油气勘探

陆相富有机质页岩纹层组合特征与页岩油差异富集机理——以鄂尔多斯盆地三叠系延长组长73亚段为例

  • 牛小兵 , 1, 2 ,
  • 吕成福 , 3, 4 ,
  • 冯胜斌 5 ,
  • 周钱山 3, 4 ,
  • 辛红刚 5 ,
  • 肖月也 3, 6 ,
  • 李成 5 ,
  • 淡卫东 5
展开
  • 1 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,西安 710018
  • 2 中国石油长庆油田公司,西安 710018
  • 3 中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州 730000
  • 4 甘肃省油气资源勘探与评价重点实验室,兰州 730000
  • 5 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院,西安 710018
  • 6 中国科学院大学,北京 730099
吕成福(1979-),男,黑龙江海伦人,博士,中国科学院西北生态环境资源研究院研究员,主要从事非常规油气勘探开发综合研究。地址:甘肃省兰州市城关区东岗西路382号,中国科学院西北生态环境资源研究院,邮政编码:730000。E-mail:

牛小兵(1978-),男,甘肃会宁人,博士,中国石油长庆油田公司教授级高级工程师,主要从事油气勘探管理与科研工作。地址:陕西省西安市未央区,中国石油长庆油田公司,邮政编码:710018。E-mail :

Copy editor: 魏玮

收稿日期: 2024-10-28

  修回日期: 2025-03-24

  网络出版日期: 2025-04-17

基金资助

国家自然科学基金项目(42302184)

甘肃省基础研究创新群体项目(22JR5RA045)

Lamina combination characteristics and differential shale oil enrichment mechanisms of continental organic-rich shale: A case study of Triassic Yanchang Formation Chang 73 sub-member, Ordos Basin, NW China

  • NIU Xiaobing , 1, 2 ,
  • LYU Chengfu , 3, 4 ,
  • FENG Shengbin 5 ,
  • ZHOU Qianshan 3, 4 ,
  • XIN Honggang 5 ,
  • XIAO Yueye 3, 6 ,
  • LI Cheng 5 ,
  • DAN Weidong 5
Expand
  • 1 National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low Permeability Oil & Gas Fields, Xi’an 710018, China
  • 2 PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China
  • 3 Northwest Institute of Eco-Environmental Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
  • 4 Key Laboratory of Petroleum Resources Exploration and Evaluation, Gansu Province, Lanzhou 730000, China
  • 5 Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi’an 710018, China
  • 6 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 730099, China

Received date: 2024-10-28

  Revised date: 2025-03-24

  Online published: 2025-04-17

摘要

通过对鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段3亚段(简称长73亚段)富有机质页岩的纹层(组合)类型、储集特征和页岩油赋存状态等开展系统研究,揭示不同纹层组合约束下页岩油赋存的主控因素;并结合页岩油微运移表征及评价方法,从接力式供烃、阶梯式运移、多级分异的角度深入探讨页岩油差异富集机理和富集模式。研究表明:①长73亚段页岩主要发育无纹层型(泥岩)、砂质纹层、凝灰质纹层、混合纹层和富有机质纹层等5类主要纹层组合。②不同纹层组合页岩储集空间存在明显差异,砂质纹层和凝灰质纹层页岩中大量发育的粒间孔、溶蚀孔及生烃增压缝等多尺度孔缝系统构成液态烃赋存的主要场所。③各类纹层组合页岩中页岩油的赋存和分布受有机质丰度、储集性、热演化程度、矿物组成及纹层规模共同控制,砂质、凝灰质纹层等刚性纹层组合页岩的微纳米孔缝中以游离态的轻质组分为主,而有机质、黏土矿物及骨架矿物颗粒表面则以吸附态的重质组分为主。④长73亚段不同纹层组合页岩间发生了明显的页岩油微运移,整体呈现出富有机质纹层页岩→凝灰质纹层页岩→混合纹层页岩→砂质纹层页岩→泥岩的阶梯式运移特点。⑤多种类型纹层页岩空间叠置关系控制下有机质的“接力式”供烃、多尺度孔缝网络的“阶梯式运移”及不同纹层组合页岩中“有机-无机相互作用”控制下的“多级分异”是导致页岩油在不同纹层组合页岩间油组分差异性的根本原因。

本文引用格式

牛小兵 , 吕成福 , 冯胜斌 , 周钱山 , 辛红刚 , 肖月也 , 李成 , 淡卫东 . 陆相富有机质页岩纹层组合特征与页岩油差异富集机理——以鄂尔多斯盆地三叠系延长组长73亚段为例[J]. 石油勘探与开发, 2025 , 52(2) : 279 -291 . DOI: 10.11698/PED.20240684

Abstract

The lamina (combination) types, reservoir characteristics and shale oil occurrence states of organic-rich shale in the Triassic Yanchang Formation Chang 73 sub-member in the Ordos Basin were systematically investigated to reveal the main controlling factors of shale oil occurrence under different lamina combinations. The differential enrichment mechanisms and patterns of shale oil were discussed using the shale oil micro-migration characterization and evaluation methods from the perspectives of relay hydrocarbon supply, stepwise migration, and multi-stage differentiation. The results are obtained in five aspects. First, Chang 73 shale mainly develops five types of lamina combination, i.e. non-laminated (mudstone), sandy laminae, tuffaceous laminae, mixed laminae, and organic-rich laminae. Second, shales with different lamina combinations are obviously different in the reservoir space. Specifically, shales with sandy laminae and tuffaceous laminae have a large number of intergranular pores, dissolution pores and hydrocarbon generation-induced fractures. The multi-scale pore and fracture system constitutes the main place for liquid hydrocarbon occurrence. Third, the occurrence and distribution of shale oil in shale with different lamina combinations are jointly controlled by organic matter abundance, reservoir property, thermal evolution degree, mineral composition and laminae scale. The micro-nano pores and fractures in the shales with rigid laminae represented by sandy laminae and tuffaceous laminae mainly host free light components, while the surfaces of organic matter, clay minerals and skeleton mineral particles are dominated by adsorbed heavy components. Fourth, there is obvious shale oil micro-migration between shales with different lamina combinations in Chang 73. Generally, such micro-migration is stepwise in a sequence of shale with organic-rich laminae → shale with tuffaceous laminae → shale with mixed laminae → shale with sandy laminae → mudstone. Fifth, the relay hydrocarbon supply of organic matter under the control of the spatial superposition of shales with various laminae, the stepwise migration via multi-scale pore and fracture network, and the multi-differentiation in shales with different lamina combinations under the control of organic-inorganic interactions fundamentally decide the differences of shale oil components between shales with different lamina combinations.

0 引言

随着油气勘探开发理论与技术的不断进步,以及全球油气需求的持续增长,以页岩油为代表的非常规油气资源已成为当今世界油气勘探开发的热点领域[1-4]。页岩油是指以游离态和吸附态为主原位滞留于富有机质页岩层系微纳米级储集空间中的石油资源[5-6]。中国陆相页岩油资源量约283×108 t,主要分布在准噶尔、鄂尔多斯、松辽、渤海湾等大型盆地[7],但规模有效勘探开发面临富集规律不明和“甜点”分布预测困难等理论技术瓶颈问题,亟需加强陆相页岩油差异富集机理研究[7-8]
前人对不同盆地页岩油类型进行了多种划分:①依据成熟度差异分为:中—低熟型(0.5%<Ro<1.0%)和中—高熟型(1.0%<Ro<1.5%)[9];②依据储集空间类型及经济可采性分为:裂缝型、层间型和基质型[5,10];③依据源储配置关系和成藏机理分为:源储共存型、源储分离型和“纯页岩型”[6]。但在实际油田勘探开发过程中,上述3类分类可能在同一盆地中各类页岩油类型均有发育。目前,长庆油田针对Ⅰ类(多期叠置砂岩发育型)和Ⅱ类(厚层泥页岩夹薄层砂型)页岩油勘探开发取得了显著成效[11],并建成了鄂尔多斯盆地陇东国家级页岩油示范区;而针对Ⅲ类(纯页岩型)页岩油目前仍处于探索阶段,亟需理论及技术突破,支撑百万吨产能建设[12]
纹层是指沉积物或沉积岩中可分辨的最小或最薄原始沉积层[13],纹层状页岩可形成大规模的页岩油富集。不同类型纹层具有以下共同特征及差异:①厚度薄,多小于1 cm[13];②成分多,包括内源、外源无机矿物及有机质[13-14];③粒度细,以黏土为主,可见粉砂级;④成因复杂,不同纹层所反映的沉积环境、气候、构造活动、成岩作用差异显著[15];⑤有机质丰度差异大,贫、富有机质纹层之间TOC值相差可达30倍;⑥储集物性差异明显:不同类型纹层页岩孔隙度相差可达4%,渗透率相差可达10倍[14,16 -17];⑦含油性存在明显差异:荧光下强弱荧光分层明显,含量相差可达10倍[18]。纹层组合是由不同类型单纹层在垂向上通过“二元”、“三元”,甚至是“多元”型在不同成因机制下组合而成[13]。目前,针对纹层页岩,前人在特征与分类、形成过程及机制、沉积环境与影响因素、储集性特征及控制因素等方面开展了大量研究[11,15 -16]。针对鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段(简称长7段)富有机质纹层页岩,前人多根据纹层与矿物的关系、纹层厚度、矿物组成差异等将纹层划分为粉砂质纹层、泥质纹层(或黏土质纹层)、富有机质纹层、凝灰质纹层等,而纹层组合方面多依据叠合型式差异划分为高黏土质纹层组合、高硅质纹层组合或“富有机质-凝灰质”纹层组合、“富有机质-长英质”纹层组合和“富有机质-黏土质”纹层组合及“长英质-黏土质”纹层组合等[13,15]。此外,已有学者针对其成因、有机质富集特征、储集性特征及控制因素、成岩作用及流体性质演化、原油赋存状态、“甜点”评价等开展了大量有益探索,但针对纹层组合差异导致的页岩中滞留油成分、微运移过程及页岩油差异富集机制的研究仍相对较少。因此,开展富有机质纹层页岩组合型式的精细解剖,明确滞留油赋存规律,对深化纹层型页岩油差异富集规律认识及丰富页岩油“源-运-聚”动态过程具有极其重要的意义。
本次研究选取鄂尔多斯盆地三叠系延长组7段3亚段(简称长73亚段)富有机质页岩为研究对象,从纹层类型识别着手,结合多溶剂分步连续抽提方法,在微运移识别基础上,从油组分分异的角度系统揭示富有机质页岩纹层特征与差异富集机理,以期对中国页岩油勘探开发具有指导意义。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地面积约为32×104 km2,是发育在华北克拉通之上的大型多旋回叠合盆地[19],也是中国第2大含油气盆地[20]。盆地构造性质具有整体抬升、持续沉降的长期稳定性[21-22]。盆地内部分为6个一级构造单元:伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷及西缘逆冲带(见图1a)。盆地的构造史经历了5个阶段:坳拉谷(中晚元古代)、浅海台地(早古生代)、滨海平原(晚古生代)、内陆盆地(中生代)、周边断陷(新生代)[23]。盆地具有稳定沉降,迁移,多期次多旋回的构造-沉积演化特点[21],晚三叠世延长组沉积期由于充足的物源补给,形成了一个完整的河流一湖泊三角洲一湖沼相沉积演化旋回,厚度达1 000 m左右。延长组自上而下可划分为10段(见图1b),长7段沉积期发育一套典型的湖相—重力流沉积[24]。长7段自上而下可以分为长71、长72和长73亚段,其中长73亚段为湖盆鼎盛时期,大面积的半深湖—深湖区以厚层富有机质页岩为主[12,24],构成盆地主力烃源岩[25],也是纹层型页岩油发育的主力层位。长73亚段有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主,腐泥组含量可达70%,热演化程度总体为0.6%~1.2%,整体处于生油高峰阶段,显示出极大的勘探开发前景[26]
图1 鄂尔多斯盆地烃源岩分布(a)与地层综合柱状图(b)(据文献[25]修改)

2 实验方法及样品信息

本文实验所挑选的80余块富有机质页岩样品来源于鄂尔多斯盆地20余口钻井岩心中的富有机质页岩,整体上覆盖半深湖—深湖亚相的各个区域,埋深为1 459.78~3 058.62 m;样品涵盖各类纹层类型,可以代表全盆地富有机质页岩的纹层发育及分布规律。首先,对典型样品进行线切割,观察和描述纹层类型,确定纹层组合型式;其次,开展岩石薄片鉴定、X-衍射分析、TIMA(自动矿物分析系统)矿物扫描及地球化学测试,明确矿物组成和地球化学特征;之后开展扫描电镜及物性测试,明确孔缝类型及物性分布特征。并且通过荧光薄片鉴定、多溶剂分步连续抽提方法及柱层析法,揭示滞留油的赋存状态及页岩油微运移过程,结合微运移烃量(ΔQ)计算及页岩油组分差异,揭示不同纹层组合页岩的差异富集机理。多溶剂分步连续抽提采用不同粒度(1 cm×1 cm×1 cm、0.1 cm×0.1 cm×0.1 cm、0.125~0.180 mm)与不同溶剂(二氯甲烷、甲醇比为93︰7(游离态及过渡态);二氯甲烷、丙酮、甲醇比为50︰25︰25(吸附态))分别进行萃取,将游离态、过渡态及吸附态页岩油进行连续提取,结合称重法确定各相态页岩油含量[27]。TIMA矿物扫描借助矿物分析系统,通过矿物识别软件进行的高分辨率(精度可达10 nm)、全矿物、大视域的定量矿物自动识别。微运移烃量计算基于物质平衡原理,利用生烃动力学原理和计算流程,通过实测的热解参数与热模拟参数拟合,并结合原始生烃量恢复得到微运移烃量[28]

3 实验分析结果

3.1 页岩纹层类型及纹层组合特征

鄂尔多斯盆地长7段页岩形成于淡水湖盆环境,整体上碳酸盐矿物不发育。本次研究根据长73亚段纹层规模、主要矿物及有机质丰度等参数将鄂尔多斯盆地长7段页岩的纹层组合类型划分为:无纹层型(泥岩)、砂质纹层、凝灰质纹层、混合纹层、富有机质纹层等5大类(见图2)。
图2 鄂尔多斯盆地长73亚段富有机质页岩纹层组合类型与特征
①无纹层型。岩心及镜下基本无明显层理,块状构造,整体分选较差,陆源碎屑颗粒与火山碎屑物质多杂乱分布;扫描电镜下可见少量有机质零星分布在泥岩中,有机质丰度范围广,主要为0.721%~5.407%,平均值为2.174%。
②砂质纹层页岩。岩心和镜下可见明显的富有机质层与砂质层频繁互层,且纹层连续性好,频繁的陆源碎屑混入,导致有机质丰度降低,局部小于5%。微米级—亚毫米级砂质纹层内部可见少量火山碎屑物质的混入;该类纹层组合页岩有机质丰度相对较高,整体高于10%。该类纹层页岩的形成与砂质碎屑流的再搬运过程有关,当距离物源较近,搬运作用较强时,先期沉积于陆上的粉砂—砂质物质被流水再次搬运,在絮凝作用下粗颗粒被释放,黏土质与砂质颗粒发生分选,形成砂质纹层。
③凝灰质纹层页岩。岩心上黑色富有机质层与灰白色凝灰质层频繁互层,纹层界面清晰平直,连续性好,偶见胶磷矿结核。富有机质单纹层中可见断续凝灰质单纹层或凝灰质团块分布,而凝灰质单纹层中有机质多以分散状形式分布。该类纹层组合页岩有机质丰度较高,平均可达8.580%。该类纹层页岩的形成与长73亚段频繁的火山活动有关,形成低有机质丰度的凝灰质纹层;另一方面受湖流改造,以沉凝灰物质形式沉降至深湖区的凝灰质纹层,与有机质层互层,形成富有机质凝灰质纹层页岩。
④混合纹层页岩。岩心和镜下可见明显的富有机质层、砂质层和凝灰质层的规律性频繁互层,连续性好。根据砂质与凝灰质纹层厚度占比差异,该类纹层页岩可细分为两类:混合砂质纹层页岩和混合凝灰质纹层页岩。其中混合砂质纹层页岩有机质丰度为4.417%~19.523%,平均值为11.440%;混合凝灰质纹层页岩有机质丰度为0.739%~18.745%,平均值为9.907%。该类纹层的形成同时受陆源物质供应与火山物质供应的影响。
⑤富有机质纹层页岩。该类纹层组合页岩整体具有极高的有机质丰度,平均含量可达18.189%。在镜下可划分为“富有机质+黏土质”和“富有机质+黄铁矿”纹层组合页岩两类。前者可见明显的富有机质层与黏土矿物的频繁互层,其形成一方面与陆源物质的供给有关,另一方面火山物质的快速水解形成的黏土矿物与有机质层之间会形成“有机质-黏土”复合的假象。镜下可见含晶屑的凝灰物质,也证实了长73亚段黏土来源可能多受控于火山灰碎屑[29]。后者可见明显的富有机质层与草莓状黄铁矿的频繁互层,该类纹层的形成与同沉积期陆源输入的活性铁及火山活动供给的大量Fe2+有关。有机质与活性铁通过絮凝易形成有机金属络合物而沉淀下来,后期在硫化还原环境下形成草莓状黄铁矿[30]

3.2 富有机质页岩纹层组合储集特征

鄂尔多斯盆地长73亚段富有机质页岩中孔隙类型以粒间孔、溶蚀孔、晶间孔、有机质孔及生排烃扩张孔为主;微裂缝类型以颗粒收缩缝、黏土收缩缝、有机质收缩缝、生烃增压缝、层理缝及生排烃扩张缝为主,不同纹层组合页岩中各类孔隙缝组合型式及储集性存在明显差异(见图3)。
图3 鄂尔多斯盆地长73亚段不同纹层组合页岩储集空间特征

(a)L254井,2 559.50 m,无纹层,少量粒间孔及黏土矿物晶间孔发育;(b)L254井,2 563.84 m,无纹层,颗粒收缩缝发育;(c)G347井,2 389.40 m,砂质纹层,粒间孔及有机质孔发育;(d)L254井,2 559.56 m,砂质纹层,层理缝及黏土收缩缝发育;(e)G347井,2 389.44 m,凝灰质纹层,黄铁矿晶间孔发育;(f)L569井,2 425.48 m,混合纹层,有机质收缩缝发育;(g)L254井,2 558.72 m,富有机质纹层,生排烃扩张孔发育;(h)L254井,2 558.72 m,富有机质纹层,生排烃扩张缝发育

无纹层型(泥岩)孔隙类型以少量粒间孔、颗粒边缘溶蚀孔及部分黏土矿物晶间孔为主(见图3a),微裂缝类型以颗粒收缩缝为主(见图3b),缝宽多为数微米至数十微米;其孔隙度主要为0.49%~2.40%,储集性较差。砂质纹层页岩中粒间孔相对最为发育,孔隙直径多为4~65 μm。受有机酸流体改造,砂质纹层页岩中长石被大量溶蚀,形成港湾状、蜂窝状的溶蚀孔,部分可形成铸模孔,孔径可达数十微米,特别是云母矿物相对较少的样品中溶蚀作用更为明显。沿有机质单纹层至砂质单纹层,随有机酸波及效率降低,其溶蚀孔发育也呈现出变差的趋势[12]。此外,该类纹层页岩中有机质孔、黏土矿物晶间孔和黄铁矿晶间孔也较发育,但该类孔隙通常以纳米级为主,连通性差(见图3c)。微裂缝类型以层理缝、颗粒收缩缝及黏土收缩缝为主(见图3d),缝宽多为4~30 μm,其孔隙度主要为1.44%~6.38%,显示出极好的储集性。凝灰质纹层页岩中孔隙发育程度差,孔隙类型多以火山物质溶蚀孔、有机质孔及黄铁矿晶间孔为主(见图3e),但该类纹层页岩中生烃增压缝及层理缝极其发育,极大的改善了储集性,该类纹层页岩孔隙度主要为1.52%~5.21%。混合纹层页岩中兼具砂质纹层及凝灰质纹层页岩的孔缝特点(见图3f),其孔隙度主要为0.58%~4.34%。富有机质纹层页岩中孔隙类型以黏土矿物晶间孔、黄铁矿晶间孔、有机质孔及生排烃扩张孔为主(见图3g),微裂隙类型以层理缝、黏土收缩缝、有机质收缩缝及生排烃扩张缝为主(见图3h),孔隙度主要为0.13%~4.71%,平均仅为1.62%,储集性较差。

3.3 页岩油赋存状态

页岩油的赋存状态是页岩油赋存位置、赋存形式及赋存量的综合。页岩油的赋存状态差异直接影响页岩油的可开采性和资源潜力。长73亚段泥页岩的各类孔隙中均有页岩油分布,其中无纹层型(泥岩)中页岩油多分布在微裂缝中,含量为1.084~8.759 mg/g,其中游离态占总量的29%。砂质纹层页岩中页岩油多分布在溶蚀孔中,含量为2.958~17.654 mg/g,其中游离态占总量的42%,整体显示出油质较轻的特点。凝灰质纹层页岩中页岩油多集中分布在生烃增压缝及层理缝中,含量为5.008~16.211 mg/g,其中游离态含量为1.206~7.009 mg/g,占总量的35%。混合纹层页岩中页岩油主要分布在粒间孔、溶蚀孔及层理缝中;页岩油含量为0.862~13.531 mg/g,其中游离态含量为0.431~8.748 mg/g,占总量的50%。而富有机质纹层页岩中页岩油多赋存在黏土矿物层间缝及少量的溶蚀孔中;页岩油含量为3.527~12.536 mg/g,其中游离态含量为0.526~4.283 mg/g,占总量的17%。整体上,砂质、凝灰质纹层等刚性纹层中的微纳米孔缝为页岩油赋存提供优势储集空间,是轻质油分布的主要场所;而有机质、黏土矿物及骨架矿物颗粒表面分布的油质相对较重。

4 讨论

4.1 页岩油赋存的主控因素

页岩油的赋存和分布与有机质丰度、储集性、热演化程度、矿物组成及纹层规模等密切相关(见图4)。在富有机质页岩热演化过程中,生成的页岩油在满足有机质及黏土矿物的吸附平衡后,经过微运移后快速向与之相邻的优势储集空间中聚集,从而在富有机质页岩纹层之间形成“生-运-聚”的短距离快速运聚过程,并最终形成了页岩油抽提总量与有机质丰度之间明显的正相关性(见图4a)。而石英、长石、黄铁矿等刚性矿物的大量发育可以抑制压实作用,促进粒间孔的保存,同时在生烃过程中微裂缝的形成有利于液态烃的滞留(见图4b)。在埋藏演化过程中,随着有机质逐渐成熟,早期形成的大量有机酸在经过云母类矿物的优先作用后,能够逐渐向刚性纹层段聚集,导致长石类矿物溶蚀形成大量的储集空间,有利于生成的原油直接充注聚集(见图4c)。而在凝灰质纹层页岩中,由于热演化过程中产生过饱和压力差,并导致大量生烃增压缝的形成,也有利于原油在微裂缝中的滞留(见图4c)。
图4 鄂尔多斯盆地长73亚段页岩油赋存的主要控制因素
黏土矿物与滞留油关系在富有机质页岩中整体上呈现出先减小后增大的趋势(见图4d),这可能与黏土矿物的物质来源差异有关。火山物质来源的黏土矿物易与有机质形成黏土-有机质复合体,在热演化过程中富含Fe、V等过渡金属元素催化性能强,且黏土矿物本身也具有一定的催化生烃能力,两者共同作用可以使烃源岩在较低的温度下快速生油,而高排烃效率导致了黏土总量与滞留油的负相关性(见图4d)。
热演化程度与滞留油之间呈现出明显的负相关性(见图4e),说明鄂尔多斯盆地富有机质页岩可能存在生烃提前,另一方面可能是因为火山物质带来的高脆性矿物形成的大量生烃增压缝促进了有机质的快速排烃。为进一步排除有机质的影响(见图4f),鄂尔多斯盆地长73亚段富有机质纹层页岩生烃呈现出明显的两段式,在Ro值小于0.9%的情况下,以火山物质作用参与生烃的各类纹层页岩在较低演化阶段就可以大量生烃,随着热演化程度的增加,促进页岩油的滞留;而在Ro值大于等于0.9%情况下,缺少了火山物质作用后,其有机质生烃作用存在明显的滞后,但随着热演化程度的增加,其生成的原油可以原位滞留在页岩储集空间。

4.2 页岩油微运移识别与运移烃量评价

4.2.1 荧光薄片鉴识微运移

页岩油中不同油组分具有荧光特性差异[31],根据不同纹层间荧光差异可以对页岩油的微运移进行初步判识。鄂尔多斯盆地长73亚段各类纹层中荧光棕黄色、淡蓝色、黄绿色油质沥青、橙黄色胶质沥青、褐色沥青质沥青和黑色炭质沥青为主,不同组分烃类在纹层组合上存在明显差异(见图5)。砂质纹层粒间孔及溶蚀孔中赋存的以淡蓝色、黄绿色油质沥青为主,呈连片分布,主要为轻质组分;而相邻的有机质纹层中以褐色沥青质沥青、黑色炭质沥青为主,主要为重质组分,显示出在砂质纹层页岩中发生了从有机质单纹层向砂质单纹层的微运移现象(见图5a)。凝灰质纹层及混合纹层页岩中有机质单纹层中荧光特性以棕褐色及黑色炭质沥青为主,而凝灰质单纹层及混合单纹层中荧光多以淡蓝色的油质沥青(见图5b图5c)及橙黄色的胶质沥青为主(见图5c),主要为轻质—中质组分。而富有机质纹层中荧光强度较低,有机质单纹层以黑色炭质沥青为主,而黏土质单纹层则以橙黄色胶质沥青和褐色沥青质沥青为主,整体缺乏轻质组分,显示出发生了强烈的排烃(见图5d)。上述现象均表明不同纹层组合页岩之间发生了明显的微运移,在有机质单纹层生烃后,轻质组分能够快速向砂质、凝灰质及混合混层等刚性纹层中运移,经过有机质—黏土—孔壁介质的多级分异后形成轻重组分在不同纹层中的差异分布。
图5 鄂尔多斯盆地长73亚段典型纹层页岩荧光薄片

(a)H269井,2 563.11 m,砂质纹层页岩;(b)W100井,2 012.32 m,凝灰质纹层页岩;(c)H269井,2 574.81 m,混合纹层页岩;(d)L254井,2 551.80 m,富有机质纹层页岩

4.2.2 地球化学参数指标的微运移示踪

有机质丰度与热解轻组分指数图版可以指示页岩油微运移(见图6a)。实验结果显示,泥岩、微裂缝极发育的凝灰质纹层及毫米级砂质纹层页岩整体具有“低TOC值(整体小于6%)、高轻质组分(轻组分指数整体高于0.4 mg/g)”的特点,显示出这些类型纹层页岩自身生烃能力差,但轻质组分异常富集的规律,表明存在运移烃充注。而轻组分指数小于0.4 mg/g,TOC值大于6%区间内的纹层页岩具有“高TOC值、低轻质组分”的特点,显示出这些纹层页岩自身已发生排烃,轻质组分已快速向邻近的优势刚性纹层中快速运移,导致残留下来的原油整体偏重。而轻组分指数大于0.4 mg/g,TOC值大于6%区间内的纹层页岩具有“高TOC值、高轻质组分”的特点,显示出这些纹层页岩具有生-滞一体的特点。有机质丰度与原油轻重指数相关性图版也证实了微裂缝发育的凝灰质纹层页岩和毫米级厚砂层发育的砂质纹层页岩明显地接受了运移烃的供给(见图6b)。整体上,无纹层型(泥岩)存在运移烃输入,凝灰质纹层中的微裂缝及砂质纹层页岩的单纹层厚度控制了轻重比。在纹层页岩中,由于运移烃的充注会导致Tmax抑制现象。同时,游离烃含量越高,热解分析参数S1峰值面积越大,Tmax抑制现象越明显[32]Tmax与产烃指数结果显示(见图6c),无纹层型(泥岩)、微裂缝发育的凝灰质纹层和厚层砂质纹层页岩均呈现出接受运移烃充注的特点,而其他类型纹层页岩均已发生排烃,实验结果也指示了长73亚段纹层页岩发生了明显的页岩油微运移现象。
图6 鄂尔多斯盆地长73亚段不同纹层组合页岩中页岩油微运移地球化学参数判识

4.2.3 微运移表征和规模评价

针对长73亚段富有机质纹层内部微运移过程,前人已开展了大量研究,李士祥等通过激光共聚焦三维可视化分析结果也证实富有机质纹层中富集重质组分,而长英质及凝灰质纹层中更易富集轻质组分[33]。葸克来等通过纹层内高分辨率激光拉曼光谱测试结果也证实了纹层内部发生了明显的微运移[12]
本次研究依据物质平衡原理,发生在纹层间的页岩油微运移量(ΔQ)即原始生烃潜力与目前条件下热解潜力差值[32]。为抑制页岩油微运移评价过程由于油气散失导致的实验误差,选取鄂尔多斯盆地长73亚段各类纹层频繁互层的优质烃源岩密闭取心段(L569井)为研究对象(见图7),系统评价不同纹层组合页岩中页岩油微运移量(ΔQ)的差异性。结果显示:富有机质纹层页岩的ΔQ值均显示出正值,平均为347.46 mg/g,整体属于供烃层;而砂质纹层ΔQ值平均为-7.24 mg/g,整体属于聚烃层;而凝灰质纹层整体上ΔQ值大于0,说明凝灰质纹层整体属于供烃层,但考虑到该类纹层中大量发育微裂缝,该类纹层也能聚集烃类,该类纹层可能发生了亚毫米级的供烃和聚烃的运聚过程;混合纹层ΔQ值有正有负,ΔQ值平均为-1.89 mg/g,整体属于聚烃层;而无纹层型ΔQ整体上均为负值,属于聚烃层。热解参数、油组分结果及微运移量3者相互印证,指示了在长73亚段富有机质页岩发生了明显的页岩油微运移,但不同纹层组合自身存在差异,整体上呈现出富有机质纹层页岩→凝灰质纹层页岩→混合纹层页岩→砂质纹层页岩→泥岩逐渐由供烃层向聚烃层演化的趋势。
图7 鄂尔多斯盆地L569井长73亚段不同纹层组合页岩油微运移单井评价

4.3 页岩油差异富集机理及富集模式

4.3.1 接力生烃、反复增压控制页岩油多期次微运移

鄂尔多斯盆地长73亚段黑色页岩有机质类型主要为Ⅰ型和Ⅱ型,生烃母质以湖泊藻类/细菌为主,干酪根镜检显微组分以腐泥组(68.38%)为主,其次为镜质组+惰质组(29.92%);Ro值为0.6%~1.3%,整体处于低成熟—成熟阶段[26]。前人研究表明,不同有机显微组分的生烃活化能分布特征存在差别(见图8a),而长7段黑色页岩的有机显微组分主要由腐泥组中的藻类体组成,暗色泥岩除了含有藻类体外,还有较高含量的镜质体和惰质体[34]。而不同纹层组合页岩中有机显微组分构成的差异性可以导致各纹层组合页岩中生烃高峰的不同[32]。黑色页岩和泥岩的生烃模拟[35-36],证实了相较于黑色页岩(生烃高峰约在Ro值为0.85%时),泥岩(生烃高峰约在Ro值为1.50%时)的生烃存在明显的滞留效应(见图8b)。而在相同有机质类型(Ⅱ2型)页岩样品的生烃高峰也存在明显差异[37],但整体上随有机质类型越好,其生烃越早(生烃高峰从Ro值为0.75%转化至Ro值为1.0%)(见图8c)。结合前人研究成果,本次研究认为鄂尔多斯盆地长73亚段不同类型有机质黑色页岩具有生烃时间早、生烃过程长、生烃效率高的多种类型有机质“接力式”生烃的特点。李士祥等[33]认为在长7段烃源岩TOC值为10%,Ro值为0.8%~1.0%时,生烃作用所引起的体积膨胀力为119~156 MPa,并且随着有机质丰度和热演化程度的升高,有机质生烃产生的体积膨胀力更为可观。张焕旭[38]模拟实验表明,在鄂尔多斯盆地长7段主生烃期原油的充注动力可达近60 MPa。该结果也可以客观反映在生烃过程中由于纹层内生烃母质的差异,可能会导致不同纹层页岩间形成“接力式”生烃增压效应。
图8 显微组分、干酪根类型及纹层组合类型差异导致的“接力式”生烃证据
在页岩纹层内部大量发育的微裂缝能够促使富有机质纹层中形成的液态烃向砂质纹层、混合纹层中运移,并在孔缝系统中形成饱含油的特点。而不同类型纹层页岩中“接力式”生烃演化过程产生的超压也可以延长页岩油微运移过程,提升源内页岩油由生烃层向聚烃层的运移效率。此外,Hui等通过对渤海湾盆地辽河西部坳陷中Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型有机质的热演化过程中生烃高峰的研究结果显示,随有机质类型的变差,生油高峰逐渐从Ro值为0.6%向Ro值为1.2%演化[39]。笔者针对Ⅰ型和Ⅱ1型的热模拟结果也显示出Ⅰ型(混合纹层页岩)生油高峰从Ro值为0.8%(模拟温度325 ℃)向Ⅱ1型(凝灰质纹层页岩)的Ro值为1.0%(模拟温度350 ℃)转变(见图8d),该结果也证实了不同纹层组合页岩间存在“接力式”生烃现象。

4.3.2 多尺度孔缝构成页岩油差异富集通道网络系统

在有机质热演化过程中,生烃导致的高压会促进微裂缝的形成,而排出的有机酸会导致长石、岩屑、火山物质等的溶蚀,形成大量的储集空间。但不同纹层组合页岩中孔缝规模存在明显差异。以接受运移烃供给为主的砂质纹层、凝灰质纹层、混合纹层页岩中石英、长石含量相对较高,微米级孔隙以粒间孔、溶蚀孔为主;纳米级孔隙以黏土矿物晶间孔及黄铁矿晶间孔为主;微裂缝缝宽多为数十微米级,缝长多延伸至数百微米,甚至厘米级。而以供烃为主的富有机质纹层中主要为纳米级的黏土矿物晶间孔、黄铁矿晶间孔及有机质孔;微裂缝以微米级生烃增压缝及层理缝为主,当发生纹层内排烃过程时,液态烃可通过开启的生烃增压缝向邻近聚烃层运移并聚集。因此,供烃层中广泛发育的纳米级孔缝系统与运移烃层中大量发育的微纳米级、甚至厘米级的微裂缝系统的有机组合共同构成了不同纹层组合页岩间的多尺度原油运移-聚集通道。以L569井为例,垂向上各类纹层组合页岩频繁叠置,供烃层与相邻的聚烃层中的多尺度微裂缝的纵横向高效组合,可以显著提升纹层间液态烃的运移效率,而供烃层与聚烃层中纳米—微米级孔隙的有效组合提供了页岩油聚集的储集空间。荧光薄片中层理缝、生烃增压缝,刚性纹层中的粒间孔、溶蚀孔中饱含轻质油的现象也证明了供烃层及聚烃层纹层间的多尺度孔缝的合理配置是页岩油差异富集的关键。

4.3.3 页岩油差异富集模式

图9a为以L569井区为例的页岩油差异富集模式图。垂向上,在长73亚段底部多发育富有机质纹层页岩与凝灰质纹层页岩的多期叠置,中部则以砂质纹层、凝灰质纹层和混合纹层页岩的多期叠置,而上部则以无纹层(泥岩)和混合纹层页岩分布为主。图9b为不同纹层间页岩油差异富集微观模式图:①混合纹层页岩→薄层砂的页岩油富集模式(见图9b①),在热演化过程中,混合纹层页岩中随有机质逐渐成熟,生烃增压导致了混合纹层中大量微裂缝的发育。当生成的原油满足混合纹层页岩中有机质及黏土矿物等高比表面积介质的吸附平衡后,剩余的原油可以通过微裂缝形成的运移通道逐渐向薄层砂中运移,并在达到吸附平衡后形成滞留油。该过程中混合纹层中富集的原油较多且油质整体偏重(见图7),仅在微裂缝中相对富集轻质油;而薄层砂中的原油较少且油质整体偏轻,粒间孔及溶蚀孔是原油富集的主要场所,说明了混合纹层整体生烃潜力有限,其生成的原油整体以原位滞留的形式富集。②富有机质纹层→凝灰质纹层的页岩油富集模式(见图9b②),富有机质纹层是最主要的生烃层,热演化过程中生成的大量原油促使了生烃增压缝及凝灰质纹层中微裂缝的大量形成,该过程中,大量的重质组分被选择性吸附在富有机质纹层中(见图7),而经历了油-岩相互作用的原油因为重质组分的减少,流动性更强,可以通过生烃增压缝及微裂缝快速向凝灰质纹层中聚集,最终形成生烃增压缝及微裂缝中富集的原油相对较轻,而基质层中富集的原油相对较重的特点。③凝灰质纹层→砂质纹层页岩油富集模式(见图9b③),在热演化过程中,早期形成的有机酸可以向砂质纹层中运移,促使长石类矿物的大量溶蚀;随热演化程度的进一步增加,凝灰质纹层中形成的液态烃顺微裂缝可以快速向砂质纹层中聚集,并最终形成凝灰质纹层中微裂缝及砂质纹层的溶蚀孔中大量富集轻质油,而有机质、凝灰质层中大量富集重质油的特点。④凝灰质纹层→薄层砂中的页岩油富集模式(见图9b④),在达到吸附平衡后,相对更轻的原油可以通过微裂缝向粒间孔、溶蚀孔中快速聚集,并在孔壁处形成重质油吸附层,而在孔隙中心聚集轻质油。
图9 鄂尔多斯盆地长73亚段不同纹层组合页岩油差异富集模式

①混合纹层页岩→薄层砂;②富有机质纹层→凝灰质纹层;③凝灰质纹层→砂质纹层;④凝灰质纹层→薄层砂

宏观上,受接力式供烃、阶梯式运移、多级分异的多因素控制,长73亚段纹层型页岩油差异富集的特征主要为:①富有机质纹层页岩在生烃高峰产生的大量生烃增压缝、生排烃扩张缝及层理缝既是源内微运移的主要通道,也是富有机质纹层页岩中轻质组分富集的主要场所;②砂质纹层、凝灰质纹层及混合纹层等频繁发育的刚性纹层中大量发育的粒间孔、溶蚀孔及生烃增压缝、层理缝及微裂缝构成了液态烃运移和聚集的主要储集空间;③供烃-聚烃层中广泛发育的吸附剂促使液态烃组分分异,进一步增强了液态烃的流动性;④多种类型纹层页岩空间叠置关系、接力式生烃及多尺度孔缝网络系统的组合型式共同控制页岩油在纹层间富集的差异性。

5 结论

鄂尔多斯盆地三叠系长73亚段富有机质页岩纹层类型多样,主要发育无纹层型(泥岩)、砂质纹层、凝灰质纹层、混合纹层、富有机质纹层等5类主要的纹层组合页岩。
揭示了有机质丰度、储集性、热演化程度、矿物组成及纹层规模共同制约了不同纹层组合页岩中液态烃的赋存状态,砂质、凝灰质纹层等刚性纹层中的微纳米孔缝等是轻质油分布的主要场所,而有机质、黏土矿物及骨架矿物颗粒表面以重质油为主;刚性纹层频繁发育的砂质纹层和凝灰质纹层页岩是最有利的聚烃纹层组合。
证实了长73亚段富有机质页岩不同纹层组合间发生了明显的页岩油微运移,整体上呈现出富有机质纹层页岩→凝灰质纹层页岩→混合纹层页岩→砂质纹层页岩→泥岩逐渐由供烃层向聚烃层演化的趋势。
受接力式供烃、阶梯式运移、多级分异的多因素控制,多种类型纹层页岩空间叠置关系、接力式生烃及多尺度孔缝网络系统的组合型式共同控制页岩油在纹层间富集的差异性,并最终呈现出富有机质纹层主要赋存重质油,而砂质、凝灰质等刚性纹层富集轻质油的特点。
符号注释:
GR——自然伽马,API;OSI——含油饱和度指数,mg/g;Ro——镜质体反射率,%;Rt——地层电阻率,Ω·m;S1——游离烃含量,mg/g;S2——热解烃含量,mg/g;SP——自然电位,mV;Tmax——最高热解峰温,℃;TOC——总有机碳含量,%;ΔQ——微运移烃量,mg/g。
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