松辽盆地南部青山口组页岩油储集空间及富集模式研究

刘晨璞

(大庆油田有限责任公司勘探事业部，黑龙江 大庆 163453)

0 引言

目前，页岩孔隙度的类型、成因和控制因素得到了广泛研究[1-3]。研究表明，页岩孔隙的丰度主要受矿物组成和有机质含量的控制，孔隙体积、表面积和尺寸分布随成熟度而变化。关于页岩孔隙演化的研究，主要采用扫描电子显微镜、聚焦离子束研磨、低压气体吸附和压汞毛细管压力，从天然样品和热解实验中的人工样品中获取孔隙特征[4]。Chen 和 Xiao[5]研究了一系列等效镜质体反射率在0.69%～4.19% Ro的人造页岩样品的微孔和中孔特征，发现页岩孔隙体积的变化与成熟度、总有机质含量、碳(TOC)含量及石油的生成和裂解有关，对于富有机质页岩，孔隙体积在成熟度范围内从油窗增加到3.5% Ro ，然后略有下降。Hu[6]分析了一系列无水热解实验获得的页岩样品的孔隙特性，发现孔隙体积随着成熟度从0.27% Ro 增加到2.09% Ro。Guo等[7]使用含 II 型干酪根的湖相长7页岩样品，在封闭和半封闭单元中进行热解实验，获得了一系列不同成熟度的页岩样品，随着成熟度的增加，由于液态烃的生成、排出和裂解，孔隙体积先减小后增大。相比之下，有研究报道，使用长7页岩样品的含水热解样品的孔隙体积随着成熟度的增加而增加，这种反向趋势表明实验方法对孔隙演化具有重要影响。

为了消除烃类滞留和裂解对页岩孔隙演化的影响，应使用有机溶剂提取的页岩样品。研究表明，页岩孔隙体积演化的差异可能是由TOC含量、有机质类型、矿物组成和热解方法等因素造成的。对于自然系列，调查样品一般选自不同的沉积相，难以区分样品非均质性的影响。通过使用成熟度低的单个页岩样品进行热解实验，可以在很大程度上克服这个问题。鉴于水、水压和岩石静压都会影响烃类的生成，来自无水热解实验的人造页岩样品可能无法充分表征页岩的孔隙演化[8-10]。此外，研究中的大多数页岩样品都是海相页岩。相对于海相页岩而言，陆相页岩具有更高的气候敏感性，导致岩相纵横向变化较快，硅质以陆源碎屑石英为主；相对于小型断陷内源湖盆群，大型坳陷陆源碎屑湖盆表现为均一的整体沉降，湖底地形简单平缓，由于浅水三角洲物源输入充沛，古水体性质以淡水为主，湖盆边缘主要沉积粗粒和富含碎屑的相带，在半深湖-深湖区沉积的页岩贫碳酸盐矿物，为黏土矿物含量较高的纯页岩，因此松辽盆地青山口组页岩油的勘探难以照搬海相细粒沉积体系和咸化湖盆混积体系的页岩油勘探经验，在岩性岩相分析的基础上，对大型坳陷陆源碎屑湖盆大面积发育的半深湖-深湖区页岩开展岩相空间展布、储集空间类型与页岩油富集模式研究极为重要。

1 材料与方法

1.1 样本

初始热解样品采自松辽盆地上青山口组一段。 原始样品的地球化学特征表明，该样品富含有机质，成熟度低，烃类潜力高。

初始样品经过热解仪得到一系列人工样品，其成熟度为 0.71%～1.56% EASY%Ro。将每个人工样品分成两部分。使用二氯甲烷和甲醇的25∶2 vol/vol 混合物对一个馏分进行索氏提取，以获得提取的样品。将未经萃取的页岩样品称为人工样品，使用二氯甲烷和甲醇混合萃取的样品称为萃取样品。

1.2 TOC

提取前后的研究样品根据标准方案通过 Rock-Eval (RE) 6 进行测量。将所研究的样品在表面清洁后粉化至100目(<150 μm)，并将粉状样品进行RE 6仪器处理，使用 CS-230元素分析仪测量TOC。准备分析程序时，用5% HCl在80℃下处理约100 mg干燥的粉状页岩样品，以去除碳酸盐。

用去离子水洗涤样品，以除去残留的HCl。将处理后的粉末与铁粉和钨锡合金作为添加剂混合，使用O2作为助燃气体，N2作为载气。将燃烧温度提高到3 000℃，通过有机物燃烧产生的CO2的峰面积计算TOC。

2 结果与讨论

2.1 矿物成分

提取样品的矿物组成见图1。黏土矿物占优势，其次是石英、长石、黄铁矿和方解石。黏土矿物含量在45.9wt%～56.6wt%，平均为52.3wt%。石英含量从24.0wt%～31.3wt%不等，平均为26.9wt%。

图1 提取样品的矿物组成Fig.1 Mineral composition of the samples

2.2 有机地球化学特征

基于含水热解实验中使用的加热速率，使用 Sweeny和 Burnham建立的方法计算研究样品的镜质体反射率。随着 EASY%Ro的增加，参数S1在减小之前先增大。TOC含量、S2、S1+S2和HI均随着EASY%Ro的增加而降低。然而，对于0.89% EASY%Ro的样品，上述这些参数高于前一个温度点(0.82% EASY%Ro)。提取后S1参数显着降低，而TOC含量、S2 和HI略有降低。所研究样品的T最大值随着EASY%Ro降低。

2.3 CO2 吸附等温线

图 5 显示了含水热解实验后页岩样品的 CO2吸附等温线，低压CO2吸附等温线为I型。对于人工样品，吸附CO2体积没有明显趋势。对于提取的样品，样品的 CO2吸附量随着 EASY%Ro 从 0.71% 到 1.08% 的增加而减少，相比之下，吸附体积从1.14%增加到1.56% EASY%Ro，提取样品的 CO2吸附量远高于人工样品。

2.4 N2吸附等温线

研究样品的 N2吸附等温线如图 2 所示。根据 Brunauer、Deming、Deming 和 Teller 分类，N2吸附等温线为 II 型。所有样品均显示 H4型滞后。除 EASY%Ro 为 0.71% 的样品外，提取样品的 N2吸附量均高于大部分人工样品。

图2 来自含水热解实验的页岩样品的 N2 等温线Fig.2 N2 isotherm of shale samples from containing water pyrolysis experiment

低压气体(CO2和N2)吸附实验被广泛用于表征页岩的孔隙结构。两种方法可以分别得到0.35～2 nm(CO2)和1.7～300 nm(N2)范围内孔的体积、表面积和孔径分布。甲烷(CH4)吸附可以用来反映吸附气势，因为甲烷始终是天然气中的主要成分。研究人员经常将低压气体吸附和甲烷吸附参数中的孔隙结构参数结合起来，研究孔隙特征对页岩吸附天然气能力的控制。本研究重点探索湖相页岩的孔隙演化，来自低压吸附实验的数据分析如下：

研究样品的低压CO2吸附等温线为I型，表明研究样品含有微孔。N2吸附等温线为II型，表示多层吸附，可以使用BET理论对样品进行分析，所有样品均表现出H4型滞后现象，表明基于de Boer分类系统的孔隙可以解释为狭缝型。

在其他页岩中已广泛观察到微孔体积与 TOC 含量之间存在强烈的正相关关系，这可以解释为有机质比页岩中的其他组分含有更多的微孔，但是在此样本中找不到类似的关系。在这个成熟阶段，液态烃和固态沥青会出现一些微孔，这些微孔产生的影响比TOC含量更重要。此外，没有发现微孔体积与各种矿物的含量之间存在任何相关性，包括石英、长石、方解石、黄铁矿和黏土。中孔体积随着TOC含量的增加而减小，这可能与TOC含量随着成熟度的增加而减小有关，说明TOC含量的损失与排烃有关，而干酪根基质没有明显的中孔体积和矿物含量变化。

3 结论

对湖相页岩进行了含水热解实验，使其达到各种成熟度，对来自热解实验的样品进行索氏提取，分析了提取前后样品的地球化学和孔隙结构数据。根据以上结果，可以得出以下结论：与天然样品相比，热解实验的页岩样品可以大大降低地球化学和矿物成分对孔隙结构的影响，可有效用于研究页岩孔隙演化。液态烃主要储存在微孔中，随着成熟度的增加，微孔先减少后增加，这是对液态烃生成和裂解的反应。中孔体积在成熟过程中不断增加，主要受有机物分解或碳损失的控制。