川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組灰泥灰?guī)r儲層孔隙特征

韓月卿，李雙建，韓文彪，趙紅琴，劉光祥，郝運輕

1.中國石化 深部地質(zhì)與資源重點實驗室，北京 102206；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；3.中國石化 油田部，北京 100728；4.中國石化 中原油田分公司 物探研究院，河南 濮陽 457000

近年來，四川盆地中二疊統(tǒng)已獲得多種類型的碳酸鹽巖儲層油氣勘探突破，包括高能灘相儲層[1-2]、巖溶縫洞型儲層[3]、熱液白云巖儲層[4]。茅口組底部的茅一段灰泥灰?guī)r長期以來被作為烴源巖進行研究[5]，近期多口鉆井在茅一段灰泥灰?guī)r地層見良好的氣測顯示，其中YH1井、JY66-1井和DS1井更是在這一層系取得油氣勘探突破[6-7]，進一步證實了茅一段灰泥灰?guī)r儲層具有較大的勘探開發(fā)潛力。然而，茅一段儲層巖性復(fù)雜，碳酸鹽礦物含量高，孔隙連通性差，非均質(zhì)性強，產(chǎn)量遞減迅速[8]，儲層理論研究較為滯后，制約了酸化壓裂設(shè)計，直接影響了該層系的勘探與開發(fā)。

川東南地區(qū)茅一段灰泥灰?guī)r常與顆?；?guī)r互層發(fā)育，前人根據(jù)這一產(chǎn)狀特征稱之為眼球狀灰?guī)r或瘤狀灰?guī)r[9]。前期相關(guān)研究主要集中在眼球狀灰?guī)r的成巖背景和成因機理等方面[10-11]，主流觀點認為其與早期成巖階段的差異壓實作用有關(guān)[12-15]。目前關(guān)于灰泥灰?guī)r的儲層特征研究還較為薄弱。蘇成鵬等把灰泥灰?guī)r儲集空間分為溶孔、溶縫、應(yīng)力縫、粒緣縫、收縮縫等，強調(diào)溶孔和溶縫是主要的儲集空間[13，16-17]；夏文謙等[18]將灰泥灰?guī)r儲集空間分為有機質(zhì)孔、脆性礦物孔、黏土礦物孔三種類型，認為脆性礦物孔提供主要儲集空間；趙培榮等[19]認為粒緣縫、收縮縫和有機質(zhì)孔是主要儲集空間；胡東風(fēng)等[5]認為滑石縫為主要的儲集空間；江青春等[20]認為主要儲集空間為有機質(zhì)孔和白云石晶間孔。前人在孔隙分類和主要儲集空間方面存在較大分歧，缺乏更為系統(tǒng)的劃分及特征描述。在孔隙結(jié)構(gòu)研究方面，胡東風(fēng)等通過氮氣吸附—壓汞聯(lián)合測試，測得主體孔徑為5～50 nm[5-6]，但對于微孔的表征和儲層的連通性尚需深入研究。

本文基于巖心和野外露頭觀察，通過場發(fā)射掃描電鏡詳細觀察了川東南地區(qū)茅一段灰泥灰?guī)r的儲層微觀特征，將其儲集空間系統(tǒng)總結(jié)為無機孔、有機質(zhì)孔、微裂縫三種類型，并根據(jù)其微觀特征進一步劃分為九種亞類型，結(jié)合非常規(guī)儲層的孔隙聯(lián)合表征技術(shù)，通過低溫氮氣吸附、低溫CO2吸附、高壓壓汞、CT掃描等測試方法，對灰泥灰?guī)r儲層不同尺度的孔隙以及孔隙連通性展開系統(tǒng)表征，以期為茅一段灰泥灰?guī)r儲層的勘探與開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

石炭紀末發(fā)生的云南運動使得四川盆地基底整體抬升，遭受夷平補齊，形成了準平原化地貌，廣泛的海侵使下二疊統(tǒng)梁山組、棲霞組和茅口組相繼沉積[21-23]。其中，茅口組沉積時整體為碳酸鹽巖緩坡沉積環(huán)境[24]，水體由西向東變深。茅口組自下而上可細分為三段：茅一段巖性以深灰色或灰黑色灰泥灰?guī)r、灰色顆?；?guī)r韻律地層為主，又稱“眼球狀灰?guī)r”；茅二段以灰色含泥灰?guī)r為主，生屑較為發(fā)育；茅三段以淺灰色、灰色顆?；?guī)r為主，生屑含量很高，局部發(fā)生云化和巖溶作用，是白云巖儲層[25-26]和巖溶儲層[27-30]的有利發(fā)育層位(圖1)。

川東南地區(qū)鉆井揭示，茅一段地層在平面上連續(xù)分布，厚約116～130 m，有效儲層厚度50～75 m，均見到了良好的氣顯示(圖2)。茅一段灰泥灰?guī)r的總有機碳含量(TOC)平均值為0.76%～1.1%，在平面上自北西向南東呈增大的趨勢；南川地區(qū)烴源巖整體發(fā)育最好，TOC最高可達5.1%(圖1)。

2 巖石學(xué)特征

2.1 宏觀特征

四川盆地茅口組沉積早期，海侵規(guī)模最大，川東南地區(qū)整體水體較深，水動力較弱。茅一段為一套外緩坡相沉積[31]，巖性組合以眼球狀灰?guī)r為主(圖3a-c)。淺色的瘤狀體為“眼球”，顆粒含量大于50%，按照成分和顆粒結(jié)構(gòu)應(yīng)劃分為顆?；?guī)r；包裹眼球的灰黑色灰?guī)r稱為“眼皮”，灰泥含量大于50%，按照成分和顆粒結(jié)構(gòu)劃分為灰泥灰?guī)r，眼皮與眼球反映了沉積時期水動力及含氧量變化較快[32-36]。野外露頭上可見到大量成層發(fā)育的眼球狀灰?guī)r，其中灰泥灰?guī)r顏色較暗，新鮮面為灰黑色，以薄至中層為主，具水平層理，與龍馬溪組頁巖具有類似的特征(圖3a-b)。巖心上，灰黑色灰泥灰?guī)r包裹灰色顆粒灰?guī)r呈典型的眼球狀特征(圖3c)，灰泥灰?guī)r在部分層段非常致密(圖3d)，橫截面見大量生屑順層排列(圖3e)，部分層段的灰泥灰?guī)r具頁理狀特征，極易破碎(圖3f)。

2.2 微觀特征及礦物組成

顯微鏡下，灰泥灰?guī)r主要由泥晶級的方解石、黏土礦物和大量生物碎屑組成。生屑包括介殼類、有孔蟲、腕足類、三葉蟲、棘皮類等，粒間常見有機質(zhì)發(fā)育，偶見石英、硅質(zhì)脈和裂縫(圖4)。

圖4 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r巖石學(xué)特征

通過X衍射全巖分析得到MY1井、YH1井、石柱冷水溪剖面茅一段樣品的基本礦物成分組成情況(圖5)。實驗結(jié)果顯示，樣品主要由碳酸鹽礦物、黏土礦物、石英、黃鐵礦、菱鐵礦組成，碳酸鹽礦物的含量較高，分布在42.3%～95.1%，黏土礦物分布在2.6%～44.0%。樣品LSX-1、LSX-2、YH-1、MY-1、MY-2、MY-3、MY-4均采自灰泥灰?guī)r(眼皮)，TOC含量分別為0.25%，0.70%，0.70%，1.62%，1.75%，0.66%，0.59%；樣品YH-2采自顆粒灰?guī)r(眼球)，TOC含量僅為0.16%。樣品的鏡質(zhì)體反射率Ro值介于2.41%～2.75%，均處于過成熟階段。

圖5 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r樣品礦物成分組成

3 儲層儲集空間類型及特征

通過對茅一段灰泥灰?guī)r儲層的掃描電鏡觀察，其儲集空間與龍馬溪組頁巖的孔隙特征類似，都發(fā)育納米級的微孔。茅一段灰泥灰?guī)r儲層的儲集空間主要分為三種類型：有機質(zhì)孔、無機孔和微裂縫。其中，有機質(zhì)孔所占的比重較小，大量微裂縫和納米、微米級的無機孔構(gòu)成了孔隙網(wǎng)絡(luò)，通過滑石縫或粒緣縫連接，形成了具有較好滲流能力的孔—縫—網(wǎng)復(fù)雜體系。

3.1 有機質(zhì)孔

有機質(zhì)孔主要分布在茅一段黏土礦物含量相對較高的層段，掃描電鏡下可見到大量的有機質(zhì)富集，有機質(zhì)孔非常發(fā)育，孔徑大小在幾十至幾百納米不等，一部分具有較好的圓度，部分發(fā)生拉張彎曲(圖6)。根據(jù)有機質(zhì)孔的賦存形態(tài)，可進一步劃分為獨立的有機質(zhì)孔隙、包裹滑石的有機質(zhì)孔隙和黃鐵礦晶間有機質(zhì)孔隙3個亞類。

3.1.1 獨立的有機質(zhì)孔

獨立的有機質(zhì)賦存于方解石粒間孔中，常與方解石晶粒邊緣相接觸，或與滑石伴生。有機質(zhì)孔縫非常發(fā)育，部分具有較好的圓度，部分受成巖作用影響，發(fā)生拉張彎曲，部分連接成縫，孔徑大小在幾百納米至幾微米不等(圖6a-b)。

3.1.2 包裹滑石的有機質(zhì)孔

有機質(zhì)常與滑石共生賦存于碳酸鹽礦物晶間孔縫中，滑石呈絲帶狀包卷于有機質(zhì)孔縫中，此類有機質(zhì)孔的孔徑大小在幾十納米到幾百納米之間，呈海綿狀發(fā)育(圖6c-d)。

3.1.3 黃鐵礦晶間有機質(zhì)孔隙

川東南地區(qū)在茅口組沉積早期處于浪基面之下，水體較深，處于外緩坡低能相帶；與此同時，陣發(fā)性的上升流給生物帶來生長需要的營養(yǎng)，促使生物大量繁殖，而生物在不斷繁殖和死亡過程中會消耗大量的氧，容易形成缺氧環(huán)境利于有機質(zhì)的保存。掃描電鏡下可見與方解石和滑石伴生的草莓狀黃鐵礦及黃鐵礦集合體，指示還原性的成巖環(huán)境。黃鐵礦晶間發(fā)育少量有機質(zhì)，這類有機質(zhì)的孔隙通?？讖捷^小，多在幾十納米(圖6e-f)。

圖6 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r有機質(zhì)孔微觀特征

3.2 微裂縫

3.2.1 滑石縫

掃描電鏡下，灰泥灰?guī)r的方解石、白云石、硅質(zhì)、黃鐵礦等顆粒間賦存大量黏土礦物——滑石，二者呈基底式膠結(jié)(圖6a-d,圖7a-b)。滑石在掃描電鏡下結(jié)構(gòu)疏松，具片理狀結(jié)構(gòu)，微裂縫非常發(fā)育，為儲層發(fā)育的主要儲集空間。滑石縫延伸范圍有限，晶層條紋常出現(xiàn)不連續(xù)的雙層逐漸合一錯疊現(xiàn)象。在有機質(zhì)周緣，滑石縫也較為常見，受有機質(zhì)形態(tài)輪廓影響，具有彎曲、平直等多種形態(tài)(圖6b,圖7a)。

3.2.2 粒緣縫

粒緣縫常見于碳酸鹽礦物顆粒的邊緣，與滑石或者有機質(zhì)接觸，縫寬為幾十納米到幾微米。受礦物顆粒或有機質(zhì)形態(tài)輪廓影響，粒緣縫可見彎曲、平直等多種形態(tài)，使得礦物晶體邊界有較好的呈現(xiàn)。粒緣縫具有很好的連通作用，不同礦物周緣的溶蝕縫還可以相互連通，形成延伸長遠的樹枝狀或網(wǎng)狀孔縫，是儲層流體滲流擴散的重要通道(圖7c-d)。

圖7 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r微裂縫微觀特征

3.2.3 應(yīng)力縫

應(yīng)力縫指受應(yīng)力作用產(chǎn)生的裂縫，研究區(qū)茅一段應(yīng)力縫多見于宏觀尺度，普通薄片和掃描電鏡下裂縫大多未被充填，個別被硅質(zhì)充填(圖4c)；縫寬在幾微米至幾百微米，通常延伸較長，多沿滑石縫和礦物邊緣發(fā)育，對油氣運移有重要的輸導(dǎo)作用(圖7e,f)。

3.3 無機孔

3.3.1 粒間孔

無機孔中的粒間孔主要指存在于礦物顆粒之間的孔隙，包括內(nèi)碎屑、生物碎屑、灰泥、硅質(zhì)等組分之間的孔隙。這類孔隙邊緣呈港灣狀，形態(tài)不規(guī)則，孔徑分布在幾十至幾百微米，大多未被充填(圖8a-b)。

3.3.2晶間孔

灰泥灰?guī)r通常較為致密，掃描電鏡下常見方解石或白云石晶體間發(fā)育溶孔，以及黃鐵礦晶間孔，形狀以較為規(guī)則的多邊形為主，孔徑為幾十納米到幾百納米，部分孔隙相連通，但總體連通性較差(圖8c-d)。

3.3.3 晶體內(nèi)部溶孔

掃描電鏡下，白云石晶粒表面發(fā)育少量溶孔，孔徑在幾納米至幾百納米，分布不均勻，存在多種形態(tài)，包括圓形、橢圓形、多邊形等，可能為不同溶蝕強度造成，孔內(nèi)見自生石英充填(圖8e-f)。

圖8 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r無機孔微觀特征

4 儲層物性與孔隙結(jié)構(gòu)特征

4.1 儲層物性特征

通過高壓壓汞測試和數(shù)據(jù)分析，川東南茅一段灰泥灰?guī)r孔隙度由北西向南東逐漸增大，儲層段孔隙度介于2.22%～3.21%?；夷嗷?guī)r儲層的孔隙度和TOC值總體呈正相關(guān)關(guān)系(圖9)，都有從北西向南東逐漸增大的趨勢。

圖9 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r孔隙度等值線及與TOC交匯圖

4.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

與常規(guī)碳酸鹽巖儲層相比，灰泥灰?guī)r儲層具有特低孔的特點，納米—微米級孔隙非常發(fā)育，形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了進一步刻畫研究區(qū)灰泥灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu)特征，本次研究通過低溫氮氣吸附、低溫CO2吸附、高壓壓汞測試進行聯(lián)合表征。

4.2.1 孔隙形態(tài)

圖10為基于低溫氮氣吸附實驗數(shù)據(jù)繪制的灰泥灰?guī)r品樣品吸附—脫附曲線，可以看出曲線均呈現(xiàn)出反“S”型，不同樣品的曲線形態(tài)稍有差別。根據(jù)IUPAC的分類方法，灰泥灰?guī)r的吸附—脫附曲線與Ⅳ型等溫線較為接近，Ⅳ型等溫線和滯后回線表明灰泥灰?guī)r中的孔隙主要為中孔；平衡壓力接近飽和蒸汽壓時未出現(xiàn)吸附飽和，表明灰泥灰?guī)r中同時存在一定量的大孔。實驗結(jié)果表明，實驗樣品的低溫氮氣吸附和脫附過程并不重合，脫附分支位于吸附分支的上方，形成一個明顯的回滯環(huán)。根據(jù)IUPAC回滯環(huán)分類，灰泥灰?guī)r樣品的回滯環(huán)形態(tài)與H2型比較接近?；販h(huán)的產(chǎn)生與樣品孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其形狀能定性反映孔隙形態(tài)。吸附曲線前半段呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的形態(tài)，但脫附曲線在中等相對壓力時呈現(xiàn)快速下降的形態(tài)，形成寬大的回滯環(huán)，表明樣品中存在細頸廣體的墨水瓶形孔，對于氣體的吸附聚集具有重要的作用。

圖10 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r低溫氮氣吸附—脫附曲線

4.2.2 孔徑分布

本文分別采用低溫CO2吸附實驗、低溫氮氣吸附實驗以及高壓壓汞實驗表征微孔、中孔和宏孔。低溫CO2吸附對小于1 nm的孔隙具有較好的表征效果，低溫氮氣吸附對1～10 nm之間的孔隙表征較好，而高壓壓汞對大于10 nm的孔隙表征較好[37]。

(1)微孔。基于低溫CO2吸附實驗結(jié)果，樣品的微孔集中分布在0.4～1 nm，微孔體積變化率分布在0.000 5～0.009 cm3/g；孔隙體積呈現(xiàn)出雙峰特征，分別集中在0.5～0.65 nm和0.8～0.9 nm，左峰包含的孔徑范圍比右峰略大，表明介于0.4～0.7 nm的微孔孔隙連通性明顯較0.7～1 nm的強(圖11a)。

(2)中孔?；诘蜏氐獨馕綄嶒灲Y(jié)果，樣品的中孔分布結(jié)果呈現(xiàn)出良好的繼承性。由于所選研究層段處于高—過成熟演化階段，因此樣品的孔隙分布形態(tài)較為復(fù)雜。樣品在2 nm、5 nm及10 nm左右出現(xiàn)明顯的波峰形態(tài)，其中2 nm波峰附近的孔隙數(shù)量明顯高于其他2個波峰處的孔隙數(shù)量，因此為主峰。同時樣品中孔孔徑跨度范圍廣，且中孔的發(fā)育程度較高，數(shù)量更多(圖11b)。

圖11 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r孔徑分布

(3)宏孔?；诟邏簤汗▽嶒灲Y(jié)果，樣品的宏孔呈現(xiàn)明顯的“多峰”形態(tài)，表明研究區(qū)樣品孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，地層中裂縫發(fā)育較多，且儲層非均質(zhì)性較強。樣品孔徑介于10～100 nm時的峰值明顯較高，表明小于100 nm孔徑是儲層中宏孔的重要孔隙類型(圖11c)。

低溫CO2吸附、低溫氮氣吸附和高壓壓汞實驗聯(lián)合表征結(jié)果顯示，灰泥灰?guī)r樣品中微孔、中孔、宏孔均有發(fā)育，孔徑主要分布在0.4～100 nm，跨度范圍較大。

4.3 孔隙連通特征

CT掃描技術(shù)可以獲取多尺度孔喉的納米級結(jié)構(gòu)特征，同時可以準確定位各個孔喉所處的具體位置，對于分析孔隙形態(tài)、類型和孔隙之間的連通性具有重要作用，可以反映孔喉結(jié)構(gòu)的整體信息及其非均質(zhì)性特征[38]。利用卡爾蔡司Xradia 510 Versa CT掃描儀對巖心掃描，根據(jù)不同物質(zhì)的灰度差異，通過閾值劃分提取出樣品中的孔隙，以不同顏色進行標記(圖12a-c,g-i)，重點刻畫了體積占比最大的孔隙類型分布形態(tài)(圖12d-f,j-l)。統(tǒng)計情況顯示：樣品LSX-1的孔徑普遍較大，直徑小于100 μm的孔隙占比52.33%；樣品LSX-2、MY-1、MY-2、YH-1、YH-2的孔徑普遍較小，直徑小于10 μm的孔隙占比最高，分別占總孔隙數(shù)的96.42%，98.47%，99.04%，85.37%，89.7%，孔隙形狀不規(guī)則，分布不均勻，連通性較差，大多為孤立孔隙；樣品MY-2發(fā)育的裂縫有效連通了孔隙(圖12g)。

圖12 川東南地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組一段灰泥灰?guī)r樣品CT掃描圖像

5 儲層的特殊性與勘探意義

川東南地區(qū)茅口組一段灰泥灰?guī)r作為一種新類型非常規(guī)儲層，在儲層成因、儲集空間類型和連通性上，與傳統(tǒng)碳酸鹽巖儲層和典型非常規(guī)儲層相比有很大差異。相比于茅口組中上部巖溶和白云巖等常規(guī)碳酸鹽巖儲層，灰泥灰?guī)r有機碳含量較高，礦物成分中滑石等黏土礦物占一定比例；儲層更為致密，滑石縫等微裂縫是主要的儲集空間，而不是巖溶縫洞和白云石晶間孔[3]。相比于川東南地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖，茅一段灰泥灰?guī)r儲層有機碳含量普遍較低，儲集空間主要為微裂縫，組成礦物以碳酸鹽礦物方解石、白云石和黏土礦物滑石為主，石英次之。而川東南地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖主要為深水陸棚相沉積，測得TOC為 2.83%～6.59%，平均值為4.145%，儲集空間主要為有機質(zhì)孔，有效孔隙度主要介于 2.62%～7.12%，平均為4.729%，石英、長石等礦物含量高[39-40]。

川東南茅一段灰泥灰?guī)r儲層具有自生自儲、沉積穩(wěn)定、連片分布的特點，有利目標分布范圍廣。灰泥灰?guī)r含氣性較好，焦石壩地區(qū)鉆井過程中茅口組普遍見明顯的氣測異常，如JY48-1HF井氣測全烴為1.20%～12.40%。油氣源對比研究表明，茅一段天然氣為高—過成熟階段的烴源巖干酪根裂解氣與早期形成的液態(tài)烴裂解成氣的混合物[19]，屬于自生自儲型油氣藏，優(yōu)質(zhì)烴源巖和微裂縫發(fā)育的局部構(gòu)造控制了油氣藏的分布。川東南茅一段處于外緩坡低能環(huán)境，有效儲層厚度50～75 m，優(yōu)質(zhì)儲層在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，且埋深適中(900～4 700 m)，有利于天然氣富集成藏和后期壓裂改造[26]。針對這種特殊類型的致密氣藏，應(yīng)綜合碳酸鹽巖和頁巖儲層的勘探開發(fā)思路和技術(shù)方法，加強地質(zhì)甜點和工程甜點的綜合評價，采用合理的水平井壓裂改造工藝，提高單井產(chǎn)能，促進整體高效開發(fā)。

6 結(jié)論

(1)川東南地區(qū)茅口組一段主要發(fā)育于外緩坡相，灰泥灰?guī)r的總有機碳含量平面上自北西向南東呈增大的趨勢，與孔隙度變化趨勢相似。

(2)川東南地區(qū)茅一段灰泥灰?guī)r儲集空間主要包含有機質(zhì)孔、無機孔和微裂縫三大類；有機質(zhì)孔在儲層中并不占主導(dǎo)地位，偶見有機質(zhì)發(fā)育，微裂縫是灰泥灰?guī)r最重要的儲集空間。

(3)灰泥灰?guī)r儲層孔隙以細頸廣體的墨水瓶形孔為主；微孔、中孔、宏孔均有發(fā)育，孔徑主要分布在0.4～100 nm，跨度范圍較大。灰泥灰?guī)r儲層非均質(zhì)性明顯，連通性較差，裂縫對于連通孔隙有重要影響。

(4)茅一段灰泥灰?guī)r為一套新類型非常規(guī)儲層，需要綜合碳酸鹽巖和頁巖儲層的研究思路和技術(shù)方法，加強有針對性的酸化壓裂技術(shù)攻關(guān)，從而促進灰泥灰?guī)r儲層的油氣勘探開發(fā)。

致謝：本文掃描電鏡儀器操作和CT掃描由中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所劉圣鑫高級工程師和中國礦業(yè)大學(xué)(北京)王炳乾同學(xué)完成，在此致以衷心感謝！