川南地區(qū)筇竹寺組新層系頁巖儲層特征

王同，熊亮，董曉霞，向克滿，周樺，鐘文俊，羅海金，郭衛(wèi)星，周靜

（1.中國石化西南油氣分公司，四川成都610016；2.四川省核工業(yè)地質調查院，四川成都610052）

四川盆地作為頁巖氣勘探開發(fā)的重點地區(qū)，主力層系龍馬溪組提交了萬億立方米探明儲量，已建成涪陵、威遠、威榮、昭通、太陽等大型頁巖氣田[1-3]。尋找落實頁巖氣勘探開發(fā)接替層系成為當務之急。近年來，川南地區(qū)筇竹寺組黑色頁巖是前期頁巖氣勘探目標，具有埋深適中、有機質豐度高、生烴潛力大、含氣性好等優(yōu)點，但也存在有機質孔隙較低、熱演化程度高的不足[4-7]。早在2010年中國石油威遠地區(qū)威201井針對筇竹寺組直井壓裂獲測試產量1.08×104m3/d，隨后中國石化于2012年在井研犍為地區(qū)A1井筇竹寺組直井壓裂20 m獲測試產量2.88×104m3/d。2015年，中國石化在井研犍為地區(qū)筇竹寺組實施第一口水平井——B1HF井，獲測試產量5.95×104m3/d，揭示下寒武統(tǒng)筇竹寺組具有良好的勘探潛力，但黑色頁巖厚度薄，制約了商業(yè)產能關的突破。因此，有必要深入開展筇竹寺組新層系頁巖儲層特征研究，探尋非常規(guī)頁巖氣勘探新思路，落實下步勘探目標，對于實現(xiàn)四川盆地頁巖氣新層系勘探突破具有重要指導意義。

1 區(qū)域地質概況

四川盆地南部地區(qū)筇竹寺組沉積主要受控于桐灣運動及興凱運動[8]。在這兩期構造運動影響下，形成綿陽—長寧拉張槽[9]。拉張槽內筇竹寺組表現(xiàn)為3套黑色頁巖—深灰色、灰色粉砂質頁巖—粉砂巖的沉積旋回。根據(jù)沉積旋回及巖—電組合特征，可將筇竹寺組分為兩段（筇一段、筇二段），11層（①—?號層）（圖1）。根據(jù)目前鉆探的5口井分析，其中①、⑤、⑨號層為黑色頁巖，厚度0～15.5 m，展布不穩(wěn)定，D1井、B2井⑤號層發(fā)生相變，不發(fā)育黑色頁巖。統(tǒng)計各井①、⑤、⑨號層儲層參數(shù)平均值，TOC為0.5 %～2.4 %，孔隙度為1.5 %～3.8 %；⑥—⑧號層粉砂質頁巖、含黏土粉砂巖厚度83～105.5 m，氣測顯示良好，表現(xiàn)為“低密度，低中子”的天然氣挖掘效應。統(tǒng)計各井⑥—⑧號層儲層參數(shù)平均值，TOC為0.25 %～0.41 %，孔隙度為2.2 %～2.9 %。因此，本次研究主要針對①、⑤、⑨號層黑色頁巖與⑥—⑧號層粉砂質頁巖、含黏土粉砂巖。

圖1 川南地區(qū)筇竹寺組地層綜合柱狀圖Fig.1 Composite histogram of Qiongzhusi Formation in southern Sichuan

2 礦物巖石學特征

根據(jù)川南地區(qū)筇竹寺組XRD（X射線衍射，X-Ray Diffraction）分析樣品，①、⑤、⑨號層礦物主要以石英為主（21 %～47 %），平均32 %；長石占5%～29.5%，平均13.48%；黏土礦物占11%～58.4%，平均含量40.5 %；碳酸鹽礦物較少（3 %～19.5 %），平均7.62%（圖2a）。⑥—⑧號層礦物主要以石英為主（8.1%～57.7%），平均39.11%；長石占8%～32.2%，平均21.69 %；黏土礦物占5.9 %～45 %，平均22.29 %；碳酸鹽礦物較少（2.4 %～70 %），平均14.29%（圖2b）。⑥—⑧號層局部由于發(fā)育鈣質粉砂巖條帶、透鏡體，因此，表現(xiàn)為高碳酸鹽特征。

圖2 川南筇竹寺組礦物學特征Fig.2 Mineralogical characteristics of Qiongzhusi Formation in the southern Sichuan

3 有機地化特征

3.1 有機質類型

對于演化程度高的頁巖來說，干酪根鏡檢結果僅供參考[10]，典型的干酪根組分依然以無定形腐泥為主，見少量海相鏡質體（圖3），生烴潛力好。根據(jù)飽和烴色譜及干酪根碳同位素綜合分析結果表明，干酪根碳同位素分析①、⑤、⑨號層δ13C（PDB，國際標準Pee Dee Belemnite）為-34.96 ‰～-32.09 ‰，⑥—⑧號層δ13C（PDB）為-34.09 ‰～-31.31 ‰。筇竹寺組主峰碳為18～23，主峰碳數(shù)較小，表明筇竹寺組有機質類型相對優(yōu)，綜合飽和烴色譜Ph/C18－Pr/C17關系分析，其中，Ph為植烷（Phytane），Pr為姥鮫烷（Pristane），筇竹寺組泥頁巖有機質為Ⅰ—Ⅱ1型。

圖3 A103井筇竹寺組干酪根組分Fig.3 Kerogen macerals of Qiongzhusi Formation in Well-A103

3.2 成熟度

對于古生界烴源巖熱成熟度的判斷一直是學術界爭論的熱點[11-12]。分析6口井的瀝青質反射率（Rb）、巖石熱解高峰溫度（Tmax）及黏土礦物XRD，綜合判斷筇竹寺組熱成熟度。利用測得的瀝青質反射率（Rb）換算等效鏡質體反射率（Ro），公式為Ro=0.618Rb+0.4[13]。頁巖黏土礦物組合反映了黏土礦物的成巖演化程度。3種實驗方法結論較為一致，Ro為2.35%～2.67%，Tmax為520～530℃，黏土礦物主要以伊利石（49 %）及混層比為5 %～10 %的伊蒙混層（39%）為主，含有少量綠泥石（13%），不含蒙脫石、高嶺石。

3.3 有機質豐度

筇竹寺組具有旋回性特征，因此，有機質豐度差異較大，①、⑤、⑨號層為海侵背景下形成的凝縮段黑色頁巖，有機質大量富集，TOC為0.77%～3.55%，平均1.85 %。在高成熟背景下，生烴轉化率高達90%。⑥—⑧號層沉積期由于粉砂注入，有機質被稀釋，TOC為0.09%～0.94%，平均0.3%。因此，頁巖氣勘探有待解放思路，探索有機質并不富集的粉砂質頁巖這一新層系。

4 儲層特征

4.1 儲集空間類型

基于氬離子拋光掃描電鏡觀察，認為川南筇竹寺組頁巖儲集空間可歸納為有機質孔隙、無機質孔隙和微裂縫三大類[14]。

筇竹寺組①、⑤、⑨號層表現(xiàn)為黑色富有機質頁巖（圖4a），有機質呈星散狀大量分布于微晶石英之間，少量與黃鐵礦、黏土礦物共生。有機質孔是黑色頁巖的主要的儲集空間。有機質孔結構表現(xiàn)為結構型蜂窩狀分布（圖4b）。無機孔發(fā)育較少，主要為黏土礦物晶間孔（圖4c），長石或碳酸鹽礦物溶蝕孔。脆性礦物粒間孔主要表現(xiàn)為黃鐵礦晶粒間印?？?。巖心裂縫幾乎不發(fā)育，微裂縫主要表現(xiàn)為成巖作用過程中造成礦物收縮或溶蝕（圖4d）。

筇竹寺組⑥—⑧號層表現(xiàn)為貧有機質粉砂質頁巖（圖4e）、含黏土粉砂巖（圖4f），有機質僅零星分布于粉砂碎屑顆粒之間，少量發(fā)育圓度較高的有機質孔（圖4g），反映出在成巖作用較強的背景下，依然存在脆性礦物顆粒間的抗壓實作用，有利于儲集空間的保存。主要儲集空間以無機孔為主，粉砂顆粒多呈點線接觸（圖4h），黏土礦物大多賦存于粉砂顆粒之間，形成大量的黏土礦物層間孔（圖4i、j）。巖心裂縫并不發(fā)育，縫密度0.1條/m，僅見少量的應力卸載縫及方解石充填高角度縫（圖4k）。同時全巖XRD實驗分析結果表明長石占8%～32.2%，碳酸鹽礦物占2.4%～70%，結合掃描電鏡觀察結果來看，長石及碳酸鹽礦物粒內溶孔及粒緣縫對于孔隙也具有一定的貢獻（圖4l）。

圖4 川南筇竹寺組微觀儲集空間類型Fig.4 Micro-reservoir space types of Qiongzhusi Formation in southern Sichuan

4.2 物性特征

結合氦氣孔隙度與測井模型，縱向上，⑤號層與⑨號層之間所夾的⑥—⑧號層表現(xiàn)為高孔隙度特征，孔隙度為0.52%～5.03%，平均為3.3%；①、⑤、⑨號層孔隙度為1.8%～4.2%，平均值分別為2.4%、2.1%、1.5%（圖5）。

圖5 川南地區(qū)筇竹寺組縱向孔隙度特征Fig.5 Vertical porosity characteristics of Qiongzhusi Formation in southern Sichuan

4.3 孔隙結構

利用物理吸附法表征巖石孔隙結構已被廣泛應用[15]，低溫氮氣吸附曲線可用以判斷微—中—大孔孔徑分布，滯后回環(huán)判斷孔隙形態(tài)[16]，壓汞曲線在頁巖中可以用來判斷孔隙分選及大孔分布[17]。

①、⑤、⑨號層氮氣吸附量大，低壓區(qū)—中壓區(qū)具有一定吸附量，說明發(fā)育微孔及較大中孔，當相對壓力接近1時，吸附量增加，說明有大孔的存在。吸附回環(huán)為H2（b）與H3型的復合特征，對應細頸墨水瓶廣體孔為主，含少量狹縫形孔（圖6a）。壓汞曲線與低溫氮氣吸附法聯(lián)測結果分析，孔徑分布集中在1～2 nm微孔區(qū)（圖6b）。

⑥—⑧號層氮氣吸附量適中，當相對壓力為0.9～1時，吸附量激增，說明發(fā)育有中孔與大孔為主。吸附回環(huán)為H3型，對應細狹縫形孔（圖6c）。利用壓汞曲線判斷宏孔分選及展布特征，進汞曲線及退汞曲線具有“三段式”特征，5～30 MPa大量進汞、退汞效率為29.7%，為細歪度、分選較好，反映大孔連通性良好（圖6d）。壓汞曲線與低溫氮氣吸附法聯(lián)測結果分析，孔徑分布呈兩個峰值，2～10 nm與50～200 nm（圖6e）。結合掃描電鏡觀察，明確了顆粒間充填的黏土礦物層間孔大量發(fā)育，占據(jù)主要儲集空間。

圖6 川南筇竹寺組孔隙結構特征Fig.6 Pore structure characteristics of the Qiongzhusi Formation in the southern Sichuan

4.4 含氣性特征

根據(jù)5口井實鉆情況揭示筇竹寺組①、⑤、⑨號層及⑥—⑧號層氣顯示較活躍，含氣性較好，鉆井液密度普遍介于1.34～1.60 g/cm3（圖7）。B1井鉆井液密度1.45 g/cm3，⑨號層全烴顯示高達26.88%，槽面見5%～10%針尖狀氣泡，解釋為氣層；⑤號層全烴顯示達4.74%，①號層全烴顯示為3.16%，均解釋為含氣層。C1井⑥—⑧號層鉆井液密度1.55 g/cm3，全烴顯示最高達24.76%，槽面見5%針尖狀氣泡，錄井解釋為氣層。A103井⑥—⑧號層鉆井液密度1.60 g/cm3取心鉆進，全烴顯示最高達3.74%。B2井⑥—⑧號層鉆井液密度1.42 g/cm3，全烴顯示10.60%。全區(qū)多口井⑥—⑧號層多段解釋為含氣層或氣層。

圖7 川南筇竹寺組氣測顯示對比Fig. 7 Gas logging correlation of Qiongzusi Formation in southern Sichuan

現(xiàn)場含氣量分析表明①、⑤、⑨號層黑色頁巖段含氣量相對較高，介于1.05～4.26 m3/t，平均值達到1.5 m3/t以上；⑥—⑧層含氣量為0.12～1.87 m3/t，平均值0.765 m3/t。從吸附機理來看，①、⑤、⑨號層黑色頁巖解析速率要低于⑥—⑧號層粉砂質頁巖及含黏土粉砂巖，因此，⑥—⑧號層巖心含氣量多在井筒逸散，造成現(xiàn)場含氣量測值偏低，無法很好地表征含氣性特征。

4.5 孔隙發(fā)育的影響因素初探

通常非常規(guī)頁巖氣勘探目標為黑色頁巖，具有一定厚度，脆性高，抗壓實性好，有機質孔大量發(fā)育，同時形成生烴增壓，有利于保存孔隙[18-19]。⑥—⑧號層中粉砂顆粒以石英、長石為主，隨著硅質礦物增加，孔隙度也隨之增大（圖8a、b），結合前述掃描電鏡觀察表明硅質礦物抗壓作用，有利于孔隙保存，具有源內富集的條件，并不受高演化程度的影響。碳酸鹽礦物與孔隙度相關性并不明顯，但碳酸鹽礦物過多時儲集空間多被鈣質膠結，表現(xiàn)為低孔隙度特征（圖8c）。黏土礦物過多表現(xiàn)為塑性增強，在壓實過程中，孔隙度降低（圖8d）。同時，JY1井實測地層壓力系數(shù)高達1.51，⑥—⑧號層發(fā)育在⑤、⑨號黑色頁巖層之間，呈“三明治”結構，其孔隙度較高，具有良好的儲集性能，有利于形成壓力封存。

圖8 筇竹寺組⑥—⑧號層礦物質量分數(shù)與孔隙度關系Fig.8 Relation between porosity and mineral content of⑥—⑧l(xiāng)ayers in Qiongzhusi Formation

5 結論

1）川南地區(qū)筇竹寺組①、⑤、⑨號層發(fā)育黑色頁巖具有高TOC、高演化程度、高生烴潛力、較高孔隙度特征，但厚度較?。虎蕖嗵枌臃凵百|頁巖、含黏土粉砂巖，具有高孔隙度，高脆性特征，氣測顯示良好。

2）川南地區(qū)筇竹寺組①、⑤、⑨號層黑色頁巖儲集空間以有機質孔為主，是高成熟度頁巖氣的有利儲集空間；⑥—⑧號層粉砂質頁巖、含黏土粉砂巖儲集空間以粒間孔及長石、碳酸鹽礦物溶蝕孔為主，粒緣縫改善其滲流能力。

3）川南地區(qū)筇竹寺組⑥—⑧號層粉砂質頁巖、含黏土粉砂巖發(fā)育在⑤、⑨號黑色頁巖層之間，呈“三明治”結構，有利于形成壓力封存，具有良好的儲集性能，是下一步有利勘探目標。