趙立鵬，桑樹勛，王 冉，李委員，尹志勝

(1.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008)

引 言

頁巖氣是一種新型的非常規(guī)油氣資源，由于資源潛力巨大，受到廣泛關(guān)注。孔隙特征是儲(chǔ)層基本特征之一，也是儲(chǔ)層特征研究的重點(diǎn)內(nèi)容，直接影響泥頁巖儲(chǔ)層物性和頁巖氣開采條件。泥頁巖儲(chǔ)層屬于超致密油氣儲(chǔ)層。國內(nèi)外研究表明［1－2］，頁巖儲(chǔ)層孔裂隙已達(dá)納米量級(jí)。國內(nèi)對(duì)泥頁巖儲(chǔ)層的孔隙特征研究主要集中于四川盆地及其周緣地區(qū)［3－4］，頁巖氣資源潛力巨大的贛東北地區(qū)相關(guān)研究剛剛起步。通過研究贛東北荷塘組泥頁巖孔裂隙類型、發(fā)育規(guī)模、孔隙結(jié)構(gòu)等特征，探討影響孔裂隙發(fā)育的因素，為贛東北地區(qū)頁巖氣資源評(píng)價(jià)和地質(zhì)選區(qū)提供儲(chǔ)層孔裂隙地質(zhì)信息。

1 贛東北荷塘組泥頁巖發(fā)育特征

野外露頭調(diào)查及實(shí)測(cè)剖面表明，贛東北荷塘組分布穩(wěn)定，主要出露于上饒、玉山一帶，地層厚度為448 m，以薄層狀硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂巖、含炭硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖為主，其中富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度為32～137 m，分布面積為1.807×104km2，累計(jì)厚度大、單層有效厚度也大。

研究區(qū)荷塘組泥頁巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)豐度較高，TOC值最高達(dá)11.40%，平均為5.75%，遠(yuǎn)高于美國商業(yè)性頁巖氣開發(fā)TOC值(2.0%)的下限［5］。據(jù)樣品Ro值統(tǒng)計(jì)，荷塘組泥頁巖Ro變化范圍為2.35%～4.90%，屬于過成熟階段。已有研究表明，中國南方富有機(jī)質(zhì)頁巖Ro高達(dá)3.5% ～4.0%仍具良好的儲(chǔ)集性能［6］。因此，贛東北荷塘組泥頁巖有較大的頁巖氣生成和儲(chǔ)集潛力。據(jù)XRD測(cè)試結(jié)果，荷塘組泥頁巖儲(chǔ)層富石英、長(zhǎng)石等脆性礦物含量為18.94%～51.85%。此類儲(chǔ)層性質(zhì)硬脆，對(duì)壓裂作業(yè)反應(yīng)敏感，能迅速形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫［7］。

2 孔裂隙特征分析

2.1 裂縫發(fā)育特征及作用

2.1.1 宏觀裂縫

贛東北地區(qū)泥頁巖儲(chǔ)層發(fā)育的宏觀裂縫以大型剪性裂縫為主，產(chǎn)狀穩(wěn)定，寬度一般為0.5～5.0 mm，裂縫間距為2～10 cm，密度為10～50條/m，延伸較遠(yuǎn)，為數(shù)米至數(shù)十米，呈大規(guī)模垂直裂縫、“X”型共軛剪裂縫、3組交錯(cuò)型剪裂縫，偶見方解石充填。宏觀裂縫形成的裂縫系統(tǒng)利于壓裂液注入，水壓隨裂縫跟蹤傳遞，壓裂裂縫擴(kuò)展速度快［8］，利于儲(chǔ)層改造。

2.1.2 微裂縫

微裂縫一般是指寬度小于10 μm的微型裂縫，是泥頁巖儲(chǔ)集性能及導(dǎo)流性提高的重要途徑。泥頁巖的有機(jī)質(zhì)顆粒、黏土礦物等均發(fā)育大量微裂縫。據(jù)楊峰等人研究，可以分為粒內(nèi)微裂縫和粒緣微裂縫2類。贛東北地區(qū)泥頁巖儲(chǔ)層中，微裂縫極為發(fā)育，微裂縫寬度為0.5～30.0 μm不等，延伸長(zhǎng)度較大，呈條狀、環(huán)狀(圖1a)、樹枝狀等，平行、斜交或垂直于層理，一般為開放型裂縫。微裂縫發(fā)育類型多樣，不僅有粒內(nèi)微裂縫(圖1c)、粒緣微裂縫(圖1a)，還發(fā)育大量寬度大、延伸遠(yuǎn)、連通大量粒緣微裂縫的綜合型微裂縫(圖1b、1d)。粒內(nèi)微裂縫呈樹枝狀，較為彎曲，無膠結(jié)物充填。粒緣微裂縫產(chǎn)狀取決于顆粒形狀，連通較好。綜合型微裂縫一般較平直，貫穿局部小型孔裂隙系統(tǒng)，增加了孔隙連通程度。

圖1 贛東北荷塘組泥頁巖儲(chǔ)層掃描電鏡圖版

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征及成因類型

2.2.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

孔隙結(jié)構(gòu)是指巖石孔隙的幾何形狀、大小、分布及其連通關(guān)系。利用ESEM對(duì)贛東北荷塘組泥頁巖儲(chǔ)層孔隙研究發(fā)現(xiàn)，微米—納米級(jí)孔隙十分發(fā)育，總體孔徑較大，一般小于 50 μm，0.1 ～2.0 μm孔隙最為發(fā)育?？紫缎螒B(tài)多樣，可見蜂窩狀(圖1e)、圓形(圖1f)、橢圓形、不規(guī)則多邊形(圖1g)等，還表現(xiàn)出不同的組合形式(圖1h)。主要有晶間(顆粒間)孔(圖1i)、顆粒內(nèi)孔(圖1g)、次生礦物溶孔(圖1j)。其中，晶間孔、顆粒內(nèi)孔分布較廣，主要發(fā)育于晶形較好的礦物集合體中。

2.2.2 孔隙類型

贛東北地區(qū)荷塘組泥頁巖孔隙類型主要有黏土礦物間孔和有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔。

(1)黏土礦物間孔。贛東北地區(qū)荷塘組泥頁巖黏土礦物間孔孔徑一般為0.1～10.0 μm。利用EDX進(jìn)行樣品分析(圖2):圖2中a點(diǎn)主要元素為K、Al、Si、O，晶粒細(xì)小，判定為伊利石，發(fā)育大量粒內(nèi)孔隙;圖2中 b點(diǎn)主要元素為 Al、Si、O、C，蠕蟲狀，判定為高嶺石，膠結(jié)致密，并有膠結(jié)物內(nèi)裂縫發(fā)育;圖 2 中 c 點(diǎn)主要元素為 Mg、Al、Si、O、Ca、C，片狀、層狀，判定為蒙脫石及方解石，發(fā)育層間裂縫、層內(nèi)裂縫。

(2)有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔。泥頁巖儲(chǔ)層中的有機(jī)質(zhì)可以分為分散狀有機(jī)質(zhì)、連續(xù)狀有機(jī)質(zhì)［9］，分散其中的孔隙為有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔。贛東北荷塘組泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量高，部分樣品在10%以上。利用ESEM對(duì)贛東北荷塘組泥頁巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔研究發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)層發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔，孔徑為1～10 μm，呈圓形、橢圓形、不規(guī)則形，彼此孤立，連通性不好(圖1k、l)，次生孔隙較少。

3 孔裂隙發(fā)育影響因素分析

3.1 構(gòu)造作用

圖2 贛東北荷塘組頁巖氣儲(chǔ)層孔隙能量色散X射線光譜分析圖版

贛東北古生界頁巖受印支、喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈改造，在局部出現(xiàn)小揉皺和斷裂帶。頁巖儲(chǔ)層成巖后，受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的構(gòu)造裂縫，規(guī)模大、連通好，展布有一定的的規(guī)律性。各類構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是贛東北地區(qū)宏觀裂縫形成及改造的主控因素，控制裂縫發(fā)育數(shù)量及展布規(guī)律。受構(gòu)造作用影響，裂縫組合構(gòu)型主要有:平行裂縫，由產(chǎn)狀一致的多條裂縫排列而成［9］，一般等間距排列，縫面平整，縫寬較小，無充填(圖3a);錯(cuò)斷型裂縫，先期裂縫形成后，受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，產(chǎn)生錯(cuò)斷型裂縫(圖3a、b、c)，是巖層受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加作用的結(jié)果;交錯(cuò)型裂縫，被切割裂縫無明顯錯(cuò)斷，包括垂直裂縫、“X”型共軛剪裂縫等，是巖層受同期構(gòu)造剪應(yīng)力的產(chǎn)物;雜亂型裂縫，裂縫展布無規(guī)律性，巖石受多期較強(qiáng)構(gòu)造破壞所致，連通性較好。充填狀況具有差異性，先期裂縫充填嚴(yán)重，末期裂縫無充填(圖3d)。

圖3 贛東北荷塘組泥頁巖儲(chǔ)層宏觀裂縫發(fā)育類型

3.2 礦物組成

脆性礦物、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)等的含量與儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度具一定的相關(guān)性［4］:孔隙度與有機(jī)質(zhì)含量之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系;黏土礦物、脆性礦物含量與比表面積有一定正相關(guān)性。贛東北荷塘組泥頁巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)、石英、方解石含量較高。豐富的有機(jī)質(zhì)是微孔的主要載體。脆性礦物是控制裂縫發(fā)育程度的主要內(nèi)在因素之一。石英含量較高，儲(chǔ)層脆性提高，易形成規(guī)模較大的綜合型天然裂縫。同時(shí)，礦物成分對(duì)孔隙形態(tài)具一定的控制作用。有機(jī)質(zhì)內(nèi)發(fā)育的孔隙數(shù)量多，孔徑小，連通性差;脆性礦物發(fā)育的孔裂隙尺寸較大，連通性好，形態(tài)多樣;黏土礦物內(nèi)部孔隙多不規(guī)則，數(shù)量多，連通性差。

3.3 巖漿活動(dòng)

巖漿侵入體在贛東北地區(qū)較為普遍，集中于望仙鄉(xiāng)周緣(圖4)、大茅山—懷玉山—三清山一線及八都鎮(zhèn)周緣地區(qū)。巖漿活動(dòng)促進(jìn)了石英等晶體的重結(jié)晶作用(圖1i)，產(chǎn)生晶間孔隙;侵入體與頁巖接觸帶受后生作用改造易形成破碎帶，產(chǎn)生大量后生裂縫。但巖漿活動(dòng)影響的儲(chǔ)層，受巖漿侵入體形態(tài)影響，儲(chǔ)層物性變化較大，孔縫分布極不均勻。

3.4 沉積作用與成巖作用

黏土礦物及細(xì)碎屑在沉積過程中，由于其顆粒的大小、形狀、排列方式的差異而產(chǎn)生孔隙、裂縫(圖1a)，包括大部分粒間孔隙、粒緣微裂縫，少部分綜合型微裂縫。沉積作用控制的裂縫數(shù)量眾多，延伸性及連通性較差。影響贛東北地區(qū)孔裂隙發(fā)育的成巖作用主要表現(xiàn)為填隙物的充填作用。根據(jù)填隙物類型可以把頁巖孔裂隙充填作用分為鈣質(zhì)充填、硅質(zhì)充填、黏土礦物充填、鐵質(zhì)充填等類型，螢石、天青石、鉀鹽、重晶石等也可以充填物的形式出現(xiàn)在孔裂隙之間。贛東北地區(qū)主要發(fā)育鈣質(zhì)充填(圖3)、黏土礦物充填(圖1b)、硅質(zhì)充填(圖1i)。泥頁巖儲(chǔ)層發(fā)育大量納米級(jí)孔隙，充填作用易影響泥頁巖儲(chǔ)層物性，充填物含量高，孔隙被充填，原生孔隙減少，連通性變差，儲(chǔ)層滲流能力降低，孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，物性變差。

圖4 贛東北望仙鄉(xiāng)侵入體發(fā)育情況

3.5 生氣壓裂作用

局部(微米—納米級(jí))泥頁巖儲(chǔ)層在生氣過程中，烴濃度不斷升高，產(chǎn)生超高壓并超過巖石破裂極限，壓裂巖石產(chǎn)生微裂縫(圖1c)。此類裂縫一般為微米—納米級(jí)，發(fā)育于顆?；蚓Я?nèi)部，樹枝狀，無固定形貌，規(guī)模小、數(shù)量大，包括大部分粒內(nèi)微裂縫，少數(shù)粒緣微裂縫、綜合型微裂縫。

4 結(jié)論

(1)贛東北荷塘組分布穩(wěn)定，其中黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖累計(jì)厚度、單層有效厚度均較大。TOC值最高達(dá)11.40%，平均為5.75%，遠(yuǎn)高于美國商業(yè)性頁巖氣開發(fā)TOC值(2.0%)的下限。Ro值變化范圍為2.35% ～4.90%，屬于過成熟階段。脆性礦物主要為石英，含量為18.94% ～51.85%。贛東北荷塘組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖具備較大的頁巖氣生成、儲(chǔ)集及開發(fā)的潛力。

(2)贛東北地區(qū)泥頁巖儲(chǔ)層發(fā)育的宏觀裂縫以大型剪裂縫為主，寬度一般為1～5 mm，裂縫間距一般為2～10 cm，沿裂縫走向延伸較遠(yuǎn)，呈大規(guī)模垂直裂縫、“X”型共軛剪裂縫、3組交錯(cuò)型剪裂縫，偶見方解石充填。微裂縫寬度為0.5～30.0 μm不等，可分為粒內(nèi)微裂縫、粒緣微裂縫、綜合型微裂縫3類?？紫犊讖揭话阈∮?0 μm，0.1～2.0 μm孔隙最為發(fā)育。孔隙形態(tài)多樣，表現(xiàn)出不同的組合形式。孔隙類型主要有黏土礦物間孔、有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔。

(3)荷塘組泥頁巖儲(chǔ)層孔裂隙發(fā)育影響因素為構(gòu)造作用、礦物組成、巖漿活動(dòng)、成巖作用、沉積作用和生氣壓裂作用等。其中構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是荷塘組宏觀裂縫形成及改造的主控因素，控制裂縫發(fā)育數(shù)量及展布規(guī)律。受構(gòu)造作用影響，裂縫組合構(gòu)型主要有平行裂縫、錯(cuò)斷型裂縫、交錯(cuò)型裂縫、雜亂型裂縫。

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