牛蹄塘与陡山沱组页岩孔隙发育差异性与主控因素分析——以鄂西某井为例

谢 婷, 李 琦, 王向华, 于伟欣

(1.中国地质大学(北京)海洋学院, 北京 100083； 2.中国地质调查局非常规油气地质重点实验室, 北京 100029)

页岩气主要以吸附态存在于干酪根和黏土颗粒表面,以游离态存在于页岩储层的孔隙或裂缝中,少量以溶解态存在于干酪根和沥青质中,而页岩孔隙是页岩气赋存的主要空间,因此其结构类型及发育特征影响着页岩的储气性能,通过各种手段定性及定量研究孔隙发育特征、分析影响孔隙发育的因素,对于页岩的含气量和可采储量评价至关重要[1-3]。前人研究发现,影响页岩孔隙发育的因素主要有沉积环境、沉积相、构造应力、埋藏深度、沉积速率、埋藏时间、成岩作用阶段、黏土及脆性矿物组成、岩石密度、有机碳含量、有机质热演化程度等[4-9],其中有机碳含量以0.9%和1.7%为界限,含量<0.9%时,页岩储层主要发育无机质孔,含量介于0.9%～1.7%,有机孔与机孔发育程度相当,页岩非均质性最强,含量>1.7%,有机孔的主导地位更加明显[10]；矿物组成影响页岩储层中孔隙发育的类型及孔隙的抗压实能力；沉积环境影响页岩储层保存有机质及微观孔隙的能力；热演化作用对于孔隙发育具有物理与化学的双重影响,体现在随埋深增加,地层压实作用下的孔隙减少及地温增加,有机质的裂解及生排烃和黏土矿物的相变使得孔隙增加[11]。

国外对于页岩气的勘探研究相对较早,技术也更为成熟,而中国对于页岩气的研究仍处于初级阶段,页岩气勘探开发的地质条件也更为复杂。中国南方中、古生界海相页岩为主要的页岩气生储潜力地层,其中尤以四川盆地、中下扬子地区最为富集。因此,鄂西地区成为中国南方页岩气勘探开发的一大重点区域,该区域的油气地质调查可追溯到20世纪50年代,中国学者对该地区开展了地质及页岩气调查并获得了区域地质背景、构造特征、沉积条件、古环境、油气储集量、油气勘探的有力目标区等诸多有价值的信息[12-17],但针对两组优质页岩储层所开展的微观储集空间的精细化对比研究工作则少之又少,而这一工作的开展对于预测各组储层的优劣性又十分必要。因此，现主要基于先进的岩矿分析技术,即高分辨率场发射扫描电镜检测与氩离子抛光联合运用,结合有机碳含量测定、全岩及黏土X衍射分析等常规手段,并通过岩心观察及测井资料分析对研究区两组页岩微纳米孔隙发育特征、差异性及其控制性因素进行深入细致的对比研究,分析总结该区域页岩气富集成藏的基础条件,以期为鄂西地区页岩气勘探开发工作的展开提供依据。

1 实验样品及方法

1.1 样品来源及概况

研究区主要位于湖北省西南部的宜昌附近的黄陵背斜与秭归向斜地区,构造上位于扬子陆块北缘中段,属于中扬子区,北邻秦岭-大别造山带,南接江南陆内造山带,处于两大造山带之间的相对稳定区(图1)。区内主要发育两条大型断裂,分别为北西走向的天阳坪断裂和北北西走向的仙女山断裂。天阳坪断裂在燕山期开始活动,向北东逆冲推覆,上盘寒武系地层出露地表。仙女山断裂的活动在天阳坪之后,主体上是一条多期活动的走滑性质断裂,在空上切断天阳坪断裂。该区域在前震旦系变质基底之上进入了较为稳定的沉积阶段,地表出露震旦系、寒武系、奥陶系、志留系沉积岩,主要为碳酸盐沉积,中、新生界地层在目标区内被剥蚀。发育的陡山沱组局部富有机质页岩层系,岩性为黑色碳质页岩、黑色含云碳质泥岩、灰黑色含碳云质泥岩,常具纹层状构造,属于局限台地相沉积,环境闭塞且能量较低；发育的下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩层系,岩性为黑色泥岩与黑灰色泥岩,岩石微细纹层理发育,黄铁矿含量高,呈星点状分布,产海绵古针、骨丝及海绵体以及大量的菌藻类,为陆棚沉积环境。

图1 钻井位置示意图

区内下寒武统牛蹄塘组页岩可划分为Sq1、Sq2和Sq3三个层序,由海侵和高位体系域组成。Sq1对应牛蹄塘组下部地层,海侵体系域为深水安静水体沉积,由灰黑色页岩构成,可见较多磷质结核,高位体系域为斜坡沉积,岩相以灰黑色页岩为主；Sq2对应牛二段下部,海侵体系域为深水盆地沉积相,发育灰黑色页岩,页理发育,同时可见较多的黄铁矿纹层和磷质结核发育,高位体系域为斜坡相；Sq3对应牛蹄塘上部地层,该层序海侵体系域与高位体系域均为斜坡沉积,岩性以灰色页岩为主。

图2 牛蹄塘与陡山沱层序单元划分柱状示意图

下震旦统陡山沱组页岩可划分DSq1、DSq2、DSq3三个层序,均由海侵体系域和高位体系组成。DSq1对应陡一、二段下部地层,海侵体系域由陡山沱下部的白云岩和泥岩构成,为深水安静水体环境沉积,可见到较多磷质结核,高位体系域对应陡二段中下部地层,为斜坡沉积,岩相以灰色页岩为主；DSq2对应于陡二段中上部,海侵体系域为盆地相,主要发育黑色页岩,页理发育,同时可见大量的黄铁矿纹层和磷质结核发育,高位体系域对应陡二段下部,以斜坡相的页岩、粉砂质页岩为主；DSq3层序的海侵体系域与高位体系域均为碳酸盐台地,岩性以灰岩及粉晶质白云岩(图2)。

1.2 实验仪器及方法

页岩孔隙系统复杂,页岩孔隙空间多样、孔隙间连通情况复杂,单一的研究手段不能完整展示孔隙系统特征,因此需借助多种研究手段对其进行多尺度联合表征[17]。分别对鄂西牛蹄塘与陡山沱组页岩样品进行扫描电镜观察、氩离子抛光、薄片分析、氩离子抛光、有机碳含量测定、核磁共振测井、全岩及黏土X衍射等,其中场发射扫描电镜[图3(a)]及氩离子抛光仪[图3(b)]为主要研究手段。

场发射扫描电镜是利用二次电子信号成像来观察观察页岩有机、无机微纳米孔隙及微裂缝发育状况,有机质形态、丰度及分布规律,所用仪器为德国ZEISS公司的热场发射扫描电镜,型号ZEISS Merlin Compact；氩离子抛光是运用离子束对样品表面进行削平抛光处理的一种手段,主要用于场发射扫描电镜所用样品的制备,由于页岩样品自身较为疏松,常规制样技术难以达到理想效果,只有借助氩离子抛光才能使页岩样品表面平整,微纳米孔隙特点的表征更加清晰,所用仪器为德国徕卡公司的Leica EM TIC3X。以上实验均在中国地质调查局非常规油气地质重点实验室完成。

2 孔隙发育特征

2.1 孔隙度及渗透率

研究区核磁共振成像测井结果如表1所示,牛蹄塘组页岩在井段2 813.3～3 084.5 m,页岩核磁总孔隙度范围8.34%～19.84%,集中段为12.14%～17.14%,平均值为13.91%；陡山沱组页岩在井段3 280.5～3 456.3 m,核磁总孔隙度范围1.06%～12.48%,集中段为2.04%～5.28%,平均值为3.55%。以上数据表明,牛蹄塘组页岩核磁总孔隙度普遍大于陡山沱组页岩。

图3 仪器设施及相关过程图

表1 鄂西牛蹄塘与陡山沱组页岩核磁共振测井解释成果数据表

2.2 孔隙类型

Loucks等[18]将泥页岩孔隙分为矿物粒间孔、矿物粒内孔和有机质内孔。杨峰等[19]根据孔隙发育位置和发育成因,将页岩储层的孔隙划分为有机质纳米孔、黏土矿物粒间孔、岩石骨架矿物孔、古生物化石孔和微裂缝。李海等[20]将鄂西宜昌斜坡区寒武系水井沱组页岩储集空间类型划分为无机孔、有机孔和微裂缝,其中无机孔隙按照成因分类又划分为粒间孔、溶蚀孔、铸模孔和晶间孔。将鄂西牛蹄塘与陡山沱组页岩分为脆性矿物孔(残余粒间孔、晶间孔、溶蚀孔、铸模孔)、黏土矿物粒间孔、有机质孔及微裂缝四大类。

2.2.1 脆性矿物孔

(1)残余粒间孔：Inlens模式下可见,鄂西牛蹄塘与陡山沱组页岩储层中,石英、长石等矿物颗粒分散镶嵌于黏土矿物之间,一般难以相互支撑而形成粒间孔,仅在少数颗粒间留有残存粒间孔隙。

(2)晶间孔：主要发育于白云石等碳酸盐岩矿物晶间,此类孔隙在陡山沱组页岩内重结晶泥晶及粉晶状白云石晶间发育较多,通常呈三角形、四边形,孔径范围50～500 nm,如受到溶蚀则孔隙空间扩大,边缘破碎或呈不规则状[图4(a)]。

(3)溶蚀孔：在地层埋藏深度较深或地层流体化学性质发生变化时,长石、碳酸盐矿物及石英等易受到溶蚀而形成粒内孔,另外有机质生排烃过程中形成的有机酸也会导致黄铁矿颗粒受溶蚀而边缘呈不规则波浪状或锯齿状边界并发育类圆状溶蚀粒内孔[图4(b)]。鄂西牛蹄塘页岩储层中粒内孔,主要存在于石英、长石、黄铁矿颗粒及黏土矿物集合体内,呈类圆状、多角状等,孔径20 nm～1 μm,多集中于50～500 nm,其中分布于方解石、长石内的溶蚀粒内孔常呈定向分布,类圆状孔隙孔壁滑且孔径大小较为均匀；陡山沱组页岩的粒内孔主要存在于方解石、白云及长石等易受到溶蚀作用影响的矿物颗粒内及黏土矿物内,溶蚀孔孔径范围为 5 nm～20 μm,呈类圆状及不规则的多边形状,陡山沱组页岩尤其特别之处表现在,镜下可见由于受到溶蚀而形成的方解石溶蚀晶锥,溶蚀晶锥间存在孔隙且这一溶蚀过程将继续进行并形成溶蚀坑[图4(c)]。利用微电阻率扫描成像进行溶孔分析(表2),其中牛蹄塘组页岩测量井段为3 065.6～3 066.2 m,检测到溶蚀孔12个,面孔率2.6%；陡山沱测量井段3 261.7～3 264.3 m,检测到溶蚀孔150个,面孔率15.8%,在井段3 454.3～3 455.4 m,检测到溶蚀孔27个,面孔率3.8%,结果表明,测量井段内溶蚀孔洞整体不发育,其中陡山沱组3 261.7～3 264.3 m 溶孔发育相对较密,面孔率分别为11.4%和15.8%。镜下观察及微电阻率扫描成像(XRMI)结果均表明,与牛蹄塘组页岩相比,陡山沱组部分层段发育更多的溶蚀孔隙,且孔径较大,通常呈孤立或成群分布。

表2 牛蹄塘与陡山沱组页岩XRMI测井溶蚀孔洞参数

(4)铸模孔：是在外力作用下,矿物颗粒受刮擦而掉落形成的孔隙,此外,颗粒的完全溶蚀也会形成此类孔隙,图4(d)为莓状黄铁矿铸模孔。

2.2.2 黏土矿物粒间孔

黏土矿物集合体间常发育与粒状黄铁矿晶体、石英、长石晶体、泥晶方解石晶体混杂,其排列常具定向性,可见个别顺层微缝及溶蚀微孔隙,且黏土矿物粒间常发育狭缝状、弯月状及蜂窝状层间孔隙,如叶片状绿泥石间发育蜂窝状粒间孔且成群分布[图4(e)],孔径变化范围较大,一般在50 nm～1 μm。

2.2.3 有机孔

鄂西牛蹄塘组页岩储层中有机孔的发育程度明显差于陡山沱组,有机孔呈类圆状、多角状,相对独立分布,相互间联通较差,孔径较小,为5～100 nm,多集中于10～40 nm,且不同赋存类型的有机质孔隙发育状况也不尽相同,如填隙于自生石英颗粒间的有机质孔隙发育良好[图4(f)],而条带状、斑块状有机质颗粒十分致密,表面平滑,几乎不发育孔隙,其中部分此类有机质在边缘发育有平滑线状成岩收缩缝。与牛蹄塘组页岩相比陡山沱组页岩有机质孔隙发育较好,孔径在10～200 nm,海绵状、多角状等,孔隙间联通性好。

2.2.4 微裂缝

牛蹄塘与陡山沱组页岩发育构造微裂缝、成岩收缩缝及有机质生排烃缝。构造微裂缝一般近于相互平行或呈枝状交错分布,延伸距离较远[图4(g)],缝宽20～500 nm,有时可见黄铁矿条带与微裂缝平行展布,若裂缝贯穿样品则可以认为是制样过程中形成的人为压裂缝；成岩收缩缝存在于内部几乎不发育有机质孔隙且质地较为致密的固体沥青质体或部分矿物颗粒周围,一般沿有机质或矿物颗粒边缘呈平滑线状展布,缝宽20～300 nm,能清晰勾勒有机质或矿物颗粒形态[图4(h)]；有机质在生排烃过程中由于热增压作用而形成有机质生排烃缝,存在于有机质颗粒内部,缝宽20～200 nm,呈狭缝状,延伸距离短且一般孔径不大[图4(i)]。

另外,用微电阻率成像仪EXCELL—2000对两组页岩进行张开缝参数提取后可知,牛蹄塘组页岩,井段2 800.0～3 069.5 m,电成像资料共拾 34条(半)充填缝和66条张开缝,张开缝的倾角在20.3°～89.7°、倾向南为主,裂缝轨迹较清晰,表明裂缝具有较好的连通性和延展性；陡山沱组页岩,井段3 245.5～3 456.5 m,电成像资料显示该层段内局部裂缝相对发育,解释张开缝42条,(半)充填缝35条,张开缝倾角6.6°～89.8°,南(南西、南东)倾裂缝较多,裂缝倾向较散乱,表明裂缝连通性及延展性较差。

3 讨论

3.1 矿物组分特征

前人研究认为,矿物组分影响页岩储层微纳米孔隙的形成与演化,当页岩中含有较多的硅质、石英、长石、碳酸盐岩等脆性矿物时,矿物颗粒之间可相互支撑形成页岩气储集空间且更容易在外压裂作用下形成基质孔隙及微裂缝[21-23]。测试结果表明,牛蹄塘组页岩矿物成份以石英为主,含量16.6%～70.4%(平均含量45.6%),其次是黏土矿物,含量为9.8%～25.8%(平均含量14.6%),方解石含量为2.2%～32.5%(平均含量为12.9%),白云石含量为2.9%～44.3%(平均含量11.6%)，长石含量为4.4%～12.9%(平均含量为8.4%),黄铁矿含量为2.1%～11.5%(平均含量5.3%),此外还有少量赤铁矿、菱铁矿、重晶石及硬石膏[图5(a)]。陡山沱组矿物成分以白云石为主,含量为31.9%～65.7%(平均含量45.1%),其次为石英,含量为11.1%～38.6%(平均含量23.5%),黏土矿物含量为5.4%～22.0%(平均含量15.2%),黄铁矿含量为0.2%～4.4%(平均含量2.0%)部分样品检测出方解石、沸石及石膏[图5(b)]。

图5 鄂西牛蹄塘与陡山沱矿物成分统计图

由以上数据可知,两组页岩脆性矿物含量基本一致,但牛蹄塘组页岩的核磁总孔隙度却明显高于陡山沱组页岩且可压裂性更好,分析认为其原因为：①相比之下,牛蹄塘组页岩的石英含量高于陡山沱组,而页岩脆性随石英含量增加而升高而随黏土矿物含量的增加而降低[24],且刚性较强的石英颗粒能够保证孔隙在压实过程中得到保存,所以石英含量越高,能够使岩石整体上孔隙度比较高[25],如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示,随石英及长石含量的增加核磁总孔隙度呈现出升高的趋势,而随黏土矿物含量的增加核磁总孔隙度基本并未呈现的升高趋势；②当白云石含量<9%时,随其含量的增加溶蚀作用逐渐增强,而当白云石含量>15%时,随其含量的增加,溶蚀作用逐渐减弱[26],如图6(d)所示,当白云石含量在10%以内时,随白云石含量的增长核磁总孔隙度呈现出升高的趋势,但当白云石含量大于20%时,随其含量的增加核磁总孔隙度呈现出降低的趋势。

图6 鄂西牛蹄塘与陡山沱核磁总孔隙度随矿物含量变化

3.2 有机质丰度及热演化程度

3.2.1 有机质丰度

使用红外定碳定硫LecoCS230对鄂西地区寒武系牛蹄塘组和震旦系陡山沱组共25块页岩样品进行有机碳含量测定后可知(表3),牛蹄塘组页岩总有机碳(TOC)含量在4.4%～6.7%,集中段为5.0%～6.0%,平均为5.3%,陡山沱组页岩TOC含量在1.2%～8.2%,集中段为1.9%～2.4%,平均为3%,牛蹄塘组TOC含量高于陡山沱组页岩,但镜下观察发现,牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育程度差于陡山沱组,分析其原因为：页岩有机碳含量高低在很大程度上决定了有机质孔面孔率的大小[27],但两者并不都呈正相关关系,TOC含量的增加往往使得泥页岩塑性增强而抗压实能力减弱,有机孔在巨大的地层压力之下不断收缩直完全闭合,这一过程将导致有机质孔孔隙被消耗,从而使得有机质孔隙度降低[28]。

表3 鄂西牛蹄塘与陡山沱组页岩TOC实测数据

3.2.2 热演化程度

根据Tmax实测数据(表4),研究区地化S2峰顶温度Tmax以450 ℃为中心线上下摆动,表明有机质成熟度介于成熟-过成熟阶段,且牛蹄塘组烃源岩而言,有页岩已达过成熟阶段,陡山沱组成岩演化阶段为成熟-过成熟阶段。但对于机质成熟度可直接控制着其生烃量和生烃演化,但并不是热演化程度越高,有机质孔隙越发育[29-30],过高的成熟度将加重有机质纤维化,从而使得有机质孔隙体积的缩小及孔隙度的降低[31]。

表4 鄂西牛蹄塘与陡山沱组Tmax实测数据

3.2.3 埋藏深度

地层孔隙度并不随埋藏深度的加深而呈现单一的增减变化,而是多重因素影响的结果,孔隙度是埋藏深度和埋藏时间的双元函数[32]。随着地层埋深加大,上覆地层压力增大,塑性颗粒发生变形,粒间原生粒间孔隙大量减少,并且低成熟度岩石孔隙度随埋深增大而降低得快[32]。由图7可知,两组页岩核磁总孔隙度随埋藏深度的加深整体呈波动下降的趋势,其中牛蹄塘组页岩(井段2 813.3～3 084.5 m)核磁总孔隙度在8.34%～19.84%波动且幅度较大；陡山沱组页岩(井段3 280.5～3 456.3 m)核磁总孔隙度在1.06%～12.48%波动且幅度较小。与牛蹄塘组页岩相比,陡山沱组页岩埋藏深度更深且埋藏年代更老,该组页岩长期处在巨大的地层压力及漫长的埋藏时间之下,孔隙逐渐被压实和被胶结物充填,因此其孔隙度及渗透率均差于牛蹄塘组页岩。

图7 各井段核磁总孔隙度曲线

4 结论

(1)牛蹄塘组页岩核磁总孔隙度范围8.34%～19.84%,平均为13.9%,而陡山沱组页岩核磁总孔隙度范围1.06%～12.48%,平均为3.55%,牛蹄塘组页岩孔隙度普遍大于陡山沱组页岩。鄂西牛蹄塘与陡山沱组页岩主要发育分为脆性矿物孔(残余粒间孔、晶间孔、溶蚀孔)、黏土矿物粒间孔、有机质孔及微裂缝,差异性表现在：陡山沱组页岩有机质孔隙度较大且孔隙间连通性较好,且发育更多白云石晶间孔及长石溶蚀溶蚀坑,部分层段溶蚀坑洞数量及比表面积均大于牛蹄塘组；牛蹄塘组页岩发育更多的微裂缝,且裂缝轨迹较清晰,具有较好的连通性和延展性。

(2)牛蹄塘组页岩TOC含量在4.4%～6.7%,平均为5.3%,热演化程度为过成熟阶段；陡山沱组页岩TOC含量在1.2%～8.2%,平均为3%,热演化程度达成熟-过成熟阶段。TOC 含量与孔隙度并不完全正相关,高的有机碳含量使得泥页岩抗压实能力减弱,更易在地层压力下损失有机质孔隙,且过高的成熟度往往使得有机质呈现纤维化,导致有机质孔隙体积的缩小和孔隙度降低。

(3)矿物成分以刚性颗粒石英为主的牛蹄塘组页岩更易在地层压力下保存孔隙,表现在核磁总孔隙度随石英含量增加而增高,而以白云石含量为主的陡山沱组页岩,则呈现出随白云石含量的增加而核磁总孔隙度呈降低趋势。

(4)埋藏深度与核磁总孔隙度负相关,两组页岩核磁总孔隙呈现随深度加深而波动下降的趋势,其中埋藏深度较深、地层年代更老的陡山沱组页岩核磁总孔隙度更低。