渝西地區(qū)龍馬溪組下部頁巖儲層發(fā)育特征及其影響因素
——以重慶綦江觀音橋剖面為例

李冠霖，郭英海，趙迪斐

(1. 中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116； 2. 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008；3. 中國礦業(yè)大學 人工智能研究院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

頁巖氣是指以吸附態(tài)或游離態(tài)賦存在富含有機質的暗色泥巖、頁巖中的非常規(guī)的天然氣，具有自生自儲的特點[1]。四川盆地是我國頁巖氣勘探開發(fā)的重點地區(qū)，發(fā)育有多套富含有機質的泥頁巖層[2-3]。四川盆地下志留統(tǒng)頁巖是重要的頁巖氣儲藏層位，下志留統(tǒng)為靜水還原環(huán)境的海相地層，龍馬溪組下部頁巖為典型的筆石頁巖相，有機質含量豐富，類型較好，演化程度高，生烴量大。目前中國頁巖氣勘探開發(fā)取得了較大的進展，在四川盆地涪陵焦石壩等地區(qū)已實現(xiàn)了商業(yè)化開采[1, 4-5]。

揚子區(qū)志留系泥巖主體處于中成巖B期-晚成巖期，具有較低孔隙度、較低滲透率、高突破壓力及

以超微孔為主的物性和孔隙結構特征，志留系高演化泥質巖仍具有很好的封蓋能力[6]。渝西地區(qū)是重要的深層頁巖氣潛力區(qū)，該文選取渝西地區(qū)綦江觀音橋剖面龍馬溪組下部頁巖樣品，采用X射線衍射、掃描電鏡、氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡、能譜實驗、低溫氮吸附實驗及地球化學元素分析等實驗手段，詳細描述了頁巖儲層的特征，結合沉積環(huán)境分析與孔隙演化，討論了頁巖儲層發(fā)育的影響因素。

1 樣品與測試方法

1.1 地質背景

研究區(qū)處于重慶東南部綦江地區(qū)，構造位置位于上揚子地臺坳陷構造帶川東高陡構造褶皺區(qū)內，構造綱要及取樣位置如圖1所示(有修改)[7]。

觀音橋剖面位于華鎣山斷裂與七曜山斷裂之間的渝西—渝東格擋式構造帶內，屬揚子陸塊南部被動大陸邊緣褶皺帶范圍，其北西以七曜山基底斷裂與四川中生代前陸盆地為界[8]。

華南前陸盆地的演化經歷了3次劇烈的構造運動[8-9]：第1次是奧陶紀臨湘時期至奧陶紀晚期，第2次是五峰時期到早志留世龍馬溪時期，第3次是早志留世到中志留世。從志留紀晚期到早泥盆世，北部和東南邊緣前陸盆地和揚子陸塊發(fā)生了海退事件。早石炭世早期開始發(fā)生海侵，海水從東北向西南侵入，形成潮坪、濱海海灣及濱海湖泊相含煤沉積。晚石炭世，隨著海侵繼續(xù)擴大，海平面上升。石炭紀時期，云南、貴州、廣西地區(qū)受古特提斯擴張的影響，形成以西北方向為主的裂谷盆地，淺水碳酸鹽巖與裂谷盆共存。

研究區(qū)地層位于四川盆地范圍之內，發(fā)育較為齊全，基底為前震旦系板溪群淺變質巖，上覆蓋層除缺失泥盆系、石炭系、古近系-新近系外，其余各時期地層均有沉積，總厚度近10 000 m[10-13]。

綦江觀音橋剖面龍馬溪組沉積環(huán)境分析如圖2所示。觀音橋剖面龍馬溪組巖層厚160.8 m，以黑灰色、灰黑色筆石頁巖、泥巖及粉砂質泥巖為主，中上部含有少量泥質粉砂巖薄層，頂部含少量串珠狀泥灰質透鏡體。含豐富的筆石及少量頭足類化石，其中底部以含軸筆石等化石為特征，其上則出現(xiàn)大量無軸筆石，屬淺海盆地相沉積，底部與下伏上奧陶統(tǒng)五峰組為整合接觸[14-17]。

1.2 實驗及樣品

結合定性描述和定量測試研究龍馬溪組頁巖儲層的特征，包括X射線衍射、掃描電鏡、氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡、能譜實驗、低溫氮吸附實驗及地球化學元素分析等。

X射線衍射采用BRUKER公司的D8 ADVANCE型X射線衍射儀。測試條件如下：Cu靶，Kα輻射；管電壓為40 kV, 管電流為30 mA, 測試后應用K值法標定礦物組分含量。

掃描電鏡觀測采用Helios Nanolab 600i聚焦離子電子雙束顯微鏡和S-4700冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡。利用氬離子束使樣品表面無損拋光, 采用場發(fā)射掃描電鏡進行觀測, 最小實際觀測尺度可達10 nm。

低溫氮吸附實驗使用Autosorb-1型比表面積及孔徑測定儀。通過測定吸附的氮氣體積，結合BET模型表征納米級孔隙。

2 實驗結果

2.1 有機質特征

總有機碳含量(TOC)是研究頁巖中有機質含量的重要參考標準和評價指標[18-19]。綦江觀音橋剖面龍馬溪組下部頁巖的總有機碳含量較高，而上部較低，如圖3所示。下部頁巖總有機碳含量值最小為0.46%，最大為4.74%，平均值為2.84%；整體上龍馬溪組總有機碳含量為4%～5%。

圖3 綦江觀音橋剖面龍馬溪組儲層TOC分布特征Fig.3 TOC distribution of Longmaxi Formation reservoirin Guanyinqiao section, Qijiang

根據(jù)烴源巖劃分標準[20]，綦江觀音橋剖面龍馬溪組下部頁巖為最好烴源巖，上部頁巖為較好烴源巖、好烴源巖，頂部為差烴源巖。烴源巖有效厚度約為40～60 m，是好的生烴潛力區(qū)。

龍馬溪組在沉積時期處于滯留、閉塞的深水-淺水陸棚環(huán)境[21]，含有大量的筆石生物、浮游生物和菌藻生物等化石，局部存在放射蟲和硅質海綿骨針[22]。其中筆石最為豐富，故也被稱為富筆石頁巖，有機質類型以腐泥型為主[23-24]。

有機質成熟度代表著頁巖生烴的能力并且可以用來反演有機質生烴演化的過程[25-26]，還可以用來判斷和描述有機質的生烴階段及生烴類型。在缺乏鏡質組的海相巖層中，可以測量其類鏡質組的反射率[27-28]，應用轉換公式[29]得到觀音橋剖面龍馬溪組頁巖等效鏡質組反射率Ro為2.90%～3.58%，平均值為3.302%，屬于過成熟階段，如表1所示。

表1 綦江觀音橋剖面龍馬溪組有機質成熟度Table 1 Organic matter maturity of Longmaxi Formation in Guanyinqiao section, Qijiang

2.2 礦物組分

X射線衍射實驗表明, 綦江觀音橋剖面龍馬溪組頁巖中黏土礦物以伊利石為主, 其次為伊蒙混層。伊利石含量為76.9%～57.5%, 平均為67.2%；伊蒙混層含量為19.6%～12.0%, 平均為15.8%；綠泥石含量為6.3%～24.5%, 平均為15.4%；綠蒙混層含量為0～4.50%, 平均為2.25%；沒有發(fā)現(xiàn)蒙皂石。石英含量為30.1%～46.5%, 平均為38.3%；斜長石含量為3.4%～9.6%, 平均為6.5%；鉀長石含量為0～1.0%, 平均為0.5%；方解石含量為0～9.4%, 平均為4.7%；白云石含量為0～5.70%, 平均為2.85%；黃鐵礦含量為0.60%～3.50%, 平均為2.05%。代表性樣品的X射線衍射測試結果如圖4所示。

圖4 代表性樣品的X射線衍射測試結果Fig.4 XRD test results of representative samples

綦江觀音橋剖面龍馬溪組下部頁巖成分較為均一，主要是石英和黏土礦物(如圖5a所示)，下部可見較多黃鐵礦顆粒，呈條帶狀分布(如圖5b所示)，偶見黃鐵礦結核(如圖5c所示)，可以清晰地觀察到頁巖層理(如圖5d所示)。

圖5 觀音橋剖面龍馬溪組頁巖儲層觀察Fig.5 Shale reservoir observation of Longmaxi Formation in Guanyinqiao section

2.3 孔隙類型

頁巖氣主要賦存在頁巖的孔隙中，掃描電鏡可以觀察到頁巖孔隙的形貌和特征。觀音橋剖面頁巖儲層主要發(fā)育的孔隙類型包括有機質納米孔、粒內孔、礦物周緣孔(粒間孔)、黏土礦物晶間孔、微裂縫和生物化石孔。有機質納米孔是龍馬溪組頁巖中最為發(fā)育的孔隙類型(如圖6a所示)，這些孔隙形成于有機質的生烴演化中，數(shù)量大且集中于有機質顆粒內部?？讖桨l(fā)育于納米級別(7.5～800.0 nm)，加上有機質本身的親氣性，使頁巖有機質孔具有極大的比表面積，可以為儲層吸附提供更多的吸附內比表面積與吸附點位，是頁巖氣主要的吸附儲集空間。

礦物成分決定了礦物的物理、化學性質。石英等硅酸鹽礦物較為穩(wěn)定，其粒內孔主要為原生形成的，碳酸鹽礦物和硫化物等容易被溶蝕，存在一定的溶蝕現(xiàn)象(如圖6b所示)；粒間孔是發(fā)育在礦物顆粒與顆粒之間的孔隙(如圖6c和圖6d所示)，以頁巖為例，粒間孔主要發(fā)育在脆性礦物周緣或黏土礦物集合體周緣。其成因是骨架礦物間相互支撐、礦物生長、骨架礦物部分或整體溶蝕等，由于龍馬溪組頁巖儲層受到了強烈的成巖作用改造，尤其是受到壓實作用與礦物轉化的影響，殘余原生孔隙發(fā)育極少。

黏土礦物晶體的形態(tài)為板狀、片狀，因而黏土礦物晶間孔常為狹窄的縫隙狀，具有一定的連通性(如圖6e和圖6f所示)。吸附或游離狀態(tài)下的頁巖氣可以通過微裂縫遷移，微裂縫連通了孔隙，就會增加巖石的滲透率，對頁巖氣的開發(fā)有利。通過掃描電鏡觀察，觀音橋剖面龍馬溪組頁巖中微裂縫主要有黏土礦

物顆粒間的微裂縫、礦物溶蝕所形成的微裂縫、構造作用影響而形成的微裂縫(如圖6g所示)。龍馬溪組頁巖是富有機質頁巖，有機質來源是保存在頁巖中的古生物遺體，包括基質中的菌藻類遺體及層理面賦存的筆石等大化石遺體，筆石化石內部保存一定數(shù)量的孔隙(如圖6h和圖6i所示)。

圖6 掃描電鏡下的頁巖儲層孔隙類型Fig.6 Pore types of shale reservoir under scanning electron microscope

2.4 孔隙結構

采用低溫氮吸附實驗對頁巖孔隙結構特征進行定量表征，用IUPAC對于孔隙孔徑的分類方案，將儲集空間劃分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和大孔(>50 nm)。實驗結果顯示，龍馬溪組下部頁巖儲層樣品孔隙發(fā)育區(qū)間相對集中，主要發(fā)育在40 nm以下, 有2個主峰, 分別為1～10 nm和18～22 nm(如圖7所示)。美國Barnett頁巖孔隙的孔徑為5～750 nm, 平均孔徑小于100 nm[30-31]；Haynesville盆地頁巖孔隙孔徑主要為2～20 nm[32]；我國牛蹄塘組、乃家河組頁巖孔徑主要分布在50 nm以下[33]；川南地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層孔隙主要分布在40 nm以下[34]。

圖7 頁巖孔徑分布曲線Fig.7 Pore size distribution curves of shale samples

實驗結果顯示, 樣品比表面積最大為20.5 m2/g, 最小為10.7 m2/g, 平均為15.1 m2/g；總孔隙體積最大為0.031 ml/g, 最小為0.012 ml/g, 平均為0.021 ml/g；平均孔徑最大為37.5?, 最小為19.3?,平均為27.9?，如表2所示。頁巖儲層孔隙孔徑小、體積小，但是比表面積大，這是儲層滲透性減弱的原因。

表2 龍馬溪組下部頁巖儲層孔隙結構參數(shù)表Table 2 Table of pore structure parameters of shale reservoir in lower Longmaxi Formation

3 討論

3.1 孔隙結構量化評價

頁巖具有分形特征，利用分形維數(shù)可以對孔隙結構進行量化評價[30,35]。該文采用FHH分形模型[26]計算分形維數(shù)，對頁巖孔隙進行量化評價。FHH模型如下：

lnV=K(ln(ln(Po/P)))+C

(1)

式中：P為平衡壓力, MPa；Po為飽和蒸氣壓, MPa；V為所對應的吸附體積，m3；K為線性關系系數(shù), 常數(shù)；C為常數(shù)。

若吸附機理為毛細管凝結作用，則K=D-3；若認為吸附機理為分子間作用，不考慮毛細管力作用時[36]，K=(D-3)/3。

將大于0.45吸附數(shù)據(jù)對lnV與ln(Po/P)做出圖像，用最小二乘法繪制趨勢線來擬合數(shù)據(jù)。如果孔隙具有分形特征，認為其線性相關，通過線性圖像的斜率表達式計算出分形維數(shù)D，在此基礎上建立FHH分形模型。圖8為儲層FHH分形模型建模結果，可以看出，儲層孔隙分形特征明顯，相關性高，相關系數(shù)大多在約99%處。樣品的分形維數(shù)值最大為2.85，最小為2.76，比較接近，說明孔隙體積小，結構復雜，具有較強的非均質性。

圖8 低溫氮吸附實驗的lnV和ln(Po/P)的關系曲線圖Fig.8 Relationship between lnV and ln(Po/P) in low temperature nitrogen adsorption experiment

從圖9所示分形維數(shù)與孔隙體積、比表面積、平均孔徑、TOC質量分數(shù)的關系圖中可以看出，孔隙體積、平均孔徑、比表面積與分形維數(shù)呈現(xiàn)負相關，而TOC質量分數(shù)與分形維數(shù)呈現(xiàn)正相關。

圖9 分形維數(shù)與孔隙體積、比表面積、平均孔徑、TOC質量分數(shù)的線性關系Fig.9 Linear relationship between fractal dimension and pore volume, specific surface area, average pore size and TOC mass fraction

3.2 頁巖儲層孔隙發(fā)育的影響因素

沉積環(huán)境是龍馬溪組頁巖物質成分與孔隙特征在縱向上呈現(xiàn)非均質性的重要控制因素。龍馬溪組下段沉積于深水陸棚環(huán)境，巖石厚度較上段薄，但沉積時間比上段長，沉積速率較低，屬于欠補償環(huán)境[37]。上段沉積于碳酸鹽臺地—淺水陸棚—深水陸棚環(huán)境，沉積速率相對快，水體呈現(xiàn)弱還原性。龍馬溪組沉積時期聚集了大量的有機質，為成巖期形成有機質孔隙奠定基礎。如表3所示[38]，龍馬溪組V/(V+Ni)比值反映了沉積時屬于厭氧環(huán)境, 且底部氧含量最低；V/Cr值反映了底部貧氧, 中部—上部逐漸變?yōu)楦谎醐h(huán)境；Ni/Co比值反映了下部缺氧、中上部富氧的沉積環(huán)境；Mo/TOC比值反映水體底部低受限程度逐漸到上部高受限程度的變化。由于龍馬溪組頁巖底部有機質含量多, Mo/TOC并不能準確反映沉積環(huán)境。V/(V+Ni), V/Cr與Ni/Co比值變化規(guī)律共同表明了龍馬溪組底部缺氧閉塞環(huán)境到上部水體氧含量增加的變化。

表3 龍馬溪組頁巖沉積環(huán)境判別地化指標表Table 3 Geochemical indicators for shale sedimentary environment discrimination of Longmaxi Formation

五峰組沉積期相對滯留的沉積環(huán)境及龍馬溪組早期快速上升水體背景下沉積的頁巖具有更高的有機質含量及脆性礦物含量，前者有利于有機質納米孔的大量發(fā)育，后者有利于儲層中微裂縫、力學薄弱面的增多，利于儲層的壓裂改造。掃描電鏡、薄片觀察及能譜分析等認為龍馬溪組頁巖儲層主要成巖作用包括機械壓實作用、化學壓實作用、溶蝕作用、有機質生烴成孔作用、礦物轉化作用及破裂作用等。壓實作用是導致頁巖中孔隙細小、連通性差的主要原因，溶蝕作用、有機質生烴成孔作用有利于儲層中儲集空間的增多，破裂作用有利于微裂縫的發(fā)育，礦物轉化作用則具有雙重影響，部分黏土礦物轉化時發(fā)生體積縮減，有利于儲層中儲集空間的增多，也對孔隙的保存有積極作用[39]。

3.3 儲層發(fā)育的非均質性特征

頁巖儲層具有顯著的非均質性[38]。觀音橋剖面測試結果顯示，有機質在龍馬溪組底部最為發(fā)育；孔隙觀測結果表明，龍馬溪組下部頁巖儲層樣品發(fā)育更多的有機質納米孔，這類孔隙具有極大的比表面積，可以為頁巖提供更多吸附點位[40]；此外，下部頁巖儲層還具有更高的黃鐵礦及脆性礦物含量，與下部觀測到的更為發(fā)育的微裂縫和礦物周緣孔隙吻合。總體而言，龍馬溪組底部頁巖最為優(yōu)質，表現(xiàn)為更高的有機質含量、更優(yōu)的力學脆性、更發(fā)育的孔隙網絡、富筆石水平層理發(fā)育；向上黏土礦物含量增多，脆性礦物含量下降，粉砂質-砂質紋層發(fā)育更為顯著，儲層內有機質孔隙相對比例下降，力學性質變差，不利于頁巖氣富集、賦存與儲層改造[41]。沉積環(huán)境與沉積條件的變化是控制其縱向非均質性的主要因素，龍馬溪組底部特殊的沉積環(huán)境是優(yōu)質頁巖氣儲層發(fā)育的重要影響因素。

4 結論

1)重慶綦江觀音橋剖面龍馬溪組下部頁巖儲層主要礦物組分為石英和黏土礦物，脆性礦物從下向上有微弱的減少趨勢，頁巖儲層力學脆性更好；龍馬溪組頁巖底部干酪根類型為I型，有機質熱演化程度達到過成熟階段。從縱向對比來看，龍馬溪組中、上部頁巖儲層有機質含量明顯降低。

2)龍馬溪組下部頁巖具有低孔低滲的特征，孔隙類型包括有機質孔、粒內孔、礦物周緣孔、黏土礦物晶間孔、微裂縫和生物化石孔，孔徑集中在40 nm以下，具有較強的非均質性，納米孔隙提供了大部分的孔容，是頁巖氣吸附與成藏的基礎。

3)頁巖孔隙具有較強的分形特征，F(xiàn)HH分形模型相關性很強，分形維數(shù)值為2.76～2.85，分形曲線顯示出雙重分形的特征。

4)龍馬溪組下部頁巖沉積環(huán)境特殊，沉積速率低，屬欠補償?shù)娜毖跎钏h(huán)境，頁巖水平層理發(fā)育，有機質含量高，化石豐富，形成了優(yōu)質儲層。