东营凹陷沙河街组页岩油层段微观孔隙研究

时间：2024-07-28

张凤伟

（成都理工大学能源学院，四川成都 610059）

页岩油是指赋存于烃源岩层系的泥页岩及其他岩性夹层中，通过非常规勘探开发技术实现规模经济开采的石油资源，属于典型的非常规油气资源[1]。据张金川、刘洪林等的研究成果[2]，我国页岩油总资源量476亿t，页岩气26～30 万亿m3，页岩油对中国石油工业持续稳定发展，乃至整个国民经济的发展有重要意义。目前，对于这类泥页岩储层，研究者多强调微裂缝和微孔隙的储集和渗流作用，均侧重裂缝控制油气的聚集，随着最近几年页岩气研究的深入，通过先进的技术手段，在泥页岩中发现了大量微米、纳米级的孔隙显示[3]，微米、纳米级微孔隙是有效的储集空间，而微裂缝则起渗流通道的作用。

本文主要从岩石学特征、储集空间类型和储层物性方面阐述页岩油藏的储层微观特征。利用薄片鉴定、X 射线全岩分析、扫描电镜研究页岩油储层的矿物学和岩石学特征，明确研究区页岩油储层岩石岩性和矿物成分。利用场发射环境扫描电镜、背散射、X 射线能谱等分析手段，研究页岩油储层的微观孔隙，明确不同岩性样品的孔隙类型和孔隙大小。运用氮气吸附实验更进一步了解研究区储层的微观孔隙结构和微观孔径大小。

1 研究区泥页岩发育特征

牛页1 井取心井段岩性主要以泥质灰岩和灰质泥岩为主，中间夹部分含泥白云岩及灰质白云岩。岩石矿物成分主要为泥质、方解石、白云石，另外有少量的黄铁矿和陆源碎屑。泥质含量较高，方解石次之，白云石含量较少，伊利石是研究区发育最为普遍且含量最高的黏土矿物，伊/蒙间层次之，此外有极少量的高岭石和绿泥石。取心段有机碳含量一般为1 %～5 %，部分大于6 %。牛页1 井的岩心常规分析报告显示[4]，泥岩、含云泥岩、含灰泥岩的孔隙度均大于其他岩性，孔隙度最大的是含云泥岩，泥岩样品孔隙度较好于灰岩样品，泥岩样品孔隙度数值分布在13 %～16 %，而灰岩的孔隙度基本分布在10 %左右。渗透率方面，大部分样品渗透率小于1 mD，部分有裂缝或者层理发育的样品渗透率大于1 mD。

2 扫面电镜下不同岩性样品的微观孔隙

在岩心、铸体薄片观察的基础上，综合利用氩离子抛光[5]、场发射扫描电子显微镜[6]实验方法，对储集层进行微观孔隙特征分析。岩石表面微观观察时，对岩石表面进行氩离子抛光，然后在扫描电子显微镜下观察分析，采用场发射环境扫描电子显微镜[7]，分辨率可达1.2 nm，可以对样品形貌有比较清楚和直观的观察。选取牛页1 井四块岩心样品，利用实验仪器的图像处理和分析系统对每个样品进行扫描观察和分析。

2.1 泥质灰岩样品

该泥质灰岩样品取自深度3 323.47 m，电镜下该样品溶蚀作用明显，较多溶蚀孔发育，而且孔径较大（见图1a），方解石颗粒间可见较多的粒间孔和粒间缝，孔径也较大，同样可见泥质包裹方解石（见图1b）。统计该样品储集空间类型和孔径大小，泥质灰岩样品储集空间包括溶蚀孔、粒间微孔、粒间微缝、晶内微孔四种，统计数据显示样品面孔率不大，孔隙较发育，其中溶蚀孔孔径最大，大部分在3 000 nm 左右，微孔基本分布在为700 nm 左右，微缝集中在800 nm，晶内微孔较少，孔径较小。

2.2 灰质泥岩样品

灰质泥岩样品深度是3 451.04 m，样品泥质含量较高，较多区域被泥质覆盖（见图1c），泥质间微孔和微缝较多（见图1d）。统计扫描电镜下灰质泥岩样品的储集空间分布与大小，该样品储集空间主要是以粒间微孔、粒间微缝、溶蚀孔为主，粒间微孔，粒间微缝发育，微孔孔径分布在0 nm～500 nm，微缝分布0 nm～400 nm，溶蚀孔较少，孔径较大。

2.3 微晶白云岩样品

微晶白云岩样品来自深度3 450.56 m，电镜下清晰可见白云石颗粒晶间孔较多较发育（见图1e），此外有较多的溶蚀孔，且部分溶蚀孔和晶间孔是可见油迹的（见图1f）。白云岩样品的面孔率较泥岩和灰岩样品偏大，白云岩的储集空间较发育，储集空间中晶间孔较多，溶蚀孔较少，两者孔径均较大，晶间孔分布在0 μm～4.5 μm，大部分孔径在3 μm 左右，溶蚀孔分布在1.5 μm～10 μm，较多孔径是在8 μm 左右。

2.4 白云质泥岩样品

白云质泥岩样品深度是3 302.9 m，从扫描电镜图片上可以看见，黄铁矿成群分布且可见油迹（见图1g），溶蚀孔分布较多（见图1h）且孔径较大（见图1i），部分溶蚀孔可见油迹，此外泥质间微孔和微缝有部分发育。白云质泥岩样品面孔率较小，储集空间类型较多，以溶蚀孔为主，孔径较大，大部分在3.5 μm 左右，泥质间微孔微缝也较多，黄铁矿晶间孔较发育。

图1 牛页1 井不同岩性样品扫描电镜

总结以上四种不同岩性样品孔隙类型和孔径大小可以发现：泥岩储集空间类型主要是以泥质碎片间的微孔、微缝为主，面孔率较好，孔径大小不一，基本分布在几十到几百纳米；灰岩类储集空间类型是以溶蚀孔、粒间微孔、粒间微缝为主，溶蚀孔较多，微孔微缝多少与泥质含量多少有关，面孔率差；白云岩样品的储集空间类型多样，以白云石晶间孔为主，孔径较大，面孔率较好；不同岩性下颗粒间溶蚀作用对面孔率贡献较大，溶蚀作用形成的溶蚀孔的孔径较其他类型的孔隙孔径偏大。

3 氮气吸附法

为了进一步研究储层的微观孔隙特征，开展低温氮气吸附实验[8]。将烘干脱气处理后的样品置于液氮中，调节不同压力，分别测出对氮气的吸附量，绘出吸附和脱附等温线。根据滞后环的形状确定孔形状，按不同的孔隙模型计算孔的分布、孔的容积和比表面积。基于物理吸附性能和毛细管凝聚理论[9]，国际理论与应用化学协会（IUPAC）[10]，将多孔物质的孔隙按孔径大小分为微孔（孔径小于2 nm），介孔（孔径在2 nm～50 nm）和大孔（孔径大于50 nm）。

牛页1 井共有12 块不同岩性样品的实验曲线，整体来看曲线形态可以分为两类，大部分样品的曲线形态与样品15 较相似，另外小部分样品的实验曲线和样品759 较相似。从样品15（见图2a）和样品759（见图2b）的氮气吸附曲线形态可以看出，样品在相对压力小于0.4 范围内吸附脱附差距很小，几乎重合，在相对压力0.4～0.5 出现明显的拐点，吸附体积迅速变大，而在高压端出现吸附陡升，且未达到吸附饱和，样品15 滞后环较大，样品759 滞后环较小，根据滞后环的形状可以判断样品15 的孔隙形状是墨水瓶型；样品759 所对应的是四面开放的槽状孔，两个样品均出现高压段陡升，说明样品中含有大于50 nm 的孔隙。从两个样品的孔径分布可以看出，样品15 和样品759 微孔孔径分布均呈单峰态，峰值范围均在5 nm～6 nm。

图2 牛页1 井样品氮气吸脱附曲线和孔径分布曲线