夏文謙, 張漢榮, 劉 瑾, 汪 雷

(中國石化勘探分公司，成都 610041)

四川盆地中二疊統(tǒng)茅口組油氣勘探自20世紀50年代開始，至今已有70余年。前人對茅口組儲層的認識大多集中在中上部的巖溶縫洞體及熱液白云巖上[1-6]，而茅口組第一段(簡稱“茅一段”)一直作為烴源巖地層進行研究[7-10]，對該層位的儲集性能、儲集空間及儲層分布規(guī)律等問題認識尚不明確。近期，川東南多口井在茅一段測試獲得工業(yè)氣流，鄰區(qū)多口井茅一段亦鉆遇良好油氣顯示，揭示該領域具有良好的勘探潛力。川東南茅一段灰泥灰?guī)r儲層研究工作起步較晚，其勘探程度遠落后于頁巖儲層和致密砂巖儲層，有關儲集空間構成定量分析的成果更鮮有報道。

儲集空間構成定量分析是非常規(guī)儲層評價的重要內(nèi)容，需應用高精度掃描電鏡，結合大量實驗數(shù)據(jù)，開展統(tǒng)計分析。目前，國內(nèi)僅在川南五峰組-龍馬溪組頁巖、筇竹寺組頁巖等重點層系開展過相關工作[11-14]。本文以川東南地區(qū)茅一段系統(tǒng)巖心資料為基礎，探索應用地質統(tǒng)計分析法建立儲層和孔隙度數(shù)學模型，并依據(jù)儲層物性、地球化學等實驗測試數(shù)據(jù)對茅一段灰泥灰?guī)r儲集空間構成狀況進行定量分析和評價，為開展川東南地區(qū)茅一段油氣富集機理研究提供地質依據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

川東南地區(qū)是四川盆地重要的產(chǎn)氣區(qū)(圖1)。中二疊世，揚子陸塊漂移至古特提斯洋中東部，位于赤道附近，廣泛發(fā)育熱帶淺水碳酸鹽沉積。受前二疊紀構造古地理影響，整個中上揚子地區(qū)茅口組表現(xiàn)為由西向東單斜的碳酸鹽巖緩坡模式沉積。茅一段沉積時期繼承了棲霞期海侵原貌，海平面繼續(xù)升高，川東南地區(qū)長期處于深水缺氧環(huán)境，沉積了一套外緩坡相富含有機質的灰泥灰?guī)r、瘤狀灰泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、灰?guī)r等，厚度為100～150 m(圖2)。

圖1 川東南地區(qū)構造位置圖Fig.1 Tectonic location of southeastern Sichuan Basin

圖2 A井茅一段地層剖面示意圖Fig.2 Stratigraphic column of P2m1 of Well A

2 灰泥灰?guī)r儲層孔隙定量表征

2.1 儲層孔隙類型

通過對川東南茅一段灰泥灰?guī)r儲層特征研究，結合前人研究成果[15-21]認為：茅一段儲集空間主要以納米級孔縫為主，孔徑以1.5～60.4 nm的微孔和中孔為主，大孔和微裂縫次之；空間類型主要為有機質孔、黏土礦物收縮孔縫、礦物界面縫和晶間/晶內(nèi)溶孔4種類型(圖3)。其中黏土礦物收縮孔縫和礦物界面縫是灰泥灰?guī)r儲集空間的特色和重要組成部分。這是灰泥灰?guī)r儲層與頁巖儲層及致密砂巖儲層的顯著區(qū)別，也為該儲層儲集空間定量表征提供了依據(jù)。

圖3 A井茅一段儲集空間類型Fig.3 Plates showing reservoir space types in P2m1 from Well A(A)黏土礦物收縮縫，深度1 358.85 m; (B)礦物界面縫，深度1 286.5 m; (C)晶間/晶內(nèi)溶孔，深度1 286.5 m; (D)有機質孔，深度1 295.46 m

根據(jù)茅一段灰泥灰?guī)r儲層孔隙與各類礦物的相關關系，可將儲集空間進一步歸納為：①與有機質相關的微孔隙(簡稱有機質孔)，主要包括有機質內(nèi)部孔隙、有機質與其他礦物的界面縫；②與脆性礦物相關的微孔隙(簡稱脆性礦物孔)，主要包括脆性礦物晶間/晶內(nèi)溶孔、脆性礦物之間界面縫、脆性礦物與其他礦物的界面縫；③與黏土礦物相關的微孔隙(簡稱黏土礦物孔)，主要包括黏土礦物收縮孔縫、黏土礦物與其他礦物的界面縫。在灰泥灰?guī)r儲層中，脆性礦物、黏土礦物和有機質3類物質對孔隙的貢獻存在差異，本文以川東南地區(qū)系統(tǒng)取心井A井茅一段測試分析數(shù)據(jù)為基礎，建立數(shù)學模型，對灰泥灰?guī)r儲層孔隙與各類礦物的關系開展定量表征。

2.2 儲集空間定量表征數(shù)學模型

灰泥灰?guī)r儲集空間的定量表征主要體現(xiàn)在脆性礦物(白云石、石英、長石和黃鐵礦等)、黏土礦物和有機質三者對總孔隙的貢獻。借鑒前人研究成果[11-12]，重點考慮灰泥灰?guī)r內(nèi)儲集空間的特點，建立孔隙度數(shù)學模型

q=(wTOCVTOC+wBriVBri+wClayVClay)ρ

(1)

式中：wTOC表示有機質的質量分數(shù)；VTOC表示有機質單位質量內(nèi)微孔隙體積；wBri表示脆性礦物的質量分數(shù)；VBri表示脆性礦物單位質量內(nèi)微孔隙體積；wClay表示黏土礦物的質量分數(shù)；VClay表示黏土礦物單位質量內(nèi)微孔隙體積；ρ表示巖石密度；q表示孔隙度。其中有機質的質量分數(shù)、礦物的質量分數(shù)、巖石密度、孔隙度都可以通過測試獲得。

VTOC表示賦存于每千克有機質內(nèi)的孔隙體積，受有機質類型和成熟度等因素共同影響。研究成果證實，高-過成熟(Ro>1.3%)階段的Ⅰ、Ⅱ型干酪根有機質，VTOC值普遍較高，且納米級孔隙較為發(fā)育，例如中國南方海相頁巖儲層[22-27]及北美頁巖儲層[28-32]；而Ⅲ型干酪根有機質和未熟-低熟生油階段(Ro<0.7%)的Ⅰ、Ⅱ型干酪根有機質，VTOC值一般較低，基本不發(fā)育納米級孔隙，例如中國中西部煤系泥頁巖[16]。

VBri表示每千克脆性礦物內(nèi)的孔隙體積，主要與脆性礦物種類、密度和礦物內(nèi)部晶體排列方式等因素有關。例如：方解石、石英含量較高并能形成骨架支撐，使孔隙在壓實過程中保存下來，則VBri相對較高；另外，受到不同類型礦物組合特征的影響，方解石、石英等脆性礦物與黏土礦物之間比例適當，在礦物接觸面存在界面縫，則VBri相對較高。

VClay表示賦存于每千克黏土礦物內(nèi)的孔隙體積，主要與黏土礦物層間形成的開啟孔隙有關，因此受黏土礦物成分、含量等因素影響?？傮w而言，滑石、伊利石層間微孔發(fā)育、比表面積較大，蒙脫石、高嶺土層間微孔隙體積較小，因此滑石、伊利石含量高而蒙脫石、高嶺土含量低，則VClay較高，反之則較低。由于黏土礦物成分、含量等受沉積相和成巖作用控制[33]，所以VClay最終受上述兩種因素控制。

2.3模型參數(shù)刻度與檢驗

川東南地區(qū)茅一段依據(jù)巖性變化特征自上而下可以劃分為8個小層，本次研究選取最具代表性的第1、第3、第6小層進行刻度與檢驗。在每層中各選3個樣品點，將3點的礦物含量、巖石密度和孔隙度數(shù)據(jù)代入(1)式建立三元一次方程組，并解出VTOC、VBri和VClay值。以第1小層為例，將A井深度分別為1 354.34 m、1 356.52 m、1 366.77 m 三組樣品數(shù)據(jù)代入(1)式

計算得出第1小層VTOC=0.164 393 9 cm3/kg，VBri=0.342 857 1 cm3/kg，VClay=0.490 076 3 cm3/kg。同理，計算出第3、第6小層VTOC、VBri和VClay值(表1)。

表1 A井茅一段各小層計算結果Table 1 Calculation results of each sublayer in P2m1 from Well A

根據(jù)計算結果，結合茅一段巖石礦物測試數(shù)據(jù)，對第1、第3、第6小層其余資料點進行孔隙度定量測算，并將計算結果與對應深度點的實測結果進行對比(圖4、圖5、表2)。對比結果表明，各小層的計算孔隙度與實測孔隙度吻合程度較高，說明計算結果基本能夠反映茅一段儲層實際情況。

表2 A井茅一段孔隙度計算結果Table 2 Porosity calculation results of P2m1 in Well A

圖4 孔隙度計算值與實測值對比圖Fig.4 Comparison diagram of calculated and measured values of porosity

圖5 A井茅一段灰泥灰?guī)r計算孔隙度與實測孔隙度分布圖Fig.5 Distribution of calculated and measured porosity of P2m1 of Well A

2.4 孔隙構成

經(jīng)計算，茅一段灰泥灰?guī)r儲層孔隙度大小隨著有機質含量、脆性礦物含量及黏土礦物含量比例的變化而發(fā)生波動(圖6、表3)。為直觀表達孔隙度與每種礦物含量差異的關系，建立其關系圖版并分別對各小層進行描述(圖7)。

表3 A井茅一段各類礦物所提供的孔隙度Table 3 The pores provided by the minerals in P2m1 from Well A

圖6 A井茅一段孔隙度構成圖Fig.6 Porosity composition diagram of the P2m1 in Well A

第6小層：巖性主要為深灰色灰?guī)r、硅質灰?guī)r和灰?guī)r?？紫抖葹?.34%～2.82%，平均為1.29%；總有機碳質量分數(shù)為1.22%～1.69%，平均為1.44%；有機質孔為0.25%～0.35%，平均為0.30%；脆性礦物質量分數(shù)為7.6%～28.2%，平均為14.21%；脆性礦物孔為0.69%～2.49%，平均為1.27%；黏土礦物含量極低，不參與計算(圖7-A)。從貢獻率角度講，有機質對總孔隙度的貢獻率為12%～27%，平均為21%；脆性礦物對總孔隙度的貢獻率為73%～88%，平均為79%(圖7-B)。有機質孔∶脆性礦物孔≈1∶4。

第3小層：巖性主要為灰黑色灰泥灰?guī)r、瘤狀灰泥灰?guī)r?？紫抖葹?.23%～4.97%，平均為3.00%；總有機碳質量分數(shù)為0.14%～1.05%，平均為0.74%；有機質孔為0.07%～0.53%，平均為0.37%；脆性礦物質量分數(shù)為0.3%～46.4%，平均為21.58%；脆性礦物孔為0.09%～4.33%，平均為2.03%；黏土礦物質量分數(shù)為1.6%～42.7%，平均為14.96%；黏土礦物孔為0%～3.24%，平均為0.97%(圖7-C)。從貢獻率角度講，有機質對總孔隙度的貢獻率為6%～72%，平均為20%；脆性礦物對總孔隙度的貢獻率為27%～83%，平均為57%；黏土礦物對總孔隙度的貢獻率為0%～65%，平均為22%(圖7-D)。有機質孔∶脆性礦物孔∶黏土礦物孔≈1∶3∶1。

第1小層：巖性主要為灰黑色灰泥灰?guī)r、瘤狀灰泥灰?guī)r。孔隙度為0.21%～2.49%，平均為1.12%?？傆袡C碳質量分數(shù)為0.07%～0.86%，平均為0.48%；有機質孔為0.03%～0.37%，平均為0.21%；脆性礦物質量分數(shù)為1.8%～56.1%，平均為23.24%；脆性礦物孔為0.07%～2.09%，平均為0.86%；黏土礦物質量分數(shù)為4.3%～67.3%，平均為23.73%；黏土礦物孔為0%～0.46%，平均為0.15%(圖7-E)。從貢獻率角度講，有機質對總孔隙度的貢獻率為4%～38%，平均為22%；脆性礦物對總孔隙度的貢獻率為15%～91%，平均為60%；黏土礦物對總孔隙度的貢獻率為0%～51%，平均為18%(圖7-F)。有機質孔∶脆性礦物孔∶黏土礦物孔≈1∶3∶1。

圖7 各小層礦物與孔隙相關度關系圖Fig.7 Correlation of minerals and pores in each sub layer

2.5 孔隙度的影響因素

分析礦物與孔隙相關關系可知：有機質孔隨總孔隙度升高變化不大，而脆性礦物孔、黏土礦物孔隨總孔隙度升高有較明顯的升高。同時，脆性礦物孔明顯高于黏土礦物孔。結合灰泥灰?guī)r儲層發(fā)育特征認為：①有機質孔在茅一段儲層中普遍發(fā)育，是一種重要的孔隙類型。但由于茅一段灰泥灰?guī)r儲層總有機碳含量整體較低，故有機質孔對總孔隙度貢獻較小。②脆性礦物晶粒作為骨架，在成巖演化過程中起到了抗壓實作用。脆性礦物孔作為重要的孔隙類型，對總孔隙度有較大的貢獻。③黏土礦物充填在脆性礦物晶粒間，在成巖演化過程中收縮形成孔隙，對總孔隙度有較大貢獻。但當黏土礦物含量過高時，會導致巖石抗壓強度降低，不利于孔隙的保存。

綜合分析孔隙度與脆性礦物、黏土礦物含量相關關系，當孔隙度>2%時，脆性礦物/黏土礦物比值幾乎都是>1。推測脆性礦物含量高于黏土礦物含量是儲層孔隙性變好的信號(圖8)；在黏土礦物含量相近的情況下，脆性礦物含量是決定儲層物性的主導因素。

圖8 脆性礦物與黏土礦物比值與孔隙度交匯圖Fig.8 Intersection diagram of the brittle mineral/clay mineral ratio and the porosity

3 結 論

a.根據(jù)茅一段灰泥灰?guī)r儲層孔隙與各類礦物的相關關系，可將儲集空間分為：有機質孔、脆性礦物孔和黏土礦物孔。有機質孔主要包括有機質內(nèi)部孔隙、有機質與其他礦物的界面縫；脆性礦物孔主要包括脆性礦物晶間/晶內(nèi)溶孔、脆性礦物之間界面縫、脆性礦物與其他礦物的界面縫；黏土礦物孔主要包括黏土礦物收縮孔縫、黏土礦物與其他礦物的界面縫。

b.脆性礦物對孔隙貢獻最大，有機質、黏土礦物次之。其中，第6小層脆性礦物孔約為有機質孔的4倍；第1、第3小層脆性礦物孔約為有機質孔、黏土礦物孔的3倍。

c.結合灰泥灰?guī)r儲層礦物與孔隙相關關系，有機質孔隨總孔隙度升高變化不大，脆性礦物孔、黏土礦物孔增大對總孔隙度增大有較大貢獻。

d.脆性礦物與黏土礦物含量均較高時，孔隙度較高，脆性礦物含量高于黏土礦物含量是儲層孔隙度提高的信號。在黏土礦物含量相近的情況下，脆性礦物含量是決定儲層物性的主導因素。