砂质纹层的发育特征及对页岩储层物性的影响——以鄂尔多斯盆地南部中生界延长组为例

杨 潇，姜呈馥，孙兵华，宋海强

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院；2.陕西延长石油国际勘探开发工程有限公司，陕西西安710075)

砂质纹层的发育特征及对页岩储层物性的影响
——以鄂尔多斯盆地南部中生界延长组为例

杨 潇1，姜呈馥1，孙兵华1，宋海强2

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院；2.陕西延长石油国际勘探开发工程有限公司，陕西西安710075)

通过露头剖面、岩心观察和测量，分析了鄂尔多斯盆地南部中生界页岩中砂质纹层的发育特征，并利用扫描电子显微镜和XRD定量分析技术，分别观察分析了砂质纹层和纯页岩层的微观特征和岩石矿物学组分。在此基础上，为了分析砂质纹层对页岩储层物性影响，用脉冲衰减法对砂质纹层和纯页岩层的孔隙度和渗透率进行测试，结果表明，页岩中发育的砂质纹层增大了页岩孔隙度和水平渗透率：砂质纹层中含有石英、长石等碎屑颗粒，在成岩压实过程中形成的支撑结构有利于原生孔隙的保存，后期溶蚀作用也在一定程度上增加了页岩储层的孔隙度，这些碎屑颗粒也增加了整个页岩层系的脆性，有利于页岩后期的压裂；砂质纹层与页岩之间形成的层理面增大了页岩储层的水平渗透率。因此，页岩气的勘探部署和后期开发过程中要重视砂质纹层的研究。

鄂尔多斯盆地；陆相页岩；延长组；砂质纹层；页岩储层

随着北美页岩气商业开发的成功，在页岩中发现了大量的天然气资源，人们逐渐认识到暗色富有机质页岩可以大量生气、储气，形成自生自储式天然气聚集，尤其是页岩中有机孔隙、粒间孔隙及颗粒孔隙的发育，可以有效储集油气，这成为油气勘探开发的新领域。近年来，国外部分学者也开始注意到页岩中发育有砂质纹层，认为砂质纹层是油气运移通道和储集空间[1]，有利于泥页岩中裂缝发育，对页岩气的产量也具有一定影响。国内学者张金川等[2]把页岩气定义为主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，页岩气藏是天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，天然气不仅存在于泥页岩，也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩甚至砂岩地层中。在2014年颁发的《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》中，将富含有机质的烃源岩系，以页岩、泥岩和粉砂质泥岩为主，含少量砂岩、碳酸盐岩或硅质岩等夹层，称之为页岩层段，可见页岩中的泥质粉砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩夹层对研究整个页岩层系具有重要意义。

鄂尔多斯盆地中生界生油岩层系主要为三叠系延长组的暗色泥页岩，分布于盆地南部10×104km2的范围内，主要生油层为长4+5段—长9段，暗色泥岩总厚300～500 m[3]。鄂尔多斯盆地南部已成为鄂尔多斯盆地页岩气勘探的热点和重点地区之一，长7油层组底部的张家滩页岩和长9油层组顶部李家滩页岩是盆地内主要的页岩气勘探层系，对这两套页岩的深入研究对资源评价和勘探部署等方面具有重要意义，近年来诸多学者针对鄂尔多斯盆地南部页岩开展了大量研究工作[3-10]，但是对于页岩中的砂质纹层发育特征，尚未见到详细的研究，笔者通过露头、岩心、镜下观察和XRD衍射分析等方法，对鄂尔多斯盆地南部重点页岩勘探层系(长7、长9)中砂质纹层的发育特征进行分析，并通过非稳态脉冲衰减法研究砂质纹层对页岩储层物性的影响，以期对页岩气勘探部署及后期开发提供依据。

1 页岩中砂质纹层的发育特征

本文所研究对象是指页岩储层中的粉砂岩纹层或泥质粉砂岩纹层，为描述方便，统称为砂质纹层，主要特点是厚度小，以层理状分布于页岩储层中，根据8条露头剖面、29口钻井岩心观察和测量的结果，结合镜下薄片观察及XRD矿物成分分析，从不同尺度研究了延长组页岩中砂质纹层的发育特征。

1.1 野外露头观察

通过野外露头剖面观察，鄂尔多斯盆地南部中生界延长组张家滩页岩和李家畔页岩中砂质纹层比较发育，页岩与砂质纹层以点接触和线接触为主，页岩中低角度交错层理、平行层理及底冲刷构造、泄水构造等较发育。图1a所示的铜川市金锁关镇淌泥河和三叉路口附近张家滩暗黑色页岩中发育的两薄层砂质纹层。图1b所示的是铜川市金锁关三叉路口长9页岩中发育砂质纹层。图1c是铜川市金锁关淌泥河村附近一条张家滩页岩实测剖面，地层近直立，地层产状42°∠62°，该剖面处裂隙、小断层发育，此剖面测量长度1410 cm，测量段发育砂质纹层14层，累计厚度72 cm，砂地比5.0%，砂质纹层频率为1层/m。图1d是铜川市金锁关淌泥河村附近另一条剖面，剖面测量长度388.2 cm，测量段发育砂质纹层14层，累计厚度36.7 cm，砂地比9.5%，砂质纹层频率为3.6层/m。

图1 鄂尔多斯盆地南部延长组长7、长9页岩露头剖面

1.2 岩心实测

为了更系统地精细刻画页岩段的岩石学特征，进一步量化分析页岩中砂质纹层的发育特征，本次工作对YY1、YY4、YY7、X55、X74、LP36等15口井的长7张家滩页岩、长9李家畔页岩岩心中的砂质纹层发育特征进行了观察、测量和统计。在岩心的新鲜剖面上使用游标卡尺对纹层厚度和深度位置进行测量后制作岩性剖面，与野外剖面观测结果和测井解释结果相比精度更高(可达毫米级)也更为可信。

以系统取芯的YY1井为例，页岩岩心观察及薄片分析结果表明，张家滩页岩、李家畔页岩中砂质纹层较发育，但李家畔页岩中发育程度相对较差。对YY1井张家滩页岩5054.43 cm岩心实测结果表明张家滩页岩中发育砂质纹层1880层，累计厚度601.13 cm，砂地比约为11.89%，出现的频率为37.2条/m，最厚可达数十厘米。张家滩页岩中砂质纹层发育程度不均，上部1357.78～1380 m和下部1401.14～1416.71 m砂质纹层比较发育，砂地比分别为11.52%、22.4%，出现的频数分别为67.8条/m、36条/m。中部1380～1393.94 m和1395.7～1401.14 m砂质纹层相对不发育，清晰程度相对较差，砂地比分别为3.19%、2.64%，频数分别为18.8条/m、14.1条/m，单层厚度多分布于0.2～2 mm之间(图2a)。

YY1井李家畔页岩段测量长度1150.42 cm，砂质纹层累计厚度约114.55 cm，砂地比约为9.96%，出现的频率为19.1层/m，单层厚度也多数分布在0.2～2 mm之间(图2b)。

图2 YY1井页岩中砂质纹层单层厚度统计直方图

根据页岩中砂质纹层的形态特征及连续性差异可将砂质纹层的形态分成两类：平直型和波纹型。前者界面较为平直规整，整体厚度变化不大，横向上连续性较好，水平或近水平方向分布且常成组出现(图3a，b)，纹层界面可具有小范围的轻微波状起伏，可能是受底流改造影响或局部差异压实原因，其内部粒度组成可显示粒序变化。波纹型砂质纹层形态为透镜状或齿状，连续或断续，可顺水平方向发育，也可按一定角度杂乱分布，在某一方向上发生尖灭或与其它纹层合并(图3c)。

图3 页岩中发育的砂质纹层

1.3 微观分析

利用普通电子显微镜对页岩及砂质纹层的岩石学特征进行观察，页岩段岩性多为黑色、黑灰色、深灰色油页岩夹暗色泥岩、碳质泥岩、粉砂岩、铁质泥岩，其中粉砂岩或粉砂质页岩主要以纹层、条带或夹层的形式发育。经测量研究区纹层厚度大小不等，小于0.5 mm和大于5 mm的都有。纹层中的亮层不是石膏、文石层，且暗层也有没有几丁质碎片、藻类骨骼，因此纹层是机械作用形成的。亮层与暗层只是粘土矿物与碎屑矿物相对含量的多少，即暗层粘土矿物含量高，亮层碎屑矿物含量高(图4)。亮层碎屑矿物颗粒边缘溶蚀，孔隙多分布在碎屑颗粒边缘，孔隙少，但连通性好。暗层粘土矿物含量高，粘土矿物没有很好的晶体形态，孔隙分布在粘土矿物之间，分布密集，但连通性差。

图4 泥页岩中亮、暗纹层成分对比图

17个泥岩样和19个含砂质纹层的泥岩样XRD结果显示，泥页岩中矿物组成以粘土矿物为主，伊利石含量在粘土矿物中平均占40%，其中以同沉积片状伊利石最为发育，伊利石的片状边缘为不规则锯齿形，且常伴有自生伊利石小晶体产出。石英和长石的含量占全岩41%～61%，平均51%。而砂质纹层成分组成主要包括碎屑颗粒(石英和长石)和填隙物。碎屑颗粒中石英和长石总体含量可占到36%～75%，平均可占全岩61%，其中长石(27%)的含量略低于石英(35%)，长石根据其节理角和能谱分析可辨别出钠长石和钾长石两种。碎屑颗粒间的填隙物又可分为同沉积或后生的粘土矿物和成岩胶结物两类。其中，充填孔隙的粘土矿物包括云母、伊利石、绿泥石、高岭石、蒙脱石等，若其为自生，则其晶形完整、排列有序，而同沉积的粘土矿物可明显观察到其受到压实作用的影响而呈弯曲状包裹碎屑颗粒；成岩胶结物以石英较为常见，或以加大边形式产出，或以连晶、嵌晶形式充填粒间孔。

此外还可观察到个别被油膜包裹的碎屑颗粒，在钠长石颗粒表面检测出碳元素重量百分比高达62.4%。还可见一些矿物在油膜表面留下的印模以及干燥后在油膜与矿物颗粒表面形成的收缩层面缝。这证明了烃源岩中的砂质纹层曾发生过油气充注。

2 砂质纹层对页岩储层物性的影响

页岩气的储集空间主要包括显微孔隙和裂缝两大类[11]。根据裂缝的地质成因，可以将泥页岩裂缝分为构造缝、层理缝、层面滑移缝、成岩收缩微裂缝、有机质演化异常压力缝等5种裂缝类型[12]，层理缝的形成主要受沉积作用控制，不同岩性或矿物组成的泥页岩互层分布，在接触面处可形成层理缝。同时，层理面往往是岩石力学性质的薄弱面，在外力作用下，极易发生破裂、滑脱，形成泥页岩储层重要的储集空间类型。页岩气岩心浸水实验现场可见大量气体沿砂质纹层或砂质纹层与页岩之间的层理面逸出，推测砂质纹层与页岩接触面或砂质纹层是页岩气重要的运移通道和储集空间。徐士林等[3]经过研究认为鄂尔多斯盆地三叠系延长组主要为泥岩与砂岩互层，大套的泥岩地层中经常夹杂有砂质纹层，这些砂质纹层中的孔隙为游离的页岩气提供了储集的空间，姜呈馥等[13]也认为页岩中的砂质纹层对改善页岩的储集性能有重大贡献。由于研究区页岩中广泛发育有砂质纹层，为了对比分析砂质纹层和纯泥页岩在物性上的差异，本次工作把页岩样品中的砂质纹层从页岩中分离出来后，分别对砂质纹层部分和纯页岩层进行测试，以了解其物性特征。

2.1 实验方法

由于页岩的孔渗性极差且遇水易膨胀，采用常规的孔隙度测试方法如压汞法以及液体渗透率测试方法如稳态法已不再适用。非稳态脉冲衰减法是国内目前最为适用的页岩渗透率测试方法，其采用氦气作为测试气体，可以同时测得页岩的孔隙度和渗透率两个物性参数值。

采用取样器在页岩岩心中钻取直径为2.5 cm的圆柱体，样品长度3～5 cm不等，两端切平。取样后把样品在真空中烘干，然后放入仪器中进行测试。本次测试在中国科学院渗流力学研究所完成，测试所用的仪器为美国岩心公司的PoroPDP-200，测试温度为室温，测试围压为6.89 Mpa以最大限度减小气体滑脱效应，测试标准参照美国石油协会APIRP-40。由于页岩样品易碎，本次研究只完成了11组样品的制样工作，样品包括纯页岩、含砂质纹层页岩和页岩中的砂质纹层，并采用脉冲衰减法对其进行了孔渗测试。

2.2 实验结果及讨论

测试结果见表1，砂质纹层、含砂质纹层页岩、页岩的物性明显存在差异。砂质纹层物性最好(孔隙度大于7%，垂直渗透率0.000923 mD，水平渗流率0.003583 mD)，含砂质纹层的页岩次之(孔隙度3.36%～5.48%，平均为4.03%)，纯页岩物性最差(孔隙度1.69%～3.54%，平均2.48%，垂直渗透率0.000058～0.000091 mD)。从测试结果来看，页岩中的砂质含量，尤其是砂质纹层的发育对总孔隙度的大小具有重要影响。虽然粘土矿物含量较高的纯页岩的孔隙度变化范围较大，但从整体来说，砂质纹层越发育，砂质含量越高，孔隙度越大。此外，样品的水平渗透率明显大于垂直渗透率，一般水平渗透率为垂直渗透率2～4倍。如X54井砂质纹层的水平渗透率为0.003583 mD，垂直渗透率仅0.000923 mD，水平渗透率是垂直渗透率的3.9倍，H36井2-45/54号样含砂质纹层页岩的水平渗透率为0.000603 mD，是垂直渗透率的2.7倍。这表明砂质纹层的发育对页岩的水平渗透率有重要贡献。

表1 延长组泥页岩物性特征(脉冲衰减法测试结果)

2.2.1 砂质纹层的发育有利于提高页岩储层孔隙度

根据以上孔隙度实测数据与页岩岩性的关系，可以看出页岩中砂质纹层的发育是影响页岩储层孔隙度大小的重要因素，进一步对页岩镜下特征进行观察，从页岩沉积过程和成岩作用两个方面对影响孔隙度的地质因素进行分析。

根据目前人们对页岩沉积环境的认识，页岩中的粘土矿物沉积时的水动力环境主要可以分为两类(图5a和b)：静水条件下，悬浮沉积物以较为疏松的絮凝物沉积下来，压实后絮凝物中的孔隙往往缩小为长轴状的纳米级孔隙；而在较强水动力条件下，粘土可以互相包裹、滚动，扎束形成较为坚固的团块状絮凝物，压实后仍可保留等轴状孔隙形态，孔径最大可达微米级。不同水动力条件下形成的粘土絮凝物由于其自身结构和排列方式不同，导致其抗压程度也有不同表现，从而在后期成岩压实过程中影响了其孔隙演化特征，沉积作用对粘土矿物原始沉积结构的影响就决定了纯页岩孔隙度范围跨度较大，实测值可以从1%～4%不等。

图5 沉积和压实作用对泥页岩孔隙结构影响

石英是高成熟度矿物，抗机械压实作用较强，使碎屑岩有利于保存部分原生孔隙。对于页岩中发育的砂质纹层，其中发育的粉砂级长石、石英碎屑颗粒比粘土絮凝物更为坚硬、形态更趋于等轴状，相应地，在孔隙结构演化过程中具有更好的保存孔隙的能力，孔径级别相对纯页岩更大，孔隙度也更大。Loucks等[14]通过观察Barnett页岩有机质颗粒三维形态特征，证实了砂质纹层中的石英、长石等碎屑颗粒可构成一个相对刚性格架，增强页岩的抗压实能力，有利于页岩中有机质微孔隙的保存。

除物理成岩作用外，化学成岩作用也是影响页岩孔隙度的重要因素，脆性矿物如石英、长石、碳酸盐岩的溶蚀作用，能在一定程度上增加页岩气的储集空间[15]，相对页岩中的泥质纹层部分，砂质纹层中较高的长石含量为溶蚀作用的发生提供了基础，镜下观察钾长石和钠长石中随处可见粒内溶蚀孔缝和粒间溶蚀孔缝，有的甚至可形成超大孔和几十微米的大孔并且能够得到很好的保存，证实研究区长7、长9段页岩中发育的砂质纹层内发生过强烈的溶蚀作用，提供了大量的孔隙空间，也增加了页岩的孔隙度。

2.2.2 砂质纹层的发育有利于产生低角度裂缝，提高页岩储层的水平渗透率

页岩储层矿物组分中的脆性矿物，如石英、长石、方解石等，是控制页岩裂缝发育程度的主要内在因素[16，17]，直接影响页岩气储集空间和渗流通道。当页岩中石英、长石和碳酸盐岩等矿物的含量较多而膨胀性黏土矿物含量较少时，页岩的脆性较大，造缝能力强[18]，而页岩层系中的粉砂岩、细砂岩、砂岩夹层等也可提高储层的渗透性，有利于页岩气的开采，如北美Texas州西部Bossier含气页岩储层为页岩、砂岩和粉砂岩的混合岩性[19]，页岩中的砂质夹层增加了页岩本身的脆性，有利于裂缝体系的形成；Barnett页岩内部硬地层(灰岩和砂岩)往往与富有机质泥页岩形成“三明治”结构，这非常利于开采过程中分段压裂和天然气产出。从实测数据来看，研究区发育有砂质纹层的页岩渗透率更好，尤其是平行层理方向的渗透率可比纯页岩高出一个数量级，这说明页岩层系中的砂质纹层可提高页岩储层的水平渗透性。

另外，在对研究区页岩中大量裂缝观察的基础上，低角度裂缝常常发育在砂质纹层附近的泥质纹层中(图6)，即砂质纹层的发育有利于产生低角度裂缝，且岩性非均质性越强越容易形成网状裂缝。这可能是由于裂缝的发育主要受控于应力的分布特征，而砂质纹层的存在恰恰造成了应力分布的不均一性，使得泥质纹层或粒度较小的砂质纹层承受了相对更大的应力从而更容易发育裂缝。通过对探区内几十口页岩气开发井的统计可以发现，砂质纹层对改善页岩的储集性能有重大贡献，探区内所有的页岩气高产井都发育砂质纹层，由此可见，分析泥页岩的砂质纹层的发育特征，对页岩气的勘探和开发具有重要的意义。

图6 长7页岩中被硅质胶结的顺层低角度裂缝， YY1井张家滩页岩，1315.1m正交，5×

3 结论

露头、岩心和镜下观察表明，鄂尔多斯盆地南部延长组长7及长9页岩中发育大量的砂质纹层，与暗色页岩条带成交互层状产出。

脉冲衰减法实验结果表明，页岩中的砂质纹层可以有效改善页岩储层的孔隙度和水平渗透率，从而为页岩气提供有效的储集空间，同时砂质纹层中的石英、长石等碎屑颗粒的发育增加了页岩脆性，使页岩层系具有可压性，在压裂中利于形成人工裂缝，对页岩气的勘探和后期开发具有重要意义。

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[责任编辑 李晓霞]

The Sandy Laminar Characteristics and Its Effect on Reservoir Property of Shale:A Case Study from the Upper Triassic Yanchang Fm in Southern Ordos Basin

YANG XIAO1,JIANG Cheng-fu1,SUN Bing-hua1,SONG Hai-qiang2

(1.Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum(Group) CO.LTD.，Xi′an 710075,China；
2. Shaanxi Yanchang Petroleum International Exploration and Development Engineering CO.LTD.,Xi′an 710075,China)

Through the observation and measurement of outcrops and cores,this paper analyzes the characteristics of sandy laminar of the upper triassic Yanchang Fm in southern Ordos basin,and using scanning electron microscope(SEM) and X-Ray diffraction(XRD) to observe and analyze the rock mineral characteristics of sandy laminar and pure shale.In order to analyze the effect of sandy laminar on the shale reservoir property，this paper uses pulse decay method to test the porosity and permeability of the shale and sandy laminar.The results show that sandy laminar can increase the porosity and horizontal permeability of shale reservoir,clastic particles such as quartz and feldspar in sandy laminar can form a supporting structure which is favourite to preserve the primary pores,and paulopost dissolution can increase the porosity of shale reservoir to some extent.These clastic particles can also increase the shale brittleness,which is benefit for shale fracturing.The bedding surface of the shale and sandy laminar increases the horizontal permeability of shale reservoir. So we should pay attention to the sandy laminar of the shale reservoir in the shale gas exploration and development process.

Ordos basin; continental shale; Yanchang formation; sandy laminar shale reservoir

2015-01-08

杨 潇(1980—)，女，河南灵宝人，陕西延长石油(集团)有限公司工程师。

TE122.2

A

1004-602X(2015)02-0018-06