摘 要

摘　要：下志留統(tǒng)龍馬溪組是四川盆地南部重要的烴源巖和頁巖氣勘探層位，為查明其有利儲層的發(fā)育特征及其影響因素，通過對昭通、長寧、威遠(yuǎn)地區(qū)7口頁巖氣井的鉆井巖心觀察及野外

摘　要：下志留統(tǒng)龍馬溪組是四川盆地南部重要的烴源巖和頁巖氣勘探層位，為查明其有利儲層的發(fā)育特征及其影響因素，通過對昭通、長寧、威遠(yuǎn)地區(qū)7口頁巖氣井的鉆井巖心觀察及野外露頭地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合巖石薄片鑒定、掃描電鏡觀察、比表面積測定以及巖石物性等分析結(jié)果，明確了該區(qū)龍馬溪組頁巖地層展布、巖性組合、礦物組成、儲集空間類型等特征：①龍馬溪組頁巖在地層發(fā)育、巖性組合及富有機(jī)質(zhì)程度上具有很強(qiáng)的各向異性，有效頁巖儲層以高有機(jī)質(zhì)層段為主；②頁巖儲層具有高成巖作用、高熱演化程度特點，發(fā)育無機(jī)物質(zhì)孔、有機(jī)物質(zhì)孔和微裂縫等儲集空間類型；③對頁巖氣儲集有貢獻(xiàn)的主要是黏土礦物層間孔和有機(jī)質(zhì)孔，孔徑分布在50nm～2mm，其形成與黏土礦物和有機(jī)質(zhì)的含量、成巖作用及有機(jī)質(zhì)熱演化作用有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，分析認(rèn)為：頁巖沉積環(huán)境、礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量是影響頁巖儲集能力的重要因素，有機(jī)物質(zhì)富集有利于頁巖氣的生成與吸附，脆性礦物的存在提高了儲層的脆性，有利于儲層的增產(chǎn)改造。

關(guān)鍵詞：四川盆地南部  早志留世  龍馬溪期  頁巖  有利儲層  儲集空間類型  影響因素  脆性礦物

Favorable reservoir characteristics of the Longmaxi shale in the southern Sichuan Basin and their influencing factors

Abstract：Important source rocks were found in the Lower Silurian Longmaxi Fm which is also regarded as a shale gas exploration target in the southern Sichuan Basin．In order to understand its favorable reservoir characteristics and their influential factors，we observed the cores of 7 shale gas wells in Zhaotong，Changning and Weiyuan areas and made geologic investigation of outcrops．In addition,we also collected Various data such as thin section test，SEM，specific surface area measurenlent and physical properties analysis．All these data were integrated to study the distribution，lithology combinations，mineral composition and reservoir space types of the Longmaxi shale in the study area．The following conclusions were obtained．First，the Longmaxi shale is strongly anisotropic in formation development，lithologic assemblage and organic abundance．The effective shale reservoirs are dominated by shale intervals with a high orgamc content．Second，the shale reservoirs are featured by high diagenesis，high thermal maturity，and multiple reservoir space types including inorganic pores，organic Pores and microfractures．Third，the interlayer pores of clay minerals and organic pores with diameters in the range of 50nm-2mm are effective for shale gas storage and their formation is controlled by the content of clay minerals and organic matters，diagenesis and therreal evolution of organic matters．It is concluded that sedimentarv environment,mineral composition and organic content are the major factors influencing shale reservoir quality，that the enrichment of organic matters is favorable for the generation and adsorption of shale gas，and that a high content of brittle minerals is favorablc for reservoir stimulation．

Keywords：southern Sichuan Basin，Early Silurian，Longmaxi Formation，shale，favorable reservoir，rcservoir space type，influential factor．britl le Injneral

1　沉積特征

下志留統(tǒng)龍馬溪組不僅是四川盆地的主力牛烴層系^[1]，也是頁巖氣勘探的有利目標(biāo)層段。根據(jù)前人的研究成果，原始沉積環(huán)境、礦物組成和成巖作用的差異造成頁巖地層在時空展布、巖性組合、富有機(jī)物質(zhì)富集程度等上具有很強(qiáng)的差異性^[2-4]。筆者通過川南地區(qū)7口頁巖氣井的巖心觀察及詳細(xì)描述，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)露頭剖面調(diào)查成果(圖1)，將川南地區(qū)龍馬溪組頁巖按顏色、巖性、顆粒大小及含化石情況劃分為黑色筆石頁巖、黑色碳質(zhì)頁巖、黑色硅質(zhì)頁巖、黑色鈣質(zhì)頁巖、深灰灰黑色粉砂質(zhì)頁巖、淺灰灰黑色頁巖夾灰色粉砂巖條帶和灰綠色泥質(zhì)頁巖等7種主要巖性。頁巖中發(fā)育水平層理，沉積構(gòu)造變化不大，表明地層長期處于水動力較弱的沉積環(huán)境；局部層段見滑動變形構(gòu)造，反映在相對靜水的低能沉積過程中伴生有能量相對較大的事件性沉積；可見黃鐵礦沉積，指示較弱的水動力條件和低能的還原沉積環(huán)境；底部頁巖灰質(zhì)含量高，反映沉積時水體鹽度較高。整體自下而上頁巖顏色由黑變淺，化石變少，有機(jī)質(zhì)含量小斷減少，沉積水體由深變淺^[5]。從該區(qū)龍馬溪組頁巖含氣量來看，龍馬溪組頁巖有利層段集中在底部的黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖層段中，為深水陸棚欠補(bǔ)償環(huán)境下的產(chǎn)物(表1)。深水陸棚相富含雙列筆石，如柵筆石、雕筆石、藤筆石等，代表水深100～200m的深水沉積，發(fā)育水平層理及均質(zhì)層理，深水陸棚相有機(jī)質(zhì)含量極高，一般大于2.0％，富含黃鐵礦。

通過對川南地區(qū)鉆井巖心分層，結(jié)合區(qū)域地層調(diào)研資料統(tǒng)計分析，龍馬溪組主要發(fā)育在黔中隆起以北、川中隆起以南的較深水的非補(bǔ)償性缺氧環(huán)境中。受黔中古隆起的影響，在南部靠近古隆起邊緣的地區(qū)沉積厚度較薄，向北東方向厚度增大，處于沉積中心附近的頁巖厚度最大。在川中古隆起，龍馬溪組受地層抬升遭受剝蝕，在靠近古隆起邊緣的地區(qū)富含有機(jī)質(zhì)頁巖厚度較薄，向南東方向厚度增大。龍馬溪組整體厚度雖然較大，但有利層段厚度并不大(圖1)。

 

 

2　礦物組成及儲集空間

2．1　礦物組成

通過對龍馬溪組頁巖全巖礦物X射線衍射分析及掃描電鏡觀察，礦物組成包括石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)和化石碎片，少量的鋯石、黑云母、石膏、閃鋅礦、金紅石、重晶石。黏土礦物主要為伊利石、伊蒙混層(I／S)與綠泥石，伊利石相對含量介于77％～95％，平均為84.1％，綠泥石相對含量介于30～20％，平均為15.4％。脆性礦物主體以石英、碳酸鹽巖礦物和長石為主，含量介于27.4％～89.00，平均為50.9％(其中，石英含量介于10.5％～66.2％，平均為28.7％；方解石含量介于0～22.6％，平均為7.9％；長石含量介于0～11.9％，平均為4.5％。Vl井長石為斜長石，Nl井中既有斜長石也有鉀長石)。

頁巖沉積物源及沉積相的差異，造成在區(qū)域上礦物組成的差異較大。長寧地區(qū)的深水陸棚相脆性礦物含量相對威遠(yuǎn)地區(qū)高一些，平均在75.9％～84.3％，其中石英含量介于21.7％～37.4％，含氣量相對較高，主要分布在2.6～6.5m³／t。而威遠(yuǎn)地區(qū)的深水陸棚相頁巖脆性礦物含量為21.3％～66.6％，石英含量介于18.1％～66.2％，含氣量為2.3～3.2m³／t。半深水陸棚相頁巖的礦物組成含量規(guī)律與深水陸棚相基本相同，長寧地區(qū)半深水陸棚頁巖的脆性礦物含量要比威遠(yuǎn)地區(qū)略高，平均在37.4％～58.2％，其中石英含量介于22.5％～32.0％，具有較高的含氣性，含氣量介于1.0～3.0m³／t。而威遠(yuǎn)地區(qū)的深水陸棚相頁巖脆性礦物含量在18.1％～31.2％，石英含量介于l0.5％～25.2％，含氣量介于1.0～2.9m³／t，含氣性與長寧地區(qū)大致相當(dāng)。淺水陸棚相只發(fā)育在威遠(yuǎn)地區(qū)，長寧地區(qū)缺失。威遠(yuǎn)地區(qū)的淺水陸棚主要為泥質(zhì)沉積物源，泥質(zhì)含量極高，脆性礦物含量較少，僅有29.3％～31.8％，其中石英含量為28.5％～29.3％。

2．2　儲集空間

2．2．1儲集空間類型

通過巖心、巖石顯微薄片和場發(fā)射掃描電鏡下觀察，龍馬溪組頁巖孔隙和微裂縫十分發(fā)育。據(jù)粗略觀察統(tǒng)計，龍馬溪組頁巖主要發(fā)育黏土礦物層間孔、有機(jī)質(zhì)孔和構(gòu)造裂縫等10種孔隙與裂縫，按其成因類型劃分為基質(zhì)無機(jī)孔、有機(jī)孔和微裂縫3大類(表2)。其中黏土礦物層間孔連通性好，孔隙直徑介于100nm～2mm，黏土礦物層間孔占總孔隙的45％～55％；有機(jī)質(zhì)孔主要發(fā)育在富有機(jī)質(zhì)頁巖層段，孔隙直徑介于50～500nm的數(shù)量眾多，有機(jī)質(zhì)孔占總孔隙的15％～25％；構(gòu)造裂縫多數(shù)被膠結(jié)物充填，不具備儲集能力，頁巖氣的滲流通道主要為微裂隙^[6-7]，但方解石充填縫在人工壓裂中可重新開啟，提高頁巖儲層滲透性。

 

2．2．2孔隙定量表征

頁巖儲層的儲集空間孔徑多以納米級計^[8-11]，平均孔喉半徑為5nm左右^[9]，儲集空間孔隙度取決于孔徑小于于10mm的孔隙發(fā)育程度^[12]。筆者采用的是低溫氣體吸附方法對巖心樣品進(jìn)行孔隙分布和孔徑大小進(jìn)行定量表征。低溫氮氣吸附法測定范圍是2～100nm，其原理是通過氣體的吸附與脫附氣量隨壓力的變化，按不同的孔模型對孔分布、孔容積和比表面積

進(jìn)行計算，通常使用的是BET公式計算比表面積，BJH方程計算體積分布。實驗結(jié)果顯示，龍馬溪組頁巖的比表面積分布在3.017～30.055m²／g，平均為14.726m²／g；孔隙直徑在2～100nm的孔隙體積為4.460×10^-3～3.039×10^-2cm³／g，平均為l.430×10^-2m³／g，孔隙直徑小于2nm的孔隙體積為0～7.0×10^-3cm³／g，平均為2.4×10^-3cm³／g，總孔容分布在4.460×10^-3～3.639×10^-2cm／g，平均為l.670×10^-2cm³／g。

2．2．3龍馬溪組頁巖儲層孔隙發(fā)育成因模式

頁巖中孔隙的形成受多種因素控制，包括沉積原始礦物組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、有機(jī)質(zhì)含量、流體、水文條件以及沉積速率和埋藏深度^[13]。其中，成巖演化作用是重要的影響因素，在不同成巖作用階段孔隙演化特征不同(圖2)。沉積初期主要是機(jī)械堆積成岡的粒間孔。隨著埋深及上覆地層壓力增大，松散沉積物固結(jié)成巖，地層中的流體快速排出，有機(jī)質(zhì)開始生物降解。粒間孔逐漸減少，塑性顆粒變形充填到粒間孔中加劇了孔隙的損失^[13]。隨埋深進(jìn)一步增加，進(jìn)入大量生排烴階段(油氣生成窗)，生烴后有機(jī)質(zhì)體積縮小以及氣體生成時體積膨脹造成有機(jī)質(zhì)中產(chǎn)生大量孔隙^[14]，同時在生烴的過程中產(chǎn)生大量的有機(jī)酸、CO2和水。易溶礦物顆粒(如方解石、長石)發(fā)生溶蝕作用形成溶蝕孔或溶蝕縫。同時黏土礦物發(fā)生一系列成巖變化，以蒙脫石向伊利石(或綠泥石)的轉(zhuǎn)化最為重要。在這個變化過程中，伴隨著礦物結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的變化，析出大量層間水。由于黏土礦物脫水作用，形成了大量的黏土礦物層間孔和成巖收縮縫。有機(jī)酸溶解的鈣質(zhì)礦物和黏土礦物脫水析出的鈣質(zhì)礦物易在溶蝕縫、成巖收縮縫及層間頁理縫中形成鈣質(zhì)沉淀，微裂縫多被方解石充填。

 

川南龍馬溪組頁巖具有高成巖和高熱演化的特征，主要發(fā)育黏土礦物層間孔和有機(jī)質(zhì)孔。影響孔隙形成的主要因素是黏土礦物脫水作用和有機(jī)質(zhì)生烴作用。此時，脆性礦物粒間孔在壓實及壓溶作用下急劇減少，有機(jī)質(zhì)孔與黏土礦物層間孔大量發(fā)育，在有機(jī)酸的作用下還發(fā)育少量的溶蝕孔及溶蝕縫。

3　影響有利儲層發(fā)育的因素

3．1　有機(jī)質(zhì)

有機(jī)質(zhì)利于頁巖氣的吸附^[15]，有機(jī)質(zhì)含量越高吸附氣量越大(圖3-a)，同時有機(jī)質(zhì)還有利于孔隙的形成^[16]。有機(jī)質(zhì)孔的形成是在油氣生成過程中，有機(jī)質(zhì)體積縮小及氣體體積膨脹^[17-18]，并隨著地溫的升高及熱成熟度的增加隨之增多^{[12，19]}。有研究發(fā)現(xiàn)，在熱裂解作用下，有機(jī)質(zhì)損失35％可形成4.9％的凈有效儲集空間^[20]。但有機(jī)質(zhì)豐度與頁巖孔隙度并不存在相關(guān)關(guān)系(圖3-b)，這與有機(jī)質(zhì)孔之間相互連通性較差有關(guān)。

 

龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖中有機(jī)質(zhì)孔十分發(fā)育，為頁巖氣的賦存提供了儲集空間。頁巖中的有機(jī)物質(zhì)大多以分散狀分布在礦物顆粒中或包裹在礦物顆粒周圍，由于沉積的原始有機(jī)母體不同，有機(jī)質(zhì)孔形態(tài)各異，呈蜂窩狀、線狀、串珠狀及復(fù)雜網(wǎng)狀等。由于黏土礦物具有強(qiáng)烈的吸附作用，一部分有機(jī)質(zhì)被黏土礦物吸附，在多孑L絮狀體內(nèi)聚集，這種黏土礦物+有機(jī)質(zhì)的集合體還經(jīng)常充填在黃鐵礦的晶體周圍。這些被黏土礦物吸附的有機(jī)質(zhì)中也發(fā)育一定的孔隙空間。

3．2　黏土礦物

龍馬溪組頁巖Si／Al高的總孔隙體積相對較低，隨著硅酸鋁含量的增加，Si／Al降低，孔隙度增加(圖4)。黏土礦物含量與頁巖孔隙度呈正相關(guān)^[21]，富含黏土礦物(低Si／Al比)的頁巖要比富含硅質(zhì)(高Si／Al比)的頁巖總孔隙度大，這與黏土礦物中鋁硅酸鹽的開放孔隙有關(guān)。根據(jù)前人研究結(jié)果，富含黏土礦物(低Si／Al比)的頁巖孔隙直徑小于10nm，呈單峰分布，總孔隙度為5.6％，而富含硅質(zhì)(高Si／Al比)頁巖無微孔和中孔，總孔隙度為1％^[22]。

 

3．3　脆性礦物

不同沉積亞相類型的頁巖中礦物組成結(jié)構(gòu)不同。龍馬溪組底部的深水陸棚相頁巖較其他層位的頁巖具有更高的脆性礦物含量。頁巖中石英的來源除了是細(xì)粒低變質(zhì)巖、風(fēng)化作用中粗顆粒的破碎、搬運(yùn)過程中的磨蝕以及黏土成巖過程中的石英之外，還包括生物成因蛋白石的重結(jié)晶^[23]形成的生物成因石英礦物。龍馬溪組底部的頁巖主要來自于深水陸棚相沉積，深水陸棚相沉積中富含大量生物，含硅質(zhì)(如硅藻、放射蟲、海綿骨針等)及碳酸鹽礦物的(如有孔蟲和超微化石等)生物的富集提供了生物成因的脆性礦物，因此含有更高的脆性礦物。龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)越高，脆性礦物含量越高，具有較高的楊氏模量和較低的泊松比(表3)，表明巖石脆性越好^[13]，越容易形成天然裂縫和人工誘導(dǎo)縫，可以有效改善儲層物性及提高壓裂的成功率。根據(jù)美國頁巖氣開采經(jīng)驗，產(chǎn)氣層段主要是硅質(zhì)或鈣質(zhì)含量較高的細(xì)粒巖層，純泥巖或頁巖段幾乎不產(chǎn)氣，頁巖產(chǎn)氣率隨著脆性礦物含量的增加而增加。壓裂梯度與頁巖中的黏土、石英和碳酸鹽巖含量有關(guān)^[24]。在人工壓裂中富含硅質(zhì)的頁巖要比富含黏土質(zhì)頁巖更容易被壓裂^[25]。

 

由上可見，頁巖的黏土礦物含量可以影響頁巖的吸附性以及孔隙的大小，而脆性礦物的存在又可以提高巖石脆性，有利于形成天然裂縫及在壓裂中形成人工誘導(dǎo)縫。對于某一個地區(qū)或氣區(qū)來說，究竟黏土礦物與脆性礦物的相對含量有多少是最利于頁巖氣的富集和產(chǎn)出，還需要結(jié)合實際地質(zhì)情況及其他各項參數(shù)來確定。

4　結(jié)論

1)川南地區(qū)龍馬溪組頁巖按巖石顏色、巖性、顆粒大小以及化石發(fā)育情況劃分為黑色筆石頁巖、黑色碳質(zhì)頁巖、黑色硅質(zhì)頁巖、黑色鈣質(zhì)頁巖、深灰—灰黑色粉砂質(zhì)頁巖、淺灰  灰黑色頁巖夾灰色粉砂巖條帶和灰綠色泥質(zhì)頁巖7種巖性。由于沉積環(huán)境的差異，不同地區(qū)龍馬溪組頁巖的地層發(fā)育特征和巖性組合差異較大。

2)龍馬溪組頁巖有利層段集中在底部的深水陸棚相黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖層段中，富含雙列筆石，如柵筆石、雕筆石、藤筆石等，代表水深100～200m的深水沉積，發(fā)育水平層理及均質(zhì)層理，有機(jī)質(zhì)含量極高。雖然龍馬溪組整體厚度較大，但是有利層段厚度并不大。

3)龍馬溪組頁巖具有高成巖和高成熟的特征，主要發(fā)育黏土礦物層間孔、有機(jī)質(zhì)孔和構(gòu)造裂縫等10種孔隙與裂縫，其中黏土礦物層間孔連通性好，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育在富有機(jī)質(zhì)頁巖層段，構(gòu)造裂縫多數(shù)被膠結(jié)物充填。對頁巖氣儲集有貢獻(xiàn)的主要是黏土礦物層間孔和有機(jī)質(zhì)孔，孔徑分布在50nm～2mm，其形成與黏土礦物和有機(jī)質(zhì)的含量、成巖作用和有機(jī)質(zhì)熱演化作用有關(guān)。

4)頁巖沉積環(huán)境、礦物組成、有機(jī)質(zhì)含量是影響頁巖儲集能力的重要因素，有機(jī)質(zhì)和黏土礦物利于頁巖氣的吸附，同時還有利于孔隙的形成；脆性礦物可以增加巖石的脆性利于儲層改造，生物成因的脆性礦物提高了龍馬溪組有利儲層的巖石脆性。

 

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本文作者：蒲泊伶  董大忠  耳闖  王玉滿  黃金亮

作者單位：中國石油勘探開發(fā)研究院

  中尉石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院

  西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院