南川地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

劉娜娜

（中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇南京 210011）

近年來，隨著四川盆地及周緣頁巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，渝東南龍馬溪組頁巖氣已成為非常規(guī)油氣的焦點，對四川盆地志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征方面也已開展了大量研究工作[1–6]，與常規(guī)油氣儲層相比，頁巖儲層的孔隙孔徑更小，結(jié)構(gòu)更復雜[7–14]，氬離子拋光+掃描電鏡是觀測頁巖儲層微觀孔隙特征和研究頁巖儲層結(jié)構(gòu)的重要手段[15–17]。南川地區(qū)位于四川盆地東南緣，屬于中國石化頁巖氣礦權(quán)區(qū)塊，本文通過對南川地區(qū)三口探井志留系下統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段樣品的系統(tǒng)觀察，開展了研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，并結(jié)合相關(guān)測試數(shù)據(jù)，對其空間變化規(guī)律及影響因素進行了分析。

1 地質(zhì)特征

鉆井揭示南川地區(qū)基底為前震旦系板溪群淺變質(zhì)巖，上覆蓋層自下而上依次為震旦系、寒武系、奧陶系、志留系下統(tǒng)、二疊系、三疊系和侏羅系，缺失志留系中–上統(tǒng)、泥盆系、石炭系、白堊系、古近系和新近系。本次研究層位為志留系下統(tǒng)龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)頁巖段，巖性為黑色頁巖，按巖性和電性特征自下而上可劃分為①–⑤五個小層。

2 孔隙特征

通過對南川地區(qū)三口探井（JY194–3井、SY1井、NY1井）志留系下統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段樣品開展有機質(zhì)含量、成熟度、礦物組成、孔隙度、滲透率、巖石比表面積、氬離子拋光+掃描電鏡等測試，對頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律進行分析。實驗分析均在中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院揚州實驗中心完成，氬離子拋光設(shè)備為HITACHI IM4000離子拋光裝置，掃描電鏡為ZEISS SIGMA場發(fā)射掃描電子顯微鏡。共選取灰黑色–黑色頁巖樣品40件，其中，JY194–3井樣品11件，TOC為1.65%～6.66%，平均值為3.25%；SY1井樣品17件，TOC為1.56%～7.06%，平均值為3.20%；NY1井樣品12件，TOC為2.00%～7.73%，平均值為3.14%。

2.1 孔隙類型

掃描電鏡觀測顯示，研究區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)頁巖段儲層孔隙以納米級為主，主要發(fā)育裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內(nèi)孔、黃鐵礦礦物晶間有機孔、有機質(zhì)礦物復合孔等孔隙類型（表1）。其中，裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙和粒內(nèi)孔等屬于無機孔隙，黃鐵礦礦物晶間有機孔、有機質(zhì)礦物復合孔等屬于有機孔隙。南川地區(qū)常見的無機孔隙主要有微裂縫、礦物溶蝕孔和云母晶間縫，其中，微裂縫（圖1a）一般是沿著礦物邊緣產(chǎn)生的，延伸性較好，有利于頁巖氣的保存和運輸；溶蝕孔（圖1b）是礦物顆粒表面受地層流體作用溶蝕形成的無機孔隙，孔徑為0.5～1.0μm，形狀多呈不規(guī)則狀；云母層間縫（圖1c）是晶間孔的一種，沿著云母片呈彎曲狀，連通性較好。前期研究表明南川地區(qū)有機孔隙發(fā)育，頁巖氣主要賦存空間為有機孔隙，常見的有機孔隙包括黃鐵礦礦物晶間有機孔和有機質(zhì)礦物復合孔。黃鐵礦礦物晶間有機孔（圖1d）是黃鐵礦晶體間充填的有機質(zhì)由于生烴被消耗后產(chǎn)生的孔隙的總稱，孔徑幾十到幾百納米；有機質(zhì)礦物復合孔由于有機質(zhì)與黏土礦物、硅質(zhì)等融合，在生烴過程中礦物起到反應物或者催化劑的作用，影響孔隙的形成；同時，受礦物影響，孔隙往往具有定向性（圖1e），其中，有機質(zhì)黏土復合孔（圖1f）較發(fā)育。

圖1 孔隙類型掃描電鏡

表1 泥頁巖中孔隙類型及相應特征（據(jù)Slatt，2011）

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

本文中的優(yōu)質(zhì)頁巖指TOC大于2.00%的具有較好生烴潛力的黑色頁巖段，JY194–3井、SY1井、NY1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段按照巖性、電性等參數(shù)可劃分為①–⑤五個小層（表2）。下面按照小層對各井孔隙結(jié)構(gòu)特征進行描述對比。

表2 JY194–3井–SY1井–NY1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度、TOC統(tǒng)計

JY194–3井優(yōu)質(zhì)頁巖段各小層有機孔隙發(fā)育，有機孔密而圓，孔徑40.0～80.0 nm；非優(yōu)質(zhì)頁巖段各小層有機孔呈圓形、橢圓形、不規(guī)則形，孔徑范圍大（50.0～500.0 nm）。其中，⑤小層有機質(zhì)分布廣泛、孔隙較發(fā)育，孔徑從數(shù)十至一百多納米不等；局部伴生少量硅質(zhì)顆粒；④小層有機質(zhì)多呈細小的不規(guī)則顆粒，分布較廣泛，有機孔徑從數(shù)十至數(shù)百納米不等，但圓度較差；③小層有機質(zhì)分布廣泛、孔隙極發(fā)育，從幾十至數(shù)百納米不等，密集分布；②小層有機孔隙密集發(fā)育，孔徑多小于100.0 nm，分布廣泛；①小層有機質(zhì)分布廣泛、孔隙極發(fā)育，從數(shù)十至數(shù)百納米不等，密集分布，局部伴生黏土礦物。

SY1井優(yōu)質(zhì)頁巖段各小層有機孔隙發(fā)育，其中，⑤小層孔徑多為60.0 nm，密度中等，呈不規(guī)則狀，連通差；④小層孔徑可達數(shù)百納米，密度低，呈不規(guī)則狀，連通差；③小層孔徑50.0～200.0 nm，密度低，呈橢圓狀，連通性一般；②小層孔徑以60.0 nm為主，部分可達數(shù)百納米，密度高，呈不規(guī)則狀，連通較好；①小層孔徑多小于30.0 nm，密度高，圓度高，連通較好。

NY1井優(yōu)質(zhì)頁巖段上部（⑤、④小層）以無機孔隙為主，下部（③、②、①小層）以有機孔隙為主，隨著深度增加，有機孔越來越發(fā)育，直至①小層最為發(fā)育，而無機孔隙則顯著減少。有機孔隙孔徑以10.0～100.0 nm為主，部分孔徑達到200.0 nm以上，最大的接近1 000.0 nm。同時孔隙形態(tài)和大小變化較大，部分孔隙呈橢圓形或近圓形，邊緣較平滑；部分孔隙呈不規(guī)則狀，棱角分明；在大孔周圍分布著無數(shù)細小的微孔，與大孔的直徑相差30～100倍。⑤小層孔徑以20.0 nm為主，密度極低，呈橢圓狀，連通差；④小層孔徑以30.0 nm為主，密度極低，呈橢圓狀，連通差；③小層孔徑以50.0 nm為主，密度低，呈橢圓狀，連通性一般；②小層未取樣；①小層孔徑以30.0 nm為主，密度高，圓度較高，連通較好。

3 孔隙發(fā)育影響因素

頁巖儲層孔隙發(fā)育受到頁巖有機碳含量、礦物成分等多種因素影響。

3.1 有機碳含量（TOC）

南川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段比表面積、孔隙度與有機碳含量呈正相關(guān)關(guān)系（圖2、3），比表面積與TOC相關(guān)性因數(shù)較大（圖2）；由于本地區(qū)無機孔隙對孔隙度也有貢獻，且孔隙度測試樣品較少，因而孔隙度與TOC相關(guān)性因數(shù)較小，但仍然可見弱相關(guān)趨勢，即有機碳含量越高，有機孔隙越多，比表面積越大，孔隙度越大。這反映了TOC是影響頁巖儲層孔隙度與比表面積的重要因素之一。

圖2 優(yōu)質(zhì)頁巖段比表面積與有機碳含量（TOC）關(guān)系

圖3 優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度與有機碳含量（TOC）關(guān)系

JY194–3井和SY1井①–⑤小層優(yōu)質(zhì)頁巖TOC縱向上均有隨深度增加先增大后減小的趨勢（圖4），受TOC影響，縱向上隨著深度的增加有機孔隙有先增多后減少的趨勢，與掃描電鏡觀察結(jié)果（表4）一致；平面上，JY194–3井TOC大于SY1井和NY1井（圖4），受TOC影響，JY194–3井有機孔隙發(fā)育程度優(yōu)于SY1井和NY1井，這與比表面積平均值統(tǒng)計結(jié)果（表3）一致，也與掃描電鏡觀察結(jié)果（表4）一致。再次證明了優(yōu)質(zhì)頁巖段比表面積、孔隙度與有機碳含量呈正相關(guān)。有機孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，對頁巖氣具有較強的吸附和儲集能力。

圖4 優(yōu)質(zhì)頁巖段TOC對比

表3 各井優(yōu)質(zhì)頁巖層段比表面積對比 m2/g

表4 優(yōu)質(zhì)頁巖段有機孔主要孔徑值及其密度

3.2 礦物成分

頁巖礦物成分影響頁巖儲層抗壓性，礦物成分不同，孔隙在壓實作用下的保存程度不同。一般而言，脆性礦物抗壓性較高，在壓實作用過程中可以支撐孔隙，有利于孔隙保存。南川地區(qū)脆性礦物含量較高（表5），孔隙度與石英含量呈弱正相關(guān)關(guān)系（圖5）。

圖5 優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度與石英含量關(guān)系

表5 優(yōu)質(zhì)頁巖段頁巖礦物成分 %

4 結(jié)論

（1）氬離子拋光+掃描電鏡分析表明，南川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲層孔隙以納米級為主，主要發(fā)育裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內(nèi)孔、黃鐵礦礦物晶間有機孔、有機質(zhì)礦物復合孔等孔隙類型。其中，裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙和粒內(nèi)孔等屬于無機孔隙；黃鐵礦礦物晶間有機孔、有機質(zhì)礦物復合孔屬于有機孔隙，有機質(zhì)黏土復合孔較常見，且有機孔隙多呈不規(guī)則狀、橢圓形、圓形，孔徑為10.0～100.0 nm。

（2）南川地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段儲層孔隙發(fā)育的影響因素分析表明，頁巖的有機碳含量和礦物成分含量影響孔隙發(fā)育，頁巖有機碳含量越高，有機孔隙越多，石英含量高有利于孔隙生成與保存?？傊?，孔隙度與有機碳含量、石英含量呈正相關(guān)關(guān)系。

（3）南川地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙發(fā)育情況受TOC影響，縱向上表現(xiàn)為各小層孔隙度與TOC正相關(guān)，且TOC大的小層掃描電鏡觀察到的有機孔隙更發(fā)育，孔隙密度更大、孔徑更大；平面上表現(xiàn)為TOC較大的井孔隙發(fā)育較好，JY194–3井有機孔隙密度高、孔徑較大（20.0～100.0 nm），SY1井有機孔隙密度較高、孔徑較大（20.0～80.0 nm），NY1井有機孔隙密度低、孔徑較大（10.0～50.0 nm）。