摘 要

摘　要：下志留统龙马溪组是四川盆地南部重要的烃源岩和页岩气勘探层位，为查明其有利储层的发育特征及其影响因素，通过对昭通、长宁、威远地区7口页岩气井的钻井岩心观察及野外

摘　要：下志留统龙马溪组是四川盆地南部重要的烃源岩和页岩气勘探层位，为查明其有利储层的发育特征及其影响因素，通过对昭通、长宁、威远地区7口页岩气井的钻井岩心观察及野外露头地质调查，结合岩石薄片鉴定、扫描电镜观察、比表面积测定以及岩石物性等分析结果，明确了该区龙马溪组页岩地层展布、岩性组合、矿物组成、储集空间类型等特征：①龙马溪组页岩在地层发育、岩性组合及富有机质程度上具有很强的各向异性，有效页岩储层以高有机质层段为主；②页岩储层具有高成岩作用、高热演化程度特点，发育无机物质孔、有机物质孔和微裂缝等储集空间类型；③对页岩气储集有贡献的主要是黏土矿物层间孔和有机质孔，孔径分布在50nm～2mm，其形成与黏土矿物和有机质的含量、成岩作用及有机质热演化作用有关。在此基础上，分析认为：页岩沉积环境、矿物组成、有机质含量是影响页岩储集能力的重要因素，有机物质富集有利于页岩气的生成与吸附，脆性矿物的存在提高了储层的脆性，有利于储层的增产改造。

关键词：四川盆地南部  早志留世  龙马溪期  页岩  有利储层  储集空间类型  影响因素  脆性矿物

Favorable reservoir characteristics of the Longmaxi shale in the southern Sichuan Basin and their influencing factors

Abstract：Important source rocks were found in the Lower Silurian Longmaxi Fm which is also regarded as a shale gas exploration target in the southern Sichuan Basin．In order to understand its favorable reservoir characteristics and their influential factors，we observed the cores of 7 shale gas wells in Zhaotong，Changning and Weiyuan areas and made geologic investigation of outcrops．In addition,we also collected Various data such as thin section test，SEM，specific surface area measurenlent and physical properties analysis．All these data were integrated to study the distribution，lithology combinations，mineral composition and reservoir space types of the Longmaxi shale in the study area．The following conclusions were obtained．First，the Longmaxi shale is strongly anisotropic in formation development，lithologic assemblage and organic abundance．The effective shale reservoirs are dominated by shale intervals with a high orgamc content．Second，the shale reservoirs are featured by high diagenesis，high thermal maturity，and multiple reservoir space types including inorganic pores，organic Pores and microfractures．Third，the interlayer pores of clay minerals and organic pores with diameters in the range of 50nm-2mm are effective for shale gas storage and their formation is controlled by the content of clay minerals and organic matters，diagenesis and therreal evolution of organic matters．It is concluded that sedimentarv environment,mineral composition and organic content are the major factors influencing shale reservoir quality，that the enrichment of organic matters is favorable for the generation and adsorption of shale gas，and that a high content of brittle minerals is favorablc for reservoir stimulation．

Keywords：southern Sichuan Basin，Early Silurian，Longmaxi Formation，shale，favorable reservoir，rcservoir space type，influential factor．britl le Injneral

1　沉积特征

下志留统龙马溪组不仅是四川盆地的主力牛烃层系^[1]，也是页岩气勘探的有利目标层段。根据前人的研究成果，原始沉积环境、矿物组成和成岩作用的差异造成页岩地层在时空展布、岩性组合、富有机物质富集程度等上具有很强的差异性^[2-4]。笔者通过川南地区7口页岩气井的岩心观察及详细描述，结合区域地质露头剖面调查成果(图1)，将川南地区龙马溪组页岩按颜色、岩性、颗粒大小及含化石情况划分为黑色笔石页岩、黑色碳质页岩、黑色硅质页岩、黑色钙质页岩、深灰灰黑色粉砂质页岩、浅灰灰黑色页岩夹灰色粉砂岩条带和灰绿色泥质页岩等7种主要岩性。页岩中发育水平层理，沉积构造变化不大，表明地层长期处于水动力较弱的沉积环境；局部层段见滑动变形构造，反映在相对静水的低能沉积过程中伴生有能量相对较大的事件性沉积；可见黄铁矿沉积，指示较弱的水动力条件和低能的还原沉积环境；底部页岩灰质含量高，反映沉积时水体盐度较高。整体自下而上页岩颜色由黑变浅，化石变少，有机质含量小断减少，沉积水体由深变浅^[5]。从该区龙马溪组页岩含气量来看，龙马溪组页岩有利层段集中在底部的黑色富有机质页岩层段中，为深水陆棚欠补偿环境下的产物(表1)。深水陆棚相富含双列笔石，如栅笔石、雕笔石、藤笔石等，代表水深100～200m的深水沉积，发育水平层理及均质层理，深水陆棚相有机质含量极高，一般大于2.0％，富含黄铁矿。

通过对川南地区钻井岩心分层，结合区域地层调研资料统计分析，龙马溪组主要发育在黔中隆起以北、川中隆起以南的较深水的非补偿性缺氧环境中。受黔中古隆起的影响，在南部靠近古隆起边缘的地区沉积厚度较薄，向北东方向厚度增大，处于沉积中心附近的页岩厚度最大。在川中古隆起，龙马溪组受地层抬升遭受剥蚀，在靠近古隆起边缘的地区富含有机质页岩厚度较薄，向南东方向厚度增大。龙马溪组整体厚度虽然较大，但有利层段厚度并不大(图1)。

 

 

2　矿物组成及储集空间

2．1　矿物组成

通过对龙马溪组页岩全岩矿物X射线衍射分析及扫描电镜观察，矿物组成包括石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿、黏土矿物、有机质和化石碎片，少量的锆石、黑云母、石膏、闪锌矿、金红石、重晶石。黏土矿物主要为伊利石、伊蒙混层(I／S)与绿泥石，伊利石相对含量介于77％～95％，平均为84.1％，绿泥石相对含量介于30～20％，平均为15.4％。脆性矿物主体以石英、碳酸盐岩矿物和长石为主，含量介于27.4％～89.00，平均为50.9％(其中，石英含量介于10.5％～66.2％，平均为28.7％；方解石含量介于0～22.6％，平均为7.9％；长石含量介于0～11.9％，平均为4.5％。Vl井长石为斜长石，Nl井中既有斜长石也有钾长石)。

页岩沉积物源及沉积相的差异，造成在区域上矿物组成的差异较大。长宁地区的深水陆棚相脆性矿物含量相对威远地区高一些，平均在75.9％～84.3％，其中石英含量介于21.7％～37.4％，含气量相对较高，主要分布在2.6～6.5m³／t。而威远地区的深水陆棚相页岩脆性矿物含量为21.3％～66.6％，石英含量介于18.1％～66.2％，含气量为2.3～3.2m³／t。半深水陆棚相页岩的矿物组成含量规律与深水陆棚相基本相同，长宁地区半深水陆棚页岩的脆性矿物含量要比威远地区略高，平均在37.4％～58.2％，其中石英含量介于22.5％～32.0％，具有较高的含气性，含气量介于1.0～3.0m³／t。而威远地区的深水陆棚相页岩脆性矿物含量在18.1％～31.2％，石英含量介于l0.5％～25.2％，含气量介于1.0～2.9m³／t，含气性与长宁地区大致相当。浅水陆棚相只发育在威远地区，长宁地区缺失。威远地区的浅水陆棚主要为泥质沉积物源，泥质含量极高，脆性矿物含量较少，仅有29.3％～31.8％，其中石英含量为28.5％～29.3％。

2．2　储集空间

2．2．1储集空间类型

通过岩心、岩石显微薄片和场发射扫描电镜下观察，龙马溪组页岩孔隙和微裂缝十分发育。据粗略观察统计，龙马溪组页岩主要发育黏土矿物层间孔、有机质孔和构造裂缝等10种孔隙与裂缝，按其成因类型划分为基质无机孔、有机孔和微裂缝3大类(表2)。其中黏土矿物层间孔连通性好，孔隙直径介于100nm～2mm，黏土矿物层间孔占总孔隙的45％～55％；有机质孔主要发育在富有机质页岩层段，孔隙直径介于50～500nm的数量众多，有机质孔占总孔隙的15％～25％；构造裂缝多数被胶结物充填，不具备储集能力，页岩气的渗流通道主要为微裂隙^[6-7]，但方解石充填缝在人工压裂中可重新开启，提高页岩储层渗透性。

 

2．2．2孔隙定量表征

页岩储层的储集空间孔径多以纳米级计^[8-11]，平均孔喉半径为5nm左右^[9]，储集空间孔隙度取决于孔径小于于10mm的孔隙发育程度^[12]。笔者采用的是低温气体吸附方法对岩心样品进行孔隙分布和孔径大小进行定量表征。低温氮气吸附法测定范围是2～100nm，其原理是通过气体的吸附与脱附气量随压力的变化，按不同的孔模型对孔分布、孔容积和比表面积

进行计算，通常使用的是BET公式计算比表面积，BJH方程计算体积分布。实验结果显示，龙马溪组页岩的比表面积分布在3.017～30.055m²／g，平均为14.726m²／g；孔隙直径在2～100nm的孔隙体积为4.460×10^-3～3.039×10^-2cm³／g，平均为l.430×10^-2m³／g，孔隙直径小于2nm的孔隙体积为0～7.0×10^-3cm³／g，平均为2.4×10^-3cm³／g，总孔容分布在4.460×10^-3～3.639×10^-2cm／g，平均为l.670×10^-2cm³／g。

2．2．3龙马溪组页岩储层孔隙发育成因模式

页岩中孔隙的形成受多种因素控制，包括沉积原始矿物组成、结构、构造、有机质含量、流体、水文条件以及沉积速率和埋藏深度^[13]。其中，成岩演化作用是重要的影响因素，在不同成岩作用阶段孔隙演化特征不同(图2)。沉积初期主要是机械堆积成冈的粒间孔。随着埋深及上覆地层压力增大，松散沉积物固结成岩，地层中的流体快速排出，有机质开始生物降解。粒间孔逐渐减少，塑性颗粒变形充填到粒间孔中加剧了孔隙的损失^[13]。随埋深进一步增加，进入大量生排烃阶段(油气生成窗)，生烃后有机质体积缩小以及气体生成时体积膨胀造成有机质中产生大量孔隙^[14]，同时在生烃的过程中产生大量的有机酸、CO2和水。易溶矿物颗粒(如方解石、长石)发生溶蚀作用形成溶蚀孔或溶蚀缝。同时黏土矿物发生一系列成岩变化，以蒙脱石向伊利石(或绿泥石)的转化最为重要。在这个变化过程中，伴随着矿物结构和化学组成的变化，析出大量层间水。由于黏土矿物脱水作用，形成了大量的黏土矿物层间孔和成岩收缩缝。有机酸溶解的钙质矿物和黏土矿物脱水析出的钙质矿物易在溶蚀缝、成岩收缩缝及层间页理缝中形成钙质沉淀，微裂缝多被方解石充填。

 

川南龙马溪组页岩具有高成岩和高热演化的特征，主要发育黏土矿物层间孔和有机质孔。影响孔隙形成的主要因素是黏土矿物脱水作用和有机质生烃作用。此时，脆性矿物粒间孔在压实及压溶作用下急剧减少，有机质孔与黏土矿物层间孔大量发育，在有机酸的作用下还发育少量的溶蚀孔及溶蚀缝。

3　影响有利储层发育的因素

3．1　有机质

有机质利于页岩气的吸附^[15]，有机质含量越高吸附气量越大(图3-a)，同时有机质还有利于孔隙的形成^[16]。有机质孔的形成是在油气生成过程中，有机质体积缩小及气体体积膨胀^[17-18]，并随着地温的升高及热成熟度的增加随之增多^[12，19]。有研究发现，在热裂解作用下，有机质损失35％可形成4.9％的净有效储集空间^[20]。但有机质丰度与页岩孔隙度并不存在相关关系(图3-b)，这与有机质孔之间相互连通性较差有关。

 

龙马溪组富有机质页岩中有机质孔十分发育，为页岩气的赋存提供了储集空间。页岩中的有机物质大多以分散状分布在矿物颗粒中或包裹在矿物颗粒周围，由于沉积的原始有机母体不同，有机质孔形态各异，呈蜂窝状、线状、串珠状及复杂网状等。由于黏土矿物具有强烈的吸附作用，一部分有机质被黏土矿物吸附，在多孑L絮状体内聚集，这种黏土矿物+有机质的集合体还经常充填在黄铁矿的晶体周围。这些被黏土矿物吸附的有机质中也发育一定的孔隙空间。

3．2　黏土矿物

龙马溪组页岩Si／Al高的总孔隙体积相对较低，随着硅酸铝含量的增加，Si／Al降低，孔隙度增加(图4)。黏土矿物含量与页岩孔隙度呈正相关^[21]，富含黏土矿物(低Si／Al比)的页岩要比富含硅质(高Si／Al比)的页岩总孔隙度大，这与黏土矿物中铝硅酸盐的开放孔隙有关。根据前人研究结果，富含黏土矿物(低Si／Al比)的页岩孔隙直径小于10nm，呈单峰分布，总孔隙度为5.6％，而富含硅质(高Si／Al比)页岩无微孔和中孔，总孔隙度为1％^[22]。

 

3．3　脆性矿物

不同沉积亚相类型的页岩中矿物组成结构不同。龙马溪组底部的深水陆棚相页岩较其他层位的页岩具有更高的脆性矿物含量。页岩中石英的来源除了是细粒低变质岩、风化作用中粗颗粒的破碎、搬运过程中的磨蚀以及黏土成岩过程中的石英之外，还包括生物成因蛋白石的重结晶^[23]形成的生物成因石英矿物。龙马溪组底部的页岩主要来自于深水陆棚相沉积，深水陆棚相沉积中富含大量生物，含硅质(如硅藻、放射虫、海绵骨针等)及碳酸盐矿物的(如有孔虫和超微化石等)生物的富集提供了生物成因的脆性矿物，因此含有更高的脆性矿物。龙马溪组页岩有机质越高，脆性矿物含量越高，具有较高的杨氏模量和较低的泊松比(表3)，表明岩石脆性越好^[13]，越容易形成天然裂缝和人工诱导缝，可以有效改善储层物性及提高压裂的成功率。根据美国页岩气开采经验，产气层段主要是硅质或钙质含量较高的细粒岩层，纯泥岩或页岩段几乎不产气，页岩产气率随着脆性矿物含量的增加而增加。压裂梯度与页岩中的黏土、石英和碳酸盐岩含量有关^[24]。在人工压裂中富含硅质的页岩要比富含黏土质页岩更容易被压裂^[25]。

 

由上可见，页岩的黏土矿物含量可以影响页岩的吸附性以及孔隙的大小，而脆性矿物的存在又可以提高岩石脆性，有利于形成天然裂缝及在压裂中形成人工诱导缝。对于某一个地区或气区来说，究竟黏土矿物与脆性矿物的相对含量有多少是最利于页岩气的富集和产出，还需要结合实际地质情况及其他各项参数来确定。

4　结论

1)川南地区龙马溪组页岩按岩石颜色、岩性、颗粒大小以及化石发育情况划分为黑色笔石页岩、黑色碳质页岩、黑色硅质页岩、黑色钙质页岩、深灰—灰黑色粉砂质页岩、浅灰  灰黑色页岩夹灰色粉砂岩条带和灰绿色泥质页岩7种岩性。由于沉积环境的差异，不同地区龙马溪组页岩的地层发育特征和岩性组合差异较大。

2)龙马溪组页岩有利层段集中在底部的深水陆棚相黑色富有机质页岩层段中，富含双列笔石，如栅笔石、雕笔石、藤笔石等，代表水深100～200m的深水沉积，发育水平层理及均质层理，有机质含量极高。虽然龙马溪组整体厚度较大，但是有利层段厚度并不大。

3)龙马溪组页岩具有高成岩和高成熟的特征，主要发育黏土矿物层间孔、有机质孔和构造裂缝等10种孔隙与裂缝，其中黏土矿物层间孔连通性好，有机质孔发育在富有机质页岩层段，构造裂缝多数被胶结物充填。对页岩气储集有贡献的主要是黏土矿物层间孔和有机质孔，孔径分布在50nm～2mm，其形成与黏土矿物和有机质的含量、成岩作用和有机质热演化作用有关。

4)页岩沉积环境、矿物组成、有机质含量是影响页岩储集能力的重要因素，有机质和黏土矿物利于页岩气的吸附，同时还有利于孔隙的形成；脆性矿物可以增加岩石的脆性利于储层改造，生物成因的脆性矿物提高了龙马溪组有利储层的岩石脆性。

 

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本文作者：蒲泊伶  董大忠  耳闯  王玉满  黄金亮

作者单位：中国石油勘探开发研究院

  中尉石油集团科学技术研究院

  西安石油大学地球科学与工程学院