江汉盆地潜江凹陷古近系潜江组盐间可动页岩油赋存空间多尺度表征

孙中良，王芙蓉，韩元佳，侯宇光，何 生，罗 京，郑有恒，吴世强

(1.中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；2.中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，武汉 430223)

页岩油是指以游离态、吸附态等形式赋存在有效生烃泥页岩系统内的非气态烃类，具有源储一体、滞留聚集的特征[1]。页岩油赋存的介质主要为泥页岩储层的微纳米孔隙，国内外学者运用扫描电镜、低温氮气吸附、高压压汞、微—纳米CT、核磁共振等大量的实验手段，对泥页岩储层的孔隙发育特征进行了定性、定量表征[2-11]。同时，由于单一实验方法很难精确表征全尺度的孔隙空间，部分学者[11-12]采用多种实验方法相结合的手段，对页岩孔隙特征进行多尺度描述，推动了微观储层评价的进程。但是，由于页岩油的流动性差，且页岩油在储层空间中的赋存方式多样，使得对页岩孔隙空间特征的表征还不能真正反映可动页岩油在储层中的赋存特征。目前对可动页岩油的表征方法可大致分为直接表征法[13]和间接计算法[14-20]。直接表征法主要是利用扫描电镜、微—纳米CT扫描等技术方法，对油进行直接观测和模拟，研究油的赋存形态及赋存的孔隙类型等；间接计算法主要是利用核磁共振、抽提法等手段对页岩油的赋存孔径、状态等进行表征。直接表征法不能定量描述可动页岩油在各孔径范围内赋存量的变化，而核磁共振技术受复杂孔隙、顺磁性矿物、模型选择等因素影响，模拟结果存在不确定性。在抽提法中，由于抽提前后的孔隙空间差异可直观地表示页岩油赋存的空间类型及平面展布，也可定量计算出页岩油赋存的页岩储层孔径大小，因此在典型样品的科学研究中使用比较广泛。前人[21-23]已从岩性岩相、孔渗特征等方面对江汉盆地潜江凹陷古近系潜江组页岩储层特征进行了描述，其主要孔隙类型为晶(粒)间孔，以宏孔为主，孔隙度分布在11%～19%，渗透率平均为(2.6～4.8)×10-3μm2，但对不同尺度孔隙中页岩油赋存特征的研究还比较薄弱。

1 地质背景

潜江凹陷位于江汉盆地中部，面积约2 500 km2，是在中、古生界基底上发育的新生代内陆断陷湖盆。潜江凹陷北缘经历了强烈的断层构造活动和快速的沉降，形成了南浅北深的半地堑式断陷凹陷；自下而上沉积了白垩系渔阳组，古近系沙市组、新沟嘴组、荆沙组、潜江组、荆河镇组，新近系广华寺组，共193个韵律。潜江组沉积时期潜江凹陷为盆地的沉降中心与汇水中心，发育了约5 000 m的盐系沉积。盐间地层是水体相对淡化时期的沉积产物，在深水、强还原的条件下沉积了大面积的富有机质泥页岩。由于上下盐岩阻隔，盐间泥页岩生成的页岩油很难发生纵向运移，并滞留在烃源岩中，形成了独特的盐间页岩油系统。[22,26-27]。

2 样品与实验

表1 江汉盆地潜江凹陷潜江组页岩样品地化特征及矿物组成

图1 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律有利区分布及取样位置[28]

低温氮气吸附实验使用ASAP2020全自动比表面积和微孔/中孔分析仪。该仪器测量的孔径范围为0.35～500 nm，最低可测的比表面积为0.000 5 m2/g，最小检测孔体积为0.1 mm3/g。实验前将3～5 g、粒径为1～2 mm的样品在真空烘箱中烘干2 h，设置温度为100 ℃，以去除样品中的水分和挥发性物质。以纯度大于99.999%的氮气为吸附质，在-196 ℃(77 K)下测定不同压力下的氮气吸附—脱附等温线。

高压压汞实验采用美国仪器公司生产的Autopore IV 9520高压压汞仪，最大进汞压力为200 MPa；孔喉测试范围在3 nm～1 000 μm之间。选择无明显裂纹的样品进行切割，获得规则的1 cm3立方体，实验前将样品干燥处理24 h。

场发射扫描电镜使用SU8010日立冷场发射扫描电子显微镜，分辨率达1.0 nm，放大倍数可达到20～800 000。样品用氩离子束抛光，得到一个平整的表面,最后需在样品表面镀一层约10～20 nm厚的金膜。该仪器配有能量色散谱仪(EDS)，可用于鉴别矿物成分。

索氏抽提采用体积比为丙酮∶氯仿∶甲醇(19∶16∶15)的三元溶剂抽提样品，前期研究表明以此三元溶剂抽提效果最好[29]。提取的页岩样品在真空炉中以70 ℃干燥，直到重量变化小于0.001 g再进行抽提实验，抽提时在70～90 ℃温度下加热至少72 h，保证最后一次循环时抽提剂无色。

3 实验结果

3.1 页岩孔隙类型

3.2 抽提前后低温氮气吸附实验下的孔隙分布特征

由氮气吸附实验结果可以看出(图3)，该地区页岩孔隙在孔径小于5 nm时，随孔径增大孔隙发育频率逐渐降低；在孔径大于5 nm时，孔隙随孔径增大发育频率增加；在50 nm左右达到峰值，随后又逐渐减小。通过抽提前后的对比发现，块状发育的泥岩(BYY2-21与BYY2-161)抽提前后的孔隙差异较小，而纹层状发育的页岩(BYY2-28，BYY2-90，BYY2-101)中抽提前后的孔隙差异较大，这与扫描电镜中可动页岩油主要发育在纹层状页岩中的结果相同。由抽提结果表明，在氮气吸附实验条件下，该地区可动页岩油主要赋存在5～80 nm孔径的孔隙中，小于5 nm孔径的孔隙内也有少量可动页岩油赋存。同时，页岩油主要赋存在白云石晶间孔、粒间孔以及黏土矿物层间孔中(图2)。前期研究[29]发现，该地区可动页岩油的赋存与黏土和白云石有较强的相关性，而与方解石的相关性较差。样品BYY2-28和BYY2-101方解石含量相似，而黏土矿物和白云石含量差异较为明显(表1)。样品BYY2-28不含黏土矿物，白云石含量较高；而样品BYY2-101黏土矿物含量较多，对比2个样品在低温氮气吸附实验以及高压压汞实验下的孔隙分布特征，可较好表征研究区页岩孔隙分布的差异性。依据氮气吸附实验的BJH模型计算出不同孔径下的比孔容分布特征(图3)可以发现，样品BYY2-28的孔隙在孔径小于3 nm较为集中，孔径大于10 nm的孔隙也广泛分布。抽提后样品孔径小于50 nm的孔隙比孔容显著增加。样品BYY2-101抽提前孔隙分布特征与样品BYY2-28相似，但抽提后比孔容在孔径为5～50 nm的范围内增加较多。

图2 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩油样品孔隙特征及可动页岩油赋存空间

图3 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品抽提前后比孔容分布特征

3.3 抽提前后高压压汞实验下的孔隙分布特征

高压压汞实验结果显示(图4)，由于矿物成分以及岩性差异，不同样品的孔喉分布存在差异。块状样品BYY2-21和BYY2-161孔径峰值出现在10 nm和600 nm左右；纹层状发育的样品孔径主要在10～200 nm之间。对比抽提前后的孔喉分布差异发现，块状发育的样品，抽提前后的孔喉分布差异性较小，纹层状发育的页岩抽提前后的孔喉分布差异较大，可动页岩油主要赋存在孔径小于200 nm的孔喉内。以样品BYY2-28和样品BYY2-101为例，抽提前，样品BYY2-28孔径主要为40～200 nm，峰值出现在70 nm左右；样品BYY2-101孔径分布范围较广，主要集中在小于100 nm的范围内，在孔径10 nm和40 nm出现2个峰值。样品BYY2-28抽提后除在孔径为40～70 nm进汞量有所减小外，在孔径小于200 nm的范围内进汞量普遍增加，且出现孔径峰值后移现象，抽提后孔径峰值主要集中在100 nm左右。样品BYY2-101抽提后在孔径小于6 nm和30～60 nm时进汞量减小；在孔径为7～20 nm时孔径峰值增加，未出现峰值后移现象，而孔径在50～200 nm时进汞量增加，较抽提前出现进汞量峰值后移现象。

图4 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品抽提前后不同孔径进汞量分布曲线

3.4 抽提前后扫描电镜实验下的孔隙分布特征

高压压汞测试结果表明，该地区存在微米级孔隙，但由于微米级孔隙分布频率较低，汞注入量较少，较难真实表征抽提前后的孔隙变化。因此本次研究运用统计学的方法，统计抽提前后扫描电镜片中微米级孔隙孔径的变化，判断可动页岩油赋存的微米级孔径范围，对上述实验结果进行补充。其原理是利用孔隙与岩石其他部分的灰度级不同，在扫描电镜图像中将多孔部分与非多孔部分区分开来。研究区样品普遍含盐，抽提后盐矿物的析出，改变了扫描电镜片中矿物成分的形态特征，重新抛光后再观察，寻找同一视域内矿物接触关系有很大难度。因此本次研究对同一块扫描电镜片尽量多选择有滞留烃赋存的视域，观察统计孔径数值，最后取平均值进行抽提前后对比。由图5可见，抽提前孔隙周边存在较多的有机质，抽提后有机质被抽离，孔径变大。

图5 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品抽提前后孔隙分布特征

4 可动页岩油赋存空间分析

前人[30]研究表明，抽提有机质的量与S1呈很好的正相关关系。前期研究证实，抽提有机质与S1的线性相关系数R2约为0.97，相关关系为y=1.102 2x+0.325 9(y为可溶有机质质量分数，x为S1质量分数)[29]。因此抽提有机质的量可近似为S1的量。且研究发现，S1与抽提前后孔体积变化值也呈较好的线性相关(图6)，因此抽提前后的孔体积变化特征可表征可动页岩油的赋存空间。

图6 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品S1与抽提前后孔体积差值的相关性

4.1 可动页岩油赋存的孔径分布特征

为更清晰地表征该地区可动页岩油赋存的孔隙空间特征，本文分别对抽提前后的氮气吸附实验、高压压汞实验以及扫描电镜实验结果进行处理。在低温氮气吸附实验中(图7)，样品BYY2-28孔径在2～80 nm范围内比孔容所占比例均有所增加，在2～40 nm范围内显著增加，说明可动页岩油赋存的孔径为2～80 nm，其中大量的页岩油主要赋存在2～40 nm的孔径范围内；样品BYY2-101可动页岩油的赋存孔径为2～80 nm，大量可动页岩油主要赋存在5～50 nm和70～80 nm的孔径范围内。

在高压压汞实验中(图8)，抽提后，样品BYY2-28在孔径小于40 nm和70～100 nm这2个范围内进汞量有所增加，说明可动页岩油在此孔径范围内赋存；而样品BYY2-101主要在孔径为60～100 nm时进汞量增加较多，说明可动页岩油在60～100 nm内赋存。同时，2个样品在孔径大于1 μm时，抽提后进汞量也有所增加，说明微米级孔隙内亦有可动页岩油赋存。

图7 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品不同孔径下比孔容分布

图8 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品抽提前后进汞量分布

前人[31]研究发现，当进汞压力高于25 MPa(对应孔径约小于80 nm)时，页岩样品就会发生变形。有学者运用拼接的方法，综合运用低温氮气吸附和高压压汞来表征页岩孔径[24-26]。氮气吸附实验显示在孔径小于等于80 nm时，抽提后吸附量均有所增加(图3，图7)。综合考虑，本文采用80 nm为拼接点，拼接2种实验来反映孔径分布。拼接后的结果(图9)显示，该地区页岩样品在常温常压状态下可动页岩油主要赋存在孔径小于200 nm的孔隙中，其中在孔径90～200 nm内赋存最多，在孔径2～10 μm范围内也有赋存。

图9 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品可动页岩油分布孔径特征

在扫描电镜实验中(图10)，统计不同视域下抽提前后的孔径分布特征发现，抽提后大于1 μm的孔隙比例有所增多，且当比例尺增大时，大于2 μm的孔径增加比例更多，说明在大于2 μm的孔隙内赋存着较多的可动页岩油。

图10 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品抽提前后的孔径分布

4.2 可动页岩油赋存孔径差异性分析

由图3、图4可以发现，相较于样品BYY2-101，样品BYY2-28在孔径小于5 nm的范围内抽提出较多的可动页岩油，除去样品非均质性因素影响外，说明该较小孔径范围内仍有部分可动页岩油被抽提。样品BYY2-28和BYY2-101主要存在黏土矿物的差异，样品BYY2-28不含黏土矿物(表1)，降低了矿物对游离态页岩油的吸附作用[32]，使得储存在小孔内的可动页岩油较容易被抽提出；样品BYY2-101中黏土矿物含量可达20%，对页岩油的吸附作用较强，能够被抽提的页岩油需要更大的孔隙，导致样品BYY2-101的可动页岩油主要赋存在孔径大于5 nm的孔隙内。根据已抽提物成分GC、GC-MS的检测，发现其轻质烃含量高(表2)，推测在5 nm以下的孔隙中存在较小的烃类分子是可动的，而大部分的可动烃主要赋存在大于5 nm的孔隙内。

表2 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品抽提物族组分含量

由压汞实验发现(图4，图8)，样品BYY2-28在孔径为40～70 nm、样品BYY2-101在孔径为30～60 nm的范围内均出现抽提后进汞量减小、进汞量峰值后移的现象。可能为抽提后出现扩孔现象，导致部分孔径变大，原孔径范围内的孔隙变少，进汞量减小，也导致了进汞量峰值的后移。样品BYY2-101在孔径小于6 nm的范围内抽提后进汞量减小，且不存在进汞量峰值后移现象，可能是由于样品的非均质性所导致。

4.3 可动页岩油赋存孔隙空间预测

压汞实验测得的孔隙度和平均孔径与游离烃S1的相关关系显示，S1与页岩孔隙度和平均孔径均呈较好的正相关关系(图11)。这说明在潜江凹陷潜江组页岩中，孔隙度高的样品往往含有更多的可动页岩油，平均孔径越大，可动页岩油越富集。相较于块状发育的泥岩样品，纹层状发育的页岩孔隙度与平均孔径均较大，为页岩油开采的有利目标。

图11 江汉盆地潜江凹陷潜江组韵律页岩样品中可动页岩油与各影响因素的关系

5 结论

(2)低温氮气吸附实验结果显示，该地区可动页岩油赋存的孔径范围为5～80 nm，当黏土矿物含量较少时，小于5 nm的孔隙内也有可动页岩油赋存。高压压汞实验结果也揭示，可动页岩油在孔径为70～100 nm时比较富集。以孔径80 nm为界进行低温氮吸附和高压压汞测试孔径的拼接来表征该韵律可动页岩油主要赋存空间，发现可动页岩油主要赋存在孔径小于200 nm的孔隙中，其中在孔径为90～200 nm范围内赋存最多。结合抽提前后扫描电镜片中微米级孔隙孔径变化的统计结果，总结出该地区可动页岩油在微米级内也有赋存，在孔径大于2 μm的范围内赋存较多。

(3)在潜江凹陷潜江组页岩中，孔隙度越高，平均孔径越大，可能富集更多的可动页岩油。相较于块状泥岩，纹层状发育的页岩有更高的孔隙度和更大的孔隙，为页岩油开发的优选目标。