渝东南地区五峰—龙马溪组页岩气储层孔缝发育特征及其地质意义

吴艳艳，高玉巧，陈云燕，李 辉，蔡 潇，丁安徐

（1.中国石化华东油气分公司实验研究中心，江苏扬州225007；2.中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，江苏南京210000）

页岩储层需要足够的孔缝空间才能获得较高的商业开发潜力[1]。裂缝和孔隙是致密储层重要的储集空间，是决定含气性和渗透性的重要因素，对其识别、描述和定量评价是页岩气储层评价的重点基础工作[2-3]。近年来，许多学者对页岩油气的储集空间进行研究，对于页岩孔隙及裂缝发育特征进行定性描述与定量表征，探讨孔缝分布规律及其控制因素，页岩孔缝赋存特征与含气性渗透性的关系[3-10]。

渝东南地区是中国页岩气勘探的热点地区[11]，该地区构造复杂，页岩气储层非均质性强，盆缘位置的地层常呈高压特征，盆外地层呈常压特征。常压气藏地层能量较低，虽获得一定的页岩气产能，但远低于高压页岩气井。具有相似地质条件，相聚较近的页岩气井岩心含气量测试数据差距不大，但产能差距大，可能与对储层特征差异的研究还远远不够有关，以渝东南地区页岩气勘探评价实践成果为基础，结合区域背景、岩心基础实验测试分析结果，开展了不同构造位置五峰—龙马溪组页岩储层微观孔缝类型、孔隙结构及分形学特征研究，从储集空间非均质性的角度，研究剖析微观孔缝发育的差异地质控制因素，探讨了对含气量及渗透率的影响，以期为该地区页岩气的勘探开发提供有力的保障。

1 样品与测试

1.1 地质背景及其实验样品

研究区页岩气勘探开发主力层为五峰组—龙马溪组，是一套黑色硅质页岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，沉积相可细分为深水陆棚相和浅水陆棚相[11]，该套沉积整体在龙马溪组和五峰组处相对连续，有利于页岩气的保存。研究样品选择4口页岩气井龙一段①—⑤小层含气岩心（图1）。其中HD1井、HD2井、HD3井位于盆地边缘南川区块的东胜背斜与平桥背斜，均为高压页岩气井。HD4井位于盆外武隆区块的武隆向斜，为常压页岩气井。

1.2 实验方法

对HD1井、HD2井、HD3井、HD4井这4口页岩气井龙一段①—⑤小层含气岩心样品进行有机碳含量、有机质成熟度、覆压渗透率孔隙度、真密度与块体密度、液氮、矿物组成、薄片鉴定、扫描电镜测定。样品岩性均为黑色硅质页岩，其矿物组成与有机质成熟度相近，都具有高有机碳含量（TOC）和高脆性的特征，高压页岩气井的含气量高于常压页岩气井（表1）。

2 页岩孔缝特征

2.1 孔缝类型

1）宏观孔缝

对岩心剖切后进行观察，发现裂缝主要为顺层页理缝与构造缝。HD1井裂缝极为发育，HD4井裂缝较为发育，埋深较深的HD2 与HD3井中裂缝较HD1和HD4井样品少，岩心样品镜下多呈块状，只在①、③小层观测到少数裂缝（图2）。可以明显看出HD4井样品中页理平缓，裂缝发育较为平直，而HD1井、HD2井、HD3 样品中页理呈起伏状，裂缝形态多呈雁列状。①、③小层的缝密度最高，①小层发育更多构造裂缝，部分裂缝有方解石或石英充填，表明①小层样品经历了更为强烈的后期改造作用。②—⑤小层中裂缝多为页理缝，多数无充填矿物。

2）微观孔缝

图1 页岩气井构造位置（据何希鹏等[22]修改）Fig.1 Structural location of shale gas wells（Modified according to He Xipeng,et al[22]）

表1 四口页岩气井五峰—龙马溪组龙一段①—⑤小层评价参数Table1 Evaluation parameters of ①—⑤layers in Wufeng-Longmaxi Formation of four wells

图2 第③小层岩心剖面Fig.2 Core profile of layer ③

页岩薄片中裂缝形态与宏观一致，HD4井微裂缝较为平直，HD1井、HD2井、HD3井微裂缝多数为顺层发育或呈雁列状分布。大部分裂缝未被充填，少数裂缝中发现充填矿物，较大的裂缝中无充填矿物，这类大裂缝很可能是制样过程中产生（图3b，d）。HD1 与HD4井的宏观裂缝与微观裂缝都较为发育，平均微裂缝密度分别为3.5条/cm2，1.5条/cm2。埋深较深的岩心微裂缝密度较小，HD2、HD3井均为0.05条/cm2。

图3 第③小层页岩薄片裂缝特征Fig.3 Fracture characteristics of shale lamina of layer ③

电镜下观察，微裂缝类型主要有成岩收缩缝、矿物层间缝、矿物粒间孔缝、溶蚀缝、构造应力缝，矿物与有机质接触面缝（图4）。垂向上，①③小层微裂缝最为发育。HD2井与HD3井微裂缝发育较少，类型主要为收缩缝与溶蚀缝。

无机孔类型主要为晶间孔、层间孔、溶蚀孔、生物化石孔等。有机孔类型主要为结构型有机质孔隙和无定形有机质孔隙。整体上以发育无定形有机质孔为主。结构型有机质孔隙是生物碎屑、条带或不规则团块状有机质中发育的孔隙。无定形有机质孔隙是发育在无固定形态，分散，有运移充填性质的有机质上的孔隙。无定形有机质孔细分为腐泥无定形有机质孔隙和底栖藻无定形有机质孔隙，由于页岩演化程度高，镜下腐泥无定形有机质孔隙和底栖藻无定形有机质差异小。④⑤小层主要发育腐泥无定形有机质孔隙，下部逐步发育底栖藻无定形有机质，直至底部①小层中底栖藻无定形有机孔隙最为发育。随着深度的增加，腐泥无定形有机质含量减小（80%～30%），底栖藻无定形有机质含量逐步增加（15%～50%）。页岩中普遍存在与生物成因黄铁矿紧密共生的无定形有机质孔（图4e）。整体上HD1井、HD4井孔隙孔径明显大于HD2井与HD3井。镜下可见HD1井中有大量大孔径的气泡状孔隙，显示了储层较强的生气能力和优质的储集性能。①小层中无定形有机质孔孔隙分布密集，大小均一，见云母层间缝。④⑤小层的无定形有机质孔孔径比下部①—③小层大，局部可见孔隙超过500 nm。HD2井与HD3井中结构型有机质中孔隙欠发育，无定形有机质中发育孔隙孔径极小，多为数十纳米。③小层局部可见生物化石孔，少量有机质包裹粘土矿物和氟磷灰石。④⑤小层主要发育无机孔。可见黄铁矿晶间孔、黏土矿物晶间孔、溶蚀孔、黄铁矿粒间缝和收缩缝。HD4井中可见大量微裂缝、晶间孔和溶蚀孔。可见黄铁矿或白铁矿晶间孔，同时可见大量环带状黄铁矿，包裹的有机质中发育大量孔隙，分布密度高，连通性较好。

根据4口井孔缝发育程度判断，HD1井、HD4井为基质孔隙+裂缝型页岩气藏类型，HD2井、HD3井为基质孔隙型页岩气藏类型。

2.2 孔隙结构及分形学特征

图4 渝东南地区页岩气井岩心样品SEM图像Fig.4 SEM image of shale core samples in southeastern Chongqing

表2 页岩样品液氮实验与孔隙结构分形计算结果Table2 Results of liquid nitrogen experiment and fractal calculation of pore structure of shale samples

液氮实验结果显示页岩孔隙结构数值相差不大（表2）。HD1井与HD4井的吸附等温线图及孔容对孔径的微分图相近（图5a、b、g、h），HD2井的与HD3井的②—⑤小层吸附等温线图相近（图5c、e），体现出HD1井与HD4井，HD2井与HD3井②—⑤小层的孔隙形态与孔径分布相似。整体上显示，①②小层中2～50 nm孔隙最多，2～50 nm孔隙对储层储集空间的贡献最大（图5）。

图5 ①—⑤小层页岩样品的吸附等温线图及孔体积分布Fig.5 Adsorption isotherms and pore volume distribution of shale samples of ①—⑤layers

基于液氮实验数据，可以计算出页岩孔隙的分形维数（D）。近年来，不少学者认为页岩的孔隙分布、表面形态均存在非均质性，具有分形特征，对页岩孔隙进行了分形研究，分形维数可以反映出页岩孔隙表面的粗糙程度和非均质性[12-15]。选用目前应用较广泛的分形FHH模型计算页岩储层吸附孔隙分形维数。页岩作为多孔隙固体，其分形维数介于2～3，符合多孔隙固体孔隙系统的分形意义。分形维数的大小可反映页岩的表面粗糙程度和非均质性，当D的值接近2时，固体表面越平滑，非均质性弱；当其值接近3时，反映出固体的表面粗糙，非均质性强[12-13]。由于在相对压力（P/Po）＞0.45处吸附分支和脱附分支曲线明显不重合，所以选取P/Po＞0.45时的吸附数据，利用D=K+3 进行D的计算。可以发现，D的平均值都在2.8以上，体现出页岩样品均具有较强的非均质性。垂向上，HD3井孔隙结构D值具有一定的差异，其他样品差异不大（表2）。通过比对HD3井D值较低的3个样品与其他D值在2.8以上样品的基础地质特征发现，D值较低的3个样品中方解石与黏土矿物含量高，平均孔径较其他样品大，导致D值的减小。

2.3 孔隙度及孔隙连通性

页岩样品均具有吸附回线（图5a、c、e、g），表明页岩中孔隙形态多呈开放状态。大部分样品在吸附回线上有一类明显的标志，存在有一个急剧下降的拐点，这种现象是由一种特殊形态孔-细颈瓶孔引起的[16]。如果“墨水瓶状或漏斗形状”孔隙在瓶颈处的喉道非常细小，甚至接近甲烷的分子直径，那么这些孔隙和闭孔中的甲烷将失去流动能力，故将闭孔和这部分“墨水瓶状或漏斗形状”孔隙称之为不连通孔隙[17]。认识页岩气储层中连通孔隙和不连通孔隙比例与性质，有利于制订合理的开发措施，对评价页岩气储层有效孔隙度、认识页岩气可采储量具有重要意义[17]。研究区样品的总孔隙度高于覆压脉冲孔隙度（表1），也说明页岩中存在一部分不连通的孔隙。

3 孔缝特征的地质控制

3.1 孔缝特征与有机质的关系

4口页岩气井样品中有机孔隙类型与形态在纵向上的具有相似的分布特征。页岩中结构型有机质孔隙欠发育，丝质体有机孔隙不发育，在腐泥无定形有机质和底栖藻无定形有机质中孔隙发育，尤其是①—③小层中无定形有机质孔极为发育。无定形有机质和矿物的交界面上发育微裂缝。孔隙度与TOC呈明显正相关关系，TOC 越高，孔隙度越大（图6a），表明有机质中发育有较大比例的孔隙。已有研究表明热演化分解页岩有机质可实现孔隙度的增量达4.3%[1]，孔隙与有机质演化相互影响。腐泥型干酪根结构易改变，在沉积演化过程中可大规模发育有机质内孔隙[18]。由此可见，有机质类型是孔隙发育能力的重要影响因素。

理论上随着有机质不断成熟，孔隙会不断发育，但TOC 存在临界值，超过临界值后孔隙度会出现增幅降低，甚至是孔隙度的降低[19]。样品中孔隙度与Ro关系不明显，平均孔径与Ro呈负相关趋势（图6b）。孔隙度大小是成岩作用构造演化与有机质演化的综合反映，这是研究样品中孔隙参数与有机质成熟度关系复杂的原因。

图6 页岩孔隙特征与TOC及有机质成熟度关系Fig.6 Correlation between pore characteristics of small layers,TOC and Ro

HD1井，HD2井和HD4井样品D 随着TOC 增加而呈现增大趋势（图6c）。该现象体现出页岩孔隙结构的变化和有机质生烃过程中增孔作用关系密切。TOC 对孔隙孔容与D有明显的控制作用。研究区样品的Ro值均＞2.00%，HD1井，HD2井和HD4井样品D值随Ro增高而增大（图6d），说明Ro对孔隙D值有积极影响。随着有机质演化加剧，孔隙之间的连通性变差，孔壁变得粗糙，D增大。与其他井不同的是，HD3井的Ro和TOC 与D 均呈负相关关系，尤其是当TOC＞3%，Ro＞2.4%尤为明显（图6c，d）。以上现象说明HD3井样品随热演化成岩作用程度的加深，孔隙结构特征主控因素不再是有机质主控，储集空间与其他井样品产生演化差异。

3.2 孔缝特征与矿物组成的关系

薄片观察发现，纹层的物质变化界面是微裂缝发育的关键部位，在①③小层均观察到有毫米级微裂缝的发育，其发育主要受纹层间不同物质组成的控制。裂缝中充填或部分充填方解石或石英等矿物时，可以判断该裂缝为天然裂缝，而研究样品中多数微裂缝中几乎都无充填物，故无法界定毫米级尺度下的微裂缝是否为制片过程造成。但可以肯定的是，所有观察到微裂缝的样品其本身由于压力释放，人工制样更易产生裂缝。

生物成因黄铁矿是页岩样品中黄铁矿的主要成因类型。原生黄铁矿与有机质关系密切，草莓状黄铁矿，或黄铁矿条带周围有机质都发育大量有机孔隙（图3g）。矿物含量与孔隙结构参数的关系非常复杂。总孔隙度与石英含量呈正相关（图7a），与黏土矿物含量呈负相关（图7b）。小于50 nm的孔容与石英含量呈正相关（图7c），与黏土矿物含量呈负相关（图7d）。页岩的石英与黏土对整体孔隙发育有一定影响，尤其是对微孔和中孔的发育。

图7 页岩孔隙特征、TOC与矿物组成关系Fig.7 Correlation between pore characteristics,TOC and mineral composition

研究区样品TOC与石英含量呈明显的正相关关系（图7e），前人对于四川盆地五峰—龙马溪组页岩研究也发现，TOC与硅质含量具有正相关关系，生物硅含量最高可达50.0%以上[20]。进而表现出总孔隙度与石英含量呈正相关，但孔容及孔隙度与黏土矿物表现出负相关关系，TOC 与黏土矿物表现出负相关关系（图7f）。HD2井，HD3井样品中石英含量，TOC明显低于HD1井，HD4井，覆压孔隙度也明显低于HD1井，HD4井样品，说明孔隙的发育主要受有机质及其生烃演化等因素的影响，TOC 富集演化的过程中伴随着石英的形成，这为优势储层的发育提供了极好的条件。

3.3 孔缝特征与深度的关系

页岩达到超深埋藏深度后，孔隙结构形态发生显著变化，储集空间受到较大程度的破坏，进而影响页岩气的富集[8]。因此，在开展泥页岩的储层特征研究时，既要关注泥页岩的岩相特征（矿物和有机质特征等），还要关注埋藏演化特征[7]。整体上埋深不同的样品中裂缝与孔隙赋存特征具有一定的差异。埋深较深的HD2井，HD3井样品中覆压孔隙度，明显低于埋深较浅的2口井样品。埋深较浅的岩心中宏观与微观裂缝都较为发育，埋深较深的岩心裂缝发育较少。从液氮结果吸附与脱附曲线的形态也显示出（图5a、c、e、g），埋深较浅的HD1井与HD4井孔隙形态相近，埋深较深HD2井与HD3井孔隙形态相近。比表面积，2～10 nm孔容与深度呈正相关（图8a，b），与10～50 nm 孔容呈负相关（图8c），3500 m以浅的样品中体现的较为明显。说明页岩随着埋深的增加，2～10 nm 孔径的孔隙增多，10～50 nm 孔径的孔隙减小。与＜2 nm，100～150 nm 孔容呈弱负相关。深度对孔径＜2 nm，100～150 nm的孔发育影响较弱。

图8 页岩孔隙特征与深度及储层关键参数的关系Fig.8 Correlation between pore characteristics,key reservoir parameters and depth

HD1井、HD2井、HD3井、HD4井孔隙结构D 随着深度的变化趋势明显以3 500 m为拐点，3 500 m以浅，随埋深增大，D 增大，3 500 m以后，D 趋向于平稳，收窄，并有降低的趋势（图8d）。孔隙结构的变化受压实作用、次生溶蚀作用和有机质孔形成等多种作用叠加控制。埋深较深的HD2井，HD3井样品中石英含量，TOC与覆压孔隙度，都明显低于埋深较浅的2口井样品。埋深最深的HD3样品镜下可见有机孔具有定向分布的特征，有机质孔隙和次生孔隙的构成主要以微孔为主，且孔隙趋于规则，综合导致孔隙D减小。综合分析认为，HD1井、HD2井、HD3井、HD4井龙马溪组页岩孔隙结构明显受有机质孔发育的控制。当页岩埋深超过3 500 m，孔缝构成发育非均质性特征的主控因素为埋深。

4 孔缝特征的地质意义

4.1 孔缝特征与渗透率的关系

页岩总孔隙度与脉冲渗透率关系呈弱正相关（图8e），体现出孔隙度的增大利于储层中气体的渗流。裂缝密度较高的①③小层渗透率比其他位置样品的渗透率高。脉冲渗透率测试无裂缝样品脉冲渗透率为（0.012～28.047）×10-3μm2，平均为1.891×10-3μm2。在渗透率测试前岩心取柱过程中，岩心柱常出现平行于层理的裂缝，产出在不同岩性组成，不同粒径大小的互层间，这种物质组成与形态结构的转化面一般是力学性质薄弱界面。

有裂缝但并未裂开的岩心柱渗透率为（0.931～1 102）×10-3μm2，平均渗透率为145.49×10-3μm2，是无裂缝岩心的77倍，说明不同岩性组成不同粒径大小互层间存在的裂隙有利于页岩气的扩散。页岩脉冲渗透率与分形维数关系复杂，总体呈现弱负相关（图8f），体现出页岩非均质性强，不利于页岩中气体的渗流。

4.2 孔缝特征与含气量关系

第③小层页岩样品的含气量最高，有机孔隙和微裂缝最为发育，有利于页岩气富集。孔隙度、D 均与含气量呈正相关，体现出D 增大有利于气体的保存（图8g、h）。这一现象的本质在于D 增大，是TOC含量增大，有机质孔隙结构趋向于复杂，比表面积增大的外在表现。比表面积的增大表示储层储集空间增加，吸附气与游离气含量增大。整体上，高压区块的页岩气井的含气量高于常压区块的页岩气井。页岩孔隙度越高，含气量越高。埋深较深，储层具有高压特征的HD2井与HD3井具有相似孔缝发育特征，含气量相近。埋深较浅的HD1井与HD4井虽然具有相似的孔缝特征，但高压气井HD1井的含气量明显高于常压页岩气井HD4井，通过压裂的后的HD1井产能更是远高于HD4井，说明影响页岩含气量的主控因素并不是孔缝赋存特征。

4.3 孔缝特征与可改造性

4口井岩心具有相近的矿物组成，TOC，Ro，但深部与浅部页岩的孔缝特征存在明显差异。钻取岩心柱的过程发现，HD1井与HD4井岩心易破裂，钻取岩心柱的成功率低，岩心比HD2井，HD3井更容易产生出平行或垂直于层理的裂缝。有学者认为在地层温度和压力作用下，页岩裂缝为闭合状态，也有学者认为构造抬升会使裂缝形成裂而不破的状态。经CT测试，大于600 nm的孔缝占总孔隙体积的1%～2%，不是页岩的主要储集空间[21]。对原位岩心裂缝状态虽未形成共识，但通过观察裂缝发育特征可快速判断易压裂层位的位置，即使地层中这类孔缝并未形成，或占比原位孔隙体积的比例极小，对储层的渗透率没有作用，但是在压裂改造下，这类孔缝群体会被激发，作为页岩储层的主要渗流通道。HD1井，HD4井更易于被改造。HD2井，HD3井压裂时存在施工压力大，加砂困难，改造难度大。具有这类孔缝赋存特征的页岩储层压裂时缝网形成的难度较大，需要对深部具有高压特征的页岩储层缝网形成机制开展研究，孔缝的赋存特征，页岩气的储集机理，直接影响着开发的方式，不可机械照搬浅部页岩气井压裂开发方案。

5 结论

通过对渝东南地区4口页岩气井五峰—龙马溪组龙一段①—⑤小层岩心段孔缝特征的研究，取得以下认识：

1）四川盆地盆缘与盆外页岩气井岩心中裂缝孔隙发育特征具有明显差异。高压页岩气井样品中裂缝多数呈雁列状分布，常压页岩气井岩心中裂缝较为平直。宏观裂缝极为发育的位置微裂缝也较为发育，含气量与渗透率高。通过对不同尺度裂缝的观测，可快速判断易压裂层位的位置。深部页岩裂缝发育较少，微裂缝以收缩缝与溶蚀缝为主。埋深较浅的页岩孔径、覆压孔隙度明显大于埋深较深的页岩。浅部页岩中孔类型、形态、含量在纵向上的具有相似的分布特征。

2）有机质含量与显微类型是页岩孔缝结构发育的重要影响因素，石英与黏土矿物对微孔和中孔的发育有一定的影响。埋深超过3 500m的深部页岩经历更为复杂的构造成岩作用，孔缝结构不再是被有机质主控。具有这类孔缝赋存特征的深部页岩压裂时缝网形成的难度较大，需要对深部页岩缝网形成机制开展进一步的研究。