海陸過渡相與海相富有機質頁巖儲層特征差異

蔡光銀，蔣裕強，李星濤，孫莎莎，付永紅，谷一凡，王占磊，季春海

1.西南石油大學地球科學與技術學院，成都 610500

2.西南石油大學中石油非常規重點實驗室，成都 610500

3.西南石油大學天然氣地質四川省重點實驗室，成都 610500

4.頁巖氣資源與環境四川省協同創新中心，成都 610500

5.中石油煤層氣有限責任公司，北京 100028

6.中國石油勘探開發研究院，北京 100083

7.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，成都 610056

0 引言

我國發育3 類富有機質頁巖：海相頁巖、海陸過渡相頁巖、陸相頁巖[1]。以龍馬溪組為代表的我國海相頁巖氣勘探已在四川盆地及周緣實現了規模高效開發，相繼建成了昭通、長寧—威遠、涪陵國家頁巖氣示范區，在川南地區形成我國石油工業史上第一個10 萬億方級天然氣大氣區，充分展現了頁巖氣在油氣資源領域的重要地位[1-2]。我國海陸過渡相頁巖資源潛力巨大[3-4]，是下步頁巖氣勘探的關鍵目標，目前已在鄂爾多斯盆地山西組、四川盆地大隆組—龍潭組的多口探井中測試獲氣，展現出海陸過渡相頁巖氣良好的勘探開發前景[5-8]。海陸過渡相頁巖有機質來源廣，類型多樣，儲層巖性組合及其孔隙結構復雜，具有黏土礦物類型多及含量高等特征[9-15]。目前海陸過渡相頁巖氣勘探開發仍處于探索階段，孔隙發育控制因素、頁巖氣優勢儲集孔隙類型及微觀賦氣機制等科學問題極大制約了海陸過渡相頁巖勘探評價體系的建立。為此，選取熱演化程度和埋深相近的威遠區塊淺層龍一11小層海相頁巖與大吉區塊山32亞段底部海陸過渡相富有機質頁巖為研究對象，系統對比研究兩者儲層宏觀、微觀特征差異，初步探討海陸過渡相優質頁巖儲層發育影響因素及賦氣機制，為建立和完善海陸過渡相頁巖勘探評價體系提供參考。

1 地質背景與實驗方法

1.1 地質概況與樣品來源

鄂爾多斯盆地東緣大吉區塊晚石炭世—中二疊世經歷了海相碳酸鹽臺地沉積體系、三角洲—濱岸海陸過渡相沉積體系以及陸相河流沉積體系（圖1），其中二疊系下統山西組為典型海陸過渡相沉積，期間海水頻繁震蕩，發生多次海侵[16]。本次研究樣品選自鄂爾多斯盆地東緣大吉區塊下二疊統山32亞段底部海陸過渡相富有機質頁巖，該套頁巖被認為是海陸過渡相頁巖有利勘探開發層段[4]。

圖1 研究區位置及地層柱狀示意圖（據文獻[4]修改）Fig.1 Schematic diagram of study area location and stratigraphic column (modified from reference [4])

四川盆地南部威遠地區晚奧陶世—早志留世處于水體較深，還原性強的低能深水陸棚沉積環境，因而在龍馬溪組底部發育一套富有機質的黑色頁巖層系，隨著水體不斷變淺，龍馬溪組頂部發育一套綠灰色頁巖。本次研究海相頁巖樣品源于下志留統龍馬溪組底部龍一11小層，該套頁巖為深海陸棚最大海泛期沉積形成，是川南海相頁巖氣主力產層[17]。

1.2 實驗方法

本次研究選取DJ51 井山32亞段、W203 井、W204井、W208井龍一11小層共計35塊巖心樣品，開展全巖和黏土X衍射、TOC含量、有機質顯微組分、物性、氬離子拋光掃描電鏡、氮氣吸附以及核磁共振測試分析，以獲取海陸過渡相和海相頁巖儲層宏觀參數（礦物組合、有機質含量、有機質類型、孔隙度、含氣性等）和微觀孔隙結構參數（孔隙類型與占比、孔徑大小、微裂縫類型等），為系統性分析海陸過渡相和海相頁巖儲層特征差異提供基礎數據保證。

其中，采用FEI Quanta 650 FEG型掃描電鏡儀進行氬離子拋光掃描電鏡觀察，可直觀反映頁巖孔隙結構特征。在此基礎上，通過Image J 圖像處理軟件分析獲取的掃描電鏡照片，以獲取樣品面孔率、面縫率、孔隙類型占比等微觀參數。由于海陸過渡相頁巖有機質和黏土礦物含量高，此次核磁共振實驗考慮到頁巖孔隙潤濕性差異以及黏土吸水膨脹作用，采用不同潤濕性介質（十二烷和20 000×10-6氯化鉀溶液）分別飽和平行柱塞樣，以客觀反映樣品孔隙真實情況。首先將樣品在110 ℃溫度下干燥24 h，以除去樣品中殘留水分。通過12 h 的抽真空脫氣處理后，加壓飽和樣品，飽和壓力為25 MPa，飽和時間為2天。飽和完成后，將樣品取出，在飽和流體中靜置12 h后測試核磁T2譜，測試參數如下：回波間隔（TE）為0.055 ms，回波個數為12 000 個，累加采樣次數（NS）為64次，等待時間（TW）為4 000 ms。

2 頁巖儲層宏觀參數差異

2.1 有機質特征

海相頁巖勘探實踐已經表明，有機質豐度在一定程度上決定著頁巖的生烴潛力。同時熱演化程度也是影響頁巖生烴能力的關鍵，熱演化程度只有在合適的范圍，頁巖才能夠生成天然氣并形成更多的孔隙儲集氣體[18]。威遠區塊龍一11小層頁巖TOC 含量為3.54%～4.81%，平均為4.33%，鏡質體反射率Ro介于2.76%～2.82%，平均值為2.79%；大吉區塊山32亞段海陸過渡相富有機質頁巖TOC 含量為1.14%～10.91%，平均含量為6.88%，鏡質體反射率Ro介于2.63%～2.68%，平均值為2.66%（表1）。由此可見海陸過渡相頁巖TOC 含量高于海相頁巖[12,14-15]，但鏡質體反射率Ro相差不大。前人研究表明，海相頁巖中高TOC含量源于深海—半深海環境中大量的浮游生物以及微生物[19-20]，有機質顯微組分以腐泥組為主，含量高于80%，干酪根類型為Ⅰ型，具有較強的生烴能力。

表1 海相、海陸過渡相富有機質頁巖有機質特征Table 1 Organic matter properties of marine and transitional organic-rich shale

大吉區塊山32亞段海陸過渡相富有機質頁巖腐泥組含量為50%～60%，表明海陸過渡相頁巖腐泥組含量遠小于海相。TTI 指數平均為14.45，干酪根類型為Ⅱ2型（表2）。鏡質組及惰質組含量高，對TOC含量有較高的貢獻[21-23]，造成海陸過渡相頁巖TOC含量高于海相頁巖。但鏡質組及惰質組生烴潛力較弱，影響海陸過渡相頁巖天然氣的生成。在相似的熱演化程度下，海陸過渡相的生烴能力可能略差于海相，但仍處于過成熟階段，為有利的生氣階段，具備頁巖氣大量生成的條件。

表2 研究區海陸過渡相富有機質頁巖有機質顯微組分含量Table 2 Organic matter microscopic component content of transitional organic-rich shale in the study area

2.2 礦物組成

研究區海相富有機質頁巖以石英等脆性礦物為主，富含碳酸鹽礦物（圖2a），石英含量平均在50%以上，長石平均為5%，碳酸鹽礦物平均為22%，其中方解石及白云石均有發育，脆性礦物含量最高可達80%，可壓裂性強。黏土礦物含量為12%～39%，平均為23.18%，黏土成分以伊利石為主（占80%以上），含有少量綠泥石。

海相頁巖氣勘探經驗表明，甜點段頁巖表現為“又甜又脆”的特征[24]。研究區海陸過渡相富有機質頁巖脆性礦物含量同樣較高（圖2a），平均為70%，表明該套頁巖仍具有較好的儲層改造品質，但礦物組成存在差異。海陸過渡相富有機質頁巖石英含量平均為54%，與海相頁巖相近，碳酸鹽礦物略低，平均為13%，不含長石。黏土礦物含量為23%～40%，平均為29%，黏土礦物成分復雜，伊利石、高嶺石、綠泥石以及伊蒙混層均有發育，以高嶺石為主，占黏土總含量60%以上。黏土成分的差異在一定程度上也反映出頁巖成巖作用階段。隨著埋深增加，蒙脫石會向伊蒙混層轉變，并最終形成伊利石。海陸過渡相頁巖伊蒙混層及伊利石含量較海相低，表明海相頁巖處于更高的晚成巖（B）階段[3,19]，海陸過渡相則為晚成巖（A）階段[3,25-26]。

圖2 海相、海陸過渡相富有機質頁巖（a）礦物組成、（b）黏土礦物組成（部分數據引自文獻[2]）Fig.2 (a)Mineral composition of marine and transitional organic-rich shale, (b)clay mineral composition of marine and transitional organic-rich shale (part of the data cited from reference [2])

2.3 物性特征

頁巖中大量的微納米級孔隙的存在不僅使得頁巖氣呈游離態賦存于大孔隙中，還以吸附態富集于微孔隙表面，因此孔隙度是頁巖儲層評價的主要指標之一[27-28]。研究區海相富有機質頁巖孔隙度較高，為4.13%～7.24%，平均為5.58%（圖3）。海陸過渡相富有機質頁巖孔隙度略低，其孔隙度為2.14%～4.87%，平均為3.55%，仍具有較高的儲集能力。

圖3 海相、海陸過渡相富有機質頁巖樣品物性桿狀圖Fig.3 Bar graph of physical properties of marine and transitional facies organic-rich shale samples

2.4 含氣性差異

目前，獲取含氣性數據有直接法和間接法[29-30]。間接法是通過實驗方法測量游離氣及吸附氣含量進而獲取總含氣量，直接法則是通過現場解析，將測量得到的解析氣、殘余氣以及計算得到的損失氣求和獲取總含氣量。現場解析數據表明（表3），海相與海陸過渡相頁巖儲層平均總含氣量分別為4.28 m3/t 和2.0 m3/t，平均損失氣占比分別為81%和58%。海陸過渡相頁巖儲層總含氣量略低、解析氣量高、損失氣量及損失氣占比偏低，表明海陸過渡相富有機質頁巖中以吸附狀態賦存的天然氣含量較高，這可能與海陸過渡相頁巖較高的高嶺石含量有關[31]。

表3 海相、海陸過渡相富有機質頁巖含氣性現場測試數據Table 3 Field test data of gas-bearing properties of marine and transitional organic-rich shale

3 微觀孔隙結構差異

3.1 儲集空間特征

微觀尺度上，不同的學者根據孔隙大小、成因、潤濕性以及產狀結構等多種因素對頁巖孔隙進行分類。國際理論與應用化學聯合會（IUPAC）按照孔徑大小，可以將頁巖孔隙分為微孔、介孔及宏孔[32]。Louckset al.[33]根據頁巖孔隙發育位置及形態將頁巖孔隙劃分為有機孔、粒間孔以及粒內孔。本次研究基于國內外多位學者頁巖孔隙系統分類方案，將頁巖孔隙簡易劃分為有機孔、無機孔以及微裂縫。

有機孔被認為是頁巖儲層主要的儲氣空間，有機孔發育程度直接影響頁巖氣含量以及產能[34-35]。研究區海相富有機質頁巖有機孔發育程度高，主要以孔徑大，連通性高的蜂窩狀有機孔為主，表現出“孔套孔”的特征（圖4a），這類孔隙多為瀝青大量生氣形成。不規則狀有機孔在研究區頁巖儲層中也較為發育（圖4b），從掃描電鏡下觀察發現，該類孔隙多與抗壓能力較弱的黏土礦物或是受強烈壓實作用破裂的脆性礦物伴生，可能是生氣過程中產生“泄壓”而導致其形狀不規則。此外，還發育大孔徑的圓柱狀孤立有機孔，并伴隨細小而密集的小孔（圖4c）。

圖4 海相、海陸過渡相富有機質頁巖有機孔發育特征Fig.4 Characteristics of organic pores in marine and transitional organic-rich shale

研究區海陸過渡相富有機質頁巖有機質面孔率較高但孔隙發育較差，多以孤立狀及不規則狀為主，孔隙連通性差且孔徑偏小（圖4d，f）；局部可見串珠狀或氣泡狀有機質孔，孔隙形態呈圓形，平均孔徑在500 nm以上，孔與孔之間接觸關系較好，具有較高的連通性。與威遠地區淺層海相頁巖相比，海陸過渡相頁巖有機孔發育程度明顯偏低，而兩者熱演化程度差距較小，因而可能是受有機質顯微組分影響。研究區海陸過渡相頁巖鏡質組以及惰質組來源于高等植物木質纖維，隨著埋深增加，原始細胞腔體遭受破壞，在過成熟階段由于頁巖石墨化現象有機孔基本不發育[36]，因而整體上有機孔發育較差[15,24]。

無機孔主要由原生粒間孔、黏土礦物孔隙、溶蝕孔和晶間孔組成，其中溶蝕孔又可以分為粒間溶孔及粒內溶孔。研究區海相富有機質頁巖無機孔發育程度略低，以粒內溶孔及粒間孔為主。粒內溶孔呈一定規則的方形和圓形，孔徑偏大，大多在500 nm以上（圖5a）。礦物粒間孔形狀不規則，多分布在脆性礦物顆粒邊緣，孔徑偏小（圖5b）。由于海相沉積環境具有強還原的特征，因而在海相頁巖中黃鐵礦較為發育，黃鐵礦晶粒間多發育晶間孔（圖5c），部分晶間孔還可見有機質充填。

海陸過渡相富有機質頁巖無機孔發育程度較高，主要以黏土礦物孔以及原生粒間孔為主，溶蝕孔發育程度低。儲層埋深淺，壓實作用相對較弱，碎屑礦物顆粒相互支撐形成的微米級原生粒間孔得以大量保留（圖5d），有望成為重要的儲氣空間。此外，海陸過渡相頁巖黏土礦物類型多，進而發育了豐富的黏土礦物孔隙，主要以高嶺石礦物間形成的孔隙以及層間孔隙為主，形狀不規則（圖5e）。海陸過渡相富有機質頁巖沉積期為山西組最大海侵期，受海水影響強烈，還原性強，因而發育了一定數量的黃鐵礦，黃鐵礦晶間孔同樣發育（圖5f），但少見有機質充填。

微裂縫有多種成因，根據其發育位置，可將其分為與有機質有關的微裂縫以及與礦物相關的微裂縫[37-38]。研究區海相頁巖儲層廣泛發育因有機質大量生烴增壓而產生的生烴增壓縫[37]（圖6a），此外還發育黏土礦物層間縫（圖6b）以及脆性礦物壓實破碎形成的壓裂縫（圖6c）。

氬離子拋光掃描電鏡觀察發現，海陸過渡相頁巖微裂縫發育程度高于海相頁巖，尤其是與有機質相關的微裂縫大量發育，這可能也是導致海陸過渡相富有機質頁巖有機孔發育較差的原因。常見有機質內部被微裂縫貫穿，裂縫局部被方解石充填的現象（圖6d），該類型微裂縫還多與邊緣礦物形成的裂縫相連，導致天然氣逸散，進而使得有機孔“完全泄壓”閉合。此外，有機質邊緣縫（圖6e）以及黏土礦物層間縫也較為發育（圖6f），前一類裂縫同樣不利于有機孔保存。

圖5 海相、海陸過渡相富有機質頁巖無機孔發育特征Fig.5 Characteristics of inorganic pores in marine and transitional organic-rich shale

3.2 孔隙類型占比

W208 井與W204 井龍一11 小層有機孔占比分別為58%和65%（圖7），表明海相富有機質頁巖孔隙類型以有機孔為主，無機孔發育程度相對偏低。DJ51井海陸過渡相富有機質頁巖孔隙類型以無機孔占比達59%，有機孔占比為32%，微裂縫較海相頁巖發育。從整體上看，海陸過渡相頁巖孔隙類型與海相存在明顯差異。

圖6 海相、海陸過渡相富有機質頁巖微裂縫發育特征Fig.6 Characteristics of microfractures in marine and transitional organic-rich shale

3.3 孔徑分布

前人研究表明，有機孔具有較強的油潤濕性，而無機孔傾向于水潤濕，因此通過飽和十二烷以及鹽水可分別反映頁巖儲層中有機孔、無機孔以及與之相關的微裂縫的核磁共振響應特征[39]。此外，核磁共振T2時間與頁巖孔徑、譜峰面積與頁巖孔隙度之間具有正相關關系。通過核磁T2譜形態，也可以反映頁巖孔徑分布特征及孔隙發育情況[40-41]。

海相與海陸過渡相富有機質頁巖核磁共振T2譜具有較大的差異（圖8），反映出兩者有機孔、無機孔以及微裂縫發育情況差異明顯。海相富有機質頁巖飽和油核磁T2譜呈雙峰型，譜峰面積大，主峰T2值分別為0.2 ms以及10 ms（圖8a～c），核磁共振測試結果與掃描電鏡均顯示出海相富有機質頁巖有機孔發育程度高，以大孔為主等特點。氮氣吸附孔徑測試結果顯示，海相頁巖孔徑主要分布在10～50 nm（圖9a）。海陸過渡相富有機質頁巖飽和油核磁共振T2譜表現為單峰型，譜峰面積小，主峰T2時間為0.1 ms（圖8d～f），孔徑以5～20 nm為主（圖9b）。此外，飽和油核磁共振T2譜在1～10 ms間存在較弱的譜峰，這可能與其發育大量的孤立狀有機孔有關，整體上海陸過渡相富有機質頁巖有機孔主要為中小孔。海相富有機質頁巖飽和水核磁共振T2譜信號以及氮氣吸附量均高于海陸過渡相，表明海相頁巖具有更加發育的孔隙網絡。

圖7 海相、海陸過渡相典型井富有機質頁巖孔隙類型發育特征Fig.7 Characteristics of organic-rich shale pore types in typical marine and transitional wells

4 儲層發育影響因素

針對四川盆地海相優質頁巖儲層發育控制因素，眾多學者已經做了大量研究并取得了一些共識。在深水陸棚沉積體系控制下[17]，龍馬溪組最大海侵期沉積了黏土含量低、有機質含量高的頁巖[17,19]。適當的熱成熟度、有利的有機質類型、高巖石脆性、高物性、高含氣量、大面積穩定分布為頁巖大量生氣、儲氣以及工業化開采奠定了基礎[19]，龍馬溪組上部厚層頁巖也為底部優質頁巖氣藏創造了良好的保存條件[42]。

圖8 海相、海陸過渡相富有機質頁巖核磁T2 譜Fig.8 NMR T2 spectra of transitional and marine organic-rich shale

圖9 海相（a）、海陸過渡相（b）富有機質頁巖氮氣吸附孔徑分布Fig.9 Pore size distribution of organic-rich shale obtained by N2 adsorption: (a) marine; (b) transitional

海陸過渡相富有機質頁巖則受控于淺海海灣沉積，陸源輸入對儲層發育具有一定的影響[4]，因而在物質組成上與海相頁巖有明顯區別，該套頁巖TOC含量高，顯微組分以腐泥組為主，但具有較高含量的鏡質組及惰質組。不同的有機質顯微組分對儲層的貢獻存在差異（圖10），腐泥組具有很強的生烴潛力，在過成熟階段能大量產氣并生成有機孔儲集氣體，鏡質組對TOC 具有較高的貢獻，但在過成熟階段，鏡質組及惰質組產氣能力較差，基本不生成有機孔，這也與前人的研究相同[11]。與海相相比，海陸過渡相頁巖高TOC 含量不能完全反應其生烴能力，應更加注重復雜的有機質組成對優質儲層的控制作用。

海陸過渡相富有機質頁巖脆性礦物含量與海相相同，但具有更加復雜的黏土礦物組成，因而黏土礦物對儲層的控制作用與海相存在較大區別。與海相頁巖相同，石英等脆性礦物抗壓實能力強，有助于保留更多的孔隙，因而與孔隙體積具有明顯的正相關關系[11]（圖11a）。海陸過渡相頁巖總孔體積與黏土礦物含量具有一定的正相關性（圖11b），同時掃描電鏡中發現黏土礦物粒間和片間發育大量孔隙（圖5d～f），也說明黏土礦物對孔隙具有一定貢獻，尤其是高嶺石與伊蒙混層對孔隙體積貢獻較大（圖11c，d），由于伊利石、綠泥石與高嶺石、伊蒙混層呈“此消彼長”關系[11,26]，因而伊利石、綠泥石與總孔體積呈負相關關系（圖11e，f）。

圖10 有機質顯微組分與TOC（a）、總孔體積關系（b）Fig.10 Relationship between organic matter microscopic composition and (a)TOC; (b) total pore volume

圖11 石英含量（a）、黏土含量（b）及類型（c～f）與總孔體積關系Fig.11 Relationship between total pore volume and (a) quartz content; (b) clay content; and (c-f) type

海相富有機質頁巖中天然氣主要儲集在有機孔，大量賦存的氣體使得孔隙處于超壓狀態而得以大量保存，并向周緣的無機孔隙及微裂縫中運移（圖12a）。而大量的掃描電鏡結果分析及前人研究表明，海陸過渡相富有機質頁巖氣體運移可能存在兩種模式（圖12b，c）：1）有機質及其周緣不發育微裂縫，有機孔保存較好，頁巖生烴后天然氣隨即在有機孔中儲集；2）有機質及其周緣微裂縫發育，天然氣沿微裂縫運移，此時有機孔變形且發育程度低，天然氣主要以吸附態儲集于高嶺石等黏土礦物形成的黏土礦物孔中[43]，這也是海陸過渡相頁巖氣主要富集模式。海陸過渡相復雜的黏土礦物組成明顯影響無機孔發育類型及程度，進而控制氣體賦存，因此，黏土礦物類型及含量對儲層發育具有控制作用。與海相頁巖不同，高嶺石、I/S等黏土礦物形成的礦物粒間孔對優質儲層發育具有一定的貢獻。

圖12 海相（a）、海陸過渡相（b，c）富有機質頁巖氣體賦存模式Fig.12 Occurrence patterns of organic-rich shale gas in (a) marine and (b, c)marine-continental transitional

5 結論

（1）海陸過渡相富有機質頁巖TOC 含量平均為6.88%，高于海相，有機質顯微組分以腐泥組為主，含量為50%～60%，其次為鏡質組；黏土礦物類型主要為高嶺石，占黏土礦物含量60%以上，伊利石、綠泥石和伊蒙混層均有發育；孔隙度略低，為2.14%～4.87%；平均總含氣量為2.0 m3/t，損失氣占比低，平均為58%。

（2）海相富有機質頁巖以蜂窩狀有機孔為主，有機孔占比高達62%，其次為無機孔，孔徑主要為10～50 nm。微裂縫發育程度低于海陸過渡相，主要為生烴增壓縫和成巖縫。海陸過渡相富有機質頁巖則以黏土礦物粒間孔為主，無機孔占比達59%，有機孔發育較差，孔徑介于5～20 nm。微裂縫主要為有機質邊緣縫和黏土礦物層間縫。

（3）與海相頁巖相比，復雜的有機質類型與黏土礦物組成是海陸過渡相優質頁巖儲層發育的重要因素，高嶺石等黏土礦物形成的強吸附孔隙可能是天然氣主要的賦存空間。因此在評價海陸過渡相頁巖儲層時，需要關注有效有機質組成以及不同黏土礦物含量。

致謝 本文撰寫過程中，得到中石油煤層氣有限責任公司以及中國石油勘探開發研究院董大忠教授級高級工程師、邱振和張磊夫高級工程師等人的大力支持，在此一并感謝。