南川地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)特征

劉娜娜

（中國(guó)石化華東油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，江蘇南京 210011）

近年來(lái)，隨著四川盆地及周緣頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，渝東南龍馬溪組頁(yè)巖氣已成為非常規(guī)油氣的焦點(diǎn)，對(duì)四川盆地志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征方面也已開(kāi)展了大量研究工作[1–6]，與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙孔徑更小，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜[7–14]，氬離子拋光+掃描電鏡是觀(guān)測(cè)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀(guān)孔隙特征和研究頁(yè)巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的重要手段[15–17]。南川地區(qū)位于四川盆地東南緣，屬于中國(guó)石化頁(yè)巖氣礦權(quán)區(qū)塊，本文通過(guò)對(duì)南川地區(qū)三口探井志留系下統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段樣品的系統(tǒng)觀(guān)察，開(kāi)展了研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段孔隙結(jié)構(gòu)特征研究，并結(jié)合相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)其空間變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行了分析。

1 地質(zhì)特征

鉆井揭示南川地區(qū)基底為前震旦系板溪群淺變質(zhì)巖，上覆蓋層自下而上依次為震旦系、寒武系、奧陶系、志留系下統(tǒng)、二疊系、三疊系和侏羅系，缺失志留系中–上統(tǒng)、泥盆系、石炭系、白堊系、古近系和新近系。本次研究層位為志留系下統(tǒng)龍馬溪組底部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖段，巖性為黑色頁(yè)巖，按巖性和電性特征自下而上可劃分為①–⑤五個(gè)小層。

2 孔隙特征

通過(guò)對(duì)南川地區(qū)三口探井（JY194–3井、SY1井、NY1井）志留系下統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段樣品開(kāi)展有機(jī)質(zhì)含量、成熟度、礦物組成、孔隙度、滲透率、巖石比表面積、氬離子拋光+掃描電鏡等測(cè)試，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)分析均在中國(guó)石化華東油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院揚(yáng)州實(shí)驗(yàn)中心完成，氬離子拋光設(shè)備為HITACHI IM4000離子拋光裝置，掃描電鏡為ZEISS SIGMA場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。共選取灰黑色–黑色頁(yè)巖樣品40件，其中，JY194–3井樣品11件，TOC為1.65%～6.66%，平均值為3.25%；SY1井樣品17件，TOC為1.56%～7.06%，平均值為3.20%；NY1井樣品12件，TOC為2.00%～7.73%，平均值為3.14%。

2.1 孔隙類(lèi)型

掃描電鏡觀(guān)測(cè)顯示，研究區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段儲(chǔ)層孔隙以納米級(jí)為主，主要發(fā)育裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內(nèi)孔、黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔等孔隙類(lèi)型（表1）。其中，裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙和粒內(nèi)孔等屬于無(wú)機(jī)孔隙，黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔等屬于有機(jī)孔隙。南川地區(qū)常見(jiàn)的無(wú)機(jī)孔隙主要有微裂縫、礦物溶蝕孔和云母晶間縫，其中，微裂縫（圖1a）一般是沿著礦物邊緣產(chǎn)生的，延伸性較好，有利于頁(yè)巖氣的保存和運(yùn)輸；溶蝕孔（圖1b）是礦物顆粒表面受地層流體作用溶蝕形成的無(wú)機(jī)孔隙，孔徑為0.5～1.0μm，形狀多呈不規(guī)則狀；云母層間縫（圖1c）是晶間孔的一種，沿著云母片呈彎曲狀，連通性較好。前期研究表明南川地區(qū)有機(jī)孔隙發(fā)育，頁(yè)巖氣主要賦存空間為有機(jī)孔隙，常見(jiàn)的有機(jī)孔隙包括黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔和有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔。黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔（圖1d）是黃鐵礦晶體間充填的有機(jī)質(zhì)由于生烴被消耗后產(chǎn)生的孔隙的總稱(chēng)，孔徑幾十到幾百納米；有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔由于有機(jī)質(zhì)與黏土礦物、硅質(zhì)等融合，在生烴過(guò)程中礦物起到反應(yīng)物或者催化劑的作用，影響孔隙的形成；同時(shí)，受礦物影響，孔隙往往具有定向性（圖1e），其中，有機(jī)質(zhì)黏土復(fù)合孔（圖1f）較發(fā)育。

圖1 孔隙類(lèi)型掃描電鏡

表1 泥頁(yè)巖中孔隙類(lèi)型及相應(yīng)特征（據(jù)Slatt，2011）

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

本文中的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖指TOC大于2.00%的具有較好生烴潛力的黑色頁(yè)巖段，JY194–3井、SY1井、NY1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段按照巖性、電性等參數(shù)可劃分為①–⑤五個(gè)小層（表2）。下面按照小層對(duì)各井孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行描述對(duì)比。

表2 JY194–3井–SY1井–NY1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段厚度、TOC統(tǒng)計(jì)

JY194–3井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段各小層有機(jī)孔隙發(fā)育，有機(jī)孔密而圓，孔徑40.0～80.0 nm；非優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段各小層有機(jī)孔呈圓形、橢圓形、不規(guī)則形，孔徑范圍大（50.0～500.0 nm）。其中，⑤小層有機(jī)質(zhì)分布廣泛、孔隙較發(fā)育，孔徑從數(shù)十至一百多納米不等；局部伴生少量硅質(zhì)顆粒；④小層有機(jī)質(zhì)多呈細(xì)小的不規(guī)則顆粒，分布較廣泛，有機(jī)孔徑從數(shù)十至數(shù)百納米不等，但圓度較差；③小層有機(jī)質(zhì)分布廣泛、孔隙極發(fā)育，從幾十至數(shù)百納米不等，密集分布；②小層有機(jī)孔隙密集發(fā)育，孔徑多小于100.0 nm，分布廣泛；①小層有機(jī)質(zhì)分布廣泛、孔隙極發(fā)育，從數(shù)十至數(shù)百納米不等，密集分布，局部伴生黏土礦物。

SY1井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段各小層有機(jī)孔隙發(fā)育，其中，⑤小層孔徑多為60.0 nm，密度中等，呈不規(guī)則狀，連通差；④小層孔徑可達(dá)數(shù)百納米，密度低，呈不規(guī)則狀，連通差；③小層孔徑50.0～200.0 nm，密度低，呈橢圓狀，連通性一般；②小層孔徑以60.0 nm為主，部分可達(dá)數(shù)百納米，密度高，呈不規(guī)則狀，連通較好；①小層孔徑多小于30.0 nm，密度高，圓度高，連通較好。

NY1井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段上部（⑤、④小層）以無(wú)機(jī)孔隙為主，下部（③、②、①小層）以有機(jī)孔隙為主，隨著深度增加，有機(jī)孔越來(lái)越發(fā)育，直至①小層最為發(fā)育，而無(wú)機(jī)孔隙則顯著減少。有機(jī)孔隙孔徑以10.0～100.0 nm為主，部分孔徑達(dá)到200.0 nm以上，最大的接近1 000.0 nm。同時(shí)孔隙形態(tài)和大小變化較大，部分孔隙呈橢圓形或近圓形，邊緣較平滑；部分孔隙呈不規(guī)則狀，棱角分明；在大孔周?chē)植贾鵁o(wú)數(shù)細(xì)小的微孔，與大孔的直徑相差30～100倍。⑤小層孔徑以20.0 nm為主，密度極低，呈橢圓狀，連通差；④小層孔徑以30.0 nm為主，密度極低，呈橢圓狀，連通差；③小層孔徑以50.0 nm為主，密度低，呈橢圓狀，連通性一般；②小層未取樣；①小層孔徑以30.0 nm為主，密度高，圓度較高，連通較好。

3 孔隙發(fā)育影響因素

頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育受到頁(yè)巖有機(jī)碳含量、礦物成分等多種因素影響。

3.1 有機(jī)碳含量（TOC）

南川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段比表面積、孔隙度與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)關(guān)系（圖2、3），比表面積與TOC相關(guān)性因數(shù)較大（圖2）；由于本地區(qū)無(wú)機(jī)孔隙對(duì)孔隙度也有貢獻(xiàn)，且孔隙度測(cè)試樣品較少，因而孔隙度與TOC相關(guān)性因數(shù)較小，但仍然可見(jiàn)弱相關(guān)趨勢(shì)，即有機(jī)碳含量越高，有機(jī)孔隙越多，比表面積越大，孔隙度越大。這反映了TOC是影響頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度與比表面積的重要因素之一。

圖2 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段比表面積與有機(jī)碳含量（TOC）關(guān)系

圖3 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段孔隙度與有機(jī)碳含量（TOC）關(guān)系

JY194–3井和SY1井①–⑤小層優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖TOC縱向上均有隨深度增加先增大后減小的趨勢(shì)（圖4），受TOC影響，縱向上隨著深度的增加有機(jī)孔隙有先增多后減少的趨勢(shì)，與掃描電鏡觀(guān)察結(jié)果（表4）一致；平面上，JY194–3井TOC大于SY1井和NY1井（圖4），受TOC影響，JY194–3井有機(jī)孔隙發(fā)育程度優(yōu)于SY1井和NY1井，這與比表面積平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3）一致，也與掃描電鏡觀(guān)察結(jié)果（表4）一致。再次證明了優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段比表面積、孔隙度與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)。有機(jī)孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)頁(yè)巖氣具有較強(qiáng)的吸附和儲(chǔ)集能力。

圖4 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段TOC對(duì)比

表3 各井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段比表面積對(duì)比 m2/g

表4 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段有機(jī)孔主要孔徑值及其密度

3.2 礦物成分

頁(yè)巖礦物成分影響頁(yè)巖儲(chǔ)層抗壓性，礦物成分不同，孔隙在壓實(shí)作用下的保存程度不同。一般而言，脆性礦物抗壓性較高，在壓實(shí)作用過(guò)程中可以支撐孔隙，有利于孔隙保存。南川地區(qū)脆性礦物含量較高（表5），孔隙度與石英含量呈弱正相關(guān)關(guān)系（圖5）。

圖5 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段孔隙度與石英含量關(guān)系

表5 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段頁(yè)巖礦物成分 %

4 結(jié)論

（1）氬離子拋光+掃描電鏡分析表明，南川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙以納米級(jí)為主，主要發(fā)育裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內(nèi)孔、黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔等孔隙類(lèi)型。其中，裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙和粒內(nèi)孔等屬于無(wú)機(jī)孔隙；黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔屬于有機(jī)孔隙，有機(jī)質(zhì)黏土復(fù)合孔較常見(jiàn)，且有機(jī)孔隙多呈不規(guī)則狀、橢圓形、圓形，孔徑為10.0～100.0 nm。

（2）南川地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段儲(chǔ)層孔隙發(fā)育的影響因素分析表明，頁(yè)巖的有機(jī)碳含量和礦物成分含量影響孔隙發(fā)育，頁(yè)巖有機(jī)碳含量越高，有機(jī)孔隙越多，石英含量高有利于孔隙生成與保存。總之，孔隙度與有機(jī)碳含量、石英含量呈正相關(guān)關(guān)系。

（3）南川地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段孔隙發(fā)育情況受TOC影響，縱向上表現(xiàn)為各小層孔隙度與TOC正相關(guān)，且TOC大的小層掃描電鏡觀(guān)察到的有機(jī)孔隙更發(fā)育，孔隙密度更大、孔徑更大；平面上表現(xiàn)為T(mén)OC較大的井孔隙發(fā)育較好，JY194–3井有機(jī)孔隙密度高、孔徑較大（20.0～100.0 nm），SY1井有機(jī)孔隙密度較高、孔徑較大（20.0～80.0 nm），NY1井有機(jī)孔隙密度低、孔徑較大（10.0～50.0 nm）。