贛東北泥頁巖儲層孔裂隙特征及影響因素分析

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實驗室 中國礦業大學，江蘇 徐州 221116;2.中國礦業大學，江蘇 徐州 221008)

引 言

頁巖氣是一種新型的非常規油氣資源，由于資源潛力巨大，受到廣泛關注?？紫短卣魇莾踊咎卣髦唬彩莾犹卣餮芯康闹攸c內容，直接影響泥頁巖儲層物性和頁巖氣開采條件。泥頁巖儲層屬于超致密油氣儲層。國內外研究表明［1－2］，頁巖儲層孔裂隙已達納米量級。國內對泥頁巖儲層的孔隙特征研究主要集中于四川盆地及其周緣地區［3－4］，頁巖氣資源潛力巨大的贛東北地區相關研究剛剛起步。通過研究贛東北荷塘組泥頁巖孔裂隙類型、發育規模、孔隙結構等特征，探討影響孔裂隙發育的因素，為贛東北地區頁巖氣資源評價和地質選區提供儲層孔裂隙地質信息。

1 贛東北荷塘組泥頁巖發育特征

野外露頭調查及實測剖面表明，贛東北荷塘組分布穩定，主要出露于上饒、玉山一帶，地層厚度為448 m，以薄層狀硅質頁巖、鈣質泥巖、粉砂巖、含炭硅質頁巖、炭質頁巖為主，其中富有機質泥頁巖厚度為32～137 m，分布面積為1.807×104km2，累計厚度大、單層有效厚度也大。

研究區荷塘組泥頁巖儲層有機質豐度較高，TOC值最高達11.40%，平均為5.75%，遠高于美國商業性頁巖氣開發TOC值(2.0%)的下限［5］。據樣品Ro值統計，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，中國南方富有機質頁巖Ro高達3.5% ～4.0%仍具良好的儲集性能［6］。因此，贛東北荷塘組泥頁巖有較大的頁巖氣生成和儲集潛力。據XRD測試結果，荷塘組泥頁巖儲層富石英、長石等脆性礦物含量為18.94%～51.85%。此類儲層性質硬脆，對壓裂作業反應敏感，能迅速形成復雜的網狀裂縫［7］。

2 孔裂隙特征分析

2.1 裂縫發育特征及作用

2.1.1 宏觀裂縫

贛東北地區泥頁巖儲層發育的宏觀裂縫以大型剪性裂縫為主，產狀穩定，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，為數米至數十米，呈大規模垂直裂縫、“X”型共軛剪裂縫、3組交錯型剪裂縫，偶見方解石充填。宏觀裂縫形成的裂縫系統利于壓裂液注入，水壓隨裂縫跟蹤傳遞，壓裂裂縫擴展速度快［8］，利于儲層改造。

2.1.2 微裂縫

微裂縫一般是指寬度小于10 μm的微型裂縫，是泥頁巖儲集性能及導流性提高的重要途徑。泥頁巖的有機質顆粒、黏土礦物等均發育大量微裂縫。據楊峰等人研究，可以分為粒內微裂縫和粒緣微裂縫2類。贛東北地區泥頁巖儲層中，微裂縫極為發育，微裂縫寬度為0.5～30.0 μm不等，延伸長度較大，呈條狀、環狀(圖1a)、樹枝狀等，平行、斜交或垂直于層理，一般為開放型裂縫。微裂縫發育類型多樣，不僅有粒內微裂縫(圖1c)、粒緣微裂縫(圖1a)，還發育大量寬度大、延伸遠、連通大量粒緣微裂縫的綜合型微裂縫(圖1b、1d)。粒內微裂縫呈樹枝狀，較為彎曲，無膠結物充填。粒緣微裂縫產狀取決于顆粒形狀，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，增加了孔隙連通程度。

圖1 贛東北荷塘組泥頁巖儲層掃描電鏡圖版

2.2 孔隙結構特征及成因類型

2.2.1 孔隙結構特征

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

2.2.2 孔隙類型

贛東北地區荷塘組泥頁巖孔隙類型主要有黏土礦物間孔和有機質內部孔。

(1)黏土礦物間孔。贛東北地區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進行樣品分析(圖2):圖2中a點主要元素為K、Al、Si、O，晶粒細小，判定為伊利石，發育大量粒內孔隙;圖2中 b點主要元素為 Al、Si、O、C，蠕蟲狀，判定為高嶺石，膠結致密，并有膠結物內裂縫發育;圖 2 中 c 點主要元素為 Mg、Al、Si、O、Ca、C，片狀、層狀，判定為蒙脫石及方解石，發育層間裂縫、層內裂縫。

(2)有機質內部孔。泥頁巖儲層中的有機質可以分為分散狀有機質、連續狀有機質［9］，分散其中的孔隙為有機質內部孔。贛東北荷塘組泥頁巖有機質含量高，部分樣品在10%以上。利用ESEM對贛東北荷塘組泥頁巖儲層有機質內部孔研究發現，儲層發育大量有機質內部孔，孔徑為1～10 μm，呈圓形、橢圓形、不規則形，彼此孤立，連通性不好(圖1k、l)，次生孔隙較少。

3 孔裂隙發育影響因素分析

3.1 構造作用

圖2 贛東北荷塘組頁巖氣儲層孔隙能量色散X射線光譜分析圖版

贛東北古生界頁巖受印支、喜馬拉雅期構造運動強烈改造，在局部出現小揉皺和斷裂帶。頁巖儲層成巖后，受后期構造運動而產生的構造裂縫，規模大、連通好，展布有一定的的規律性。各類構造運動是贛東北地區宏觀裂縫形成及改造的主控因素，控制裂縫發育數量及展布規律。受構造作用影響，裂縫組合構型主要有:平行裂縫，由產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);錯斷型裂縫，先期裂縫形成后，受后期構造運動影響，產生錯斷型裂縫(圖3a、b、c)，是巖層受多期構造運動疊加作用的結果;交錯型裂縫，被切割裂縫無明顯錯斷，包括垂直裂縫、“X”型共軛剪裂縫等，是巖層受同期構造剪應力的產物;雜亂型裂縫，裂縫展布無規律性，巖石受多期較強構造破壞所致，連通性較好。充填狀況具有差異性，先期裂縫充填嚴重，末期裂縫無充填(圖3d)。

圖3 贛東北荷塘組泥頁巖儲層宏觀裂縫發育類型

3.2 礦物組成

脆性礦物、黏土礦物、有機質等的含量與儲層裂縫發育程度具一定的相關性［4］:孔隙度與有機質含量之間存在較強的正相關關系;黏土礦物、脆性礦物含量與比表面積有一定正相關性。贛東北荷塘組泥頁巖儲層有機質、石英、方解石含量較高。豐富的有機質是微孔的主要載體。脆性礦物是控制裂縫發育程度的主要內在因素之一。石英含量較高，儲層脆性提高，易形成規模較大的綜合型天然裂縫。同時，礦物成分對孔隙形態具一定的控制作用。有機質內發育的孔隙數量多，孔徑小，連通性差;脆性礦物發育的孔裂隙尺寸較大，連通性好，形態多樣;黏土礦物內部孔隙多不規則，數量多，連通性差。

3.3 巖漿活動

巖漿侵入體在贛東北地區較為普遍，集中于望仙鄉周緣(圖4)、大茅山—懷玉山—三清山一線及八都鎮周緣地區。巖漿活動促進了石英等晶體的重結晶作用(圖1i)，產生晶間孔隙;侵入體與頁巖接觸帶受后生作用改造易形成破碎帶，產生大量后生裂縫。但巖漿活動影響的儲層，受巖漿侵入體形態影響，儲層物性變化較大，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量眾多，延伸性及連通性較差。影響贛東北地區孔裂隙發育的成巖作用主要表現為填隙物的充填作用。根據填隙物類型可以把頁巖孔裂隙充填作用分為鈣質充填、硅質充填、黏土礦物充填、鐵質充填等類型，螢石、天青石、鉀鹽、重晶石等也可以充填物的形式出現在孔裂隙之間。贛東北地區主要發育鈣質充填(圖3)、黏土礦物充填(圖1b)、硅質充填(圖1i)。泥頁巖儲層發育大量納米級孔隙，充填作用易影響泥頁巖儲層物性，充填物含量高，孔隙被充填，原生孔隙減少，連通性變差，儲層滲流能力降低，孔隙結構更為復雜，物性變差。

圖4 贛東北望仙鄉侵入體發育情況

3.5 生氣壓裂作用

局部(微米—納米級)泥頁巖儲層在生氣過程中，烴濃度不斷升高，產生超高壓并超過巖石破裂極限，壓裂巖石產生微裂縫(圖1c)。此類裂縫一般為微米—納米級，發育于顆粒或晶粒內部，樹枝狀，無固定形貌，規模小、數量大，包括大部分粒內微裂縫，少數粒緣微裂縫、綜合型微裂縫。

4 結論

(1)贛東北荷塘組分布穩定，其中黑色富有機質泥頁巖累計厚度、單層有效厚度均較大。TOC值最高達11.40%，平均為5.75%，遠高于美國商業性頁巖氣開發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質頁巖具備較大的頁巖氣生成、儲集及開發的潛力。

(2)贛東北地區泥頁巖儲層發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，呈大規模垂直裂縫、“X”型共軛剪裂縫、3組交錯型剪裂縫，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孔隙最為發育?？紫缎螒B多樣，表現出不同的組合形式?？紫额愋椭饕叙ね恋V物間孔、有機質內部孔。

(3)荷塘組泥頁巖儲層孔裂隙發育影響因素為構造作用、礦物組成、巖漿活動、成巖作用、沉積作用和生氣壓裂作用等。其中構造運動是荷塘組宏觀裂縫形成及改造的主控因素，控制裂縫發育數量及展布規律。受構造作用影響，裂縫組合構型主要有平行裂縫、錯斷型裂縫、交錯型裂縫、雜亂型裂縫。

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