川東南地區X1井自流井組富有機質頁巖儲集空間發育特征與主控因素

戚明輝, 曹 茜, 楊 帥

(1．頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，成都 610091； 2．四川省科源工程技術測試中心，成都 610091；3．自然資源部復雜構造區頁巖氣勘探開發工程技術創新中心，成都 610091；4．成都理工大學 沉積地質研究院,成都 610059)

四川盆地發育有海相、海陸過渡相、陸相3類6套有利的頁巖油氣富集層系，頁巖油氣潛力巨大[1-3]。目前在元壩、涪陵、建南地區下侏羅統自流井組大安寨段、東岳廟段獲得良好頁巖油氣顯示和工業氣流，顯示下侏羅統頁巖油氣具有良好的富集條件和勘探潛力[4-6]；但隨后探井試采和開發評價均未獲得理想的效果。分析認為，相比海相頁巖，四川盆地陸相頁巖沉積相變化大，巖性多樣，頁巖氣賦存機制復雜，對應儲集空間分布特征差異較大[7-10]，是影響陸相頁巖氣勘探開發效果的重要因素。以往針對陸相頁巖儲層特征的研究多側重于宏觀上不同區域沉積相縱橫向分布及儲層展布規律等，在微觀儲集空間發育特征方面缺乏較系統的研究[11-16]。自流井組頁巖儲層的儲集空間大小分布特征如何？儲集空間類型有哪些？影響儲集空間結構特征的主要因素有哪些？這些問題制約著自流井組有效儲層的識別與油氣勘探開發。目前用于表征頁巖孔隙結構特征的方法有很多，不同表征方法原理不一樣，適用性有一定的差異[17-23]。因此，本文綜合應用有機地球化學、X射線衍射巖心和野外露頭觀察、薄片鑒定、氬離子拋光、掃描電鏡、液氮吸附、高壓壓汞以及常規氦氣法孔隙度測試等技術手段，對川東南地區自流井組富有機質泥頁巖的基本地質特征及儲集空間分布特征進行研究，進一步探討儲集空間的主控因素，以期為該區后續勘探開發提供參考。

1 區域地質背景

本文的研究區域位于川東南探礦區北部(圖1-A)，構造位置上處于川東高陡構造帶中部，見主干背斜大斷裂相伴生[24]。侏羅紀由于周緣造山帶的形成，晚三疊世晚期形成的與海相連的湖盆逐漸消失，四川盆地四周全部被古陸所包圍，中心地區演變為內陸湖泊[7,9,15]。研究區自流井組沉積以湖泊相為主，夾河流-三角洲相，上部與白堊系假整合接觸，下部與三疊系須家河組不整合接觸[11,12,16]；地層自下而上分為 4段，分別是珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段和大安寨段(圖1-B)，目前頁巖油氣勘探研究工作主要集中在東岳廟段和大安寨段。研究區大安寨段沉積厚度在50～80 m，巖性主要為深灰色粉砂巖、灰黑色泥頁巖、粉砂質泥頁巖、細粉砂巖等互層分布；東岳廟段厚度相對盆地其他地區較大，為50～150 m，巖性主要有泥頁巖、粉砂質頁巖、含生屑頁巖、粉砂巖、泥質粉砂巖以及介殼灰巖等[5,14,24-25]。

2 實驗樣品選取與測試方法

本次研究共采集樣品 23塊，均來自川東南地區自流井組頁巖儲層段，其中上部大安寨段巖心15 塊，下部東岳廟段巖心 8 塊，分別進行了有機地球化學、巖石學、孔隙度、儲集空間等方面的測試分析。其中總有機碳質量分數(wTOC)的測定是參照《沉積巖中總有機碳的測定》[26]在RJXWK-1型碳硫分析儀上完成的；有機質熱演化成熟度分析是根據《沉積巖中鏡質體反射率測定方法》[27]在Axio Scope.A1型偏光顯微鏡和MSP400型分光光度計上完成的；有機質類型是根據《透射光-熒光干酪根顯微組分鑒定及類型劃分方法》[28]在Axio Scope.A1型偏光顯微鏡上完成的，通過自然光與熒光對干酪根顯微組分、形態和結構特征進行觀察分析。礦物成分定性分析是根據《巖石薄片鑒定》[29]在Axio Scope.A1型偏光顯微鏡上完成的；礦物成分定量分析是根據《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》[30]在X’Pert Powder型X射線衍射儀上完成的。掃描電鏡測試是根據《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》[31]在ZEISS sigma300電子掃描顯微鏡下完成的。高壓壓汞測試是根據《巖石毛管壓力曲線的測定》[32]在AUTOPORE 6500型全自動壓汞儀上完成的，測試過程中壓汞儀探測到的最小孔隙直徑值取決于其最大壓力值，當測試的樣品中黏土礦物含量較高時，高壓條件下許多黏土礦物粒間孔隙或層間縫會發生變形甚至被壓塌，出現“擴喉”現象，導致壓汞測試結果對泥頁巖樣品中微孔、介孔結構參數分布特征的分析不準確，因此本次研究過程中壓汞法測量孔隙半徑下限為50 nm。氮氣吸附測試是根據《氣體吸附BET法測定固態物質比表面積》[33]在ASAP 2460型全自動比表面和孔徑分析儀上完成的，在等溫條件下將氣體注入樣品，記錄不同壓力下氣體在介質表面的吸附量，并利用不同理論模型計算樣品的比表面積、孔體積及孔隙直徑分布等特性。從液氮吸附-解吸測試結果可知，當相對壓力在10-7～10-5時，測試過程中氮氣會填充直徑為0.5～1 nm的孔隙；但當相對壓力較低時，氣體的擴散速率和吸附平衡都很慢，在很大程度上阻止氮氣分子進入微孔，從而使得表征結果誤差較大；當相對壓力接近于1，測試樣品孔隙直徑>50 nm時，宏孔范圍內無法獲得詳細的吸附等溫線，液氮吸附法測量的孔隙直徑上限為50 nm。

圖1 研究區地理位置及自流井組地層柱狀圖Fig.1 The geographical location of study area and the stratigraphic histogram of Ziliujing Formation

3 富有機質頁巖儲層特征

3.1 巖石學特征

研究區自流井組頁巖主要發育在東岳廟段和大安寨段[5, 7, 14]，礦物組分以黏土礦物為主，其次為石英、碳酸鹽等，黏土礦物中伊利石及高嶺石的含量相對較高。其中黏土礦物的質量分數(w)為25%～57%，平均為41%；石英的質量分數為15%～46%，平均為33.41%；次要礦物為碳酸鹽，其質量分數為5%～48%，平均為21.1%(圖2-A)。黏土礦物主要為伊利石，其次為綠泥石、高嶺石和伊/蒙混層。伊利石質量分數為30%～54%，平均為43.54%；高嶺石的質量分數為11%～32%，平均為21.6%；綠泥石的質量分數為12%～33%，平均為22%；伊/蒙混層的質量分數為5%～19%，平均為13.29% (圖2-B)。

3.2 有機地球化學特征

川東南地區自流井組大安寨段和東岳廟段富有機質頁巖干酪根類型主要為Ⅱ2型，部分為Ⅲ型，干酪根纖維組分主要為腐殖無定形體和鏡質體，呈暗褐色(圖3)；總有機碳質量分數主要為0.52%～1.90%，平均約1.04%(圖4)；有機質成熟度普遍較高，處于成熟階段，鏡質體反射率(Ro)主要為0.88%～1.59%，平均約1.32%。由此可見自流井組大安寨段和東岳廟段泥頁巖作為主要烴源巖，總有機碳含量高、熱演化成熟度適中，達到了生油氣門限，具備形成頁巖油氣的基本條件。

3.3 儲集空間發育特征

3.3.1 儲集空間類型

前人對海相頁巖儲層儲集空間類型劃分和發育特征的研究較多，針對陸相侏羅系富有機質頁巖儲層儲集空間類型和發育特征的研究還處在探索階段[33-36]。本次研究通過氬離子拋光及高分辨率環境掃描電鏡分析，對樣品的儲集空間類型和結構發育特征進行了研究。首先利用氦氣法對樣品的孔隙度進行測試，自流井組富有機質頁巖孔隙度(q)主要為1.31%～5.54%，平均孔隙度為3.41%(圖5)。

圖2 川東南地區自流井組巖石礦物和黏土礦物組成Fig.2 Mineral and clay mineral compositions of Ziliujing Formation shale in southeastern Sichuan

圖3 川東南地區自流井組頁巖干酪根顯微組分特征Fig.3 Character of kerogen macerals from the Ziliujing Formation organic-rich shale, southeastern Sichuan

圖4 川東南地區自流井組頁巖總有機碳質量分數分布圖Fig.4 The distribution of TOC in Ziliujing Formation organic-rich shale, southeastern Sichuan

結合前人研究，按照不同類型儲集空間產狀、發育成因和形態，總結出一套適合自流井組富有機質頁巖儲集空間類型的劃分標準(表1)。根據分類標準，川東南地區自流井組富有機質頁巖儲集空間類型主要為有機質孔隙、無機質孔隙和微裂縫。

a.有機質孔隙

本次研究發現有機質內部或邊緣分布的微納米級孔隙是自流井組富有機質頁巖中存在的一種儲集空間。按其成因及發育位置可分為干酪根單孔和有機質復合孔。其中干酪根單孔是在有機質成熟生烴過程中生成，有機質復合孔主要在有機質和礦物共生過程中形成，孔隙直徑主要為5～100 nm，多呈圓形、橢圓形或狹長形分布(圖6-A、B、C)。研究區有機質孔隙的發育和聚集與有機質成熟度及礦物分布有關。

b.無機質孔隙

根據孔隙發育成因對研究區自流井組富有機質頁巖中的無機質孔隙進行研究，主要包括粒/晶內孔、粒/晶間孔、粒/晶內溶蝕孔、粒/晶間溶蝕孔。其中粒/晶內孔、粒/晶間孔是礦物在成巖過程中、晶體自生長過程中或不規則狀礦物顆粒/晶體(多指黏土礦物)堆積而形成，多分布在黏土礦物顆粒間、黃鐵礦晶體間或石英顆粒內部，呈不規則狀或狹長形(圖6-D、E、F、G、H)，孔隙直徑多數為20～200 nm；溶蝕孔主要是不穩定礦物自生長過程中因發生溶蝕而形成，在方解石顆粒內部或白云石顆粒間分布，多呈圓形或橢圓形，部分呈不規則狀(圖6-I)，部分溶蝕孔直徑>100 nm。

圖5 川東南自流井組富有機質頁巖儲層孔隙度分布圖Fig.5 The distribution of porosity of the Ziliujing Formation organic-rich shale, southeastern Sichuan

表1 川東南地區自流井組富有機質頁巖儲集空間類型特征Table 1 The types of storage space of the Ziliujing Formation organic-rich shale in southeastern Sichuan

c.微裂縫

鏡下觀察樣品中的微裂縫形狀受礦物顆粒形態影響，多呈彎曲條帶狀。其中粒緣縫常發育在礦物顆粒/晶體接觸的邊緣(圖6-J、L)，可能因微構造作用所致；層間縫主要是指礦物間的層面縫和層理縫，其形成可能受沉積環境和應力等綜合作用影響。掃描電鏡下觀察自流井組微裂縫較發育(圖6-K)，裂縫寬度在20 nm～5 μm。微裂縫的發育對頁巖氣存儲及滲透均有重要作用。

根據掃描電鏡觀察，對川東南自流井組富有機質頁巖中發育的不同類型儲集空間數量進行統計，研究其分布規律(圖7-A)。結果表明，自流井組儲集空間類型以無機質孔隙和微裂縫為主，其中粒/晶內孔、粒/晶間孔、微裂縫較為發育，其次為粒/晶內溶蝕孔、粒/晶間溶蝕孔；有機質孔隙的發育相對較少?？紫吨睆浇y計結果表明，川東南自流井組富有機質頁巖孔隙直徑范圍較大，為5 nm～2 μm，呈雙峰分布，峰值為20～50 nm和1～2 μm(圖7-B)；從孔隙直徑的分布來看，除了微孔相對發育外，還存在一定宏孔，主要為黏土礦物粒間孔和微裂縫等。

圖6 川東南自流井組富有機質頁巖不同類型儲集空間特征Fig.6 SEM images showing characteristics of different storage space of the organic-rich shale in Ziliujing Formation, southeastern Sichuan(A)干酪根單孔; (B)干酪根單孔; (C)有機質復合孔; (D)黃鐵礦晶間孔; (E)伊利石集合體粒間孔; (F)石英等粒間微孔; (G)石英粒內孔隙發育; (H)方解石等粒內溶蝕孔; (I)方解石粒間溶蝕孔; (J)粒緣縫; (K)層間縫; (L)粒緣縫

3.3.2 儲集空間結構特征

頁巖儲層儲集空間類型多樣，儲集空間大小分布范圍較大，從納米級孔隙到微米級孔隙甚至到超大孔均有發育。儲集空間定量表征方法多樣，本次采用聯合液氮吸附-解吸測試和高壓壓汞測試對樣品的儲集空間分布結構特征參數進行研究。分別采用多點BET模型、BJH模型對樣品的比表面積、孔隙直徑及孔體積進行計算，川東南自流井組富有機質頁巖比表面積為1.668～9.399 m2/g，平均為4.416 m2/g；比孔容為0.005 8～0.275 3 cm3/g，平均為0.135 5 cm3/g。分別統計不同樣品微孔、介孔和宏孔的比表面積和孔體積分布情況可知，自流井組的微孔提供了頁巖儲層的主要比表面積，平均占50.38%～90.1%；其次為介孔，比表面積平均占15.35%～42.65%(圖8-A)。介孔貢獻了頁巖儲層的主要孔隙體積，平均占72.17%～82.42%；其次為宏孔，平均占3.99%～24.74%(圖8-B)。樣品的孔隙直徑分布主要有兩個峰值，分別為20～50 nm和1 μm左右，也見>10 μm的孔隙(圖9)，該結果與掃描電鏡觀察結果一致。

圖7 川東南自流井組富有機質頁巖儲集空間及孔隙直徑分布直方圖Fig.7 The proportion of different storage space and pores diameters of the organic-rich shale in Ziliujing Formation, southeastern Sichuan

圖8 川東南自流井組孔隙結構特征參數分布圖Fig.8 Distribution diagram of characteristic parameters of pore structure in Ziliujing Formation, southeast Sichuan 國際純粹和應用化學聯合會(IUPAC)推薦的直徑分類標準:微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(>50 nm)

4 儲集空間發育特征影響因素

國內外學者研究表明，頁巖孔隙發育的影響因素具有多樣性和復雜性，除了受區域構造應力、沉積成巖作用和地層壓力等影響外，也受到總有機碳含量、熱演化程度和礦物組成等因素影響[37-43]。從以上研究可知，納米級孔隙在富有機質頁巖中占有較大比率，其發育數量、比表面積及孔隙體積等結構特征參數對樣品儲集空間分布有主要貢獻。比表面積和孔體積作為控制頁巖儲集空間及吸附潛力的關鍵參數，較高的比表面積有利于頁巖表面與油氣分子之間充分接觸，提供較高的吸附潛力。本次研究重點分析儲集空間比表面積和孔體積發育的影響因素。

4.1 有機質對頁巖儲層孔隙空間發育特征的影響

有機質是烴源巖生氣的前提，干酪根顯微組分類型、總有機碳含量、有機質成熟度是頁巖有機質品質評價的重要指標。本次測試樣品的有機質熱演化程度均處于成熟階段，因此具體分析了總有機碳含量與樣品孔隙結構特征參數(包括孔隙體積、比表面積)之間的關系，對比研究其對頁巖儲集空間的影響作用。 前人研究表明五峰組-龍馬溪組海相頁巖總有機碳含量相對較高，儲集空間以有機質孔隙為主，對應頁巖儲層的孔體積和比表面積與總有機碳含量呈正相關關系[44]；而川東南地區自流井組頁巖的比表面積、孔體積與總有機碳含量之間的關系具有明顯分段性(圖10)。當總有機碳質量分數(wTOC)<0.9%時，頁巖的比表面積、孔體積與總有機碳含量之間的關系不明顯；當wTOC≥0.9%時，頁巖的比表面積、孔體積與總有機碳含量之間呈明顯的正相關關系。分析認為有機質孔隙主要分布在有機質內部或邊緣。當wTOC≥0.9%時，掃描電鏡觀察見自流井組頁巖儲層中有機質內發育部分有機質孔隙(圖6)，儲集空間以無機質孔隙為主；此外，有機質生烴過程中生成的可溶有機質可能會占據部分孔隙比表面積和孔體積，導致樣品總有機碳含量相對較低時，樣品的孔隙比表面積、孔體積與總有機碳含量的相關性較弱。

4.2 礦物組成對頁巖儲層孔隙空間發育特征的影響

研究區自流井組的礦物組成以黏土礦物為主，其次為石英和碳酸鹽。從相關性分析可以看出(圖10)，不同礦物組成對頁巖儲集空間的影響作用不同。頁巖的孔隙比表面積、孔隙體積與石英含量呈弱正相關性，即石英含量對儲集空間的發育起一定的積極作用，石英含量越多，孔隙越發育。沉積過程中，石英等脆性礦物隨著有機質等碎屑物質同時沉積，在成巖演化過程中，石英顆粒之間或石英與其他脆性礦物顆粒之間可構成一個相對剛性的框架[6,15]，增強對上覆巖層的抗壓實能力，有利于保存泥頁巖沉積時所形成的部分孔隙。

由頁巖中黏土礦物含量與孔隙比表面積和孔隙體積的相關性分析圖可以看出(圖10-E、F)，黏土礦物是含量最高的礦物，樣品中黏土礦物含量與比表面積、孔體積均具有相對較明顯的正相關性，比表面積和孔體積隨黏土礦物含量的增大變化明顯，印證了前文所述的樣品孔隙類型以黏土礦物粒間孔隙為主。黏土礦物顆粒是由許多礦物晶片堆疊而成，具有層狀晶體結構，比表面積極高，可以提供大量的孔隙空間和比表面積；此外，除了黏土礦物本身具有的晶體結構決定其能提供一定的儲集空間，黏土礦物轉化過程中對有機質生烴具有促進作用，有機質產生的烴類和CO2有利于溶蝕孔的形成；黏土礦物層間脫水形成的大量層間孔對比表面積及孔隙體積也具有貢獻。

圖10 自流井組富有機質頁巖樣品不同因素與孔隙結構特征參數的關系Fig.10 Relationship between different factors and pore structure characteristic parameters of organic-rich shale samples in Ziliujing Formation

5 結 論

a.川東南下侏羅統自流井組頁巖總有機碳質量分數平均為1.04%，熱演化程度(Ro)平均約1.32%，處于成熟階段；礦物組分以黏土礦物為主，其次為石英；儲集空間主要包括有機質孔隙、無機質孔隙和微裂縫3種，其中粒/晶內孔、粒/晶間孔、微裂縫較為發育，其次為粒/晶內溶蝕孔、粒/晶間溶蝕孔，有機質孔隙相對較少。

b.通過液氮吸附和高壓壓汞兩種方法確定了自流井組大安寨段和東岳廟段陸相頁巖的孔隙結構特征，頁巖孔隙直徑的范圍較大，并且有20～50 nm和1 μm左右兩個峰值。微孔、介孔和宏孔的比表面積和孔體積統計結果表明，微孔提供了頁巖儲層的主要比表面積，平均占50.38%～90.1%；介孔貢獻了頁巖儲層的主要孔體積，平均占72.17%～82.42%。

c.頁巖儲集空間比表面積和孔體積與總有機碳含量的相關性不明顯，這主要是由于研究區頁巖總有機碳含量相對較低，且干酪根顯微組分多為腐殖無定形體和鏡質體，有機質孔隙不發育。儲集空間與石英含量呈弱正相關性，即石英含量對儲集空間的發育起一定的積極作用，石英顆粒與其他脆性礦物顆粒的存在增強了對上覆巖層的抗壓實能力，有利于部分孔隙的保存。黏土礦物含量對頁巖的孔比表面積、孔隙體積起主要控制作用，一方面黏土礦物層狀晶體結構提供了大量的孔隙空間和比表面積；另一方面黏土礦物轉化過程中促進有機質生烴作用，產生的烴類和CO2有利于溶蝕孔的形成，能增大孔隙比表面積及孔隙體積。