松辽盆地青一段微晶碳酸盐岩微观特征分析与原油组分赋存状态表征

周华建， 孙先达， 柳 波， 罗晓容， 申家年，邢济麟

( 1. 东北石油大学 非常规油气成藏与开发教育部国家重点实验室培育基地，黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油吉林油田分公司 勘探开发研究院，吉林 松原 138000 )

0 引言

北美在页岩油气勘探开发上取得巨大成功，引发石油界革命性改变，影响世界石油工业的发展方向[1]。鉴于国外页岩油气开发的成功经验，大力发展中国陆相页岩油气成为必然战略选择和必由之路[2]。对松辽盆地陆相页岩油气勘探研究发现，富含页岩油气的泥页岩地层中广泛发育多套纹层状碳酸盐岩层，在横向上分布广阔[3-4]。

近年来，学术界开展针对碳酸盐岩的储层分类、岩石类型[5]，碳酸盐岩储集特征与含油性之间的关系，以及碳酸盐岩储层成因与含油性等方面研究[6-7]。微晶碳酸盐作为碳酸盐岩储层类型中一种具有优良孔隙空间和连通性的储层，可作为理想的油气储存空间，对其岩石微观特征及其原油组分赋存状态的研究具有重要理论意义和应用价值。松辽盆地青山口组一段(青一段)厚层泥页岩发育富含油气资源的微晶碳酸盐岩纹层，而其微观特征及原油组分的微观赋存状态尚未开展针对性研究，因此，研究微晶碳酸盐岩的微观特征和原油组分微观赋存状态，对非常规油气的勘探开发具有应用价值和指导作用。

笔者采用电子探针测定碳酸盐岩的组成元素，采用阴极发光确定组成碳酸盐岩的矿物类型，采用二维核磁共振定量测定碳酸盐岩孔隙中流体的类型及其含量，以及利用激光共聚焦直观刻画碳酸盐岩的微观特征及孔隙中有机质的三维分布进行原位联合表征，研究碳酸盐岩夹层的微观特征与原油组分在碳酸盐岩孔隙中的微观赋存状态，进而重建松辽盆地青山口组一段碳酸盐岩薄夹层，为泥页岩开采技术提供基础数据。

1 实验方法

采集的样品来源于松辽盆地南部中央坳陷区青山口组一段(青一段)(K2qn1)，青一段地层厚度为80～100 m，岩性组合为粉砂岩、细砂岩与泥岩组成的不等厚互层，中部以粉、细砂岩为主，上、下部主要由暗色泥岩组成，且广泛发育多套的薄层碳酸盐岩夹层，为深湖相细粒沉积[8-12](见图1)。样品为现场取样。为保证岩样未遭到破坏，采用低温保样方式做相关实验。应用光学显微镜、X线衍射(XRD)、阴极发光和电子探针等分析方法，研究岩石的矿物组成和孔隙结构等岩石微观特征，利用二维核磁共振和激光扫描共聚焦分析方法，精细分析岩石孔隙结构中的含油性及原油组分的微观赋存状态。

图1 松辽盆地青山口组一段目的层的构造地质Fig.1 The tectonic geology of the first member of Qingshankou Formation in Songliao Basin

将岩心制成光片。利用普通光学显微镜透射光、反射光观测岩石的微观晶粒结构，通过阴极发光分析观测同一标记视域，判定组成岩石的矿物成分和结构[13]。采用自主开发的孔隙分析系统对岩石的扫描电镜图进行孔隙数据提取，对孔隙进行孔喉和喉道分割，计算孔隙的孔喉宽度、喉道宽度，以及孔隙配位数等参数，统计孔隙类型，实验过程需对岩样进行氩离子抛光，至岩样表面形貌高差不超过2 μm；电子探针背散射实验可以高清晰地显示微米级及纳米级的岩石微观孔隙结构，根据普通光学显微镜分析结果，对岩石中矿物的不同位置(粒核、粒壳及孔隙)进行电子探针元素分析，确定岩石元素组成及其在空间上的分布。

利用二维核磁共振和激光扫描共聚焦分析方法，分析岩石的含油性及原油组分在岩石孔隙中的微观赋存状态。基于核磁共振对样品的要求将包含标记观测视域岩心线切割成直径为20 mm的柱样，仪器测试温度恒定为35 ℃，工作频率设置为23 MHz，岩石烘干后进行二维核磁共振测量。为表征原油组分在岩石孔隙结构中的微观赋存状态，利用激光扫描共聚焦对标记视域进行扫描，确定原油组成在岩石孔隙中的微观赋存状态。选择波长为488 nm的激光作为激发光源，选用不同接受波长范围的光信号观测岩石样品中的不同成分[14]。选择波长为488 nm作为接收岩石矿物信息的波长，选择波长为510～600 nm作为接收原油中轻质组分的波长，选择波长为600～800 nm作为接收原油中重质组分的波长。根据获取的激光扫描共聚焦体数据，建立原油组分在孔隙结构中的三维分布模型，实现原油组分分布可视化表征。

为考虑各项实验之间的数据与采样点差异，提高实验结果的准确性和可靠性，采用标记观测视域的方法，实现多分析方法联合对岩心的原位分析，以排除由采样点差异而导致各项实验结果的关联性差。

2 结果与讨论

2.1 岩石微观特征

2.1.1 微观结构

薄片结果显示，岩石由粒度为30～40 μm的自形—半自形晶粒组成。在反射偏光下呈现不同反射光强度，晶粒之间呈线接触模式，岩石结构致密，孔隙空间细小(见图2(a))。在透射光下，矿物颗粒表现为乳白色半自形结构，矿物颗粒内部的自形程度较高、致密且透光性较弱，不具有荧光衬度(见图2(b-c))。通过阴极发光分析发现，组成岩石的矿物晶粒出现明显的内外差异现象，晶粒由亮黄色致密的内部和浅黄色疏松的外部两部分组成(见图2(d))。碳酸盐岩阴极发光强度分为极强、强、中等、弱和极弱5个等级；碳酸盐岩阴极发光颜色主要呈橘黄色，样品的岩石类型为微晶碳酸盐岩。这与文献[13-15]的研究结果一致。

图2 岩样显微照片Fig.2 Micrographs of a rock sample

样品的普通光学显微图(见图2(a))反映岩石自形程度较高的晶粒结构，表明岩石形成环境水动力条件微弱，晶体有充足的形成时间和空间。

2.1.2 化学组成

利用电子探针表征微晶碳酸盐岩的化学组成，在岩石矿物表面不同位置(矿物颗粒内部、外部)选取测试点，分析组成元素的相对质量分数，确定组成岩石的矿物的化学成分。

根据电子探针元素分析表征结果，样品的化学组成以Ca和Mg元素为主，含有少量的Mn、Al、K和Fe元素，且存在空间上分布的差异性。根据测试点1、2和3、4的元素测试结果(见图3)，晶体内部的Ca和Mg元素质量分数显著高于外部的，晶体外部的Si、K、Al元素质量分数明显高于晶体内部的。整体上，晶体内部—外部—孔隙的元素相对质量分数变化规律为Ca、Mg元素质量分数减少，Si、K、Al元素质量分数增加。

岩石主要由碳酸盐矿物组成，但矿物晶粒的组成结构在空间上存在明显的差异(见图4)，即由纯的方解石微晶作为晶体内部，在晶体内部周围包裹一层疏松的碳酸盐矿物。粒间孔隙中填充硅质矿物。元素分析结果与阴极发光实验结果符合，样品岩性为微晶碳酸盐岩。

结合阴极发光(见图2(d))和元素分析(见图3)的数据推断，储层的岩性为自形程度较高的微晶碳酸盐矿物构成的碳酸盐岩，岩石滴酸实验也证明该岩石属于碳酸盐岩类。矿物晶体的阴极发光强度和颜色出现内外明显差异，是由构成矿物的化学元素质量分数不同导致的(见图4)，内部形成的高镁碳酸盐具有极强的阴极发光强度，外部形成的低镁碳酸盐的阴极发光强度较低，同时，铁离子作为阴极发光的猝灭剂存在于外部，使得外部的阴极发光强度更弱。

图3 样品电子探针元素分析实验测试点及测试点元素质量分数Fig.3 The electron probe element analysis of the samples and the statistics of element mass fraction of test points

图4 样品元素组成质量分数Fig.4 The comparison of component mass fraction of sample elements

2.1.3 孔隙结构特征

整体上，岩石矿物颗粒之间呈线接触，结构致密，孔隙空间以晶间孔为主(见图5(a))，空间分布具有极强的非均质性。微观上，孔隙类型主要以原生孔隙类的晶间孔为主，通过细小喉道连接，连通性好(见图5(b))。

根据孔隙统计分析结果(见图5(c-d)和表1)，孔隙面孔隙率为3.91%，平均孔径为16.59 μm，分选因数为9.97，平均配位数为1.11，平均孔喉比为1.59，均质因数为0.36。根据油气储层评价方法(SY/T 6285—1997)，属于碳酸盐岩储层孔隙类型中的低孔。

图5 样品孔隙结构及孔隙参数频率直方图Fig.5 Pore structure diagram of the sample and frequency histogram of each pore parameter

表1 K2qn1微晶碳酸盐岩面孔隙结构配位数分析结果

对孔隙喉道宽度和数目进行统计分析，孔隙喉道宽度极为狭窄，集中分布在5.0 μm左右，平均为3.1 μm，属于碳酸盐岩储层喉道类型中的大喉。孔隙喉道宽度对原油的分布影响巨大，决定原油在岩石中的运移能力及在岩石孔隙中的分布[16]。因此，孔隙间连通性好。

孔隙类型不仅能反映沉积后是否遭到次生演化及演化类型，还能反映原油的赋存状态。因此，研究区的微晶碳酸盐岩以原生晶间孔为主，孔隙间连通性较好，利于油气运移；存在少量溶蚀孔，次生演化作用较弱，利于油气保存。

2.2 含油性特征

岩石的含油性可通过元素面分布和二维核磁反映，元素面分布图(见图6)定性反映有机质中的碳元素在孔隙中的分布规律，二维核磁共振(见图7,T1为纵向弛豫时间，T2为横向弛豫时间)定量计算孔隙中原油体积。

通过电子探针元素分析岩心元素面分布(见图6)，钙、镁元素构成岩石骨架，碳元素集中分布于岩石孔隙空间。根据样品核磁共振二维谱图(见图7)中颜色强度，孔隙中心向孔隙边缘碳含量呈现递减的趋势，即碳主要分布于岩石孔隙中心。孔隙中的碳主要由有机质(原油)提供，因此孔隙中的碳含量可以反映原油体积。

利用二维核磁共振分析方法，对孔隙中流体进行研究，得到二维核磁共振T1-T2谱图[17-20](见图7)。图7中，黄色划线区域为水区和束缚水区，红色划线区域为油区和固体有机质(干酪根)区。通过对谱图中流体面积积分可计算流体的相对体积。岩石孔隙中总流体为4.001 μL，束缚水和轻质油体积为3.763 μL，油气体积为1.162 μL，轻质油体积为0.925 μL。因此，油气占总流体体积的29.05%，束缚水和轻质油占总流体体积的94.05%，轻质油占总流体体积的23.12%。

图6 岩心元素面分布Fig.6 Distribution diagram of core element plane

图7 样品核磁共振(T1-T2)二维谱Fig.7 NMR (T1-T2) two-dimensional spectra of the sample

2.3 原油组分赋存状态

二维核磁可定量计算岩石孔隙中油气的含量，但无法表征油气在孔隙中的赋存状态。激光扫描共聚焦分析方法通过获取原油中不同组分的光谱数据，建立原油组分微观分布的三维模型，以直观清晰地表征油气在岩石孔隙中的微观赋存状态[21-24]，进而弥补二维核磁共振的不足。

利用激光扫描共聚焦显微镜对样品进行逐层扫描，将采集到的体数据制成有机质及矿物的三维分布图(见图8)。根据接收的波长信号用不同的颜色代表不同的物质，灰色代表岩石矿物颗粒，红色代表孔隙中的轻质组分，蓝色代表重质组分。有机质的三维分布图不仅反映岩石中原油与矿物颗粒的空间分布，还反映原油轻质和重质组分在孔隙中的分布规律[25]。

根据原油中轻重组分在孔隙中分布的三维图，矿物(灰色)的晶形、孔隙结构及孔隙中充填的原油(蓝色和红色)清晰可见(见图8(a-b))。将扫描获取的原油分布的体数据通过三维建模分析得到轻质组分(红色)与重质组分(蓝色)分布的三维模型(见图8(c))。根据重建三维模型中的各组分体积和与其密度的乘积可求得各组分之间的质量比，从而计算原油中轻质组分与重质组分质量比为0.876，表明原油中富含碳数高的胶质和沥青质。

根据填充岩石孔隙空间的流体所占岩石体积百分比可代表岩石中有效孔隙度，激光扫描共聚焦测得岩样孔隙中原油占岩石体积的15.7%，岩石孔隙为油气提供良好的储层空间。岩石极强的荧光显示也说明微晶碳酸盐岩石富含丰富的油气资源。

2.4 微晶碳酸盐岩储层原油赋存特征

根据荧光强度和颜色可以定性分析岩石的含油性，即荧光颜色反映原油成分，荧光强度反映原油的含量，荧光产状反映石油在岩石中的分布[26-28]。黄褐色荧光主要是由沥青质产生的，原油偏重；为中强发光度，原油体积较高；发光面积较高，反映岩石中原油丰富；荧光产状反映原油以喉道状和粒间吸附状赋存于岩石孔隙(见图2(c))。

荧光分析只能定性分析岩石的含油性，二维核磁共振分析方法不仅可确定流体性质，还可精确测定岩石中含油性，可准确识别原油、固体有机质、束缚水和自由水4种流体类型及其含量，进而通过各流体的含量推断岩石的孔隙类型[29-31]。根据样品的二维核磁定量分析数据，岩石孔隙中含有大量束缚水(占总流体体积的94.05%)，轻质油组分较多(占总流体体积的23.12%)，表明岩石富含油气。激光扫描共聚焦测试分析计算的轻重组分质量比(0.876)及其分布也证明岩石的含油性。

激光扫描共聚焦分析方法是利用固定波长的激光激发物质产生荧光，不同分子结构的物质产生的荧光波长也不同。相比二维核磁共振分析，激光扫描共聚焦不仅直观反映岩石微观结构的三维形态，而且还清晰展现有机质在孔隙中的三维分布，以及原油轻重组分之间的接触关系。根据扫描数据建立的轻重组分三维分布模型表明岩石孔隙中富含油气，且以轻质组分居多(见图8(a-b))，并集中分布于孔隙孔腔和松散的碳酸盐晶粒外壳，少部分油气分布在微晶碳酸盐晶体外壳中。油气组分分布特征表明，轻重组分因成分性质差异而产生分异(见图8(c))，重质组分主要以吸附态吸附于岩石矿物晶体表面及部分以游离态分布于孔隙喉道，而轻质组分以游离态分布于孔腔内部及松散的碳酸盐晶粒外壳。由于重质组分的黏度较轻质组分的大，流动时需要更高的压力和温度地质条件，因而不易流动。模型和喉道统计反映喉道结构中喉道狭窄细小(平均吼道半径为3.1 μm)，原油组分在孔隙喉道处受到较大的毛细管阻力，原油在岩石孔隙中被束缚，难以运移出孔隙。

3 结论

(1)松辽盆地青一段微晶碳酸盐岩由自形程度较高的微晶方解石组成，晶体内外部在化学组成上存在明显差异，即内部钙、镁元素质量分数较高(w(Ca)=73%～78%；w(Mg)=20%～23%)，外部钙、镁元素质量分数较低(w(Ca)=45%～60%;w(Mg)=6%～11%)。岩石孔隙以晶间孔为主，孔隙率大且连通性较好，孔隙中富含油气资源，但储层具有较高的孔隙分选因数(平均配位数为1.11)和均质因数(0.36)，表明储层非均质性较高。

(2)微晶碳酸盐岩储层富含油气(流体占岩石体积的1.22%，油气占总流体体积的29.05%)。二维核磁共振与激光扫描共聚焦结果表明，原油组分中重质组分含量多(轻重组分质量比为0.876)，且轻质与重质组分在空间分布上发生分异；轻质组分以游离态集中分布于孔隙孔腔和微晶碳酸盐岩晶体外部，重质组分以吸附态吸附于矿物表面和部分以游离态分布于孔隙吼道处且难以流动，导致油气滞留于孔隙，大量剩余油滞留在储层中，微晶碳酸盐岩储层具有极高的页岩油气开采潜力。