吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储层微纳米孔隙成因及含油特征

刘金　王剑　张宝真　杨洋　王利　廖晨芸

摘  要：为深化吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储层孔隙及含油性认识，通过氩离子抛光、场发射扫描电镜、核磁共振、微纳米CT及激光共聚焦实验技术，对芦草沟组微纳米孔隙类型、成因及含油特征进行研究。结果表明，微纳米级孔隙按照成因分为无机矿物晶间孔和有机质生烃孔两大类。微纳米孔隙中重质组分附着于颗粒表面或充填于纳米级小孔中，轻质组分主要赋存于较大的亚微米级孔隙，孔隙中心含水。“甜点”岩性微纳米孔隙孔喉直径主体在100 nm～10 μm之间，占比71.8%～93.5%，孔隙类型以无机矿物晶间孔为主，连通性较好且普遍含油。微纳米孔隙具有良好的开发前景，是页岩油提高采收率的重要方向之一。

关键词：微纳米孔隙成因;含油特征;页岩油;芦草沟组;吉木萨尔凹陷

吉木萨尔页岩油是国家级页岩油示范区，预计2025年建设产能200×104 t[1]。芦草沟组岩性为细粒混积岩，孔径分布范围较为宽广。前人针对芦草沟组页岩储层孔隙做了大量研究，主要集中在微米-毫米级粒间（溶）孔、溶蚀孔隙特征及成因方面，而对于微纳米孔隙的系统研究较为缺乏。由于芦草沟组储层微纳米孔在整个孔隙中占有重要的比例[2-6]，且微纳米孔隙中普遍含油，因此，微纳米孔隙类型、成因及含油特征的全面、深入研究对于提高页岩油采收率具有重大意义。通过铸体薄片鉴定、氩离子抛光、场发射扫描电镜、微纳米CT及激光共聚焦综合分析技术，对吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储层微纳米孔隙成因及含油特征进行系统研究，以期为吉木萨尔页岩油高效开发提供依据。

1  地质概况

吉木萨尔页岩油主要发育在二叠系芦草沟组，地层厚度25～300 m，平均200 m，埋深800～4 500 m，平均3 570 m。芦草沟组自上而下分为两段，分别为芦草沟组二段和芦草沟组一段，“甜点”岩性主要为砂屑云岩、长石岩屑粉细砂岩、云质粉砂岩、粉砂岩。矿物组成以白云石、方解石、石英、长石和粘土矿物为主，具明显混积特征。粘土矿物以伊/蒙混层矿物为主，储层覆压孔隙度主体在6%～16%，覆压渗透率主体小于0.1×10-3 μm2，储层具中、低孔-低渗、特低渗的特征。总体上，储层具复杂的孔隙结构和较强非均质，孔隙尺度以微米级和纳米级为主，毫米级较少[7-8]。

2  微纳米孔隙类型及特征

芦草沟组微米级以上孔隙主要有剩余粒间孔、溶蚀孔隙，这类常规孔隙成因，前人已做大量的研究。主要与压实作用及干酪根脱羧作用生成有机酸、CO2等酸性流体进入储层，溶蚀岩屑、长石和碳酸盐物质等相关[9-12]。研究区微纳米孔隙主要包括无机矿物晶间孔和有机质孔。

2.1  无机矿物晶间孔

白云石晶间孔  白云石晶间孔是研究区最常见的微纳米孔隙类型之一。根据139块样品的XRD分析结果，芦草沟组白云石平均含量24.5%，在组成岩石的矿物中占有重要比例。白云岩碳-氧同位素分析结果表明，白云石有准同生、埋藏成因和微生物成因三类[13]。微-粉晶白云石为准同生期沉积或交代的原白云石，经历重结晶作用产生[14]。白云石晶间孔多存在于抗压能力较强的刚性白云石矿物颗粒间[15]，孔径主要分布在200 nm～3 μm，由菱形白云石晶体搭建而成，多成三角状（图1-a，表1）。

钠长石晶间孔  是研究区较为常见的孔隙类型。据能谱定量分析结果，研究区自生长石主要为钠长石。偏光显微镜下钠长石晶间孔表现为长石碎屑的框架内，新长出许多长石小晶体，晶棱、晶面清晰。扫描电镜下，自生板柱状钠长石将碱性长石及基性长石溶蚀孔分割成若干个三角形小孔，孔隙边缘平直，孔径分布于350 nm～8 μm（图1-b，表1）。

粘土矿物晶间孔  依据孔隙形态，研究区粘土矿物晶间孔分为两类，分别为片状伊/蒙混层矿物晶间缝和蜂巢状伊/蒙混层矿物晶间孔。扫描电镜下，伊/蒙混层矿物晶体或集合体多成弯曲片状、不规则片状或似蜂巢状。单晶或集合体长1～2 μm，厚20～30 nm。蜂巢状伊/蒙混层矿物主要形成粘土矿物晶间孔，大小为亚微米-纳米级（400 nm～6 μm），粘土矿物晶间孔长宽比接近于1，呈似圆孔形，由似蜂巢状伊/蒙混层矿物晶体形成，常见于溶蚀孔隙中（图1-c，表1）。粘土矿物晶间缝主要由片状伊/蒙混层矿物形成，大小为纳米级（1 ～350 nm），孔隙长宽比为10～30，呈细窄的长条形或狭缝形（图1-d，表1）[16]，广泛发育于泥质粉砂岩及粉砂质泥岩。

2.2  有机质孔

有机质孔指发育于有机质内部的孔隙[17]。在芦草沟组深层（3 400 m以下）富有机质泥岩中发育大量微纳米级有机质孔。有机质孔在20 nm～5 ?m之间，据国际理论和应用化学协会（IUPAC）划分标准，主体为中孔（2 ～50 nm）-宏孔（大于50 nm）[18-19]。扫描电镜下，芦草沟组有机质孔发育于无定型体颗粒之间，无定形体没有清晰轮廓[20]。孔隙呈圆形或不规则角状、狭缝状，孔径变化较大，且相对均匀分布，孔隙边缘成“溶蚀港湾状”并与油相伴生，为有机质生烃孔隙（图1-e）。此外，有机质孔还见有生物格架孔隙（表1）。

3  不同类型微纳米孔隙成因

白云石晶间孔成因主要为准同生期后泥晶灰质向微晶、细晶转化的过程中，体积逐渐减小，白云石晶体呈格架状接触形成。白云石孔隙边缘常见有溶蚀特征，为干酪根脱羧，形成酸性热流体的溶蚀相关（图1-a）。

钠长石主要分布于碱性长石及基性斜长石的溶蚀孔中，这与长石碎屑溶解伴生的新生钠长石作用相关[21]。随着有机质成熟释放出富含有机酸和二氧化碳的溶液[22]，在成岩早期，当長石碎屑刚刚开始发生溶解时，长石颗粒内部的溶孔中由于长石溶解析出来的钠离子组分很快达到饱和，并就地附着生长（式（1））。随着成岩作用加强，长石碎屑进一步溶解，这不仅为次生孔隙提供更多的钠离子组分，也扩大了晶体的生长空间。钠长石晶体的结晶及格架状排列，最终将碱性长石及基性斜长石的溶蚀孔隙分割成钠长石晶间孔。

KAlSi3O8+Na+=NaAlSi3O8+K+…（1）

随着储层成岩作用的增强，粘土矿物因塑性强，压实作用等因素使粘土矿物晶体发生重排和转化，粘土矿物狭窄孔喉发生萎缩、坍塌与闭合，导致大量粘土矿物晶间孔丧失，岩石强度增加（图2）。粘土矿物晶间缝主要为片状伊/蒙混层矿物晶体间孔隙，由于微米级伊/蒙混层矿物晶体的结晶习性和集合体生长特性，片状伊/蒙混层矿物具弯曲片状的结晶特征，粘土矿物晶体间首尾接触，在中部弯曲部位形成粘土矿物晶间缝。此外，粘土矿物转化脱水还会导致粘土矿物发生层间垮塌，颗粒体积收缩，使粘土矿物晶间孔隙增加[23]。芦草沟组粘土矿物含量平均为13.3%，伊/蒙混层比主体大于70，粘土矿物主要为伊/蒙混层矿物，晶体形态主要为弯曲片状或片状，因此，粘土矿物晶间孔这类纳米级孔隙在页岩储层中占有重要的比例。

有机质演化过程中，有机质生烃及体积缩小是产生有机质孔的原因。芦草沟组有机质孔常与火山物质共生，频繁的火山喷发物质和热液喷流的深源物质参与该区湖相沉积烃源岩的生烃作用过程，并促进有机质的成熟和生烃[24]（图2）。有机质孔的形成主要受干酪根的热演化和TOC含量控制，过低和过高的热演化程度均无法形成大量的有机质孔[25-26]。芦草沟组烃源岩有机质丰度高，以Ⅰ型与Ⅱ1型为主，烃源岩TOC为3.24%;生烃潜量（S1+S2）多大于6.0 mg/g;热解最高峰温Tmax值分布在428～459℃，Ro在0.66%～1.63%，烃源岩处于低成熟-成熟演化阶段[3]，对有机质孔产生较为有利。

4  微纳米孔隙含油特征

通过冷冻氩离子抛光、场发射扫描电镜、微纳米CT、激光共聚焦显微镜和核磁分析实验技术的联合，进行微纳米孔隙含油特征研究。

吉木萨尔页岩油在微纳米尺度以薄膜状、充填状和管束状3种形式赋存（图1-f，g），“小孔”中油为充填状，“大孔”中以薄膜状赋存于孔隙表面或矿物表面。具 “小孔充填状，大孔薄膜状”赋存特征（图1-f）。随着含油程度增高，油膜的厚度越大，小孔到大孔逐渐充满，充填状比例越高。通过对密闭取芯样品进行微纳米CT分析，结果表明，“小孔”中主要为油充填，“大孔”孔壁为油，孔隙中央有水充填（图1-h）。激光共聚焦实验及三维建模结果表明，在亚微米尺度以上，孔隙边缘主要为重质组分，孔隙中间为较轻质的组分（图1-i）。核磁共振T2谱研究结果表明，密闭取心样品可动流体饱和度在75.61%～77.57%。密闭取心样品饱锰后，水信号被屏蔽，长驰豫信号下降，T2谱线向左移动，说明水主要存在于“大孔”中，油富集于“小孔”中（图3）。页岩含水饱和度整体较低，在6%～15%之间。“甜点”储层粉细砂岩、砂屑云岩等岩性的游离水较多，饱锰后T2谱明显左移，“大孔”中水的可动性较强。对于粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及云质泥岩等细粒沉积物，饱锰前后信号几乎没有变化，微孔中游离水很少。

5  微纳米孔隙分布及连通性

通过低压氮气吸附-高压压汞联测方法对芦草沟组主要岩性的全孔径孔隙分布特征进行表征，砂屑云岩和云质粉砂岩等“甜点”岩性微纳米孔隙孔喉直径主体为100 nm～10 μm，占比71.8%～93.5%，以晶间孔为主。粉砂质泥岩等泥质含量较高的岩性微纳米孔隙孔喉直径主体在10 nm～100 μm，占比69.1%，以粘土矿物晶间缝为主（图4）。

芦草沟组储层具纳米孔-微米孔喉全尺度含油的赋存特征（图1-f）。据扫描电镜观察及统计结果，“甜点”岩性喉道类型主要为孔隙缩小型，主体分布于50 nm～2 μm之间，孔隙一般有2～4个喉道相连通，连通性较好（图1-g）。微纳米孔隙具良好的开发前景，是页岩油提高采收率的重要方向之一。

6  结论

（1） 芦草沟组发育丰富的微纳米级无机矿物晶间孔、有机质孔。无机矿物晶间孔主要有白云石晶间孔、钠长石晶间孔和粘土矿物晶间孔、缝。白云石晶间孔为灰质重结晶过程体积缩小形成。钠长石结晶及格架状排列，将溶蚀孔隙分割成钠长石晶间孔;粘土矿物晶间孔、缝主要为伊/蒙混层矿物的弯曲片状结晶形成;有机质生烃演化及体积缩小是产生有机质孔的原因。

（2） 微纳米孔隙具全尺度含油特征。中重质组分附着于颗粒表面或充填于纳米级小孔中，随着含油饱和度的上升，油膜厚度变大，充填状比例提高;轻质组分主要赋存于较大的亚微米级孔隙，孔隙中心含水。

（3） “甜点”岩性微纳米孔隙普遍含油，孔喉直径主体为100 nm～10 μm间，占比71.8%～93.5%，以无机矿物晶间孔为主，喉道类型主要为孔隙缩小型，连通性较好。

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Abstract： In order to deepen the understanding of the pore and oil bearing in the shale reservoir of Lucaogou Formation in Jimusar Depression. The genesis and oil-bearing characteristics of the micro-nano pores in the Lucaogou Formation were studied by argon ion polishing， FESEM， NMR， micro-nano CT and CLSM. The results show that there are two types of micro-nanometer porosity according to their genesis： intercrystalline pore of inorganic mineral and hydrocarbon generation pore of organic matter. The heavy components in the micro-nano pores are attached to the particle surface or filled in the nano-sized pores， while the light components mainly occur in the large sub-micron pores with water in the pore center. The main diameter of dessert micro-nano pore and throat is between 100nm～10um， accounting for 71.8%～93.5%. The pore types are mainly intercrystalline pores of inorganic minerals， with good connectivity and generally oil-containing. Micro-nano pore has a good development prospect and it is one of the important directions to enhance oil recovery of shale oil.

Key words： Micro-nano pore genesis; Oil bearing characteristics; Shale oil; Lucaogou Formation; Jimusar depression