鄂尔多斯盆地东南部长7段页岩孔隙特征及其控制因素

曹尚，李树同，党海龙，邢海雪，张丽霞，张天龙，白璞

（1.中国科学院 西北生态环境资源研究院，兰州 730000；2.中国科学院大学 地球科学学院，北京 100049；3.陕西延长石油（集团）有限责任公司 研究院，西安 710065；4.大庆油田有限责任公司 第七采油厂，黑龙江 大庆 163000）

页岩油气是一种自生自储的特殊油气资源，页岩孔隙特征直接影响储集层品质和油气赋存。中国发育大量的陆相富有机质页岩，以鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩为代表[1-4]。

前人对页岩孔隙结构进行了一定程度的研究[5-11]，但多集中在海相页岩，对陆相页岩的研究相对薄弱，尚未形成系统和明确的认识。主要有2 方面原因：一是受制于测试方法较为单一，未能实现对页岩孔隙的全孔径定量表征，如采用气体吸附法，仅明确延长组页岩1.5～30.0 nm 孔径的孔隙结构特征，但对孔径大于50.0 nm的大孔认识不足[12-13]；二是对陆相页岩层系非均质性的特征及其对孔隙的影响认识不足，在研究页岩孔隙发育特征时多选择富有机质的纯黑色页岩作为样品，而长7 段页岩层系中粉砂质纹层广泛发育[14-16]，多与纯页岩呈交互层出现，单层厚度最小约0.5 mm，在页岩段中累计厚度占比较高，而粉砂质纹层含量对页岩孔隙的影响较大[17]。页岩层系中纯页岩与粉砂质纹层在岩石学特征上的差异，很可能对整个页岩层系的孔隙结构和物性特征产生重要影响，因此，在研究页岩孔隙特征时，除了选取富含有机质页岩，还需选取粉砂质纹层进行测试，才能更加全面系统地认识页岩层系的孔隙特征。

前人虽然对页岩孔隙发育的控制因素进行了大量研究[18-20]，认为鄂尔多斯盆地延长组页岩孔隙发育受矿物类型及含量影响[14]，但这些研究同样把页岩层系作为一个整体，未能考虑到页岩层系中不同岩石类型孔隙发育的主控因素可能不同。因此，本文以鄂尔多斯盆地东南部长7 段页岩为研究对象，通过扫描电镜、铸体薄片、气体吸附法和压汞法等实验手段，对页岩层系中纯页岩和粉砂质纹层发育页岩的孔隙特征进行分析，确定孔隙发育的主控因素，深化对长7 段页岩储集层的认识。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北板块西缘，属于大型克拉通内陆拗陷盆地，面积约25×104km2，地层平缓，倾角小于1°，发育伊盟隆起、渭北隆起、伊陕斜坡等6 个一级构造单元[21]。研究区位于伊陕斜坡东南部（图1），三叠系发育较全，从老到新依次为刘家沟组、和尚沟组、纸坊组和延长组。延长组自下而上又分为10 段，其中长7 段以深湖—半深湖相为主，发育了盆地内分布稳定的张家滩页岩[22]，页岩厚度为15～120 m，整体具东北薄、西南厚的特点。

2 页岩层系中岩石类型划分

选用鄂尔多斯盆地东南部长7 段的19 块页岩样品进行了分析，由于长7 段页岩非均质性强，页岩内粉砂质纹层广泛发育，因此，将测试样品分为2 种岩石类型：纯页岩和粉砂质纹层发育页岩。通过镜下薄片和扫描电镜观察及X 射线衍射分析等手段，确定不同类型岩石的矿物学特征。

（1）纯页岩 黑色或灰色，总有机碳含量较高，一般大于4%，是延长组页岩的主体岩石类型，主要发育在长7 段的中部和顶部，以层理构造为主，碎屑颗粒粒度一般较小；矿物以黏土矿物为主，平均含量为51%，主要为伊利石、伊蒙混层和绿泥石。

（2）粉砂质纹层发育页岩 以灰色、灰白色和灰黄色为主，最突出的特点是粉砂质纹层发育，与相邻纯页岩呈薄互层产出，多见于长7 段顶部和底部，以及页岩较薄的部位，纹层厚度多小于1 mm，最厚可达1 cm，水平层理或波状—透镜状层理非常发育，矿物以石英、长石等刚性碎屑颗粒为主，黏土矿物含量低于纯页岩。

3 不同岩性孔隙特征

3.1 孔隙空间类型

通过聚焦离子束扫描电镜和铸体薄片分析，研究区长7 段页岩发育多种类型孔隙，主要包括粒间孔、晶间孔、粒内孔和有机孔（图2）。

（1）粒间孔和晶间孔 主要发育在黏土矿物与石英、长石等刚性颗粒间或矿物晶体间，孔隙形态多样，呈现三角形、狭缝状及多角状等，一些粒间孔周缘被溶蚀形成粒间孔（图2a—图2d），孔径介于5.0～600.0 nm，最大可达3.4 μm，多数孔隙的孔径小于200.0 nm，平均为75.0 nm。此类孔隙连通性较好，对页岩油气的渗流和运移有利。

（2）粒内孔 页岩中粒内孔主要分为3 类：长石、方解石等的粒内孔，黏土矿物集合体粒内孔，黄铁矿集合体粒内孔。具有近圆形、菱形、三角形、椭圆形、缝状、不规则多角状等多种形状（图2e—图2h），孔径较大的粒内孔为长石颗粒溶孔，孔径峰值为20.0～30.0 nm。

（3）有机孔 多发育于有机组分与黏土矿物的分界面，少量发育在有机质内部，顺层富集分布，常呈椭圆形或蜂窝状（图2i），孔径较小，可小于2.0 nm。有机孔整体发育较少，这与长7 段页岩的热成熟度较低有关[23]。

研究区长7 段页岩中，粉砂质纹层和纯页岩中的孔隙类型存在一定差异。纯页岩中主要发育黏土矿物粒间孔和有机孔，主要原因是纯页岩中黏土矿物含量高，有机质相对富集；粉砂质纹层中刚性碎屑颗粒组成的粒间孔和粒内孔比较发育，孔径较纯页岩中大。同时，粉砂质纹层中，由于有机质含量较低，有机孔发育差，只有当刚性颗粒足够多，能起到支撑作用时，有机孔才局部发育。

3.2 孔隙结构特征

本文结合气体吸附法（CO2吸附和N2吸附）和压汞法，综合表征页岩孔隙全孔径特征。CO2吸附法用来表征微孔（孔径0.4～2.0 nm），N2吸附法常用来表征中孔（孔径2.0～50.0 nm）和部分大孔（孔径50.0～300.0 nm），压汞法可以获得孔径3.6～100 000.0 nm 的孔隙结构信息。在孔径分布的叠合区，以压汞法的孔径分布为准，获得长7 段页岩微孔、中孔和大孔的连续分布（表1）。

（1）孔体积特征 在所有孔隙中，中孔体积最大，分布在0.002 6～0.017 4 cm3/g，平均0.010 4 cm3/g，其次为大孔体积，分布在0.002 5～0.008 3 cm3/g，平均为0.005 4 cm3/g，微孔体积最小，平均为0.001 6 cm3/g。相应的，中孔体积占孔系总体积的比例较大，其次为大孔。粉砂质纹层发育的页岩中，微孔、中孔和大孔体积分别为0.001 5 cm3/g、0.011 8 cm3/g和0.006 5 cm3/g，中—大孔体积是微孔体积的12.2倍，纯页岩中也呈现出同样的特征，中—大孔是孔隙体积的主要贡献者（表1）。在2 种岩性中，粉砂质纹层发育页岩的中—大孔体积较大，是纯页岩对应孔体积的1.38 倍；纯页岩微孔比粉砂质纹层发育，其微孔体积占比是粉砂质纹层的2倍；粉砂质纹层的总孔体积明显大于纯页岩。同时，粉砂质纹层发育页岩的平均孔隙度为5.01%，是纯页岩的1.3倍。另外，粉砂质纹层发育页岩，渗透率分布范围较宽，为0.009 3～0.066 0 mD，平均为0.042 6 mD，纯页岩渗透率分布在0.002 8～0.027 5 mD，平均为0.017 3 mD，粉砂质纹层发育页岩渗透率是纯页岩的2.5倍。孔渗数据表明，相比纯页岩，粉砂质纹层储集和渗流能力更强。

表1 研究区长7段部分样品孔隙结构相关测试参数和计算结果Table 1.Test parameters and calculation results related to the pore structure of some samples from Chang 7 member in the study area

（2）孔径分布特征 根据实验结果（图3），页岩孔径（D）分布曲线整体呈单峰型和双峰—多峰型2 种；微孔和部分孔径较小的中孔（2.0～5.0 nm）峰值高但围成面积小，发育数量多但提供孔体积（V）不大，中—大孔数量虽比微孔少，但提供了主要的孔隙空间。其中，纯页岩以32 号和5 号样品为代表，孔径分布曲线多样（图3a、图3b），峰值位于1.0 nm 附近，属微孔，大孔相对不发育；粉砂质纹层发育页岩以31 号和22 号样品为代表（图3c、图3d），峰值位于1.0～2.0 nm 附近，第二高峰在100.0～1 000.0 nm，其大孔比纯页岩更为发育（图3a、图3c），对应的孔体积也更大。

综上所述，长7 段页岩以中—大孔发育为主，粉砂质纹层的中—大孔比纯页岩更为发育，孔渗性更好，这与镜下观测结果一致。

4 影响孔隙发育的因素

4.1 纯页岩

根据测试结果，在纯页岩中，中孔体积与总有机碳含量呈正相关（图4a），大孔体积与石英和长石含量具有很好的线性正相关性（图4b），表明纯页岩中中孔的发育主要受控于总有机碳含量，大孔的发育主要受控于石英和长石等刚性碎屑颗粒含量。同时，孔隙度与石英和长石含量的相关性好于总有机碳含量（图4c、图4d），相关系数分别为0.87 和0.59，说明纯页岩孔隙发育的主要影响因素是刚性碎屑颗粒含量，其次是总有机碳含量。

4.2 粉砂质纹层发育页岩

由镜下观察可知，粉砂质纹层中有机质含量较低，主要发育中—大级别的无机质粒间孔和粒内孔，孔体积和孔隙度与总有机碳含量的关系不大（图5a、图5b）。石英、长石含量与微孔和中孔体积不具有相关关系，与大孔体积具有一定正相关关系，但相关性较差（图5c）；孔隙度与石英、长石等刚性矿物颗粒含量关系不明显（图5d）。前文研究表明，粉砂质纹层的孔径、孔体积和孔隙度均比纯页岩大，储集和渗流能力比纯页岩强，由此说明粉砂质纹层孔隙发育的影响因素较为复杂。粉砂质纹层中原始孔隙的形成不是问题，孔隙保存条件是关键。虽然刚性颗粒含量、粒度等在孔隙形成过程中具有重要作用，但化学成岩和有机质生烃对孔隙的后期改造作用可能具有更高的增孔或减孔效率。

粉砂质纹层以石英、长石等刚性颗粒为主，这些刚性颗粒比黏土矿物成熟度高，抗机械压实性更强，颗粒间的孔隙更易保存。同时，页岩生、排烃过程中，随着热演化程度的提高，会产生有机酸、CO2等酸性流体，导致长石被溶蚀。粉砂质纹层中长石含量较高，溶蚀作用较强烈，相较于以黏土矿物为主的纯页岩，形成了更多的孔隙。从镜下观察可知，粉砂质纹层中长石的粒内孔和粒间孔随处可见（图3a、图3e）。

在发生酸性物质溶蚀作用后，粉砂质纹层中会伴随出现胶结作用，主要形成包括石英微晶、方解石、铁白云石、菱铁矿等胶结物。虽然胶结作用占据了一部分的原始孔隙空间，但有机质演化生成的液态烃包裹了孔隙和矿物表面，改变了孔隙润湿性，矿物表面由亲水向亲油转变，抑制了后期胶结作用，对孔隙保存具有一定积极影响。

综上所述，粉砂质纹层比纯页岩具有更好的孔隙结构和储集能力。因此，在页岩评价中，应重点考虑粉砂质纹层，以中—大孔为主的粉砂质纹层发育页岩对油气的富集更为重要。同时，在粉砂质纹层与暗色矿物接触面，容易产生顺层层理或微裂缝，形成孔隙网络系统，成为页岩油气有利的储集空间和运移通道。此外，页岩中粉砂质纹层发育段脆性相对较大，对压裂射孔较为有利。鄂尔多斯盆地中南部的勘探实践表明，探井中粉砂质纹层发育的薄页岩层段日产气量是纯页岩厚层段的一倍多，长7 段粉砂质纹层发育段也有较好的油流显示。

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地东南部长7 段页岩层系中，纯页岩主要发育黏土矿物粒间孔和有机孔，粉砂质纹层页岩主要发育刚性颗粒粒间孔和长石粒内溶孔。

（2）长7 段页岩孔体积主要由中—大孔贡献，粉砂质纹层的中—大孔相比纯页岩更为发育，孔径和孔体积更大，物性更好。

（3）纯页岩孔隙发育主控因素是刚性颗粒含量，其次是有机质含量；粉砂质纹层页岩孔隙发育主控因素为孔隙的保存条件，如石英、长石等刚性颗粒的富集利于孔隙保存，酸性流体对长石的溶蚀具有增孔作用，液态烃包裹矿物抑制胶结作用的发生。

（4）在页岩油气勘探中，应重点关注粉砂质纹层发育段，其大概率是油气富集的有利层段。