四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田五峰—龍馬溪組巖礦縱向差異性研究
——以JYA井為例

張夢(mèng)吟，李 爭(zhēng)，王 進(jìn)，韓馳宇，劉 霜，錢 華

(中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，武漢 430223)

四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相黑色頁(yè)巖主要形成于深水陸棚環(huán)境，以硅質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖及粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主，富含放射蟲(chóng)及筆石[1-3]。焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖厚度大，埋藏淺，含氣量高，具有較高的開(kāi)采價(jià)值[4-5]。頁(yè)巖氣作為一種重要的清潔化石能源，近年來(lái)受到學(xué)界高度重視[6-7]。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)研究的逐步深入，作為自生自儲(chǔ)式氣藏，頁(yè)巖礦物成分及含量等的差異對(duì)頁(yè)巖品質(zhì)的影響逐漸受到廣泛關(guān)注。本文通過(guò)薄片和全巖黏土X衍射分析測(cè)試技術(shù)，對(duì)目的層五峰組—龍馬溪組龍一段頁(yè)巖縱向上的巖礦特征開(kāi)展了系統(tǒng)研究，明確其縱向上的差異性，進(jìn)一步結(jié)合氬離子拋光掃描電鏡和含氣量測(cè)定結(jié)果，開(kāi)展縱向上巖石礦物組分及含量對(duì)頁(yè)巖品質(zhì)、含氣性以及可壓性影響的研究。

本文主要研究對(duì)象五峰組—龍馬溪組龍一段整體為一套灰黑色硅質(zhì)頁(yè)巖，其中龍馬溪組龍一段依據(jù)巖性、電性特征差異又細(xì)分為3個(gè)亞段(圖1)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的樣品全部來(lái)源于JYA井，該井位于重慶市涪陵區(qū)白濤鎮(zhèn)石門村，屬于川東南地區(qū)川東高陡褶皺帶萬(wàn)縣復(fù)向斜包鸞—焦石壩背斜帶焦石壩構(gòu)造，目的層段厚度為102.8 m。針對(duì)目的層段開(kāi)展系統(tǒng)取樣，共計(jì)采集樣品128塊，分別對(duì)這些樣品開(kāi)展了薄片鑒定、全巖X衍射、黏土X衍射、有機(jī)碳含量和氬離子拋光掃描電鏡實(shí)驗(yàn)分析。其中薄片鑒定采用DM2500P型Leica偏光顯微鏡，依據(jù)SY/T5368-2000標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展樣品觀察；掃描電鏡分析(氬離子拋光)采用QUANTA200環(huán)境掃描電子顯微鏡，依據(jù)GB/T18295-2001，SY/T5162-2005標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展觀察分析；全巖及黏土礦物X衍射分析是在溫度24 ℃、相對(duì)濕度35%的條件下，采用D/max-2600型X射線衍射儀，依據(jù)SY/T5163-2010標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展分析測(cè)定；有機(jī)碳含量采用CS844碳硫分析儀，依據(jù)GB/T 19145-2003標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展分析測(cè)定。

1 頁(yè)巖礦物組分及縱向分布特征

1.1 石英

圖1 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井五峰組—龍馬溪組龍一段礦物含量綜合柱狀圖

全巖X衍射分析測(cè)試表明，目的層段石英含量在8%～75%(圖1)，且自下而上逐漸減少。其中五峰組—龍馬溪組龍一段一亞段內(nèi)的石英含量最高，平均達(dá)53%。薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，位于五峰組—龍一段一亞段內(nèi)的石英雜亂分布，多呈隱晶質(zhì)、微晶結(jié)構(gòu)，少數(shù)發(fā)育良好，形成自形晶(圖2a，b)，可見(jiàn)亮暗同心圓，中間往往被碳質(zhì)所充填，主要以鈣質(zhì)和硅質(zhì)海綿骨針以及硅質(zhì)放射蟲(chóng)為主[8-9]。這些特征表明，整個(gè)含氣頁(yè)巖段下部的五峰組—龍一段一亞段內(nèi)硅質(zhì)多為生物成因。位于龍一段二亞段中的石英含量平均在40%，通過(guò)鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，薄片中的石英呈紋層狀會(huì)聚，與富泥碳質(zhì)紋層間互層，形成明暗相間的紋層構(gòu)造，且自下而上粉砂質(zhì)紋層由細(xì)變寬再變細(xì)，其間的石英顆粒呈次棱—次圓狀，周圍被伊利石包裹(圖2c，d)。龍一段三亞段中石英含量明顯減少，薄片中呈不連續(xù)分布，石英顆粒主要呈次棱—次圓狀(圖2e，f)。由此判斷龍一段二、三亞段內(nèi)的石英有別于五峰組—龍一段一亞段，認(rèn)為龍一段二、三亞段以陸源石英為主。與此同時(shí)，研究區(qū)五峰組—龍一段一亞段內(nèi)的石英與有機(jī)碳呈較高的正相關(guān)關(guān)系[10]，而龍一段二、三亞段內(nèi)石英與有機(jī)碳含量無(wú)明顯相關(guān)關(guān)系(圖3)。進(jìn)一步研究證實(shí)，五峰組—龍一段一亞段沉積時(shí)，古生產(chǎn)力極高，硅質(zhì)生物和富有機(jī)質(zhì)的藻類生物等均較發(fā)育，因而硅質(zhì)和有機(jī)碳含量呈明顯的正相關(guān)；而龍一段二、三亞段鏡下觀察發(fā)現(xiàn)烴類生物碎屑較少，其中的石英具有一定磨圓度和分選性，呈現(xiàn)典型的陸源特征，說(shuō)明此時(shí)古生產(chǎn)力相對(duì)較低，陸源的輸入導(dǎo)致硅質(zhì)和有機(jī)碳含量沒(méi)有明顯的相關(guān)性。綜上所述，五峰組—龍一段一亞段中的石英主要來(lái)源于生物[8-9，11]，龍一段二、三亞段中的石英主要來(lái)源于陸源碎屑[12]。

1.2 黏土礦物

黏土礦物與石英在縱向上呈現(xiàn)出互為消長(zhǎng)趨勢(shì)，自下而上黏土含量逐漸增加，含量在12%～68%(圖1)。X衍射結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)的黏土礦物由伊利石、伊蒙混層以及綠泥石組成，而高嶺石基本不可見(jiàn)；隨著埋深的增加，各類黏土礦物絕對(duì)含量呈遞減趨勢(shì)，從相對(duì)含量的變化上來(lái)看，伊利石相對(duì)含量逐漸增加，伊蒙混層中蒙脫石相對(duì)含量降低，綠泥石相對(duì)含量基本保持穩(wěn)定。五峰組—龍一段一亞段中黏土礦量平均達(dá)28%，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)該段中黏土礦物多現(xiàn)于礦物邊緣或包裹礦物(圖2a，b)；龍一段二亞段中黏土礦物平均含量達(dá)40%，其中的黏土礦物主要為紋層狀，與粉砂質(zhì)紋層互層，形成明暗相間的紋層構(gòu)造(圖2c，d)；龍一段三亞段中黏土礦物含量平均達(dá)55%，鏡下觀察發(fā)現(xiàn)本段中黏土質(zhì)含量明顯增加，其間的泥屑呈拉長(zhǎng)狀，定向分布形成紋層結(jié)構(gòu)(圖2e,f)。

圖2 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井五峰—龍馬溪組電鏡下微觀特征

圖3 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井龍馬溪組一段石英含量與有機(jī)碳相關(guān)關(guān)系

1.3 其他礦物

JYA井五峰組—龍馬溪組龍一段內(nèi)除石英和黏土礦物外，還存在少量的長(zhǎng)石、碳酸鹽及黃鐵礦，三者總含量小于20%(圖1)。長(zhǎng)石整體含量較低，縱向上差異性不大，由鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石組成，以后者居多。碳酸鹽局部富集，其中的白云石含量略高于方解石。黃鐵礦主要呈草莓狀，形態(tài)完整，多包裹于黏土礦物中，自上而下逐漸增多，反映水體中的還原環(huán)境逐漸增強(qiáng)[13]。

2 頁(yè)巖礦物組分對(duì)儲(chǔ)集性能的影響

2.1 礦物組分對(duì)孔隙類型的影響

針對(duì)研究區(qū)五峰—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙類型，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，并建立了比較完善的孔隙類型分類方案[11，14]，然而對(duì)頁(yè)巖孔隙類型縱向上差異性分布特征及其控制因素的研究相對(duì)較少。本文在頁(yè)巖巖石礦物組分分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合氬離子拋光掃描電鏡技術(shù)，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層縱向上孔隙類型特征開(kāi)展相關(guān)研究。

2.1.1 有機(jī)孔

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的有機(jī)孔主要形成于有機(jī)質(zhì)熱裂解生烴過(guò)程中，因此該類型孔隙主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)(瀝青)內(nèi)或有機(jī)質(zhì)(瀝青)間。有機(jī)孔是頁(yè)巖儲(chǔ)集空間的重要組成部分，不僅是游離態(tài)頁(yè)巖氣的主要儲(chǔ)集空間，也有利于吸附態(tài)頁(yè)巖氣的附著。研究區(qū)五峰組—龍一段一亞段內(nèi)發(fā)育有大量的有機(jī)孔，結(jié)合氬離子拋光掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，部分有機(jī)孔屬于殘留在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙(圖4a),也有部分有機(jī)孔發(fā)育于瀝青中(圖4b)。主要是因?yàn)槎哂袡C(jī)孔形成模式的不同，但不管其為何種成因模式，有機(jī)質(zhì)孔隙的生成均與有機(jī)質(zhì)有關(guān)，為有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程中所生成的孔隙。有機(jī)質(zhì)孔隙平面上呈圓形、橢圓形及不規(guī)則形狀，孔隙邊緣清晰；圓形孔大多孤立發(fā)育，橢圓及不規(guī)則孔多呈連通狀態(tài)(圖4c)。有機(jī)質(zhì)孔隙尺度跨度較大，從納米級(jí)到微米級(jí)均有發(fā)育(圖4d)。按國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)的孔隙分類，屬于中孔和大孔級(jí)別，有機(jī)質(zhì)表面有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度高，多呈蜂窩狀，面孔率介于10%～50%，平均面孔率為30%。龍一段二亞段內(nèi)，有機(jī)孔發(fā)育量明顯減少(圖4e)；龍一段三亞段中，有機(jī)孔基本不發(fā)育(圖4f)。整體上來(lái)看目的層內(nèi)自下而上有機(jī)質(zhì)孔減少，這主要是因?yàn)榭v向上有機(jī)質(zhì)含量的變化。在五峰組—龍一段一亞段，硅質(zhì)來(lái)源以生物成因?yàn)橹?，高硅質(zhì)含量說(shuō)明了成烴生物的富集程度較高[15-16]，進(jìn)一步保證了有機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)孔的匹配。

2.1.2 無(wú)機(jī)孔

研究區(qū)五峰—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層縱向上廣泛發(fā)育無(wú)機(jī)孔，其中以碎屑孔(粒間孔、粒內(nèi)溶孔)和黏土礦物晶間孔為主。通過(guò)氬離子拋光掃描電鏡資料表明，無(wú)機(jī)孔的發(fā)育程度在縱向上存在明顯差異。五峰組—龍一段一亞段內(nèi)，黃鐵礦含量達(dá)到最高，其間主要發(fā)育以黃鐵礦晶間孔為主的無(wú)機(jī)孔(圖5a)；龍一段二亞段內(nèi)，陸源成因硅含量最高，其間主要發(fā)育粒間孔、粒內(nèi)溶孔和黃鐵礦晶間孔3種無(wú)機(jī)孔隙類型(圖5b，c)；龍一段三亞段內(nèi)，黏土礦物含量最高，其間孔隙類型以黏土礦物晶間孔為主(圖5d)。據(jù)前人研究認(rèn)為，隨著粒間黏土礦物含量增加，黏土礦物在成巖演化過(guò)程中，礦物晶體體積縮小而在晶體間生成晶間孔[17-18]。總體上來(lái)看，縱向上礦物組分的差異性直接控制了無(wú)機(jī)孔的類型。

圖4 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井五峰—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔類型

圖5 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井五峰—龍馬溪組無(wú)機(jī)孔類型

綜上來(lái)看，五峰組—龍一段一亞段，由于沉積環(huán)境閉塞，陸源碎屑供給不充分，生物發(fā)育，生物成因硅和黃鐵礦在本段中的含量最高，有機(jī)質(zhì)豐富，相應(yīng)有機(jī)孔發(fā)育，同時(shí)發(fā)育少量黃鐵礦晶間孔；龍一段二亞段，沉積環(huán)境相對(duì)開(kāi)放，有一定的陸源碎屑供給，硅質(zhì)以陸源碎屑為主，由外搬運(yùn)來(lái)的碎屑顆粒形狀不規(guī)則，因此形成了大量的粒間孔；龍一段三亞段，沉積環(huán)境開(kāi)放，陸源碎屑物質(zhì)供給較為充分，且隨著黏土礦物含量的明顯增多，伴隨著成巖過(guò)程中黏土礦物間的轉(zhuǎn)化，使得該巖性段中發(fā)育大量黏土礦物晶間孔。

2.2 礦物組分對(duì)物性的影響

通過(guò)JYA井實(shí)測(cè)物性數(shù)據(jù)和全巖測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖儲(chǔ)層中硅質(zhì)含量與孔隙度呈明顯正相關(guān)關(guān)系，黏土礦物含量與孔隙度呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，體現(xiàn)出頁(yè)巖礦物組分縱向上的差異性分布對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙類型同樣存在著影響。作者認(rèn)為組成頁(yè)巖的不同礦物是通過(guò)對(duì)孔隙類型的控制，進(jìn)一步影響了儲(chǔ)集物性，頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育有利于改善頁(yè)巖儲(chǔ)層物性，而黏土礦物晶間孔對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層物性可能具有一定破壞作用，導(dǎo)致其物性變差。

3 頁(yè)巖礦物組分對(duì)含氣性的影響

JYA井硅質(zhì)含量與總含氣量交會(huì)圖表明，五峰組—龍一段一亞段內(nèi)硅質(zhì)含量與總含氣量呈正相關(guān)關(guān)系，而龍一段二亞段和三亞段內(nèi)硅質(zhì)含量與總含氣量相關(guān)性不明顯(圖6a)。研究認(rèn)為，五峰組—龍一段一亞段內(nèi)，生物成因硅質(zhì)含量越高有機(jī)質(zhì)含量越高，儲(chǔ)層中的孔隙類型也以有機(jī)質(zhì)孔為主。由于有機(jī)質(zhì)孔的良好儲(chǔ)滲特性，該段頁(yè)巖儲(chǔ)層物性條件較好，因而有利于游離氣的儲(chǔ)集。同時(shí)基于有機(jī)質(zhì)的親油氣性，在有機(jī)質(zhì)表面吸附大量頁(yè)巖氣，因此五峰組—龍一段一亞段內(nèi)硅質(zhì)含量與總含氣量呈明顯正相關(guān)關(guān)系[19]。縱向上龍一段二亞段和三亞段，其孔隙類型逐漸從有機(jī)質(zhì)孔過(guò)渡到黏土礦物晶間孔，硅質(zhì)含量以陸源來(lái)源為主，因此在龍一段二亞段和三亞段內(nèi)硅質(zhì)含量與總含氣量相關(guān)性不明顯。

圖6 四川盆地焦石壩地區(qū)JYA井頁(yè)巖段總含氣量與礦物含量相關(guān)關(guān)系

JYA井黏土礦物含量與總含氣量交會(huì)圖(圖6b)表明，在頁(yè)巖儲(chǔ)層中黏土礦物含量與總含氣量相關(guān)性較差，主要是因?yàn)轫?yè)巖儲(chǔ)層自下而上黏土礦物含量增多，有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少。雖然黏土礦物晶間孔逐漸發(fā)育，存在一定的儲(chǔ)集空間，但是總含氣量的大小更多的受到有機(jī)質(zhì)含量的影響，因此頁(yè)巖儲(chǔ)層中黏土礦物含量與總含氣量相關(guān)性不明顯[20]。

4 頁(yè)巖礦物組分對(duì)可壓性的影響

巖石的脆性與頁(yè)巖儲(chǔ)層改造密切相關(guān)，是儲(chǔ)層力學(xué)性質(zhì)研究、井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以及水力壓裂效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，頁(yè)巖巖石中的脆性礦物含量是表征頁(yè)巖脆性的常用方法之一。根據(jù)前人研究表明，同時(shí)具有高楊氏模量和低泊松比的礦物脆性最大，最易于后期改造。依據(jù)不同礦物的彈性參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，涪陵焦石壩地區(qū)5種礦物(長(zhǎng)石、石英、碳酸鹽礦物、黏土礦物和黃鐵礦)類型中石英相對(duì)于其他礦物，具備高楊氏模量、低泊松比的典型脆性礦物所具有的彈性特征。故本文在此采用計(jì)算公式BRIT=V石英/(V石英+V碳酸鹽+V黏土)×100%(式中，BRIT為巖石脆性指數(shù)，V為礦物體積)，對(duì)涪陵焦石壩地區(qū)開(kāi)展脆性計(jì)算。

通過(guò)脆性指數(shù)計(jì)算，龍一段三亞段脆性指數(shù)范圍在8.4%～50%，平均值為30%；龍一段二亞段脆性指數(shù)范圍在31%～53%，平均值為45%；底部的五峰組—龍一段一亞段脆性指數(shù)范圍在30%～73%，平均值為51%。即隨埋深的增加，石英礦物含量逐漸增加，從而頁(yè)巖的脆性逐漸增強(qiáng)，位于五峰組—龍一段一亞段中的頁(yè)巖可壓性在整個(gè)目的層段中最好。由此可見(jiàn)，頁(yè)巖中石英的含量是頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，是頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

(1)四川盆地涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖主要由石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、白云巖、黃鐵礦和黏土礦物組成，且自下而上長(zhǎng)石、石英、黃鐵礦含量逐漸減少，黏土質(zhì)含量逐漸增多。

(2)研究區(qū)目的層段頁(yè)巖儲(chǔ)層段孔隙類型受巖石礦物組分的控制作用較為明顯，生物硅含量高時(shí)，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育且占主導(dǎo)地位；隨著陸源碎屑硅及黏土礦物含量的增加，無(wú)機(jī)孔開(kāi)始占主導(dǎo)。

(3)組成頁(yè)巖的不同礦物通過(guò)對(duì)孔隙類型的控制，進(jìn)一步影響了儲(chǔ)集物性，有機(jī)孔隙物性優(yōu)于無(wú)機(jī)孔。

(4)研究區(qū)目的層段頁(yè)巖儲(chǔ)層中巖石礦物組分與總含氣量關(guān)系密切，當(dāng)生物成因硅質(zhì)含量較高，而黏土含量較低時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量高，儲(chǔ)集物性好，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育，從而頁(yè)巖總含氣量高。

(5)研究區(qū)目的層段頁(yè)巖中不同的礦物組分是頁(yè)巖脆性、可壓性的決定性因素，即石英含量越高，巖石脆性指數(shù)越大，可壓性越好。

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