湘東南拗陷龍?zhí)督M泥頁巖儲(chǔ)層特征

羅小平，李奕霏，吳昌榮，徐國盛，徐 猛，徐云龍

（油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059）

頁巖氣是一種廣分布、低豐度、易發(fā)現(xiàn)、難開采的連續(xù)型非常規(guī)低效天然氣資源，具有典型的自生自儲(chǔ)、原地富集成藏等特點(diǎn)［1］。與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，頁巖氣儲(chǔ)層的巖石成分、粒度、比表面積、生氣能力等有很大的不同。近年來，國內(nèi)的頁巖氣勘探雖取得一定進(jìn)展，但對(duì)泥頁巖儲(chǔ)層的研究較少，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法。在北美地區(qū)，通過對(duì)頁巖儲(chǔ)層的微觀特征研究，特別是對(duì)微米級(jí)、納米級(jí)的微孔隙與微裂縫的研究，在頁巖氣孔隙特征研究方面取得了重大進(jìn)展。這對(duì)中國的頁巖氣孔隙特征研究具有重要借鑒意義。本文借鑒北美對(duì)頁巖儲(chǔ)層的微觀研究方法與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)湘東南地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖的儲(chǔ)層特征進(jìn)行探討。

1 地質(zhì)背景

湘東南拗陷在構(gòu)造上位于華南褶皺系的北部，西北以衡山隆起與湘中拗陷為界，東界為桂東－汝城隆起，南與桂中拗陷毗連，歷經(jīng)了華南揚(yáng)子板塊與華夏板塊之間的贛湘桂大陸邊緣（加里東期）－板內(nèi)拗陷（海西－印支期）－板內(nèi)活化（印支－喜馬拉雅期）的構(gòu)造演化，整體呈NE向展布。分為衡山隆起、九嶷山隆起、桂汝隆起、安仁隆起以及4個(gè)隆起之間的桂耒凹陷5個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。桂耒凹陷又分為常桂復(fù)式向斜、永耒復(fù)式向斜2個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元（圖1）。龍?zhí)督M泥頁巖層系在該區(qū)發(fā)育極好，在馬田－永興－竹葉塘一帶厚度達(dá)到了500多米。泥頁巖在該時(shí)期拗陷中心安仁－永興－桂陽－宜章一線厚度巨大（100～500m）。與2個(gè)次級(jí)凹陷區(qū)對(duì)應(yīng)，泥頁巖的分布細(xì)分為永興－桂陽、攸縣－茶陵－安仁2個(gè)富集區(qū)，南區(qū)最厚達(dá)500m。在拗陷兩側(cè)龍?zhí)督M泥頁巖層厚50～100m。

圖1 湘東南拗陷區(qū)域構(gòu)造圖Fig.1 Structural division of the Southeast Hunan depression

2 儲(chǔ)層巖石物質(zhì)組成特征

2.1 有機(jī)碳含量

頁巖中的有機(jī)碳含量是影響其吸附氣體能力的重要因素，有機(jī)碳含量越高，其吸附能力就越大。原因主要有2方面，一方面是有機(jī)碳含量越高，頁巖的生烴潛力就會(huì)越大，則單位體積頁巖的含氣率就高；另一方面，由于干酪根中發(fā)育大量的微孔隙，且其表面具親油性，對(duì)甲烷等氣態(tài)烴類有較強(qiáng)的吸附能力，同時(shí)甲烷等氣態(tài)烴類在無定形和無結(jié)構(gòu)的基質(zhì)瀝青體中所具有的溶解作用也是不可忽視的貢獻(xiàn)［2］。

美國5大含氣頁巖的有機(jī)碳含量均較高，其中福特沃斯盆地的Barnett頁巖有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wTOC）介于2.0%～7.0%，平均為4.5%，最高含氣量達(dá)到20m3／t。

據(jù)湘東南地區(qū)龍?zhí)督M露頭泥頁巖分析資料，結(jié)果顯示有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般分布在1.02%～16.94%，普遍大于1%，平均達(dá)到3.54%。以此推測(cè)，湘東南龍?zhí)督M泥頁巖吸附氣含量應(yīng)該是較高的（另文詳細(xì)論述）。

2.2 礦物成分

頁巖氣或吸附于有機(jī)質(zhì)、干酪根與黏土礦物表面，或游離于微孔隙以及微裂縫中，而礦物成分的分析是深入研究頁巖儲(chǔ)層的吸附能力以及基質(zhì)孔隙度的基礎(chǔ)［3，4］。頁巖的主要礦物組分包括脆性礦物（其中包括石英、方解石、長石等）和黏土礦物。其中控制裂縫發(fā)育的主要因素是脆性礦物。脆性礦物可以直接影響儲(chǔ)集空間與滲流通道，黏土礦物則可以吸附烴類氣體［5］。在泥頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，優(yōu)質(zhì)泥頁巖需要滿足如下條件：有機(jī)質(zhì)含量高；脆性礦物含量高，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于40%；黏土礦物含量適中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于40%；裂縫發(fā)育，能夠成功實(shí)施大型壓裂［4］。因此，對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層礦物成分進(jìn)行研究在頁巖氣儲(chǔ)層性質(zhì)和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中具有重要的意義。

本文主要是采用DMAX－3CX衍射儀對(duì)湘東南地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖樣品進(jìn)行全巖X射線衍射定量分析，獲得泥頁巖黏土礦物與脆性礦物的相對(duì)含量［6］（表1）。

龍?zhí)督M的泥頁巖樣品黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于40%，范圍在25%～41%，平均為35%；石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在9%～43%，平均為27%；碳酸鹽礦物（主要為方解石、白云石、斜長石）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%～50%，平均為38%。脆性礦物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%～75%，平均為65%。此外，泥頁巖樣品中含有一定量的黃鐵礦，為強(qiáng)還原環(huán)境沉積的泥頁巖，這種沉積條件對(duì)有機(jī)質(zhì)的沉積與保存十分有利（圖2）。

湘東南拗陷龍?zhí)督M泥頁巖的礦物組分與美國福特沃斯盆地的Barnett頁巖進(jìn)行對(duì)比：Barnett頁巖的石英含量明顯高于龍?zhí)督M，碳酸鹽礦物含量低于龍?zhí)督M（圖3）。Barnett頁巖自生石英含量較多，而龍?zhí)督M碳酸鹽礦物較多，可能是受后期成巖作用的因素影響。根據(jù)聶海寬（2011）對(duì)頁巖孔隙的研究發(fā)現(xiàn)，以方解石為主的碳酸鹽礦物較易充填于原生孔隙與裂縫中，因而碳酸鹽礦物的增加可能對(duì)泥頁巖的孔隙產(chǎn)生阻塞作用致使孔隙度降低［7］。同時(shí)也注意到Barnett頁巖與龍?zhí)督M泥頁巖的黏土含量都不是很高，基本都在40%左右?？傮w來看，2套地層都具有高含量的脆性礦物（石英＋碳酸鹽礦物），利于后期的儲(chǔ)層壓裂改造；黏土含量適中，不會(huì)影響到頁巖的含氣量［8－10］。

表1 湘東南拗陷龍?zhí)督M礦物成分X射線衍射分析結(jié)果（w／%）Table 1 XRD results of mineral composition of Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

圖2 湘東南拗陷龍?zhí)督M泥頁巖礦物組分含量對(duì)比圖Fig.2 Comparison of mineral composition in the mud shale of Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

圖3 研究區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖礦物組分與Barnett對(duì)比Fig.3 Comparison between the mineral composition in the mud shale of Barnett and that of Longtan Formation in study area

3 儲(chǔ)集類型與特征

作為頁巖主要儲(chǔ)集類型的孔隙與裂縫，前者是儲(chǔ)集空間控制頁巖儲(chǔ)能，后者是滲流通道，控制頁巖氣的產(chǎn)能。系統(tǒng)分析頁巖儲(chǔ)層孔隙和裂縫的類型與特征，對(duì)于頁巖氣勘探開發(fā)潛力評(píng)估有一定的指導(dǎo)意義。

3.1 孔隙類型及特征

掃描電鏡觀察進(jìn)行分類的方案中，根據(jù)Loucks（2012）的泥頁巖儲(chǔ)層孔隙分類法［11］，從可操作性與油、氣潤濕性及流動(dòng)差異將泥頁巖中的孔隙分為有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙3類。根據(jù)掃描電鏡（SEM）與能譜（ESD）資料及參考Loucks的分類方案，將龍?zhí)督M的孔隙結(jié)構(gòu)分成2類：第一類為礦物質(zhì)孔；第二類為有機(jī)質(zhì)孔。

礦物質(zhì)孔主要包括晶間孔（圖4－A），大小為幾百納米至微米；晶內(nèi)孔（圖4－B）大小為幾百納米至微米級(jí)；粒間孔（圖4－C）為納米級(jí)至微米級(jí)；溶蝕孔（圖4－D）以微米級(jí)為主；印模孔（圖4－E）為納米級(jí)；粒緣孔（圖4－F）以微米級(jí)為主。晶間孔主要為晶體顆粒間的孔隙，較為發(fā)育的礦物有石英、方解石、伊利石、蒙脫石和高嶺石。晶內(nèi)孔多為晶體內(nèi)部形成的孔隙，往往呈散點(diǎn)狀。粒間孔多為顆粒之間形成的孔隙。溶蝕孔主要為碳酸鹽礦物受酸性物質(zhì)的溶蝕而形成的孔隙。印模孔主要指黃鐵礦顆粒等脫落形成的孔隙。粒緣孔主要為礦物顆粒邊緣形成的微小孔隙。

有機(jī)質(zhì)孔隙通常呈不規(guī)則形、氣泡狀或橢圓形，大小為5～750nm（圖4－G，H）。Reed（2007）認(rèn)為有機(jī)質(zhì)孔主要是固體干酪根轉(zhuǎn)化為烴類流體時(shí)在干酪根內(nèi)形成的孔隙［12］。干酪根的生烴作用使有機(jī)質(zhì)本身產(chǎn)生5～200nm的納米級(jí)孔隙。由于有機(jī)質(zhì)主要賦存在顆粒堆砌形成的格架孔中，這些格架孔自身具有一定的連通性，因此這些有機(jī)質(zhì)孔并不是孤立存在而是具有一定連通性；加上有機(jī)質(zhì)本身具有親油性，其表面可以吸附大量的甲烷等氣體，有機(jī)質(zhì)孔成為頁巖中富集天然氣非常重要的一種孔隙［13］。

3.2 裂縫類型及特征

裂縫作為主要的滲流通道，直接決定氣體滲透性，控制頁巖孔隙的連通性。裂縫的發(fā)育有助于增加頁巖層中游離態(tài)天然氣的體積，同時(shí)有助于吸附態(tài)天然氣的解析。因而，裂縫的發(fā)育程度是影響頁巖氣藏品質(zhì)的一個(gè)重要因素。然而，裂縫對(duì)頁巖氣藏的影響具有雙重作用：作為主要的滲流通道，裂縫有助于天然氣和地層水的運(yùn)移和儲(chǔ)集，增加頁巖中總含氣量；如果裂縫規(guī)模過大，則可能會(huì)導(dǎo)致天然氣的散失。本文針對(duì)研究區(qū)考察測(cè)量結(jié)果將裂縫分為3類：大型裂縫、小型裂縫與微裂縫。

圖4 湘東南拗陷龍?zhí)督M泥頁巖掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 Scanning electron microscope photomicrographs of the mud shale in Longtan Formation

大型裂縫（圖5－A）：長度＞1m的裂縫，主要分為順層發(fā)育與垂直層面發(fā)育2種。研究區(qū)廣泛發(fā)育有垂直層面的裂縫，主要為構(gòu)造成因形成。此種裂縫利于各層系間氣體的串通，特別是高碳頁巖與硅質(zhì)頁巖等薄層。這種裂縫是頁巖生氣時(shí)的主要排烴通道，應(yīng)該成為頁巖氣研究的重點(diǎn)。

小型裂縫（圖5－B，C，D）：長度為0.3～1m的裂縫，一般肉眼皆可看到。除常規(guī)構(gòu)造成因外，熱解生烴、伊蒙礦物轉(zhuǎn)化也可產(chǎn)生此種裂縫。

微型裂縫（圖5－E，F(xiàn)）：納米級(jí)與微米級(jí)的裂縫。該種裂縫主要在掃描電鏡下觀測(cè)到，由黏土礦物脫水與烴類熱增壓等非構(gòu)造成因形成的。對(duì)于頁巖這種低滲透性的儲(chǔ)層，微裂縫的發(fā)育對(duì)吸附氣體的滲流至關(guān)重要，它是吸附氣體由解吸到游離的主要通道。

目前學(xué)者普遍認(rèn)為，在力學(xué)背景相同時(shí)，影響頁巖氣藏裂縫發(fā)育的主要因素為有機(jī)碳與石英的含量［14］。北美相關(guān)研究也證實(shí)有機(jī)碳富集的頁巖層位更易出現(xiàn)裂縫，同時(shí)，頁巖厚度越薄越有利于裂縫的發(fā)育。一般來說碳質(zhì)含量高的層段比硅質(zhì)含量高的層段更易出現(xiàn)裂縫，同時(shí)，碳質(zhì)含量高的層段往往是主要的產(chǎn)氣層段。富含石英的頁巖層段由于脆性較強(qiáng)相對(duì)于塑性較強(qiáng)的灰?guī)r段更易發(fā)育裂縫。

4 儲(chǔ)層物性參數(shù)及特征

4.1 儲(chǔ)層物性

通過對(duì)湘東南拗陷龍?zhí)督M所取泥頁巖樣品進(jìn)行孔隙度測(cè)試發(fā)現(xiàn)：孔隙度分布在0.7%～16.7%，其中＜2%的約占15.9%，2%～7%的約占52.4%，7%～10%的約占16.0%，＞10%的約占15.7%（這些樣品孔隙度較大，主要是因?yàn)闃悠啡∽缘乇?，部分樣品風(fēng)化較嚴(yán)重。圖6）。本文并未進(jìn)行滲透率測(cè)試，但根據(jù)前人資料的研究發(fā)現(xiàn)，孔隙度與滲透率之間具有一定的相關(guān)性。一般隨著孔隙度的增加，滲透率隨之增加。同時(shí)裂縫發(fā)育的部分，滲透率會(huì)更好。

圖6 湘東南拗陷龍?zhí)督M孔隙度分布圖Fig.6 Porosity distribution of Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

4.2 儲(chǔ)層孔喉特征

研究區(qū)所取頁巖孔喉半徑主要分布在0.04～0.10μm 之間，約占89.7%；其次為0.10～0.16μm的孔徑，約占2.5%；半徑在0.16～0.25 μm 的約占1.6%，在0.25～0.40μm 的約占1.0%，＞0.40μm的約占5.2%（圖7）。

4.3 儲(chǔ)層物性影響因素

影響孔隙度大小的因素眾多，主要有沉積環(huán)境、演化史、礦物組成、有機(jī)碳含量和成巖作用。本文主要針對(duì)礦物組成對(duì)孔隙度的影響進(jìn)行了探討。如前所述，碳酸鹽礦物、石英和黏土礦物是頁巖的主要礦物組分。根據(jù)聶海寬研究發(fā)現(xiàn)石英含量的多少與孔隙度呈正相關(guān)性，本文對(duì)研究區(qū)的分析結(jié)果與之相符（圖8－A）；黏土含量與孔隙度大小的相關(guān)性并不明顯（圖8－C）；碳酸鹽礦物則與孔隙度大小呈負(fù)相關(guān)性（圖8－B），這主要是因?yàn)樘妓猁}礦物充填孔隙造成的。同時(shí)，石英在整個(gè)頁巖的壓實(shí)過程中抗壓能力較強(qiáng)，并不容易發(fā)生變形，故隨著石英含量的增加孔隙度逐漸增大。

圖7 湘東南拗陷龍?zhí)督M孔徑分布圖Fig.7 Pore throat radius distribution frequency of Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

圖8 湘東南拗陷龍?zhí)督M泥頁巖石英、碳酸鹽、黏土含量與孔隙度的關(guān)系Fig.8 Relationship between the content of quartz，carbonatite，and clay and the porosity of mud shale from Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

5 結(jié)論

通過對(duì)湘東南拗陷龍?zhí)督M泥頁巖野外露頭采樣，采用泥頁巖的有機(jī)碳含量、全巖X射線衍射成分分析、掃描電鏡（SEM）與能譜（ESD）、泥頁巖孔徑分布、巖石孔隙度等分析技術(shù)，研究湘東南地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量及礦物組成、孔隙發(fā)育、孔徑分布及裂縫分布特征，表征泥頁巖儲(chǔ)層發(fā)育特征。研究結(jié)果表明：（1）湘東南地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖的有機(jī)碳含量比較高，因此相應(yīng)的頁巖吸附氣含量也應(yīng)該較高；其礦物成分中含較高的脆性礦物（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%），利于后期壓裂改造；同時(shí)具有適中的黏土含量（平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%），不會(huì)影響到氣體的吸附。（2）該區(qū)孔隙結(jié)構(gòu)分為礦物質(zhì)孔和有機(jī)質(zhì)孔2類，且呈現(xiàn)微米級(jí)、納米級(jí)孔隙發(fā)育，主要包括晶間孔、晶內(nèi)孔、粒間孔、溶蝕孔、粒緣孔、印?？?、有機(jī)質(zhì)孔，其中有機(jī)孔大量發(fā)育；大型裂縫、小型裂縫和微裂縫廣泛發(fā)育。良好的孔縫發(fā)育對(duì)頁巖氣的儲(chǔ)集有重要的意義。（3）孔隙度分布在0.7%～16.7%之間，孔喉半徑分布在0.04～0.10μm范圍內(nèi)。礦物組分中，較高的石英含量對(duì)孔隙發(fā)育具有建設(shè)性意義。（4）與美國福特沃斯盆地的Barnett頁巖有機(jī)碳含量、礦物成分、孔隙裂縫類型和特征、孔隙度和孔喉半徑進(jìn)行比對(duì)表明，研究區(qū)具備良好的儲(chǔ)集條件，可作為有效儲(chǔ)層。

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