劉娜娜
(中國(guó)石化華東油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,江蘇南京 210011)
近年來(lái),隨著四川盆地及周緣頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入,渝東南龍馬溪組頁(yè)巖氣已成為非常規(guī)油氣的焦點(diǎn),對(duì)四川盆地志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征方面也已開(kāi)展了大量研究工作[1–6],與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比,頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙孔徑更小,結(jié)構(gòu)更復(fù)雜[7–14],氬離子拋光+掃描電鏡是觀測(cè)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙特征和研究頁(yè)巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的重要手段[15–17]。南川地區(qū)位于四川盆地東南緣,屬于中國(guó)石化頁(yè)巖氣礦權(quán)區(qū)塊,本文通過(guò)對(duì)南川地區(qū)三口探井志留系下統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段樣品的系統(tǒng)觀察,開(kāi)展了研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段孔隙結(jié)構(gòu)特征研究,并結(jié)合相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù),對(duì)其空間變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行了分析。
鉆井揭示南川地區(qū)基底為前震旦系板溪群淺變質(zhì)巖,上覆蓋層自下而上依次為震旦系、寒武系、奧陶系、志留系下統(tǒng)、二疊系、三疊系和侏羅系,缺失志留系中–上統(tǒng)、泥盆系、石炭系、白堊系、古近系和新近系。本次研究層位為志留系下統(tǒng)龍馬溪組底部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖段,巖性為黑色頁(yè)巖,按巖性和電性特征自下而上可劃分為①–⑤五個(gè)小層。
通過(guò)對(duì)南川地區(qū)三口探井(JY194–3井、SY1井、NY1井)志留系下統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段樣品開(kāi)展有機(jī)質(zhì)含量、成熟度、礦物組成、孔隙度、滲透率、巖石比表面積、氬離子拋光+掃描電鏡等測(cè)試,對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)分析均在中國(guó)石化華東油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院揚(yáng)州實(shí)驗(yàn)中心完成,氬離子拋光設(shè)備為HITACHI IM4000離子拋光裝置,掃描電鏡為ZEISS SIGMA場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。共選取灰黑色–黑色頁(yè)巖樣品40件,其中,JY194–3井樣品11件,TOC為1.65%~6.66%,平均值為3.25%;SY1井樣品17件,TOC為1.56%~7.06%,平均值為3.20%;NY1井樣品12件,TOC為2.00%~7.73%,平均值為3.14%。
掃描電鏡觀測(cè)顯示,研究區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段儲(chǔ)層孔隙以納米級(jí)為主,主要發(fā)育裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內(nèi)孔、黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔等孔隙類(lèi)型(表1)。其中,裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙和粒內(nèi)孔等屬于無(wú)機(jī)孔隙,黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔等屬于有機(jī)孔隙。南川地區(qū)常見(jiàn)的無(wú)機(jī)孔隙主要有微裂縫、礦物溶蝕孔和云母晶間縫,其中,微裂縫(圖1a)一般是沿著礦物邊緣產(chǎn)生的,延伸性較好,有利于頁(yè)巖氣的保存和運(yùn)輸;溶蝕孔(圖1b)是礦物顆粒表面受地層流體作用溶蝕形成的無(wú)機(jī)孔隙,孔徑為0.5~1.0μm,形狀多呈不規(guī)則狀;云母層間縫(圖1c)是晶間孔的一種,沿著云母片呈彎曲狀,連通性較好。前期研究表明南川地區(qū)有機(jī)孔隙發(fā)育,頁(yè)巖氣主要賦存空間為有機(jī)孔隙,常見(jiàn)的有機(jī)孔隙包括黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔和有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔。黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔(圖1d)是黃鐵礦晶體間充填的有機(jī)質(zhì)由于生烴被消耗后產(chǎn)生的孔隙的總稱(chēng),孔徑幾十到幾百納米;有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔由于有機(jī)質(zhì)與黏土礦物、硅質(zhì)等融合,在生烴過(guò)程中礦物起到反應(yīng)物或者催化劑的作用,影響孔隙的形成;同時(shí),受礦物影響,孔隙往往具有定向性(圖1e),其中,有機(jī)質(zhì)黏土復(fù)合孔(圖1f)較發(fā)育。
圖1 孔隙類(lèi)型掃描電鏡
表1 泥頁(yè)巖中孔隙類(lèi)型及相應(yīng)特征(據(jù)Slatt,2011)
本文中的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖指TOC大于2.00%的具有較好生烴潛力的黑色頁(yè)巖段,JY194–3井、SY1井、NY1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段按照巖性、電性等參數(shù)可劃分為①–⑤五個(gè)小層(表2)。下面按照小層對(duì)各井孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行描述對(duì)比。
表2 JY194–3井–SY1井–NY1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段厚度、TOC統(tǒng)計(jì)
JY194–3井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段各小層有機(jī)孔隙發(fā)育,有機(jī)孔密而圓,孔徑40.0~80.0 nm;非優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段各小層有機(jī)孔呈圓形、橢圓形、不規(guī)則形,孔徑范圍大(50.0~500.0 nm)。其中,⑤小層有機(jī)質(zhì)分布廣泛、孔隙較發(fā)育,孔徑從數(shù)十至一百多納米不等;局部伴生少量硅質(zhì)顆粒;④小層有機(jī)質(zhì)多呈細(xì)小的不規(guī)則顆粒,分布較廣泛,有機(jī)孔徑從數(shù)十至數(shù)百納米不等,但圓度較差;③小層有機(jī)質(zhì)分布廣泛、孔隙極發(fā)育,從幾十至數(shù)百納米不等,密集分布;②小層有機(jī)孔隙密集發(fā)育,孔徑多小于100.0 nm,分布廣泛;①小層有機(jī)質(zhì)分布廣泛、孔隙極發(fā)育,從數(shù)十至數(shù)百納米不等,密集分布,局部伴生黏土礦物。
SY1井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段各小層有機(jī)孔隙發(fā)育,其中,⑤小層孔徑多為60.0 nm,密度中等,呈不規(guī)則狀,連通差;④小層孔徑可達(dá)數(shù)百納米,密度低,呈不規(guī)則狀,連通差;③小層孔徑50.0~200.0 nm,密度低,呈橢圓狀,連通性一般;②小層孔徑以60.0 nm為主,部分可達(dá)數(shù)百納米,密度高,呈不規(guī)則狀,連通較好;①小層孔徑多小于30.0 nm,密度高,圓度高,連通較好。
NY1井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段上部(⑤、④小層)以無(wú)機(jī)孔隙為主,下部(③、②、①小層)以有機(jī)孔隙為主,隨著深度增加,有機(jī)孔越來(lái)越發(fā)育,直至①小層最為發(fā)育,而無(wú)機(jī)孔隙則顯著減少。有機(jī)孔隙孔徑以10.0~100.0 nm為主,部分孔徑達(dá)到200.0 nm以上,最大的接近1 000.0 nm。同時(shí)孔隙形態(tài)和大小變化較大,部分孔隙呈橢圓形或近圓形,邊緣較平滑;部分孔隙呈不規(guī)則狀,棱角分明;在大孔周?chē)植贾鵁o(wú)數(shù)細(xì)小的微孔,與大孔的直徑相差30~100倍。⑤小層孔徑以20.0 nm為主,密度極低,呈橢圓狀,連通差;④小層孔徑以30.0 nm為主,密度極低,呈橢圓狀,連通差;③小層孔徑以50.0 nm為主,密度低,呈橢圓狀,連通性一般;②小層未取樣;①小層孔徑以30.0 nm為主,密度高,圓度較高,連通較好。
頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育受到頁(yè)巖有機(jī)碳含量、礦物成分等多種因素影響。
南川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段比表面積、孔隙度與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)關(guān)系(圖2、3),比表面積與TOC相關(guān)性因數(shù)較大(圖2);由于本地區(qū)無(wú)機(jī)孔隙對(duì)孔隙度也有貢獻(xiàn),且孔隙度測(cè)試樣品較少,因而孔隙度與TOC相關(guān)性因數(shù)較小,但仍然可見(jiàn)弱相關(guān)趨勢(shì),即有機(jī)碳含量越高,有機(jī)孔隙越多,比表面積越大,孔隙度越大。這反映了TOC是影響頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度與比表面積的重要因素之一。
圖2 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段比表面積與有機(jī)碳含量(TOC)關(guān)系
圖3 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段孔隙度與有機(jī)碳含量(TOC)關(guān)系
JY194–3井和SY1井①–⑤小層優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖TOC縱向上均有隨深度增加先增大后減小的趨勢(shì)(圖4),受TOC影響,縱向上隨著深度的增加有機(jī)孔隙有先增多后減少的趨勢(shì),與掃描電鏡觀察結(jié)果(表4)一致;平面上,JY194–3井TOC大于SY1井和NY1井(圖4),受TOC影響,JY194–3井有機(jī)孔隙發(fā)育程度優(yōu)于SY1井和NY1井,這與比表面積平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)一致,也與掃描電鏡觀察結(jié)果(表4)一致。再次證明了優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段比表面積、孔隙度與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)。有機(jī)孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)頁(yè)巖氣具有較強(qiáng)的吸附和儲(chǔ)集能力。
圖4 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段TOC對(duì)比
表3 各井優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段比表面積對(duì)比 m2/g
表4 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段有機(jī)孔主要孔徑值及其密度
頁(yè)巖礦物成分影響頁(yè)巖儲(chǔ)層抗壓性,礦物成分不同,孔隙在壓實(shí)作用下的保存程度不同。一般而言,脆性礦物抗壓性較高,在壓實(shí)作用過(guò)程中可以支撐孔隙,有利于孔隙保存。南川地區(qū)脆性礦物含量較高(表5),孔隙度與石英含量呈弱正相關(guān)關(guān)系(圖5)。
圖5 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段孔隙度與石英含量關(guān)系
表5 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段頁(yè)巖礦物成分 %
(1)氬離子拋光+掃描電鏡分析表明,南川地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙以納米級(jí)為主,主要發(fā)育裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內(nèi)孔、黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔等孔隙類(lèi)型。其中,裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙和粒內(nèi)孔等屬于無(wú)機(jī)孔隙;黃鐵礦礦物晶間有機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合孔屬于有機(jī)孔隙,有機(jī)質(zhì)黏土復(fù)合孔較常見(jiàn),且有機(jī)孔隙多呈不規(guī)則狀、橢圓形、圓形,孔徑為10.0~100.0 nm。
(2)南川地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段儲(chǔ)層孔隙發(fā)育的影響因素分析表明,頁(yè)巖的有機(jī)碳含量和礦物成分含量影響孔隙發(fā)育,頁(yè)巖有機(jī)碳含量越高,有機(jī)孔隙越多,石英含量高有利于孔隙生成與保存??傊紫抖扰c有機(jī)碳含量、石英含量呈正相關(guān)關(guān)系。
(3)南川地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段孔隙發(fā)育情況受TOC影響,縱向上表現(xiàn)為各小層孔隙度與TOC正相關(guān),且TOC大的小層掃描電鏡觀察到的有機(jī)孔隙更發(fā)育,孔隙密度更大、孔徑更大;平面上表現(xiàn)為T(mén)OC較大的井孔隙發(fā)育較好,JY194–3井有機(jī)孔隙密度高、孔徑較大(20.0~100.0 nm),SY1井有機(jī)孔隙密度較高、孔徑較大(20.0~80.0 nm),NY1井有機(jī)孔隙密度低、孔徑較大(10.0~50.0 nm)。