江汉盆地潜江凹陷潜江组盐间页岩油储层特征研究——以潜34-10韵律为例

刘心蕊，吴世强，陈凤玲，张 亮，杜小娟，管文静，梁文川

(1.中国地质大学(武汉) 资源学院，武汉 430074；2.中国石化 江汉油田分公司，武汉 430035)

近年来，随着国内外非常规油气资源理论水平逐步提升、技术日趋完善，页岩油成为油气勘探开发的前沿和热点研究领域[1-2]。中国是世界能源需求大国，2018年数据显示，我国石油对外依存度超过70%[3]，因此，亟需建立和发展适用于中国复杂地质条件的非常规油气资源理论，加大页岩油气的勘探开发力度，为国家能源安全提供保障[4-5]。我国页岩油资源总体较丰富，但较国外资源条件具有特殊性。北美主要为海相盆地页岩油，我国主要为陆相盆地页岩油[6-7]。在中国陆相盆地中，江汉盆地属于典型的陆相盐湖盆地，在古近系潜江组盐间页岩中油气显示丰富，录井均为油浸页岩，120多口井见槽面显示，50多口井获工业油流，展现出良好的勘探开发前景。

目前，学者们针对江汉盆地潜江凹陷盐间页岩油储层的生烃条件和含油性等陆续开展了大量研究并取得了丰富的成果[8-11]，探讨了页岩油储层矿物组成、脆性特征、含油性、资源潜力和页岩油富集机理等方面的关键问题。然而，由于盐间储层盐韵律十分发育，岩性复杂多样，碳酸盐和硫酸盐等矿物对储层储集空间影响较大，导致盐间储层岩相特征与储集物性关系的研究相对薄弱[12]。为此，本文以潜江凹陷页岩油显示较好的4口探井/兼探井潜三段第四油组的第十韵律层(潜34-10)取心段为剖析对象，在岩心系统观察描述基础上，选取典型样品开展岩石薄片鉴定、X衍射、高压压汞和孔渗等分析，评价潜34-10韵律盐间页岩矿物组成和岩相特征，分析岩相类型与储集特征，落实盐间页岩油勘探有利岩相，以期为江汉盆地盐间页岩油勘探开发和有利层段的优选提供依据。

1 区域地质背景

江汉盆地是我国东部古近纪陆相含油盐湖盆地，属燕山运动发展起来的白垩纪—古近纪断陷盆地，经历了2个断—拗旋回，主要发育了新沟嘴组和潜江组2套生储油层系[13]。江汉盆地由枝江、江陵、陈沱口、潜江、小板、云梦、沔阳7个次级凹陷组成[13-14](图1)，其中又以潜江凹陷为沉积沉降中心[9,15]，面积约2 530 km2。潜江凹陷潜江组由砂泥岩层和盐韵律层频繁交互而成，其中盐韵律层由盐岩层与盐间页岩层组成，共有193个盐韵律层[16-17]。纵向上，潜二段沉积早期、潜三段沉积中期、潜四下段沉积晚期沉积的盐间页岩，既是高效优质烃源岩[18-20]，又是储集岩。由于上下盐岩分隔、纵向运移条件差，形成了封闭的盐间页岩油系统。

图1 江汉盆地潜江凹陷构造位置与剖析井分布Fig.1 Tectonic units and well locatins in Qianjiang Sag, Jianghan Basin

2 矿物组成及岩相特征

2.1 矿物组成与岩相类型

根据潜江凹陷4口页岩油专探井/兼探井(BYY2井、BYY1井、W99井和BX7井)潜江组潜34-10韵律盐间页岩层系取心段岩心系统观察结果，对典型岩性样品进行了系统采集与分析测试。表1为样品全岩X衍射分析的统计结果，很显然潜34-10韵律盐间页岩层系纵横向矿物组成变化大，矿物成分复杂，主要矿物包括白云石、黏土矿物、钙芒硝、方解石、石英等。其中，BX7井白云石、黏土矿物、钙芒硝、方解石、石英含量平均分别为31.8%，20.7%，2.2%，22.6%，8.2%；BYY1井白云石、黏土矿物、钙芒硝、方解石、石英含量平均分别为28.7%，12.2%，18.5%，10.9%，7.3%；BYY2井白云石、黏土矿物、钙芒硝、方解石、石英含量平均分别为30.9%，12.4%，23.4%，9.8%，6.7%；W99井白云石、黏土矿物、钙芒硝、方解石、石英含量平均分别为23.6%，26.7%，22.3%，9.7%，10.8%。总的来说，该韵律层主要矿物的平均含量白云石为29.3%，黏土矿物为16.0%，钙芒硝为17.6%，方解石为12.6%，石英为7.8%。

传统的页岩岩相分类主要采用脆性矿物、黏土矿物和碳酸盐矿物作为3个单元，再结合有机碳含量、纹层发育程度等特征划分岩相。考虑到研究区的盐湖背景和较高的盐类矿物含量，本文以碎屑类矿物(石英+黏土+长石)、碳酸盐类矿物(方解石+白云石)和盐类矿物(钙芒硝+石盐)3大类矿物组成为基础(图2)，按照矿物成分—层理构造—有机质丰度作为岩相定名主要依据，识别出研究区盐间页岩主要的岩相类型，分别为富碳纹层状泥质白云岩相、富碳纹层状云/灰质泥岩相和钙芒硝充填富碳纹层状云质泥岩相(图3)。

图2 江汉盆地潜江凹陷潜34-10韵律 盐间页岩层主要矿物组成和岩相划分方案Fig.2 Major mineral composition and lithofacies division of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

2.2 岩相特征

研究表明，潜江凹陷潜江组盐间页岩层系厚度一般为5～10 m，部分层系在局部地区可达20 m以上。4口探井揭示潜34-10韵律盐间页岩层系厚度较小(取心显示在10 m左右)，但由于盐间沉积具有成盐多期性和长期性，导致不同岩相特征具有显著差异[21]。

富碳纹层状泥质白云岩相主要发育在潜34-10韵律中上部，岩石多呈深灰、黄褐色。该岩相矿物学特征表现为白云石含量最高，平均为44.1%，黏土矿物含量平均为20.3%，方解石含量平均为16.8%，石英和长石含量平均为14.7%，其余还有少量钙石盐、黄铁矿及石膏等(图3,图4)。富碳纹层状泥质白云岩相基质具泥晶结构，泥质、云质相互混杂，陆屑颗粒少量，部分岩石表面被石盐覆盖；晶间孔隙较不发育，部分岩石具纹层构造(图5)，具有较高的有机碳含量(图3)。

表1 江汉盆地潜江凹陷潜江组潜34-10韵律盐间页岩层矿物成分统计

图3 江汉盆地潜江凹陷W99井潜江组潜34-10盐间页岩岩相划分Fig.3 Lithofacies division of inter-salt shales in rhythm,Qianjiang Formation,well W99,Qianjiang Sag,Jianghan Basin

富碳纹层状云/灰质泥岩相主要发育在潜34-10韵律中部，岩心呈灰色。该岩相矿物特征表现为黏土矿物含量较高(平均为32.3%)，石英、长石含量平均为17.4%。其中，云质泥岩中白云石含量平均为23.5%，方解石含量平均为18.3%；灰质泥岩中白云石含量平均为7.3%，方解石含量平均为35.8%(图3,图4)。此外，富碳纹层状云/灰质泥岩相含少量其他矿物，如钙芒硝、黄铁矿等。富碳纹层状云/灰质泥岩相纹层发育，富碳质暗色纹层与富灰质亮色纹层间互层，层间缝较为发育，可见局部夹有黄褐色纹层状泥晶白云岩；泥晶灰岩纹层厚度小于1 mm，荧光下纹层内部可见波状有机质条带，具有较高的有机碳含量(图3,图5)。

图4 江汉盆地潜江凹陷潜江组盐间页岩岩心扫描照片

图5 江汉盆地潜江凹陷潜江组 盐间页岩主要矿物组构、结构特征

钙芒硝充填富碳纹层状云质泥岩相主要发育在潜34-10韵律底部。岩心呈浅灰色，矿物成分以黏土矿物为主，平均为34.7%，白云石含量平均为27.2%，钙芒硝含量平均为25.5%，黄铁矿含量平均为5.8%，石盐含量平均为3.2%，其余矿物成分还包括方解石、石膏及硬石膏等(图3,图4)。钙芒硝呈板块状分布，存在钙芒硝充填，其粒径为0.02～0.20 mm；晶间孔及微裂缝发育程度低，具有较高有机碳含量(图3,图5)。

3 岩相类型与页岩储集物性

根据潜江凹陷典型样品储集物性分析结果(表2)，潜江组潜34-10韵律盐间页岩储层孔隙度较高，为1.9%～31.3%，平均总孔隙度为6.0%～22.%；但渗透率相对较低，为(0.06～5.1)×10-3μm2，平均为(0.55～2.18)×10-3μm2(表2)。总的来说，研究区潜34-10韵律页岩储层为中孔—特低渗页岩储层。进一步的分析表明，研究区不同岩相的储集物性具有较大的差异，即同一韵律层储集物性受岩相控制明显。由图6可见，3种岩相中富碳纹层状泥质白云岩相、云质/灰质泥岩相储集空间发育程度较好，其孔隙度分别为23.83%和29.38%；而钙芒硝充填富碳纹层状云质泥岩相储集空间发育程度较差，其孔隙度约为14.97%。

另一方面，基于高压压汞测试分析显示，富碳纹层状泥质白云岩相孔喉半径主要为6～410 nm，中值孔喉半径为219 nm，孔径大于41 nm的孔隙占总数的81%，压汞孔隙度为19.07%，综合表明该岩相储集物性相对较好(图7)。富碳纹层状灰质泥岩相储层孔喉半径集中分布在6～64 nm，中值孔喉半径为21 nm，孔径大于41 nm的孔隙占总数的18%，压汞孔隙度为25.17%(图7)。钙芒硝充填纹层状灰质泥岩相储层孔喉半径主要分布在6～64 nm左右，中值孔喉半径为21 nm，孔径大于41 nm的孔隙占总数的27%，压汞孔隙度为13.40%，综合表明，该岩相储集物性相对较差(图7)。

表2 江汉盆地潜江凹陷潜江组 潜34-10韵律盐间页岩储集物性数据Table 2 Reservoir properties of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

图6 江汉盆地潜江凹陷王99井 潜江组潜34-10韵律盐间页岩岩相与孔隙度关系Fig.6 Relationship between lithofacies and porosity of inter-salt shales in rhythm, Qianjiang Formation, well W99, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

4 有利岩相

页岩储层中烃类富集层段是页岩油勘探开发的首选目标。目前，页岩油开发普遍采用压裂增产措施，即页岩含油气层段能否高产，在一定程度上由烃类含量以及烃类物质在压裂改造过程中的可流动性共同决定。因此，页岩油富集层段孔渗特征和游离烃含量是评价页岩油经济开发的重要参数[12,22-23]。

目前，国内外学者普遍采用热解参数S1来代替游离烃含量以进行页岩含油潜力分析。前人[24]研究表明，潜江凹陷潜江组潜34-10韵律层的S1介于2.73～28.47 mg/g之间，平均值为14.14 mg/g，明显高于美国的巴肯页岩(S1平均值为2.93 mg/g)和国内鄂尔多斯盆地长7段页岩(S1平均值为5.24 mg/g)，表明研究区页岩含油率较高。研究区潜34-10韵律页岩层系上部的富碳纹层状泥质白云岩相岩性均一，TOC含量较高(图3)，S1值约为18.47 mg/g(图8)，表明页岩储层中的含油性较好。同时，其孔隙度较高，约为23.83%，孔径大于41 nm的孔隙占总数的81%，孔喉半径中值高达219 nm(图7)，有利于页岩油的储集和产出。因此，富碳纹层状泥质白云岩相为盐间页岩油储层中的优势岩相，可作为研究区页岩油勘探中的“甜点”。富碳纹层状云/灰质泥岩相TOC含量与富碳纹层状泥质白云岩相相当(图3)，S1值也保持在10 mg/g左右(图8)，孔隙度高达29.38%(图6)，有利于页岩油的储集。但富碳纹层状云/灰质泥岩相页岩孔喉较小，孔喉半径集中在6～64 nm(中值为21 nm)，孔径大于41 nm的孔隙仅占总数的18%(图7)，不利于页岩油的产出。因此，富碳纹层状云/灰质泥岩相开发潜能中等[12,23]。钙芒硝充填富碳纹层状云质泥岩相TOC含量较低(图3)，S1值低于5 mg/g(图8)，表明页岩含油稳定性较差[8,10]。该岩相孔隙度较低，孔喉半径为6～64 nm，中值孔喉半径为21 nm，孔径大于41 nm的孔隙占总数的27%(图7)，其较差的孔隙空间和致密的孔喉结构不利于页岩油的富集和产出[23-24]。此外，由于该种类型岩相页岩盐类含量较高，在开发过程中易造成储层结盐、堵塞，导致开发效果较差[12]，因此，其开发潜力相对最低。

图7 江汉盆地潜江凹陷潜江组不同岩相储层孔径表征Fig.7 Distribution of pore size of shale reservoirs with different lithofacies in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

图8 江汉盆地潜江凹陷潜江组不同岩相游离烃含量分布Fig.8 Free hydrocarbon contents of different lithofacies in Qianjiang Formation, Qianjiang Sag, Jianghan Basin

5 结论

(1)江汉盆地潜江凹陷潜江组盐间页岩主要可以划分为3种岩相类型，分别为富碳纹层状泥质白云岩相、富碳纹层状云/灰质泥岩相和钙芒硝充填富碳纹层状云质泥岩相。

(2)研究区不同岩相的储集物性具有较大差异，其中富碳纹层状泥质白云岩相和富碳纹层状云/灰质泥岩相孔隙度相对较高，分别为23.83%和29.38%，而钙芒硝充填富碳纹层状云质泥质相孔隙度较低，为13.4%。不同岩相孔径分布差异明显，富碳纹层状泥质白云岩相孔喉半径分布范围广，以孔径大于41 nm的孔隙为主，中值孔喉半径为219 nm；而富碳纹层状云/灰质泥岩相和钙芒硝充填富碳纹层状云质泥质相孔喉半径分布范围小，以孔径小于41 nm的孔隙为主，中值孔喉半径为21 nm。

(3)富碳纹层状泥质白云岩相岩性均一，页岩储层中的含油性较好，良好的储集空间和较大的孔喉结构为页岩油的储集和产出提供了有力的保障，是盐间页岩油储层中的优势岩相，可作为研究区页岩油勘探中的“甜点”。