川南筇竹寺組頁巖儲集空間類型及發(fā)育影響因素

董曉霞, 熊　亮

(中石化西南油氣分公司　勘探開發(fā)研究院，成都　610041)

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川南筇竹寺組頁巖儲集空間類型及發(fā)育影響因素

董曉霞, 熊亮

(中石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，成都610041)

摘要：川南地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組是我國南方下古生界海相頁巖氣重要目的層系，由于時代較老、演化程度較高、埋深較大，勘探程度及成效均不及龍馬溪組，對其儲層特征的研究遠不夠深入，隨著近期在井研-犍為地區(qū)取得重大突破，展示了筇竹寺組良好的勘探前景。為探明筇竹寺組頁巖主要儲集空間類型及對頁巖氣儲集的不同貢獻，以鉆井資料為基礎，依據(jù)多種分析測試方法，對川南地區(qū)筇竹寺組海相頁巖孔隙類型與分布、孔隙定量表征進行研究，并探討了頁巖中微觀儲集空間的成因及發(fā)育影響因素。結果表明，川南下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖微觀儲集空間分為有機孔、無機孔和微裂縫3大類，主體以粘土礦物層間無機孔為主，富有機質(zhì)頁巖段有機孔發(fā)育比例明顯增高，孔隙類型與分布特征的差異主要受TOC、Ro和成巖作用的控制。

關鍵詞：微觀儲集空間； 有機質(zhì)孔隙； 頁巖氣； 筇竹寺組； 川南地區(qū)

0引言

川南地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組(也稱牛蹄塘組、九老洞組、水井沱組、郭家壩組)是我國南方海相頁巖氣勘探重要目的層系之一。前人通過開展頁巖氣資源調(diào)查與選區(qū)評價，對于該層系在頁巖氣基本形成條件等方面開展了一些研究，并取得了一定的成果認識：川南地區(qū)筇竹寺組暗色頁巖主要形成于中—深水陸棚微相，縱向上發(fā)育兩套富有機質(zhì)頁巖(TOC>1%)，厚度為20 m～200 m，自貢—宜賓地區(qū)是重要生烴凹陷中心區(qū)，TOC為 1%～5%，Ro普遍大于3%，有機質(zhì)熱演化程度偏高，含氣量在1.02 m3/t～4.69 m3/t之間，頁巖基質(zhì)孔隙和裂縫發(fā)育，資源潛力大[1-7]。由于勘探程度低、鉆井及取心較少，實驗分析資料欠缺，針對筇竹寺組頁巖氣儲層相關方面的研究，不管是深度還是精細程度都遠不及上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組。

這里以川南井研—犍為地區(qū)筇竹寺組實鉆資料為基礎，對頁巖主要儲集空間類型、分布及發(fā)育影響因素進行研究和探討，以探明不同成因類型孔隙對頁巖氣儲集的作用，為儲層評價提供依據(jù)。

1頁巖儲集空間類型及特征

基于川南地區(qū)JY1井巖石薄片觀察、氬離子拋光掃描電鏡觀察，結合X衍射全巖分析、X衍射粘土礦物分析、脈沖孔滲及比表面積孔徑分布測定結果，參考前人對頁巖孔隙類型的分類及對筇竹寺組儲層的研究[8-13]，認為川南筇竹寺組頁巖儲集空間可歸納為有機質(zhì)孔隙、無機質(zhì)孔隙和微裂縫三大類(表1)。

表1川南筇竹寺組頁巖微觀儲集空間類型評價(據(jù)蒲泊伶修改，2014)

Tab.1Evaluation of microscopic space types of Qiongzhusi shale in southern Sichuan basin(modified from Po Boling,2014)

孔隙類型特征描述影響因素孔隙規(guī)模及孔徑對儲層貢獻有機質(zhì)孔有機質(zhì)因熱解和熱裂解發(fā)生大量生排烴而形成的微孔,呈蜂窩狀、線狀、串珠狀及復雜網(wǎng)狀有機質(zhì)含量、熱演化程度50nm～400nm發(fā)育普遍無機質(zhì)孔粘土礦物層間孔片狀粘土礦物堆積中發(fā)育,呈狹縫形孔或楔形孔沉積作用、成巖演化作用50nm～700nm發(fā)育普遍脆性礦物粒間孔沉積時顆粒支撐,多為不規(guī)則狀、串珠狀或分散狀沉積作用、成巖演化作用0.2μm～1.7μm發(fā)育較少,連通性差粒內(nèi)溶蝕孔礦物易溶部分溶蝕形成,多呈孤立港灣狀、蜂窩狀或分散狀隨有機酸的產(chǎn)生而增多0.4μm～2.8μm發(fā)育較多,連通性差黃鐵礦晶間孔黃鐵礦晶間微孔,多呈分散狀分布與黃鐵礦的沉積有關100nm～800nm發(fā)育較少,連通性差微裂縫構造微縫構造應力造成的巖石破裂,走向與構造應力方向有關構造作用0.4μm～2μm發(fā)育較多、連通性好溶蝕縫流體沿微裂縫流動過程中,兩側圍巖中易溶組分溶蝕后形成,多為港灣狀溶蝕作用0.2μm～0.5μm發(fā)育較少、連通性好成巖收縮縫成巖過程中脫水、干裂或重結晶隨埋深和成巖演化作用發(fā)而增多0μm～0.2μm發(fā)育較少、連通性差

1.1有機質(zhì)孔隙

有機質(zhì)孔隙發(fā)育普遍，是筇竹寺組頁巖儲層極為重要的儲集空間。大多以分散狀分布在礦物顆粒中，如黃鐵礦晶間(圖1(a)、圖(b))、粘土礦物層間(圖1(c))，呈蜂窩狀、線狀、串珠狀及復雜網(wǎng)狀等，孔徑大體分布在50 nm～400 nm。

圖1　川南地區(qū)筇竹寺組頁巖微觀孔隙類型Fig．1　Microscopic pore types of Qiongzhusi shale in southern Sichuan basin(a)JY1井,3 291.1 m,黃鐵礦晶間充填有機質(zhì)內(nèi)孔隙；(b)JY1井,3 291.1 m,黃鐵礦晶間孔、有機質(zhì)孔；(c)JY1井,3 300.3 m,粘土礦物層間孔、有機質(zhì)微孔；(d)JY1井, 3 306.9 m,粘土礦物層間孔；(e)JY1井, 3 415.2 m,脆性礦物粒間孔；(f)JY1井, 3 525.3 m,粒內(nèi)溶蝕孔

1.2無機質(zhì)孔隙

無機質(zhì)孔隙類型多樣，主要可歸納為粘土礦物層間孔、脆性礦物粒間孔、粒內(nèi)溶蝕孔及黃鐵礦晶間孔。

1.2.1粘土礦物層間孔

粘土礦物層間孔發(fā)育較為普遍，主要發(fā)育于片狀粘土礦物堆積中。掃描電鏡觀察統(tǒng)計，孔徑為50 nm～700 nm，相互連通性較好。井研-犍為地區(qū)筇竹寺組粘土礦物主要為伊利石(43%)，其次為伊/蒙混層(37%)，綠泥石和高嶺石含量最少。伊利石多呈現(xiàn)為薄層片狀或纖維狀，片層或纖維狀伊利石之間易發(fā)育狹縫形孔、條形孔、楔形孔(圖2(c)、圖2(d))，孔徑為50 nm～700 nm，有的區(qū)域可見粘土礦物層間孔與有機質(zhì)孔伴生、連通，在某種程度上起到了微裂縫的效果。

粘土礦物的比表面積大于石英礦物，孔隙越發(fā)育，氣體的吸附能力就越強[14]。由此可見，粘土礦物層間孔儲集作用好，是筇竹寺組頁巖重要的儲集空間。

圖2　川南地區(qū)筇竹寺組頁巖微裂縫類型Fig．2　Microcrack types of Qiongzhusi shale in southern Sichuan basin(a)JY1井,3 407.4 m,微裂縫及粘土礦物晶間孔；(b)JY1井,3 294.1 m,構造微縫；(c)JY1井,3 303.7 m,成巖收縮縫；(d)JY1井,3 578.4 m,溶蝕縫

1.2.2脆性礦物粒間孔

脆性礦物粒間孔主要發(fā)育在脆性礦物如石英、長石、方解石等顆粒周圍，多呈不規(guī)則狀、分散狀(圖1(e))，其孔徑分布范圍較大，在0.2 μm ～1.7 μm之間，主要受礦物顆粒大小及壓實程度的影響。在頁巖儲層中，脆性礦物顆粒間未被充填的粒間孔隨著壓實和成巖作用增強而減少。井研-犍為地區(qū)筇竹寺組脆性礦物含量較高，但主體呈分散狀鑲嵌于黏土礦物中，脆性礦物顆粒極少相互接觸，脆性礦物粒間孔較少。筇竹寺組頁巖成巖階段高、演化程度高，受壓實及壓溶作用影響，脆性礦物粒間孔急劇減小甚至消失。

1.2.3粒內(nèi)溶蝕孔

粒內(nèi)溶蝕孔發(fā)育在顆粒內(nèi)部(圖1(f))，多呈孤立港灣狀、蜂窩狀或分散狀。是酸性水介質(zhì)條件下不穩(wěn)定礦物(長石、方解石)的易溶部位發(fā)生溶蝕作用而形成，孔隙直徑為0.4 μm ～2.8 μm。連通性差，通過壓裂改造也很難將大多數(shù)孔連接起來。

1.2.4黃鐵礦晶間孔

海相頁巖中黃鐵礦發(fā)育普遍，多以單晶狀、莓球狀集合體出現(xiàn)。在富有機質(zhì)頁巖段黃鐵礦尤其發(fā)育，莓球狀集合體緊密排列的晶體間存在較多的微孔隙，孔徑為100 nm～800 nm。筇竹寺組頁巖中黃鐵礦發(fā)育，但黃鐵礦晶間孔發(fā)育較少，晶間多充填有機質(zhì)，鏡下見少量發(fā)育在黃鐵礦集合體內(nèi)部的晶間孔(圖1(b))，多與粘土礦物晶間孔伴生、連通。海相頁巖中黃鐵礦占比雖然不高，但其對頁巖氣的儲集有較大的積極作用。

1.3微裂縫

微裂縫發(fā)育，可歸納為構造微縫、成巖收縮縫和溶蝕縫3種，以構造微縫為主。構造微縫受構造作用控制形成，延伸規(guī)模較大，縫寬變化較大，在0.4 μm～2 μm，裂縫面比較平整規(guī)則(圖2(a)、圖2(b))，總體較非構造縫規(guī)模大，連通性好。成巖收縮縫和溶蝕縫的形成主要與沉積作用、成巖演化作用有關，在地層壓力、脫水、干裂或重結晶作用下，粘土礦物易脫水形成成巖收縮縫，其規(guī)模一般較小，縫寬為0 μm ～0.2 μm，形狀不規(guī)則(圖2(c))。溶蝕縫在樣品中觀測較少，主要表現(xiàn)為沿顆粒邊緣形成的蛇曲狀微裂縫(圖2(d))。

2基質(zhì)孔隙定量表征

井研—犍為地區(qū)筇竹寺組上富有機質(zhì)頁巖段巖心實測孔隙度平均為2.92 %、最大為5.53 %。王道富[11]等通過對威遠筇竹寺組儲層分析研究，建立了頁巖三層巖石物理模型，并求取了川南筇竹寺組不同巖石單位質(zhì)量孔隙體積VBri、VClay、VTOC參數(shù)值(分別為0.000 2 m3/t、0.022 m3/t、0.069 m3/t)，表明川南筇竹寺組孔隙構成以粘土礦物層間孔隙和有機質(zhì)孔隙為主體。借鑒其模型及參數(shù)測算JY1井筇竹寺組上亞段黑色頁巖基質(zhì)孔隙構成，結果顯示，有機質(zhì)孔隙占4.1%～33.9%(平均為11.4%)，粘土礦物層間孔隙占66.1%～95.9%(平均為87.6%)，脆性礦物孔隙占0.2%～2.2%(平均為1.1%)?？紫稑嫵梢杂袡C質(zhì)孔和粘土礦物層間孔隙為主(圖3)。

圖3　JY1井筇竹寺組黑色頁巖段孔隙度百分比構成圖Fig．3　Porosity composition of Qiongzhusi 　　　　black shale in well JY1

氮氣吸附法孔徑分布結果表明：川南地區(qū)筇竹寺組頁巖孔徑分布以2 nm～50 nm的中孔為主，占54.9%；其次為>50 nm的大孔，占31.1%；<2 nm的微孔最少，占14%(圖4)。從不同樣品的孔徑分布折線圖來看(圖5)，①、②號樣品TOC>1%，實測孔隙度分別為2.3%、4.7%，孔徑分布上來看以2 nm～10 nm為主，其次為10 nm～50 nm，兩者合計占66.6%～74.8%；③～⑦號樣品TOC<0.5%，實測孔隙度0.7%～2.2%，總體較①、②號樣品小，孔徑分布上來看以10 nm～50 nm為主，其次為50 nm～101 nm，兩者合計占59.1%～75.7%。對比來看，TOC含量高的樣品，有機質(zhì)孔隙更發(fā)育，但孔徑以2 nm～50 nm的中孔為主，而以粘土礦物層間孔隙占主體的樣品，孔徑分布上以10 nm～101 nm的中-大孔為主。

圖4　JY1井筇竹寺組頁巖DFT孔徑分布直方圖Fig．4　DFT pore size distribution histogram of Qiongzhusi shale in well JY1

圖5　JY1井筇竹寺組頁巖不同孔徑分布折線圖Fig．5　Different pore size distribution line chart of Qiongzhusi shale in well JY1

同時，氮氣吸附曲線均具有吸附回線，表明孔隙形態(tài)呈開放狀態(tài)，對比國際純化學與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)所歸納的4類吸附回線類型[15]：尺寸和排列都十分規(guī)則的孔結構常得到 H1 型回線，主要由微孔組成的樣品中會產(chǎn)生H4 型回線，無規(guī)則孔結構的樣品中主要產(chǎn)生 H2 和H3 回線。井研—犍為地區(qū)筇竹寺組孔隙結構較復雜，大部分樣品的吸附等溫線屬于H2、H3型，具有一定的無規(guī)則孔結構特征，以平行壁狹縫型毛細孔和兩端都開放的圓柱形孔等開放型孔為主，同時部分樣品在吸附回線上有一類明顯的標志，既解吸分支有一個急劇下降的拐點，這種現(xiàn)象是由 “墨水瓶孔”引起的(圖6)。

圖6　JY1井筇竹寺組頁巖氮氣等溫吸附線Fig．6　Nitrogen adsorption isotherms of Qiongzhusi shale in well JY1

3孔隙發(fā)育影響因素探討

通過對川南地區(qū)筇竹寺組頁巖基質(zhì)孔隙類型研究及其構成計算，結合頁巖地化條件分析，認為控制筇竹寺組頁巖孔隙發(fā)育的因素主要有TOC、熱演化程度、成巖作用三個方面。

1)孔隙度與頁巖TOC含量呈正相關關系。有機質(zhì)在高過成熟階段可產(chǎn)生大量孔隙，在富有機質(zhì)頁巖總孔隙度中占比一般可以達到6%～33%，在優(yōu)質(zhì)頁巖總孔隙中占比則更高。通過巖心實測結果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(圖7)，頁巖段孔隙度與TOC含量呈正相關關系，頁巖孔隙度隨著TOC含量增大而增大，在富含有機質(zhì)頁巖段特征尤其明顯。

圖7　JY1井筇竹寺組頁巖孔隙度與TOC關系Fig．7　Relationship of porosity and TOC of Qiongzhusi shale in Well JY1

圖8　富有機質(zhì)頁巖納米孔隙結構隨成熟度的變化圖[16]Fig．8　The variation of nano pore structure with the maturity of organic rich shale[16]

2)孔隙結構與熱演化程度有著明顯的正相關關系。研究發(fā)現(xiàn)，富含有機質(zhì)的泥頁巖在生烴階段孔隙度往往比其他泥頁巖孔隙度大，這與大量生烴階段形成的超壓、有機質(zhì)納米孔以及有機酸引起的溶蝕作用有關。有機質(zhì)納米孔是干酪根向油氣的熱轉化過程中在有機體內(nèi)殘留的納米級孔隙。程鵬等[16]對富有機質(zhì)頁巖進行了納米孔隙結構隨成熟度變化的熱模實驗分析，結果表明，當熱演化程度介于0.7%～3.5%，孔隙結構與熱演化程度有著明顯的正相關關系(圖8)。另據(jù)研究，海相頁巖有機質(zhì)孔隙并非總是隨著Ro增大而持續(xù)增加，當Ro超過3.5 %以后，有機質(zhì)可能出現(xiàn)碳化，同時有機質(zhì)孔隙出現(xiàn)明顯的塌陷和充填現(xiàn)象，邊界模糊不清或呈弧形，導致孔徑變小，有機質(zhì)孔隙度降低[17]。川南地區(qū)JY1井筇竹寺組富有機質(zhì)頁巖實測Ro為2.64%～2.86%，演化程度偏高，但還未有明顯碳化的跡象，生烴過程形成的有機質(zhì)納米孔隙是本區(qū)頁巖重要的儲集空間，所占比例最高可達33.9%。TOC富集的頁巖樣品(井深3 300.3 m)實測孔隙度為4.68%，具有較高的比表面積和孔體積，比表面積為27.2 m2/g，孔體積為0.021 8 cm3/g。與四川盆地南緣緊鄰的黔中隆起北緣金沙巖孔鎮(zhèn)牛蹄塘組位于高演化程度區(qū)，鉆井實測黑色頁巖Ro平均3.11%、最高為5.28%，由于演化程度過高，有機質(zhì)孔比例較低，比表面及孔體積明顯降低，比表面積為13.4 m2/g ～15.9m2/g，孔體體積為0.016 2 cm3/g ～0.017 7 cm3/g[18]。

3)成巖演化作用對頁巖儲層微觀孔隙結構有較大影響作用。川南地區(qū)JY1井筇竹寺組粘土礦物孔隙所占比例大。X衍射粘土分析結果表明，粘土中伊利石的含量最高，平均為43%；其次為伊/蒙混層，平均為37%；綠泥石和高嶺石含量最少，高而穩(wěn)定的伊利石含量表明筇竹寺組成巖作用已經(jīng)歷晚成巖作用階段，成巖作用強[19-20]，導致粘土礦物中大孔隙減少(圖9)，頁巖內(nèi)連通性孔隙體積少，進而導致基質(zhì)孔隙度降低。另一方面，成巖作用受熱演化程度控制，隨著演化程度不斷增高，成巖作用加強，粘土礦物組成發(fā)生轉化，首先具有很大比表面積的蒙脫石相繼轉化為間層礦物，隨著演化程度的增加間層礦物含量逐漸減少最終全部轉化為比表面積和孔體積均較小的伊利石或綠泥石。從JY1井實驗分析數(shù)據(jù)來看，該區(qū)筇竹寺組粘土礦物中伊/蒙混層平均為37%，含量仍相對較高，為粘土礦物微孔隙提供了較大的比表面積，也提高了頁巖的比表面積和孔體積。

圖9　JY1井筇竹寺組頁巖平均孔徑與綠泥石含量、伊蒙混層含量關系Fig．9　Relationship of mean pore size and the content of chlorite and illite mixed layer of Qiongzhusi shale in Well JY1

綜合來看，TOC、熱演化程度是影響川南筇竹寺組孔隙發(fā)育的主控因素。

4結論

1)川南地區(qū)筇竹寺組頁巖儲集空間可歸納為有機質(zhì)孔隙、無機質(zhì)孔隙和微裂縫三大類。孔隙構成以有機質(zhì)孔和粘土礦物層間孔隙為主，在JY1井所占比例平均分別為11.4%、87.6%。

2)筇竹寺組頁巖孔隙發(fā)育主要受TOC、熱演化程度、成巖作用三個方面的影響。TOC含量越高，有機質(zhì)孔隙越發(fā)育，基質(zhì)孔隙度越高(優(yōu)質(zhì)頁巖段TOC為3.44%的樣品實測孔隙度可達4.68%)；孔隙結構與熱演化程度有著明顯的正相關關系，熱演化程度較高，實測Ro為2.64%～2.86%，有機質(zhì)孔發(fā)育，所占比例最高可達33.9%；粘土礦物中伊利石的含量高(平均為43%)，表明已經(jīng)歷晚成巖作用階段，成巖作用強，導致粘土礦物中大孔隙減少，基質(zhì)孔隙度降低，但含量相關較高的伊/蒙混層(37%)為本區(qū)的粘土礦物微孔隙提供了較大的比表面積和孔體積。

綜合分析，TOC、熱演化程度是影響川南筇竹寺組孔隙發(fā)育的主控因素。

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收稿日期：2016-02-24改回日期：2016-04-18

基金項目:四川省科技計劃項目(2015SZ0001)

作者簡介：董曉霞(1983-)，女，碩士，工程師，從事四川盆地非常規(guī)油氣勘探與綜合地質(zhì)研究工作，E-mail:fly_dong520@163.com。

文章編號：1001-1749(2016)03-0415-08

中圖分類號：P 578.7

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.03.19

Microscopic space types and its influencing factors of the lower Cambrian Qiongzhusi shale, southern Sichuan basin

DONG Xiao-xia, XIONG Liang

(Exploration & Production Institute of Southwest Petroleum Branch Company,SINOPEC,Chengdu610041，China)

Abstract:The lower Cambrian Qiongzhusi shale in the southern Sichuan basin is the main target of the exploration of the Paleozoic marine shale gas in South China. But, the study of the characteristics of its reservoir space is far less than that in Longmaxi shale,due to irs because of the more complicated development condition and lower degree of exploration. Several major new shale gas discoveries have been made recently in the Jingyan-Qianwei area of the Sichuan basin, which proved the bright prospects of shale gas exploration. To ascertain the contribution of different pores to shale gas reservoir，pore types，size and distribution of Qiongzhusi shale in southern Sichuan basin were studied using a variety of analytical testing methods to drilling data. Pore space characteristics and influencing factors were discussed．The results show that lower Cambrian Qiongzhusi shale reservoir space can be divided into three main types，including organic pores，inorganic pores and micro-fractures. Interlayer pores between clay minerals are mainly developed, while organic pores development improved significantly in the organic-rich shale. Pore types are mainly controlled by organic richness, thermal maturity and diagenetic evolution．

Key words:microscopic space types; organic pores; shale gas; Qiongzhusi formation; southern Sichuan basin