赣东北泥页岩储层孔裂隙特征及影响因素分析

赵立鹏，桑树勋，王 冉，李委员，尹志胜

(1.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 中国矿业大学，江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学，江苏 徐州 221008)

引 言

页岩气是一种新型的非常规油气资源，由于资源潜力巨大，受到广泛关注。孔隙特征是储层基本特征之一，也是储层特征研究的重点内容，直接影响泥页岩储层物性和页岩气开采条件。泥页岩储层属于超致密油气储层。国内外研究表明［1－2］，页岩储层孔裂隙已达纳米量级。国内对泥页岩储层的孔隙特征研究主要集中于四川盆地及其周缘地区［3－4］，页岩气资源潜力巨大的赣东北地区相关研究刚刚起步。通过研究赣东北荷塘组泥页岩孔裂隙类型、发育规模、孔隙结构等特征，探讨影响孔裂隙发育的因素，为赣东北地区页岩气资源评价和地质选区提供储层孔裂隙地质信息。

1 赣东北荷塘组泥页岩发育特征

野外露头调查及实测剖面表明，赣东北荷塘组分布稳定，主要出露于上饶、玉山一带，地层厚度为448 m，以薄层状硅质页岩、钙质泥岩、粉砂岩、含炭硅质页岩、炭质页岩为主，其中富有机质泥页岩厚度为32～137 m，分布面积为1.807×104km2，累计厚度大、单层有效厚度也大。

研究区荷塘组泥页岩储层有机质丰度较高，TOC值最高达11.40%，平均为5.75%，远高于美国商业性页岩气开发TOC值(2.0%)的下限［5］。据样品Ro值统计，荷塘组泥页岩Ro变化范围为2.35%～4.90%，属于过成熟阶段。已有研究表明，中国南方富有机质页岩Ro高达3.5% ～4.0%仍具良好的储集性能［6］。因此，赣东北荷塘组泥页岩有较大的页岩气生成和储集潜力。据XRD测试结果，荷塘组泥页岩储层富石英、长石等脆性矿物含量为18.94%～51.85%。此类储层性质硬脆，对压裂作业反应敏感，能迅速形成复杂的网状裂缝［7］。

2 孔裂隙特征分析

2.1 裂缝发育特征及作用

2.1.1 宏观裂缝

赣东北地区泥页岩储层发育的宏观裂缝以大型剪性裂缝为主，产状稳定，宽度一般为0.5～5.0 mm，裂缝间距为2～10 cm，密度为10～50条/m，延伸较远，为数米至数十米，呈大规模垂直裂缝、“X”型共轭剪裂缝、3组交错型剪裂缝，偶见方解石充填。宏观裂缝形成的裂缝系统利于压裂液注入，水压随裂缝跟踪传递，压裂裂缝扩展速度快［8］，利于储层改造。

2.1.2 微裂缝

微裂缝一般是指宽度小于10 μm的微型裂缝，是泥页岩储集性能及导流性提高的重要途径。泥页岩的有机质颗粒、黏土矿物等均发育大量微裂缝。据杨峰等人研究，可以分为粒内微裂缝和粒缘微裂缝2类。赣东北地区泥页岩储层中，微裂缝极为发育，微裂缝宽度为0.5～30.0 μm不等，延伸长度较大，呈条状、环状(图1a)、树枝状等，平行、斜交或垂直于层理，一般为开放型裂缝。微裂缝发育类型多样，不仅有粒内微裂缝(图1c)、粒缘微裂缝(图1a)，还发育大量宽度大、延伸远、连通大量粒缘微裂缝的综合型微裂缝(图1b、1d)。粒内微裂缝呈树枝状，较为弯曲，无胶结物充填。粒缘微裂缝产状取决于颗粒形状，连通较好。综合型微裂缝一般较平直，贯穿局部小型孔裂隙系统，增加了孔隙连通程度。

图1 赣东北荷塘组泥页岩储层扫描电镜图版

2.2 孔隙结构特征及成因类型

2.2.1 孔隙结构特征

孔隙结构是指岩石孔隙的几何形状、大小、分布及其连通关系。利用ESEM对赣东北荷塘组泥页岩储层孔隙研究发现，微米—纳米级孔隙十分发育，总体孔径较大，一般小于 50 μm，0.1 ～2.0 μm孔隙最为发育。孔隙形态多样，可见蜂窝状(图1e)、圆形(图1f)、椭圆形、不规则多边形(图1g)等，还表现出不同的组合形式(图1h)。主要有晶间(颗粒间)孔(图1i)、颗粒内孔(图1g)、次生矿物溶孔(图1j)。其中，晶间孔、颗粒内孔分布较广，主要发育于晶形较好的矿物集合体中。

2.2.2 孔隙类型

赣东北地区荷塘组泥页岩孔隙类型主要有黏土矿物间孔和有机质内部孔。

(1)黏土矿物间孔。赣东北地区荷塘组泥页岩黏土矿物间孔孔径一般为0.1～10.0 μm。利用EDX进行样品分析(图2):图2中a点主要元素为K、Al、Si、O，晶粒细小，判定为伊利石，发育大量粒内孔隙;图2中 b点主要元素为 Al、Si、O、C，蠕虫状，判定为高岭石，胶结致密，并有胶结物内裂缝发育;图 2 中 c 点主要元素为 Mg、Al、Si、O、Ca、C，片状、层状，判定为蒙脱石及方解石，发育层间裂缝、层内裂缝。

(2)有机质内部孔。泥页岩储层中的有机质可以分为分散状有机质、连续状有机质［9］，分散其中的孔隙为有机质内部孔。赣东北荷塘组泥页岩有机质含量高，部分样品在10%以上。利用ESEM对赣东北荷塘组泥页岩储层有机质内部孔研究发现，储层发育大量有机质内部孔，孔径为1～10 μm，呈圆形、椭圆形、不规则形，彼此孤立，连通性不好(图1k、l)，次生孔隙较少。

3 孔裂隙发育影响因素分析

3.1 构造作用

图2 赣东北荷塘组页岩气储层孔隙能量色散X射线光谱分析图版

赣东北古生界页岩受印支、喜马拉雅期构造运动强烈改造，在局部出现小揉皱和断裂带。页岩储层成岩后，受后期构造运动而产生的构造裂缝，规模大、连通好，展布有一定的的规律性。各类构造运动是赣东北地区宏观裂缝形成及改造的主控因素，控制裂缝发育数量及展布规律。受构造作用影响，裂缝组合构型主要有:平行裂缝，由产状一致的多条裂缝排列而成［9］，一般等间距排列，缝面平整，缝宽较小，无充填(图3a);错断型裂缝，先期裂缝形成后，受后期构造运动影响，产生错断型裂缝(图3a、b、c)，是岩层受多期构造运动叠加作用的结果;交错型裂缝，被切割裂缝无明显错断，包括垂直裂缝、“X”型共轭剪裂缝等，是岩层受同期构造剪应力的产物;杂乱型裂缝，裂缝展布无规律性，岩石受多期较强构造破坏所致，连通性较好。充填状况具有差异性，先期裂缝充填严重，末期裂缝无充填(图3d)。

图3 赣东北荷塘组泥页岩储层宏观裂缝发育类型

3.2 矿物组成

脆性矿物、黏土矿物、有机质等的含量与储层裂缝发育程度具一定的相关性［4］:孔隙度与有机质含量之间存在较强的正相关关系;黏土矿物、脆性矿物含量与比表面积有一定正相关性。赣东北荷塘组泥页岩储层有机质、石英、方解石含量较高。丰富的有机质是微孔的主要载体。脆性矿物是控制裂缝发育程度的主要内在因素之一。石英含量较高，储层脆性提高，易形成规模较大的综合型天然裂缝。同时，矿物成分对孔隙形态具一定的控制作用。有机质内发育的孔隙数量多，孔径小，连通性差;脆性矿物发育的孔裂隙尺寸较大，连通性好，形态多样;黏土矿物内部孔隙多不规则，数量多，连通性差。

3.3 岩浆活动

岩浆侵入体在赣东北地区较为普遍，集中于望仙乡周缘(图4)、大茅山—怀玉山—三清山一线及八都镇周缘地区。岩浆活动促进了石英等晶体的重结晶作用(图1i)，产生晶间孔隙;侵入体与页岩接触带受后生作用改造易形成破碎带，产生大量后生裂缝。但岩浆活动影响的储层，受岩浆侵入体形态影响，储层物性变化较大，孔缝分布极不均匀。

3.4 沉积作用与成岩作用

黏土矿物及细碎屑在沉积过程中，由于其颗粒的大小、形状、排列方式的差异而产生孔隙、裂缝(图1a)，包括大部分粒间孔隙、粒缘微裂缝，少部分综合型微裂缝。沉积作用控制的裂缝数量众多，延伸性及连通性较差。影响赣东北地区孔裂隙发育的成岩作用主要表现为填隙物的充填作用。根据填隙物类型可以把页岩孔裂隙充填作用分为钙质充填、硅质充填、黏土矿物充填、铁质充填等类型，萤石、天青石、钾盐、重晶石等也可以充填物的形式出现在孔裂隙之间。赣东北地区主要发育钙质充填(图3)、黏土矿物充填(图1b)、硅质充填(图1i)。泥页岩储层发育大量纳米级孔隙，充填作用易影响泥页岩储层物性，充填物含量高，孔隙被充填，原生孔隙减少，连通性变差，储层渗流能力降低，孔隙结构更为复杂，物性变差。

图4 赣东北望仙乡侵入体发育情况

3.5 生气压裂作用

局部(微米—纳米级)泥页岩储层在生气过程中，烃浓度不断升高，产生超高压并超过岩石破裂极限，压裂岩石产生微裂缝(图1c)。此类裂缝一般为微米—纳米级，发育于颗粒或晶粒内部，树枝状，无固定形貌，规模小、数量大，包括大部分粒内微裂缝，少数粒缘微裂缝、综合型微裂缝。

4 结论

(1)赣东北荷塘组分布稳定，其中黑色富有机质泥页岩累计厚度、单层有效厚度均较大。TOC值最高达11.40%，平均为5.75%，远高于美国商业性页岩气开发TOC值(2.0%)的下限。Ro值变化范围为2.35% ～4.90%，属于过成熟阶段。脆性矿物主要为石英，含量为18.94% ～51.85%。赣东北荷塘组黑色富有机质页岩具备较大的页岩气生成、储集及开发的潜力。

(2)赣东北地区泥页岩储层发育的宏观裂缝以大型剪裂缝为主，宽度一般为1～5 mm，裂缝间距一般为2～10 cm，沿裂缝走向延伸较远，呈大规模垂直裂缝、“X”型共轭剪裂缝、3组交错型剪裂缝，偶见方解石充填。微裂缝宽度为0.5～30.0 μm不等，可分为粒内微裂缝、粒缘微裂缝、综合型微裂缝3类。孔隙孔径一般小于50 μm，0.1～2.0 μm孔隙最为发育。孔隙形态多样，表现出不同的组合形式。孔隙类型主要有黏土矿物间孔、有机质内部孔。

(3)荷塘组泥页岩储层孔裂隙发育影响因素为构造作用、矿物组成、岩浆活动、成岩作用、沉积作用和生气压裂作用等。其中构造运动是荷塘组宏观裂缝形成及改造的主控因素，控制裂缝发育数量及展布规律。受构造作用影响，裂缝组合构型主要有平行裂缝、错断型裂缝、交错型裂缝、杂乱型裂缝。

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