渝東南盆緣轉換帶常壓頁巖氣儲層非均質性特征及主控因素

潘仁芳 李笑天 金吉能 朱正平 孟江輝

1.長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心 2.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室

0 引言

中國已成為繼美國和加拿大之后，第3個實現頁巖氣商業性開發的國家[1-2]。四川盆地是世界上最早發現和利用天然氣的地區[3]，在常規天然氣繼承性發展的基礎上，近年在涪陵、長寧和威遠等地區頁巖氣的發現和生產無疑是非常成功的亮點。但除了這幾個重點區域外，其他地區投入與產出并不成比例，規模開發仍面臨極大困境。橫向（區域上）和縱向（層間）非均質性、宏觀和微觀非均質性是影響儲層含氣性和可改造性的關鍵因素。

近年來，涉及儲層非均質性研究的內容和方法主要包括：①在等時地層格架中分析頁巖儲層在礦物組成、黃鐵礦含量、沉積構造、有機質豐度等方面的結構非均質性[4]；②從微觀尺度對孔隙及孔隙結構的研究[5-9]；③通過氬離子拋光—場發射掃描電鏡、高壓壓汞、低溫氮吸附等實驗技術手段，利用極差、突進系數、變異系數、孔隙度、總孔容、孔比表面積、核磁共振弛豫時間等參數來表征頁巖孔隙非均質性[10-12]；④利用頁巖CT掃描圖像的數字處理技術研究頁巖礦物組分的分布特征，試圖通過建立礦物組分含量與分形維數之間的關系來表征其非均質特征[13]。

在頁巖氣領域性的研究方面，江凱禧等[14]通過平面、層內和微觀3個方面較全面地分析了四川盆地下寒武統筇竹寺組泥頁巖非均質性特征，Borkloe等[15]對四川盆地威201井區筇竹寺（九老洞）組的巖石骨架、有機質和含氣性的分析；王香增等[16]通過巖心觀測、薄片觀察、脈沖滲透率測試、有機碳含量測試、氣體組分分析、結合測井解釋對鄂爾多斯盆地上三疊統延長組陸相頁巖巖性、地球化學參數、微觀孔隙結構、力學參數等非均質特征進行系統的研究。

渝東南盆緣轉換帶位于四川盆地東南部，包括南川向斜、桑柘坪向斜、武隆向斜、道真向斜等。面積為1.3×104km2，預計頁巖氣可采資源量為14 578×108m3。其中，南川向斜相對改造弱、保存條件較好、埋深適中，頁巖氣資源量為914×108m3，是高產地區；桑柘坪向斜頁巖氣資源量為2 178×108m3，武隆向斜頁巖氣資源量為7 037×108m3，道真向斜頁巖氣資源量為4 080×108m3。目前已完鉆的彭頁1HF井、彭頁2HF井、彭頁3HF井、彭頁4HF井測試日產氣量介于1.5×104～3.8×104m3；武隆向斜分別于2015年和2017年部署了隆頁1井和隆頁2井，測試日產氣量分別為4.6×104m3和9.22×104m3。

從目前已鉆采的情況看，渝東南盆緣轉換帶具有很好的資源潛力，但由于其特殊位置和地質背景，有別于四川盆地內部的其他區塊，地層呈常壓特征，加之非均質性強，給經濟高效開采帶來難度。鑒于目前該地區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層非均質性的系統認識還有待深入，筆者從頁巖儲層的巖石骨架（基質礦物、有機質）、儲集空間兩個方面來探究區內五峰組—龍馬溪組儲層的非均質性特征，并分析其非均質性的主要控制因素。

1 地質背景

渝東南盆緣轉換帶位于武陵褶皺帶，橫跨武隆—利川復向斜和中央復背斜，構造走向呈北北東向展布，為川東南—湘鄂西“槽—擋”過渡區，受彭水—建始斷層、大千斷層、茶園斷層和胡家園斷層等斷裂的控制，形成了以北東向復向斜與復背斜相間分布的構造格局（圖1）。在構造演化上，早燕山期到中燕山期受到江南—雪峰陸內造山的持續擠壓作用，區內產生多期斷層；晚燕山期開始隆升并遭受剝蝕致使泥盆系、石炭系缺失，喜馬拉雅期由于太平洋板塊俯沖及印度板塊向歐亞板塊碰撞擠入雙重影響，整體迅速隆升致使古近系地層缺失，從而形成了現今構造面貌和地層格局。總體上，渝東南盆緣轉換帶主力頁巖氣層為五峰組—龍馬溪組，發育了大套的黑色硅質頁巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，沉積相可細分為深水陸棚相和淺水陸棚相（圖1）。可劃分為9個小層，并歸于上、中、下3個亞段，由于五峰組較薄，研究中將其歸于龍一下亞段。其中下亞段（1～5小層）埋深4 379.93～4 412.67 m，中亞段（6～7小層）埋深4 349.03～4 379.93 m，上亞段（8～9小層）埋深4 307.23～4 349.03m。

2 巖石骨架的非均質性

頁巖的骨架由基質礦物和有機質組成，基質礦物包括黏土礦物與脆性礦物。對于富有機質頁巖，純泥巖段不易開采，脆性礦物含量高的細粒巖層本身易發育天然裂縫并有利于壓裂改造，是好的產層；頁巖氣的主要吸附載體是黏土礦物與有機質，在有機質含量相同的情況下，黏土礦物含量與吸附的氣體含量成正比，且隨壓力的增大吸附的氣體增加速率越大[17]；有機質中大量的納米級孔隙是頁巖氣的主要儲集空間，也有學者認為黏土礦物中鋁硅酸鹽的開放孔隙增大頁巖總孔隙度是主因[18]。因此，研究礦物骨架和有機質的非均質性對認識優質產氣層段意義重大。

圖1 渝東南盆緣轉換帶構造與五峰組—龍馬溪組綜合柱狀圖

2.1 礦物組成

頁巖的礦物組分多樣，顆粒大小參差不齊，一般以細粒物質為主，整體上表現出較強的非均質特性。從南頁1井龍馬溪組近80 m頁巖段90塊樣品進行全巖X射線衍射的分析結果來看：礦物組成主要包括碎屑類礦物和黏土礦物，碎屑類礦物以脆性礦物石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦為主，黏土礦物包括伊蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石（圖2）。剖面上自下而上石英含量呈明顯減少趨勢，其他碎屑礦物含量比例相對較小，變化也參差不齊，表現不甚明顯；黏土礦物含量呈明顯增多趨勢（圖2-a）。

黏土礦物含量自下而上明顯增多，其中伊蒙混層和綠泥石含量占明顯增多優勢，伊利石相對含量在減小，高嶺石呈零星間斷式分布（圖2-b）。

各小層黏土礦物及脆性礦物含量分布統計分析表明，9個小層的黏土礦物含量從下至上呈遞增趨勢，但其中伊利石含量呈現遞減趨勢，脆性礦物總量也呈遞減趨勢，其中主要脆性礦物石英含量遞減明顯。

圖2 五峰組—龍馬溪組頁巖礦物組成分布圖

6～9小層的方解石含量整體偏高，1～5小層整體較低；而后者的黃鐵礦含量則整體高于前者，反映了下部沉積環境還原性強，有利于有機質的保存。

上述特征表明：龍一下亞段優于上覆的中、上亞段的巖石骨架特征在于黏土礦物中具有頁巖氣吸附優勢[19]的伊利石明顯偏高，前者在黏土礦物中占比高于65%，后者小于60%，有利于頁巖氣的吸附；前者石英等脆性礦物的全巖占比大于60%，后者小于60%，更有利于儲層的壓裂改造。同時，下亞段沉積環境更強的還原性成就了其更好地保存條件。

2.2 有機質含量及演化

南頁1井龍馬溪組樣品有機質類型及鏡質體反射率（Ro）測試數據分析表明：有機質類型為腐泥型，鏡質體反射率介于2.26%～2.83%，平均值為2.51%，整體差異較小，演化程度偏高（圖3）。

65塊樣品的地球化學測試分析表明：五峰組—龍馬溪組龍一段樣品總有機碳含量（TOC）介于0.04%～7.74%，平均值為2.26%，從下至上9個小層的變化規律為增大—減小—增大—減小—增大，但總的趨勢為減小，且存在明顯的非均質性（圖3）。

龍一下亞段具有高有機碳含量、高孔隙度、較大比表面積和BET平均孔直徑（圖3），具有自生自儲的有利儲集條件。前人研究成果表明：有機碳含量改變頁巖包括顏色、密度、抗風化能力、放射性和硫含量等理化性質，也在一定程度上制約其中裂縫的發育程度，并進一步控制頁巖的含氣量[20]，實際樣品的統計分析表明：含氣量與總有機碳含量呈明顯的正相關性，總有機碳含量每增加一個百分點，每噸泥頁巖大約增加0.5 m3含氣量（圖4）。分析結果表明，龍一下亞段較中、上亞段具有更好的頁巖氣自生自儲條件，中、上亞段成為下亞段最好的區域蓋層，這在遭受多期構造嚴重改造的盆緣轉換帶尤其重要。

圖3 南頁1井五峰組—龍馬溪組儲層地球化學特征柱狀圖

圖4 TOC與含氣量關系圖

2.3 巖石力學性質

巖石力學參數反映巖石在外力作用下所表現出的物理性質，是頁巖氣井壓裂改造設計的關鍵數據。利用縱、橫波測井資料或在沒有橫波測井資料的情況下重構橫波數據可計算評價頁巖儲層的泊松比、楊氏模量等參數。一般來講，泊松比小、楊氏模量大的地層脆性好，有利于壓裂改造。

通過測井資料計算得到A井的泊松比和楊氏模量，龍一下亞段泊松比介于0.17～0.31（圖3），平均值為0.21，楊氏模量介于33.23～69.33 GPa，平均值為42.35 GPa；中、上亞段泊松比介于0.16～0.27，平均值為0.23，楊氏模量介于31.18～46.44 GPa，平均值為37.66 GPa。龍一下亞段的脆性明顯好于中、上亞段。

礦物組分與有機質含量的縱向變化導致龍馬溪組頁巖的巖石力學參數表現出較強的非均質性，龍一下亞段的高脆性礦物含量決定了其巖石物理參數與上覆中、上亞段的差異。

3 儲集空間的非均質性

頁巖中納米級孔隙是游離氣和吸附氣賦存的載體，其孔隙類型多，發育位置、分布狀態、孔徑大小均受到礦物組分微觀非均質性的控制[4]。氬離子拋光掃描電鏡結果表明，該地區龍馬溪組納米級孔隙主要發育有機質孔隙、脆性礦物孔隙和微裂縫等3種儲集空間類型。

3.1 孔隙類型及大小

本地區主要發育屬次生孔隙的有機質孔，孔徑從小于2 nm的微孔到大于50 nm的宏孔都有，最大者接近1 000 nm。其形態呈現多樣：平面上為圓狀、橢圓狀和不規則狀（圖5-a），空間上為管狀喉道連接，形成復雜的內部結構，時間上主要發育在成巖晚期[21]。

黃鐵礦多與有機質及黏土礦物伴生，形成晶間孔（圖5-b）；脆性礦物粒內溶蝕孔較少發育（圖5-c），孔徑最大可達523 nm，小孔孔徑不足100 nm；脆性礦物粒間原生孔和粒間溶蝕孔，多被有機質充填，充填的有機質后期生烴演化為有機質孔（圖5-d）。

3.2 微裂縫及狀態

微裂縫一般未被充填，形態以平直狀、彎曲狀、不規則狀最為常見（圖6-a），微裂縫多發育在有機質邊緣、黏土礦物邊緣、顆粒礦物與其他組分接觸部位等，張開距離較小，礦物層間縫、解理縫（圖6-b、c）多被有機質充填。

上述3種儲集空間類型，不僅孔隙形態組合差異產生非均質性，而且孔隙的發育程度及分布差異也產生較強的非均質性，而微裂縫的發育更使其復雜化了（圖6-a、d）。

3.3 孔隙結構的非均質性

孔隙及其喉道是頁巖氣賦存和運移的主要空間和通道，其大小、類型及分布決定頁巖氣富集能力和儲層滲流能力，孔隙結構是頁巖儲層孔隙性、滲流性和有效性評價的重要指標。

通過氮氣吸附法分析來精確表征五峰組—龍馬溪組頁巖的微觀孔隙結構，43個樣品分析的測試結果表明：龍一段孔隙結構表現為3種類型，雖其吸附曲線整體都呈反“S”形，但其孔體積密度峰值分布卻具有明顯的差異性（圖7），進一步比照國際純化學與應用化學聯合會（IUPAC）的孔隙類型與吸附回線分類標準[22]分析發現如下。

39個樣本表現為Ⅰ類，微孔、介孔、宏孔均有分布（圖7-a），比照吸附回線類型進一步劃分為H2型（圖8）。孔隙結構呈無規則（無定形），儲集空間則以不同孔徑階段的平行板狀裂縫為主，同時含有部分一端或者兩端開放的楔形孔和“V”形孔隙，是非均質性強的一類。

2個樣本表現為Ⅱ類，為微孔和介孔貢獻（圖7-b），比照吸附回線類型進一步劃分為H1型（圖8）。表明孔隙結構類型以圓柱狀孔為主，孔徑分布圖顯示其微孔體積大部分介于0.006～0.012 cm3/g，反映出Ⅱ類的孔結構尺寸和排列十分規則。

圖5 五峰組—龍馬溪組頁巖孔隙發育特征圖

2個樣本表現為Ⅲ類，由介孔和宏孔貢獻，基本無微孔（圖7-c）。比照吸附回線類型進一步劃分為H3型（圖8）。這類孔隙的開放程度越大，吸附曲線上升越快，其吸附曲線在達到較大壓力后，吸附量迅速上升，表明孔隙結構以一端開口的平板縫、裂縫和楔形結構為主，在達到一定壓力后孔隙的開放性會有較大提升。

上述分析表明，以微孔、介孔、宏孔均有分布的I類樣本占據了總樣本的90%以上，分別以微孔和宏孔為特征的兩端樣本之和的占比小于10%，可見其孔隙結構的非均質多元性特征。

孔隙結構的非均質性還體現在孔徑的差異及孔隙各參數的變化上。頁巖中的有機質孔徑遠小于無機質的平均孔徑，無機孔孔徑范圍一般介于200～500 nm[23-24]。該地區無機孔孔徑最大523 nm（圖5-c）；有機質中納米級孔隙分布范圍差異較大，最小孔小于2 nm（圖7-c），最大可達1 000 nm（圖5-a）。主要孔徑分布為3.21～5.15 nm（圖3），平均值為4.03 nm。

孔隙結構參數BET比表面積和BET單點孔體積顯示，五峰組—龍馬溪組樣品比表面積值介于5.19～34.90 m2/g，平均值為17.15 m2/g，BET單點孔體積值介于0.007～0.028 cm3/g，平均值為0.017 cm3/g。其縱向變化關系（圖3）可以看出龍一下亞段的比表面積與單點孔體積均高于中、上亞段。

4 儲層非均質性控制因素

4.1 構造因素

區域上，渝東南盆緣轉換帶經歷了海西—印支期伸展、燕山早—中期總體擠壓背景下的伸展裂陷及喜馬拉雅期擠壓變形等3個構造演化階段，形成了伸展—收縮—轉化的早古生代原特提斯擴張—消亡（加里東旋回）、晚古生代—三疊紀古特提斯擴張—消亡（海西—印支旋回）和中、新生代新特提斯擴張—消亡（燕山—喜馬拉雅旋回）等3個巨型旋回[10]。

圖6 五峰組—龍馬溪組頁巖裂縫及孔隙發育特征圖

多期構造運動伴隨的沉積構造演化形成了多期復雜構造成因縫。在局部或區域構造剪切應力的作用下，頁巖儲層的韌性剪切所形成的高角度剪切縫（高導縫）常與斷層或褶皺相伴生，而在張性伸展或構造擠壓的作用下，平行頁巖層面的剪切應力產生沿層面的順層滑動而形成滑脫裂縫。高導縫在該地區目的層段較為發育（表1），其多向性變化進一步增加了儲層的非均質性，并使其復雜化。

4.2 沉積環境

渝東南盆緣轉換帶頁巖發育在晚奧陶世晚期—志留紀早期，經歷了2個完整的海進—海退沉積旋回，五峰組沉積早期為海進—高水位體系域，此期四川盆地及周緣整體處于深水陸棚相，沉積了一套黑色硅質頁巖[25]，發育大量放射蟲、筆石等；早志留世中晚期進入海退旋回，沉積了一套介殼泥灰巖。

龍馬溪組沉積早期，再次發生大面積較長時期海侵，沉積了一套以深灰—黑色硅質頁巖、頁巖、碳質頁巖為主的細粒沉積，黃鐵礦和筆石較為發育，有機質類型以腐泥型為主、有機碳含量高。

龍馬溪組沉積晚期，該地區持續緩慢海退，由半深水陸棚逐步向淺水陸棚相沉積，巖性粒度變粗，顏色變淺，筆石等化石含量減少，區域上厚度形成較大差異，介于120～240 m[26]。

沉積環境不同，造成不同的巖性組合、礦物組成和有機質豐度，而巖性、礦物、有機質豐度的變化又制約了頁巖的孔隙和裂隙的發育[27]，進而影響了儲層的非均質性。

4.3 成巖作用

渝東南盆緣轉換帶的多種成巖作用類型對頁巖儲層的孔隙成因類型和孔滲特征所形成的非均質性和形貌特征構成了顯著影響[28]。機械壓實是破壞性成巖作用，礦物的交代和溶蝕、有機質的熱演化和黏土礦物的轉化是主要的建設性成巖作用。

機械壓實作用伴隨成巖作用的全過程，造成原生孔從減少到消失，易變形礦物多形成線接觸或凹凸接觸縫（圖6-a），在很大程度上形成了對孔隙結構和形態的改變。

圖7 五峰組—馬溪組頁巖氮氣吸附/脫附曲線與孔徑分布特征圖

黃鐵礦的交代作用在該地區普遍發育（圖5-b、6-a、b），部分晶間孔被有機質充填。

無機脆性礦物（包括方解石、鉀長石、石英）的溶蝕作用在一定程度上增強了孔隙的連通性，伴隨生烴過程中所形成的有機酸還會強化這種作用，更由于脆性礦物分布的非均勻性和有機酸對礦物的選擇性溶蝕，促使了儲層非均質性的進一步加強（圖5-c）。

有機孔的發育狀況受有機質的熱演化成熟度的控制，隨著有機質向烴類的轉化而形成更多的孔隙空間。熱裂解實驗表明，消耗35.00%的有機質可形成約4.90%的有效儲集空間[29]，因本區目的層段已普遍達到較高的熱演化程度，其有機質孔發育的多寡主要與原巖地層的有機質豐度差異有關。

黏土礦物轉化是通過轉變自身孔隙形態、排出層間水來改造其孔隙及其結構特征[8]，從而增強孔隙的非均質性。

5 結論

圖8 孔隙類型與吸附回線分類（據陳尚斌等[22]修改）

表1 五峰組—龍馬溪組頁巖裂縫參數表

1）渝東南盆緣轉換帶五峰組及龍一下亞段（優質頁巖段）與其上部的龍一中亞段、上亞段在脆性礦物、黏土礦物含量、有機質豐度、孔隙度和巖石力學特征等方面均存在較大差異，形成了特征明顯的縱向非均質性。其特征表現為下部優質頁巖段骨架脆性礦物含量高，儲集空間類型多樣、有機質孔和微裂縫發育，孔隙形態、分布、孔徑、結構易于氣體流動。這些頁巖骨架與儲集空間的非均質性是決定其優質儲層的關鍵因素。

2）五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層呈現的非均質性是受沉積、成巖和構造演化疊加控制的結果。早期深水陸棚相沉積的富有機質頁巖是形成優質頁巖的物質基礎，沉積環境的時代變遷是導致其產物縱向非均質性差異的先決條件，交代、溶蝕、有機質成熟演化和黏土礦物轉化等成巖作用為后期主要的建設性因素、機械壓實作用為破壞性因素；多期構造運動產生的高導縫進一步增強了儲層的非均質性，并使其變得更為復雜。

3）優質頁巖是由其骨架、儲集、滲流及保存條件綜合決定。龍一下亞段具有高脆性礦物含量所形成的巖石力學特征使其易于壓裂改造，強非均質性所指示相對高的儲集空間和孔隙連通關系有利于頁巖氣的儲集和流動，高演化程度對保存條件的更高要求。綜合認為，龍一下亞段應為下步頁巖氣開發的首選目的層系，平面上則以遠離構造相對活動帶和深大斷裂為宜，區塊上優選南川區塊。

成文中得到了中國石化華東油氣分公司勘探開發研究院何希鵬院長的大力支持，在此表示衷心感謝。