松辽盆地古龙凹陷页岩油储层中的纳孔纳缝及其原位成藏理论初探

doi:10.13745/j.esf.sf.2022.8.32

摘要/Abstract

摘要：

古龙凹陷青山口组页岩油的,地质资源量达151亿t,是重要后备的油气资源。用电子背散射(HDBSD)发现了古龙页岩油储层中纳米孔和纳米缝非常发育,电子探针表明这些纳孔纳缝均被沥青充填。纳米孔的直径多在10~50 nm,中位数在20~30 nm,形态多不规则,多呈多角形,主要是一种E-F纳孔,其次为E-E纳孔,多与纳米缝联结。纳缝宽度多在10~50 nm,中位数也在20~30 nm。它们主要是由黏土片(黏土域)的F-F凝聚形成的。黏土的凝聚与有机质密切相关。黏土胶体由于同晶置换会带负电荷,使得其周围会吸附带正电的金属阳离子,形成一个带正电的黏土团。这种带正电的黏土团又会吸附带负电的腐殖酸(有机质)和初步降解的藻,形成一个有机黏土絮凝体。这种有机黏土絮凝体进入生排烃门限后,由于生排烃有机质体积会收缩,体积收缩最高可达87%。生排出的烃会就近充填在这种收缩形成的孔隙中,又由于纳孔纳缝的毛细阻力(约12 MPa)等使得排出的烃无法运移出去便形成了古龙页岩油的特殊连续原位油藏。

关键词: 页岩, 黏土, 有机质, 纳孔纳缝, 原位成藏, 古龙凹陷

Abstract:

The shale oil resource in the Qingshankou formation, Gulong Sag amounts to 15.1 billion tons, making it an important petroleum “backup” resource. Electron backscattering (HDBSD) shows that nm pores and fissures are well developed in the Gulong shale oil reservoir. The nm pores are mostly 10-50 nm in diameter (median 20-30 nm) and have irregular or polygonal shapes. They are mainly a kind of E-F nano holes, and some E-E nano pores, and connected to the nano fissures that have slit widths mostly between 10-50 nm (median 20-30 nm). The nm fissures are mainly formed in clays via F-F condensation. Clay coagulation is closely related to organic matter, especially algae. The clay colloid is negatively charged due to isocrystalline replacement, and metal cations are absorbed around it to form a positive clay group. The positively charged clays in turn adsorb the negatively charged humic acid (organic matter) and lightly degraded algae to form an organic clay flocculant. When the organic clay flocculates reach the hydrocarbon generation/release threshold, organic matter shrinks up to 87% in volume. Due to capillary resistance (~12 MPa) from nano fissures, the discharged hydrocarbon cannot migrate out, thus forming the special continuous in-situ shale oil reservoir of Gulong.

Key words: shale, clay, organic matter, nano-pore and nano-fissure, in-situ accumulation, Gulong Sag

中图分类号:

P618.130.2

何文渊. 松辽盆地古龙凹陷页岩油储层中的纳孔纳缝及其原位成藏理论初探[J]. 地学前缘, 2023, 30(1): 156-173.

HE Wenyuan. Preliminary study on nanopores, nanofissures, and in situ accumulation of Gulong shale oil[J]. Earth Science Frontiers, 2023, 30(1): 156-173.

图/表 21

图1 松辽盆地北部构造分区及位置图(据文献[1]修改)

Fig.1 Structural zoning and location map of the study area. Modified after [1].

图2 松辽盆地过古龙凹陷的东西向地震剖面及其解释(据文献[1]修改) T2—T11为青山口组。

Fig.2 East-west seismic profile of Gulong Sag in Songliao Basin and its interpretation. Modified after [1].

图3 研究区地层柱状(据文献[1]修编)

Fig.3 Strata columnar in the study area. Modified after [1].

图4 古龙青山口组页岩的微结构或组构 a—粉砂纹层与、页岩纹层交互,揭示了较高能环境;中部均质的泥岩中垩红色和蓝色方块为放大目标;b—红色方块放大30倍后可见大量的含有机质黏土(红色箭头),均呈颗粒状,有黏土+有机凝聚体组成;c—蓝色方块放大30倍后可见与红色方块相同的现象,由大量的粉砂级黏土颗粒(大者可达细砂级)组成,颗粒之间为含长英质碎屑的钙质“壳”(红色箭头),可能是藻席黏液;d—大量的有机+黏土凝聚体与大量的极细长英质颗粒均匀混合,呈块状,揭示了有机质黏土凝聚体是一种盆内碎屑,由底流搬运形成;e—纹层状页岩。有机纹层发育很好,厚数百微米,与长英质纹层交互。长英质纹层底部有明显的侵蚀现象(红色箭头),中间一层特别明显。实际上长英质纹层与有机黏土纹层构成了一个完整的微整旋回;f—含有机质的页岩。顺页理方向有较多的细沥青脉(红色箭头)。

Fig.4 Microstructure or fabric of Gulong shale of Qingshankou Formation

图5 黏土-有机质凝聚体及其颗粒的排列 a—含大量有机质的页岩。有机黏土纹层厚数50~60 μm,与长英质粉砂纹层互层。有机质与黏土均匀混合,形成一种有机黏土;b—含有机质的页岩,亮暗纹层明显。有机黏土颗粒侧向联结成暗色纹层(大红色箭头),其间被亮纹层(大白色箭头)分隔。有的颗粒呈圆形(部分黄色箭头),直径在40~50 μm,有时侧向联结构成一个厚50~100 μm的纹层(大红色箭头),颗粒之间为透明的长英质物质(大白色箭头)。c—黏土-有机质凝聚体,呈颗粒状,直径数μm到数十μm;d—黏土-有机颗粒,与图b相似。可见有的有机黏土颗粒中心有长英质颗粒中心,粒度小于0.003 9 mm。

Fig.5 Arrangement of clay-organic aggregate and its particles

图6 藻屑-黏土凝聚体 a—大量的层状藻屑(黄色箭头)与黏土聚集在一起,藻屑破碎和降解很充分,均呈纤细节状,宽1~2 μm,长数微米到数十μm,顺页理分布。藻屑钙含量很高,其中发育了节状溶蚀孔,宽1 μm,长数μm,是良好的储集空间。中间可见一条斜向的裂缝,被蓝色铸胶充填;b—图a的红框放大,可见密集的层状藻屑残体(小黄色箭头)和黏土-有机凝聚体(大红色箭头),还有大量有白云石化的方解石颗粒(Ca),其中溶蚀孔发育,是良好的储集空间;c—图a的蓝框放大,可见密集的层状藻屑残体(小黄色箭头)和黏土-有机凝聚体(大红色箭头),近中部有一层密集的藻屑,似乎是一层微藻席(大黄色箭头)。还有大量方解石颗粒(Ca),其中溶蚀孔发育,是良好的储集空间。

Fig.6 Algal debris-clay aggregates

图7 古龙凹陷四口井青山口组有机碳分布图

Fig.7 Organic carbon distribution of 4 Wells in Qingshankou Formation of Gulong Sag

图8 古页3HC井青一段背散射图及能谱图

Fig.8 Backscattering diagram and energy spectrum diagram of the Qing 1 section of Guye 3HC well

图9 能谱分析直方图

Fig.9 Histogram of energy spectrum analysis

表1 古页3HC井青一段能谱图分析结果表

Table 1 Analysis results of energy spectrum of the Qing 1 section of Guye 3HC well

点号	w_B/%
点号	C	O	Na	Mg	Al	Si	K	Fe
70	41.12	21.54	0.31	0.61	9.31	17.56	5.15	2.31
71	35.66	23.55	0.30	0.58	10.95	20.03	5.79	2.55
72	40.83	13.53	0.33	0.58	11.13	22.84	7.19	3.02
73	50.95	20.26	0.83	0.35	5.56	15.22	2.42	1.66
74	56.44	18.07	0.89	0.25	4.19	12.99	1.72	2.18
75	26.41	32.72	4.84		7.50	23.59	0.26	3.63
76	16.99	33.35	4.11		10.53	32.09	2.08	0.85
77	60.47	12.55	1.11	0.12	3.12	13.24	0.98	5.39
78	41.42	16.36			2.08	37.15	2.34	0.65
79	31.26	19.41	0.54	0.55	8.05	34.64	3.78	1.77
82	72.24	15.66	0.46	0.13	1.70	6.56	0.82	0.74
80	31.84	19.42	0.28	0.81	11.65	27.72	5.78	2.50
81	82.69	10.77	0.68		0.63	2.17	0.24	0.36
83	44.19	21.45	0.51	1.21	6.72	13.73	3.43	3.68
84	53.87	21.30	0.39	0.39	5.33	13.99	2.78	1.31
85	80.18	7.19	0.29	0.14	2.39	5.72	1.29	1.26
86	91.46	0.21	1.51	3.70	0.44	0.05	0.76	1.36
87	89.24		0.28	0.12	1.80	4.42	0.90	1.21
平均值	52.63	18.08	1.04	0.68	5.73	16.87	2.65	2.02

图10 黏土中的纳缝及其有机质

Fig.10 Nano-fissures and the organic matters in clay

图11 纳孔纳缝中充填了有机质(固体沥青) a—黏土中的纳孔纳缝非常发育,纳缝以F-F缝为主;纳孔以E-E孔为主,均被固体沥青充填,都受到了生排烃撕裂扩张;b—黏土中的纳孔纳缝非常发育,纳缝以F-F缝为主;纳孔以E-E纳孔为主,中间和右上角的几个直径100~300 nm的大纳孔很不规则,受到了生排烃的扩张撕裂;c—图b中蓝框的放大,可以见到大纳缝(宽度20~30 nm,大红色箭头)和小纳缝(10 nm左右,橙色箭头),以及黏土域。黏土域之间有明显的纳缝。

Fig.11 The organic matters (solid bitumen) nano-pores and nano-fissures in the clay

图12 黏土域之间大纳孔纳缝的图像分析

Fig.12 Image analysis of dana-kongna fractures between clay domains

图13 藻类体和镜质体面积收缩率与温度(a)、Ro(b)相关性(据文献[23]修改)

Fig.13 Correlation of the area shrinkage rate of algea and vitrinite with temperature (a) and Ro (b). Modified after [23].

图14 古龙地区青一段页岩不同生烃模拟阶段的场发射扫描电镜微观特征(据文献[23]修改)

Fig.14 Field mission scanning electron microscopic characteristics of shale of Member 1 of Qingshankou Formation in different hydrocarbon generation simulation stages, Gulong area. Modified after [23].

图15 干酪根内的纳孔微孔及其液态烃充填 a—干酪根中心发育了一些的圆形和近圆形纳孔微孔,可能是液态烃的充填形成的。颜色更黑可能是空腔效应形成的;b—干酪根中心发育了大量的圆形和近圆形纳孔微孔,使干酪根呈海绵状,可能是液态烃的充填形成的;c—结构镜质体内发育了少量近圆形的纳孔,可能也是液态烃充注形成的;d—结构镜质体内发育了少量近圆形的纳孔,可能也是液态烃充注形成的。

Fig.15 Nanopore micropores and liquid hydrocarbon filling in kerogen

图16 蠕虫状小纳缝及其中充填的有机质示意图 a—黏土域中的大F-F纳缝,宽度多在20 nm以上;还有很多小纳缝(黄色箭头),宽度多在10 nm以下;b—根据a 提取的宽度小于10 nm小纳缝(黄色箭头)概念示意图,多为封闭小纳缝。

Fig.16 Schematic diagram of wormlike micro-fissures and organic matter filled in them

图17 大量渗出的油珠与收缩纳缝纳孔 a—大量的渗出油珠(由于拱起而具有较亮的背景散射),呈半球形(黄色箭头),主要沿纳孔渗出。中心发育了4条大纳缝,两侧的油珠不发育,可能与大裂缝渗透性较好有关;b—图a中红框的放大,可见油珠(黄色箭头)多呈半球形,有的已经快蒸发完。油珠都是避开纳缝(红色箭头)发育的,表明纳缝的开发性好于纳孔(白色箭头);c—图a的黄色黄框放大。内容基本同图b,可见右侧的大量油珠已经蒸发完毕,而左侧的则保持较好,又可见右侧的纳缝比左侧发育,表明了纳缝的渗透性好于纳孔。

Fig.17 Shows the development of a large number of dewatering dessication pores and dessication fissures

图18 大纳微孔中的充填(固体)沥青 a—自生黄铁矿、自生黏土(绿泥石)及其粒间孔中的(固体)沥青,可见沥青与矿物颗粒之间无缝隙连接,表明是液态充注进去的,现在已转变成固体沥青。注意其中有些孤立的纳孔(蓝色箭头)。在中心有2~3个晶体很好的白云石(橙色虚线)悬浮在沥青中;b—自生黏土(绿泥石)大纳孔和微孔中(固体)沥青(红色箭头),是一种成岩过程中形成的次生纳微孔。蓝色箭头指的是固体沥青内的液态烃充填的孔,颜色偏深可能是空腔效应造成的。

Fig.18 (Solid) bitumen in the large nano and micron pores

图19 古龙页岩油气生烃增压、阻力与有机质Ro相关性(据文献[23]修改)

Fig.19 Correlation between pressurization (a) or resistances (b, c) of shale oil and gas and organic matter Ro in the Gulong area. Modified after [23].

图20 古龙页岩油五级运聚系统示意图(据文献[1]修改)

Fig.20 Schematic diagram of Gulong shale oil five stage migration and accumulation system. Modified after [1].

参考文献 31

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