成岩裂缝及构造裂缝,即形成复杂的网络型储集空间。

(a)罗69,3 095.16 m,顺层微裂缝;(b)罗69,3 029.18 m,层间微裂缝;(c)罗69,3 046.57 m,顺层微裂缝发亮黄色荧光;(d)罗69,3 060.62 m,柱纤状方解石;(e)罗69,3 077.35 m,方解石半充填缝含油;(f)罗69,3 021.05 m,未充填微裂缝发绿色光;(g)牛872,3 205.8 m,顺层缝;(h)牛38,3 358.0 m,超压缝;(i)樊120,3 279.3 m,构造缝;(j)罗69,3 039.60 m,片状微孔隙;(k)罗69,3 055.60 m,方解石晶间孔见沥青质;(l)罗69,2 992.60 m,方解石、黏土及黄铁矿晶间微孔;(m)坨731,307.0m,片状微孔;(n)樊12,3 271.5 m,粒状与片状微孔;(o)牛872,3 206 m,方解石晶间孔缝图3 济阳坳陷沙河街组泥页岩储集空间特征

4.1 纹层状泥页岩储集空间模式

纹层状泥页岩纹层类型主要有:有机质纹层、富有机质泥质纹层、方解石纹层及泥灰质纹层等。

纯有机质纹层较为少见,主要发育收缩孔缝;泥质纹层常常富含有机质,泥质常定向产出,主要发育长宽比较大的片状孔;方解石纹层根据方解石晶粒特点,主要发育不规则粒状孔隙,方解石粒度越粗,相对孔径越大,柱纤状方解石晶间主要发育垂直层理的孔缝;泥灰质纹层主要为隐晶方解石与泥质相混,一般发育不规则粒状孔隙。不同成分纹层间易于产生页理缝和层面滑脱缝,矿物收缩缝主要产于黏土矿物中,超压缝主要发育于有机质富集层段。构造缝一般以中、高角度为主,常被方解石等矿物充填或半充填。

以纹层状(含)泥质灰岩或(含)灰质泥岩为例,可建立储集空间发育模式总体上孔隙型储集空间表现为片状微孔层与不规则粒状微孔层互层的特点,粒状微孔层相对孔隙连通性较好,可以连通上下的片状微孔层,纹层间可能产出顺层微裂缝,叠加后期构造缝,则形成立体网络空间。当方解石纹层呈柱纤状结构时,则表现为垂向微孔缝沟通上下片状微孔层及粒状微孔层,岩石整体孔渗性相对最为理想。

4.2 层状泥页岩储集空间模式

层状泥页岩根据矿物组分的相对组成可细分为层状泥岩、层状(含)灰质泥岩、层状(含)泥质灰岩等类型,总体特点为泥质和碳酸盐矿物相混产出,常见碳酸盐纹层及富有机质黏土纹层,但镜下观察纹层常常不连续或呈透镜状,亦见少量细小炭屑、陆源粉砂及介形虫碎片等顺层定向分布。

方解石纹层根据晶粒特征可分为隐晶方解石纹层和显晶方解石纹层,主要发育不规则粒状孔;泥质层主要发育长宽比较小的片状孔;泥质、灰质相混层主要发育不规则粒状孔隙。这类岩石不易产生页理缝和层面滑脱缝,矿物收缩缝主要产于泥质层中,超压缝主要发育于有机质富集层段。构造缝一般以中、高角度为主,常被方解石等矿物充填或半充填。

以层状泥岩和(含)泥质灰岩或(含)灰质泥岩为例,可建立储集空间发育模式,层状泥岩总体上孔隙型储集空间表现为长宽比较小的片状孔和泥质与粉砂等相混产生的不规则粒状孔为主,局部叠加有机质演化孔缝和粒状砂质孔隙等;(含)泥质灰岩或(含)灰质泥岩常见连续性较差的方解石纹层,总体上孔隙型储集空间表现为片状微孔层与不规则粒状微孔层不规则互层或组合的特点,粒状微孔层相对孔隙连通性较好,可连通周围的片状微孔层。层状岩石孔隙型储集空间叠加后期构造缝,可形成立体网络空间。

4.3 块状泥岩储集空间模式

块状泥页岩以块状构造为特征,根据矿物组成主要分为块状泥岩、块状(含)灰质泥岩、块状泥质灰岩、块状粉砂质泥岩等类型,镜下观察泥质常与碳酸盐等矿物和石英等陆屑较均匀相混产出,有机质含量较低。其孔隙型储集空间以粒状不规则微孔为主,可叠加后期构造裂缝,形成较为简单的孔隙空间组合。

5 泥页岩孔隙演化规律

泥页岩中的基质孔隙一般孔喉非常细小,压实初期,泥岩孔隙度较大,孔隙流体及其所携带的分子或离子均具有很好的畅通性,能够顺利地进行物质交换。随着埋深的增大,泥岩的微孔隙将越来越小,当孔隙小到对孔隙流体流动具有束缚性时,孔隙内物质流通将趋于停止。

经过强烈压实后的泥岩,孔隙水较少,渗透率降低,孔隙排液不畅,有机质成熟生成的烃类被封闭在泥岩内部形成异常流体压力,当流体压力达到上覆静岩压力的80%时,可打开岩石的脆弱面(层理、裂隙)形成微裂缝;微裂缝开启后,原先封闭的流体沿裂缝排出,即微裂缝替代微孔隙成为新的流体主要运移通道。地层中微裂缝的开启和闭合具有幕式特征。此外,源岩地层中一切渗透率增高地带均可成为流体运移通道,如矿物颗粒与有机质之间及次生晶体之间的缝隙、微晶洞、含砂较多的条带或微细夹层、层面、节理、断层等。

借鉴前人研究成果,综合泥页岩储集性特征研究建立了济阳坳陷泥页岩孔隙结构演化模式(图4),总体可分为基本面貌形成、调整和滞变三个阶段。

5.1 孔隙结构形成阶段

孔隙结构雏形阶段:埋深小于800 m,地温小于43 ℃,镜质体反射率Ro<0.2%,相当于早成岩阶段早期,随着上覆沉积物厚度加大,泥质沉积物中大量的自由水快速排出,密度相应增大,有效孔隙度大致由大于60%急剧下降到25%。泥质沉积物处于高速压缩状态,疏松的泥质沉积物演变为较为致密的岩石。黏土矿物质点往往与隐晶碳酸盐质点、粉砂以及有机质共生。孔隙主要是片状黏土矿物间定向性比较差的不规则片间孔隙和因脱水而形成的收缩裂缝,陆屑集中部位可形成粒间孔隙,碳酸盐矿物质点间形成不规则粒状孔隙。在浅埋藏的碱性还原环境中,有机质在生物化学作用下开始分解,并生成少量甲烷等天然气体,这些气体排出时可形成气体逸出孔隙(气胀孔)。但由于压实强度不高,各种孔隙均未定型,孔喉连通性一般较好,为泥页岩孔隙结构的雏形。

图4 济阳坳陷沙河街组泥页岩孔隙演化特征

孔隙结构基本定型阶段:埋深约800～1 800 m,地温约在43～75 ℃, 镜质体反射率Ro为0.2%～0.35%,相当于早成岩阶段晚期。随着上覆地层厚度加大,机械压实作用继续增强,页岩中的自由水基本排出,黏土矿物之间和粉砂之间的孔隙水以及裂缝中的缝隙水逐渐排出。黏土矿物质点间的失水不均会产生一些细小的收缩微裂缝。部分有机质因生物-热催化作用,会产生少量有机酸,可对先期碳酸盐矿物进行局部溶蚀。该期成岩作用的特点仍以机械压实作用为主,岩石逐渐致密,孔隙度由25%逐渐下降到约20%。以片间孔为主体的各种孔隙结构基本定型。

5.2 孔隙结构调整改造阶段

当泥页岩埋深大致在1 800～3 000 m,地温介于75～125 ℃,镜质体反射率Ro介于0.35%～0.65%,相当于中成岩阶段。蒙脱石大量向伊利石转化,伊/蒙混层黏土矿物中伊利石成分很快超过50%而达到70%。蒙脱石黏土矿物中的层间水开始大量脱出。有机质演化生成油气,并伴有乙酸、乙二酸等有机酸大量产出,有机酸可对碳酸盐等物质进行溶蚀。根据物质平衡原理,对应溶蚀作用必然有沉淀作用,碳酸盐矿物在此阶段会表现出较复杂的溶解-沉淀现象,进行晶粒大小、结构及产状的重组。

该阶段大致对应东营期构造运动活动期,岩石中易形成各种构造裂缝,为油气运移和有机酸等流体流动提供通道,对碳酸盐矿物的重组起明显促进作用,从而孔隙面貌有了较大调整。粒间溶蚀扩大孔、气胀孔、成岩收缩缝、构造裂缝数量形成较多,孔隙型储集空间定向排列的特征基本成型。

5.3 孔隙结构滞变阶段

当泥页岩埋深大于3 000 m,地温大于125 ℃,镜质体反射率Ro大于0.65%,相当于深埋晚成岩阶段。压实效应不明显,而以黏土矿物的转变和碳酸盐矿物的重结晶现象较为突出。伊/蒙混层黏土矿物中伊利石含量已经超过70%,可达90%,伊利石在黏土矿物中的含量可增加到60%以上,以混层黏土矿物为主的页岩逐渐转变为以伊利石黏土矿物为主的页岩。黏土矿物在脱出层间水的同时,黏土矿物和碳酸盐矿物的重结晶现象明显。深埋藏高温高压条件下黏土矿物脱水作用和有机质大量生烃作用,使岩石内部流体压力不断增高,压力系数可达1.6以上,一方面保护孔隙不会减小,另一方面页岩更容易产生成岩微缝,从而增加了孔隙度。

当埋藏深度大于3 400 m,源岩生烃作用由生油为主逐渐转化为生气为主,地层流体溶液趋于饱和产生较多沉淀作用,裂缝和孔隙往往被各种新生矿物(如方解石、白云石、自生石英、黄铁矿、硬石膏等)充填胶结,导致孔隙度降低;地层流体排出后,岩石内部流体压力降低,部分裂缝相应闭合。岩石孔喉中值半径常缩小到4 nm以下,岩石致密。

6 结 论

(1)济阳坳陷沙河街组泥、页岩微米级-纳米级孔隙并存,泥页岩储集空间以各级裂缝为主脉,以碳酸盐矿物晶间孔、黏土矿物微孔和黄铁矿晶间孔为基质的多级分层网络的特点。同时轻质原油在基质孔隙中浸染状产出并在裂缝周围富集,反映微米-纳米级储集空间具保存液态烃类的储集能力。

(2)济阳坳陷沙河街组泥页岩具有高碳酸盐、低碎屑黏土的成分特征,页岩结构可以划分为纹层构造、层状构造和块状构造三类,根据岩石结构构造特征可以划分出纹层状泥质灰岩相等4种基础岩相类型,其中测井高伽马、低声波、高电阻带的纹层状泥质灰岩相具有较好的储集性和含油性条件。

(3)济阳坳陷沙河街组泥页岩经历了泥页岩孔隙结构形成、调整改造和滞变3个阶段,泥页岩孔隙结构调整改造阶段,纹层状泥页岩和层状泥页岩形成各种构造裂缝、粒间溶蚀孔、气胀孔和成岩收缩缝,是最有利的页岩油储集类型。