川東南地區(qū)茅口組第一段灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間構(gòu)成定量分析

夏文謙, 張漢榮, 劉 瑾, 汪 雷

(中國石化勘探分公司，成都 610041)

四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組油氣勘探自20世紀(jì)50年代開始，至今已有70余年。前人對(duì)茅口組儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)大多集中在中上部的巖溶縫洞體及熱液白云巖上[1-6]，而茅口組第一段(簡(jiǎn)稱“茅一段”)一直作為烴源巖地層進(jìn)行研究[7-10]，對(duì)該層位的儲(chǔ)集性能、儲(chǔ)集空間及儲(chǔ)層分布規(guī)律等問題認(rèn)識(shí)尚不明確。近期，川東南多口井在茅一段測(cè)試獲得工業(yè)氣流，鄰區(qū)多口井茅一段亦鉆遇良好油氣顯示，揭示該領(lǐng)域具有良好的勘探潛力。川東南茅一段灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層研究工作起步較晚，其勘探程度遠(yuǎn)落后于頁巖儲(chǔ)層和致密砂巖儲(chǔ)層，有關(guān)儲(chǔ)集空間構(gòu)成定量分析的成果更鮮有報(bào)道。

儲(chǔ)集空間構(gòu)成定量分析是非常規(guī)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，需應(yīng)用高精度掃描電鏡，結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開展統(tǒng)計(jì)分析。目前，國內(nèi)僅在川南五峰組-龍馬溪組頁巖、筇竹寺組頁巖等重點(diǎn)層系開展過相關(guān)工作[11-14]。本文以川東南地區(qū)茅一段系統(tǒng)巖心資料為基礎(chǔ)，探索應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析法建立儲(chǔ)層和孔隙度數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)儲(chǔ)層物性、地球化學(xué)等實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)茅一段灰泥灰?guī)r儲(chǔ)集空間構(gòu)成狀況進(jìn)行定量分析和評(píng)價(jià)，為開展川東南地區(qū)茅一段油氣富集機(jī)理研究提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

川東南地區(qū)是四川盆地重要的產(chǎn)氣區(qū)(圖1)。中二疊世，揚(yáng)子陸塊漂移至古特提斯洋中東部，位于赤道附近，廣泛發(fā)育熱帶淺水碳酸鹽沉積。受前二疊紀(jì)構(gòu)造古地理影響，整個(gè)中上揚(yáng)子地區(qū)茅口組表現(xiàn)為由西向東單斜的碳酸鹽巖緩坡模式沉積。茅一段沉積時(shí)期繼承了棲霞期海侵原貌，海平面繼續(xù)升高，川東南地區(qū)長(zhǎng)期處于深水缺氧環(huán)境，沉積了一套外緩坡相富含有機(jī)質(zhì)的灰泥灰?guī)r、瘤狀灰泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、灰?guī)r等，厚度為100～150 m(圖2)。

圖1 川東南地區(qū)構(gòu)造位置圖Fig.1 Tectonic location of southeastern Sichuan Basin

圖2 A井茅一段地層剖面示意圖Fig.2 Stratigraphic column of P2m1 of Well A

2 灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙定量表征

2.1 儲(chǔ)層孔隙類型

通過對(duì)川東南茅一段灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層特征研究，結(jié)合前人研究成果[15-21]認(rèn)為：茅一段儲(chǔ)集空間主要以納米級(jí)孔縫為主，孔徑以1.5～60.4 nm的微孔和中孔為主，大孔和微裂縫次之；空間類型主要為有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物收縮孔縫、礦物界面縫和晶間/晶內(nèi)溶孔4種類型(圖3)。其中黏土礦物收縮孔縫和礦物界面縫是灰泥灰?guī)r儲(chǔ)集空間的特色和重要組成部分。這是灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層與頁巖儲(chǔ)層及致密砂巖儲(chǔ)層的顯著區(qū)別，也為該儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間定量表征提供了依據(jù)。

圖3 A井茅一段儲(chǔ)集空間類型Fig.3 Plates showing reservoir space types in P2m1 from Well A(A)黏土礦物收縮縫，深度1 358.85 m; (B)礦物界面縫，深度1 286.5 m; (C)晶間/晶內(nèi)溶孔，深度1 286.5 m; (D)有機(jī)質(zhì)孔，深度1 295.46 m

根據(jù)茅一段灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙與各類礦物的相關(guān)關(guān)系，可將儲(chǔ)集空間進(jìn)一步歸納為：①與有機(jī)質(zhì)相關(guān)的微孔隙(簡(jiǎn)稱有機(jī)質(zhì)孔)，主要包括有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙、有機(jī)質(zhì)與其他礦物的界面縫；②與脆性礦物相關(guān)的微孔隙(簡(jiǎn)稱脆性礦物孔)，主要包括脆性礦物晶間/晶內(nèi)溶孔、脆性礦物之間界面縫、脆性礦物與其他礦物的界面縫；③與黏土礦物相關(guān)的微孔隙(簡(jiǎn)稱黏土礦物孔)，主要包括黏土礦物收縮孔縫、黏土礦物與其他礦物的界面縫。在灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層中，脆性礦物、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)3類物質(zhì)對(duì)孔隙的貢獻(xiàn)存在差異，本文以川東南地區(qū)系統(tǒng)取心井A井茅一段測(cè)試分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙與各類礦物的關(guān)系開展定量表征。

2.2 儲(chǔ)集空間定量表征數(shù)學(xué)模型

灰泥灰?guī)r儲(chǔ)集空間的定量表征主要體現(xiàn)在脆性礦物(白云石、石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦等)、黏土礦物和有機(jī)質(zhì)三者對(duì)總孔隙的貢獻(xiàn)。借鑒前人研究成果[11-12]，重點(diǎn)考慮灰泥灰?guī)r內(nèi)儲(chǔ)集空間的特點(diǎn)，建立孔隙度數(shù)學(xué)模型

q=(wTOCVTOC+wBriVBri+wClayVClay)ρ

(1)

式中：wTOC表示有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；VTOC表示有機(jī)質(zhì)單位質(zhì)量?jī)?nèi)微孔隙體積；wBri表示脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；VBri表示脆性礦物單位質(zhì)量?jī)?nèi)微孔隙體積；wClay表示黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；VClay表示黏土礦物單位質(zhì)量?jī)?nèi)微孔隙體積；ρ表示巖石密度；q表示孔隙度。其中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、巖石密度、孔隙度都可以通過測(cè)試獲得。

VTOC表示賦存于每千克有機(jī)質(zhì)內(nèi)的孔隙體積，受有機(jī)質(zhì)類型和成熟度等因素共同影響。研究成果證實(shí)，高-過成熟(Ro>1.3%)階段的Ⅰ、Ⅱ型干酪根有機(jī)質(zhì)，VTOC值普遍較高，且納米級(jí)孔隙較為發(fā)育，例如中國南方海相頁巖儲(chǔ)層[22-27]及北美頁巖儲(chǔ)層[28-32]；而Ⅲ型干酪根有機(jī)質(zhì)和未熟-低熟生油階段(Ro<0.7%)的Ⅰ、Ⅱ型干酪根有機(jī)質(zhì)，VTOC值一般較低，基本不發(fā)育納米級(jí)孔隙，例如中國中西部煤系泥頁巖[16]。

VBri表示每千克脆性礦物內(nèi)的孔隙體積，主要與脆性礦物種類、密度和礦物內(nèi)部晶體排列方式等因素有關(guān)。例如：方解石、石英含量較高并能形成骨架支撐，使孔隙在壓實(shí)過程中保存下來，則VBri相對(duì)較高；另外，受到不同類型礦物組合特征的影響，方解石、石英等脆性礦物與黏土礦物之間比例適當(dāng)，在礦物接觸面存在界面縫，則VBri相對(duì)較高。

VClay表示賦存于每千克黏土礦物內(nèi)的孔隙體積，主要與黏土礦物層間形成的開啟孔隙有關(guān)，因此受黏土礦物成分、含量等因素影響。總體而言，滑石、伊利石層間微孔發(fā)育、比表面積較大，蒙脫石、高嶺土層間微孔隙體積較小，因此滑石、伊利石含量高而蒙脫石、高嶺土含量低，則VClay較高，反之則較低。由于黏土礦物成分、含量等受沉積相和成巖作用控制[33]，所以VClay最終受上述兩種因素控制。

2.3模型參數(shù)刻度與檢驗(yàn)

川東南地區(qū)茅一段依據(jù)巖性變化特征自上而下可以劃分為8個(gè)小層，本次研究選取最具代表性的第1、第3、第6小層進(jìn)行刻度與檢驗(yàn)。在每層中各選3個(gè)樣品點(diǎn)，將3點(diǎn)的礦物含量、巖石密度和孔隙度數(shù)據(jù)代入(1)式建立三元一次方程組，并解出VTOC、VBri和VClay值。以第1小層為例，將A井深度分別為1 354.34 m、1 356.52 m、1 366.77 m 三組樣品數(shù)據(jù)代入(1)式

計(jì)算得出第1小層VTOC=0.164 393 9 cm3/kg，VBri=0.342 857 1 cm3/kg，VClay=0.490 076 3 cm3/kg。同理，計(jì)算出第3、第6小層VTOC、VBri和VClay值(表1)。

表1 A井茅一段各小層計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of each sublayer in P2m1 from Well A

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合茅一段巖石礦物測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)第1、第3、第6小層其余資料點(diǎn)進(jìn)行孔隙度定量測(cè)算，并將計(jì)算結(jié)果與對(duì)應(yīng)深度點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖4、圖5、表2)。對(duì)比結(jié)果表明，各小層的計(jì)算孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度吻合程度較高，說明計(jì)算結(jié)果基本能夠反映茅一段儲(chǔ)層實(shí)際情況。

表2 A井茅一段孔隙度計(jì)算結(jié)果Table 2 Porosity calculation results of P2m1 in Well A

圖4 孔隙度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagram of calculated and measured values of porosity

圖5 A井茅一段灰泥灰?guī)r計(jì)算孔隙度與實(shí)測(cè)孔隙度分布圖Fig.5 Distribution of calculated and measured porosity of P2m1 of Well A

2.4 孔隙構(gòu)成

經(jīng)計(jì)算，茅一段灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙度大小隨著有機(jī)質(zhì)含量、脆性礦物含量及黏土礦物含量比例的變化而發(fā)生波動(dòng)(圖6、表3)。為直觀表達(dá)孔隙度與每種礦物含量差異的關(guān)系，建立其關(guān)系圖版并分別對(duì)各小層進(jìn)行描述(圖7)。

表3 A井茅一段各類礦物所提供的孔隙度Table 3 The pores provided by the minerals in P2m1 from Well A

圖6 A井茅一段孔隙度構(gòu)成圖Fig.6 Porosity composition diagram of the P2m1 in Well A

第6小層：巖性主要為深灰色灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r?？紫抖葹?.34%～2.82%，平均為1.29%；總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.22%～1.69%，平均為1.44%；有機(jī)質(zhì)孔為0.25%～0.35%，平均為0.30%；脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.6%～28.2%，平均為14.21%；脆性礦物孔為0.69%～2.49%，平均為1.27%；黏土礦物含量極低，不參與計(jì)算(圖7-A)。從貢獻(xiàn)率角度講，有機(jī)質(zhì)對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率為12%～27%，平均為21%；脆性礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率為73%～88%，平均為79%(圖7-B)。有機(jī)質(zhì)孔∶脆性礦物孔≈1∶4。

第3小層：巖性主要為灰黑色灰泥灰?guī)r、瘤狀灰泥灰?guī)r?？紫抖葹?.23%～4.97%，平均為3.00%；總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%～1.05%，平均為0.74%；有機(jī)質(zhì)孔為0.07%～0.53%，平均為0.37%；脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～46.4%，平均為21.58%；脆性礦物孔為0.09%～4.33%，平均為2.03%；黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%～42.7%，平均為14.96%；黏土礦物孔為0%～3.24%，平均為0.97%(圖7-C)。從貢獻(xiàn)率角度講，有機(jī)質(zhì)對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率為6%～72%，平均為20%；脆性礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率為27%～83%，平均為57%；黏土礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率為0%～65%，平均為22%(圖7-D)。有機(jī)質(zhì)孔∶脆性礦物孔∶黏土礦物孔≈1∶3∶1。

第1小層：巖性主要為灰黑色灰泥灰?guī)r、瘤狀灰泥灰?guī)r?？紫抖葹?.21%～2.49%，平均為1.12%。總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%～0.86%，平均為0.48%；有機(jī)質(zhì)孔為0.03%～0.37%，平均為0.21%；脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%～56.1%，平均為23.24%；脆性礦物孔為0.07%～2.09%，平均為0.86%；黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%～67.3%，平均為23.73%；黏土礦物孔為0%～0.46%，平均為0.15%(圖7-E)。從貢獻(xiàn)率角度講，有機(jī)質(zhì)對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率為4%～38%，平均為22%；脆性礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率為15%～91%，平均為60%；黏土礦物對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率為0%～51%，平均為18%(圖7-F)。有機(jī)質(zhì)孔∶脆性礦物孔∶黏土礦物孔≈1∶3∶1。

圖7 各小層礦物與孔隙相關(guān)度關(guān)系圖Fig.7 Correlation of minerals and pores in each sub layer

2.5 孔隙度的影響因素

分析礦物與孔隙相關(guān)關(guān)系可知：有機(jī)質(zhì)孔隨總孔隙度升高變化不大，而脆性礦物孔、黏土礦物孔隨總孔隙度升高有較明顯的升高。同時(shí)，脆性礦物孔明顯高于黏土礦物孔。結(jié)合灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層發(fā)育特征認(rèn)為：①有機(jī)質(zhì)孔在茅一段儲(chǔ)層中普遍發(fā)育，是一種重要的孔隙類型。但由于茅一段灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層總有機(jī)碳含量整體較低，故有機(jī)質(zhì)孔對(duì)總孔隙度貢獻(xiàn)較小。②脆性礦物晶粒作為骨架，在成巖演化過程中起到了抗壓實(shí)作用。脆性礦物孔作為重要的孔隙類型，對(duì)總孔隙度有較大的貢獻(xiàn)。③黏土礦物充填在脆性礦物晶粒間，在成巖演化過程中收縮形成孔隙，對(duì)總孔隙度有較大貢獻(xiàn)。但當(dāng)黏土礦物含量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度降低，不利于孔隙的保存。

綜合分析孔隙度與脆性礦物、黏土礦物含量相關(guān)關(guān)系，當(dāng)孔隙度>2%時(shí)，脆性礦物/黏土礦物比值幾乎都是>1。推測(cè)脆性礦物含量高于黏土礦物含量是儲(chǔ)層孔隙性變好的信號(hào)(圖8)；在黏土礦物含量相近的情況下，脆性礦物含量是決定儲(chǔ)層物性的主導(dǎo)因素。

圖8 脆性礦物與黏土礦物比值與孔隙度交匯圖Fig.8 Intersection diagram of the brittle mineral/clay mineral ratio and the porosity

3 結(jié) 論

a.根據(jù)茅一段灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙與各類礦物的相關(guān)關(guān)系，可將儲(chǔ)集空間分為：有機(jī)質(zhì)孔、脆性礦物孔和黏土礦物孔。有機(jī)質(zhì)孔主要包括有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙、有機(jī)質(zhì)與其他礦物的界面縫；脆性礦物孔主要包括脆性礦物晶間/晶內(nèi)溶孔、脆性礦物之間界面縫、脆性礦物與其他礦物的界面縫；黏土礦物孔主要包括黏土礦物收縮孔縫、黏土礦物與其他礦物的界面縫。

b.脆性礦物對(duì)孔隙貢獻(xiàn)最大，有機(jī)質(zhì)、黏土礦物次之。其中，第6小層脆性礦物孔約為有機(jī)質(zhì)孔的4倍；第1、第3小層脆性礦物孔約為有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物孔的3倍。

c.結(jié)合灰泥灰?guī)r儲(chǔ)層礦物與孔隙相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)孔隨總孔隙度升高變化不大，脆性礦物孔、黏土礦物孔增大對(duì)總孔隙度增大有較大貢獻(xiàn)。

d.脆性礦物與黏土礦物含量均較高時(shí)，孔隙度較高，脆性礦物含量高于黏土礦物含量是儲(chǔ)層孔隙度提高的信號(hào)。在黏土礦物含量相近的情況下，脆性礦物含量是決定儲(chǔ)層物性的主導(dǎo)因素。