川南地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質非均質性研究

賈夢瑤，唐洪明，陸燕萍，井 翠，周 昊

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學，四川 成都 610500；3.中國石油東方地球物理勘探有限責任公司，遼寧 盤錦 124010；4.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610051)

0 引 言

四川盆地南部(以下簡稱“川南地區(qū)”)下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質海相頁巖作為頁巖氣的主要勘探目的層段，在勘探及產能建設方面已經取得了重大突破和進展。四川盆地已累計探明頁巖氣地質儲量超過1×1012m3，其中，川南地區(qū)探明頁巖氣地質儲量為4 400×108m3[1]。然而，與致密砂巖等非常規(guī)儲層相比，頁巖氣儲層具有巖性單一、沉積亞(微)相劃分典型標志少，富含黏土礦物和有機質等基本地質特征；在鉆井及儲層改造過程中也存在井壁失穩(wěn)以及氣井產能差別大等工程問題。目前，國內外重點結合孔隙結構特征、有機地球化學指標及巖石物理性質等對頁巖氣開展評價與“甜點”優(yōu)化，但是對于頁巖氣儲層有機質非均質性及其對微觀孔隙結構的影響研究還相對缺乏。通過對川南地區(qū)龍馬溪組頁巖樣品有機碳含量、礦物組分、孔隙結構及有機質孔徑分布等分析與統(tǒng)計，評價了頁巖氣儲層有機質非均質性及其與礦物組分、孔隙結構之間的關系，為準確評價頁巖氣儲層微組構非均質性提供基礎參數。

1 研究區(qū)概況及樣品采集

研究區(qū)位于四川盆地南部下志留統(tǒng)龍馬溪組，以深水陸棚相沉積為主體，沉積厚度可達600 m。研究樣品主要采自川南地區(qū)富順—永川區(qū)塊鎮(zhèn)101井、內江—大足區(qū)塊威206井以及瀘縣—長寧區(qū)塊寧210井；巖性以黑色、灰黑色頁巖為主，局部層段發(fā)育粉砂質泥巖或泥質粉砂巖；水平層理發(fā)育，底部含大量筆石和黃鐵礦，向上逐漸減少[2]。

2 頁巖氣儲層特征

據3口取心井樣品分析，頁巖巖性主要礦物為石英，平均含量為40.0%，長石含量為8.2%，方解石含量為9.7%，其他礦物含量7.6%，黏土礦物含量平均為34.5%，以伊利石和伊蒙混層為主，含綠泥石和少量高嶺石，幾乎不含純粹的蒙脫石。含氣的有效孔隙度一般為1.3%～7.1%，頁巖的比表面積為8.0～25.0 m2/g，平均為13.7 m2/g。以有機質粒內孔、黏土礦物晶間孔隙最為發(fā)育；有機質孔孔徑多分布于10～50 nm，主要分布在干酪根中，連通性差、孤立分布，多呈圓形、橢圓形或不規(guī)則狀；黏土礦物晶間孔隙孔徑主要分布在20～100 nm，多為橢圓形或不規(guī)則形狀，孔隙連通性較差，部分解理縫達微米級，并發(fā)育不同程度的層面縫和構造微裂縫等。

3 頁巖氣儲層有機質非均質性

有機質作為泥頁巖中形成頁巖氣的物質基礎，在頁巖氣儲層的形成中扮演著重要角色，同時也是衡量頁巖氣儲層含氣量的重要參數，干酪根則是頁巖中的主要有機質，占有機質的90%～98%，具有不溶性；在有機質生烴演化過程中，其內部產生的大量有機孔也為油氣提供了儲集空間和滲流通道[3]。

由于川南地區(qū)龍馬溪組頁巖處于深水陸棚相沉積環(huán)境，受到陸源碎屑物質影響較少；頁巖中富含有機顯微組分，以腐泥型和海相鏡質組為主(>70% )，含少量殼質組和惰質組(5%～25%)，其母質來源主要為低等水生生物[4]；沉積顆粒細，富含筆石，沉積環(huán)境缺氧，干酪根類型以腐泥-腐殖型(Ⅱ1型)為主，利于油氣生成，在其生排烴過程中同時形成大量有機質孔。不同物質來源形成不同類型的干酪根，其泥頁巖的比表面積和孔體積也相應不同。因此，有機質及其非均質性對頁巖氣儲層微組構的影響通常主要表現(xiàn)在對有機質孔發(fā)育的控制作用。

川南下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖有機質演化程度普遍處于高成熟—過成熟階段，評價有機質豐度指標主要包括有機碳含量(TOC)、氫指數以及氯仿瀝青“A”等。其中，氫指數以及氯瀝青“A”普遍很低，不能準確反映頁巖生烴能力[5]。故此次研究在川南地區(qū)龍馬溪組3口取心井的頁巖氣儲層有碳含量(TOC)測試的基礎上并結合其他實驗手段，研究有機質非均質性及其對頁巖氣儲層微組構非均質性的影響。

3.1 有機碳含量及其宏觀非均質性

對研究區(qū)鎮(zhèn)101、威206、威210井的88塊樣品進行了TOC含量檢測。結果顯示:川南龍馬溪組頁巖的TOC含量為0.81%～6.92%，平均為2.41%。TOC<1.00%的低碳樣品占2.3%；TOC為1.00%～2.00%的中碳樣品占39.8%；TOC為2.00%～4.00%的高碳樣品占47.7%；TOC>4.00%的富碳樣品占10.2%。整體而言，龍馬溪組頁巖屬于中碳—高碳頁巖氣儲層。

縱向上以鎮(zhèn)101井為例，統(tǒng)計其35塊巖心樣品的TOC含量。測試結果表明，自上而下依次表現(xiàn)為中—高碳頁巖、富碳頁巖和高碳頁巖等3個沉積單元。通過鏡下及巖性剖面觀察可以看出，TOC含量的變化與頁巖的巖性變化及礦物組分的空間分布特征有關，隨著頁巖中硅質礦物含量的增加，TOC的含量相應增加；TOC含量相對較低的層段多可見碎屑顆粒與黏土礦物互層；而隨著TOC含量的增加，鏡下普遍可見呈黑色、棕褐色的富有機質紋層，呈連續(xù)或不連續(xù)的波狀或透鏡狀?？梢?，不同巖性的頁巖在有機質含量和碎屑礦物顆粒特征等方面均存在明顯的非均質性。TOC含量和埋深之間的線性關系不明顯(圖1a)；但當埋深超過3 486.92 m后TOC含量增大，地層深度與TOC含量的變化具有明顯的負相關性(相關系數R2=0.592 0)(圖1b)。

結合礦物組分分析結果可知，隨著埋深的增加，石英等脆性礦物含量增加(埋深為3 467.54～3 486.15 m時，石英平均含量為33.97%；埋深為3 486.92～3 497.81 m時，石英平均含量為55.04%)，使得微裂縫和溶蝕孔等越加發(fā)育，為有機質提供了儲集空間，使得TOC含量增加。但深埋區(qū)的壓實作用和持續(xù)的成巖作用會使得儲層中的孔隙減少并呈現(xiàn)出定向排列的特征，不利于有機質儲集，因此，在深埋藏區(qū)域，TOC含量和埋深之間呈現(xiàn)出一定程度的負相關性。

圖1 鎮(zhèn)101井TOC含量隨深度的變化規(guī)律

3.2 有機碳含量與礦物組分的關系

泥頁巖中石英來源可以根據石英硅和氧同位素資料進行判別，海相頁巖為SiO2(碎屑石英或生物成因硅)、Al2O3(黏土)及CaO(碳酸鹽)組分的混合[6]。含有生物成因硅的頁巖通常具有高SiO2、低Al2O3、低TiO2的特征，而Al2O3、TiO2則與陸源碎屑有關[7-8]。

對研究區(qū)寧210、威206井和鎮(zhèn)101井共90塊巖心樣品進行有機碳含量測試及X射線衍射分析，結果表明，寧210井巖心的TOC含量與石英等硅質礦物及黏土礦物含量具有良好的線性關系(R2=0.697 8)；而鎮(zhèn)101、威206井巖心的TOC含量與石英及黏土礦物無線性關系。造成這一差異的原因與石英的來源有關，寧210井頁巖樣品中的石英主要為生物成因硅，在富有機質頁巖段，由于生物活動強烈及死亡后埋藏和保存有利于生物硅質量分數增加[9]；而鎮(zhèn)101、威206井的石英由于受到陸源碎屑注入的影響，造成其與TOC含量之間的相關性較差。

對寧210井和威206井分別進行X射線熒光元素分析表明，寧210井和威206井中SiO2最為富集，其次為Al2O3(表1)。元素含量分析顯示，威206井和寧210井SiO2含量遠遠大于Al2O3含量，通過分析Al2O3與TiO2、SiO2的相關性發(fā)現(xiàn)(圖2)，威206井Al2O3與TiO2相關性不明顯，但與SiO2的含量呈現(xiàn)出一定負相關性(R2=0.437 0)，表明陸源碎屑物質對其頁巖中的硅質成分具有一定影響；寧210井中，Al2O3與TiO2具有較高的相關性(R2=0.879 0)，但含量相對偏低，且與SiO2的含量沒有任何相關性，說明陸源物質對頁巖中硅質成分的貢獻不大。

表1 威206井和寧210井頁巖巖心元素含量平均值分析

圖2 川南龍馬溪組頁巖巖心Al2O3與TiO2、SiO2的相關性分析

Harris等[10]人研究認為，Si/(Si+Al+Fe)可以用于判斷硅質成因，通常生物成因的比值較高，一般大于0.90。威206井和寧210井Si/(Si+Al+Fe)的值分別為0.74、0.81，表明寧210井頁巖巖樣中的硅質相比威206井更多為生物成因，威206井的石英更多的受到了陸源碎屑注入的影響。王淑芳等[11]在長寧雙河剖面(寧210井位于長寧背斜構造)的龍馬溪組頁巖中發(fā)現(xiàn)了大量生物化石，主要包括海綿骨針、放射蟲、有孔蟲等，浮游生物殘骸經成巖作用演化成為硅質生物，硅質生物從海水中分解、吸收SiO2后形成生物機體，生物死亡后，SiO2再次進入海中或直接沉淀下來。進一步表明其硅質成因應該與生物有關，而硅質生物死亡后埋藏和保存有利于富有機質頁巖的形成。

通過上述研究表明，以寧210井為代表的瀘縣—長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層中硅質成分主要以生物成因為主，而陸源碎屑物質對內江—大足區(qū)塊、富順—永川合作區(qū)等龍馬溪組頁巖氣儲層中硅質成分具有一定影響。

3.3 有機碳含量與頁巖吸附氣量的關系

有機碳是頁巖生氣的物質基礎，決定了頁巖的生氣能力[12]。頁巖TOC含量高低決定有機質孔的面孔率大小，從而會影響頁巖的含氣量[13]。一般認為有機質豐度越大，頁巖中有機質孔隙越發(fā)育，頁巖氣吸附的表面積也就越大，甲烷的吸附量也就越大。通過對寧210井5個不同TOC含量的樣品進行等溫吸附實驗(圖3)，研究區(qū)頁巖的吸附氣量與TOC含量大致呈現(xiàn)明顯的正相關性，即隨著TOC含量的增大，整體吸附氣量明顯上升，有機質豐度總體上與最大吸附量成正比。因為隨著頁巖TOC含量增大，其有機質孔隙越發(fā)育，導致頁巖氣吸附的表面積越大，整體吸附氣量明顯上升[14-15]。因此，頁巖氣儲層有機碳含量對頁巖氣的富集具有重要影響，也是控制頁巖儲層吸附氣量的重要因素之一。

圖3 寧210井龍馬溪組頁巖不同TOC含量與吸附氣量的關系(溫度為65℃)

3.4 有機碳含量與孔隙結構、物性之間的關系

針對川南地區(qū)龍馬溪組頁巖TOC含量對頁巖孔隙發(fā)育影響因素研究表明(圖4)，該區(qū)頁巖TOC含量與孔隙度之間的相關性較差，僅顯示出弱正相關性。鎮(zhèn)101井35個樣品的TOC平均含量為2.91%，平均孔隙度為2.70%；威206井18個樣品的TOC平均含量為2.52%，平均孔隙度為5.97%；寧210井18個樣品的TOC平均含量為2.31%，平均孔隙度為4.10%。

圖4 寧210井TOC含量與有機質孔隙發(fā)育相關性

頁巖中TOC含量相應增加，有機質孔成為了比表面積的重要貢獻者，使頁巖的比表面積成為衡量頁巖吸附能力的重要評價指標[16]。選取寧210井部分龍馬溪組頁巖樣品(共38塊)進行比表面積測定后發(fā)現(xiàn)，其TOC含量與比表面積有較好的相關性，相關系數R2=0.918，指示TOC含量是頁巖比表面積的重要控制因素。頁巖比表面積的主要貢獻者是干酪根和黏土礦物，因此，TOC含量的增加使頁巖有機質納米孔的數量相應增多，導致頁巖比表面積增加。

當TOC<5.00%時，頁巖孔隙度與TOC含量呈正相關；當TOC≥5.00%時，孔隙度隨著TOC含量的增大增加幅度有限。這是因為有機質填充于早期形成的無機礦物粒間孔，導致富有機碳頁巖孔隙度降低；由于無機礦物粒間孔變少，有機孔數量變多，綜合作用使TOC與孔隙度間正相關性變小。研究表明，TOC含量與有機孔及其非均質性間呈正相關性。通過對寧210井進行有機碳測試及對應的掃描電鏡測試發(fā)現(xiàn)，隨著TOC含量的增加，有機質中發(fā)育的孔隙數量增加，不同大小的孔隙分布更加均勻，非均質性相應增強。如圖4所示，當頁巖樣品中TOC=1.39%時，孔隙半徑大于100 nm的有機孔占比為70%以上；當頁巖樣品中TOC=2.47%時，孔隙半徑為20～70 mm的有機孔占比約為80%，當TOC含量增至5.18%時，有機質孔徑大小分布更為均勻，非均質性更強。

使用CT掃描技術對龍馬溪組頁巖氣儲層的礦物分布及孔隙結構等進行三維重構。結果發(fā)現(xiàn)，隨著頁巖氣儲層中有機質含量增加，孔徑大于100 nm的超大孔的數量明顯增多，孔徑的分布范圍也更加廣泛，表明頁巖中有機質含量的增加會增強頁巖有機質孔的非均質性。

結合前人及該文研究成果，認為有機質豐度是表征龍馬溪組頁巖氣儲層孔隙結構非均質性的重要參數，TOC含量增加使儲層中有機質納米孔的數量相應增加，有機質非均質性對孔隙體積、比表面積及平均孔徑等相關孔隙結構參數均會造成影響。

4 結 論

(1) 川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖干酪根類型主要為腐泥型(Ⅰ型)—混合型(Ⅱ1型)，以Ⅱ1型為主。TOC為0.81%～6.92%，平均值為2.41%，屬于中—高碳頁巖氣儲層。在縱向上TOC含量和埋深之間的關系不明顯，但在深埋區(qū)(埋深大于3 486.92 m)有機碳含量隨埋深的增加明顯減少。

(2)TOC含量和頁巖中生物成因硅含量之間具有明顯的正相關性，而陸源物質對頁巖中硅質成分的貢獻不大。

(3) 川南地區(qū)龍馬溪組頁巖的吸附氣量與TOC含量大致呈現(xiàn)明顯的正相關性，受有機質成熟度的影響，優(yōu)勢孔隙類型的變化造成吸附量產生不規(guī)律變化。

(4) 有機碳含量和頁巖氣儲層中有機質納米孔的數量呈正相關，對孔隙體積、比表面積及平均孔徑等相關孔隙結構參數均會造成相應的影響，造成頁巖氣儲層的非均質性相應增強。