四川盆地涪陵页岩气田五峰—龙马溪组岩矿纵向差异性研究——以JYA井为例

张梦吟，李 争，王 进，韩驰宇，刘 霜，钱 华

(中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，武汉 430223)

四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相黑色页岩主要形成于深水陆棚环境，以硅质页岩、碳质页岩及粉砂质页岩为主，富含放射虫及笔石[1-3]。焦石坝地区五峰组—龙马溪组龙一段富有机质黑色页岩厚度大，埋藏浅，含气量高，具有较高的开采价值[4-5]。页岩气作为一种重要的清洁化石能源，近年来受到学界高度重视[6-7]。随着国内对页岩气勘探与开发研究的逐步深入，作为自生自储式气藏，页岩矿物成分及含量等的差异对页岩品质的影响逐渐受到广泛关注。本文通过薄片和全岩黏土X衍射分析测试技术，对目的层五峰组—龙马溪组龙一段页岩纵向上的岩矿特征开展了系统研究，明确其纵向上的差异性，进一步结合氩离子抛光扫描电镜和含气量测定结果，开展纵向上岩石矿物组分及含量对页岩品质、含气性以及可压性影响的研究。

本文主要研究对象五峰组—龙马溪组龙一段整体为一套灰黑色硅质页岩，其中龙马溪组龙一段依据岩性、电性特征差异又细分为3个亚段(图1)。实验测试的样品全部来源于JYA井，该井位于重庆市涪陵区白涛镇石门村，属于川东南地区川东高陡褶皱带万县复向斜包鸾—焦石坝背斜带焦石坝构造，目的层段厚度为102.8 m。针对目的层段开展系统取样，共计采集样品128块，分别对这些样品开展了薄片鉴定、全岩X衍射、黏土X衍射、有机碳含量和氩离子抛光扫描电镜实验分析。其中薄片鉴定采用DM2500P型Leica偏光显微镜，依据SY/T5368-2000标准开展样品观察；扫描电镜分析(氩离子抛光)采用QUANTA200环境扫描电子显微镜，依据GB/T18295-2001，SY/T5162-2005标准开展观察分析；全岩及黏土矿物X衍射分析是在温度24 ℃、相对湿度35%的条件下，采用D/max-2600型X射线衍射仪，依据SY/T5163-2010标准开展分析测定；有机碳含量采用CS844碳硫分析仪，依据GB/T 19145-2003标准开展分析测定。

1 页岩矿物组分及纵向分布特征

1.1 石英

图1 四川盆地焦石坝地区JYA井五峰组—龙马溪组龙一段矿物含量综合柱状图

全岩X衍射分析测试表明，目的层段石英含量在8%～75%(图1)，且自下而上逐渐减少。其中五峰组—龙马溪组龙一段一亚段内的石英含量最高，平均达53%。薄片镜下观察发现，位于五峰组—龙一段一亚段内的石英杂乱分布，多呈隐晶质、微晶结构，少数发育良好，形成自形晶(图2a，b)，可见亮暗同心圆，中间往往被碳质所充填，主要以钙质和硅质海绵骨针以及硅质放射虫为主[8-9]。这些特征表明，整个含气页岩段下部的五峰组—龙一段一亚段内硅质多为生物成因。位于龙一段二亚段中的石英含量平均在40%，通过镜下观察发现，薄片中的石英呈纹层状会聚，与富泥碳质纹层间互层，形成明暗相间的纹层构造，且自下而上粉砂质纹层由细变宽再变细，其间的石英颗粒呈次棱—次圆状，周围被伊利石包裹(图2c，d)。龙一段三亚段中石英含量明显减少，薄片中呈不连续分布，石英颗粒主要呈次棱—次圆状(图2e，f)。由此判断龙一段二、三亚段内的石英有别于五峰组—龙一段一亚段，认为龙一段二、三亚段以陆源石英为主。与此同时，研究区五峰组—龙一段一亚段内的石英与有机碳呈较高的正相关关系[10]，而龙一段二、三亚段内石英与有机碳含量无明显相关关系(图3)。进一步研究证实，五峰组—龙一段一亚段沉积时，古生产力极高，硅质生物和富有机质的藻类生物等均较发育，因而硅质和有机碳含量呈明显的正相关；而龙一段二、三亚段镜下观察发现烃类生物碎屑较少，其中的石英具有一定磨圆度和分选性，呈现典型的陆源特征，说明此时古生产力相对较低，陆源的输入导致硅质和有机碳含量没有明显的相关性。综上所述，五峰组—龙一段一亚段中的石英主要来源于生物[8-9，11]，龙一段二、三亚段中的石英主要来源于陆源碎屑[12]。

1.2 黏土矿物

黏土矿物与石英在纵向上呈现出互为消长趋势，自下而上黏土含量逐渐增加，含量在12%～68%(图1)。X衍射结果表明，研究区内的黏土矿物由伊利石、伊蒙混层以及绿泥石组成，而高岭石基本不可见；随着埋深的增加，各类黏土矿物绝对含量呈递减趋势，从相对含量的变化上来看，伊利石相对含量逐渐增加，伊蒙混层中蒙脱石相对含量降低，绿泥石相对含量基本保持稳定。五峰组—龙一段一亚段中黏土矿量平均达28%，镜下观察发现该段中黏土矿物多现于矿物边缘或包裹矿物(图2a，b)；龙一段二亚段中黏土矿物平均含量达40%，其中的黏土矿物主要为纹层状，与粉砂质纹层互层，形成明暗相间的纹层构造(图2c，d)；龙一段三亚段中黏土矿物含量平均达55%，镜下观察发现本段中黏土质含量明显增加，其间的泥屑呈拉长状，定向分布形成纹层结构(图2e,f)。

图2 四川盆地焦石坝地区JYA井五峰—龙马溪组电镜下微观特征

图3 四川盆地焦石坝地区JYA井龙马溪组一段石英含量与有机碳相关关系

1.3 其他矿物

JYA井五峰组—龙马溪组龙一段内除石英和黏土矿物外，还存在少量的长石、碳酸盐及黄铁矿，三者总含量小于20%(图1)。长石整体含量较低，纵向上差异性不大，由钾长石和斜长石组成，以后者居多。碳酸盐局部富集，其中的白云石含量略高于方解石。黄铁矿主要呈草莓状，形态完整，多包裹于黏土矿物中，自上而下逐渐增多，反映水体中的还原环境逐渐增强[13]。

2 页岩矿物组分对储集性能的影响

2.1 矿物组分对孔隙类型的影响

针对研究区五峰—龙马溪组页岩储层的孔隙类型，国内外不少学者已经开展了大量的研究，并建立了比较完善的孔隙类型分类方案[11，14]，然而对页岩孔隙类型纵向上差异性分布特征及其控制因素的研究相对较少。本文在页岩岩石矿物组分分析的基础上，结合氩离子抛光扫描电镜技术，对页岩储层纵向上孔隙类型特征开展相关研究。

2.1.1 有机孔

页岩储层中的有机孔主要形成于有机质热裂解生烃过程中，因此该类型孔隙主要发育在有机质(沥青)内或有机质(沥青)间。有机孔是页岩储集空间的重要组成部分，不仅是游离态页岩气的主要储集空间，也有利于吸附态页岩气的附着。研究区五峰组—龙一段一亚段内发育有大量的有机孔，结合氩离子抛光扫描电镜观察发现，部分有机孔属于残留在有机质内部的孔隙(图4a),也有部分有机孔发育于沥青中(图4b)。主要是因为二者有机孔形成模式的不同，但不管其为何种成因模式，有机质孔隙的生成均与有机质有关，为有机质热演化过程中所生成的孔隙。有机质孔隙平面上呈圆形、椭圆形及不规则形状，孔隙边缘清晰；圆形孔大多孤立发育，椭圆及不规则孔多呈连通状态(图4c)。有机质孔隙尺度跨度较大，从纳米级到微米级均有发育(图4d)。按国际理论和应用化学联合会(IUPAC)的孔隙分类，属于中孔和大孔级别，有机质表面有机质孔隙发育程度高，多呈蜂窝状，面孔率介于10%～50%，平均面孔率为30%。龙一段二亚段内，有机孔发育量明显减少(图4e)；龙一段三亚段中，有机孔基本不发育(图4f)。整体上来看目的层内自下而上有机质孔减少，这主要是因为纵向上有机质含量的变化。在五峰组—龙一段一亚段，硅质来源以生物成因为主，高硅质含量说明了成烃生物的富集程度较高[15-16]，进一步保证了有机质和有机质孔的匹配。

2.1.2 无机孔

研究区五峰—龙马溪组页岩储层纵向上广泛发育无机孔，其中以碎屑孔(粒间孔、粒内溶孔)和黏土矿物晶间孔为主。通过氩离子抛光扫描电镜资料表明，无机孔的发育程度在纵向上存在明显差异。五峰组—龙一段一亚段内，黄铁矿含量达到最高，其间主要发育以黄铁矿晶间孔为主的无机孔(图5a)；龙一段二亚段内，陆源成因硅含量最高，其间主要发育粒间孔、粒内溶孔和黄铁矿晶间孔3种无机孔隙类型(图5b，c)；龙一段三亚段内，黏土矿物含量最高，其间孔隙类型以黏土矿物晶间孔为主(图5d)。据前人研究认为，随着粒间黏土矿物含量增加，黏土矿物在成岩演化过程中，矿物晶体体积缩小而在晶体间生成晶间孔[17-18]。总体上来看，纵向上矿物组分的差异性直接控制了无机孔的类型。

图4 四川盆地焦石坝地区JYA井五峰—龙马溪组有机质孔类型

图5 四川盆地焦石坝地区JYA井五峰—龙马溪组无机孔类型

综上来看，五峰组—龙一段一亚段，由于沉积环境闭塞，陆源碎屑供给不充分，生物发育，生物成因硅和黄铁矿在本段中的含量最高，有机质丰富，相应有机孔发育，同时发育少量黄铁矿晶间孔；龙一段二亚段，沉积环境相对开放，有一定的陆源碎屑供给，硅质以陆源碎屑为主，由外搬运来的碎屑颗粒形状不规则，因此形成了大量的粒间孔；龙一段三亚段，沉积环境开放，陆源碎屑物质供给较为充分，且随着黏土矿物含量的明显增多，伴随着成岩过程中黏土矿物间的转化，使得该岩性段中发育大量黏土矿物晶间孔。

2.2 矿物组分对物性的影响

通过JYA井实测物性数据和全岩测试结果对比分析发现，页岩储层中硅质含量与孔隙度呈明显正相关关系，黏土矿物含量与孔隙度呈明显负相关关系，体现出页岩矿物组分纵向上的差异性分布对页岩储层孔隙类型同样存在着影响。作者认为组成页岩的不同矿物是通过对孔隙类型的控制，进一步影响了储集物性，页岩储层中有机质孔的发育有利于改善页岩储层物性，而黏土矿物晶间孔对页岩储层物性可能具有一定破坏作用，导致其物性变差。

3 页岩矿物组分对含气性的影响

JYA井硅质含量与总含气量交会图表明，五峰组—龙一段一亚段内硅质含量与总含气量呈正相关关系，而龙一段二亚段和三亚段内硅质含量与总含气量相关性不明显(图6a)。研究认为，五峰组—龙一段一亚段内，生物成因硅质含量越高有机质含量越高，储层中的孔隙类型也以有机质孔为主。由于有机质孔的良好储渗特性，该段页岩储层物性条件较好，因而有利于游离气的储集。同时基于有机质的亲油气性，在有机质表面吸附大量页岩气，因此五峰组—龙一段一亚段内硅质含量与总含气量呈明显正相关关系[19]。纵向上龙一段二亚段和三亚段，其孔隙类型逐渐从有机质孔过渡到黏土矿物晶间孔，硅质含量以陆源来源为主，因此在龙一段二亚段和三亚段内硅质含量与总含气量相关性不明显。

图6 四川盆地焦石坝地区JYA井页岩段总含气量与矿物含量相关关系

JYA井黏土矿物含量与总含气量交会图(图6b)表明，在页岩储层中黏土矿物含量与总含气量相关性较差，主要是因为页岩储层自下而上黏土矿物含量增多，有机质含量逐渐减少。虽然黏土矿物晶间孔逐渐发育，存在一定的储集空间，但是总含气量的大小更多的受到有机质含量的影响，因此页岩储层中黏土矿物含量与总含气量相关性不明显[20]。

4 页岩矿物组分对可压性的影响

岩石的脆性与页岩储层改造密切相关，是储层力学性质研究、井壁稳定性评价以及水力压裂效果评价的基础，页岩岩石中的脆性矿物含量是表征页岩脆性的常用方法之一。根据前人研究表明，同时具有高杨氏模量和低泊松比的矿物脆性最大，最易于后期改造。依据不同矿物的弹性参数对比发现，涪陵焦石坝地区5种矿物(长石、石英、碳酸盐矿物、黏土矿物和黄铁矿)类型中石英相对于其他矿物，具备高杨氏模量、低泊松比的典型脆性矿物所具有的弹性特征。故本文在此采用计算公式BRIT=V石英/(V石英+V碳酸盐+V黏土)×100%(式中，BRIT为岩石脆性指数，V为矿物体积)，对涪陵焦石坝地区开展脆性计算。

通过脆性指数计算，龙一段三亚段脆性指数范围在8.4%～50%，平均值为30%；龙一段二亚段脆性指数范围在31%～53%，平均值为45%；底部的五峰组—龙一段一亚段脆性指数范围在30%～73%，平均值为51%。即随埋深的增加，石英矿物含量逐渐增加，从而页岩的脆性逐渐增强，位于五峰组—龙一段一亚段中的页岩可压性在整个目的层段中最好。由此可见，页岩中石英的含量是页岩脆性评价的关键，是页岩储层压裂改造的基础。

5 结论

(1)四川盆地涪陵焦石坝地区五峰组—龙马溪组一段页岩主要由石英、钾长石、斜长石、方解石、白云岩、黄铁矿和黏土矿物组成，且自下而上长石、石英、黄铁矿含量逐渐减少，黏土质含量逐渐增多。

(2)研究区目的层段页岩储层段孔隙类型受岩石矿物组分的控制作用较为明显，生物硅含量高时，有机质孔发育且占主导地位；随着陆源碎屑硅及黏土矿物含量的增加，无机孔开始占主导。

(3)组成页岩的不同矿物通过对孔隙类型的控制，进一步影响了储集物性，有机孔隙物性优于无机孔。

(4)研究区目的层段页岩储层中岩石矿物组分与总含气量关系密切，当生物成因硅质含量较高，而黏土含量较低时，有机质含量高，储集物性好，有机质孔发育，从而页岩总含气量高。

(5)研究区目的层段页岩中不同的矿物组分是页岩脆性、可压性的决定性因素，即石英含量越高，岩石脆性指数越大，可压性越好。

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