川東地區(qū)茅口組一段微孔特征及其主控因素

王佳蕊，宋金民,2，劉樹根，范建平，黃士鵬，李立基，金 鑫，馮宇翔，王俊柯，王杉杉

(1. 成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059；2. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3. 西華大學(xué)，成都 610039；4.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組是目前勘探的熱點(diǎn)層系之一[1-2]。茅口組自下而上可劃分為茅一、茅二、茅三和茅四一共4個(gè)巖性段，目前的勘探突破多在茅二段至茅三段，比如雙魚石構(gòu)造、蜀南地區(qū)、龍崗地區(qū)、太和氣區(qū)、龍會(huì)2井以及角探1井等[3-7]。近年來，川東南地區(qū)義和1井、焦石1井、潼探1井和七里50井相繼在中二疊統(tǒng)茅一段鉆遇工業(yè)氣流，其中焦石1井、義和1井分別獲得日產(chǎn)1.68×104m3和3.06×104m3的工業(yè)氣流[8]。2020年5月，大石1HF井在茅口組一段獲得產(chǎn)量為22.6×104m3/d的高產(chǎn)工業(yè)氣流[9]。2020年10月，蜀南地區(qū)靖和1井在茅口組一段測(cè)試獲12.5×104m3/d的高產(chǎn)氣流[10]。

目前的研究認(rèn)為茅一段處于碳酸鹽巖臺(tái)地較深水外緩坡相，主要巖性包括泥晶灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r及灰泥灰?guī)r等，典型構(gòu)造為“眼皮眼球狀”構(gòu)造[11]。茅一段儲(chǔ)層為特低孔隙度、特低滲透率裂縫-孔隙型致密儲(chǔ)層，平面上自西向東厚度增加，發(fā)育自生自儲(chǔ)特低孔特低滲氣藏[12-14]。從研究層來講，目前的研究大多針對(duì)茅二段和茅三段的灘相儲(chǔ)層和風(fēng)化殼古巖溶型儲(chǔ)層[15]，而茅一段與茅二段、茅三段儲(chǔ)集空間類型、微孔特征均有明顯不同，儲(chǔ)層在縱向及橫向上都具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。從研究方面來講，儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)能夠直接影響其物性，并決定油氣藏的產(chǎn)能分布差異[16]。前人對(duì)茅一段致密儲(chǔ)層開展沉積特征、成巖演化和成巖相等方面的研究[11,17-18]，但對(duì)其儲(chǔ)集空間和微孔特征以及對(duì)微孔的控制方面研究相對(duì)較薄弱，制約了氣藏的高效勘探開發(fā)進(jìn)程。該研究基于巖心觀察、薄片鑒定、物性測(cè)試、核磁共振分析和氬離子拋光等，系統(tǒng)地開展了川東地區(qū)茅口組一段巖石結(jié)構(gòu)與微孔特征的研究，探討茅一段微孔的控制因素，以期對(duì)后續(xù)茅一段勘探開發(fā)部署提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地屬于上揚(yáng)子地臺(tái)西北緣，可劃分為川南低陡褶皺帶、川東高陡褶皺帶、川中低緩褶皺帶、川北低陡褶皺帶和川西山前凹陷帶[19]。研究區(qū)位于四川盆地東南部，跨越川東弧形高陡構(gòu)造帶和川南低陡構(gòu)造帶，范圍南起敘永—習(xí)水一線，西達(dá)赤水—大足一線，北到廣安—華鎣一線，東抵豐都—涪陵一線。

四川盆地茅口組沉積時(shí)期繼承了棲霞組構(gòu)造-沉積格局，主要經(jīng)歷了快速海侵、緩慢海退的過程，在川東地區(qū)主要沉積一套中緩坡—深緩坡相灰?guī)r[20]。中二疊世末，四川盆地發(fā)生東吳運(yùn)動(dòng)，碳酸鹽巖臺(tái)地部分抬升暴露于地表，茅口組頂部遭受不同程度剝蝕，瀘州地區(qū)因處于隆起中心，剝蝕程度最強(qiáng)烈[21]。川東地區(qū)茅口組僅茅四段普遍受剝蝕影響，茅一段至茅三段保留完整。

在茅一段沉積期，四川盆地主要為緩坡型臺(tái)地，經(jīng)歷了一次大規(guī)模海侵，盆地水深由東向西逐漸變淺。該時(shí)期水體較深，能量較低，由西向東依次發(fā)育內(nèi)緩坡、中緩坡和外緩坡相[22]。按照巖石結(jié)構(gòu)，茅一段由上而下可分為a，b和c這3個(gè)亞段，如圖1所示[23-24]。茅一a段巖石類型主要為深灰色泥晶生屑灰?guī)r，夾一些硅質(zhì)巖和頁巖，可見腕足、珊瑚和海綿等生物；茅一b段巖性類型主要為深灰色瘤狀灰?guī)r夾一些薄層頁巖；茅一c段巖石類型主要為深灰色泥晶生屑灰?guī)r、泥晶粉屑灰?guī)r與硅質(zhì)巖，夾少量頁巖，可見生物碎屑。茅一a和c段發(fā)育孔隙和裂縫，可見裂縫被充填，瀝青和有機(jī)質(zhì)富集[23]。

圖1 四川盆地川東地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和茅一段灰?guī)r巖性情況Fig. 1 Situation of geological structure and limestone lithology in eastern Sichuan Basin

2 巖石學(xué)特征

根據(jù)雙6井、張8井和環(huán)山4井的巖心觀察與薄片鑒定，川東地區(qū)茅一段以致密灰?guī)r為主，常見巖石結(jié)構(gòu)有泥晶生屑灰?guī)r、泥質(zhì)泥晶生屑灰?guī)r和含泥泥晶生屑灰?guī)r等。圖2所示為川東地區(qū)茅一段巖石結(jié)構(gòu)類型。

2.1 泥晶生屑灰?guī)r

該類巖性在研究區(qū)茅口組分布最為廣泛，巖心上呈致密塊狀，顏色整體較深，如圖2a所示。通過薄片觀察，顆粒主要由生物碎屑組成，含量為15%～30%，主要為介殼、腹足、蜓類、珊瑚、藻類、腕足、雙殼、介形蟲和有孔蟲等，生物碎屑較為破碎。溶孔與裂縫發(fā)育，并可見泥質(zhì)、方解石充填現(xiàn)象，偶見白云石化，白云石晶體自形程度中等，多為0.03～0.20 mm，如圖2b和圖2c所示。

2.2 泥質(zhì)泥晶生屑灰?guī)r

巖心顏色較深，通過薄片觀察，生物碎屑含量為15%～30%，如圖2d所示。含介殼、介形蟲、有孔蟲、腕足、腕足等生物碎屑。泥質(zhì)含量為25%～40%，主要為由海泡石轉(zhuǎn)化而來的滑石，可見生屑顆粒間充填了大量褐色滑石。見白云石化，白云石晶體自形程度差，大多呈他形。局部發(fā)育溶縫、溶孔，被泥質(zhì)充填，如圖2e和圖2f所示。

2.3 含泥泥晶生屑灰?guī)r

生屑含量15%～30%，主要為藻類、腹足、蜓類、有孔蟲、介形蟲和珊瑚等，除有孔蟲及腕足等部分方解石化保存完整外，其他生物碎屑保存不完整；泥質(zhì)含量10%～20%?？紫抖群蜐B透率較泥晶生屑灰?guī)r更大，儲(chǔ)集性能更好，顏色整體較深。局部發(fā)育裂縫，多被瀝青、方解石所充填，如圖2g、圖2h和圖2i所示。

圖2 川東地區(qū)茅一段巖石結(jié)構(gòu)類型Fig.2 Rock structure types of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

3 儲(chǔ)集空間類型

通過對(duì)雙6井、張8井和環(huán)山4井樣品進(jìn)行鏡下薄片觀察分析，發(fā)現(xiàn)茅一段儲(chǔ)集空間為微孔-裂縫體系，研究中將茅一段灰?guī)r中的孔隙分為粒間孔(縫)、滑石收縮孔(縫)、有機(jī)質(zhì)孔隙和微裂縫4大類，如圖3所示。

3.1 粒間孔

原生粒間孔隙是指在沉積物沉積后，經(jīng)過壓實(shí)作用，在碎屑顆粒之間及顆粒和雜基之間形成的孔隙[25]。茅一段儲(chǔ)層粒間孔分布于生物碎屑顆粒之間，孔徑為200～1 000 nm，連通性好，如圖3a、圖3b和圖3c所示。但因后期破壞性作用，原生粒間孔會(huì)大幅減少甚至消失，使得該類孔隙多呈孤立分布，連通性變差。

3.2 滑石收縮孔(縫)

滑石是典型三八面體層狀硅酸鹽礦物，海泡石是三八面體層鏈狀硅酸鹽礦物，當(dāng)海泡石埋藏到一定深度，隨著壓力、溫度的增大，晶格趨于不穩(wěn)定，面網(wǎng)受到動(dòng)搖，就會(huì)發(fā)生層鏈塌陷向滑石轉(zhuǎn)化，在這個(gè)過程中就會(huì)產(chǎn)生滑石收縮孔(縫)[8]。滑石孔(縫)寬為10～100 nm，連通性好，發(fā)育在黏土礦物含量較高的層段中，如圖3d和圖3e所示。

3.3 有機(jī)質(zhì)孔隙

主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)含量較高的泥晶生屑灰?guī)r中。掃描電鏡下見到的有機(jī)質(zhì)孔隙多為熱成因有機(jī)質(zhì)孔即焦瀝青孔隙，孔隙大小為1～100 nm，形狀不規(guī)則，連通性差，如圖3f所示。

3.4 裂縫

川東中二疊統(tǒng)茅口組一段應(yīng)力縫多見于宏觀尺度，表現(xiàn)為巖心上的低角度裂縫，為半-全充填，如圖3g以及圖3h所示。鏡下薄片觀察較為平直，烴類、泥質(zhì)充注比較顯著，同時(shí)工區(qū)發(fā)育溶蝕裂縫，呈樹枝狀或網(wǎng)縫狀，縫寬變大，可達(dá)0.5～1.5 μm，具有良好的連通作用，可以作為有效的油氣運(yùn)移通道，如圖3i、圖3j、圖3k以及圖3l所示。結(jié)合核磁共振測(cè)試結(jié)果，裂縫也是研究區(qū)茅口組主要的儲(chǔ)集空間類型之一。

圖3 川東地區(qū)茅一段主要儲(chǔ)集空間類型Fig.3 Reservoir space types of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

4 微孔特征

應(yīng)用掃描電鏡、氬離子拋光與核磁共振進(jìn)行茅一段致密灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)表征。在掃描電鏡基礎(chǔ)上，運(yùn)用image J軟件進(jìn)行孔隙定量劃分與提取，根據(jù)圖像的灰度直方圖信息獲得用于分割的閾值。圖像分割后再次中值濾波過濾斑點(diǎn)噪聲，通過提取孔隙邊緣并進(jìn)行區(qū)域填充操作移除“孤島”，充填孔洞，最后機(jī)器自動(dòng)輸出提取結(jié)果。

通過掃描電鏡、氬離子拋光與imageJ軟件提取孔隙參數(shù)發(fā)現(xiàn)，茅一段普遍發(fā)育微米-納米級(jí)孔隙與裂縫。研究區(qū)主要孔隙為微孔，最大孔徑51.438 μm，最小孔徑0.185 μm，平均孔徑為1.725 μm?？紫睹娣e最小僅0.050 μm2，最大可達(dá)10.000 μm2，平均面積為2.764 μm2?？紫缎螤畛嗜切螤?、網(wǎng)狀、長條狀、多邊形和狹縫形等，被泥質(zhì)、方解石與滑石充填。裂縫呈明顯的彎曲狀，且多具較好延伸性，長度多在200 μm左右，寬度多為20～100 nm，最小縫寬僅5.1 nm，如圖4所示。

巖樣核磁共振分析原理是多孔介質(zhì)孔徑與其中流體的橫向弛豫時(shí)間T2成正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)巖石孔隙中分布單相流體時(shí)，橫向弛豫時(shí)間T2時(shí)間分布曲線上每個(gè)峰反映特定范圍內(nèi)孔徑中的流體信號(hào)，峰的面積反映流體含量和此范圍孔徑所占比例。當(dāng)孔隙中的單相流體達(dá)到飽和后，T2譜中峰面積能夠反映孔隙體積[26-28]。如圖5所示，茅一段致密儲(chǔ)層的橫向弛豫時(shí)間T2譜存在3種峰的類型：單峰型、左峰占優(yōu)雙峰型及右峰占優(yōu)三峰型，T2為0.01～10 000.00 ms，說明不同等級(jí)孔隙均有發(fā)育。0.01～100.00 ms組分所占比例較高，大于100.00 ms的弛豫組分所占比例較低，指示小孔隙貢獻(xiàn)更大。

圖5 川東地區(qū)茅一段不同巖性核磁共振T2譜Fig.5 NMR T2 spectra of different lithology of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

4.1 泥晶生屑灰?guī)r

泥晶生屑灰?guī)r在285 μm×265 μm的視域內(nèi)，孔隙數(shù)目約為240～800個(gè)，平均496個(gè)?？讖阶畲罂蛇_(dá)51.438 μm，最小為0.185 μm，平均孔徑2.555 μm；孔隙面積為3.16 μm2，最大為10.00 μm2，最小為0.05 μm2；平均孔隙周長2.290 μm，最大可達(dá)9.432 μm，最小2.902 μm，如圖6所示。泥晶生屑灰?guī)r的孔隙直徑、孔隙面積與孔隙周長都跨度大且非常不均勻，反映內(nèi)部孔隙不同等級(jí)的孔隙均有發(fā)育。

泥晶生屑灰?guī)r的T2譜主要呈雙峰，可進(jìn)一步分為左峰占優(yōu)與右峰占優(yōu)2種類型，主要為左峰占優(yōu)的雙峰類型，其橫向弛豫時(shí)間T2雙峰譜左峰峰位和右峰峰位分別為0.1～10.0 ms和10.0～100.0 ms?？紫抖确至孔蠓迕黠@高于右峰，表明孔隙發(fā)育范圍較大，其中主要發(fā)育孔喉半徑為1～100 nm的小孔隙，同時(shí)發(fā)育部分大孔隙，滲透率較低。右峰占優(yōu)的雙峰類型占小部分，橫向弛豫時(shí)間T2雙峰譜左峰峰位約分布在10 ms附近，右峰峰位為100～1 000 ms，且孔隙度分量右峰明顯高于左峰，如圖6a所示，表明中等孔隙所占比例增加，成為主要孔隙類型，同時(shí)發(fā)育大孔隙。

4.2 泥晶灰?guī)r

泥晶灰?guī)r孔隙數(shù)量最少，僅453個(gè)。相較生屑泥晶灰?guī)r和泥晶生屑灰?guī)r，泥晶灰?guī)r平均孔徑最小，僅1.462 μm，平均孔隙面積也最小僅1.477 μm2，但其平均孔隙周長最大，為3.95 μm，如圖6所示。

泥晶灰?guī)r的T2譜成單峰，且峰值靠左對(duì)稱分布，單峰峰值對(duì)應(yīng)橫向弛豫時(shí)間約為1 ms，最大橫向弛豫時(shí)間小于1 000 ms，如圖6b所示。表明泥晶灰?guī)r孔隙大小分布不均，主要發(fā)育小孔隙，中等孔隙與大孔隙欠發(fā)育。

4.3 生屑泥晶灰?guī)r

生屑泥晶灰?guī)r為孔隙數(shù)目最多的巖石結(jié)構(gòu)，在285 μm×265 μm的視域內(nèi)，生屑泥晶灰?guī)r平均孔隙數(shù)目為595個(gè)，最多可達(dá)1 527個(gè)，最少279個(gè)。如圖6所示，生屑泥晶灰?guī)r平均孔徑約為1.325～1.873 μm，平均孔徑為1.590 μm；孔隙面積為2.23 μm2，40%介于1～2 μm2，50%介于2～3 μm2，僅有少量孔隙面積大于3 μm2；平均孔隙周長為2.82 μm且分布均勻，表明生屑泥晶灰?guī)r發(fā)育體積大小較均勻的微孔。

核磁共振結(jié)果顯示，生屑泥晶灰?guī)r橫向弛豫時(shí)間T2譜主要為左峰占優(yōu)的雙峰類型，雙峰譜左峰峰位約為1 ms，右峰峰位為10～100 ms，不同橫向弛豫時(shí)孔隙分量變化大，如圖6c所示。表明生屑泥晶灰?guī)r儲(chǔ)層中不同尺度的孔隙皆有發(fā)育，但總體以小孔隙為主，此外發(fā)育了部分中等孔隙。

圖6 川東地區(qū)茅一段微孔參數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of micropore parameters of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

5 主控因素

通過進(jìn)一步分析雙6井、張8井和環(huán)山4井微孔參數(shù)與各組分含量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，川東地區(qū)茅一段灰?guī)rTOC、石英含量、黏土礦物含量與孔隙體積、孔隙度、滲透率均具有較好的正相關(guān)性，如圖7所示。圖8所示為川東地區(qū)茅一段微孔參數(shù)與各組分含量關(guān)系。

圖7 雙6井、張8井及環(huán)山4井微孔參數(shù)與各組分含量數(shù)據(jù)Fig.7 Micropore parameters and component content data of wells Shuang6, Zhang8 and Huanshan4

如圖8a、圖8b和圖8c所示，孔隙體積、孔隙度、滲透率均隨TOC的增加而增加，反映孔隙主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)中，尤其是微孔的孔隙體積、孔隙度、滲透率與TOC呈高度正相關(guān)，說明有機(jī)質(zhì)目前以微孔發(fā)育為主。

如圖8d、圖8e和圖8f所示，石英含量與孔隙體積、孔隙度、滲透率呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，即石英含量越高，巖石孔隙體積越大、孔隙度與滲透率越高。石英具有特定的晶形和硬度，可以構(gòu)成一個(gè)相對(duì)剛性格架，抵抗外力的作用相對(duì)較強(qiáng)，有利于巖石中孔隙的保存。與此同時(shí)，石英顆粒被破壞時(shí)，邊緣易產(chǎn)生裂縫，能夠改善灰?guī)r的孔滲條件。

如圖8g、圖8h和圖8i所示，黏土礦物受空間限制影響較小且多呈層狀沉積，可以為氣體賦存與流動(dòng)提供更多的吸附點(diǎn)位和孔隙空間。在黏土礦物中，滑石貢獻(xiàn)最大。茅一段的滑石是由海泡石轉(zhuǎn)化而來，海泡石是三八面體層鏈狀黏土礦物，而滑石是三八面體層狀硅酸鹽礦物。深埋藏條件下，海泡石鏈籠中分子水被排出，層鏈塌陷，開始向滑石轉(zhuǎn)化，形成一定數(shù)量的成巖收縮縫[29]，有利于提高川東地區(qū)茅一段儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能。

圖8 川東地區(qū)茅一段微孔參數(shù)與各組分含量關(guān)系Fig.8 Relationship between micropore parameters and content of each component of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

6 結(jié)論

1)川東地區(qū)茅口組一段儲(chǔ)層發(fā)育在致密灰?guī)r中，可劃分為泥晶生屑灰?guī)r、泥質(zhì)泥晶生屑灰?guī)r、含泥泥晶生屑灰?guī)r和含生屑泥晶灰?guī)r。

2)茅一段地層儲(chǔ)集空間主要為粒間孔、滑石收縮孔(縫)、有機(jī)孔和裂縫。發(fā)育孔縫型儲(chǔ)層，其巖層平均孔隙度為1.57%，平均孔徑為1.725 μm，平均孔隙面積為2.764 μm2，平均滲透率為0.113 mD，表現(xiàn)出低孔、低滲的致密碳酸鹽巖儲(chǔ)集特征。

3)川東地區(qū)茅一段TOC、石英含量、黏土礦物含量與孔隙度、孔隙體積、滲透率均呈現(xiàn)出較好的正相關(guān)性。有機(jī)碳豐度、石英豐度、滑石豐度控制了川東地區(qū)茅口組一段儲(chǔ)層微孔的發(fā)育。