上揚子黔西北地區(qū)海相與海陸過渡相頁巖氣儲層孔隙特征差異性研究

史 淼，張金川，袁 野，陶隆鳳，劉 釗

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031；2.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引 言

頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，在能源領(lǐng)域受到了高度重視，加強頁巖氣資源的勘探開發(fā)對滿足清潔能源消費需求、改善能源結(jié)構(gòu)以及抗霾減排等至關(guān)重要[1-3]。古生界富有機質(zhì)頁巖是南方海相與海陸過渡相頁巖氣的重要儲集層系，目前龍馬溪組海相頁巖已實現(xiàn)工業(yè)化開采[4]，而牛蹄塘組海相頁巖與龍?zhí)督M海陸過渡相頁巖分布范圍廣泛、資源儲量大且前景廣闊，尚待進一步勘探開發(fā)。上揚子黔西北地區(qū)海相與海陸過渡相頁巖均有發(fā)育，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、下志留統(tǒng)龍馬溪組及上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為該區(qū)內(nèi)3套潛力頁巖，龍馬溪組與牛蹄塘組頁巖內(nèi)發(fā)育大量有機孔和少量無機孔，無機孔以礦物粒間孔和少量微裂縫為主[5-7]；龍?zhí)督M頁巖除有機孔外，無機孔主要為礦物晶間孔以及灰?guī)r和砂巖夾層中的剪切裂縫[8-9]。前人對海相與海陸過渡相頁巖的孔隙類型、結(jié)構(gòu)及分布等已分別進行了研究，但對于海相及海陸過渡相的差異性對比分析尚未見報道[5-10]。因此，該文以黔西北為研究區(qū)，對海相、海陸過渡相頁巖孔隙特征及分布模式進行對比分析，探索孔隙特征差異性成因及其對儲層頁巖氣富集的影響，研究成果將進一步優(yōu)化龍馬溪組頁巖氣儲層勘探開發(fā)理論，并為牛蹄塘組及龍?zhí)督M頁巖氣儲層評價與勘探開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 采樣測試點選取及測試方法

1.1 測試點選取及樣品基本參數(shù)

上揚子陸塊在大地構(gòu)造上位于特提斯-喜馬拉雅與濱太平洋兩大巨型構(gòu)造域結(jié)合部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，沉積建造多樣。黔西北地區(qū)位于上揚子陸塊的東南緣，構(gòu)造斷裂十分發(fā)育，黔西北地區(qū)分布有大量厚度較大、埋深相對較小、有機質(zhì)含量高且熱成熟度較高的海相與海陸過渡相頁巖[10]。由北向南依次采集黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組及上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M3套層系6口井樣品(圖1)。圖1中，習(xí)頁1井與桐頁1井位于龍馬溪組，仁頁1井與仁頁2井位于牛蹄塘組，西頁1井與方頁1井位于龍?zhí)督M；試驗區(qū)為上揚子陸塊黔西北地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)首選區(qū)，接續(xù)區(qū)次之，接續(xù)區(qū)為試驗區(qū)獲得工業(yè)氣流后繼而考慮的開發(fā)區(qū)。各井由淺至深間隔約10 m采樣一次，每口井采集10塊，共60塊巖心樣品用于此次研究，樣品基本參數(shù)平均值見表1。

圖1 采樣井位置與勘探潛力區(qū)部署

表1 樣品基本參數(shù)

1.2 測試方法

使用D8 DISCOVER型X射線衍射儀分析獲得樣品礦物組成；Leco碳硫測定儀與油氣顯示評價儀測定樣品總有機碳(TOC)含量；LABORLUX 12 POL熒光顯微鏡與Leitz MPV-3型顯微鏡光度計鏡檢分析樣品有機質(zhì)類型與有機質(zhì)成熟度(Ro)；UltraPore-300型氦孔隙度測量儀測試獲得樣品總孔隙度；低壓N2與CO2吸附測試獲得樣品比表面積與孔徑，N2用于中孔(2～50 nm)及宏孔(大于50 nm)表征，CO2用于微孔(小于2 nm)表征[11]；FEI 200F型環(huán)境掃描電鏡和ZEISS SUPRA 55 SAPPHIRE型場發(fā)射掃描電鏡觀察獲得樣品的孔隙特征，實驗加速電壓為5～30 kV，圖像分辨率為0.8 nm，觀察前先使用氬離子束拋光樣品，而后表層鍍碳提高其導(dǎo)電性，但鍍層會減弱已拋光樣品表面的形貌差異，且會改變孔隙形狀與大小，故部分圖像拍攝于鍍碳前，結(jié)合背散射與二次電子圖像獲得。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙類型差異

2.1.1 孔隙識別

龍馬溪組頁巖中有機孔為最常見的孔隙類型，呈橢圓、不規(guī)則狀，相對孤立分布，掃描電鏡觀察以中—宏孔居多(圖2a、b)；其次為粒間孔，主要為剛性礦物(石英、方解石及長石等)顆粒間孔(圖2c)、剛性礦物與塑性礦物(主要為黏土礦物)顆粒間孔、剛性礦物顆粒與有機質(zhì)間孔，塑性的黏土礦物顆粒間幾乎無粒間孔發(fā)育；粒內(nèi)孔發(fā)育程度差，一些“草莓狀”黃鐵礦集合體內(nèi)幾乎無晶間孔發(fā)育(圖2d)，黏土礦物集合體內(nèi)礦片間孔數(shù)量也較少且?guī)缀跬耆挥袡C質(zhì)充填。

牛蹄塘組頁巖中有機孔仍為最常見的孔隙類型，呈圓形、橢圓形或不規(guī)則狀(圖2e—g)，且各孔隙間相對獨立，以中—宏孔居多，但較龍馬溪組頁巖而言，有機孔小且發(fā)育程度略差；粒間孔數(shù)量多且孔隙較大，主要為剛性礦物(主要為石英與方解石)顆粒間孔、剛性礦物與塑性礦物(黏土礦物)顆粒間孔(圖2h)；粒內(nèi)孔發(fā)育較少，為少量“草莓狀”黃鐵礦集合體內(nèi)晶間孔。

龍?zhí)督M頁巖中有機孔較前二者而言，發(fā)育程度低，多呈不規(guī)則狀且以宏孔居多，各孔隙間有一定的連通性(圖2i)；部分有機質(zhì)內(nèi)部及邊緣保留了在有機質(zhì)熱演化過程中形成的收縮微裂縫(圖2j)。粒間孔非常發(fā)育，剛性礦物顆粒間孔及剛性礦物與塑性礦物顆粒間孔的數(shù)量均很多(圖2k)，且在部分剛性礦物與有機質(zhì)間發(fā)育有微裂縫(圖2j、l)。粒內(nèi)孔相對發(fā)育，以剛性礦物顆粒溶蝕內(nèi)孔最為常見(圖2l)。

海相頁巖與海陸過渡相頁巖孔隙類型存在顯著差異?？傮w來看，海相頁巖中有機孔最為發(fā)育，且在有機質(zhì)類型和成熟度控制下主要表現(xiàn)為有機質(zhì)生烴孔；海陸過渡相頁巖富含腐殖型有機質(zhì)，故有機質(zhì)生烴孔并不多見，多表現(xiàn)為有機質(zhì)與附著在其中的無機礦物間的接觸孔或有機質(zhì)收縮縫；無機粒間/粒內(nèi)孔的發(fā)育程度在海相頁巖中明顯低于海陸過渡相頁巖。

2.1.2 有機孔含量

基于掃描電鏡得到的圖像，分別對海相與海陸過渡相頁巖有機孔的相對含量進行估算，海相頁巖以龍馬溪組為例，海陸過渡相以龍?zhí)督M為例。圖像中孔隙的灰度值最高，有機質(zhì)次之，石英、黏土礦物等無機非金屬礦物的灰度值更低[12]。使用軟件J Microvision以視覺上能見到有機孔的最大限度為界，提取并標(biāo)記有機孔(圖3，龍馬溪組有機孔標(biāo)記為紅色，龍?zhí)督M有機孔標(biāo)記為綠色)，提取閾值范圍為38～42。

依據(jù)文獻[13]中關(guān)于有機孔孔隙度的計算公式計算龍馬溪組、龍?zhí)督M頁巖的有機質(zhì)孔隙度:

(1)

式中：Ф為有機孔孔隙度，%；ФS為有機孔面孔率，%；TOC為總有機碳含量，%；ρshale為頁巖密度，g/cm3；ρOM為有機孔密度，g/cm3。

龍馬溪組與龍?zhí)督M頁巖的有機孔面孔率ФS由軟件提取后取平均值，二者的總孔隙度(Ф′)由孔隙度測試直接得到后取平均值(表2)。將由式(1)計算所得Ф值除以Ф′值，最終計算出海相龍馬溪組頁巖有機孔相對含量為47.87%，海陸過渡相龍?zhí)督M頁巖有機孔的相對含量為26.11%。統(tǒng)計計算進一步證實了掃描電鏡定性觀察的結(jié)果，即海相頁巖有機孔含量明顯高于海陸過渡相頁巖，且有機孔為海相頁巖中最為重要的孔隙類型；此外，式(1)也體現(xiàn)出有機孔孔隙度與TOC的線性關(guān)系，當(dāng)TOC值越大時，龍馬溪組頁巖有機孔的相對含量將越高。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)差異

龍馬溪組頁巖BET比表面積變化范圍較大，為2.013～12.050 m2/g，平均值為6.112 m2/g，孔徑平均值為4.80 nm(表3)。從孔隙體積百分比柱狀圖可看出，其主體為中孔，約占總孔體積的75%；其次為宏孔，約占總孔體積的15%；微孔數(shù)量相對較少，約占10%(圖4)。

牛蹄塘組頁巖BET比表面積為5.635～9.692 m2/g，平均值為7.649 m2/g，孔徑平均值為4.15 nm?？紫吨黧w為中孔，約占65%；其次為宏孔，約占20%；微孔約占15%。

圖3 有機孔提取

表2 樣品有機孔孔隙度及有機孔相對含量

龍?zhí)督M頁巖BET比表面積變化范圍更大，為1.037～22.690 m2/g，平均值為6.110 m2/g，孔徑相對較大，平均值為15.20 nm。孔隙主體仍為中孔，占總孔體積的80%以上；其次為宏孔，約占15%；微孔數(shù)量最少，僅占5%左右。

對比發(fā)現(xiàn)，海相與海陸過渡相頁巖中均以中孔最為發(fā)育，但海相頁巖孔徑較小，海陸過渡相頁巖孔徑相對較大；二者BET比表面積相差不大，但海陸過渡相頁巖比表面積變化范圍大，體現(xiàn)其孔隙大小變化較大，導(dǎo)致吸附氣貢獻不如海相頁巖穩(wěn)定。此外，海相牛蹄塘組頁巖微孔較龍馬溪組頁巖更為發(fā)育，孔徑相對更小，BET比表面積相對更大。

and marine-continental transitional shale

2.3 孔隙分布模式差異

海相頁巖有機質(zhì)來源主要為浮游生物和藻類等，以腐泥型為主，類型為Ⅰ或Ⅱ1型，由于形成時代較早，海相頁巖普遍處于高—過成熟度階段，較高的成熟度與較好的有機質(zhì)類型使其生成了大量烴類，有機生烴孔發(fā)育；受成巖期強壓實作用與膠結(jié)作用影響，大部分原生粒間孔及部分粒內(nèi)孔被破壞，僅少部分由于剛性礦物顆?？箟耗芰^強，得以保存。因此，海相頁巖為以有機孔為主、碳酸鹽類礦物(主要為方解石)與石英等剛性礦物顆粒間孔為輔的孔隙分布模式(圖5a)。有機孔為孔隙體積和比表面積的主要貢獻者，頁巖氣主要以吸附形式儲存于二維空間上孤立且三維空間上相互連通的有機孔內(nèi)，頁巖氣在有機顆粒內(nèi)可自由運移[14]。黔西北地區(qū)海相龍馬溪組頁巖沉積中心位于習(xí)水及以北地區(qū)，中心厚度約為50 m，向南逐漸變小；牛蹄塘組頁巖沉積中心位于仁懷-修文一帶，中心厚度為50～60 m，向北、南、西南逐漸減薄。區(qū)內(nèi)海相頁巖氣儲層整體呈現(xiàn)出自北向南、自沉積中心向外，由有機孔吸附氣貢獻為主向有機/無機粒間孔共同貢獻的孔隙分布變化。

海陸過渡相頁巖以腐殖型有機質(zhì)為主，類型為Ⅲ型，雖成熟度較高，但有機質(zhì)生烴潛力較差，有機孔發(fā)育程度相對較低；其內(nèi)部碳酸鹽類礦物、長石等碎屑礦物以及黏土礦物含量較高，剛性與剛性礦物顆粒間、剛性與塑性礦物顆粒間的粒間孔豐富，且留存情況優(yōu)于遭受更強壓實作用的海相頁巖。在沉積—成巖過程中，大量碳酸鹽類礦物被有機酸溶解形成的溶蝕縫和溶蝕粒內(nèi)孔也是海陸過渡相頁巖孔隙系統(tǒng)的重要組成部分，故海陸過渡相頁巖形成了無機孔粒間/粒內(nèi)孔和微裂縫占主體，有機孔次之的孔隙分布模式(圖5b)。海陸過渡相頁巖以大方-畢節(jié)為長軸型沉積中心，厚度為30～60 m，向北逐漸減薄，海陸過渡相頁巖氣儲層主要占據(jù)區(qū)內(nèi)偏南地區(qū)，呈現(xiàn)出自南向北無機顆?？着c微裂縫貢獻為主向有機孔過渡的孔隙分布變化。

3 海相及海陸過渡相頁巖氣儲層孔隙差異性原因分析及勘探開發(fā)潛力區(qū)部署

沉積環(huán)境控制著頁巖巖相組合、層理結(jié)構(gòu)、礦物成分和有機質(zhì)類型，并在一定程度上影響有機孔與無機孔的相對含量，形成時期沉積環(huán)境的不同是海相與海陸過渡相頁巖孔隙差異性最主要的原因[15]，受沉積—成巖作用影響，二者孔隙類型、數(shù)量、大小及分布模式等均存在差異[16-17]。龍馬溪組頁巖下段與牛蹄塘組頁巖為深海陸棚環(huán)境，水深較深且水體相對平靜，水動力條件弱致其受陸源碎屑影響少，沉積物主要為細(xì)粒黏土礦物顆粒[18]，同時深水厭氧條件使有機質(zhì)得以較好保存[19]，故有機質(zhì)生烴孔數(shù)量較多，且隨埋深增加，小孔徑無機礦物孔發(fā)育[20]；龍馬溪組頁巖上段主要為淺海陸棚沉積環(huán)境，水動力條件較強且陸源碎屑輸入多，沉積物中石英、方解石及長石等碎屑礦物顆粒相對較多，除發(fā)育有機孔外，無機礦物孔的孔徑也相對較大。海陸過渡相龍?zhí)督M頁巖主要形成于潮坪—潟湖環(huán)境，有機質(zhì)來源于泥炭和高等植物，水動力不足不利于有機質(zhì)形成，同時富氧條件致有機質(zhì)易被氧化分解而難以保存[21-22]，故有機孔發(fā)育程度相對較差，陸源碎屑輸入與物質(zhì)交換較大，導(dǎo)致碳酸鹽類與長石等碎屑礦物含量更多，且易被溶解形成溶蝕孔與微裂縫。

除沉積環(huán)境外，后期保存條件也會影響海相與海陸過渡相頁巖的孔隙特征[23-27]。上揚子黔西北地區(qū)構(gòu)造十分復(fù)雜，褶皺及斷層發(fā)育，保存條件好的頁巖內(nèi)有機孔發(fā)育，保存條件差的頁巖內(nèi)有機孔相對不發(fā)育且有一定程度變形；保存條件好的頁巖孔隙體積與比表面積優(yōu)于遭到破壞的頁巖。

黔西北地區(qū)海相龍馬溪組與牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)含量高且有機質(zhì)生烴孔與小孔徑無機礦物孔大量發(fā)育，氣體吸附能力優(yōu)于過渡相龍?zhí)督M頁巖，但牛蹄塘組頁巖埋深更深且保存條件較差。綜合地形、研究區(qū)勘探現(xiàn)狀、天然氣管道及工農(nóng)業(yè)分布區(qū)等因素，黔西北勘探開發(fā)首選層系為北部習(xí)水、桐梓地區(qū)龍馬溪組，其次為中部仁懷地區(qū)沉積厚度更大的牛蹄塘組，考慮在這2套層系沉積中心部署頁巖氣勘探開發(fā)試驗區(qū)(即首選開發(fā)區(qū))；龍?zhí)督M頁巖雖有機質(zhì)含量高但大孔徑無機孔與微裂縫更為發(fā)育，考慮在獲得海相頁巖工業(yè)氣流后部署為頁巖氣接續(xù)開發(fā)區(qū)(圖1)。

4 結(jié) 論

(1) 黔西北海相與海陸過渡相頁巖孔隙特征存在明顯差異，海相頁巖有機孔占主體且主要為有機質(zhì)生烴孔，龍馬溪組有機孔相對含量約為總孔隙的47.87%；海陸過渡相頁巖有機孔相對較少，多表現(xiàn)為有機質(zhì)與附著其中無機礦物間的接觸孔或有機質(zhì)收縮縫，龍?zhí)督M有機孔相對含量約為總孔隙的26.11%。海相頁巖孔徑較小且比表面積變化范圍不大，無機粒間/粒內(nèi)孔與微裂縫發(fā)育程度均低于海陸過渡相頁巖。

(2) 海相頁巖為有機孔為主、碳酸鹽類礦物與石英等剛性粒間孔為輔的孔隙分布模式；海陸過渡相頁巖為無機粒間/粒內(nèi)孔與微裂縫占主體、有機孔次之的孔隙分布模式。形成沉積環(huán)境的不同是二者孔隙發(fā)育存在差異的最主要原因，后期保存條件的差異也會對孔隙特征產(chǎn)生一定程度地影響。

(3) 黔西北地區(qū)勘探開發(fā)的首選層系為北部習(xí)水、桐梓地區(qū)的海相龍馬溪組，其次為中部仁懷地區(qū)沉積厚度更大的牛蹄塘組；海陸過渡相龍?zhí)督M頁巖雖然有機質(zhì)含量高，但大孔徑無機孔與微裂縫更為發(fā)育，考慮在獲得海相頁巖工業(yè)氣流后再進一步開發(fā)。