松辽盆地青山口组页岩的压汞孔隙结构及其地质意义

曾维主,宋之光,周国议

(1.中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室,广东广州 510640;2.中国科学院大学,北京 100049)

页岩油主要赋存于页岩的基质孔隙中,前人通过统计不同孔径范围内的孔隙体积与含油率的关系,得到页岩油主要富集在大于20 nm的孔隙内的初步认识[1]。页岩的孔隙结构非常复杂,页岩油富集除了受到孔隙体积的影响外,还受到孔隙连通性和孔喉比等多方面孔隙结构的影响。科研人员采用扫描电镜研究页岩孔隙结构[2-3],但只能观察到较大孔径的孔隙,而且观察区域很小。气体吸附法在描述页岩孔隙方面有广泛的应用[4-6],但只能测量纳米孔隙结构。压汞法分析测试速度快,测试孔径范围宽,能获得页岩从纳米尺度到微米尺度的多方面孔隙结构信息,是页岩油储层孔隙结构研究的重要方法。笔者以松辽盆地古龙凹陷青山口组烃源岩岩心样品为例,采用压汞法测量页岩的孔隙结构特征,分析页岩的压汞孔隙结构参数与含油率关系,探讨页岩的孔隙结构对页岩油富集的影响。

1 地质背景

松辽盆地可划分为6个构造单元,分别为西部斜坡带、北部斜坡带、中央坳陷区、东北抬升区、东南抬升区和西南抬升区。中央坳陷区及其邻近地区为盆地的主要产油气区,而位于中央坳陷区西北部的齐家古龙凹陷为盆地的主要生烃凹陷。盆地发育有侏罗纪、白垩纪和古近纪碎屑沉积地层深度达10 km,其中晚白垩系青山口组为盆地坳陷阶段发育的一套半深湖、深湖相富有机质泥页岩沉积地层,沉积厚度大,分布范围广,是盆地上部含油气系统的主力烃源岩[7],同时具备页岩油资源富集的地质条件[8]。

2 样品与试验

以古龙凹陷Yx58井(图1)为例,等间距选取青山口组底部11个样品(表1),样品埋深从1 996到2 117 m。样品岩性以黑色页岩为主,部分样品含有薄层粉砂质条带。各样品均匀分成两部分,一部分样品做总有机碳(TOC)质量分数和岩石热解分析,另一部分样品做压汞测试。

称取样品约10 g,粉碎至粒径小于0.150 mm,在80 ℃真空条件下干燥24 h后,分别进行TOC和岩石热解分析。TOC分析在美国LECO公司生产的C230型碳硫分析仪上完成,岩石热解分析采用法国Vinci Technologies公司生产的Rock-Eval 6 标准型热解分析仪[9]。

压汞测试采用美国Micromeritice公司生产的Autopore 9510型仪器[10]。称取3～5 g粉碎至粒径为0.850 mm～2.5 cm的块状样品,在80 ℃真空条件下干燥24 h。仪器工作压力为0.01～379 MPa,压力分辨率为70 Pa。低压阶段(0.01～0.21 MPa)选取压力点13个,高压阶段(0.21～379 MPa)选取压力点39个,每个点稳定10 s。进汞测试结束后,压力开始逐步降低至大气压力,并测得30个压力点的退汞曲线。通过Washburn公式p=-2γcosθ/r可计算出对应压力下的孔径,测试汞的表面张力γ设为485 mN/m,接触角θ设为130°,计算得对应孔径为3 nm～120 μm。

图1 松辽盆地Yx58井地理位置Fig.1 Location of sampling well Yx58 in Songliao Basin

3 结果分析

3.1 青山口组页岩的有机地球化学特征

所选取的青山口组页岩样品的TOC质量分数和岩石热解参数见表1。除样品11的TOC质量分数为3.84%外,其余样品的TOC质量分数为1.03%～1.90%。页岩的氢指数(IH)为346～483 mg/g,显示较高的生烃潜力。Tmax指数为435～447 ℃,产率指数(IP)为0.14～0.30,表明页岩正处在成熟阶段内。页岩的自由烃(S1)为0.69～5.78 mg/g,含油饱和度(So)为67～180 mg/g,与松科1井青山口组页岩的含油率相当[11]。在底部的3个样品的含油率均较高,So均超过100 mg/g。按评价标准[12]表明松辽盆地Yx58井地区青山口组底部具备一定的页岩油资源潜力。

表1 松辽盆地青山口组页岩样品的TOC质量分数和岩石热解参数Table 1 TOC mass fraction and pyrolysis parameters of shales from Qingshankou Formation,Songliao Basin

3.2 青山口组页岩的压汞孔隙结构特征

如图2所示,青山口组页岩样品的进汞曲线可分为3阶段:低压进汞阶段(压力为0.01～0.1 MPa)、中压缓慢增加阶段(0.1～34.47 MPa)、高压快速进汞阶段(34.47～379.21 MPa)。样品11在低压阶段有较大汞体积,表明其大孔相对较发育。各样品的退汞曲线形态相似,均表现为退汞效率低,有大量汞滞留在页岩孔隙内。以压力恢复至大气压力时的汞体积与最高压力下的汞体积之间的比值来表征页岩的汞滞留能力,计算得各页岩的汞滞留量为61%～84%,平均为72%(表2)。

仪器计算所得页岩的压汞孔隙结构参数见表2。页岩的孔隙度为5.0%～8.0%,平均值为6.0%。相比四川盆地高、过成熟度页岩样品[10],青山口组页岩的孔隙度较大;与哥伦比亚上白垩统页岩油储层样品相比,青山口组页岩样品则孔隙度较小[13]。比表面积为10.0～13.3 m2/g,平均为11.7 m2/g,这与前人测得的青山口组页岩N2吸附比表面积相当[14]。各页岩样品的平均孔径为7.2～13.5 nm,平均为8.7 nm。相比哥伦比亚上白垩统页岩油储层样品[13],青山口组页岩的平均孔径较小。页岩以纳米孔隙为主,其孔隙占比(体积)为72.4%～90.9%,平均为86.2%;微米孔隙占比为9%～27.5%,平均为13.8%。

图2 青山口组页岩的进汞和退汞曲线Fig.2 Mercury intrusion and extrusion curves of shales from Qingshankou Formation

表2 青山口组页岩样品的压汞孔隙结构参数Table 2 Pore structure parameters calculated from MICP analysis for shales of Qingshankou Formation

墨水瓶孔喉理论认为退汞曲线反映孔隙直径,进汞曲线反映喉道直径,在同一汞饱和度下其比值即为对应孔隙直径下的孔喉比[15]。按此方法计算得到页岩样品的孔喉比从1到103变化(图3(a))。各样品孔喉比均随着汞饱和度的增加而减小(图3(b)),相同汞饱和度下页岩的孔喉比差异较大。随着孔隙直径的增加,孔喉比也线性增大(图3(c))。同一孔隙直径下,各页岩的孔喉比基本一致,这可能与它们具有相似的孔隙类型有关[16]。纳米级孔隙的孔喉比小于100,而微米级孔隙的孔喉比多大于100。随着孔隙直径的增大,孔隙占比迅速降低(图3(d)),微米级孔隙占比小于5%,而小于20 nm的孔隙占比大于20%。按孔隙占比计算得到各页岩的平均孔喉比为4.9～36.2(表2)。样品4的平均孔喉比最小,退汞效率较高;样品11的平均孔喉比最大,退汞效率较低。

图3 利用压汞数据计算页岩的平均孔喉比Fig.3 Calculating pore-throat ratio based on mercury intrusion and extrusion curves

随着平均孔径的增加,页岩的孔隙度和微米孔隙占比均增加(图4(a)、(b)),表明页岩的孔隙度主要来自较大的微米孔隙的贡献。页岩的汞滞留量随着平均孔径的增加而增大(图4(c)),表明汞主要滞留在微米孔隙内。页岩的汞滞留量可以反映孔隙网络的连通性,汞滞留量越大,孔隙连通性越差。因此页岩中微米孔隙的连通性较差,这可能与页岩中的矿物粒间孔隙有关[16]。页岩的平均孔喉比与孔隙度之间呈现较明显的正相关关系(图4(d))。微米孔隙越发育,平均孔喉比越大(图4(e))。汞滞留量与页岩的平均孔喉比之间存在非常明显的正相关关系(图4(f)),表明页岩平均孔喉比与孔隙连通性之间有一定的关系。通过玻璃管模拟墨水瓶孔喉结构研究[17]表明,随着孔喉比的减小,汞的滞留量也降低。页岩微米孔隙越发育,平均孔喉比越大,汞滞留量越大,孔隙连通性越差;页岩纳米孔隙越发育,平均孔喉比越小,汞滞留量越小,孔隙连通性越好。这表明页岩的孔隙网络是由数量较多的纳米孔隙连通少数孤立的微米孔隙所组成。

3.3 页岩的孔隙结构参数与含油率关系

页岩的含油饱和度随产烃指数的增加而增大(图5(a)),表明有机质生烃强度对页岩含油率起重要控制作用,说明青山口组页岩油资源属于一种自生自储型,而非外源型。页岩中生成的油首先吸附在干酪根内部,当生油量满足自身干酪根吸附后,生成的油开始聚集于页岩的基质孔隙中[18]。因此在生油量较大的条件下,页岩的孔隙结构将对含油率起着重要影响。

页岩的孔隙度与So之间存在正相关关系(图5(b)),表明页岩的孔隙体积对含油率也有一定的控制作用。与页岩气不同,页岩油主要储集在较大的孔隙中[19],因而页岩的微米孔隙越发育,越有利于页岩油的储集。页岩平均孔喉比与So之间也存在一定的正相关关系(图5(c)),表明页岩孔喉结构对其含油率有重要影响。页岩的平均孔喉比越大,微米孔隙越发育,孔隙的连通性反而越差。从这个角度看,页岩油属于滞留在微米孔隙中的残留油。页岩的汞滞留量与So之间呈正相关关系(图5(d)),这从另一方面说明页岩油的残留属性。页岩的微米孔隙为页岩油的有效储集空间,而纳米孔隙作为页岩孔隙网络的主要连接通道,对页岩油的富集和保存也有重要影响。页岩基质中干酪根生成的油在满足自身吸附后便开始通过纳米孔隙喉道向周围的微米孔隙空间内聚集;在页岩基质孔隙被生成的油饱和后便开始发生大量排烃作用,但仍有部分油残留在页岩的微米孔隙中。因此,页岩基质的纳米孔隙越发育一方面可能越有利于干酪根生成的油向周围基质孔隙内聚集;另一方面纳米孔隙越发育使页岩孔隙连通性变好,烃源岩排烃效率越高,可能越不利于页岩油的保存。样品9和10在孔隙度、平均孔喉比和汞滞留量较低的情况下仍具有较高的含油率,可能原因有:一方面平均孔喉比较低,孔隙连通性较好,有利于油向周围基质孔隙内聚集;另一方面页岩的w(TOC)较高，生油沥青充填孔隙较大,不利于页岩微米孔隙的发育和保存[20]。

图4 页岩孔隙结构参数之间的相关关系Fig.4 Relationships among pore structure parameters of shales

图5 页岩含油率的主要控制因素Fig.5 Factors controlling oil content of shales

4 结 论

(1)青山口组页岩的汞孔隙度为5.0%～8.0%,平均孔径为7.2～13.5 nm,汞滞留量为61%～84%。页岩以纳米孔隙为主,微米孔隙较少。页岩的平均孔喉比为4.9～36.2,微米孔隙的孔喉比较大,纳米孔隙的孔喉比较小。

(2)青山口组页岩平均孔喉比与汞滞留量间具有非常明显的正相关关系,表明页岩孔喉比越大,孔隙连通性越差。

(3)页岩微米级孔隙的发育程度决定了页岩油的有效储集空间,而页岩纳米孔隙发育程度决定着孔隙间的连通性,连通性越好越有利于干酪根生成的油向周围基质孔隙内聚集,但同时可能由于排烃效率提高反而不利于页岩油的保存。