黄双泉.

(辽河油田勘探开发研究院，辽宁盘锦 124010)

页岩油气的勘探开发成为全球非常规能源的重要支撑点[1]，各国开始针对页岩油气开展基础研究。页岩是一种深水沉积的具有页理结构的细粒沉积岩[2-3]。前人一直将页岩作为源岩来研究，随着非常规概念的引入，页岩作为储层逐渐进入学者的视角。随着纳米级孔隙的发现[4]，泥页岩储层开始进入实质性研究阶段[5-10]。

曙北—高升地区在多期构造运动后形成了现今的断陷深盆构造格局-。沙四上亚段沉积时期，盘山洼陷北部地区湖侵沉积体系发育，沙四段页岩的形成是此次湖侵的沉积响应。前人在非常规研究工作中，针对这套富含有机质的页岩层段仅仅是作为烃源岩来表征，并没有认识到页岩可以作为油气的有效储层。随着页岩油研究的深入开展，除了页岩夹层可以作为储层的认识外，本文首次通过对沙河街组四段的页岩钻井岩心等进行分析，细分岩石类型，从储集空间类型、孔隙结构等各方面剖析沙四段页岩储集性能，有效拓展了页岩油的勘探空间。

1 页岩岩石类型及分布

页岩定义为视觉上或者显微镜下具有层状结构的细粒沉积物。作为形态定名，由于成分组成的不同，不同页岩在结构和构造上具有明显差别[3]，对应分布区域以及有机质类型、含量等有较大差异。作为非常规油气资源的生油母质和储集层，岩性的差异对其影响很大。通过岩心观察，沙四上亚段页岩划分为三类：(含)灰质页岩、(含)云质页岩、黏土质页岩(图2)。

图1 研究区位置及构造简图Fig.1 Location and construction sketch of studied area

图2 西部凹陷沙四上亚段页岩类型Fig.2 Types of Es41 shale in western saga.黏土质页岩，D22井，1 337.0 m，自然光；b.云质页岩，L37井，2 658.0 m，自然光；c.灰质页岩，S90，2 788.8 m；d.黏土质页岩，杜22井，1 337.0 m，25(-)；e.云质页岩，L37井，2 604.5 m，50(+)；f.灰质页岩，S111井，3 276.1 m，荧光，50(+)。

(含)灰质页岩主要发育在雷家地区南部—曙光—杜家台东南地区(图3)，最厚超过250 m，纵向上发育于沙四上亚段杜家台油层顶部和底部。岩石样品呈灰褐色、灰色，页理发育，部分手标本呈片状，厚度为2～5 mm(图2c)。“X”衍射全岩定量显示方解石含量为10%～50%，具典型黑白相间双纹层结构，为毫米级微型平行层理，白色层主要为自生方解石，黑色层为黏土层(伊利石含量>90%)、微晶石英、长石及自生黄铁矿等，含丰富的有机质，有机质丰度TOC>4%，见藻类丝状体，呈连续水平状(图2f)；镜检显示有机质类型为Ⅰ-Ⅱa型、生烃潜力很高(S1+S2>20 mg/g)。见自生石膏—方解石集合体，含甲基甾烷，伽马蜡烷含量低，说明该类岩石形成于水体微咸、水流闭塞的湖泊环境中。

(含)云质页岩主要发育在雷家北部地区，纵向上夹持于顶底白云岩之间，连续厚度近200 m。样品颜色为灰色、灰绿色，无明显层理，镜下可见黏土—白云石纹层结构(图2b、2e)。黏土矿物、石英和长石总量大于50%，白云石含量为25%～50%，富含有机质，TOC>4%，有机质类型为Ⅰ型，S1+S2>20 mg/g。在测井曲线上表现为异常高阻，主要分布在主力页岩层底部。富含咸水藻，贫黏土，高伽马蜡烷，说明(含)云质页岩在咸水环境中形成。

黏土质页岩主要发育在杜家台北部地区，岩石样品呈灰褐色、灰色，页理发育(图2a、2d)。陆源粉砂碎屑含量较低，以黏土矿物为主，普遍大于50%，石英含量低于25%，碳酸盐岩含量较低，一般低于20%。多为黏土质泥岩层与微晶方解石层互层，类型I有机质有机碳含量非常高，均值为6.1%，最大超过8%。这种岩相指示陆源输入相对变弱。

图3 辽河坳陷西部凹陷沙四段页岩厚度等值线图Fig.3 Isometric chart of sand shale thickness in western sag of Liaohe depression

2 页岩储集空间类型

通过岩石标本观察、EM及SEM观察，沙四上亚段页岩以发育裂缝—孔隙双介质储集空间和指数级范围孔喉系统为典型特征。

2.1 宏观储集空间

主要为宏观裂缝、页理缝。

研究区构造运动以由裂陷作用引起的挤压变形为主，裂缝发育比较单一，为单向高角度裂缝(图4)，缝宽0.5～2.0 mm。可见后期碳酸盐和方沸石等充填。

不同成分纹层间为应力脆弱面，易剥离形成页理缝，是页岩区别于其他类岩石的特征，也是页岩重要的储集空间类型。研究区灰质页岩和较浅层的黏土质页岩亮暗纹层间发育大量顺层发育、长距离延伸的页岩缝，缝宽0.1～1.0 mm。云质页岩在宏观尺度下，少见页理缝。

2.2 微观储集空间

微观储集空间是页岩的主要储集空间，北美学者在研究中证实页岩中发育基质晶间孔、粒间孔[11]。本研究对西部凹陷沙四段页岩进行观察，除了发现上述孔隙外，在该套页岩中还发现了溶蚀孔隙和微裂缝。

2.2.1 微溶孔

溶蚀孔是页岩储集油气的关键储集空间。本区主要发育碳酸盐的酸性溶孔以及由黏土矿物的类型转变形成的溶蚀孔。碳酸盐溶孔主要发育在灰质页岩和云质页岩中，溶蚀孔径约为5 μm。黏土溶孔主要是黏土矿物的演变引起体积变小所形成的表面凹凸不平、麻点状的晶间孔隙，主要是其他矿物向伊利石转变形成，孔径约为1 μm。研究区三类页岩均可见黏土间溶蚀孔(图5b、5e、5g、5h)。

2.2.2 晶间孔

沙四期，在水深、缺氧、微咸水的还原条件下，生成了大量黄铁矿以及微晶石膏。黄铁矿呈蜂窝状或者草莓状，晶间发育微孔隙1～5 μm(图5c、5d)[12]。三类页岩中均可见晶间孔。

2.2.3 微缝

主要有微页理缝和微裂缝两类。微页理缝在宏观条件下识别不清，主要是沿页理层间发育(图5i)，缝宽20 μm左右，延伸距离不远，横向断续状，整体发育规模大，主要发育在灰质页岩和云质页岩中。微缝是在后期构造运动作用下派生或成岩收缩形成的，片状结构(图5f)。缝宽一般不大，在0.1～0.3 μm，延伸距离2～8 μm，主要发育于脆性较好的云质页岩中。

2.2.4 其他

本区微咸水环境中，藻类和生物较发育，并形成了有机质层。由藻类形成的有机质层在生烃作用之后，形成泥页岩独有的有机质孔(有机质孔尚未有能谱定量实验证实，本次未做重点研究)和生物残余骨架间孔(图5a)，也是页岩一种重要的储集空间。

3 孔隙结构及储集性能

3.1 孔隙结构

氮气吸附试验对于研究孔隙结构具有较高的效率。根据国家标准《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》(GB/T 19587—2004)，在90 ℃加热1 h、350 ℃加热5 h进行样品脱气，使用比表面测定仪Quadrasorb SI对样品进行测试(图6)，根据细粒固体孔隙分析方法，采用吸附/脱附等温曲线差异判断孔隙结构，计算比表面积和孔径分布[13-16]。曙90井样品曲线差异不大，反映灰质页岩孔喉一体的特性；杜223井和雷37井样品吸/脱附曲线相同的相对压力下，体积差异较大，反映具有孔大喉小的特征，压力释放，流体在窄喉道作用下脱附困难。

图5 西部凹陷沙四上亚段3类页岩孔隙微观特征(SEM)Fig.5 Microscopic features of pore for three types of Es41 shales in western sag (SEM)a.D22，1 340.70 m，生物体，1 000倍；b.D223，1 826.40 m，微溶孔，1 300倍；c.D127，2 941.00 m，黄铁矿微晶集合体及石膏微晶，800倍；d.L57，2 604.50 m，石膏微晶间孔，2 000倍；e.L37，2 816.50 m，碳酸盐粒内溶孔，1 000倍；f.L37，2 816.80 m，微裂缝，8 000倍；g.S111，3 276.50 m，黏土溶蚀孔，400倍；h.S3-7-503，1 269.54 m，微溶孔，2 000倍；i.S112，3 097.00 m，页理缝，20倍。

页岩孔径分布为单一峰值，值区间集中在3～6 nm之间，平均孔直径在5.6～17 nm(图6)[17]。由于粒度上黏土矿物<微晶白云石<自生亮晶方解石，而粒度越小，比表面积越大，且同一微观尺度内黏土质页岩及云质页岩层状页理密度较灰质页岩密度要大得多。综合分析认为，比表面积差异主要是由于页岩主体成分粒度差异和微观页理密度引起的。而从平均孔径来看，S90样品(灰质页岩)>L37样品(云质页岩)>D223样品(黏土质页岩)。综上，黏土质页岩孔隙结构以微孔隙为主，云质页岩以微孔为主，具有孔缝混合特征，灰质页岩以微缝发育为主。

3.2 储集性能

对于作为页岩油气储集空间的页岩等细粒沉积物，其储集性能除体现在储集物性之外，岩石脆性也是能否进行后期开发的关键因素。

页岩可测孔隙度介于0.9%～6.91%之间，平均为2.89%；渗透率介于0.00131～0.85 mD间，平均为0.178 mD，脉冲测试结果略低于测井解释结果，评价认为页岩整体物性较差。

岩石脆性与微观状态下的不可塑性矿物含量有关，是页岩中烃类高效生产的关键地质和工程参数。本次计算过程采用数据丰富的X衍射全岩定量数据，石英、长石、白云石总体占比为脆性指数，统计结果显示，云质页岩脆性指数最高(72)，其次为灰质页岩(66)，黏土质页岩脆性指数最差(41)。灰、云质页岩类高脆性地层是后期压裂改造的必要条件。

图6 不同类型页岩孔径分布频率及吸附/解吸曲线Fig.6 Adsorption-desorption isotherms in shales and pore size distribution

4 影响因素

通过对研究区3类页岩分析发现(表1)，不同类型的页岩，储集空间有较大的差异。综合分析认为，页岩储集性差异性受控于内因和外因两个方面。内因即页岩本身的差异性，沉积环境、物源和气候是引起研究区页岩性质的差异的关键因素；外因即页岩沉积、成岩过程中所处的环境以及后期构造运动。

4.1 内因是储集性能差异产生的基础

通过以上分析，储集空间类型和储集性能的差异明显体现在页岩岩石类型的不同上，即物质基础是其储集性差异的关键所在。

雷家地区靠近中部凸起，水体Ca2+、Mg2+含量丰富，在曙光地区水体加深，在杜家台北部西斜坡，北侧和南侧物源均绕过此处，形成了闭塞的间湾环境。沉积环境差异导致黏土质层与非黏土质层的单个互层厚度以及岩石成分均有差异。云质页岩岩心宏观上观察到致密纹层状页理，灰质页岩和黏土质页岩宏观页理缝十分发育，岩心呈片或薄板状。由于成分的差异引起的脆性程度不同，黏土质页岩脆性指数明显低于云质页岩和灰质页岩，成岩过程中盆地斜坡区黏土质页岩均未广泛发育纵向的裂缝，相对稳定区的灰质页岩多处可见到纵向上发育的裂缝，云质页岩岩心上高角度裂缝大量发育，成为后期的溶蚀通道(图5c)。

成分的差异在后期溶蚀改造过程中体现也较为明显。灰质页岩多黏土溶孔，云质页岩多碳酸盐溶孔，黏土质页岩基本上少见溶孔。

表1 不同类型页岩储集性能参数简表Table 1 Simple table of reservoir parameters for different types of shale

4.2 外因是储集性能改造的关键

影响储集性能的外因主要有构造运动和成岩作用(图7)。

成岩作用对储集性的影响体现在三个方面：一方面体现在压实作用下。有文献证实[18]，页岩初始孔隙度和砂岩基本相同为38%。中成岩A期后，在压实作用下，泥页岩原生孔隙基本全部损失，孔隙开始以次生孔隙为主。石膏、榍石、黄铁矿等矿物晶间孔以及碳酸盐、黏土溶蚀孔成为研究区页岩的主要储集空间类型。第二方面体现在演化程度上(有机质孔少见，图版未涉及)。在有机质热演化到生烃门限时，开始大量生烃，有机质孔开始发育，成为泥页岩储集体独有的储集空间类型。第三，成岩过程中的地层水。形成方沸石充填裂缝，有效储集空间大量损失，主要发育在雷家地区云质页岩区。

构造作用不但决定了裂缝的发育程度和规模，对页岩微观溶孔也有一定的积极作用。由于沙三期盆地裂陷作用，灰质页岩和云质页岩区广泛高角度裂缝，同时在东部雷家地区，沟通页理缝和纵向穿层裂缝(图5a)，形成连片具有更大规模的储集空间。另外裂缝的存在，使地下水流通性更好，地下水携走溶蚀产物，促进了溶蚀作用的进行。

图7 沙四段页岩储集性能与成藏事件关系模式图Fig.7 Model of shale reservoir performance and accumulation for Es4

构造运动与成岩作用不只是对本区页岩储集性能有影响的相互独立的单因素。由于成岩作用的持续性和构造运动的间歇性决定了构造运动发育时间对页岩裂缝有重大影响。本区裂缝有两种类型：锯齿状和平直状。锯齿状裂缝是在泥页岩尚未完全固结成岩时，由于泥页岩的蠕变性，构造运动形成高角度裂缝，并发生上下盘错位(微断距约为1 cm)，在后期裂陷作用下上下盘挤压，硬度更高的灰质层进入塑性更高的泥质层，泥质层发生层间揉皱，裂缝呈现锯齿状(图5b)。固结程度更低的云质页岩上部仅仅发生层间揉皱，未发育锯齿状断层。在岩石完全固结成岩后，脆性地层在构造应力下直接形成了平直状断层。平直状断层较锯齿状断层，对页岩储集性的意义更大。

5 结论

(1)西部凹陷曙北—高升地区沙四上亚段发育厚层页岩，雷家地区厚度超过250 m，依照岩石成分划分为灰质页岩、云质页岩和黏土质页岩3类。

(2)页岩储集空间为裂缝—孔隙双重介质的类型，发育中孔—微孔—纳米孔多级孔喉系统，溶孔、晶间孔及微裂缝。根据脉冲测试和测井解释，页岩孔隙度介于0.9%～6.91%之间，平均为2.89%，渗透率介于0.00131～0.85 mD间，平均值为0.178 mD，为低孔低渗型储层。根据氮气吸附实验，页岩孔径区间集中在3～6 nm之间，平均孔直径在5.6～17 nm。

(3)沉积环境、物源和气候引起页岩性质出现差异，灰质页岩和黏土质页岩页理缝十分发育，由于成分的差异引起的脆性程度不同，黏土质页岩脆性指数明显低于云质页岩和灰质页岩。成岩作用的持续性和构造运动的间歇性黏土质页岩断层开放性差，云质页岩发育平直状断层，对页岩储集性的意义更大。