巢湖地區(qū)龍?zhí)督M過渡相煤系頁巖儲層發(fā)育特征

趙潤琦，崇 璇，趙迪斐，郭英海

(1.中石化中原石油工程有限公司，河南 濮陽 457001; 2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008;3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

頁巖氣是賦存于泥頁巖中的非常規(guī)天然氣，其主要賦存方式為吸附態(tài)、游離態(tài)[1]，具有源儲一體的特點，頁巖既是烴源巖也是儲集巖[2]。富有機質(zhì)泥頁巖根據(jù)沉積環(huán)境可劃分為海相，陸相及海陸過渡相泥頁巖，巢湖地區(qū)龍?zhí)督M頁巖屬海陸過渡相煤系頁巖，其儲層特征與海相頁巖存在明顯差異。目前，二疊系龍?zhí)督M煤系頁巖儲層已經(jīng)在頁巖氣研究中得到重視[3-5]，但與龍馬溪組、筇竹寺組等我國南方海相頁巖儲層相比，對其儲層特征、微觀孔隙及沉積環(huán)境研究仍相對較少。本文以巢湖姚家山剖面為例，應(yīng)用有機碳測試、氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡、X射線衍射、液氮吸附及壓汞等實驗手段，對龍?zhí)督M過渡相煤系頁巖儲層納米級孔隙進行定性、定量綜合研究，并對龍?zhí)督M海相煤系頁巖儲層生烴條件、儲氣條件及沉積環(huán)境進行綜合性分析。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于特提斯構(gòu)造與太平洋構(gòu)造的交匯處，揚子板塊東北部的下?lián)P子坳陷，郯廬斷裂帶的東側(cè)、太平洋板塊西側(cè)、蘇魯高壓-超高壓造山帶南側(cè)，中生代以來的構(gòu)造活動較為強烈，總體來說仍具有相對穩(wěn)定性的克拉通盆地性質(zhì)[6]。根據(jù)前人研究總結(jié)，海陸過渡相有機質(zhì)泥頁巖相對于海相頁巖單層厚度不大，平均厚度一般小于40m，但累計厚度較大，一般為100～600m。巢湖地區(qū)龍?zhí)督M的沉積環(huán)境主要包括潮坪-澙湖相、三角洲相、碳酸鹽巖臺地相等，頁巖多形成于澙湖、泥坪和三角洲平原沼澤中，原始有機質(zhì)含量豐富[7]，處于好烴源巖之列[8]。

頁巖類型可分為單獨發(fā)育及與煤層交互發(fā)育兩種，龍?zhí)督M頁巖在沼澤相中與煤層交互發(fā)育，在水下分流間灣相、泥坪相和澙湖相單獨發(fā)育。巢湖地區(qū)姚家山剖面龍?zhí)督M厚度約65m，可以為上、下兩段。本文實驗樣品取樣層位主要對應(yīng)于潮坪相與澙湖相沉積環(huán)境(圖1)。

圖1 巢湖地區(qū)姚家山剖面龍?zhí)督M沉積環(huán)境Figure 1 Caohu area Yaojiashan section Longtan Formation sedimentary environments

2 煤系頁巖有機質(zhì)特征

對巢湖地區(qū)煤系頁巖樣品進行地球化學(xué)特征分析，包括有機碳含量、有機質(zhì)類型和有機質(zhì)成熟度。有機碳含量測試結(jié)果表明：位于三角洲相的樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.5%；位于潮坪相的樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～3%；位于澙湖相的樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～13%(圖2)。頁巖樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)從底部向上遞減，表示生烴能力向上減弱。根據(jù)前人總結(jié)，遠景區(qū)平均TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.5%，有利區(qū)不低于1.5%，核心區(qū)不低于2.0%。TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.5%的樣品占比83.3%，即巢湖地區(qū)煤系頁巖可達到遠景區(qū)-核心區(qū)。有機質(zhì)豐度可決定含氣性，高含量的有機質(zhì)代表頁巖儲層生烴能力強，也意味著更好的吸附能力。

圖2 龍?zhí)督M頁巖儲層有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 2 Longtan Formation shale reservoir organic matter mass fractions

干酪根顯微組分鑒定結(jié)果表明：干酪根類型為III型干酪根，即有機質(zhì)類型屬腐殖型，有機質(zhì)來源以高等植物為主，有少量的低等植物參與。鏡質(zhì)組反射率Ro為1.2%～2.8%，Ro處于0.5%～2%時表示頁巖處于中熱和高熱演化階段，干酪根主要通過熱降解生成油氣，Ro處于1.3%～2.0%時易形成濕氣；Ro大于2.0%時表示頁巖處于過熱演化階段，干酪根處于熱裂解干氣階段[9]。有機質(zhì)成熟度增高會使有機質(zhì)更多的轉(zhuǎn)化為烴類，自生礦物發(fā)育、硅質(zhì)含量升高，從而增加頁巖脆性，更易形成裂隙。頁巖中的有機質(zhì)鑲嵌于各種無機物之間，在儲層中的賦存形態(tài)可為分散型、順層富集型、局部富集型，通過顯微鏡觀測薄片，圖3a中可看到層面呈條帶狀富集的有機質(zhì)，同時也屬于順層富集；圖3b中可看到有機質(zhì)呈分散型分布。

圖3 有機質(zhì)賦存狀態(tài)Figure 3 Organic matter hosting state

3 煤系頁巖礦物特征

頁巖的脆性礦物含量高有利于壓裂形成壓裂系統(tǒng)，黏土礦物含量高有利于提高氣體吸附量，進而可以影響頁巖氣的賦存和開采。通過對龍?zhí)督M煤系頁巖樣品進行X射線衍射分析獲得頁巖礦物成分及含量(圖4)。XRD分析結(jié)果顯示：巢湖地區(qū)龍?zhí)督M煤系頁巖礦物主要由黏土礦物和石英組成，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～41%，平均為35%；石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～43%，平均為27%；碳酸鹽礦物(主要為方解石、白云石、斜長石)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%～52%，平均為38%；脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%～74%， 平均為64%， 少量石膏和黃鐵礦等礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%(圖2)。黏土礦物對有機質(zhì)具有催化作用，可以促進有機質(zhì)生烴；并且黏土礦物可發(fā)育大量納米級孔隙和微裂隙進而增加頁巖氣儲層的孔隙度，黏土礦物顆粒表面積大影響吸附氣的含量。頁巖儲層脆性礦物含量高易形成天然裂隙，有利于氣體的儲集和滲流，壓裂時更易形成裂隙有利于儲層改造[10]。

圖4 巢湖地區(qū)龍?zhí)督M過渡相煤系頁巖礦物成分及含量Figure 4 Caohu area Longtan Formation transitional facies coal measures shale mineral composition and content

4 煤系頁巖孔隙發(fā)育特征

4.1 孔隙類型

通過氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡觀測龍?zhí)督M煤系頁巖儲層孔隙，基于孔隙的成因與形貌特征，可分為有機質(zhì)納米孔、黏土礦物片間孔、溶蝕孔、脆性礦物粒內(nèi)孔、微裂隙等多種孔隙成因類型[11-12](圖5)。有機質(zhì)納米孔的發(fā)育是有機質(zhì)熱演化的結(jié)果，其所形成的孔隙具有較大的比表面積，是頁巖氣吸附成藏的重要儲集空間；溶蝕孔隙、黏土礦物片間孔在頁巖儲層中普遍發(fā)育，是龍?zhí)督M孔隙的重要類型；微裂隙發(fā)育程度較高，有利于氣體的滲流。與龍馬溪組相比，有機質(zhì)孔隙發(fā)育不均一且發(fā)育程度低，但黏土礦物孔隙極為發(fā)育，并發(fā)育殘余粒間孔[13]。

圖5 龍?zhí)督M頁巖儲層孔隙發(fā)育特征Figure 5 Longtan Formation shale reservoir pore development features

龍?zhí)督M儲集空間構(gòu)成較為復(fù)雜，吸附能力較強的黏土礦物孔隙與有機質(zhì)孔隙對頁巖氣儲集最為重要，溶蝕孔隙、骨架礦物周緣孔隙等較為發(fā)育的骨架礦物孔隙也對儲集空間具有一定貢獻；大量發(fā)育的微裂隙不僅提供了一定的儲集空間，還構(gòu)成了氣體解吸滲流的通道。

4.2 孔隙發(fā)育特征

頁巖氣儲層納米級孔為致密儲層連通性儲集空間的主體，而微裂隙可為頁巖氣提供聚集空間、運移通道[14]。液氮吸附實驗結(jié)果表明，龍?zhí)督M頁巖儲層樣品孔徑主體發(fā)育在80nm以下，平均孔徑33.4nm，40nm左右的孔徑分布最廣，微孔主要集中分布在2nm左右和10～100nm。壓汞法可以測量6.5～100 000nm孔徑的有效孔隙，在低壓時出現(xiàn)無進汞量或進汞量極小的現(xiàn)象，而在1 000～1 200Pa之后，則基本未再出現(xiàn)無進汞量現(xiàn)象。對高壓壓汞數(shù)據(jù)進行處理可知：龍?zhí)督M頁巖儲層中小孔和微孔占據(jù)了主要儲集空間和比表面積，其中，微孔占據(jù)孔隙空間比例為5.81%～27.15%，平均比例為14.24%，小孔所占比例為30.92%～82.47%，平均比例為60.16%，中孔所占比例為6.30%～33.08%，平均比例為19.96%，大孔所占比例為2.47%～13.85%，平均比例為7.63%；微孔對總比表面積的貢獻比例為25.50%～31.33%，平均比例為30.17%，小孔貢獻比例介于62.61%～72.23%，平均值為67.61%，中孔和大孔貢獻比例極小，平均比例為7.63%。小孔和微孔占據(jù)90%以上的比表面積，有利于頁巖氣吸附存儲，同時也占據(jù)70%以上的孔容，有利于游離氣的賦存。

圖6 龍?zhí)督M孔隙孔容比例與比表面積比例Figure 6 Longtan Formation pore volume ratio and specific surface area ratio

5 結(jié)論

(1)龍?zhí)督M頁巖主體TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～12.5%，從三角洲相、潮坪相到澙湖相的轉(zhuǎn)變TOC含量有明顯的增高；鏡質(zhì)組反射率Ro為1.2%～2.8%；有機質(zhì)類型屬腐殖型。

(2)龍?zhí)督M煤系頁巖礦物主要由黏土礦物和石英組成，其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35%、27%。含量較高的脆性礦物有利于儲層原始微裂隙的發(fā)育，同時有利于儲層的壓裂改造；含量高的黏土礦物可提供更大的比表面積，進而影響頁巖氣的吸附量。

(3)龍?zhí)督M頁巖孔隙主要發(fā)育有機質(zhì)孔隙、黏土礦物片間孔隙、礦物溶蝕孔、微裂隙等多種類型，有機質(zhì)孔隙發(fā)育不均一，但黏土礦物孔隙、溶蝕孔較為發(fā)育，并發(fā)育殘余粒間孔。龍?zhí)督M儲層平均孔徑33.4nm，比表面積13.44 m2/g，微孔、小孔極為發(fā)育，提供了主要的孔隙比表面積與孔體積。

(4)龍?zhí)督M儲層孔隙特征主要受控于沉積環(huán)境與成巖作用，黏土礦物組分和有機質(zhì)的演化控制納米孔隙發(fā)育，三角洲沼澤相、泥坪相與澙湖相是有利于龍?zhí)督M煤系頁巖儲層發(fā)育的沉積環(huán)境。