四川元壩地區(qū)大安寨段陸相細粒沉積巖儲層物性特征及有利儲集層研究

朱毅秀，呂 品，金 科，郭芪恒，王 歡，王昕堯，師 源

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010；3.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710018)

0 引 言

中國沉積盆地在多旋回的構造演化過程中，發(fā)育了海相、陸相及海陸過渡相3類富含有機質的泥頁巖層系[1]。以四川盆地為例，不僅相繼在川東南涪陵焦石壩、川南威遠和長寧、昭通示范區(qū)實現(xiàn)海相頁巖氣商業(yè)開發(fā)[2]，還在以侏羅系自流井組及上三疊統(tǒng)須家河組為代表的陸相頁巖層系中取得了重大突破[3]，特別是元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲層發(fā)現(xiàn)的高產工業(yè)氣流，進一步證實中國陸相頁巖氣具有巨大的潛力和良好的勘探開發(fā)前景[4-5]。中國陸相富有機質頁巖具有地層時代新、分布范圍廣、有效厚度大、演化程度低的特點，儲層單層厚度普遍小，有機質含量相差大，非均質性強，成熟度相對較低，且開發(fā)難度大[6-7]。元壩地區(qū)大安寨段陸相頁巖分布面積廣，油氣顯示較好，勘探潛力大，但針對湖相頁巖儲層物性方面的研究還不夠細致深入。因此，通過對四川盆地元壩地區(qū)大安寨段陸相細粒巖儲層物性特征分析，明確有利儲集巖性和儲集層段，為陸相頁巖油氣的勘探及開發(fā)生產提供理論指導。

1 區(qū)域地質概況

四川盆地是一個位于上揚子地臺西部、呈北東向展布、菱形構造的沉積型疊合盆地[8]。晚二疊世—晚三疊世印支運動時期，盆地整體抬升、海水退出，由海相沉積逐漸轉變?yōu)殛懴喑练e[9]。晚三疊世和侏羅紀盆地演化為巨大的陸相湖盆，呈現(xiàn)出北陡南緩的不對稱大型寬緩湖盆，形成了上三疊統(tǒng)須家河組及侏羅系自流井組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組沉積層序。下侏羅統(tǒng)自流井組劃分為珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段、大安寨段，分別代表早侏羅世的4個沉積演化階段[10]。大安寨段沉積期為伸展作用最弱、造山帶活動最穩(wěn)定的時期，盆地拗陷速率遠大于陸源碎屑堆積速率，導致了早侏羅世最大湖盆的形成[11]。元壩地區(qū)處于四川省廣元市蒼溪縣、閬中市和巴中市境內(圖1)，面積為3 200 km2。受構造作用的影響，區(qū)域內共有5個次級構造單元(圖1)。研究區(qū)處于川中和川北的過渡帶，地層產狀平緩，斷裂不發(fā)育。大安寨段時期，湖盆經歷一個完整的湖進—湖退旋回。大安寨段從上至下劃分為大一亞段、大二亞段和大三亞段。大三亞段為深灰—褐灰色介屑灰?guī)r，夾粉砂巖、泥巖及頁巖；大二亞段為深灰—灰褐色頁巖(泥巖)和介屑灰?guī)r，呈互層狀或條帶狀；大一亞段以深灰色—灰黑色介屑灰?guī)r為主。大安寨段沉積厚度為70～138 m，一般厚度在90 m左右。湖盆中心位于儀隴一帶，大安寨段沉積亞相包括濱湖、淺湖和半深湖，由湖盆中心逐漸向淺湖和濱湖過渡。

圖1 元壩地區(qū)構造單元和研究區(qū)位置示意圖

元壩地區(qū)大安寨段細粒沉積巖依據其組分進行分類，以黏土礦物、粉砂級長英質礦物和碳酸鹽礦物含量作為三端元，分為泥巖、粉砂巖、灰?guī)r三大類，頁理發(fā)育的泥巖稱為頁巖。研究區(qū)大安寨段細粒巖巖石類型以泥頁巖、介殼頁巖、介殼泥巖和介殼灰?guī)r為主，粉砂巖含量較低，混合巖不發(fā)育。

2 儲集空間類型及特征

元壩地區(qū)大安寨段細粒巖儲層儲集空間為微米—納米細小孔隙和裂縫，孔隙類型為有機質孔、粒間孔、晶間孔、溶蝕孔和黏土礦物間微孔，裂縫包括構造縫、頁理縫和成巖收縮縫(圖2)，圖中所有照片為掃描電子顯微鏡照片，樣品經過氬離子拋光處理。

2.1 微孔隙

2.1.1 有機質孔

巖石中的有機質在生烴演化過程中形成很多微孔，有效提高了頁巖儲層的孔隙度，是油氣重要的儲集空間。掃描電鏡下有機質色暗，其內發(fā)育有機質孔，單一形狀多為圓狀、橢圓狀及不規(guī)則狀，集合體不均勻狀和網絡狀均發(fā)育(圖2a、b)，孔隙直徑為2～700 nm，主要分布在30～80 nm。有機質成熟生烴過程中，氣態(tài)和液態(tài)烴類形成與運移及聚集，改變有機質內部結構，在有機質顆粒內部形成納米級大小的孔隙[12-17]。研究顯示，當有機質的鏡質體反射率(Ro)大約為0.50%時就開始產生有機質孔，隨著熱演化程度在一定范圍內增加，有機質孔的體積也增加，Ro和有機質孔隙度呈正相關[18]。研究區(qū)陸相富有機質含量和較高的成熟度有利于頁巖中有機質納米孔隙的形成，富含有機質的頁巖和介殼頁巖中有機孔發(fā)育。

圖2 四川盆地元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲層微孔隙顯微特征

2.1.2 粒間孔

大安寨段埋藏深度較大，粒間孔呈現(xiàn)殘余狀，殘余粒間孔主要分布在硅質礦物、灰質顆粒的邊緣，呈現(xiàn)定向分布(圖2c、d)?？紫缎螒B(tài)不規(guī)則，同時黏土礦物、碳酸鹽礦物、硅質、有機質或瀝青等雜基與成巖礦物充填粒間孔，因而大安寨段粒間孔相對不發(fā)育。

2.1.3 晶間孔

研究區(qū)細粒沉積巖中發(fā)育方解石晶間孔(圖2e)、黏土礦物晶間孔(圖2d、f、g)和草莓狀黃鐵礦晶間孔(圖2h)。方解石晶間孔大多呈現(xiàn)多邊形、零星狀和不均勻網狀分布，多為單個存在或線狀定向分布，孔徑為100～300 nm；草莓狀黃鐵礦晶間孔呈多邊形狀，集合體呈網絡狀分布在草莓狀球內，連通性較好，孔徑主要為10～150 nm；黏土礦物晶間孔相對復雜，不同礦物類型對應孔隙形態(tài)不同，儲層片狀伊利石發(fā)育，此晶體多為重結晶形成的厚片狀伊利石晶，此晶間孔呈現(xiàn)不規(guī)則狀、長片狀、彎曲狀等，晶間孔徑大小不一，孔徑為10～500 nm。整體晶間孔分布無規(guī)律、相互連通性較差，部分晶間孔被泥質、灰質充填。

2.1.4 溶蝕孔

研究區(qū)細粒沉積巖的鏡質體反射率Ro為1.38%～1.83%，有機質熱演化程度高，處于成熟—高成熟演化階段，演化過程中曾有有機酸發(fā)育，其在不同巖性中形成不一樣的溶蝕孔隙，產生了一定量的方解石和硅質組分的溶蝕孔隙，孔隙大小多為微米級別(圖2i)，孔徑為500～3 000 nm，溶蝕孔形態(tài)多為不規(guī)則狀，分布不均、多為零星狀。介殼灰?guī)r內基本均為零星狀孤立溶蝕微孔，在富含有機質的灰質頁巖和介殼頁巖中溶蝕微孔較發(fā)育。

2.1.5 黏土礦物間孔

黏土礦物間孔隙為線狀孔隙和網狀孔隙(圖2g，圖3a、b)。在伊利石厚層中、伊利石紋層、其他黏土礦物和細粒組分紋層間、伊利石與礦物顆粒間均可見線狀微孔隙，部分線狀孔隙中半充填少量有機質(圖3a、b)，沉積和成巖共同作用使線狀方向和紋層、層面方向近平行；此片狀微縫延伸距離相對較遠，有時平行排列，片狀縫有利于微孔之間的連通。在頁巖中暗色黏土礦物紋層間、裂隙與粒間孔自生黏土礦物充填區(qū)域常發(fā)育網狀微孔隙(圖2g)，分布不均勻，網絡孔隙及網內微孔隙發(fā)育、連通性好。這類微孔隙和黏土礦物相伴生，發(fā)育于多種黏土礦物及包裹其他礦物顆粒的黏土礦物間，孔徑為2～2 000 nm。

元壩地區(qū)大安寨段地層發(fā)育以上5種微孔隙類型，黏土礦物間孔和有機質孔發(fā)育，溶蝕孔和晶間孔較發(fā)育，粒間孔較少(表1)，均為微米—納米級微孔隙。黏土礦物間孔主要分布在黏土礦物含量高的頁巖和介殼頁巖中，形態(tài)上多呈線狀。有機質孔主要分布在TOC含量高的泥頁巖和介殼泥頁巖中，發(fā)育較少的粒間孔主要分布于介殼灰?guī)r和泥質粉砂巖中。晶間孔在各類巖石中均有發(fā)育，頁巖中主要發(fā)育自生黏土礦物晶間孔和黃鐵礦晶間孔，介殼灰?guī)r和介殼泥巖、介殼頁巖中發(fā)育方解石晶間孔。溶蝕孔主要發(fā)育于介殼灰?guī)r和介殼泥巖、介殼頁巖中，其中，溶蝕孔的粒徑相對較大，頁巖儲層宏孔相對發(fā)育，主要是溶蝕孔。統(tǒng)計顯示，研究區(qū)陸相頁巖儲層儲集空間以無機孔隙為主，有機質孔不同于海相頁巖儲層，因其僅是重要儲集空間，而不是最主要的儲集空間。

表1 四川盆地元壩地區(qū)大安寨段孔隙發(fā)育與分布

2.2 裂縫

裂縫是元壩地區(qū)大安寨段細粒沉積巖中油氣運移的重要通道和儲集空間，成因上可分為構造裂縫、頁理縫、成巖收縮縫三大類。

2.2.1 構造裂縫

構造裂縫是最主要的裂縫類型，是構造應力作用的結果，常伴生斷層和褶皺，可分為張裂縫和剪裂縫。

張裂縫：拉張應力造成巖石張裂縫破裂面較粗糙不平整，縫長度介于幾厘米至幾米，寬度介于幾十微米至幾厘米，易被自生礦物充填和半充填。元壩地區(qū)大安寨段發(fā)育的張裂縫主要為低角度張裂縫，巖心上裂縫寬度為毫米級別(圖3c、d)，剖面上縫寬多為厘米級(0.5～3.0 cm)，灰白色灰質充填、半充填為主，介殼灰?guī)r層中多被全充填。

剪裂縫(剪節(jié)理)：是受到剪切應力形成的裂縫，裂縫面閉合，平直光滑，可見擦痕，常切過礦物顆粒，成對出現(xiàn)，呈共軛“X”形，延伸較遠。元壩地區(qū)大安寨段巖心中剪裂縫少見，多在光學顯微鏡下觀察到顯微型剪裂縫(圖3e、f)；在重慶梁平剖面可見多處此類裂縫，在介殼頁巖中發(fā)育，縫寬為0.10～7.00 mm，延伸長度可達1 m。

圖3 四川盆地元壩地區(qū)大安寨段微納孔隙及裂縫特征

2.2.2 頁理縫

層間紋層間縫主要在沉積作用下形成的，形成于震蕩的弱水動力條件，由一系列薄層細粒沉積物沉積成巖而成，薄層間頁理為極易剝離的力學薄弱面，即層間頁理縫。大安寨段頁巖儲層中的頁理縫發(fā)育，主要是富有機質的暗色(深灰色)黏土礦物紋層和含有機質富介殼的灰色灰質紋層交互疊置，組分與顏色等呈韻律狀，此類黑色頁巖與紋層狀介殼頁巖中發(fā)育頁理縫(圖3g)?？p寬為0.01～0.50 mm，平行紋層面，層面有摩擦痕跡、亮化面。

2.2.3 成巖收縮縫

多見于不同礦物間和有機質與無機礦物顆粒間(圖3h、i)，縫寬為微米—納米級(0.01～5.00 μm)，縫長為毫米—厘米級。

3 細粒沉積巖儲層孔滲特征及孔隙結構

3.1 細粒沉積巖儲層孔隙度與滲透率

使用氦氣法測量元壩地區(qū)大安寨段細粒沉積巖的孔隙度和滲透率如表2所示。由表2可知，元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲層孔隙度為0.92%～8.12%，平均孔隙度為3.35%；滲透率為0.001～33.930 mD，平均滲透率為2.630 mD，平均值偏高主要是由于個別樣品滲透率在30.000 mD以上?？紫抖刃∮?.00%的樣品占90%，小于2.00%的樣品占45%；滲透率也偏低，小于0.100 mD的樣品占55%。因此，元壩地區(qū)大安寨段儲層屬于特低孔特低滲致密儲層。

表2 大安寨段不同巖性的孔隙度和滲透率

3.2 儲層孔隙結構特征

3.2.1 氮氣吸附法孔隙結構特征

國際理論與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)將氮氣吸附-解吸等溫線分為4類，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類表征均為開放性孔，Ⅳ類為封閉性孔[19]；元壩4井3 755.32 m處介殼灰?guī)r發(fā)育孤立的微米級溶蝕孔，但整體致密，不發(fā)育開放性孔，呈現(xiàn)Ⅳ類孔隙結構，不具儲氣能力。頁巖儲層與灰?guī)r的孔隙結構有一定差異，參數檢測顯示儲層樣品的比表面積為2.505 1～14.960 8 m2/g，其中介殼灰?guī)r的比表面積最小，粉砂質頁巖的比表面積最大，平均比表面積為9.006 6 m2/g。

采用BJH法計算細粒沉積巖的孔徑，得到元壩地區(qū)大安寨段的孔徑分布特征(圖4)?？讖椒植记€顯示，元壩地區(qū)細粒沉積巖的孔徑均在10 nm內出現(xiàn)峰值，樣品具有在3～7 nm的微孔隙對孔體積貢獻最大的特點，孔徑小于10 nm時，累積曲線很陡，孔徑大于10 nm時，累積曲線逐漸變得平緩，說明細粒沉積巖的微孔(小于2 nm)和介孔(2～50 nm)在孔體積中占比大，宏孔(大于50 nm)占比小。

圖4 四川盆地元陸4井大安寨段巖石孔徑分布

3.2.2 三維孔隙網絡模型

聚集離子束掃描電鏡(FIB-SEM)的出現(xiàn)提供了一種研究泥頁巖納米孔隙結構的新方法，該技術分辨率高，在制樣過程中不會產生人造孔隙，能夠真實還原頁巖孔隙的三維結構特征。實驗樣品為元陸4井大安寨段3 757.52 m處的介殼頁巖，通過三維分布特征可以看出，樣品中各種礦物成分、有機質和納米孔隙在三維空間上的分布。實驗結果表明，該樣品中黃鐵礦發(fā)育(圖5a)，有機質豐富(圖5b)，納米孔隙在三維空間上形狀復雜(圖5c)。由圖5可以看出：①圖a中顏色最暗的區(qū)域有機質含量最高，該區(qū)域為有機質，有機質微孔大量發(fā)育，連通性很好；②黃鐵礦分布區(qū)域，有機質含量低，孔隙發(fā)育較少，圖5c上部中右部分顯示孔隙為黃鐵礦晶間孔和有機質孔復合；③孔隙的空間分布與有機質空間分布有一定的規(guī)律性，有機質含量高的部位，孔隙發(fā)育好，連通性好，故孔隙發(fā)育受有機質含量的影響，有機質含量高，孔隙越發(fā)育，孔隙在三維空間上連通性好。

圖5 FIB-SEM法細粒沉積巖有機質和孔隙三維空間展布

4 頁巖儲層物性分布

富有機質頁巖既是烴源巖，也是儲集巖，具有自生自儲、源儲一體、源內成藏的特點。因此，有機質含量的高低決定了頁巖氣資源的潛力。研究區(qū)大安寨段泥頁巖、介殼泥巖、介殼頁巖的有機質豐度普遍高于介殼灰?guī)r。頁巖氣主要以吸附氣和游離氣的狀態(tài)存在于泥頁巖微孔隙空間中，吸附氣的含量對頁巖氣長期穩(wěn)產起到了至關重要的作用。有機質孔隙具有親油(氣)性，對頁巖氣的吸附具有天然的分子引力，因而容易產生吸附作用；而黏土礦物孔則具有親水性，甚至在孔壁形成水膜，難以吸附烴類氣體，因而黏土礦物間孔中多數烴類氣體呈現(xiàn)游離狀、游離—吸附過渡狀存在。元壩地區(qū)大安寨段細粒巖有機質豐度與黏土含量具有很好的正相關性(圖6)，出現(xiàn)高有機質豐度、高黏土含量的頁巖及介殼頁巖相比介殼灰?guī)r吸附氣的能力更強，納米儲集空間相對更為發(fā)育。三維孔隙網絡顯示高有機質豐度的區(qū)域孔隙的發(fā)育更好，連通性更高。

綜上所述，元壩地區(qū)大安寨段高有機質含量的泥頁巖及介殼泥巖相比介殼灰?guī)r，生氣潛力更大，吸附氣的能力更強，孔隙度和滲透率也更高。結合研究區(qū)儲層物性數據、TOC和黏土礦物含量以及常規(guī)試氣結果，對陸相頁巖氣儲層進行分類，可得出最有利儲層、有利儲層、較有利儲層和非儲層(較差儲層)(圖6)。元壩地區(qū)大安寨段富有機質泥頁巖和富有機質介殼泥頁巖為研究區(qū)最有利的儲集巖性，而有利儲集巖性在整個研究區(qū)均有分布，有利儲集層段為大安寨段的中部和下部泥巖層段。

圖6 四川盆地元壩地區(qū)元陸4井大安寨段細粒沉積巖儲層物性特征及儲層分類

5 結 論

(1) 元壩地區(qū)大安寨段細粒巖儲層的儲集空間分為孔隙和裂縫2類，包括黏土礦物間微孔、有機質孔、晶間孔、溶蝕孔、粒間孔和構造縫、頁理縫、成巖收縮縫，無機質孔優(yōu)于有機質孔。

(2) 大安寨段細粒沉積巖儲層以微孔和介孔為主，孔徑主要集中在3～7 nm，為特低孔低滲致密儲層。

(3) 研究區(qū)有機質含量較高的泥頁巖和介殼泥頁巖物性好于介殼灰?guī)r，前者含氣性高于后者，有利儲集層段為大安寨段中部和下部泥(頁)巖和介殼泥(頁)巖層段。

致謝：感謝國家專項課題承擔方中石化研究院非常規(guī)所胡宗全、劉光祥、馮動軍、朱彤、劉忠寶、王鵬威等領導專家的大力支持與指導，以及研究過程中參與的研究生李新、肖勁光、李眾、李碩、劉振宇等同學，特別感謝前期工作的趙建華博士和后期論文審稿專家的辛勤勞動。