川南ZX向斜五峰組—龍馬溪組頁巖孔隙特征及差異性

張喜淳，胡晨林，田繼軍，吝文，張介輝，楊斌

（1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，新疆 烏魯木齊 830017；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.中國石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310023；4.中石化經(jīng)緯有限公司，山東 青島 266075）

0 引言

隨著非常規(guī)油氣資源越來越受到重視，我國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)取得了重大突破。長寧-威遠、昭通、涪陵頁巖氣示范區(qū)的建立，為我國未來頁巖氣工業(yè)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)［1］。鉆探結(jié)果表明，四川盆地南緣昭通示范區(qū)ZX向斜五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)黑色頁巖具有良好的頁巖氣開發(fā)前景［2］，雖然具有生產(chǎn)潛力，但是頁巖儲層一般具有很強的非均質(zhì)性［3］。

前人以野外露頭和鉆井資料為基礎(chǔ)，結(jié)合地球化學、巖石礦物等沉積要素研究認為，五峰組—龍馬溪組的頁巖儲層特征在垂向上存在很大差異，優(yōu)質(zhì)頁巖主要位于地層底部，占比8%～20%［4-5］。郭旭升等［6-7］通過巖心、露頭、測井和地球化學參數(shù)等數(shù)據(jù)分析，識別并建立了上揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組下段黑色頁巖層序地層的垂向演化模式。在五峰組—龍馬溪組下段時期，海平面變化整體為快速上升—迅速下降—再次上升—逐漸下降，沉積環(huán)境由厭氧—貧氧—富氧逐漸過渡，這導致五峰組—龍馬溪組下段的頁巖儲層具有多方面的非均質(zhì)性，從而增加了優(yōu)質(zhì)頁巖儲層預測和資源評價的難度。很多學者從儲層物性特征、有機地球化學特征等方面對五峰組—龍馬溪組下段頁巖進行了非均質(zhì)性研究［8-11］，但目前關(guān)于儲層參數(shù)的變化對孔隙結(jié)構(gòu)的影響及原因仍存在不同觀點，尚需繼續(xù)研究和探討。為了準確表征頁巖納米孔隙發(fā)育特征，本文以ZX向斜五峰組—龍馬溪組下段頁巖樣品為研究對象，通過比表面積、孔體積和孔徑等參數(shù)計算分形維數(shù)，并結(jié)合礦物組分、有機地化資料，研究頁巖納米孔隙特征及差異性，以期為后續(xù)勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地位于中國西南部，面積1.81×105km2，是中國構(gòu)造較穩(wěn)定的沉積盆地之一。滇黔北坳陷位于云南、貴州和四川三省交會處，面積約3.55×104km2，其中部為威信凹陷，北部與四川盆地相接，南部與滇東-黔中隆起相鄰，東、西分別為雪峰隆起和昭通凹陷［12］。ZX向斜位于四川盆地川南低陡褶皺帶南緣與滇黔北威信凹陷北緣結(jié)合地帶（見圖1），面積約3.513×102km2，經(jīng)歷印支期以來多期次的陸內(nèi)造山構(gòu)造運動疊加改造，具有強改造和走滑壓扭的構(gòu)造背景。早奧陶世晚期—志留世早期，揚子板塊與華夏板塊碰撞擠壓產(chǎn)生匯聚作用，整個上揚子地臺處于擠壓應力環(huán)境，克拉通邊緣受擠壓抬升形成半閉塞、滯留海盆環(huán)境［13-15］。由于構(gòu)造擠壓和等效海侵的影響，使得地臺形成了受限的沉積格局。

本文數(shù)據(jù)取自研究區(qū)6口頁巖氣井，氣井位于ZX向斜北部（見圖1a），主要勘探層位為五峰組—龍馬溪組。本文研究的層位龍馬溪組一段分為龍一1亞段（S1l11亞段）和龍一2亞段（S1l12亞段），其中重點研究的S1l11亞段又細分為S1l11-1，S1l11-2，S1l11-3，S1l11-44個小層（見圖1b）。在貧氧/缺氧深水陸棚環(huán)境下，龍一段主要沉積了一套富含黃鐵礦、碳質(zhì)、生物硅的黑色頁巖，龍二段主要為灰質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、灰質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)粉砂巖［16-17］。五峰組—S1l11亞段主要巖相為黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖相和鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖相，S1l12亞段主要巖相為黏土質(zhì)為主的混合頁巖相。

圖1 ZX向斜構(gòu)造位置及ZX3井地層綜合柱狀圖

2 儲層納米孔隙特征

2.1 氣體吸附、脫附曲線特征

本文選取ZX向斜ZX5井龍馬溪組總有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）有梯度變化的樣品進行CO2吸附和N2吸附-脫附實驗（見圖2）。CO2吸附實驗結(jié)果表明：在相對壓力（p/p0，p為平衡壓力，p0為飽和蒸汽壓力）小于0.01時，CO2吸附量增加較快，曲線呈上凸形，表明頁巖內(nèi)部含有較多微孔；當p/p0≥0.01時，CO2吸附量增加速度相對減緩，吸附曲線呈近似線形增長（見圖2a）。結(jié)合樣品CO2最終吸附量來看，龍二段樣品19的TOC最低（0.49%），CO2最終吸附量也最低，僅為0.48 cm3/g，龍一段樣品62的TOC最高（6.25%），CO2最終吸附量也最高（2.39 cm3/g）。因此，TOC越高的樣品，微孔發(fā)育程度越高，CO2最終吸附量也越大。這表明TOC對頁巖納米孔隙發(fā)育有積極影響［18］。

ZX5井頁巖樣品的N2吸附-脫附曲線具明顯分段特征，整體呈反“S”形（見圖2b。圖中實心圓曲線為吸附曲線，空心圓曲線為脫附曲線）。當p/p0＜0.05時，樣品N2吸附量增速較快，曲線呈上凸形，表明液氮在微孔中充填或在單分子層吸附。當0.05≤p/p0＜0.80時，N2吸附曲線近似直線，吸附量上升較為緩慢，表明樣品內(nèi)部發(fā)育介孔和宏孔，在其表面發(fā)生單分子層及多分子層吸附；當p/p0≥0.80時，N2吸附曲線呈下凹形，尤其在p/p0≥0.90時，N2吸附量驟增，表明頁巖樣品中發(fā)育大量宏孔，且液氮分子在宏孔內(nèi)發(fā)生毛細凝聚現(xiàn)象。而毛細凝聚現(xiàn)象導致了頁巖樣品的N2脫附曲線滯后于吸附曲線，在p/p0=0.45處出現(xiàn)滯后環(huán)。根據(jù)滯后環(huán)的形狀可以大致判斷頁巖孔隙類型，其差異性表明納米孔隙的復雜特征。根據(jù)國際理論與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）標準分類，ZX5井頁巖樣品的滯后環(huán)主要為H4型［19］，表明ZX向斜頁巖主要發(fā)育狹縫型納米孔隙。五峰組—S1l11亞段（樣品49，55，62）脫附曲線滯后環(huán)比S1l12亞段（樣品25，37）更明顯，S1l12亞段脫附曲線又比龍二段（樣品19）更明顯，表明隨著埋深增加，頁巖納米孔隙發(fā)育更多、更復雜。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，N2，CO2吸附實驗類似，TOC高的樣品N2吸附量相對較高。由圖2b可知：ZX5井龍一段樣品62的TOC最高（6.25%），N2吸附量也最高（20.68 cm3/g）；ZX5井龍二段樣品19的TOC最低（0.49%），N2吸附量最高僅為11.05 cm3/g。這再次印證了TOC是頁巖氣吸附能力的主要影響因素。ZX向斜頁巖TOC隨埋深增加而增加，吸附能力也隨之增加，表明該地區(qū)五峰組—S1l11亞段地層的勘探開發(fā)相對有利。

圖2 ZX5井五峰組—龍馬溪組部分頁巖樣品CO2吸附、N2吸附-脫附曲線

2.2 納米孔隙結(jié)構(gòu)特征

ZX1井五峰組—S1l11亞段納米孔隙較發(fā)育。比表面積（S）峰值位于微孔（孔徑小于2 nm）、介孔（孔徑介于2～50 nm），表明比表面積主要受控于微孔和介孔（見圖3a）?？左w積（V）峰值位于介孔、宏孔（孔徑大于50 nm），表明孔體積主要受控于介孔和宏孔（見圖3b）。

圖3 ZX1井五峰組—S1l11亞段頁巖樣品孔徑分布特征

五峰組—S1l11亞段頁巖樣品的比表面積介于19.96～39.06 m2/g，S1l11亞段比表面積均值為25.58 m2/g，五峰組比表面積均值為31.23 m2/g，五峰組頁巖樣品的比表面積大于S1l11亞段。而五峰組頁巖樣品的平均孔徑為7.67 nm，S1l11亞段頁巖樣品的平均孔徑為8.93 nm，表明隨著埋深增加，頁巖樣品孔徑減小，微孔占比提高，比表面積隨之增加。五峰組—S1l11亞段頁巖樣品的孔體積介于0.023 0～0.046 0 cm3/g，S1l11亞段孔體積均值為0.037 2 cm3/g，五峰組孔體積均值為0.036 9 cm3/g，S1l11亞段頁巖樣品的孔體積略大于五峰組，表明S1l11亞段介孔、宏孔占比提高。S1l11亞段、五峰組頁巖樣品的TOC均值分別為3.34%，5.26%，孔隙度均值分別為4.78%，7.44%。隨著埋深增加，TOC增加，有機質(zhì)孔占比提高，對孔隙度增加有促進影響。納米級有機質(zhì)孔占比提高是頁巖孔隙比表面積增加、孔體積小幅減少、平均孔徑降低的主要影響因素。

3 納米孔隙發(fā)育的差異性分析

3.1 儲層參數(shù)對孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

有機質(zhì)內(nèi)發(fā)育大量的納米級有機質(zhì)孔，有機質(zhì)孔表面比較粗糙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，形態(tài)多樣，這種復雜的結(jié)構(gòu)大大增加了孔隙的比表面積和孔體積［8，20］。ZX向斜頁巖TOC與孔隙的比表面積、孔體積有良好的正相關(guān)性（見圖4a，4b）。因此，富有機質(zhì)頁巖中孔隙的比表面積和孔體積大部分來源于有機質(zhì)所形成的納米孔隙。前人成果表明，無機礦物形成的孔隙平均孔徑一般大于有機質(zhì)孔的平均孔徑［21］。隨著埋深增加，TOC有增加的趨勢，且伴有較高的地層壓力，地層壓力增大，平均孔徑趨于減小，微孔發(fā)育占比增加。由此可以得出，在其他條件相近時，TOC是頁巖納米孔隙發(fā)育出現(xiàn)差異性的主要影響因素之一。

郭旭升等［8］研究表明，有機質(zhì)在熱解生烴的過程中，隨著熱演化程度增加，有機質(zhì)微孔和介孔數(shù)量將增多，即頁巖熱演化程度在一定范圍（鏡質(zhì)組反射率Ro介于0.7%～3.5%）時，會對納米孔隙發(fā)育起積極作用。而梁興等［22］研究表明，熱演化程度過高會對孔隙發(fā)育產(chǎn)生一定的負面影響。例如：下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖Ro均值大于3.0%，龍馬溪組頁巖Ro相對較低，Ro均值小于3.0%；而筇竹寺組頁巖氣富集程度不及龍馬溪組，因此得出熱演化程度通過控制黏土礦物的類型和質(zhì)量分數(shù)間接控制礦物間納米孔隙的發(fā)育，且過高的熱演化程度制約了納米孔隙發(fā)育的結(jié)論。ZX向斜五峰組—S1l11亞段Ro均值為2.35%，整體處于高—過成熟階段，為納米孔隙大量發(fā)育時期［8，22］。當Ro≤3.0%時，頁巖Ro與納米孔隙的比表面積、孔體積呈正相關(guān)性；當Ro＞3.0%時，頁巖Ro與比表面積呈較明顯的負相關(guān)性，與孔體積呈較弱的負相關(guān)性（見圖4c，4d）。這表明當Ro≤3.0%時，熱演化程度對納米孔隙發(fā)育有積極影響，當Ro＞3.0%時，熱演化程度對納米孔隙發(fā)育有一定的制約性，這與前人的研究結(jié)果相吻合。因此，熱演化程度是頁巖納米孔隙發(fā)育出現(xiàn)差異性的主要影響因素之一。

圖4 ZX向斜頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與TOC，R o的關(guān)系

3.2 分形維數(shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

本文選用FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型對研究區(qū)五峰組—S1l11亞段頁巖樣品的分形維數(shù)（D）進行計算。一般來說，D介于2～3。D越接近2，表明孔隙結(jié)構(gòu)的復雜性或孔隙表面的非均質(zhì)性越弱；D越接近3，表明孔隙結(jié)構(gòu)的復雜性或孔隙表面的非均質(zhì)性越強［23］。頁巖樣品N2吸附-脫附曲線在p/p0≥0.45時會出現(xiàn)滯后環(huán)。因此，p/p0≥0.45時的吸附機制與p/p0＜0.45時的吸附機制不同。根據(jù)前人研究，一般將p/p0＜0.45時的分形維數(shù)記為D1，反映范德華力作用；p/p0≥0.45時的分形維數(shù)記為D2，反映毛細凝聚作用［24］。

ZX向斜五峰組—S1l11亞段的D2介于2.680 1～2.842 5，平均2.763 1；D1介于2.583 5～2.721 1，平均2.661 6。當D2＞D1時，表明在N2吸附-脫附曲線p/p0≥0.45階段，頁巖中大量宏孔內(nèi)部的結(jié)構(gòu)復雜程度大于微孔和介孔。不同巖相的頁巖，其分形維數(shù)存在差別。黏土質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖的D2均值為2.744 1，D1均值為2.656 9，鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖的D2均值為2.782 4，D1均值為2.680 8。黏土礦物提供了大量的層間孔/縫、粒間孔和粒內(nèi)孔。肖磊等［24］研究表明，D1，D2與黏土礦物質(zhì)量分數(shù)有一定的負相關(guān)性，黏土礦物在受壓實作用時，其內(nèi)部的排列更為緊密，孔隙更加規(guī)則，從而分形維數(shù)偏小。

ZX向斜龍馬溪組下段頁巖為海相頁巖，其中的硅質(zhì)大部分為生物成因，石英比黏土礦物具有更高的脆性，在壓實過程中更易形成不規(guī)則孔隙，且能夠提供更多內(nèi)部復雜的有機質(zhì)孔。因此，鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖相具有更大的分形維數(shù)，表明此類頁巖孔隙表面更粗糙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更復雜。

ZX向斜五峰組—S1l11亞段頁巖比表面積與分形維數(shù)的關(guān)系見圖5。D1和D2均與比表面積呈正相關(guān)性，D1相關(guān)性較弱，R2為0.436 2（見圖5a）；D2相關(guān)性較強，R2為0.669 7（見圖5b）。分形維數(shù)與比表面積呈正相關(guān)性，D2與比表面積的相關(guān)性優(yōu)于D1，且D2更接近3。這表明比表面積越大的頁巖納米孔隙的分形維數(shù)越大，表面更粗糙，內(nèi)部更復雜［25］。在N2吸附曲線p/p0≥0.45宏孔占比增加的階段，這種相關(guān)性更加明顯?？傊?，通過計算分形維數(shù)可以在一定程度上反映頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的規(guī)律，分析不同層位、不同巖相的納米孔隙發(fā)育的差異性。

圖5 ZX向斜五峰組—S1l11亞段頁巖比表面積與分形維數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)論

1）ZX向斜五峰組—龍一段頁巖樣品內(nèi)部主要發(fā)育微孔、介孔和宏孔，吸附能力的主要影響因素是TOC。TOC隨埋深增加而加大，頁巖吸附能力增強，尤其是五峰組—S1l11亞段TOC整體高于S1l12亞段，頁巖吸附能力更強，保存氣體更多。因此，五峰組—S1l11亞段的勘探開發(fā)相對有利。頁巖孔隙的比表面積主要受控于微孔和介孔，孔體積主要受控于介孔和宏孔。

2）五峰組—S1l11亞段頁巖TOC和Ro的變化是導致納米孔隙發(fā)育出現(xiàn)差異性的主要影響因素。鈣質(zhì)硅質(zhì)混合頁巖的分形維數(shù)相對更大，孔隙表面更粗糙，結(jié)構(gòu)更復雜。