东营凹陷古近系页岩组构及典型岩相储集特征.pdf

第31卷第2期2024年3月Vol.31，No.2Mar.2024油 气 地 质 与 采 收 率Petroleum Geology and Recovery Efficiency东营凹陷古近系页岩组构及典型岩相储集特征王伟庆1，2，3，刘惠民2，3，李军亮1，2，3（1.中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015；2.中国石化页岩油气勘探开发重点实验室，山东 东营 257015；3.页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室，北京 102206）摘要：基于岩石薄片、扫描电镜、显微荧光和阴极发光等图像学分析方法，结合核磁共振、氮气吸附等测试技术，对东营凹陷古近系碳酸盐矿物类页岩相和混合类页岩相2种典型岩相进行研究。根据矿物组分和产状将页岩划分为碳酸盐纹层和泥质纹层2类结构单元，通过分析两者的矿物类型及相关孔隙发育特征，揭示了2种典型岩相储集特征，并根据埋藏过程中地质要素的相对变化，讨论了页岩层系储集空间发育条件。研究结果表明：东营凹陷古近系页岩矿物组分多样，以多组分碳酸盐矿物普遍发育、多来源长英质碎屑颗粒局部集中以及黏土矿物和有机质等流变性组分塑性充填为特征。骨架颗粒限定了有机组分的分布边界，有机组分内部又包含部分自生矿物，孔隙充填物受原油沥青质和蜡质含量高、地表凝固点高等因素的影响，有机组分与无机矿物间显示出多重嵌合特征。页岩组构与复杂的演化过程共同决定了孔隙类型和发育机制的多样性，碳酸盐矿物类页岩相发育纳米级晶内孔隙和微米级晶间孔隙及溶蚀孔隙，以孔隙大且连通好为特征，孔隙度相对偏低；混合类页岩相发育纳米-微米级黏土矿物片间孔隙，孔隙小且连通差，孔隙度相对偏高。层间缝发育区具有良好的储集性，储集空间由富含基质孔隙的多尺度孔缝网络构成，在整体富有机质的背景下，古近系富碳酸盐页岩具有基质普遍含油和纹层界面富集的特征。关键词：页岩；储集性；微观特征；孔隙结构；东营凹陷文章编号：1009-9603（2024）02-0001-16DOI：10.13673/j.pgre.202401036中图分类号：TE122.1文献标识码：APaleogene shale fabric and typical lithofacies reservoir characteristics in Dongying SagWANG Weiqing1，2，3，LIU Huimin2，3，LI Junliang1，2，3（1.Exploration and Development Research Institute，Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying City，Shandong Province，257015，China；2.Key Laboratory of SINOPEC Shale Oil and Gas Exploration and Development，Dongying City，Shandong Province，257015，China；3.State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Efficient Development，Beijing City，102206，China）Abstract：Based on image analysis methods such as rock thin sections，scanning electron microscopy，micro fluorescence，and cathodoluminescence，combined with testing techniques such as nuclear magnetic resonance and nitrogen adsorption，two typical lithofacies of the Paleogene carbonate mineral shale and mixed shale in Dongying Sag were studied.According to the mineral composition and occurrence，shale was divided into two types of structural units：carbonate laminas and mudstone laminas.By analyzing the mineral types and related pore development characteristics of them，two typical lithofacies reservoir characteristics 收稿日期：2024-01-30。作者简介：王伟庆（1969），男，山东济宁人，高级工程师，博士，从事石油地质实验及油气勘探研究。E-mail：。基金项目：中国石化股份公司重点实验室项目“济阳坳陷古近系细粒沉积特征与古湖泊演化”（KJ21042）。引用格式：王伟庆，刘惠民，李军亮.东营凹陷古近系页岩组构及典型岩相储集特征 J.油气地质与采收率，2024，31（2）：1-16.WANG Weiqing，LIU Huimin，LI Junliang.Paleogene shale fabric and typical lithofacies reservoir characteristics in Dongying SagJ.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2024，31（2）：1-16.2024年3月油 气 地 质 与 采 收 率were revealed.In view of the relative changes in geological elements during burial，the development conditions of shale reservoir space were discussed.The research results indicate that the Paleogene shale in Dongying Sag has diverse mineral components，characterized by the widespread development of multi-component carbonate minerals，local concentration of multiple sources of felsic detrital particle，and plastic filling of rheological components such as clay minerals and organic matter.The skeletal particles limit the distribution boundaries of organic components，and the organic components contain some autogenous minerals.The pore filling materials are influenced by factors such as the high content of crude oil asphaltene and wax，as well as high surface solidification points.The organic components and inorganic minerals exhibit multiple chimeric characteristics.The shale fabric and complex evolution process jointly determine the diversity of pore types and development mechanisms.The carbonate mineral shale develops nanoscale intracrystalline pores and micrometer-scale intergranular（solution）pores，characterized by large and well-connected pores，with relatively low porosity.Mixed shale develops nano-sub micron-sized interlamellar pores of clay minerals，which are small and poorly connected，with relatively high porosity.The interlayer fracture development zone has good reservoir properties，and the reservoir space is composed of multi-scale networks rich in matrix pores.In the overall background of rich organic matter，the Paleogene rich carbonate shale has the characteristics of the oil enrichment in matrix pores and at the laminae planes.Key words：shale；reservoir property；microscopic characteristic；pore structure；Dongying Sag2019年以来，中国东部陆相断陷盆地古近系页岩油勘探取得一系列突破1，其中济阳坳陷东营凹陷、沾化凹陷等地区相继在不同岩相和成熟度的页岩中多次获得高产油气流2，如碳酸盐矿物类页岩相的樊页平1井峰值日产油量为171 t/d，混合类页岩相的丰页1HF井峰值日产油量为242 t/d，且近2 a的油气当量累积产量已经超过4.9104 t，打开了中国东部陆相页岩油勘探开发的局面。同时，不同页岩岩相储集性差别的原因、富集高产控制因素、断陷盆地页岩储集规律等深层次问题也逐渐引起关注。富有机质页岩有机组分成分复杂，相态多样，不同温压条件和各类有机质在孔隙充填介质和骨架颗粒之间的角色变化，以及页岩油自生自储自封闭的特殊性，造成了页岩孔隙识别和解释的众多分歧，也引起了陆相断陷盆地页岩油富集高产原因、储集空间构成和油气赋存状态等基础问题的争议。从近10 a的研究历程上看，页岩储集性研究仍存在诸多问题，包括孔隙体积、孔径界限、孔隙类型和油水赋存状态等，尽管在前期研究中取得了一系列成果3-17，但储集空间的有效性等关键问题仍然是目前重点研究方向。随着勘探开发持续深入，页岩油研究逐渐进入储量估算等定量评价阶段，对页岩油储集性认识也由甜点岩相识别扩展到储集空间结构特征、有效孔隙度测算等方面，页岩油储集性在微纳米级尺度上的表征和成因分析是当前亟需深入的研究领域。为此，笔者针对东营凹陷古近系富碳酸盐页岩中2种典型岩相储集特征进行分析，以明确细粒沉积物内部孔隙的发育条件和赋存状态，为页岩孔隙系统的基础研究提供依据。1区域地质概况东营凹陷处于济阳坳陷南部，可划分为博兴洼陷、牛庄洼陷、民丰洼陷和利津洼陷等次级构造单元（图1），是中国东部陆相断陷盆地富油凹陷的典型代表，新生界自下而上依次发育孔店组冲积红层、沙河街组湖泊三角洲沉积、东营组河流-湖泊沉积，以及馆陶组明化镇组河流相沉积，盆地充填连续性强且沉积间断短。研究区页岩油主力勘探层系沙四段上亚段（Es4上）沙三段下亚段（Es3下）地层厚度一般为 1501 500 m，埋藏深度为 3 000 4 500 m，厚度大且埋藏深。前期研究表明，与巨厚的沉积层相比，始新世页岩地层剥蚀量小且分布局限。韩用兵认为沙四段剥蚀量主要为50300 m，平均剥蚀量为150 m左右，最大剥蚀区在鲁东隆起区西侧的凹陷边缘，最大剥蚀量近1 000 m，但范围图1东营凹陷构造位置图Fig.1Structural location of Dongying Sag 2第31卷 第2期王伟庆等.东营凹陷古近系页岩组构及典型岩相储集特征较小18。吴智平等利用声波时差法、镜质组反射率法等多种方法综合计算，认为东营凹陷中心N/E界面剥蚀量超过200 m19。东营凹陷富有机质页岩具有连续沉降、快速埋藏、有机质早熟和断裂活动强的特点。根据邱楠生等研究，孔店组沉积末期地温梯度达到49.5/km，沙四段、沙三段、沙二段、沙一段和东营组沉积末期分别为 46.0，43.0，42.0，41.0 和 38.5/km；新近纪以来地温梯度下降较小，馆陶组沉积末期为36.5/km，明化镇组沉积时期至第四纪地温梯度持续下降，至现今的35/km 左右20。高地温梯度促进了有机质演化，为沙河街组烃类早期占位和富集提供了条件。另外，断裂作用活跃也是东营凹陷作为断陷盆地的一个重要特点，从盆地边缘斜坡带到洼陷带，发育了不同级别断层组成的复杂断裂体系，与之相对应，Es4上Es3下页岩广泛发育各级裂缝，为储集空间的形成和连通创造了良好条件。2页岩组构特征2.1 页岩组分与孔隙特征东营凹陷古近系页岩组分主要包括碳酸盐矿物、黏土矿物、长英质碎屑颗粒和多种有机质等。与砂岩等刚性颗粒构成的多孔介质不同，页岩中骨架颗粒和充填基质物理性质的多样性，以及纳米级孔隙普遍发育导致的限域效应，增加了孔隙界定和表征的难度。东营凹陷古近系页岩骨架颗粒间通常充填成分复杂的混合物，包括固体沥青、游离的黏土矿物和其他矿物、干酪根以及不断挥发的原油和水，这些物质常以集合体形式充填于以骨架颗粒或晶簇聚集而成的孔隙壁为边界的区域中。近年来，对页岩气储集空间解释的需求催生了有机孔隙的概念，但有机孔隙与无机孔隙的差别始终存在争议。MILLIKEN 等认为孔隙指岩石内部充填可流动组分的空间21，与之前LOUCKS等提出的有机孔隙22-24都强调了页岩内部可见或潜在的自由空位的流动性。另外，流体组分在地表环境的持续挥发和样品制备过程中离子溅射等效应的干扰，也增加了微纳米级孔隙判识的不确定性。张世明通过分子动力学模拟揭示了原油可以类固体形式吸附在干酪根边缘6，SONDERGELD 等也认为烃类分子以固溶态扩散到固体有机质内部形成滞留25。据此，图像学分析和孔隙度测试中，除了可见自由空位外，也将具有潜在流动性的有机组分发育区作为孔隙观测对象，将不同结构组分所圈闭的可流动物质充填区域，作为图像学分析的孔隙。从现有分析技术来看，这部分区域定量描述难度较大，尤其是东营凹陷相对复杂的沉积物构成，导致页岩层系内孔隙的形态、分布和组织方式都具有多样性的特点。2.1.1碳酸盐矿物与孔隙特征东营凹陷古近系页岩中碳酸盐矿物占比多在50%以上，是决定页岩性质的主要矿物组分。根据碳酸盐矿物晶粒结构可划分为泥晶、粉-细晶和中-巨晶碳酸盐矿物（图2a2g），各类碳酸盐矿物主要以层状和透镜状集合体产出，是页岩层系中的骨架组分。碳酸盐矿物重结晶现象常见，不同结晶级别的碳酸盐矿物通常相间排列，形成的晶间孔隙是东营凹陷页岩中占比较高的孔隙类型。偏光镜下结晶方解石晶间孔隙被沥青质等次生组分完全充填（图2j），最大孔径可达60 m，反映了阶段性烃类充填和滞留。各粒级碳酸盐矿物构成的晶间孔隙大小不一，孔径一般为 0.160 m，面积可达总孔隙的30%（图3）。碳酸盐矿物溶蚀孔隙出现在泥晶碳酸盐矿物边缘或结晶碳酸盐矿物内部，由部分或完全溶蚀的碳酸盐矿物晶粒残余空位构成，孔隙内部或边缘常见覆膜状的有机质残余。泥晶碳酸盐矿物边缘溶蚀孔隙与黏土矿物微孔相互叠合或者相对互层状产出，孔径多在5 m以下。在粗碎屑体系中，碳酸盐矿物晶体内部缺陷形成的矿物包裹体通常不在孔隙度的估算范围之内。在页岩储集性分析中，采用氩离子抛光样品进行的高分辨率扫描电镜可以观察到晶内孔隙通常以自由空位为特征（图2k），与偏光镜下烃类和盐水包裹体普遍发育的现象对应，反映了纳米级孔隙中流动性较强的盐水和轻烃富集的特点，但这些晶内孔隙相当一部分已经低于邹才能等用纳米多孔模板模拟的20 nm孔径界限26。总体上碳酸盐矿物晶间孔隙、晶内孔隙和溶蚀孔隙特点之一是具有光滑平整的孔隙内表面，有利于流体输导聚集。粒状碳酸盐矿物发育区晶间孔隙、晶内孔隙和溶蚀孔隙叠合发育，是有利的储集场所。2.1.2黏土矿物与孔隙特征东营凹陷古近系页岩中黏土矿物包括伊利石、蒙脱石、伊/蒙间层矿物，少量高岭石、绿泥石和绿/蒙混层矿物。黏土矿物主要产状为沿水平方向曲 32024年3月油 气 地 质 与 采 收 率面片状叠加和颗粒包膜（图2f，2h），前者的叠加区之间常被有机质充填，后者出现在碳酸盐矿物、黄铁矿以及其他一些碎屑颗粒表面。在碎屑岩体系中，黏土矿物是以颗粒为骨架的支撑系统的初始充填物，且以杂基形式出现，其与碎屑颗粒一起定义了机械压实、胶结充填和溶蚀活动的物理边界。与之相比，页岩结构的特殊性在于其将砂砾岩体系中的杂基转换成岩石结构的主体，并在更小尺度内构建岩石储集性。东营凹陷单个黏土片平均厚度约为25 nm，侧向伸展遇到各类碎屑时会形成环绕包膜结构，并在弯折处出现有机组分的富集。YUAN等对比了富黏土的Carynginia页岩和贫黏土的Monterey页岩测试结果，将富黏土页岩的高孔隙度解释为页岩中伊利石的贡献27。黏土矿物发育区的一个突出特点是，由于黏土矿物的胶结作用不存在，黏土矿物之间的腔室中有机质充填是普遍现象，反映了纳米级尺度上黏土矿物发育区中的流体在埋藏过程中向外排驱的行为特征。黏土矿物聚合而成的片状集合体中孔隙发育，黏土矿物片间孔隙长轴为0.110 m，短轴为0.02a牛页1井，3 437.12 m，正交偏光，中-巨晶碳酸盐矿物集合体；b牛页1井，3 437.12 m，自然光，中-巨晶碳酸盐矿物集合体俯视图；c牛页1井，3 437.12 m，自然光，中-巨晶碳酸盐矿物集合体侧视图；d牛页1井，3 437.12 m，背散射扫描电镜，中-巨晶碳酸盐矿物集合体；e牛页1井，3 436.233 436.73 m，岩心扫描图像，不同结晶度的碳酸盐纹层和泥质纹层；f牛页1井，3 437.08 m，扫描电镜，包膜状黏土矿物，包裹颗粒为细晶碳酸盐矿物；g牛页1井，3 433.25 m，扫描电镜，纳米级泥晶碳酸盐矿物集合体；h牛页1井，3 437.37 m，扫描电镜，黏土矿物和有机质构成的孔隙内膜形态；i樊页平1井，3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜，有机孔隙；j樊页平1井，3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜，碳酸盐矿物晶间孔隙，孔隙中充填有机质及盐类矿物；k樊页平1井，3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜，晶内孔隙；l樊页平1井，3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜，黏土矿物片间孔隙；m樊页平1井，3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜，粒间孔隙，孔隙中充填有机质及盐类矿物图2东营凹陷古近系页岩微纳米孔隙及岩石组构特征Fig.2Micro-nano pores and rock fabric characteristics of Paleogene shale in Dongying Sag 4第31卷 第2期王伟庆等.东营凹陷古近系页岩组构及典型岩相储集特征1 m（图2l），形态上类似于裂缝。在与长英质及碳酸盐矿物颗粒交界处，片状黏土矿物与粒状碎屑叠加形成差异压实结构，孔隙发育在黏土片与碎屑颗粒侧缘的锥形区域中。2.1.3有机质与孔隙特征富含有机质是东营凹陷古近系页岩的主要特点之一，张林晔等研究认为Es4Es3有机碳含量普遍为1%15%28-32。有机显微组分镜检结果表明，有机质主要来源为低等水生生物，类型多为和1型。生烃模拟实验结果表明Es4和Es3全烃含量分别为360.13和265.80 mg/g，具有很高的生烃潜力。扫描电镜观察到饱和充填的固体沥青是孔隙内部有机组分赋存基本形式，现场检测中丰页1-1HF等井原油蜡质含量（21%26%）和胶质+沥青质含量（8%35%）高，同时原油凝固点偏高（3140），造成页岩内部自由空位体积占比极低的现象，仅有少部分有机组分与黏土矿物和碳酸盐矿物等极性较强的矿物组分以衬膜方式结合在一起。总体上看，页岩储层中有机质存在复杂的力学属性和流动特征，其形态从属于相邻的矿物结构，如黏土矿物中的有机质多显示为层状藻类的形态特征，碳酸盐矿物晶粒之间的有机质则多表现为固体沥青的形态特征。扫描电镜下孔隙内部可见不同结晶级别的石膏等高矿化度流体形成的矿物，显示有机组分内部存在含金属离子的官能团及纳米离子通道的活动（图2j，2m），这种现象也表明原油生成过程中形成的转化产物（如乙酸盐、二氧化碳和甲烷）与成岩作用中矿物的溶解和沉淀之间存在密切的成因关系33。结合X射线能谱检测成分时观察到的穿孔现象，可以判断均一相的固体沥青能够显示出流体属性，按照MILLIKEN等给出的孔隙定义21，将在高分辨率图像中观察到的均一相有机质充填的区域视为孔隙，孔隙类型由其边缘的矿物类型和支撑结构界定。与 LOUCKS23-24和 SLATT34等描述的有机孔隙相比，东营凹陷古近系页岩受到有机质成熟度偏低的影响，以有机质内部自由空位产出的有机孔隙占比总体较低，镜下观察部分有机孔隙具有泡状结构的特征（图2i），同时在有机质集中区出现一系列泡状纳米级孔隙集合，大小一般为20600 nm，具有不规则且相对平滑的内部边缘，反映了有机质内部非均相的结构特点。一些具有缝状结构的有机孔隙发育在团块状有机质内部或边缘裂开区，具有弯曲平滑的边缘形态，缝宽一般为10300 nm（图2m），这种缝状结构暗示了相关有机质的机械强度无法满足孔隙壁承受超压的要求，因此其能否作为图3东营凹陷古近系页岩储集空间构成Fig.3Composition of Paleogene shale reservoir space in Dongying Sag 52024年3月油 气 地 质 与 采 收 率有机孔隙目前仍然存疑。另外局部发育残余结构的有机质，具有显示其生物来源特征的组织结构，大小不一，一般较为少见。从古近系页岩中富含有机质的特点来看，干酪根、沥青质以及其他有机组分能够在一定分布范围形成连通的有机孔隙网络，有利于烃类物质克服界面阻力实现自由运移，并且在储层温压升高、裂缝发育等更有利的条件满足时，可以连接成范围更大的孔隙网络。这与镜下实测的有机质孔隙度偏低现象存在矛盾，根据有机组分结构及其孔隙特征，推测镜下观察的有机组分特征是轻烃挥发和温度降低所致，而埋藏条件下温度升高会增加可流动的有机组分，同时压力增加使流体活动成为必然。LIANG等研究显示正构烷烃中C14C20化合物更倾向于在干酪根中发生富集，难以发生排烃作用，这也从一个侧面解释了有机孔隙在中低演化页岩中镜下实测偏低的原因35。BARRY等认为相关术语的不同理解、赋存状态和观测条件是影响有机孔隙科学理解的重要原因36。事实上，黏土矿物片间孔隙、碳酸盐矿物类孔隙等在一定范围内都可以形成相应的孔隙网络，有机质作为充填组分以其多变的流动性赋存在其中，更符合对中低演化程度富有机质页岩孔隙结构的解释。2.1.4长英质碎屑颗粒与孔隙特征东营凹陷古近系页岩中长英质碎屑颗粒总体含量较低，一般在30%以下，以粉-细砂级为主，多数呈层状集中分布，少数分散在碳酸盐矿物和黏土矿物集合体构成的基质中，与层状和透镜状碳酸盐矿物共同构成了页岩层系中的基础支撑骨架。长英质碎屑颗粒粒间孔隙出现在页岩内部砂级碎屑集中处，与砂体内部孔隙特征类似，孔径大小与砂粒粒径相关。由于页岩中砂质组分含量低，以砂质集合体出现的形式更为少见，因此这类孔隙在页岩中占比很低。除上述主要孔隙类型外，研究区古近系页岩中还发育黄铁矿晶间孔隙、碎屑颗粒溶蚀孔隙等类型。黄铁矿晶间孔隙出现在粒状黄铁矿集合体中，一般孔径不超过500 nm，黄铁矿含量一般为2%3%，部分样品黄铁矿含量在10%以上，因此黄铁矿晶间孔隙也是一类重要的储集空间。碎屑颗粒溶蚀孔隙通常出现在孤立的长英质砂粒中，孔径为 0.11 m（图2m），在页岩中含量较低。2.2 页岩结构单元东营凹陷古近系页岩发育多种矿物组合并具有复杂多样的岩石结构，部分频繁出现的矿物组合以特定结构聚集在一起，构成了页岩结构单元。Es4上Es3下页岩主要由泥质纹层和碳酸盐纹层2种结构单元构成（图4）。2.2.1泥质纹层泥质纹层主要由多种类型黏土矿物、不同来源长英质碎屑颗粒和碳酸盐矿物碎屑以及有机组分构成，并含有少量黄铁矿、重晶石等矿物。泥质纹层原始沉积物通常为湖底软泥，其中有机组分与黏土矿物及颗粒的关系，反映了泥质纹层储集性的演化特征。将孢粉分析方法提取的生烃母质（徳弗兰藻等甲藻类）与镜下有机质进行对比（图4a，4b），显示泥质纹层中沥青与干酪根聚合并饱和充填黏土矿物片间孔隙，这种普遍存在的现象反映了黏土矿物片间孔隙是原始有机质保存和次生有机质迁移的起始位置。CURIALE等认为原油前固体沥青是烃源岩的早期生成产物37，可作为一种非常黏稠的流体从其源岩中挤出，并就近迁移到岩石裂缝和孔隙中，与扫描电镜下观察的沥青占位特征一致。进入热成熟阶段后，有机组分初始状态受到页岩自生性和自限性的控制，沥青和轻烃类组分趋向于原位聚集，这种聚集显然也抑制了黏土矿物片间压实作用和胶结活动的发生，保持了原始片间孔隙的有效性。片状黏土矿物与各类颗粒的接触区构成了一个相对开放的区域，有机组分在这一区域聚集并向黏土矿物及纳米级颗粒集体发育区扩展（图 4f，4h），显示了有机质聚集在页岩结构演化中的重要作用。在粒径较大的碎屑集中区（图 4f，4g），长石颗粒破碎和黏土化现象以及碎裂颗粒间空隙充填固体沥青，均显示承压条件下有机组分的迁移和充填特征，这种现象与LEWAN的预测一致，认为矿物孔隙中存在的迁移有机质将以沥青或原油的形式开始，然后演变为固体沥青或焦沥青38。片状黏土矿物集合体属机械沉降后压实聚合扁平化的产物，持续的压实作用会不断压缩黏土矿物片间距，承压流体的封闭又有利于黏土矿物片间孔隙的保存，因此黏土矿物片间孔隙的发育受到埋藏演化过程中压实活动与相邻单元之间连通性的双重控制。持续压实过程中连通性好的位置流体易于排出，会加快孔隙闭合，而超压流体注入与阶段性的压实衰减，又有利于黏土矿物片间孔隙的开 6第31卷 第2期王伟庆等.东营凹陷古近系页岩组构及典型岩相储集特征启，提高页岩的储集能力。片状黏土矿物与粒状碎屑叠加形成一种差异压实结构，孔隙发育在黏土片与碎屑颗粒侧缘的锥形区域中，片状黏土矿物以伊利石或伊/蒙间层矿物为主，碎屑颗粒为长英质碎屑颗粒和各种内碎屑，甚至自生成因的草莓状黄铁矿，这种结构多出现在碎屑集中区与黏土矿物集中区的过渡区域。该区域可以观察到颗粒塌陷引起的孔隙缩小现象，而有效应力增加引起的支撑结构破坏是造成此现象的重要因素，DAY-STIRRAT 等实验表明较大的孔隙在有效应力的作用下容易塌陷39。但对于较小的孔隙，定向延伸和坍塌现象较为少见，其原因为随着孔径的减小，毛管压力急剧增加，抵消了埋藏深度增加引起的沉积载荷。2.2.2碳酸盐纹层东营凹陷古近系页岩碳酸盐纹层的碳酸盐矿物类型、晶粒结构、生长方式和伴生组分等具有多样性的特点，典型的碳酸盐纹层由粉-泥晶碳酸盐矿物聚集而成。不同粒径碳酸盐矿物颗粒之间形成的孔隙，与传统孔隙分析中的粒间孔隙和晶间孔隙类似，同样具有类似于原始沉积格架中颗粒支撑结构形成的a牛55-斜1井，3 466.20 m，自然光，徳弗兰藻集合体，泥质纹层；b牛55-斜1井，3 466.20 m，荧光，徳弗兰藻集合体，泥质纹层；c牛55-斜1井，3 466.20 m，多面岩石薄片，显示化石取样位置，泥质纹层；d樊页平1井，3 472.80 m，多面岩石薄片，显示阴极发光取样位置，碳酸盐纹层；e樊页平1井，3 472.80 m，阴极发光，重结晶与溶蚀现象，碳酸盐纹层；f丰页1HF井，3 791.10 m，多面岩石薄片，显示扫描电镜取样位置；g丰页1HF井，3 791.10 m，长石颗粒破碎，碳酸盐纹层；h丰页1HF井，3 791.10 m，黏土矿物集合体封闭的带状有机组分，泥质纹层图4泥质纹层与碳酸盐纹层结构特征Fig.4Structural characteristics of mudstone laminas and carbonate laminas 72024年3月油 气 地 质 与 采 收 率高渗透区的特点，在碳酸盐纹层中心区顺层面方向扩展，是页岩层系中相对稳定的流体渗移通道。有机组分、成岩矿物在此通道中相对集中，其中轻烃类有机组分富集，导致固体沥青中有机孔隙发育，且重晶石等次生成岩矿物与之共生，反映了流体活动活跃的特点。碳酸盐纹层的孔隙网络通常由纳米级结晶缝隙连接的微米级溶蚀孔隙或晶间孔隙组成。孔隙中有机组分饱和充填，充填物中盐类矿物发育，充填面积约为1%12%，对应的孔径为0.250 m。晶内孔隙等纳米级孔隙中的固体沥青充填程度差，推测以轻烃和地层水的充填为主。阴极发光分析结果显示（图4e），碳酸盐纹层中可见普遍的重结晶与溶蚀现象，反映了碳酸盐纹层中孔隙发育是以成岩流体为介导的体系物质-能量平衡的结果。埋藏过程中上覆静岩压力不断增加，流体从富含黏塑性组分的页岩中向周围岩层排出，同时紧密压实又造成页岩层系中渗透率的持续下降、流体流动性的持续减弱和封闭性的增强，这种趋势与富有机质页岩的生排烃活动相互作用，造成了碳酸盐纹层中普遍的重结晶与溶蚀现象。图5对比了樊页平1井泥质纹层与碳酸盐纹层的储集特征。样品取自樊页平 1 井 3 454.70 3 455.70 m井段（图5a），将其进行大面积氩离子抛光，并选取典型视域开展分析（图5b5e）。统计结果显示，泥质纹层平均粒径为0.1 m左右，孔隙类型多样，黏土矿物片间孔隙、粒间孔隙、粒内孔隙、晶间孔隙和有机孔隙等均发育，孔径主要为 10 1 000 nm；碳酸盐纹层平均粒径可达10 m，孔隙类型较为单一，以晶间孔隙为主，孔径明显偏大，主要为10010 000 nm（图5f，5g）。2.2.3纹层间区域纹层某种意义上是有机质、黏土矿物和碎屑颗粒等组分在压实作用下通过流体析出、体积缩小和形态扁平化形成的一种自限性结构，不同纹层界面上物理化学性质变化会导致岩石物性的对应改变。东营凹陷富有机质页岩中纹层界面之间的典型特征是发育了微米-毫米级带状有机质聚集，早期松软的、黏塑性很强的沉积物经过紧密压实之后，固体沥青聚集在碳酸盐纹层与泥质纹层之间的边界区，沿水平方向伸展的长度超过2 mm（图6a）。樊页平1、丰页1HF等井碳酸盐纹层与泥质纹层发育的边界区显示出有机质充填、自生石英富集和自生盐类矿物发育的特征。a3 454.703 455.70 m，岩心扫描图像；b3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜图像；c3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜图像，2类纹层特征对比；d3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜图像，碳酸盐纹层中有机组分内盐类矿物；e3 454.50 m，氩离子抛光扫描电镜图像，泥质纹层中有机组分内盐类矿物；f3 454.50 m，不同纹层平均粒径统计；g3 454.50 m，孔隙类型及优势孔径区间图5樊页平1井泥质纹层与碳酸盐纹层储集性对比Fig.5Comparison of reservoir properties between mudstone laminas and carbonate laminas in Well FYP1 8第31卷 第2期王伟庆等.东营凹陷古近系页岩组构及典型岩相储集特征FUJITA等通过实验验证了压实过程中石英类组分能够形成富含流体的储集区即流体池，流体能够在良好的支撑条件下形成局部富集40。樊页平1井岩心水平切片与垂直切片中可以观察到流体池现象（图6a6c），且自生石英含量与有机质充填面积具有良好的相关性（图6d），验证了自生石英支撑的层间缝发育区存在流体池效应。FURMANN等在加拿大阿尔伯塔也发现了页岩孔隙体积增加与石英含量升高存在一致性41。根据前期研究成果，黏土矿物转化和长石碎屑蚀变均会导致自生石英形成，结合泥质纹层内部有机组分的发育特征，可以推测埋藏过程中孔隙逐渐变小、扁平化并且出现侧向连接，最终在富有机质页岩中形成有机质沿层面富集的特征。通过对页岩层系高精度解析与重构得到不同结构单元储集空间发育模式（图7）。不同结构单元垂向上相间排列，形成相对固定的组合结构。碳酸盐纹层孔隙连通较好且单个孔隙体积较大，但孔隙发育不均一，部分成岩程度较强的碳酸盐矿物，如柱纤状中-巨晶方解石通常不发育孔隙，而粒状方解石孔隙发育良好。黏土矿物集中区孔隙多而小，纹层间区域受自生石英等结晶矿物支撑的影响，储集性良好。LIN 等利用纳米成像确定了 1002 000 nm的孔隙体积对页岩渗透性贡献最大，与前述各类图6层间自生石英富集区流体池效应Fig.6Fluid pool effect in interlayer authigenic quartz enrichment zone19061 nm图7不同结构单元储集空间发育模式Fig.7Development patterns of reservoir spaces in different structural units 92024年3月油 气 地 质 与 采 收 率孔隙孔径的主要分布范围基本一致42。从演化过程来看，机械强度较大的碳酸盐纹层在压实过程中可以为富含黏土矿物和有机质的泥质纹层提供局部保护，避免页岩被过度压实而失去游离组分。碳酸盐纹层与泥质纹层的连续叠加以及自生石英等结晶矿物的有效支撑，是微纳米-毫米级别的储集空间发育和保存的重要机制。3典型岩相储集特征3.1 储集参数根据目前济阳页岩油勘探评价结果，东营凹陷Es4上Es3下页岩岩相划分为碳酸盐矿物类页岩相和混合类页岩相。从矿物成分上看，碳酸盐矿物类页岩相指碳酸盐矿物含量超过50%的页岩；混合类页岩相指碳酸盐矿物、长英质碎屑颗粒和黏土矿物含量均未超过50%的页岩。东营凹陷混合类页岩相中碳酸盐矿物含量一般为40%左右，因此二者均属于富碳酸盐页岩的范畴。从结构上看，不同岩相页岩主要受纹层占比和纹层连续性的影响，碳酸盐矿物类页岩相以碳酸盐纹层为主；混合类页岩相中泥质纹层发育，碳酸盐纹层占比较低，局部出现较多碳酸盐矿物断续纹层和透镜体。选取东营凹陷博兴洼陷樊斜184井2块代表不同岩相的样品，开展X射线衍射、扫描电镜、核磁共振和氮气吸附测试。X 射线衍射分析结果显示，B69号样品（樊斜184井，3 489.55 m）碳酸盐矿物含量为39%，黏土矿物含量为31%，石英含量为21%，长石含量为6%，黄铁矿含量为2%，菱铁矿和硬石膏含量各为1%，属混合类页岩相；B109号样品（樊斜184井，3 535.30 m）碳酸盐矿物含量为64%，黏土矿物含量为16%，石英含量为16%，长石含量为3%，黄铁矿含量为1%，属碳酸盐矿物类页岩相。氮气吸附测试结果显示混合类页岩相和碳酸盐矿物类页岩相回滞环类型以H2-H3混合型为主，即孔隙形态以墨水瓶孔、平形板状孔为主，但混合类页岩相准温压体积明显高于碳酸盐矿物类页岩相，显示混合类页岩相孔径偏小的特点（图8a）。由樊斜184井2种典型岩相储集参数对比（表1）可知，混合类页岩相比表面积大、孔隙体积大、平均孔径小、含油饱和度偏低；碳酸盐矿物类页岩相比表面积小、孔隙体积大、平均孔径大、含油饱和度偏高。扫描电镜图像分析结果显示，碳酸盐矿物类页岩相孔隙相对集中，最大孔径达到5 m，发育在生物化石等碳酸盐纹层区；混合类页岩相孔隙分散细小，孔径为51 000 nm，发育在不同粒级碎屑颗粒与片状黏土矿物混合的纹层区。二维核磁共振测试结果（图8b）显示，混合类页岩相强信号出现在束缚水区，碳酸盐矿物类页岩相强信号出现在游离