四川盆地北緣米倉山隆起頁巖氣儲層特征研究

李華兵，王 喆，許 峰，金 凱，王 寧.

(陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710068)

頁巖氣作為一種清潔能源，能夠減輕我國北方地區(qū)的霧霾現(xiàn)象。四川盆地是我國重要的含油氣盆地之一，其北緣米倉山隆起地區(qū)主要位于陜西省境內(nèi)，近些年研究發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域同樣具有頁巖氣開發(fā)潛力，本文研究頁巖氣儲層，為陜西頁巖氣發(fā)展提供參考。目前研究區(qū)內(nèi)主要研究方向集中在烴源巖研究，缺少儲層特征相關(guān)方面的研究。本文從微觀出發(fā)，直觀地體現(xiàn)了頁巖氣儲層特征，并對儲層進行評價。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造特征

米倉山隆起受到青藏高原的隆升、龍門山造山和秦嶺造山帶的影響，其北部為回軍壩向斜，緊鄰漢南基地隆起帶；南部為撓曲帶，經(jīng)過平緩變形區(qū)進入四川盆地；東部為寬緩的傾伏背斜，與大巴山弧形構(gòu)造帶相交；西部同樣為寬緩的傾伏背斜，受龍門山推覆構(gòu)造帶影響。復(fù)雜的構(gòu)造地質(zhì)背景對頁巖氣的富集產(chǎn)生較大影響。

復(fù)雜的構(gòu)造作用對頁巖氣富集是一把雙刃劍[1]。頁巖氣一般儲集在烴源巖中，構(gòu)造的擠壓作用使烴源巖形成多種裂隙，增大儲集空間和形成運移通道。一定程度上的擠壓使得烴源巖儲層處于壓而不破狀態(tài)下，更利于頁巖氣的聚集以及后期儲層的開發(fā)。相反，如果擠壓過度， “通天”斷裂會破壞壓力場下的平衡，從而使游離氣大量散失，不利于頁巖氣的保存。

米倉山隆起經(jīng)歷多起構(gòu)造運動，最終形成箱狀背斜，大多為小型斷裂(圖1)，這為頁巖氣的富集創(chuàng)造了良好的儲集條件[2]。

圖1 米倉山隆起帶大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Map of the tectonic position of Micang Mountain uplift belt1.一級構(gòu)造單元界線；2.二級構(gòu)造單元界線；3.斷層；4.推測隱伏斷層；5.研究區(qū)；6.構(gòu)造單元代號；Ⅰ.米倉山推覆構(gòu)造帶；Ⅰ1.米倉山推覆隆起帶；Ⅰ11.官壩-水磨逆沖疊瓦帶；Ⅰ12.光霧山推覆體；Ⅰ13.曾家-吳家滑褶帶；Ⅰ14.碑壩推覆體；Ⅰ2.米倉山南緣滑脫構(gòu)造帶；Ⅰ3.漢南推覆隆起帶；Ⅰ4.漢南南緣滑脫帶；Ⅱ.龍門山推覆構(gòu)造帶；Ⅱ1.后龍門山推覆構(gòu)造帶；Ⅱ1.前龍門山滑脫帶；Ⅲ.松潘-甘孜構(gòu)造帶；Ⅳ.秦嶺構(gòu)造帶；Ⅴ.大巴山推覆構(gòu)造帶；Ⅴ1.北大巴山推覆構(gòu)造帶；Ⅴ2.南大巴山滑脫帶；Ⅵ.四川盆地；Ⅵ1.川北弱變區(qū)；Ⅵ2.川東滑脫帶

1.2 沉積特征

頁巖氣具有自生自儲的特點，米倉山隆起頁巖氣主要儲集層位是寒武系牛蹄塘組和志留系龍馬溪組，本文主要介紹這兩個層系的沉積環(huán)境。

早寒武世牛蹄塘期是四川盆地的首次海侵，米倉山隆起處于深水陸棚亞相與淺水陸棚亞相的過渡相帶(圖2)，水動力條件較弱，沉積厚度較大[3]。牛蹄塘組主要為黑色炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、含硅質(zhì)炭質(zhì)頁巖夾炭質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r。

圖2 早寒武世牛蹄塘期巖相古地理(據(jù)程俊，2017)Fig.2 Lithofacies and Palaeogeographic map of the Early Cambrian Niutitang Formation

四川盆地在晚奧陶—早志留世龍馬溪期海域面積逐漸縮小，盆地外緣為陸棚淺海和陸架邊緣海。揚子板塊周緣隆起不斷上升，陸源碎屑沉積逐漸增加[4]。米倉山隆起沉積相變?yōu)闇\水陸棚相、潮坪相。受沉積影響，龍馬溪組巖性主要為深灰色—黑色含炭硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁巖夾粉砂巖條帶，普遍含炭質(zhì)、含黃鐵礦晶粒及結(jié)核。該區(qū)龍馬溪組頁巖沉積環(huán)境為濕潤、厭氧的邊緣淺海沉積環(huán)境(圖3)，物源以陸源碎屑為主，部分來自生物成因及熱水沉積作用。

2 儲層特征分析

頁巖氣做為一種非常規(guī)能源，具有自生自儲自保存的特點，一般呈現(xiàn)游離氣和吸附氣賦存于頁巖之中。頁巖既是烴源巖又是儲層，甚至還是蓋層[5]。頁巖一般做為常規(guī)油氣的烴源巖，是一種特殊的儲層，具有特低孔、特低滲特點。由于四川盆地頁巖氣主要存儲于下寒武系牛蹄塘組和上奧陶系-下志留系龍馬溪組，所以本文著重從這兩套層系進行分析。

2.1 巖石礦物學(xué)特征

牛蹄塘組底部為黑色炭質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，頂部為深灰色炭質(zhì)硅質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖，水平紋層發(fā)育，含鈣質(zhì)，厚度薄，含碳量低，與上覆石牌組巖性較接近。

龍馬溪組巖石組合為黑色碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖、含碳泥質(zhì)頁巖夾黑色薄層硅質(zhì)巖和薄層狀、條帶狀粉砂巖、斑脫巖。底部為黑色炭質(zhì)頁巖夾棕褐色粘土層，頂部為深灰—灰黑色粉砂質(zhì)頁巖，整體巖石碳質(zhì)、硅質(zhì)含量較低。

圖3 晚奧陶—早志留世龍馬溪期沉積相圖Fig.3 Upper Ordovician-Early Silurian Longmaxi sedimentary facies

2.1.1 牛蹄塘組

根據(jù)在研究區(qū)收集樣本，利用礦物X射線衍射分析實驗，得到牛蹄塘組黑色頁巖組成礦物主要有石英、粘土、長石以及少量的黃鐵礦和菱鐵礦。其中石英含量最大，為33%～54%，平均含量為44%；粘土含量為22%～38%，平均含量為30%；長石含量為0%～30%，平均18%(其中鉀長石平均0～7%，平均3%；斜長石13～27%，平均19%)；黃鐵礦含量為0～6%，平均含量為3%；菱鐵礦含量最小，為0～2%，平均含量為0.33%(圖4)。

圖4 牛蹄塘組礦物成分含量圖Fig.4 Mineral composition of the hoofed pond group

2.1.2 龍馬溪組

上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖X射線全巖衍射分析實驗表明：龍馬溪組頁巖主要成分為石英、粘土礦物和長石以及少量的菱鐵礦。其中石英含量為55%～75%，平均含量為63%，粘土礦物含量分布在24%～38%范圍內(nèi)，平均含量為31%；長石含量為6%(全部為斜長石)；菱鐵礦含量為0～1%，平均為0.5%(圖5)。

圖5 龍馬溪組礦物成分含量圖Fig.5 Mineral composition of Longmaxi Formation

2.2 儲集空間類型

頁巖儲層中的原生孔隙主要分散于頁巖所包含的粘土礦物中的粉砂質(zhì)顆粒之間。原生孔隙隨著埋深而逐漸降低，與常規(guī)儲層相似[6]。次生孔隙主要是顆粒內(nèi)部的偏基性斜長石在熱力學(xué)作用下溶蝕而得到的孔隙。這類孔隙具有連通性較差，但孔隙半徑較大，是頁巖氣的主要儲集空間[7]。

2.2.1 原生孔隙

研究區(qū)雖然位于四川盆地邊緣，埋深相對于盆地中部較淺，但牛蹄塘組埋深約在4 500 m，龍馬溪組埋深大約3 000 m，因此原生孔隙也被較大程度的壓縮，發(fā)育程度較低，鏡下觀察也表明原生孔隙并不發(fā)育(圖6、圖7)。

通過掃描電鏡觀測，牛蹄塘組原生孔隙孔徑約在2 μm左右，龍馬溪組原生孔隙孔徑約在0.5 μm左右(表1)。

圖6 牛蹄塘組原生孔隙鏡下觀測圖Fig.6 Observation of primary porosity in Niuhuatang Formation

圖7 龍馬溪組原生孔隙鏡下觀測圖Fig.7 Observation of primary porosity in Longmaxi Formation

表1 儲集空間研究采樣統(tǒng)計表Table1 Statistical tables for sampling Space Studies in storage

2.2.2 次生孔隙

研究區(qū)牛蹄塘組次生孔隙主要包括由顆粒部分或全部溶解形成的溶蝕孔或鑄?？缀筒葺疇铧S鐵礦結(jié)核內(nèi)晶體之間的孔隙(圖8)，大部分孔徑分布在4～10 μm。

龍馬溪組頁巖內(nèi)大量發(fā)育由顆粒部分或全部溶解形成的溶蝕孔及黃鐵礦鑄模孔(圖9)。其中溶蝕孔孔徑可以達(dá)到微米級別，鑄模孔孔徑分布在200～400 nm范圍內(nèi)。

2.2.3 裂縫

研究區(qū)經(jīng)歷多次構(gòu)造運動形成的裂縫為頁巖氣儲集和運移提供了條件。頁巖特低孔、特低滲的特點決定了儲層孔隙達(dá)不到商業(yè)開采價值，只有儲層內(nèi)發(fā)育的裂縫才能使得頁巖氣進行運移[8]。因此，裂縫的發(fā)育情況對頁巖氣產(chǎn)能產(chǎn)生較大影響。

圖8 牛蹄塘組次生孔隙鏡下觀測圖Fig.8 Observation of secondary porosity in Niuhuatang Formation

圖9 龍馬溪組次生孔隙鏡下觀測圖Fig.9 Observation of secondary porosity in Longmaxi group

下寒武系牛蹄塘組受印支運動影響，發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造運動，產(chǎn)生大量裂縫。普遍發(fā)育三組節(jié)理，產(chǎn)狀233o∠54o，260o∠80o，65o∠67°(圖10a)。而下志留統(tǒng)龍馬溪組地層是受燕山期末發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造運動影響，在中產(chǎn)生大量構(gòu)造裂縫(圖10b)。

圖10 裂隙、節(jié)理發(fā)育圖Fig.10 development diagram of fracture and joint

2.3 儲層物性特征

頁巖氣儲層物性主要包括孔隙度和滲透率，研究孔隙度和滲透率特征能夠指導(dǎo)后期的頁巖氣開發(fā)。頁巖中發(fā)育大量的原生孔隙和次生孔隙，這些孔隙都有較大的比表面，能夠賦存大量的吸附氣[9]。頁巖的滲透性非常差，不利于頁巖氣的運移后期開發(fā)必須制造人工裂縫[10]。

目前北美頁巖氣物性評價采用GRI頁巖巖心測量方法，而我國還不掌握該項方法，所以國內(nèi)普遍利用常規(guī)方法-壓汞實驗來評價頁巖儲層物性[11]。

此次研究充分利用該區(qū)野外地質(zhì)調(diào)查采集的樣品，利用壓汞實驗方法，對每塊樣品進行分析，得到牛蹄塘組頁巖有效孔隙度為0.2%～6.9%，平均為3.4%，滲透率在0.001 5×10-3μm2-0.009×10-3μm2，平均為0.005×10-3μm2。龍馬溪組頁巖有效孔隙度為0.47%～14.9%，平均為4.57%，滲透率在0.02×10-3μm2-0.04×10-3μm2，平均為0.0328×10-3μm2(表2)?？紫抖扰c滲透率都很低，屬于致密儲層[12]。

表2 物性采樣統(tǒng)計表Table 2 Physical sampling statistical tables

3 結(jié)論

(1)通過對研究區(qū)巖石礦物學(xué)特征進行分析發(fā)現(xiàn)，脆性礦物含量最高，牛蹄塘組和龍馬溪組石英的含量分別為44%和63%，有利于后期對儲層的壓裂改造[13]；長石含量最低，不利于次生孔隙的發(fā)育；粘土礦物含量較高，有利于吸附氣的賦存，但也會對儲層孔隙進行堵塞，傷害到儲層物性。

(2)原生孔隙孔徑較低，牛蹄塘組約在2 μm左右，龍馬溪組約在0.5 μm左右，達(dá)不到游離氣的賦存(>5 μm)要求[14]。但是，原生孔隙內(nèi)表面積較大，牛蹄塘組約在4～10 μm，龍馬溪組約在200～400 nm，能夠賦存吸附氣(>100 nm)；次生孔隙較為發(fā)育，孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頁巖氣的直徑(0.4 nm)；受構(gòu)造影響，裂縫較為發(fā)育，對儲層起到改善作用[15]。

(3)儲層物性差，屬于特低孔(0～10 μm)、特低滲(<0.01×10-3μm2)儲層，自身不具備自然產(chǎn)能，后期開發(fā)必須對儲層進行改造，實施大規(guī)模壓裂。