渝東南龍馬溪組頁巖儲集空間特征研究

惠倩楠

(中國石油大學(北京)非常規(guī)天然氣研究院，北京 昌平 102249)

渝東南龍馬溪組頁巖儲集空間特征研究

惠倩楠

(中國石油大學(北京)非常規(guī)天然氣研究院，北京 昌平 102249)

開展對解四川盆地東南緣龍馬溪組頁巖的儲集空間特征及其影響因素的研究，有利于頁巖氣的勘探和開發(fā)。在區(qū)域地史演化、區(qū)域構造、沉積環(huán)境調研和分析的基礎上，結合巖心、鑄體薄片、掃描電鏡、X 衍射及分析化驗資料，對研究區(qū)古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的礦物成分，儲集空間發(fā)育特征及類型進行綜合分析。研究表明，川東南龍馬溪組頁巖礦物成分主要包括粘土礦物類、石英、長石等碎屑礦物類、碳酸鹽巖類。龍馬溪組頁巖儲集空間類型豐富，包括：粒間孔、粒內孔、有機質孔、溶蝕孔和微裂縫等。

四川盆地；龍馬溪組；儲集空間；頁巖氣

近年來，致密油、煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣的勘探和開發(fā)逐漸成為世界關注的焦點。 尤其是對于頁巖氣的勘探開發(fā)，美國憑著自己的先進技術和優(yōu)越的地質條件，走在了世界的前列，這極大的鼓舞了其它國家對于這個熟悉而又陌生的行業(yè)的重視，并由此開始了世界油氣資源開發(fā)的新熱點。

渝東南龍馬溪組頁巖已成為了我國在頁巖氣勘探和開發(fā)方面突破的首選區(qū)域，該地區(qū)龍馬溪組頁巖富含有機質，其成巖演化已達晚成巖階段，烴類演化也已達到了干氣階段[1]，具有形成頁巖氣的良好的地質條件，是四川盆地的主要氣源巖之一。前人對上揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖的儲層空間類型進行了較多研究，但并未將其形成一個完整的系統(tǒng)。作者從野外露頭、巖樣、巖石鑄體薄片、掃描電鏡、X衍射及分析化驗資料入手，通過了解該區(qū)域的地史演化、區(qū)域構造、沉積環(huán)境特征，對該區(qū)域的巖性特征和儲層儲集空間發(fā)育特征進行了詳細地分析和研究，系統(tǒng)地劃分了研究區(qū)頁巖儲集空間類型并進行了詳細地闡述，對頁巖氣的勘探和開發(fā)起到一定的指導和借鑒作用。

1 區(qū)域地質概況

四川盆地處于揚子準地臺的西部，東為湘黔鄂沖斷帶，西為龍門山造山帶，北以米蒼山隆起-大巴山褶皺帶為界，南峨眉山-涼山沖斷帶(見圖1)。本文的研究區(qū)位于川東南川南中低緩構造帶和川東高陡構造帶。

圖1 研究區(qū)示意圖(據龍鵬宇，2009)

四川盆地的構造運動開始于震旦紀，經歷多期構造運動形成了如今這樣的盆地格局。該研究區(qū)延續(xù)了四川盆地的構造演變特征，形成一系列的北東-南西向的雁列式褶皺。在早志留世的龍馬溪期，由于發(fā)生了擠壓造山運動，中上揚子板塊邊緣長期處于擠壓過程中，使得川西-康滇古陸、川中隆起范圍不斷擴大，揚子板塊南緣黔中隆起、雪峰隆起、武陵隆起、苗嶺隆起基本上連成一起，稱為滇黔桂隆起帶，出現了“多隆圍一拗”的構造格局模式[1]，使得早、中奧陶世的廣海海域轉變成被隆起所包圍的局限海域，形成淺海陸棚沉積體系，形成了大面積的低能、缺氧、欠補償的沉積環(huán)境[15]。

研究區(qū)地層屬于中國華南型地層，在區(qū)域上發(fā)育完整，從震旦系到第四系均有地層出露，志留系殘余厚度在 0～1 200 m之間。在早志留世龍馬溪期，我國南方地區(qū)不僅受到強烈的擠壓運動，同時還受到奧陶紀末志留紀初的兩次全球性海侵的影響，使得龍馬溪組變成了一套細粒碎屑巖，其具有分布廣、厚度大、以黑色頁巖為主的特點[18]，形成了區(qū)域性烴源巖系，該研究區(qū)龍馬溪組頁巖是這兩次海侵過程的沉積響應。中奧陶紀-志留紀處在加里東運動的主要活動期，早期形成的古陸和古隆起成為物源供應的主要區(qū)域，推測該區(qū)的陸源碎屑物質主要源于前陸隆起帶和雪峰隆起[17]，溶解物質可能是來自川中隆起，所以早志留世的沉積充填屬于具有多源的混合型陸棚沉積特征。

2 頁巖裂縫、孔隙發(fā)育特征

2.1 頁巖特征

頁巖屬于粘土巖，具有頁理狀或薄片狀層理，成分復雜。頁巖中礦物組分大類可分為四大類:碳酸鹽巖類、粘土礦物類、碎屑礦物類和鐵、鋁、錳的氧化物及氫氧化物類[4]。碳酸鹽巖類主要為方解石和白云石，并以裂縫充填或膠結物的形式存在，在龍馬溪組頁巖中含量最少[10]。粘土礦物類主要包括伊利石、綠泥石、蒙脫石、伊蒙混層等組成，并且含量最多[14]。碎屑礦物類主要是石英，還有少量的長石、黃鐵礦等礦物，顆粒粒級以粉砂級和粘土級為主[15]。各種礦物組分對頁巖氣藏的形成、儲層物性、開采性具有重要的影響，其中硅質含量(包括石英、 長石類)影響頁巖的脆性及裂縫發(fā)育，對頁巖氣層的識別和商業(yè)化開釆十分重要。而粘土礦物對頁巖氣具有良好的吸附能力，進而影響頁巖的含氣量，同時粘土礦物表面含有水分子,對頁巖含水飽和度也有影響。長石易于形成溶孔，是頁巖中儲集空間的一種重要形式。而且，該區(qū)屬于深水還原環(huán)境，富含黃鐵礦等還原性礦物。渝頁1井中可見含透鏡狀黃鐵礦的巖心，方解石充填其粒間空隙(見圖2e、g)。

2.2 儲層特征

結合前人研究成果，對川東南龍馬溪組下段沉積環(huán)境和黑色頁巖分布進行了初步研究，認為：在龍馬溪組沉積早期，川東南沉積域受川中古隆起和黔中古隆起圍限，總體表現為深水陸棚環(huán)境[3]，呈NE-SW走向展布，水體相對安靜，生物繁盛，筆石生產率高，是有機質富集的高產區(qū)域。因為水體較深，所以有機質易于保存；川中古隆起南斜坡較陡，龍馬溪組黑色頁巖表現為超覆沉積，殘余厚度0～150 m；在黔中隆起北側，古斜坡相對較緩，因處于深水陸棚邊緣，深水相沉積時間相對較短，所以黑色頁巖的厚度主要在50 m以下。從沉積環(huán)境和頁巖的展布來看，深水相頁巖厚度較大，區(qū)域分布穩(wěn)定，厚度超過100 m的區(qū)域主要分布在蜀南和滇東北鹽津地區(qū)。川東南地區(qū)龍馬溪組主力儲集層厚度大、分布穩(wěn)定，孔隙和微裂縫十分發(fā)育。然而在孔隙類型、孔徑大小以及發(fā)育規(guī)模等方面較常規(guī)儲層存在較大差異，頁巖主要以微、納米級孔隙為主，這是其最大特點，也是制約頁巖氣勘探和開發(fā)的關鍵。根據頁巖內孔隙空間的發(fā)育及分布特征，可以將其進行系統(tǒng)的分類，從孔隙、孔洞和裂縫三大類進行詳細的分類?？紫缎桶ｉg孔和粒內孔，根據成因的不同孔隙型也可細分為有機孔和無機孔；孔洞型以溶蝕孔為主，溶蝕孔包括粒間溶蝕孔和粒內溶蝕孔；裂縫型主要有構造縫和成巖縫兩大類，構造縫又包括構造張裂縫、構造剪裂縫、擠壓縫;成巖作用形成成巖縫。

a.伊利石；b.高嶺石；c.綠泥石；d.撓曲構造；e.黑色的粉砂質頁巖，富含黃鐵礦；f.灰色粉砂質頁巖，水平層理；g.含透鏡狀黃鐵礦；h.富含筆石的灰黑色頁巖；i.水平層理

2.2.1 孔隙的類型及其分布

1)孔隙型孔隙根據其發(fā)育和分布特征可以將其分為粒間孔和粒內孔[5]。

(1)粒間孔：是頁巖顆粒之間所形成的孔隙。在掃描電鏡下或X衍射實驗中發(fā)現龍馬溪組頁巖主要由石英、長石、黏土礦物和有機質組成，這些礦物顆粒之間主要存在微納米孔。根據不同顆粒之間的關系所形成的孔隙，粒間孔包括碎屑礦物質孔、粘土礦物孔、碎屑礦物與粘土礦物之間孔、碎屑礦物與有機質之間孔、粘土礦物與有機質之間孔(見圖3)。各種礦物間孔主要以微米級為主，多為原生孔隙；與有機質相關的孔主要為納米級孔，多為次生孔隙。

(2)粒內孔：是頁巖中各種礦物顆粒內或有機質內部的孔隙，粒內孔分為粒內晶間孔和有機質孔[6]。粒內晶間孔是指礦物質內部的晶體之間的孔隙，孔徑一般小于0.5 μm，掃描電鏡下可見明顯的霉球狀黃鐵礦晶內；有機質孔是指有機質內部的孔隙，為有機質在埋藏和成熟演化過程中發(fā)育形成的納米孔。龍馬溪組頁巖有機質孔隙普遍發(fā)育，多為圓形或橢圓形，呈蜂窩狀分布，孔隙直徑集中在30～100 nm之間，尤其是該組下段中有機質孔分布范圍大、數量多、總體積大、含氣性好，是頁巖氣非常重要的儲集空間(見圖3c、d)。

a.粘土礦物質之間孔；b.粘土礦物與有機質之間孔

2)孔隙型根據成因又可細分為有機質孔和無機孔。

(1)有機質孔隙：機質孔的形成機制主要有干酪根生烴作用、瀝青質裂解作用和有機酸的溶蝕作用。其形成機理分別為：有機質生烴形成的有機質孔；高演化階段瀝青的裂解作用會促進有機質孔隙的形成；有機質生烴過程中產生的酸性流體會使頁巖內不穩(wěn)定礦物(如：方解石)發(fā)生溶解作用，生成鑄模溶孔等孔隙。川東南龍馬溪組頁巖有機質孔發(fā)育，是重要的頁巖氣儲集空間。

(2)無機孔隙：主要指包括裂縫在內的基質孔隙、各類礦物之間孔隙和無機礦物顆粒內的孔隙[9]。受巖石結構的影響，基質孔隙的發(fā)育差異較大，粗結構的基質孔隙較發(fā)育，細結構的基質孔隙很少。

a.硅質生物，包卷狀，生物體腔孔；b.硅質生物，包卷狀；c.霉狀黃鐵礦粒內晶間孔；d.硅質生物，彎曲長條狀，有機質孔

2.2.2 孔洞的類型及分布特征

孔洞型以溶蝕孔為主：是指礦物表面長期遭受不同程度的溶蝕作用或是在易溶礦物內部發(fā)生不同程度的溶蝕所形成的孔隙。在龍馬溪組頁巖中溶蝕孔發(fā)育不均，易發(fā)生局部溶蝕，孔徑差異大，自納米級到毫米級均有發(fā)育[11]，溶蝕孔后期易遭受不同程度的充填作用，鈣質充填形成鈣質充填孔，黃鐵礦充填形成黃鐵礦晶間孔。根據溶蝕孔的發(fā)育和分布特征可以分成粒間溶孔和粒內溶孔。

2.2.3 裂縫的類型及其分布

川東南龍馬溪組頁巖裂縫發(fā)育，由于構造作用所形成的稱為構造縫，構造縫又包括構造張裂縫、構造剪裂縫、擠壓縫；成巖作用形成成巖縫。

1)構造張裂縫：指由構造作用或伴隨構造作用而形成的裂縫[4]。研究區(qū)龍馬溪組在沉積時期，構造運動強烈，所以構造張裂縫多發(fā)育。延伸距離短，且縫面粗糙，兩壁張開被礦物填充，常常繞過巖石或礦物顆粒，產狀不穩(wěn)定，在平面上呈現出鋸齒狀的延伸，且成組出現，不規(guī)則(見圖5e、f)。

2)構造剪裂縫：構造剪裂縫是研究區(qū)頁巖中發(fā)育的主要裂縫類型。研究區(qū)以構造擠壓變形為主，兼有走滑變形的特征，構造剪裂縫是由于剪切變形作用形成的，研究區(qū)頁巖塑性強，易于剪切變形而形成剪切縫，且多發(fā)育共軛的“X”型(見圖5a、b)。

3)擠壓裂縫：主要以擠壓變形為主，幾乎無走滑作用，該區(qū)由于塑性較大，變形后基本無斷裂(見圖5e、f)。

4)層間頁理縫：強水動力條件下，一系列薄層頁巖沉積形成的極易剝離的界面稱之為層間頁理縫[7]。研究區(qū)頁理縫發(fā)育廣泛，層間頁理縫一般順層發(fā)育且延伸較遠，大多被方解石充填(見圖5h、i)。

5)非構造縫：屬于非構造運動所形成的裂縫。其形成與構造運動和構造力無關，具有分布規(guī)律差等特點。川東南龍馬溪組頁巖非構造縫主要為成巖縫，其具有沿層面分布、不穿層的特點，縫面不規(guī)則，時有分枝現象(見圖5d)。

通過以上對頁巖裂縫、孔隙發(fā)育特征的研究和分析可知，有機質孔屬于納米級孔隙具有巨大的比表面積，提供了豐富的頁巖氣吸附空間[20]，是研究區(qū)最為重要的儲集空間；無機孔包括粒間孔和粒內孔，孔徑一般在0.2～2.5 μm之間；溶蝕孔孔徑一般在7.0～45.0 μm之間，是一種重要的儲集空間，其大多發(fā)育在黏土礦物較多的地區(qū)；微裂縫在頁巖孔隙中最大，其縫寬一般在1～100 μm之間，受地區(qū)差異影響較大，局部地區(qū)極為發(fā)育。

a. 構造剪裂縫；b.構造剪裂縫；c.構造成巖復合縫；d.成巖縫；e.構造張裂縫；f.構造張裂縫；g.擠壓縫；h.順層頁理縫；i.順層頁理縫

3 結語

(1)頁巖屬于粘土巖，具有頁理或薄片狀層理，成分復雜。該區(qū)屬于深水還原環(huán)境，所以富含黃鐵礦，渝頁1井巖心中可見透鏡狀黃鐵礦，方解石充填其粒間空隙。

(2)龍馬溪組頁巖儲集空間可以分為孔隙、孔洞和裂縫三大類孔隙類型。

(3)孔隙型根據其發(fā)育和分布特征可分為粒間孔和粒內孔，根據成因又可以分為有機質孔、無機孔、微納米孔隙；孔洞型主要為溶蝕孔；裂縫型包括構造縫和成巖縫，由于構造作用所形成的稱為構造縫，構造縫又包括構造張裂縫、構造剪裂縫、擠壓縫；成巖作用形成成巖縫。

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Research of longmaxi formation shale reservoir space features in the Southeast of Chongqing

HUI Qian-nan

(Unconventional gas research institute of China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China)

In order to understand the Longmaxi shale reservoir space characteristics and its influencing factors in the southeast margin of the Sichuan basin is beneficial to shale gas’s exploration and development.We make a comprehensive study about the Longmaxi shale mineral composition, the feature and type of reservoir space development in the lower silurian series of palaeozoic era，based on the region geologic evolution, regional structure, depositional environment study and analysis, meanwhile to combine cores,casting thin sections,scanning electron microscopy , X-ray diffraction analysis and assay data.Results show that the Longmaxi shale main mineral composition is comprise of clay mineral, quartz, feldspar, mica and other clastic mineral and iron, aluminum and manganese’s oxide and hydroxide, carbonate rock type. Longmaxi shale reservoir space includes organic pore, intergranular hole, intragranular pore, intercrystalline hole, porosity, clay minerals interlayer hole, hole biological and micro cracks.

Sichuan basin；Longmaxi shale；reservoir space；gas shale

2016-10-17

惠倩楠(1992-)，女，陜西富平人，在讀碩士研究生，主攻方向：非常規(guī)油氣地質。

P618.130.2+1

A

1004-1184(2017)01-0140-03