全球含油气细粒沉积岩研究进展

肖路安

（兰州大学地质科学与矿产资源学院，甘肃 兰州 730000）

非常规油气是指用传统技术无法获得自然工业产量、需用新技术改善储层渗透率或流体粘度等能经济开采、连续或准连续型聚集的油气资源。2016年7月，贵州遵义安页1井获得重大突破，发现中国首个高产海相致密天然气藏，中国进入了常规与非常规油气并重的勘探开发新时代，地质开发理论进入了非常规油气创新的“黄金期”[1]。随着非常规油气勘探开发的不断深入，出现了现有适用于常规油气开发的理论与非常规油气开发不相适应的矛盾，非常规油气开发亟需新的理论发展支撑。非常规油气的烃源岩和储集层主要是细粒沉积岩，细粒沉积岩分布广泛，约占沉积岩的2/3，但由于粒度小、观察难度大以及受超微观实验条件的限制，细粒沉积学的研究程度低，研究难度较大，也是目前国内外研究前沿。本文将从细粒沉积岩的研究进展、概念、分类、孔隙结构定量表征、评价等方面进行阐述。

1 细粒沉积岩的研究进展

在充分吸收和借鉴前人对细粒沉积岩研究经验的基础上，国内外学者对陆相与海相盆地细粒沉积岩进行了大量的研究工作，在岩性—岩相、沉积分类、成岩过程、沉积体系和储集层特征等方面取得了一系列成果认识。姜在兴[2]理清了细粒沉积岩相关概念及术语，建立了系统、科学的细粒沉积岩分类方案，明确硅质与碳酸盐等细粒物质沉积、成岩动力学过程，以东营凹陷为例建立了针对深水细粒沉积岩的沉积模式，用气候、相对湖平面及物源3种成分的组合变化来指代层序主控因素，进而为深水细粒沉积层序地层分析提供了解决方案。孙龙德[3]通过对鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段、松辽盆地白垩系青山口组等不同类型盆地黑色页岩岩相、岩石组成及其微观特征的研究，建立了3类湖相富有机质页岩的成因模式。Chalmers[4]研究了细粒沉积岩在随埋深增加进入到晚成岩阶段和初始变质阶段（近变质和浅变质）时，孔隙度有减小的趋势。孔隙度减小到2%时，岩石经历了浅变质过程，认为是无经济价值的气储层；页岩成熟度在石油窗时，孔隙度的减少是由于大孔的减少，随成熟度增加（干气阶段）孔隙度继续减少，在低级变质岩中孔隙度的减少是由于中孔的减少；从大孔减少到中孔减少的孔隙大小分布变化反映了在成熟度低的岩石中以孔隙机械破坏为主，在成熟度高的岩石中以白云母和伊利石的生长及自生重结晶的化学过程为主；中孔的减少对基质渗透率的影响很大，天然和诱导裂缝在完井中日益重要。

2 细粒沉积岩的概念及分类

细粒沉积岩是由细粒物质所组成的岩石。细粒物质是指颗粒粒级小于0.0625mm的组分，主要包括碳酸盐、粘土矿物、有机质、生物碎屑、石英等[2]。对于细粒沉积岩的分类，目前没有比较公认统一的分类方案。一般原则是从矿物成分因素和适用因素来考虑的，但由于细粒沉积岩的研究与油田的非常规油气实际生产开采关系紧密，另一类细粒沉积岩的分类方案则偏向于更具有实际生产的工业用途意义，如郝运轻[5]根据工业用途将泥岩页岩分为室内和录井两大类（图1）。鄢继华[6]认为细粒沉积岩成分复杂、粒径较细且非均质性较强，在粗碎屑岩研究中常用的薄片鉴定法统计矿物含量已不适用，应将X射线衍射（XRD）分析的矿物含量作为岩石分类的重要依据，采用“三端元、四组分”分类方案（图2），将细粒沉积岩划分为细粒长英沉积岩类、碳酸盐岩类、粘土岩类与细粒混合沉积岩类4类12种岩石类型。Milliken[7]基于对传统的以沉积结构、颗粒大小及成分为标准的细粒沉积岩分类的改进，提出根据颗粒来源和成分，以细粒沉积岩的主要组分陆源—粘土、碳酸盐—粘土和硅质—粘土为三端元，陆源—粘土的盆外来源超过75%、碳酸盐—粘土的盆外碎屑来源少于75%，生物成因的盆内碳酸盐颗粒占优势、硅质—粘土的盆外碎屑来源少于75%且生物硅质成因颗粒比碳酸盐颗粒占优势为界分为3大类。

图1 泥岩—灰岩系列综合分类命名方案[5]

图2 沧东凹陷细粒沉积岩岩石类型分类表[6]

3 细粒沉积岩定量表征

对细粒沉积岩进行定量研究才能更好地揭示细粒沉积岩生烃排烃性质规律，创新非常规油气储层地学理论。张琴[8]对页岩的孔隙结构进行了研究，对细粒沉积岩孔径进行了定量的表征（图3）。Pan[9]利用偏最小二乘法处理合成混合物和自然泥岩的热发射光谱，来评价其对于恢复压实细粒沉积岩的矿物丰度的适用性，并对细粒沉积岩中的矿物丰度进行定量评价，表明砂和压实的细粒沉积物的热发射光谱具有显著差异，能够区分出二者。偏最小二乘法的主要优势是提高的细粒度压实混合物的准确性，在训练数据集内允许有无数的样品，而且能够再没有分开单成分颗粒的完整信息情况下恢复矿物丰度，能够准确在热发射光谱数据集中从非常细的岩石中恢复±10%丰度。

图3 沾化凹陷页岩储集空间类型及分类标准[8]

4 细粒沉积岩的综合评价与研究方法

非常规油气评价重点是烃源岩特性、岩性、物性、脆性、含油气性与应力各向异性“六特性”及匹配关系。非常规油气富集“甜点区”有8项评价标准，其中3项关键指标是TOC大于2%、孔隙度较高（致密油气大于10%，页岩油气大于3%）和微裂缝发育。非常规油气具有两个关键参数：一是孔隙度小于10%，二是孔喉直径小于1μm或空气渗透率小于1mD；而常规油气孔隙度范围多处于10%～30%，渗透率多大于1mD[4]。矿物元素分析技术能精细识别泥页岩的矿物含量和沉积组构，成像测井技术可以有效识别泥页岩的孔隙特征。Bourg[10]认为细粒沉积岩中粘土矿物质量分数具有很重要的意义，通过实验投图（图4），他将细粒沉积岩中泥质含量（层状硅酸盐）占全岩1/3为阀值；不同泥质含量的细粒沉积岩，其抗压强度、孔隙度和渗透率等性质都会发生变化，这与现在大部分存在的模型（认为孔隙度和渗透率不随粘土矿物质量分数变化）是相反的；抗压强度和其他材料性质在粘土矿物质量分数1/3处的转变是很好很明显的矿物学划分标志，能够划分可供油气开采的细粒沉积岩和可用于CCS（碳捕获与储存）及核废料存储的细粒沉积岩。Pan[11]报道了一种测量岩石各向异性渗透率的新方法，使用立方体样品和3D打印胶套，通过旋转立方体样品测试岩石三轴方向的渗透率(图5)。

图4 致密页岩和脆性页岩的实验结果及概念模型[10]

图5 渗透率测量的三轴装置示意图[11]

5 结论

目前而言，细粒沉积岩沉积模式的研究较多，但都还处于定性或半定量阶段，对于定量化的研究还较少；对于细粒沉积岩的微观孔隙结构的定量研究应是未来的一个研究重点。细粒沉积岩由于粒度小，孔隙为纳米—微米级，研究起来难度较大，未来需要新技术的革新，优化研究手段。

细粒沉积岩既是非常规油气的烃源岩也是储层，非常规油气得以开发主要是由于水平井技术和水力压裂的发现，因而需要一种定量的脆性指数来表征岩石的脆性大小及预测压裂改造效果。

细粒沉积岩中岩性岩相、物性、孔隙结构、储集性能和生烃能力等的非均质性研究也需要进一步加强。细粒沉积岩的埋藏演化模型需要进一步精细刻画，且未来工作需进一步研究有机质演化、刚性颗粒、成岩作用类型与强度对细粒沉积岩微观孔隙结构及其非均质性的控制机理。