龍馬溪組巖相類型及其對(duì)孔隙特征的影響因素

徐傳正，馮 爍 ，田繼軍，蔣立偉

1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047

2.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心，新疆 烏魯木齊830091

3.中國石油浙江油田公司，浙江 杭州310023

引言

受美國頁巖氣革命取得巨大成功的影響，近年來頁巖氣作為非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)越來越受到國內(nèi)外專家學(xué)者的重視，在重慶礁石壩和四川長寧—威遠(yuǎn)地區(qū)取得了頁巖氣勘探開發(fā)的重大突破[1-3]。頁巖既是烴源巖又是儲(chǔ)集層，且頁巖氣在頁巖中是以納米級(jí)尺寸為主要儲(chǔ)集空間，所以對(duì)頁巖孔隙特征的精細(xì)研究是頁巖氣儲(chǔ)層研究領(lǐng)域的重中之重[4]。南方龍馬溪組海相頁巖儲(chǔ)層具有顯著的非均質(zhì)性，已有學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)研究。王玉滿等對(duì)川南下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖巖相表征進(jìn)行了劃分[5]；梁超等對(duì)龍馬溪組不同巖相的孔裂隙等特征進(jìn)行了表述[6]。前人工作大多集中在基礎(chǔ)巖相劃分及孔隙特征描述，對(duì)不同巖相的孔隙發(fā)育特征控制影響機(jī)理未做深入分析?；谇叭搜芯?，本文以無機(jī)礦物含量為劃分依據(jù)，對(duì)頁巖巖相進(jìn)行精細(xì)劃分，系統(tǒng)總結(jié)無機(jī)礦物和有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)不同頁巖巖相孔隙特征的影響，對(duì)深化頁巖氣儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)及下一步頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)構(gòu)造上位于四川盆地川南低陡褶皺帶與滇黔北拗陷的交界地帶（圖1）。經(jīng)歷了加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)晚期華夏板塊碰撞擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，早白堊世沉積之后的晚燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期，揚(yáng)子塊體東南部區(qū)域發(fā)生區(qū)域性的陸內(nèi)造山形變，喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期形成近東西向和近南北向共同剪切的構(gòu)造應(yīng)力格局，使研究區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的壓性構(gòu)造特征，呈現(xiàn)為典型的背斜帶平緩寬闊、向斜陡峭狹窄的隔槽式褶皺形變帶[7-9]。該背斜龍馬溪組廣泛發(fā)育，底界埋深0～2 000 m 不等，有機(jī)質(zhì)豐度較高，是目前研究區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的主要層段。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖及龍馬溪組底界埋深圖Fig.1 Structural location map of the study area and depth map of the Longmaxi Formation

2 巖相劃分及其特征

龍馬溪組頁巖含有豐富的有機(jī)質(zhì)、黏土礦物和脆性礦物以及各種微量元素等，屬于細(xì)粒碎屑沉積[10]。不同的頁巖巖相在礦物成分、地球化學(xué)等方面具有不同的地質(zhì)特征[5]。

頁巖地層中黏土礦物沉積多在深水弱水動(dòng)力條件，石英和長石礦物含量一般指示陸源碎屑沉積，而碳酸鹽礦物指示較淺水環(huán)境[11]。因此，以硅質(zhì)礦物（石英+長石）、碳酸鹽礦物（方解石+白云石）、黏土礦物作為三端元的頁巖巖相劃分方案能夠較全面的反映頁巖地層中礦物含量和沉積古環(huán)境，并且對(duì)不同巖相的儲(chǔ)層特征具有較好的啟示意義[12]。根據(jù)礦物成分三端元法，將頁巖巖相劃分為4 大類巖相：硅質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相、鈣質(zhì)頁巖相和混合頁巖相（圖2a）。以研究區(qū)X1 井、X2井、X3 井為主要研究對(duì)象，根據(jù)XRD 全巖礦物分析，主要發(fā)育黏土質(zhì)頁巖巖相和混合頁巖巖相兩種巖相，約占93%，因此，本文主要針對(duì)這兩種主要巖相展開討論（圖2b）。

圖2 龍馬溪組頁巖巖相類型劃分三角圖Fig.2 Triangular chart for shale lithofacies division of Longmaxi Formation

2.1 黏土質(zhì)頁巖巖相

相對(duì)于混合頁巖巖相，黏土質(zhì)頁巖巖相在研究區(qū)發(fā)育較少，在X2 和X3 井龍馬溪組下段上部局部發(fā)育（圖3）。

圖3 X1 井X2 井X3 井龍馬溪組巖相連井剖面圖Fig.3 Well section of lithofacies of Lonamaxi Formation of Well X1—X2—X3

其中，硅質(zhì)礦物、黏土礦物以及碳酸鹽礦物平均含量分別為31.70%、60.53%和7.77%，TOC 平均含量為1.69%。泥質(zhì)含量較高，泥質(zhì)中常見細(xì)小纖片狀云母，粉砂級(jí)長石、石英顆粒分布于泥質(zhì)中，局部富集呈粉砂薄層，與泥質(zhì)呈互層狀，長石石英顆粒多呈次棱角狀圓狀，大多數(shù)粒徑＜0.05 mm，個(gè)別顆粒可達(dá)0.10～0.18 mm。而在粉砂薄層中見碳酸鹽顆粒。

有機(jī)質(zhì)呈浸染狀分布于泥質(zhì)中，見少量黃鐵礦，呈粒狀及集合體分布（圖4a～圖4d）。

圖4 研究區(qū)龍馬溪組主要巖相鏡下特征Fig.4 Optical characteristics of main lithofacies of Longmaxi Formation in the study area

2.2 混合頁巖巖相

混合頁巖巖相是研究區(qū)主要發(fā)育的頁巖巖相，在龍馬溪下段普遍發(fā)育（圖3）。硅質(zhì)礦物、黏土礦物以及碳酸鹽礦物平均含量分別為44.47%、32.00%和23.53%，TOC 平均含量為2.73%。泥質(zhì)中常見細(xì)小纖片狀云母，含量約占3%；粉砂級(jí)石英、長石顆粒均勻分布于泥質(zhì)中，局部富集呈粉砂薄層，與泥質(zhì)呈互層狀；粉砂薄層夾層中見碳酸鹽顆粒，約占1%；有機(jī)質(zhì)呈浸染狀分布于泥質(zhì)中，見少量草莓狀黃鐵礦顆粒，約占1%（圖4e～圖4h）。

3 孔隙類型

頁巖孔隙通常為微納米尺寸的低滲透致密儲(chǔ)層，成因復(fù)雜，形態(tài)各異[13]。

根據(jù)孔隙的成因可將研究區(qū)龍馬溪組下段孔隙分為有機(jī)質(zhì)孔和無機(jī)孔，有機(jī)質(zhì)孔是由于有機(jī)質(zhì)在后期熱演化生烴過程中形成的孔隙。

研究區(qū)無機(jī)孔的分布與有機(jī)質(zhì)孔相比較分散，主要包括原生粒間孔、溶蝕孔和粒內(nèi)孔[14]，如圖5和圖6 所示。

圖5 研究區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔掃描電鏡成像Fig.5 Scanning electron microscopic imaging of organic matter pores of Longmaxi Formation in the study area

圖6 研究區(qū)龍馬溪組無機(jī)孔掃描電鏡成像Fig.6 Scanning electron microscope imaging of inorganic pores of Longmaxi Formation in the study area

3.1 有機(jī)質(zhì)孔

研究區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)孔形態(tài)結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)各異，包括橢圓形、凹槽狀、片麻狀、蜂窩狀及不規(guī)則長條狀等各種形態(tài)。有機(jī)質(zhì)孔多呈團(tuán)簇狀發(fā)育，一個(gè)直徑為微米級(jí)的頁巖有機(jī)塊體中可能發(fā)育有數(shù)百到上千個(gè)納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔，形成復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)。它們?cè)诙S成像觀測(cè)下看似是彼此孤立的，但在三維觀測(cè)下大部分孔隙是相互聯(lián)通的，從而提供了更優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)集空間（圖5a，圖5b）[15]。

另外，部分有機(jī)質(zhì)賦存在黏土礦物夾層或黃鐵礦晶間，在熱演化生烴過程中也會(huì)形成大量有機(jī)質(zhì)孔（圖5c，圖5d）[16]。

3.2 無機(jī)孔

無機(jī)孔可以分為原生粒間孔和次生溶蝕孔[17]。原生粒間孔主要是指石英、長石、黏土礦物和黃鐵礦等碎屑之間由于壓實(shí)或膠結(jié)作用形成的孔隙，多呈不規(guī)則棱角狀、次棱角狀和楔狀，該類孔隙直徑多在幾十納米范圍（圖6a，圖6b）。其中黏土礦物中的蒙脫石在向伊利石演化過程中形成的伊/蒙混層，該類孔隙多沿層理呈長條形或線形定向分布，孔隙直徑較大，在數(shù)十納米到微米范圍（圖6c）。

次生溶蝕孔是由于有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中形成的有機(jī)酸或地下鹽溶液溶解碳酸鹽礦物等無機(jī)礦物而形成的孔隙，孔徑范圍數(shù)十納米到幾微米不等（圖6d）。

4 孔隙結(jié)構(gòu)特征

4.1 孔隙形態(tài)

低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)過程中不同的孔隙發(fā)生凝聚和蒸發(fā)的相對(duì)壓力不同，因此，可以根據(jù)頁巖的吸附和脫附曲線特征區(qū)分孔隙的不同形態(tài)[18-20]。

根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)，將吸附回線類型劃分為3 類：（1）開放型孔隙，該類型孔隙會(huì)產(chǎn)生滯后回線。（2）一端封閉、一端開放的半封閉孔隙，該類孔隙的吸附曲線和脫附曲線重合，不產(chǎn)生滯后回線。（3）細(xì)頸瓶（墨水瓶）狀孔隙，該類型孔隙會(huì)產(chǎn)生滯后回線且在脫附回線上有一個(gè)急劇下降的拐點(diǎn)[21]。如圖7 所示，相對(duì)壓力＜0.8 時(shí)，吸附曲線平緩上升，表明是單分子層向多分子層吸附階段，當(dāng)相對(duì)壓力＞0.8 時(shí)吸附量急速上升，表明頁巖大孔（＞50 nm）中發(fā)生了毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象[22]。

在黏土質(zhì)頁巖巖相中，吸附/脫附曲線在相對(duì)壓力介于0.5～1.0 內(nèi)有明顯的滯后回線和較陡的拐點(diǎn)，說明較大孔隙中存在細(xì)頸瓶狀孔隙，同時(shí)也有存在開放型孔隙和半封閉孔（圖7a）。

在混合頁巖巖相中，吸附/脫附曲線在相對(duì)壓力介于0.5～1.0 內(nèi)滯后回線不明顯且沒有較陡的拐點(diǎn)，說明在較大孔中多是開放型孔隙和部分半封閉孔（圖7b）。這兩種巖相在相對(duì)壓力介于0～0.5 內(nèi)吸附/脫附曲線幾乎重合，表明在較小孔隙中多是半封閉孔[21-23]。

4.2 孔徑分布與孔隙體積

孔徑大小、分布以及孔隙體積對(duì)頁巖中流體的儲(chǔ)存和運(yùn)移具有重要意義[24]。頁巖儲(chǔ)層中以吸附狀態(tài)賦存的頁巖氣占有相當(dāng)大的比例，而吸附氣含量的高低取決于其孔隙體積和孔比表面積的大小[25]。頁巖的孔隙體積與孔比表面積具有較好的正相關(guān)關(guān)系，即隨著孔隙體積的增大，孔比表面積也相應(yīng)增大（圖8）。研究區(qū)儲(chǔ)層的BJH 總孔體積為0.024～0.037 mL/g，平均為0.032 mL/g；BET 孔比表面積為15.50～25.40 m2/g，平均為21.28 m2/g。

圖8 龍馬溪組頁巖比表面積與總孔體積關(guān)系圖Fig.8 Relationship between specific surface area and total pore volume of Longmaxi Formation shale

總體來說，研究區(qū)龍馬溪組頁巖具有較大的孔隙體積和孔比表面積，有利于頁巖氣的吸附。

根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的孔隙劃分標(biāo)準(zhǔn)將孔隙尺寸分為大孔＞50.0 nm、中孔[2.0，50.0]nm 和微孔＜2.0 nm[26]。

龍馬溪組頁巖中絕大多數(shù)是中孔，占總孔隙體積的91.5%；微孔和大孔分別占孔隙體積的5.9%和2.6%（圖9）。

圖9 孔徑與孔隙體積分布直方圖Fig.9 Histogram of pore size and pore volume distribution

混合頁巖巖相微孔孔隙體積為0.44 mm3/g，中孔孔隙體積為25.42 mm3/g，大孔孔隙體積為7.26 mm3/g；黏土質(zhì)頁巖巖相微孔的孔隙體積為0.32 mm3/g，中孔孔隙體積為23.16 mm3/g，大孔孔隙體積為7.65 mm3/g。

說明混合頁巖巖相微孔孔隙體積和中孔孔隙體積比黏土質(zhì)頁巖巖相大，大孔孔隙體積稍?。▓D10，圖11）。

圖10 混合頁巖巖相與黏土質(zhì)頁巖巖相孔徑與孔隙體積分布直方圖Fig.10 Histogram of pore size and pore volume distribution of mixed shale lithofacies and argillaceous shale lithofacies

圖11 頁巖孔徑與孔隙體積關(guān)系圖Fig.11 Relationship between pore size and pore volume of shale

黏土礦物含量與大孔體積和中孔體積均有良好的相關(guān)性，而與微孔體積相關(guān)性不明顯（圖12），表明黏土礦物含量與中孔和大孔的發(fā)育有關(guān)。

圖12 孔隙體積與黏土礦物含量關(guān)系圖Fig.12 Relationship between pore volume and clay mineral content

TOC 含量與微孔和中孔體積呈良好的正相關(guān)，與大孔體積無明顯的相關(guān)性（圖13），表明TOC 含量與微孔發(fā)育有關(guān)。綜上所述，黏土質(zhì)頁巖的大孔體積比混合頁巖的孔隙體積大是由于其黏土礦物含量較多，混合頁巖微孔和中孔體積比黏土質(zhì)頁巖的孔隙大是由于TOC 含量較高。

圖13 孔隙體積與TOC 含量關(guān)系圖Fig.13 Relationship between pore volume and TOC

5 結(jié)論

（1）以硅質(zhì)礦物（石英+長石）、碳酸鹽礦物（方解石+白云石）、黏土礦物作為三端元的頁巖巖相劃分方案，結(jié)合巖芯薄片觀察，將研究區(qū)龍馬溪組下段劃分出4 種頁巖巖相。其中混合頁巖巖相和黏土質(zhì)頁巖巖相是本研究區(qū)發(fā)育的主要巖相。

（2）兩種主要巖相的孔隙形態(tài)具有明顯差異。黏土質(zhì)頁巖巖相較大孔隙形態(tài)主要是細(xì)頸瓶狀和部分開放型孔、半封閉孔，混合頁巖巖相較大孔隙形態(tài)主要是開放型孔和部分半封閉孔，兩種巖相的較小孔隙形態(tài)多是半封閉孔。

（3）有機(jī)質(zhì)豐度有利于微孔和中孔的發(fā)育，黏土礦物含量有利于大孔的發(fā)育。由于黏土質(zhì)頁巖巖相的黏土礦物含量比混合頁巖巖相高，TOC 含量比混合頁巖巖相低，加上成巖作用影響，從而導(dǎo)致了黏土質(zhì)頁巖巖相的大孔孔隙體積比混合頁巖巖相大，微孔和中孔孔隙體積比混合頁巖巖相小。