南川地區龍馬溪組優質頁巖段微觀孔隙結構特征

劉娜娜

（中國石化華東油氣分公司勘探開發研究院，江蘇南京 210011）

近年來，隨著四川盆地及周緣頁巖氣勘探開發的不斷深入，渝東南龍馬溪組頁巖氣已成為非常規油氣的焦點，對四川盆地志留系下統龍馬溪組頁巖孔隙結構特征方面也已開展了大量研究工作[1–6]，與常規油氣儲層相比，頁巖儲層的孔隙孔徑更小，結構更復雜[7–14]，氬離子拋光+掃描電鏡是觀測頁巖儲層微觀孔隙特征和研究頁巖儲層結構的重要手段[15–17]。南川地區位于四川盆地東南緣，屬于中國石化頁巖氣礦權區塊，本文通過對南川地區三口探井志留系下統龍馬溪組優質頁巖段樣品的系統觀察，開展了研究區內龍馬溪組優質頁巖段孔隙結構特征研究，并結合相關測試數據，對其空間變化規律及影響因素進行了分析。

1 地質特征

鉆井揭示南川地區基底為前震旦系板溪群淺變質巖，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、二疊系、三疊系和侏羅系，缺失志留系中–上統、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龍馬溪組底部優質頁巖段，巖性為黑色頁巖，按巖性和電性特征自下而上可劃分為①–⑤五個小層。

2 孔隙特征

通過對南川地區三口探井（JY194–3井、SY1井、NY1井）志留系下統龍馬溪組優質頁巖段樣品開展有機質含量、成熟度、礦物組成、孔隙度、滲透率、巖石比表面積、氬離子拋光+掃描電鏡等測試，對頁巖儲層微觀孔隙結構及其變化規律進行分析。實驗分析均在中國石化華東油氣分公司勘探開發研究院揚州實驗中心完成，氬離子拋光設備為HITACHI IM4000離子拋光裝置，掃描電鏡為ZEISS SIGMA場發射掃描電子顯微鏡。共選取灰黑色–黑色頁巖樣品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%。

2.1 孔隙類型

掃描電鏡觀測顯示，研究區內優質頁巖段儲層孔隙以納米級為主，主要發育裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內孔、黃鐵礦礦物晶間有機孔、有機質礦物復合孔等孔隙類型（表1）。其中，裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙和粒內孔等屬于無機孔隙，黃鐵礦礦物晶間有機孔、有機質礦物復合孔等屬于有機孔隙。南川地區常見的無機孔隙主要有微裂縫、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生的，延伸性較好，有利于頁巖氣的保存和運輸；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機孔隙，孔徑為0.5～1.0μm，形狀多呈不規則狀；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有機孔隙發育，頁巖氣主要賦存空間為有機孔隙，常見的有機孔隙包括黃鐵礦礦物晶間有機孔和有機質礦物復合孔。黃鐵礦礦物晶間有機孔（圖1d）是黃鐵礦晶體間充填的有機質由于生烴被消耗后產生的孔隙的總稱，孔徑幾十到幾百納米；有機質礦物復合孔由于有機質與黏土礦物、硅質等融合，在生烴過程中礦物起到反應物或者催化劑的作用，影響孔隙的形成；同時，受礦物影響，孔隙往往具有定向性（圖1e），其中，有機質黏土復合孔（圖1f）較發育。

圖1 孔隙類型掃描電鏡

表1 泥頁巖中孔隙類型及相應特征（據Slatt，2011）

2.2 孔隙結構特征

本文中的優質頁巖指TOC大于2.00%的具有較好生烴潛力的黑色頁巖段，JY194–3井、SY1井、NY1井龍馬溪組優質頁巖段按照巖性、電性等參數可劃分為①–⑤五個小層（表2）。下面按照小層對各井孔隙結構特征進行描述對比。

表2 JY194–3井–SY1井–NY1井龍馬溪組優質頁巖段厚度、TOC統計

JY194–3井優質頁巖段各小層有機孔隙發育，有機孔密而圓，孔徑40.0～80.0 nm；非優質頁巖段各小層有機孔呈圓形、橢圓形、不規則形，孔徑范圍大（50.0～500.0 nm）。其中，⑤小層有機質分布廣泛、孔隙較發育，孔徑從數十至一百多納米不等；局部伴生少量硅質顆粒；④小層有機質多呈細小的不規則顆粒，分布較廣泛，有機孔徑從數十至數百納米不等，但圓度較差；③小層有機質分布廣泛、孔隙極發育，從幾十至數百納米不等，密集分布；②小層有機孔隙密集發育，孔徑多小于100.0 nm，分布廣泛；①小層有機質分布廣泛、孔隙極發育，從數十至數百納米不等，密集分布，局部伴生黏土礦物。

SY1井優質頁巖段各小層有機孔隙發育，其中，⑤小層孔徑多為60.0 nm，密度中等，呈不規則狀，連通差；④小層孔徑可達數百納米，密度低，呈不規則狀，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，部分可達數百納米，密度高，呈不規則狀，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井優質頁巖段上部（⑤、④小層）以無機孔隙為主，下部（③、②、①小層）以有機孔隙為主，隨著深度增加，有機孔越來越發育，直至①小層最為發育，而無機孔隙則顯著減少。有機孔隙孔徑以10.0～100.0 nm為主，部分孔徑達到200.0 nm以上，最大的接近1 000.0 nm。同時孔隙形態和大小變化較大，部分孔隙呈橢圓形或近圓形，邊緣較平滑；部分孔隙呈不規則狀，棱角分明；在大孔周圍分布著無數細小的微孔，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。

3 孔隙發育影響因素

頁巖儲層孔隙發育受到頁巖有機碳含量、礦物成分等多種因素影響。

3.1 有機碳含量（TOC）

南川地區優質頁巖段比表面積、孔隙度與有機碳含量呈正相關關系（圖2、3），比表面積與TOC相關性因數較大（圖2）；由于本地區無機孔隙對孔隙度也有貢獻，且孔隙度測試樣品較少，因而孔隙度與TOC相關性因數較小，但仍然可見弱相關趨勢，即有機碳含量越高，有機孔隙越多，比表面積越大，孔隙度越大。這反映了TOC是影響頁巖儲層孔隙度與比表面積的重要因素之一。

圖2 優質頁巖段比表面積與有機碳含量（TOC）關系

圖3 優質頁巖段孔隙度與有機碳含量（TOC）關系

JY194–3井和SY1井①–⑤小層優質頁巖TOC縱向上均有隨深度增加先增大后減小的趨勢（圖4），受TOC影響，縱向上隨著深度的增加有機孔隙有先增多后減少的趨勢，與掃描電鏡觀察結果（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井有機孔隙發育程度優于SY1井和NY1井，這與比表面積平均值統計結果（表3）一致，也與掃描電鏡觀察結果（表4）一致。再次證明了優質頁巖段比表面積、孔隙度與有機碳含量呈正相關。有機孔隙內部結構復雜，對頁巖氣具有較強的吸附和儲集能力。

圖4 優質頁巖段TOC對比

表3 各井優質頁巖層段比表面積對比 m2/g

表4 優質頁巖段有機孔主要孔徑值及其密度

3.2 礦物成分

頁巖礦物成分影響頁巖儲層抗壓性，礦物成分不同，孔隙在壓實作用下的保存程度不同。一般而言，脆性礦物抗壓性較高，在壓實作用過程中可以支撐孔隙，有利于孔隙保存。南川地區脆性礦物含量較高（表5），孔隙度與石英含量呈弱正相關關系（圖5）。

圖5 優質頁巖段孔隙度與石英含量關系

表5 優質頁巖段頁巖礦物成分 %

4 結論

（1）氬離子拋光+掃描電鏡分析表明，南川地區優質頁巖儲層孔隙以納米級為主，主要發育裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內孔、黃鐵礦礦物晶間有機孔、有機質礦物復合孔等孔隙類型。其中，裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙和粒內孔等屬于無機孔隙；黃鐵礦礦物晶間有機孔、有機質礦物復合孔屬于有機孔隙，有機質黏土復合孔較常見，且有機孔隙多呈不規則狀、橢圓形、圓形，孔徑為10.0～100.0 nm。

（2）南川地區龍馬溪組優質頁巖段儲層孔隙發育的影響因素分析表明，頁巖的有機碳含量和礦物成分含量影響孔隙發育，頁巖有機碳含量越高，有機孔隙越多，石英含量高有利于孔隙生成與保存。總之，孔隙度與有機碳含量、石英含量呈正相關關系。

（3）南川地區龍馬溪組優質頁巖段孔隙發育情況受TOC影響，縱向上表現為各小層孔隙度與TOC正相關，且TOC大的小層掃描電鏡觀察到的有機孔隙更發育，孔隙密度更大、孔徑更大；平面上表現為TOC較大的井孔隙發育較好，JY194–3井有機孔隙密度高、孔徑較大（20.0～100.0 nm），SY1井有機孔隙密度較高、孔徑較大（20.0～80.0 nm），NY1井有機孔隙密度低、孔徑較大（10.0～50.0 nm）。