四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征

易積正，王 超

(1．中國(guó)石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124； 2．中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

隨著近年非常規(guī)油氣資源調(diào)查和勘探工作的不斷深入，四川盆地龍馬溪組海相頁(yè)巖已成為我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重要目標(biāo)，并先后在重慶焦石壩地區(qū)和四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)了海相頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重大商業(yè)性突破[1-5]。相較于常規(guī)油氣資源，頁(yè)巖氣儲(chǔ)集體的自生自儲(chǔ)、納米級(jí)孔隙和非均質(zhì)性等特征，使頁(yè)巖儲(chǔ)層精細(xì)刻畫成為了頁(yè)巖氣勘探開發(fā)地質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)性研究工作[6-10]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在頁(yè)巖孔隙定量表征、類型劃分和富集機(jī)理等方面開展了大量深入研究[11-14]，但對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征及成因機(jī)制方面論述較少。本文以中國(guó)石化重慶涪陵頁(yè)巖氣田為研究對(duì)象，在對(duì)巖心樣品進(jìn)行全巖X衍射、氬離子拋光掃描電鏡、高壓壓汞—?dú)怏w吸附聯(lián)測(cè)等實(shí)驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)之上，以頁(yè)巖巖相劃分為主線，開展不同巖相的總有機(jī)碳含量、孔隙類型、特征和孔徑分布的差異性對(duì)比研究，并結(jié)合沉積地質(zhì)事件，揭示儲(chǔ)層差異性發(fā)育的沉積成因機(jī)制。

1 巖相發(fā)育類型

1.1 巖相劃分

頁(yè)巖巖相是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖各項(xiàng)非均質(zhì)性特征的外在表象，既包含巖石類型、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等宏觀信息，也包含無機(jī)礦物與有機(jī)組成等微觀信息，是頁(yè)巖原生品質(zhì)的直接評(píng)價(jià)標(biāo)志[15]。以往認(rèn)為特定沉積環(huán)境下的頁(yè)巖較為均一，但隨研究的深入，頁(yè)巖巖相非均質(zhì)性特征已被廣泛認(rèn)同[16-17]。目前針對(duì)頁(yè)巖巖相劃分研究已開展大量工作，劃分方案由早期的礦物含量、有機(jī)質(zhì)豐度等單一指標(biāo)，逐漸演化為沉積含有物、古生物類型/豐度、沉積構(gòu)造等多因素指標(biāo)綜合判別。但受限于資料條件和表征方法的制約，頁(yè)巖巖相劃分尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。

盡管頁(yè)巖巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，但筆者認(rèn)為合理的巖相劃分既需考慮頁(yè)巖巖石學(xué)和沉積環(huán)境等地質(zhì)因素，同時(shí)也應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)開發(fā)認(rèn)識(shí)。通過對(duì)焦石壩地區(qū)導(dǎo)眼取心井資料的系統(tǒng)梳理，筆者認(rèn)為以硅質(zhì)礦物(石英+長(zhǎng)石)、碳酸鹽礦物(白云石+方解石)和黏土礦物三端元為基礎(chǔ)，可將頁(yè)巖巖相劃分為硅質(zhì)類頁(yè)巖、鈣質(zhì)類頁(yè)巖、黏土類頁(yè)巖和混合類頁(yè)巖4類。在此基礎(chǔ)上依據(jù)巖石劃分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)單一礦物含量進(jìn)行細(xì)分(10%，25%，50%，75%)，可將頁(yè)巖巖相進(jìn)一步細(xì)分為31個(gè)亞類(圖1a)。

1.2 主要巖相發(fā)育特征

以研究區(qū)已鉆探的2口導(dǎo)眼取心井為重點(diǎn)剖析對(duì)象，對(duì)五峰組—龍馬溪組一段富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖進(jìn)行系統(tǒng)采樣和全巖X衍射測(cè)試分析可知：巖相以硅質(zhì)類頁(yè)巖、黏土類頁(yè)巖和混合類頁(yè)巖為主，進(jìn)一步可細(xì)分為黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)黏土頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖5類(圖1b)。

硅質(zhì)類頁(yè)巖共發(fā)育黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖和含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖，礦物成分方面，石英+長(zhǎng)石含量介于47.1%～74.6%，黏土礦物含量介于24.1%～42.3%，黏土礦物平均值為32.2%，碳酸鹽礦物含量較少，介于0～19.4%。巖心觀察可見大量非定向性筆石發(fā)育(圖2a)，鏡下薄片可見放射蟲等微體古生物(圖2b)。

混合類頁(yè)巖共發(fā)育黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖和含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖兩類。在礦物成分方面，石英+長(zhǎng)石含量介于13.7%～48.5%，碳酸鹽礦物含量為1.9%～23.3%，黏土礦物含量介于12%～47.6%。該類頁(yè)巖巖心觀察可見交錯(cuò)層理等沉積構(gòu)造(圖2d)，薄片鑒定可見成層性較好的砂質(zhì)紋層發(fā)育，紋層縫寬約為0.02～0.2 mm(圖2e)，且陰極發(fā)光顯示其長(zhǎng)石含量相較于硅質(zhì)類頁(yè)巖顯著增加(圖2c,f)，反映該類巖相沉積期水動(dòng)力環(huán)境相對(duì)硅質(zhì)類巖相較強(qiáng)。

圖1 海相頁(yè)巖巖相劃分方案及研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖巖相分布

圖2 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖巖心及鏡下特征照片

a-c：硅質(zhì)類頁(yè)巖(a.筆石化石發(fā)育,JY-A井,2 618.05 m；b. 鏡下可見放射蟲,JY-A井，2 615.29 m；c.JY-A井，2 612.2 m)；d-f：混合類頁(yè)巖(d.粉砂質(zhì)紋層,JY-A井,2 563.2 m；e.粉砂質(zhì)紋層鏡下特征,JY-A井,2 561.92 m；f.JY-A井,2 583.7 m)；g-i：黏土類頁(yè)巖(g.黏土質(zhì)條帶,JY-A井,2 521.2 m；h.JY-A井,2 526.82 m；i.JY-A井 2 517.18 m)

Fig.2 Core and microscopic features of Longmaxi shale in Jiaoshiba area, Sichuan Basin

黏土類頁(yè)巖以硅質(zhì)黏土頁(yè)巖為主要發(fā)育巖相，其黏土含量較高，平均值為56.2%，最高可達(dá)67.6%，石英+長(zhǎng)石含量相對(duì)較少，平均值為36.7%，碳酸鹽礦物含量極少。該類巖相其巖心特征表現(xiàn)灰黑色頁(yè)巖，局部可見灰色泥質(zhì)條帶(圖2g)，鏡下鑒定可見較為發(fā)育的斷續(xù)狀黏土質(zhì)紋層(圖2h)，粗顆粒石英與細(xì)顆粒石英相混，可見泥屑紋層和碳質(zhì)紋層交互狀順層分布(圖2i)。

2 不同巖相儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征

作為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的細(xì)粒泥頁(yè)巖，其成分和結(jié)構(gòu)決定了頁(yè)巖具有微納米孔隙這一區(qū)別于常規(guī)油氣儲(chǔ)層的顯著特征[18-20]，不同巖相其沉積環(huán)境差異性決定了其儲(chǔ)層在礦物成分、有機(jī)碳含量、孔隙類型、孔徑分布、比表面積、含氣性等方面的非均質(zhì)性特征[21-22]。為深入揭示其非均質(zhì)性特征，以前述頁(yè)巖巖相劃分為研究主線，對(duì)不同巖相的頁(yè)巖樣品開展儲(chǔ)層品質(zhì)特征定量測(cè)試分析研究。

2.1 總有機(jī)碳含量

不同頁(yè)巖巖相其總有機(jī)碳含量具有較大差異。硅質(zhì)類頁(yè)巖有機(jī)碳含量最高，最高值可達(dá)5.65%，其中黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖和含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖平均值為2.64%和2.57%。硅質(zhì)黏土頁(yè)巖總有機(jī)碳含量最低，平均值僅為1.05%?；旌项愴?yè)巖介于前述兩者之間，其總有機(jī)碳含量平均值為1.99%。

2.2 孔隙類型

研究區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙可劃分為有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)孔隙2大類型[23]，氬離子拋光掃描電鏡觀察結(jié)果揭示：龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙大量發(fā)育，無機(jī)孔隙主要以粒間孔和粒內(nèi)孔為主，包括草莓狀黃鐵礦結(jié)核內(nèi)晶體間的孔隙、黏土礦物和云母礦物顆粒內(nèi)的孔隙和黏土礦物間的殘余孔隙[24-26]。

通過對(duì)不同巖相孔隙類型統(tǒng)計(jì)可知，硅質(zhì)類頁(yè)巖巖相內(nèi)部有機(jī)孔隙非常發(fā)育，孔隙形態(tài)以圓形、橢圓形為主(圖3a,b)，空間上形成管柱狀、洞穴狀等復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，孔隙連通性好。此外該類頁(yè)巖無機(jī)質(zhì)孔隙相對(duì)較少，偶見少量晶間孔?；旌项愴?yè)巖相較于硅質(zhì)類頁(yè)巖，其無機(jī)孔占比增大，可見碎屑顆粒間的殘余原生粒間孔，孔隙多呈扁平狀，多沿剛性顆粒周緣分布(圖3c)，有些粒間孔隙也可發(fā)育于塑性顆粒圍繞剛性顆粒變形部位，但該類巖相其有機(jī)孔仍非常發(fā)育(圖3d)。黏土類頁(yè)巖其無機(jī)孔隙較為發(fā)育(圖3e)，粒間孔隙連通性好，黏土礦物層間微孔隙部分充填有機(jī)質(zhì)，但有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度相較于硅質(zhì)類和混合類頁(yè)巖顯著減弱(圖3f)。

2.3 孔隙度

圖3 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖不同巖相孔隙發(fā)育特征

圖4 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組不同頁(yè)巖巖相孔隙度對(duì)比

研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度主要介于3%～6%，但不同巖相其孔隙度平均值存在較大差異。黏土類頁(yè)巖孔隙度最低，平均值為2.56%；硅質(zhì)類頁(yè)巖和混合類頁(yè)巖孔隙度均較高，孔隙度平均值分別為3.96%和3.84%(圖4)。而同類頁(yè)巖不同巖相其孔隙度也存在一定差異：鈣質(zhì)含量相對(duì)較高的含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖和含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖，其孔隙度均略小于同類頁(yè)巖鈣質(zhì)含量相對(duì)較低的黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖和黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖(圖4)。

2.4 孔隙體積

借助高壓壓汞—?dú)怏w吸附聯(lián)測(cè)對(duì)龍馬溪組海相頁(yè)巖孔徑分布測(cè)試結(jié)果表明，不同類型巖相其孔徑分布存在一致性和差異性特征(圖5)。不同頁(yè)巖巖相均以介孔和微孔為主，大孔占比較少。黏土類頁(yè)巖孔隙體積占比最小，孔隙體積平均為0.012 mL/g，混合類頁(yè)巖孔隙體積平均為0.019 mL/g，硅質(zhì)類頁(yè)巖孔隙體積最大，平均為0.023 mL/g。鈣質(zhì)含量較高的頁(yè)巖巖相其孔隙體系相較于同類頁(yè)巖略低，例如含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖孔隙體積平均為0.021 mL/g，而黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖孔隙體積平均值可達(dá)0.026 mL/g。這同頁(yè)巖孔隙度具有相同規(guī)律，反映出頁(yè)巖中鈣質(zhì)含量的增高不利于頁(yè)巖微納米孔隙體系發(fā)育。

此外，對(duì)于不同尺度孔隙相關(guān)性分析可知，微孔和介孔同頁(yè)巖總有機(jī)碳含量具有較高相關(guān)性，而大孔同總有機(jī)碳含量相關(guān)性較弱，反映出大孔主要由無機(jī)孔隙組成，而有機(jī)質(zhì)孔隙其孔徑尺度主要為微孔和介孔(圖6)。

2.5 比表面積

圖5 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組不同頁(yè)巖巖相孔徑類型分布

圖6 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組孔徑分布與TOC交會(huì)圖

圖7 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組不同頁(yè)巖巖相比表面積對(duì)比

頁(yè)巖孔隙比表面積是衡量頁(yè)巖吸附能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。不同巖相比表面積差異性特征同孔隙度和孔隙體積具有較好一致性。黏土類頁(yè)巖比表面積最小，平均值為11.07 m2/g；硅質(zhì)類頁(yè)巖比表面積最大，平均值為19.99 m2/g，其中黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖平均值可達(dá)21.69 m2/g?；旌项愴?yè)巖比表面積介于兩者之間，其平均值為16.97 m2/g，且黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖比表面積較高(圖7)。

2.6 氣測(cè)顯示

受不同頁(yè)巖巖相礦物組成、孔隙度、總有機(jī)碳含量等方面的差異特征影響，不同巖相具有不同的含氣性特征。硅質(zhì)類頁(yè)巖總含氣量最高，其中黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖平均總含氣量可達(dá)1.68 m3/t，混合類頁(yè)巖總含氣量相對(duì)減少，黏土類頁(yè)巖含氣量最低，平均僅為0.66 m3/t(圖8a)。頁(yè)巖含氣量主要由吸附氣量和游離氣量組成，其中頁(yè)巖孔隙對(duì)頁(yè)巖含氣量具有重要影響，頁(yè)巖孔隙度越大，頁(yè)巖總含氣量越高，兩者具有明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖8b)。

3 儲(chǔ)層非均質(zhì)性主控因素分析

硅質(zhì)類頁(yè)巖具有高有機(jī)碳含量、高含氣性和有機(jī)孔隙發(fā)育等特征。有機(jī)質(zhì)孔隙表面粗糙，內(nèi)部形態(tài)多樣，大大增加了孔隙比表面積和孔體積，因此該類巖相具有較高的孔隙度和孔隙體積。此外，TOC值同有機(jī)質(zhì)孔隙主要發(fā)育的微孔和介孔具有較好的正相關(guān)性，反映出TOC含量對(duì)硅質(zhì)類頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育具有重要影響[27]。硅質(zhì)類頁(yè)巖巖心觀察可見大量筆石化石發(fā)育(圖2a)，鏡下可見放射蟲等硅質(zhì)骨骼類生物(圖2b)，反映出該類巖相為生物主控沉積階段，其沉積期水體中大量的浮游類生物既決定了其高有機(jī)碳含量特征，同時(shí)也為有機(jī)質(zhì)孔隙(圖3b)的發(fā)育提供了重要物質(zhì)基礎(chǔ)[28]。表明該巖相儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征受控于沉積期古生物大規(guī)模發(fā)育。

圖8 四川盆地焦石壩地區(qū)龍馬溪組不同頁(yè)巖巖相含氣性對(duì)比及含氣量—孔隙度交會(huì)圖

混合類頁(yè)巖和黏土類頁(yè)巖在巖心和鏡下薄片中均可見細(xì)粒粉砂質(zhì)薄層和黏土質(zhì)紋層(圖2d，e，h)，反映出沉積期受底流沉積和陸源碎屑供給作用影響，水動(dòng)力環(huán)境相對(duì)增強(qiáng)[15]。此外，較快的沉積速率及氧化還原環(huán)境的改變，使得混合類頁(yè)巖和黏土類頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)保存條件變差，總有機(jī)碳含量相對(duì)較低，進(jìn)一步致使其有機(jī)質(zhì)孔隙欠發(fā)育(圖3f)，而無機(jī)質(zhì)孔隙相對(duì)較發(fā)育(圖3e)?？傮w而言，相較于硅質(zhì)類頁(yè)巖，混合類頁(yè)巖和黏土類頁(yè)巖其孔隙度、孔隙體積和比表面積相對(duì)變差，總含氣量亦逐漸減少(圖4，5，7，8)。

4 結(jié)論

(1)焦石壩地區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖主要發(fā)育硅質(zhì)類頁(yè)巖、混合類頁(yè)巖和黏土類頁(yè)巖三類頁(yè)巖巖相，進(jìn)一步可細(xì)分為黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖、含鈣黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁(yè)巖和硅質(zhì)黏土頁(yè)巖5種亞類。

(2)不同頁(yè)巖巖相其孔隙發(fā)育具有較大差異。在孔隙類型方面，硅質(zhì)類頁(yè)巖有機(jī)孔非常發(fā)育，無機(jī)孔相對(duì)欠發(fā)育，而混合類頁(yè)巖和黏土類頁(yè)巖與之相反。此外，在孔隙度、孔隙體積和比表面積方面，硅質(zhì)類頁(yè)巖最為發(fā)育，黏土類頁(yè)巖發(fā)育程度最低，混合類頁(yè)巖介于兩者之間。

(3)不同頁(yè)巖巖相儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征受多重地質(zhì)事件影響。硅質(zhì)類頁(yè)巖發(fā)育段可見大量筆石和放射蟲發(fā)育，古生物繁盛利于有機(jī)質(zhì)富集，進(jìn)而提高了其總有機(jī)碳含量、孔隙度、孔隙體積、比表面積、含氣量等儲(chǔ)層參數(shù)；混合類頁(yè)巖和黏土類頁(yè)巖受底流作用和陸源碎屑供給影響顯著，總有機(jī)碳和含氣量相對(duì)較小，且無機(jī)質(zhì)孔隙相對(duì)發(fā)育。

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