渝東南地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層特征與主控因素

孫夢迪，于炳松，李 娟，曹曉萌，夏 威

(地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室 中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

引 言

頁巖氣是產(chǎn)自低孔、低滲、暗色富有機質(zhì)頁巖層系中，以吸附或游離態(tài)為主要賦存方式聚集的天然氣。頁巖氣藏是以富有機質(zhì)頁巖為烴源巖、儲層或蓋層，在頁巖地層中不間斷供氣、連續(xù)聚集而形成的一種非常規(guī)天然氣藏[1－2]。美國Texas州Fort Worth盆地的Barnett頁巖是典型的頁巖氣成功開采的例子[3]，類比Barnett頁巖，四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組一般厚度為65～516 m，其有機質(zhì)豐度高、演化程度高、生烴量大，是一套頁巖氣藏形成的最有利層位[4]。

1 區(qū)域背景

根據(jù)美國和加拿大對頁巖氣勘探開發(fā)基本認識及成藏特點，并結(jié)合四川盆地地質(zhì)特點，國土資源部油氣資源研究中心選定渝東南下志留統(tǒng)龍馬溪組為頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查先導(dǎo)試驗區(qū)[5]。研究區(qū)位于重慶地區(qū)的東南部和四川盆地的東部，南與黔北交接，東與湘西為鄰(圖1)。該地區(qū)屬于上揚子前陸盆地，位于川中隆起與黔中隆起之間，是上揚子板塊的重要組成部分[6]。

圖1 渝東南地區(qū)區(qū)域位置及采樣點分布

2 樣品采集與測試方法

本次研究主要以下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖為對象，共采集頁巖樣品117塊，綜合巖性特征及剖面分布情況，最終選取了50塊樣品進行了黏土礦物及全巖X衍射分析，30塊樣品進行了比表面和孔徑分析，24塊樣品進行了等溫吸附測試(表1)。

3 測試結(jié)果

3.1 巖石礦物學(xué)特征

渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖礦物成分主要為碎屑礦物和黏土礦物，還有少量的碳酸鹽巖和黃鐵礦。其中碎屑礦物含量為16% ～71%，平均為47.4%，成分主要為石英和少量的長石，石英的含量為10% ～62%，平均為38.6%;黏土礦物含量為27% ～62%，平均為45%，主要為伊利石和伊蒙混層礦物，但伊蒙混層礦物的間層比很低，幾乎都是伊利石，因此黏土礦物中伊利石含量為73% ～98%，平均為85.9%，其余的黏土礦物為綠泥石，含量為2% ～27%，平均為16%。

表1 測試實驗明細

3.2 巖石物性特征

對渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖樣品分析結(jié)果表明:樣品孔隙度為0.77% ～8.30%，平均為3.7%，孔隙度非常低;滲透率為0.0024×10－3～0.2734 ×10－3μm2，平均為 0.0294 ×10－3μm2，滲透率也極低。

3.3 有機質(zhì)豐度特征

渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的TOC含量為0.02% ～5.56%，平均為1.18%，變化較大。

3.4 孔隙特征

根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)的孔隙分類[7]，將孔隙直徑小于2 nm的稱為微孔隙，2～50 nm的為中孔隙，大于50 nm的為宏孔隙。

渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的微孔體積為0.0001～0.0018 mL/g，平均為0.00097 mL/g;中孔體積為0.0004～0.0204 mL/g，平均為0.0092 mL/g;宏孔體積為0.0000～0.0059 mL/g，平均為0.0028 mL/g;總孔體積為0.0005 ～0.023 mL/g，平均為 0.013 mL/g。BET比表面積為 1.596～19.200 m2/g，平均為11.27 m2/g，變化范圍較大;平均孔隙直徑為0.8～7.4 nm，平均為4.6 nm。

3.5 等溫吸附特征

渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖樣品飽和吸附量為1.5～3.6 m3/t，平均為2.22 m3/t;Langmuir壓力常數(shù)為0.21～2.57 MPa，平均為1.40 MPa。

4 頁巖儲集物性主控因素

4.1 有機碳含量與孔隙體積的關(guān)系

Dubinin認為頁巖中的微孔隙含量與TOC含量呈正相關(guān)，相對周圍巖石組分相似的大孔隙而言，小于2 nm的微孔隙擁有更大的內(nèi)表面積和更強的甲烷吸附能力，是多孔介質(zhì)的一個至關(guān)重要的組成部分。對Fort Worth盆地Barnett頁巖的研究表明，大多數(shù)納米級的有機質(zhì)孔隙形成是有機質(zhì)(即干酪根)轉(zhuǎn)化和熱成熟的結(jié)果，在低成熟樣品的有機質(zhì)顆粒中缺乏納米級孔隙，在較成熟樣品中納米級孔隙較富集[8]。

如圖2所示，TOC與孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，微孔、中孔和宏孔均與TOC呈良好的正相關(guān)性，在一定程度上說明TOC控制顯微孔隙的發(fā)育。

曾秋楠和于炳松[9]對鄂爾多斯盆地東南延長組低成熟度頁巖(Ro小于1.0%)研究發(fā)現(xiàn)，TOC含量與孔隙體積之間沒有明顯關(guān)系。龍馬溪組高—過成熟度頁巖(Ro大于1.0%)[10]的 TOC含量與孔隙體積的正相關(guān)性恰恰是由于生烴過程中有機質(zhì)(即干酪根)轉(zhuǎn)化和熱成熟的結(jié)果。

圖2 頁巖中不同孔隙與TOC含量之間的關(guān)系

4.2 礦物組分與孔隙體積的關(guān)系

研究表明，在有機質(zhì)貧乏、鋁硅酸鹽富集的Fort Simpson組頁巖中顯微孔隙與有機成分的關(guān)系不大，其顯微孔隙結(jié)構(gòu)主要受黏土礦物成分的影響[11]。因此，在一定的TOC范圍內(nèi)，不同礦物成分對于不同孔隙類型的影響程度不同。

如圖3所示，在一定的TOC下，隨著碎屑礦物含量的增加，頁巖的微孔體積和中孔體積均有一定程度的下降，宏孔體積有一定程度的增加，特別是在TOC小于1.0%時，關(guān)系較為明顯。當TOC大于1.0%，孔隙體積主要受TOC的控制。

圖3 碎屑礦物與各孔隙體積之間的關(guān)系

如圖4所示，在一定程度的TOC下，尤其是在TOC小于1.0%時，隨著黏土礦物含量的增加，微孔體積和中孔體積在一定程度上增加，宏孔體積關(guān)系不明顯。

當TOC含量大于1.0%時，孔隙體積主要受TOC含量的控制。

圖4 黏土礦物與各孔隙體積之間的關(guān)系

5 頁巖吸附性能的主控因素

5.1 吸附能力與TOC的關(guān)系

隨著有機碳含量的增加，飽和吸附量也隨之增大，二者呈良好的正相關(guān)關(guān)系，這與前人的研究相一致。究其原因主要有2方面一方面是有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育的納米級孔隙，使其對流體產(chǎn)生了強大的黏滯力和分子作用力，增強了對油氣的吸附能力;另一方面是有機碳表面的親油性會對氣態(tài)烴有較強的吸附能力，無定形和無結(jié)構(gòu)的基質(zhì)瀝青體也對氣態(tài)烴有一定的溶解作用[12]。

5.2 吸附能力與礦物成分的關(guān)系

在TOC相對較低的情況下，隨著碎屑礦物的增加，飽和吸附量出現(xiàn)了一定程度的下降，但在黏土礦物中由于數(shù)據(jù)過少現(xiàn)象不明顯。隨著TOC含量的增加，頁巖的吸附能力逐漸由TOC所控制，礦物組成的影響力逐漸減小。如當TOC在3.0%左右時，盡管碎屑礦物含量差別很大，但其飽和吸附量卻很接近，說明TOC在控制吸附量中起到了主導(dǎo)作用。

6 結(jié)論

(1)渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖孔隙度為0.77% ～8.30%，平均為3.7%;滲透率為 0.0024 ×10－3～0.2734 ×10－3μm2，平均為0.0294×10－3μm2，具有低孔致密的儲層特征。頁巖的TOC為0.02% ～5.56%，平均為1.18%，變化較大。其中碎屑礦物含量為16% ～71%，平均為47.4%，成分主要為石英和少量的長石，黏土礦物含量為27% ～62%，平均為45%。

(2)孔隙體積受到多重因素控制，TOC與微孔體積、中孔體積和宏孔體積均呈正相關(guān)。當TOC大于1.0%時，TOC是孔隙體積的主控因素。當在相對較低的TOC，特別是在TOC小于1.0%時，碎屑礦物含量與頁巖的微孔體積和中孔體積均呈負相關(guān)，與宏孔體積呈一定程度的正相關(guān);黏土礦物則相反，與微孔體積和中孔體積呈一定程度的正相關(guān)，與宏孔體積關(guān)系不明顯。

(3)飽和吸附量與TOC二者呈良好的正相關(guān)關(guān)系。一方面是有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育的納米級孔隙，使其對流體產(chǎn)生了強大的黏滯力和分子作用力，增強了對油氣的吸附能力;另一方面是有機碳表面的親油性會對氣態(tài)烴有較強的吸附能力，無定形和無結(jié)構(gòu)的基質(zhì)瀝青體也對氣態(tài)烴有一定的溶解作用。

(4)TOC在控制吸附量中起到了很大的作用，礦物成分只能在一定程度上影響飽和吸附量，在TOC相對較低的情況下，隨著碎屑礦物的增加，飽和吸附量出現(xiàn)了一定程度的下降。

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