隋青林

（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015）

四川威遠地區(qū)九老洞組頁巖微觀非均質性

隋青林

（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015）

目前，國內外對于頁巖非均質性的研究剛剛起步，相關理論還不成熟。文中利用X射線衍射手段，結合觀察九老洞組頁巖樣品的薄片和掃描電鏡，在微米級—納米級的尺度下，從礦物組分、微觀孔隙和微裂縫3個方面來評價頁巖的微觀非均質性。從礦物組分的角度來看，主要礦物為石英，其次為斜長石和黏土礦物，樣品礦物組分和含量上沒有明顯的差異性。在厘米以上尺度，頁巖巖性和礦物組分縱向非均質性較弱；而在微觀尺度下，礦物組分對孔隙發(fā)育和分布狀態(tài)影響較大，非均質性明顯，而且隨著觀測倍數(shù)增大，頁巖微觀非均質性將會越來越明顯。從微觀孔隙的角度來看，主要發(fā)育粒間孔、粒內孔、晶間孔和有機質孔等類型。在微觀尺度下，頁巖孔隙類型、分布和孔徑大小差別較大，非均質性明顯。從微裂縫的角度來看，在2 711～2 815 m的頁巖巖心，下部裂縫較上部發(fā)育，表明在毫米級—厘米級的裂縫非均質較為明顯。微米級—納米級的微裂縫尺度變化較大，微裂縫可分為黏土轉化縫、成巖收縮縫和異常高壓縫，微裂縫形態(tài)多樣，其發(fā)育特征和配置關系在微觀尺度下具有強非均質性。

微觀非均質性；微觀孔隙；九老洞組；威遠地區(qū)

0 引言

四川盆地非常規(guī)油氣資源豐富，盆地頁巖氣勘探開發(fā)主要位于下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)九老洞組。其中，下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖受關注較多，其微觀特征已有較多研究［1-2］。九老洞組頁巖有機質豐度高、厚度大、生烴條件好，有利于頁巖氣藏的形成［3］，但因勘探程度低和資料少，九老洞組頁巖研究的深度和廣度都遠不及龍馬溪組，其微觀結構特征也鮮有報道。

常規(guī)的非均質研究是指宏觀非均質和最多達到微米級的微觀非均質［4-5］，關于微米級—納米級微觀非均質性的研究較少。目前，國內外對于泥頁巖儲層非均質性的研究剛剛起步，相關理論還不成熟。以北美為代表的國外相關學者對泥頁巖儲層非均質性主要集中在3個方面：建模、裂縫和應力各向異性［6］。國內關于這方面的研究也取得了一些認識，如盧雙舫［7］和宋國奇［8］等人將泥頁巖非均質性分為有機非均質性和無機非均質性；江凱禧和曾靖珂等［6，9］人通過平面、層內和微觀等3個方面，分析了泥頁巖非均質性；王香增等［10］從層內巖性發(fā)育、地化參數(shù)分布、微觀孔隙結構和力學參數(shù)等4個方面非均質特征，對陸相頁巖泥頁巖非均質性進行了描述。

本文在對前人的研究成果調研的基礎上，利用X射線衍射手段，結合觀察威遠地區(qū)下志留統(tǒng)九老洞組頁巖樣品的薄片和掃描電鏡，在微米級—納米級的尺度下，從礦物組分、微觀孔隙和微裂縫等3個方面來評價頁巖的微觀非均質性。結果表明，頁巖的非均質性對其物性特征、后期的壓裂改造及油氣的分布特征具有重要的影響，因此，對頁巖的非均質性的研究是十分必要的。

1 地質概況

四川盆地位于揚子地臺西北側，是揚子地臺的一個次級構造單元，在印支期已經(jīng)形成了盆地的雛形，后經(jīng)過喜山運動形成現(xiàn)今的構造面貌［11］。大的構造分區(qū)包括川東南拗褶區(qū)、川中隆起區(qū)和西北坳陷區(qū)。威遠構造屬于川中隆起區(qū)的川西南低陸褶皺帶，有威遠、興隆場、靈音寺、圣燈山等多個構造（見圖1）。威遠構造為巨型的穹隆背斜，背斜東南翼以基底斷裂為界產狀較陡，西北翼平緩，西南側與老龍場構造以基底斷裂為界呈鞍狀相連，東北側與磨溪—安平店構造以北西走向的基底斷裂帶相隔［12］。研究區(qū)位于四川省威遠、榮縣和內江市境內，為頁巖氣國家重點示范區(qū)，面積8 940 km2。

寒武系從上到下依次為洗象池組、遇仙寺組、九老洞組。四川盆地西部九老洞組又稱筇竹寺組，威遠地區(qū)九老洞組埋深為2 270～4 300 m，為一套淺海相碎屑巖。主要為深灰、灰黑色粉砂質頁巖、碳質頁巖和泥質粉砂巖，底部出現(xiàn)一套“硅磷層”，其厚度為400～600 m，分布較穩(wěn)定，往威遠的東南方向逐漸變厚。

圖1 研究工區(qū)示意

2 微觀非均質性

頁巖的分布具有非均質性，宏觀非均質性包括垂向巖性變化和橫向有機地化參數(shù)展布，微觀非均質性表現(xiàn)在礦物組分、微觀孔隙和微裂縫的發(fā)育程度和展布特征。微觀非均質性主要受沉積作用和成巖作用控制，影響著頁巖儲層的物性好壞，不僅決定了頁巖氣的賦存方式，還制約著頁巖氣的富集和分布［13］。因此，非均質性的評價是頁巖氣富集規(guī)律研究的重要基礎，對頁巖氣的勘探和開發(fā)具有重要影響。

2.1 礦物組分非均質性

從沉積環(huán)境的角度來看，與陸相湖盆中形成的頁巖相比，淺海相頁巖礦物組分橫向、縱向變化幅度相對較?。?4］。選取威201井九老洞組頁巖10個樣品，樣品號依次為13-1P（2 676.24 m），15-1P（2 692.38 m），16-1P（2 706.95 m），18-1P（2 747.68 m），21-1P（2 776.27 m），23-1P（2788.81m），23-3P（2 797.42m），24-2P（2 807.48 m），25-1P（2 812.40 m），25-3P（2 819.09 m）。通過X射線衍射實驗對樣品的礦物組分進行分析，結果見圖2。

頁巖的主要礦物類型為石英，其次為斜長石、黏土礦物。黏土礦物主要包括伊利石、綠泥石和伊蒙混層，脆性礦物主要為石英和碳酸鹽礦物。石英作為脆性礦物的主要代表，礦物質量分數(shù)為29.0%～40.0%，平均為33.1%。黏土礦物中伊利石和綠泥石占絕大部分，其中，伊利石質量分數(shù)為9.0%～19.0%，均值為13.0%；綠泥石質量分數(shù)為5.0%～9.0%，平均為7.3%，縱向上變化小。黃鐵礦在樣品中普遍存在，其質量分數(shù)為3.0%～14.0%，均值為6.3%?？傮w來看，10個樣品礦物組分和質量分數(shù)上并沒有明顯的差異性，表明在厘米以上尺度，九老洞組頁巖巖性和礦物組分縱向非均質性較弱。

圖2 頁巖礦物組分

而在微觀尺度下，礦物組分對孔隙發(fā)育和分布狀態(tài)影響較大，非均質性明顯。對樣品號為13-1P薄片利用掃描電鏡分別觀察放大倍數(shù)不同級別下礦物組分，如圖3所示。由圖3可以看出：樣品13-1P巖性為泥質含長石粉砂巖，富含有機質和微量硫鐵礦；在放大倍數(shù)為50×視野下，模糊的薄片被難以辨認的小蟲孔擾動，基質被緊密壓縮在硅質碎屑粉砂顆粒間，并出現(xiàn)固體烴類浸染的情況，呈黑色，分選差，顆粒主要呈棱角到半棱角狀。在放大倍數(shù)為200×視野下，存在著大量的石英和斜長石，少量的方解石、黃鐵礦，有機質碎片（黑色）。各種礦物相互間緊密接觸，堆積雜亂，分布分散。通常黃鐵礦作為基質和顆粒的交代物出現(xiàn)，少量的方解石也可交代顆粒，在缺少基質的區(qū)域（紅色）并可作為粒間膠結物。運用標準的巖相學技術沒有見到孔隙。在放大倍數(shù)為2 500×視野下，粉砂級石英顆粒、斜長石顆粒和片狀黏土礦物清晰可見，形態(tài)各異，可以觀測到少量孔隙，小的粒間孔間距較大且孤立存在。至3 000×視野時，可在礦物接觸處觀測到較多孔隙，大多是粒間孔，還見到較少量的晶內微孔。觀察結果可知，隨著觀測尺度增大，微觀非均質性將會越來越明顯。

圖3 威201井薄片和掃描電鏡觀測礦物組分的非均質性

2.2 微觀孔隙非均質

北美頁巖氣的勘探和開發(fā)成功，促進了針對頁巖結構和構造特征的相關研究［15］。經(jīng)研究證實，頁巖中存在大量的微米級—納米級的孔隙和裂縫，可作為良好的天然氣儲層［16-17］。在微觀尺度下，頁巖孔隙類型、分布和孔徑大小差別較大，非均質性明顯。利用掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，九老洞組頁巖主要發(fā)育粒間孔、粒內孔、晶間孔和有機質孔等類型。

粒間孔主要指礦物顆粒之間孔隙，主要發(fā)育在石英、長石和黏土碎屑顆粒之間，是游離態(tài)氣體的主要賦存場所和滲流通道，多呈三角形、多邊形和狹縫形?？紫洞笮∈艿V物顆粒大小、顆粒形態(tài)、接觸關系和壓實程度控制，該類孔隙連通性好，有時孔徑可達微米級以上。圖4a是黏土碎屑礦物之間的粒間孔，黏土礦物在壓實過程中不穩(wěn)定，容易碎裂形成黏土巖屑，彼此堆積形成大量孔隙［18］。圖4b是脆性礦物巖屑顆粒之間的粒間孔，常常是石英、長石等巖屑顆粒相互支撐而形成孔隙。伴著壓實作用的增強，黏土礦物與脆性礦物因為硬度的不同，礦物顆粒會出現(xiàn)形變差異，接觸邊緣容易形成孔隙［19］。

圖4 九老洞組頁巖微觀孔隙

粒內孔主要是在生烴過程中生成的有機酸或CO2與碳酸鹽、長石等礦物反應使其溶解形成的［20-21］。多呈港灣狀、蜂窩狀或橢圓形等，孔徑分布在120～900 nm，少數(shù)可達1 μm以上，該類孔連通性較差。圖4c是方解石礦物顆粒內部的粒內孔，主要是方解石與有機酸反應形成。圖4d是石英礦物顆粒內部的粒內孔，主要是由于石英自身晶體缺陷所形成。

頁巖在還原條件下經(jīng)常出現(xiàn)黃鐵礦以及硅酸鹽等礦物富集的現(xiàn)象。雖然黃鐵礦在頁巖中含量不高，但一般穩(wěn)定出現(xiàn)。黃鐵礦晶間孔較為常見，其孔徑多集中在45～650 nm，黃鐵礦晶型結構特殊多呈草莓狀或霉球狀（見圖4e）。黃鐵礦晶體內部孔隙的連通性較好，但是晶體之間連通性很差［22］。

有機質孔隙發(fā)育于有機質內部，干酪根生烴后殘余部分內部形成的孔隙［17］。研究區(qū)頁巖有機質孔發(fā)育相對較少，孔徑主要分布在60～1 000 nm，相對孤立，連通性較差，形態(tài)多呈近圓形、片麻狀、蜂窩狀。黏土礦物強烈的吸附能力，促使有機質被黏土礦物吸附，它們的集合體常常充填在黃鐵礦晶體周圍（見圖4f）。這種集合體一方面能夠降低生烴反應活化能，另一方面黏土礦物蒙脫石的伊利石化能夠提供質子 （H+）和電子（OH-），促進有機質生烴［23］。在此之前，有關學者已經(jīng)在美國Barnett頁巖［24］、Woodford頁巖［19］和四川盆地龍馬溪組頁巖［25］中均發(fā)現(xiàn)類似結構，這些發(fā)現(xiàn)在某種程度上證實了黏土礦物催化生烴的作用。

2.3 微裂縫發(fā)育非均質性

對九老洞組巖心進行觀察和描述的過程中，發(fā)現(xiàn)的毫米級—厘米級的裂縫較為發(fā)育，分布在不同的層段，大致主要包括垂直縫、高角度縫和水平縫。選取4塊巖心，長度為30.00 cm，直徑為10.16 cm，樣品編號依次為29，37，39，40。29號巖心為深灰色塊狀至極薄層狀頁巖，垂直縫貫穿整個樣品，偶見直徑小于1 mm，為夾層狀于樣品上部 20 cm的黃鐵礦結核，（見圖5a）。37號巖心為灰色至深灰色極薄層狀頁巖，含近似水平層理，垂直縫和水平縫發(fā)育，方解石礦化沿著裂縫，偶見黃鐵礦結核直徑小于1 mm（見圖5b）。39號巖心為灰色至深灰色極薄層狀至塊狀頁巖，層面為水平至近似水平，水平縫發(fā)育，被大量方解石填充（巖心上部10 cm），偶見黃鐵礦結核（見圖5c）。40號巖心為灰色至深灰色極薄層狀頁巖，大量裂縫發(fā)育，因為大量的裂縫發(fā)育，樣品不能呈現(xiàn)板塊狀（見圖5d）?？傮w來看，九老洞組深度在2 711.00～2 815.00 m的頁巖，下部裂縫較上部明顯發(fā)育，表明在毫米級—厘米級的裂縫非均質較為明顯。

圖5 威201井九老洞組頁巖巖心

微裂縫能夠為頁巖氣聚集提供一定的賦存空間，可以與多種礦物之間形成的孔隙相互連通組成網(wǎng)絡孔、縫系統(tǒng)，提供了頁巖氣運移的有效滲流通道［2］。在成巖過程中，根據(jù)成因可以將微裂縫分為黏土轉化縫、成巖收縮縫和異常高壓縫［13］。微裂縫尺度變化較大，長度在數(shù)十微米至毫米級，寬度在幾百納米至微米級，微裂隙形態(tài)多樣，其發(fā)育特征和配置關系在微觀尺度下具有強非均質性。其中，黏土轉化縫是指蒙脫石向伊利石轉化的體積縮小而形成的微裂縫，主要發(fā)育在黏土礦物間和黏土礦物與脆性礦物接觸處，一般沿著層理面呈現(xiàn)近水平狀或起伏較小的彎曲狀，長度變化較大，主要分布在幾毫米到幾十毫米，寬度變化較小，主要集中在1～3 μm（見圖6a，6b）。成巖收縮縫多發(fā)生在石英或碳酸鹽巖礦物顆粒周緣，礦物顆粒在成巖過程中經(jīng)歷脫水作用而導致的，一般呈人字形或T字形，長度變化較小，主要分布在幾十微米和幾毫米，寬度變化也較小，主要集中在3～5 μm（見圖6c，6d）。異常高壓縫多指有機質生烴造成的局部超壓微裂縫，主要呈鋸齒狀，裂縫規(guī)模主要與熱演化程度、有機質豐度和類型有關，一般長度和寬度變化都比較大（見圖6e）。

圖6 九老洞組頁巖微裂縫

3 結論

1）利用X射線射線衍射實驗分析研究區(qū)九老洞組頁巖樣品，表明主要礦物類型為石英，其次為斜長石、黏土礦物。樣品在礦物組分和質量分數(shù)上并沒有明顯的差異性，表明在厘米以上尺度，九老洞組頁巖巖性和礦物組分縱向非均質性較弱，而在微觀尺度下，礦物組分對孔隙發(fā)育和分布狀態(tài)影響較大，非均質性明顯。而且隨著觀測倍數(shù)增大，微觀非均質性將會越來越明顯。

2）利用掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，九老洞組頁巖主要發(fā)育粒間孔、粒內孔、晶間孔和有機質孔等類型。粒間孔的連通性較好，粒內孔和有機質孔的連通性較差，黃鐵礦晶體內部孔隙的連通性較好，但是晶體之間連通性很差。在微觀尺度下，頁巖孔隙類型、分布和孔徑大小差別較大，非均質性明顯。

3）對九老洞組巖心進行觀察和描述的過程中發(fā)現(xiàn)，2 711.00～2 815.00 m的頁巖下部裂縫較上部發(fā)育，表明在毫米級—厘米級的裂縫非均質較為明顯。在微觀尺度下，微裂縫可以分為黏土轉化縫、成巖收縮縫和異常高壓縫。微裂縫尺度變化較大，微裂隙形態(tài)多樣，發(fā)育特征和配置關系在微觀尺度下具有強非均質性。

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（編輯 趙旭亞）

Micro heterogeneity of Jiulaodong Formation shale,Weiyuan Area,Sichuan

SUI Qinglin
(Research Institute of Exploration and Development,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257015,China)

At present,the research on the heterogeneity of shale reservoirs has just started,and the related theories are not mature. Using x-ray diffraction,thin sections and scanning electron microscope(SEC)of shale samples in micron and nanometer scales,the micro heterogeneity of shale is evaluated from three aspects of mineral composition,micro pore and micro fracture.From the perspective of the mineral composition,the main minerals are quartz,followed by plagioclase and clay minerals.There is no significant difference in the mineral composition and content of the samples.The vertical heterogeneity of shale lithology and mineral composition is weaker in the centimeter scale.But in the micro scale,the mineral composition has a great influence on the pore development and distribution,and the heterogeneity is obvious.With the increase of the observation scale,the micro heterogeneity of shale will become more and more obvious.From the view of micro pore,it mainly developed intergranular pore, intragranular pore,intercrystalline pore and organic matter pore.In the micro scale,the pore type,pore distribution and pore size of the shale are different,and the heterogeneity is obvious.From the view of micro fracture,in the 2711-2815 m shale core,the lower part of the fractures is better developed than the upper part,which shows that the fracture heterogeneity is more obvious in the millimeter levelandcentimeter level.Micro fracture scale of micron and nanometer level changes large,and micro fracture can be divided into clay transformation fracture,shrinkage fracture and abnormal high pressure fracture.The morphology of micro fracture is diverse,and the development characteristics and configuration relationships have strong heterogeneity in the micro scale.

microheterogeneity;micropore;JiulaodongFormation;WeiyuanArea

國家自然科學基金項目“頁巖油、氣甜點構成要素比較研究”（41472123）

TE122

：A

10.6056/dkyqt201701004

2016-06-19；改回日期：2016-11-15。

隋青林，男，1981年生，工程師，主要從事油氣地質與勘探方面工作。E-mail：10105013@qq.com。

隋青林.四川威遠地區(qū)九老洞組頁巖微觀非均質性［J］.斷塊油氣田，2017，24（1）：15-20.

SUI Qinglin.Micro heterogeneity of Jiulaodong Formation shale,Weiyuan Area,Sichuan［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（1）：15-20.