四川盆地紅星地區二疊系頁巖巖相及其微觀孔隙結構特征

趙帥, 劉皓天, 姜新雨, 盧雙舫, 周能武, 李文鏢, 李柏知

(1.中國石化漢江油田分公司勘探開發研究院, 武漢 430000; 2.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院深層油氣實驗室, 青島 266580;3.東北石油大學三亞海洋油氣研究院,三亞 572025; 4.東北石油大學陸相頁巖油氣成藏及高效開發教育部重點實驗室, 大慶 163318)

隨著全球對化石能源需求的不斷增長,非常規油氣資源已成為油氣勘探開發的重要領域[1-2]。受北美頁巖氣革命影響,近年來中國頁巖氣藏勘探開發越來越受到專家學者的重視。根據聯合國貿易發展委員會頁巖氣報告(2018),全球頁巖氣可采資源量為214.5萬億方,其中中國頁巖氣可采資源量為31萬億方,可見中國的頁巖氣資源前景良好,開發潛力巨大。

四川盆地是中國重要的含油氣盆地。自開展頁巖氣勘探工作以來,在盆地內及周緣的寒武系筇竹寺組、奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組、侏羅系涼高山組-自流井組等多套富有機質頁巖取得了一系列突破,發現了長寧、威遠、涪陵和昭通等頁巖氣田,新增探明儲量超萬億立方米[3]。2018年中國石化為進一步加快推動中國南方頁巖氣勘探工作,提出了積極探索新區新層系的發展要求[4]。在此背景下,中國石化江漢油田分公司針對二疊系頁巖積極開展了系統評價工作,并將紅星地區二疊系海相頁巖作為四川盆地頁巖氣勘探的新目標。

紅星地區二疊系地層是四川盆地非常規油氣勘探開發的重要接替領域,過去主要被視為二疊系和三疊系常規天然氣藏的烴源巖層,其頁巖氣藏的勘探開發價值并未得到重視,目前整體尚處于勘探初級階段[5]。2013年后在非常規油氣理論的指導下,江漢油田轉變勘探思路,于2020年部署實施了紅頁1HF井,并在二疊系吳家坪組-茅口組四段地層鉆遇優質頁巖氣層,試氣產量達到8.93萬m3/d,此后相繼實施了紅頁2、3、4HF以及紅頁茅1HF等探井,均展示出良好的氣藏潛力。截至2022年6月,紅頁1HF井已連續生產約500 d,累產氣超過2 200萬方;紅頁2HF井測試產量15.2萬m3/d,穩產超過180 d,累產突破1 100萬m3,標志著四川盆地紅星地區二疊系頁巖氣藏取得重大勘探突破,填補了國內二疊系頁巖氣勘探開發的空白[6]。

前期研究表明,紅星地區二疊系茅口組四段和吳家坪組頁巖在全區分布廣泛、埋深適中、品質優良,整體具有“厚度薄、孔隙度高、總有機碳(total organic carbon,TOC)高、含氣量高和脆性礦物含量高的“一薄四高”的特征,具備商業開發的潛在價值。但由于紅星地區二疊系頁巖氣發現時期晚,勘探程度低,存在頁巖巖相類型不清、儲集特征不明等問題?，F基于鑄體薄片觀察、X射線衍射分析、TOC檢測和孔滲測試等手段,對紅星地區二疊系茅口組四段-吳家坪組的頁巖巖相類型進行了識別,結合低溫氮氣吸附實驗和掃描電鏡觀察,明確了不同巖相的儲集特征,以及頁巖儲集能力的控制因素,這對進一步明確紅星地區二疊系頁巖氣勘探潛力,推動紅星地區二疊系頁巖氣藏的精細勘探和開發都具有指導意義。

1 地質背景

紅星地區位于中國湖北省利川市和重慶市石柱縣境內,構造上位于四川盆地東緣高陡褶皺帶石柱復向斜中部,包含龍駒壩、建南和三星共3個區塊,地面海拔在600～1 600 m,面積約96.5 km2,石柱復向斜區內整體構造變形較弱,地層保存條件較好(圖1)。紅星及周緣地區自東向西依次包括齊岳山復背斜、石柱復向斜、方斗山復背斜和萬縣復向斜等次級構造單元,區內構造及地層主體呈北北東走向[7]。

圖1 四川盆地紅星地區構造位置及茅四段-吳家坪組地層綜合地層圖Fig.1 Structural location of Hongxing area in Sichuan Basin and comprehensive stratigraphic column of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation

茅四段-吳家坪組地層整體厚度在40 m左右,層理構造以紋層為主,巖性以灰巖、灰色泥巖、黑色泥巖夾薄煤層為主,介殼和雙殼等生物碎屑較為發育[8]。川東地區在泥盆紀到早三疊世時期經歷了海西運動,隨著早二疊世的海平面上升,四川盆地沉積了下二疊統梁山-棲霞-茅口組淺海相碳酸鹽巖地層。二疊紀末期,茅口組地層受東吳運動影響,經歷了一次1～1.5 Ma的構造抬升運動,四川盆地大面積抬升成陸,使得茅口組頂部地層廣泛暴露地表并受到大氣淡水的溶蝕淋濾,普遍具有典型風化殼巖溶特征,并形成了大量溶蝕孔洞及溶蝕縫。強烈的構造抬升使得茅四段受到程度不同的差異剝蝕作用,并與上覆的吳家坪組地層之間廣泛呈現不整合接觸的特征[9]。

東吳運動后川東地區發生裂陷活動,水體自西南向東北方向逐漸加深,區域沉積相帶由淺水環境的濱岸沼澤相逐漸演化為斜坡淺水陸棚-深水陸棚相。吳家坪組結合沉積相帶特征及地層巖性變化可進一步劃分為吳一段和吳二段,其中吳一段發育濱岸沼澤相-淺水陸棚相沉積,底部發育鋁土層,下部巖性為碳質泥巖夾薄煤層,上部巖性為灰巖和泥質灰巖;吳二段相較吳一段沉積水體加深,發育深水陸棚-斜坡淺水陸棚相沉積,巖性以泥頁巖和灰巖為主[10]。

2 樣品及實驗

本次研究共采集巖心樣品約100塊,來自3口取芯井:HY-A井、HY-C井和HYM-A井,其中HY-A井和HY-C井具備完整取芯層段,HYM-A井只對茅四段進行了取芯。針對不同實驗目的制備了5種規格的樣品:①75～150 μm粉末樣品246份,用于TOC測井和X衍射礦物分析;②10 mm×20 mm×0.03 mm鑄體薄片60片,用于薄片觀察;③巖樣40個,進行氬離子拋光處理,用于掃描電鏡觀察;④直徑25 mm,長度5 cm巖體柱樣109個,用于孔隙度和滲透率測定;⑤40～60目粉末樣品21份,用于低溫氮氣吸附實驗。

3 結果

3.1 有機質豐度特征

HY-A井TOC分布在0.36%～28.94%,平均為9.35%;HY-C井TOC分布在0.09%～32.63%,平均為8.5%;HYM-A井TOC分布在0.32%～17.45%,平均為5.85%。從層位上來看,茅四段TOC分布在0.09%～32.63%,平均為6.55%;吳家坪組TOC分布在1.09%～15.48%,平均為6.89%。整體上茅四段-吳家坪組頁巖TOC平均達到7.57%,具備高TOC的特征(圖2)。

圖2 紅星地區茅四段-吳家坪組TOC特征Fig.2 TOC content characteristics of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation in Hongxing Area

3.2 巖石礦物學特征

實驗結果顯示,茅四段-吳家坪組頁巖主要由黏土礦物、長英質礦物(石英和長石)和碳酸鹽礦物(方解石和白云石)組成,含少量黃鐵礦,如圖3所示。其中茅四段泥頁巖黏土礦物(質量分數)含量在0～65.5%(平均為7.2%),長英質礦物含量在2.5%～87.6%(平均為26.96%),碳酸鹽礦物含量在12.4%～91%(平均為67.69%);吳家坪組黏土礦物含量在0～65.5%(平均為27.92%),長英質礦物含量在12.9%～72%(平均為43.07%),碳酸鹽礦物含量在0～51.4%(平均為19.27%)。整體上紅星地區二疊系地層礦物組分特征較為復雜,黏土、長英質和碳酸鹽礦物都具有較高的含量,符合茅四段-吳家坪組沉積時期海相-海陸過渡相-海相環境快速變化的特征[10-12]。

圖3 紅星地區茅四段-吳家坪組礦物含量特征Fig.3 Mineral content characteristics ofthe fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation in Hongxing Area

如圖4所示鑄體薄片鏡下特征顯示,頁巖組分以石英、方解石和黑色有機質為主,并含有一定量的黏土礦物,其中黑色有機質在鏡下極為發育,這與TOC統計結果相吻合。石英和黏土礦物在鏡下主要呈條帶狀分布[圖4(a)、圖4(d)、圖4(g)、圖4(f)],方解石呈條帶狀[圖4(b)、圖4(c)、圖4(e)]和團塊狀分布[圖4(h)、圖4(i)],礦物之間被黑色有機質充填。

圖4 紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖典型微觀鏡下特征Fig.4 Microscopic characteristicsof shale from the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation, Hongxing area

3.3 微觀孔隙結構特征

從孔滲測試結果來看,茅四段孔隙度分布在0.31%～4.36%,主要集中在0～3%區間內,平均為2.01%;吳家坪組孔隙度1.21%～9.87%,主要集中在3%～5%區間內,平均為4.7%。茅四段滲透率分布在0.05～274.14×10-3μm,主要集中在10-2～1×10-3μm,平均為10.22×10-3μm;吳家坪組滲透率分布在0.04～175.3×10-3μm,主要集中在10-1～1×10-3μm,平均為6.84×10-3μm(圖5)。

圖5 紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖孔滲特征Fig.5 Porosity and permeability characteristics of shale from the fourth member of Maokou and Wujiaping Formation

利用氬離子拋光高分辨率掃描電鏡對紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖展開鏡下觀察[13-14],發現茅四段-吳家坪組頁巖孔隙類型整體以有機孔為主,主要為瀝青質孔[圖6(a)、圖6(c)]和無定形腐泥質孔[圖6(b)],孔隙大小分布在幾十納米到幾百納米不等,高等植物碎片有機孔基本不發育;無機孔類型包括石英粒間孔[圖6(i)]、方解石粒內溶孔[圖6(d)]、泥晶方解石晶間孔[圖6(h)]、黃鐵礦晶間孔[圖6(g)]、黏土礦物層間孔[圖6(f)]、礦物粒間縫[圖6(e)]和微裂縫,但無機孔整體不太發育。

圖6 紅星地區茅四段-吳家坪組典型有機-無機孔掃描電鏡圖像Fig.6 Scanningelectron microscopy imaging of typical organic and inorganic pores of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation, Hongxing area

在低溫N2吸附過程中,由于不同類型孔隙發生凝聚和蒸發的相對壓力不同,可以借此區分頁巖儲層的孔隙形態[15-17]。通過低溫N2吸附實驗表征了研究區茅四段-吳家坪組頁巖孔隙分布特征[圖7(a)],然后采用BET(Brunauer-Emmett-Teller)模型計算了孔體積、孔比表面積和孔徑分布情況。結果表明,紅星地區頁巖樣品吸附曲線形態相似,相對壓力在0～0.01時,為Ⅰ型微孔單分子層吸附;相對壓力在0.01～0.45時,吸附量平穩上升,為Ⅳ型介孔多分子層吸附,并產生滯后回環;相對壓力大于0.45時,為Ⅱ型宏孔毛細凝聚吸附。吳家坪組頁巖等溫吸附曲線滯后回環大多為H2型,表明頁巖普遍發育墨水型孔;茅口組頁巖樣品等溫吸附曲線滯后回環大多為H3型,表明該層段頁巖普遍發育狹長型縫[17-19]。

w為孔徑,V為孔體積,dV/dlgw表示孔體積在不同范圍孔徑內的分布情況圖7 紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖低溫氮氣吸附曲線及不同巖相孔徑分布特征Fig.7 Low temperature nitrogen adsorption curve and pore size distribution characteristics of different lithofaciesof the fourth member of Maokou Formation-Wujiaping Formation shale, Hongxing area

紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖的低溫氮氣吸附曲線根據孔徑分布特征的不同,可以分為五種類型:第一類吸附曲線以微孔(<7 nm)和小孔(7～50 nm)為主[圖7(b)],這類吸附曲線孔體積最大,平均達到15.15×10-3cm3/g;第二類吸附曲線以微孔(<7 nm)為主[圖7(c)],孔體積能夠達到12.37×10-3cm3/g;第三類吸附曲線以小孔(7～50 nm)為主[圖7(d)],孔體積達到6.92×10-3cm3/g;第四類吸附曲線以中孔(50～100 nm)-大孔(>100 nm)為主[圖7(e)],孔體積達到10.17×10-3cm3/g;第五類吸附曲線以大孔(>100 nm)為主[圖7(f)],平均孔體積最小,達到0.47×10-3cm3/g。

4 討論

4.1 劃分的頁巖巖相類型

巖相是指形成于特定沉積環境下的巖石類型、巖性組合和沉積構造等特征的總和[19-22],其決定著頁巖“甜點”層段的分布,控制著頁巖的生烴能力和儲集能力,影響著頁巖的可壓裂性,是頁巖油氣勘探的重要研究內容[23-29,31]。近年來國內外學者圍繞不同研究地區提出了多種頁巖巖相劃分方案,劃分依據多以礦物三端元法為基礎,結合TOC、層理構造、古生物和特征礦物(黃鐵礦、重晶石等)對頁巖巖相進行劃分?？紤]到紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖具備高TOC特征,TOC>10%的樣品數量超過20%,由于有機質占比很高,其作為頁巖組分在巖相劃分中的意義不能被忽略。盡管有學者考慮了TOC在巖相劃分中的意義,但通常僅用其評價頁巖的生烴能力,卻忽視了有機質作為巖石組分的意義。

因此本文在傳統礦物三端元法的基礎上,將有機質作為巖石組分參與巖相劃分方案,結合經典的礦物三端元法(長英質礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物),并參考周能武[30]、馬存飛等[32]和董春梅等[33]提出的有機質和礦物體積比例計算方法(見表1),建立適用于紅星地區二疊系頁巖的“有機質+長英質礦物+黏土礦物+碳酸鹽礦物”的四端元巖相劃分方法,并以體積分數來表征頁巖組分含量。具體劃分方法如下。

表1 紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖巖相劃分方案Table 1 Lithofacies classification method of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation, Hongxing area

首先,將XRD(X-ray diffraction)與TOC轉化為單位體積頁巖中礦物和有機質的體積占比。TOC由熱解分析測試獲得,結合轉化系數轉換成有機質的體積分數。表達式為

Vo=WcKρr/ρo

(1)

Vi=Wi(1-WcK)ρr/ρi

(2)

式中:Vo為頁巖中有機質的體積占比,%;Wc為TOC,%;K為TOC轉化系數,用于將TOC轉化為有機質體積占比,通常根據有機質類型及有機質成熟度確定;ρr為頁巖密度,取2.5 g/cm3;ρo為有機質密度,1.2 g/cm3;Vi表示礦物i的體積占比,%;Wi表示礦物i的XRD值,%;ρi為礦物i的密度,g/cm3,由物理與化學手冊獲得。

通過式(1)、式(2)將TOC與XRD轉化為體積占比后,進行歸一化處理得到單位體積頁巖中有機質和各類礦物的體積分數;最后將歸一化后的石英和長石歸為長英質礦物,方解石和白云石歸為碳酸鹽礦物,得到歸一化后的長英質礦物、碳酸鹽礦物、黏土礦物和有機質的體積占比。其表達式為

(3)

V長英質=K石英+K長石

(4)

V碳酸鹽=K方解石+K白云石

(5)

V黏土=K黏土

(6)

V有機質=K有機質

(7)

式中:Kj為歸一化得到的單位體積頁巖中組分j(包括有機質和礦物)的體積占比,%;V長英質為單位體積頁巖中長英質礦物的體積占比,%;V碳酸鹽為單位體積頁巖中碳酸鹽礦物的體積占比,%;V黏土為單位體積頁巖中黏土礦物的體積占比,%;V有機質為單位體積頁巖中長英質礦物的體積占比,%。

通過計算轉化得到有機質和礦物在頁巖中的體積占比后,參考沉積巖石學定名方式,有機質以15%體積分數為界,長英質、碳酸鹽和黏土礦物按25%和50%體積分數為界,建立適用于紅星地區二疊系頁巖的巖相劃分方案,將茅四-吳家坪組頁巖劃分為高碳高硅類頁巖、高碳低硅類頁巖、低碳高硅類頁巖、高黏土類頁巖和灰質混合類頁巖共5種巖相類型,具體見表1。

(1)高碳高硅類頁巖巖相。這類巖相主要分布在茅四段和吳二段,厚度占比約10.3%。石英礦物體積含量在50%以上,有機質體積含量在15%以上,碳酸鹽礦物和黏土礦物體積含量均小于25%。鏡下特征顯示[圖6(d)],石英和黑色有機質極為發育,是該巖相中的主要成分,石英礦物碎屑和有機質沿順層方向平行分布。

(2)高碳低硅類頁巖巖相。這類巖相主要分布在茅四段和吳一段,層厚占比約59.8%,是發育最廣泛的巖相類型。這類巖相的硅質礦物體積含量均在25%以下,有機質體積含量在15%以上。鏡下特征顯示[圖6(a)、圖6(c)],高碳低硅類巖相組合中,黑色有機質極為發育,硅質礦物整體發育占比較低,礦物及有機質整體呈順層狀分布。

(3)低碳高硅類頁巖巖相。這類巖相主要分布在吳二段,發育層厚占比約6.9%。這類巖相的硅質礦物體積含量在50%以上,有機質體積含量在15%以下。鏡下特征顯示[圖6(b)],石英礦物最為發育,占比達到50%以上,同時有機質較為發育,充填于石英顆粒之間,整體呈順層狀分布。

(4)高黏土類頁巖巖相。這類巖相主要分布在吳一段,發育層厚占比約3.2%。這類巖相的黏土礦物體積含量均在50%以上,有機質體積含量在15%以下。鏡下特征顯示[圖6(g)、圖6(f)],薄片視域主要被黏土礦物充填,同時發育少量黑色有機質,整體呈順層狀分布。

(5)灰質混合類頁巖巖相。這類巖相主要分布在茅四段和吳二段,發育層厚占比約19.8%。這類巖相方解石和白云石等碳酸鹽礦物含量能夠達到50%以上,同時有機質含量在15%以下。鏡下特征顯示[圖6(e)、圖6(h)、圖6(i)],方解石極為發育,是薄片中主要成分,同時方解石顆粒間或晶間被少量有機質充填,整體呈均質分布,部分呈順層狀分布。

4.2 不同巖相組合的儲集特征

從圖8(a)所示五類巖相孔隙度特征來看,高碳高硅類巖相孔隙度最高,分布在3.81%～6.48%,平均為5.05%;高碳低硅類次之,分布在1.36%～6.89%,平均為4.51%;然后是高黏土類,分布在4.16%～5.48%,平均為4.91%;低碳高硅類孔隙度分布在2.65%～5.84%,平均為3.98%;灰質-混合類巖相孔隙度最低,分布在1.4%～4.74%,平均為2.66%。從圖8(b)所示滲透率統計結果來看,由于部分樣品發育裂縫導致滲透率測試結果較高,但整體來看不同巖相間體現出較好的規律性。高黏土類頁巖滲透率最高,主要分布在0.03～2.22×10-3μm,平均達到18.9×10-3μm;其次是高碳高硅類頁巖,主要分布在0.01～0.31×10-3μm,平均為4.81×10-3μm;高碳低硅類頁巖滲透率主要分布在0.02～0.28×10-3μm,平均為7.78×10-3μm;低碳高硅類頁巖滲透率主要分布在0.01～0.12×10-3μm,平均達到2.12×10-3μm;而灰質混合類頁巖滲透率主要分布在0.01～0.07×10-3μm,平均滲透率最低,達到0.07×10-3μm。

圖8 紅星地區茅口-吳家坪組頁巖巖相的孔滲特征Fig.8 Porosity and permeability characteristics of shale lithofacies of the fourth member of Maokou Formationand Wujiaping Formation, Hongxing area

低溫N2吸附實驗、掃描電鏡觀察和孔滲測試結果顯示,茅四段-吳家坪組頁巖中發育的5類巖相組合在儲集物性上表現出不同的典型特征,而且劃分的5類巖相與5類吸附曲線有著良好的匹配關系(圖7)。五類巖相的孔體積及比表面積分布情況如圖9所示。

圖9 紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖巖相的孔徑特征及比表面積分布圖Fig.9 Pore size characteristics and specific surface area distribution of shale lithofacies of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation, Hongxing area

高碳高硅類巖相的N2吸附實驗結果符合第一類吸附曲線特征[圖7(b)]。高碳高硅類巖相孔體積分布在9.51×10-3～19.4×10-3cm3/g,平均為15.15×10-3cm3/g,是五類巖相組合中孔隙體積最大的類型。孔徑特征以發育微孔為主,分布在7.55×10-3～15.09×10-3cm3/g,平均為12.08×10-3cm3/g;小孔分布在0.76×10-3～3.9×10-3cm3/g,平均為2.71×10-3cm3/g;中孔和大孔分別平均為0.22×10-3cm3/g和0.13×10-3cm3/g。BJH計算結果顯示,高碳高硅類巖相比表面積平均為29.44 cm3/g(圖9)。

高碳低硅類巖相的N2吸附實驗結果符合第二類吸附曲線特征[圖7(c)]。高碳低硅類巖相孔隙度分布在1.21%～6.89%,平均為4.69%(圖8);孔體積分布在4.24×10-3～29.07×10-3cm3/g,平均為12.37×10-3cm3/g,;孔徑特征以發育微孔為主,分布在2.96×10-3～27.13×10-3cm3/g,平均為8.86×10-3cm3/g;小孔分布在0.48×10-3～3.85×10-3cm3/g,平均為2.28×10-3cm3/g;中孔和大孔分別平均為0.85和0.38×10-3cm3/g。BJH計算結果顯示,比表面積平均為29.39 cm3/g(圖9)。

低碳高硅類巖相的N2吸附實驗結果符合第三類吸附曲線特征[圖7(d)]。高碳高硅類巖相孔隙度分布在4.72%～5.84%,平均為5.15%(圖8);孔體積分布在1.24×10-3～9.72×10-3cm3/g,平均為6.92×10-3cm3/g,孔徑特征以發育微孔為主,分布在0.09×10-3～7.07×10-3cm3/g,平均為4.79×10-3cm3/g;小孔分布在0.53×10-3～2.33×10-3cm3/g,平均為1.71×10-3cm3/g;中孔和大孔分別平均為0.24和0.17×10-3cm3/g。BJH計算結果顯示,低碳高硅類巖相比表面積平均為15.71 cm3/g(圖9)。

高黏土類巖相的N2吸附實驗結果符合第四類吸附曲線特征[圖7(e)]。高碳高硅類巖相孔隙度分布在4.17%～6.38%,平均為5.28%(圖8);孔體積分布在6.88×10-3～13.44×10-3cm3/g,平均為10.17×10-3cm3/g,孔徑特征以發育微孔為主,分布在0.62×10-3～2.91×10-3cm3/g,平均為1.98×10-3cm3/g;小孔分布在3.74×10-3～7.66×10-3cm3/g,平均為5.73×10-3cm3/g;中孔和大孔分別平均為1.63和0.82×10-3cm3/g。BJH計算結果顯示,高黏土類巖相比表面積平均為5.14 cm3/g(圖9)。

灰質-混合類巖相的N2吸附實驗結果符合第五類吸附曲線特征[圖7(f)]。高碳高硅類巖相孔隙度分布在2.24%～5.64%,平均為4.47%[圖8(a)];孔體積分布在0.08×10-3～0.83×10-3cm3/g,平均為0.47×10-3cm3/g;孔徑特征以發育微孔為主,分布在0.07×10-3～7.06×10-3cm3/g,平均為2.62×10-3cm3/g;小孔分布在0.19×10-3～3.81×10-3cm3/g,平均為1.19×10-3cm3/g;中孔和大孔分別平均為0.68和0.47×10-3cm3/g。BJH計算結果顯示,比表面積平均為8.85 cm3/g(圖9)。

通過對五類巖相組合的儲集特征比較可以看出(圖9),高碳高硅類和高碳低硅類巖相孔隙度最高,孔體積和比表面積最大,發育了茅四段-吳家坪組頁巖中最優質的頁巖儲層;之后依次為高黏土類和低碳高硅類,灰質-混合類巖相平均孔隙度最低,孔體積和比表面積最小。

通過比較孔隙體積與有機質、礦物含量關系發現,茅四段-吳家坪組頁巖微孔體積與有機質體積含量呈正比,說明微孔體積受有機質含量控制[圖10(a)];小孔體積與有機質和長英質礦物體積呈正比[圖10(b)];黏土礦物含量與中孔體積呈正比,控制著中孔發育[圖10(c)];大孔發育的控制因素并不明顯,由于二疊系頁巖整體上不太發育大孔,因此對于二疊系頁巖儲集能力的影響并不大。

圖10 紅星地區二疊系頁巖孔隙體積與頁巖組分關系圖Fig.10 Relationship between pore volume and shale composition of the Permian shale, Hongxing area

綜上所述,紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖以微孔為主,主要受有機質含量控制。在識別出的5類巖相組合中,高碳高硅類和高碳低硅類巖相組合孔隙度、孔體積和比表面積整體最高,地層發育占比也較高,沉積了最優質的頁巖儲層;高黏土類巖相組合孔隙度、孔體積和比表面積也很高,屬于優質儲層,但整體在研究層段發育占比較低;相較前3類組合而言,低碳高硅類巖相孔隙度、孔體積和比表面積相對較高,且發育占比最高;而灰質-混合類巖相組合整體孔隙度、孔體積和比表面積都最低,是最差的儲層類型。

4.3 巖相連井分布特征

建立了3口取芯井的連井剖面,展示了紅星地區頁巖巖相在不同井間的展布情況,如圖11所示。從不同層段對比結果來看,吳家坪組主要發育高碳高硅類和高碳低硅類巖相,同時高黏土類巖相主要發育在吳一段,低碳高硅類巖相主要發育在吳二段;茅四段中同時發育了高碳高硅類、高碳低硅類和灰質混合類巖相,其中灰質混合類巖相相對最厚,在各井中均有發育,而高碳高硅類和高碳低硅類巖相整體發育占比不高。結合前文對不同巖相物性分析結果可以看出,吳家坪組發育了儲集能力最好的巖相類型,是紅星地區勘探的最優層段;茅四段發育了較厚的灰質混合類巖相,因此儲集能力不如吳家坪組,但高碳高硅類和高碳低硅類巖相也有所發育,同樣具備一定的勘探潛力。

圖11 紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖連井剖面圖Fig.11 Profile of shale Wells in the fourth Member of Maokou Formation-Wujiaping Formation, Hongxing area

從不同井間對比結果來看,高碳高硅類和高碳低硅類巖相發育最厚,平均達到2.76 m和17.36 m,自北向南從HY-C井、HY-A井到HYM-1井逐漸變薄;低碳高硅類巖相在5口井中均有發育,平均厚度1.92 m,總體發育程度較低;高黏土類巖相主要發育在HY-C井和HY-A井,平均厚度分別達到0.7 m,發育程度相對較低;灰質混合類巖相自北向南,從HY-C井過渡到HYM-A井逐漸變厚,發育程度逐漸變高。結合不同層段中的巖相發育情況可以看出,吳家坪組頁巖中儲集能力較強的巖相類型整體發育厚度大于茅四段頁巖,且呈現出自北向南逐漸變薄的趨勢;而茅四段中儲集能力較好的高碳高硅類和高碳低硅類等巖相類型整體發育占比低于吳家坪組,整體上呈自北向南逐漸變厚趨勢。由此可見,吳家坪組頁巖儲集能力整體優于茅四段。

5 結論

(1)本文結合研究區高TOC的特征,充分考慮了有機質作為巖石組分在巖相劃分的意義,建立了適用于四川盆地紅星地區二疊系的巖相劃分方法,并在茅四段-吳家坪組頁巖中識別出了5種巖相組合,分別為高碳高硅類頁巖、高碳低硅類頁巖、低碳高硅類頁巖、高黏土類頁巖和灰質混合類頁巖。通過掃描電鏡和薄片觀察發現,紅星地區茅四段-吳家坪組頁巖孔隙發育有機質孔、無機礦物孔和微裂縫3種類型,以瀝青質孔和腐泥質有機孔為主,無機孔基本不發育。從孔徑特征來看,茅四段-吳家坪組頁巖以發育微孔和小孔為主,中孔和大孔基本不發育。

(2)不同巖相組合具有不同的儲集特征。高碳高硅類巖相孔徑特征以發育微孔和小孔為主,孔隙度、孔體積和比表面積最大,具備最好的儲集能力;其次為高碳低硅類、高黏土類和低碳高硅類,灰質混合類頁巖儲集能力最差。通過分析頁巖組分與儲集能力關系發現,有機質含量是微孔體積的主控因素,小孔體積與長英質礦物含量成正比,中孔體積受黏土礦物含量控制。

(3)綜合巖相發育占比和儲集特征來看,高碳高硅類和高碳低硅類巖相發育占比較高,同時儲集能力最好,是最優質的巖相類型;低碳高硅類巖相儲集能力較好,同時發育占比最高,是較為優質的巖相類型;高黏土類具備良好的儲集能力,但整體發育占比很低;灰質混合類儲集能力最差,是相對最差的巖相類型。

(4)通過紅星地區連井對比情況來看,吳家坪組發育了儲集能力最好的巖相類型,是紅星地區勘探的最優層段,同時自北向南呈現儲集能力逐漸變差的趨勢;茅四段發育了較厚的灰質混合類巖相,因此儲集能力比吳家坪組較差,但同樣具備較好的勘探潛力。