泌阳凹陷为南襄盆地的一个次级构造单元, 位于其东北角(图 1)。古近纪核桃园组沉积时期, 泌阳凹陷发育了一套富含有机质的湖相页岩。前人研究认为, 泌阳凹陷核桃园组页岩具有分布范围广、单层厚度大、有机碳含量较高、有机质类型好、热演化程度适中、储集空间发育、储集性能较好、脆性矿物含量高、可压性好、含油特征明显等特征, 具备较好的陆相页岩油形成条件(陈祥等, 2011a, 2011b)。自2010年以来, 泌阳凹陷部署的1口页岩油兼探井(直井)与2口页岩油水平井(长水平段+多级分段压裂水平井)通过实施页岩油勘探, 获得最高日产23.6~28.1 m³工业油流, 率先取得中国陆相页岩油勘探重大突破(吕明久等, 2012)。但是, 这几口井仍存在页岩油高产期较短与稳定产油量较低的问题, 制约了下一步页岩油地质评价和勘探开发的深入开展。由于页岩储集层特征是页岩油地质评价的基础, 也是影响页岩油产能高低的关键因素, 因此需要对该页岩的储集层特征进行深入的研究。

图1

Fig.1

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	图1 南襄盆地泌阳凹陷构造单元Fig.1 Tectonic units of Biyang sag, Nanxiang Basin

目前, 国外主要对海相页岩储集层特征进行了较多研究(Robison, 1997; Smith and Bustin, 1998; Scott et al., 2005; Daniel et al., 2007; Martineau, 2007; Slatt et al., 2012), 国内主要对渤海湾盆地、四川盆地以及鄂尔多斯盆地的陆相页岩储集层特征进行了研究(邓美寅和梁超, 2012; 毛俊莉等, 2012; 周德华等, 2013a, 2013b; 张烨毓等, 2013), 但对南襄盆地泌阳凹陷陆相页岩油储集层特征的研究尚未涉及。本次研究主要以南襄盆地泌阳凹陷2口系统取心井(泌页HF1井、程2井)的实验分析资料为基础, 运用岩石薄片、荧光薄片、氩离子抛光扫描电镜及气体等温吸附实验等手段, 研究泌阳凹陷湖相页岩岩相类型及储集特征, 以便为下一步泌阳凹陷页岩油甜点区评价及井位部署提供依据, 同时希望能够为中国东部断陷湖盆页岩油地质研究及勘探开发提供一定的借鉴作用。

泌阳凹陷位于南襄盆地东部, 为中新生界陆相断控凹陷, 受东部与南部2条边界大断裂双断控制, 由北向南依次划分为北部斜坡带、中部深凹区、南部陡坡带3个次级构造单元。沉积盖层自上而下依次为第四系平原组、新近系凤凰镇组、古近系廖庄组— 核桃园组— 大仓房组— 玉皇顶组及白垩系, 基底为元古界。古近系核桃园组为主力生油层和储集层, 是研究区主要勘探目的层。由下至上, 核桃园组可进一步分为核桃园组三段、二段和一段, 其中核桃园组三段可细分为Ⅰ — Ⅷ 共8个砂组。

泌阳凹陷湖相页岩平面上主要分布在深凹区, 纵向上主要发育在古近系核桃园组核二段— 核三段(图 2), 累计厚度200~600 m, 分布面积近400 km², 埋深1700~4500 m, 页岩厚度由北西往南东增厚, 厚度中心位于深凹区东南部安棚一带。从下至上主要发育6套富有机质页岩段(一般指泥页岩层段总厚度不小于30 m, 砂层夹层、云岩夹层单层厚度不大于3 m, 泥地比大于60%, 其中有机碳含量大于2%的泥页岩比例较高)。富含有机质页岩段单层厚度30~77 m, 分布面积80~120 km²(图3), 埋深1700~3400 m, 主要集中在核三段层序Ⅱ 和层序Ⅲ 最大湖泛面附近(图4)。富有机质页岩段通常由深灰色泥岩、黑色页岩组成, 赋存的生物化石种类多、数量丰富, 具有较高的有机碳含量, 是页岩油有利的生油和聚集层段(王敏等, 2013)。

图2

Fig.2

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	图2 南襄盆地泌阳凹陷古近系核桃园组二— 三段地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Members 2 and 3 of Paleogene Hetaoyuan Formation in Biyang sag, Nanxiang Basin

图3

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	图3 南襄盆地泌阳凹陷古近系核桃园组第5套富有机质页岩段厚度等值线图Fig.3 Thickness isoline map of the Fifth organic rich shale of the Paleogene Hetaoyuan Formation in Biyang sag, Nanxiang Basin

图4

Fig.4

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	图4 南襄盆地泌阳凹陷古近系核桃园组富有机质页岩段东西向对比剖面Fig.4 Correlation profile of organic rich shale of the Paleogene Hetaoyuan Formation from east to west in Biyang sag, Nanxiang Basin

泌阳凹陷核桃园组是湖盆演化最活跃时期的沉积。由于该时期湖泊沉积环境不断地发生改变, 导致泌阳凹陷核桃园组湖相页岩非均质性强、岩相变化复杂。该时期研究区页岩的矿物组成具有“ 三分性” , 黏土矿物、陆源碎屑矿物和碳酸盐矿物各占30%~40%, 均没有超过50%, 故按照传统岩石学定名方法很难定名。文中根据页岩层理发育程度、矿物类型、矿物含量、结构构造等特点, 将泌阳凹陷核桃园组湖相页岩划分为2大类共5种类型。首先, 根据层理发育程度将研究区页岩划分为块状泥岩类和纹层状页岩类; 其次, 根据纹层状页岩中的矿物含量进行进一步划分:若黏土矿物含量大于40%, 为纹层状黏土质页岩; 若陆源碎屑含量大于40%, 为粉砂质页岩; 若碳酸盐岩含量大于30%, 为纹层状灰质页岩(方解石含量大于15%)及纹层状云质页岩(白云石含量大于15%)。各种岩石具体特征如下:

1)块状泥岩。呈深灰色— 灰黑色, 黏土含量平均为42.58%, 水平层理不发育; 陆源碎屑石英、长石含量平均为39.42%; 碳酸盐矿物方解石、白云石含量最少, 平均为11.32%。该岩相主要沉积于湖水水体无分层、具有一定动荡且沉积速率较快的环境中。块状泥岩成分均匀混杂, 黏土颗粒无明显定向性, 介壳、炭屑的定向性差, 含有一定量的粉砂(图 5-A)。

图5

Fig.5

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	图5 南襄盆地泌阳凹陷泌页HF1井古近系核桃园组湖相页岩特征Fig.5 Characteristics of lacustrine shale of the Paleogene Hetaoyuan Formation in Well Biye HF1 of Biyang sag, Nanxiang Basin

2)纹层状粉砂质页岩。主要呈灰色、深灰色, 水平层理发育, 黏土矿物含量平均为38.44%, 定向性强; 石英、长石含量平均为43.53%; 方解石、白云石含量较少, 平均为14.79%。纹层由有机质浸染的泥质与粉砂质含量不等形成, 在暗色黏土矿物层中可见黄铁矿、菱铁矿和铁白云石等矿物, 粉砂质呈透镜状、条带状展布(图 5-B)。

3)纹层状黏土质页岩。呈灰色、深灰色, 水平层理发育; 黏土矿物含量平均为42.7%; 石英、长石含量平均为39.52%; 方解石、白云石含量较少, 平均为14.34%。纹层由黏土质、粉砂质含量不等而形成; 陆源碎屑颗粒分布不均匀; 黏土具弱定向性排列, 因富含有机质呈黑色。在暗色泥岩的顶部发育粉砂沉积, 代表着水体相对变浅、水动力增强、不同程度地受到了物源进积的影响(图 5-C)。

4)纹层状灰质页岩。呈深灰色— 灰黑色, 发育深浅、细密相间的水平纹层或波状纹层, 层面上常见黄铁矿、生屑等, 可见水平延伸的层间缝, 并伴生被方解石充填的不规则状张裂缝。黏土矿物含量较少, 平均为25.62%; 石英、长石含量平均为34.89%; 方解石、白云石含量平均为35.37%, 以方解石为主; 含有少量黄铁矿、菱铁矿。镜下观察浅色纹层为灰质纹层, 暗色纹层为富含有机质的黏土矿物纹层, 浅色纹层厚度稍大于暗色纹层。浅色纹层中方解石呈重结晶状态, 一种呈针状或柱状似文石晶体, 垂直纹层生长; 另一种则是以方解石粒状晶体顺层排列。部分重结晶晶粒排列疏松, 晶间次生孔隙发育(图 5-D), 部分方解石脉被黄铁矿交代(图 5-E)。

5)纹层状云质页岩。呈灰色, 黏土矿物含量较少, 平均为23.94%; 石英、长石含量平均为35.34%; 方解石、白云石含量平均为36.23%, 以白云石为主; 发育水平层理; 纹层由泥晶白云石与隐晶黏土矿物、方解石交互形成; 泥晶白云石纹层状或条带状分布, 陆源碎屑颗粒零星分布或纹层状富集(图 5-F)。

受物源、沉积环境影响, 不同岩相矿物组成差异明显。块状泥岩、纹层状黏土质页岩、纹层状粉砂质页岩发育于湖泊边缘, 陆源碎屑石英、长石含量相对较高, 平均为39.42%~43.53%; 纹层状灰质页岩、纹层状云质页岩发育于湖泊中心, 石英、长石含量相对较低, 平均为34.89%~35.34%。纹层状黏土质页岩、块状泥岩、纹层状粉砂质页岩中黏土矿物含量较高, 平均38.44%~42.7%, 而纹层状灰质页岩、纹层状云质页岩因自生方解石、白云石含量增高(平均为35.37%~36.23%), 而黏土矿物含量降低至23.94%~25.62%。总体上, 5种岩类中石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等脆性矿物总量为58.94%~83.72%, 具备较好的可压性(陈祥等, 2011c)。

平面上, 泌阳凹陷中部凹陷构造带深凹区为湖泊中心, 分布纹层状灰质页岩、云质页岩, 向湖泊边缘依次为纹层状黏土质页岩→ 块状泥岩→ 纹层状粉砂质页岩→ 泥质粉砂岩。该深凹区东北及西南方向分别受到辫状河三角洲及扇三角洲砂体进积影响, 主要发育泥质粉砂岩及纹层状粉砂质页岩(图 6)。

图6

Fig.6

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	图6 南襄盆地泌阳凹陷古近系核桃园组湖相页岩分布Fig.6 Lacustrine shale distribution of the Paleogene Hetaoyuan Formation in Biyang sag, Nanxiang Basin

1)泌阳凹陷核桃园组湖相页岩岩性变化复杂, 矿物组成具有“ 三分性” , 可划分为5种岩石, 总体上表现为湖盆中心发育纹层状灰质页岩、纹层状云质页岩, 往湖盆边缘依次发育纹层状黏土质页岩→ 块状泥岩→ 纹层状粉砂质页岩→ 泥质粉砂岩。

2)泌阳凹陷核桃园组湖相页岩主要发育溶蚀孔隙、晶间孔隙、粒间孔隙、有机质孔隙、构造缝、层间缝及微裂缝等储集空间类型。岩石类型控制了页岩储集空间发育程度及页岩油富集程度, 其中纹层状灰质页岩储集空间最为发育, 荧光显示最为明显, 为页岩油富集最为有利的岩石类型; 其次为纹层状粉砂质页岩、纹层状黏土质页岩; 纹层状云质页岩和块状泥岩储集空间发育最差。

3)页岩中的孔喉直径大多在1 μ m以下, 为典型纳米级孔喉系统; 页岩储集层孔隙体积以中孔体积为主, 且具有无规则性和开放性特征; 孔径范围为0.841~213.34 nm, 平均为4.76 nm; 2~3 nm和71 nm左右的纳米级孔隙为页岩储集层的主要储集空间。