发布时间：2020-01-20所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要四川盆地东南部及其盆缘转换带(以下简称渝东南盆缘转换带)页岩气资源量较大，但其地质条件复杂、地层呈常压特征，给页岩气的经济开发带来了困难。为了深入认识该区页岩气储层的非均质性，借助X射线衍射、氩离子抛光扫描电镜、低温氮气吸附等手段，从岩
摘 要四川盆地东南部及其盆缘转换带(以下简称渝东南盆缘转换带)页岩气资源量较大，但其地质条件复杂、地层呈常压特征，给页岩气的经济开发带来了困难。为了深入认识该区页岩气储层的非均质性，借助X射线衍射、氩离子抛光扫描电镜、低温氮气吸附等手段，从岩石骨架、储集空间的角度研究了该区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气储层的非均质性及其主控因素。研究结果表明：①该转换带五峰组—龙马溪组页岩气储层非均质性主要表现在骨架非均质性和孔隙非均质性两个方面，优质页岩层段与上覆页岩段在脆性矿物含量、黏土矿物含量、有机质丰度、孔隙度等方面差异较大，具有较强的纵向非均质性;②储层发育有机质孔、脆性矿物孔、裂缝等多种储集空间类型，并且孔隙在形态、分布、孔径、结构特征方面的差异明显，具有较强的微观非均质性;③页岩岩石物理参数泊松比、杨氏模量也相应表现出较大的差异;④页岩气储层非均质性的主控因素是沉积环境差异导致的岩石骨架变化，构造缝及其多向性增强了储层的非均质性，成岩作用进一步改变了骨架矿物和有机质的含量，对孔隙类型及结构产生影响，进一步加剧了页岩储层的非均质性。结论认为，龙一下亚段应为该区下一步页岩气开发的首选目的层系，平面上以远离构造相对活动带和深大断裂为宜，区块上优选南川区块。
关键词 四川盆地东南 盆缘转换带 晚奥陶世—早志留世 页岩气 储集层 非均质性 骨架 孔隙 勘探区
0 引言
中国已成为继美国和加拿大之后，第3个实现页岩气商业性开发的国家[1-2]。四川盆地是世界上最早发现和利用天然气的地区[3]，在常规天然气继承性发展的基础上，近年在涪陵、长宁和威远等地区页岩气的发现和生产无疑是非常成功的亮点。但除了这几个重点区域外，其他地区投入与产出并不成比例，规模开发仍面临极大困境。横向(区域上)和纵向(层间)非均质性、宏观和微观非均质性是影响储层含气性和可改造性的关键因素。
近年来，涉及储层非均质性研究的内容和方法主要包括：①在等时地层格架中分析页岩储层在矿物组成、黄铁矿含量、沉积构造、有机质丰度等方面的结构非均质性[4];②从微观尺度对孔隙及孔隙结构的研究[5-9];③通过氩离子抛光—场发射扫描电镜、高压压汞、低温氮吸附等实验技术手段，利用极差、突进系数、变异系数、孔隙度、总孔容、孔比表面积、核磁共振弛豫时间等参数来表征页岩孔隙非均质性[10-12];④利用页岩CT扫描图像的数字处理技术研究页岩矿物组分的分布特征，试图通过建立矿物组分含量与分形维数之间的关系来表征其非均质特征[13]。
在页岩气领域性的研究方面，江凯禧等[14]通过平面、层内和微观3个方面较全面地分析了四川盆地下寒武统筇竹寺组泥页岩非均质性特征，Borkloe等[15]对四川盆地威201井区筇竹寺(九老洞)组的岩石骨架、有机质和含气性的分析;王香增等[16]通过岩心观测、薄片观察、脉冲渗透率测试、有机碳含量测试、气体组分分析、结合测井解释对鄂尔多斯盆地上三叠统延长组陆相页岩岩性、地球化学参数、微观孔隙结构、力学参数等非均质特征进行系统的研究。
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渝东南盆缘转换带位于四川盆地东南部，包括南川向斜、桑柘坪向斜、武隆向斜、道真向斜等。面积为1.3×104km2，预计页岩气可采资源量为14578×108m3。其中，南川向斜相对改造弱、保存条件较好、埋深适中，页岩气资源量为914×108m3，是高产地区;桑柘坪向斜页岩气资源量为2178×108m3，武隆向斜页岩气资源量为7037×108m3，道真向斜页岩气资源量为4080×108m3。目前已完钻的彭页1HF井、彭页2HF井、彭页3HF井、彭页4HF井测试日产气量介于1.5×104～3.8×104m3;武隆向斜分别于2015年和2017年部署了隆页1井和隆页2井，测试日产气量分别为4.6×104m3和9.22×104m3。
从目前已钻采的情况看，渝东南盆缘转换带具有很好的资源潜力，但由于其特殊位置和地质背景，有别于四川盆地内部的其他区块，地层呈常压特征，加之非均质性强，给经济高效开采带来难度。鉴于目前该地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气储层非均质性的系统认识还有待深入，笔者从页岩储层的岩石骨架(基质矿物、有机质)、储集空间两个方面来探究区内五峰组—龙马溪组储层的非均质性特征，并分析其非均质性的主要控制因素。
1 地质背景
渝东南盆缘转换带位于武陵褶皱带，横跨武隆—利川复向斜和中央复背斜，构造走向呈北北东向展布，为川东南—湘鄂西“槽—挡”过渡区，受彭水—建始断层、大千断层、茶园断层和胡家园断层等断裂的控制，形成了以北东向复向斜与复背斜相间分布的构造格局(图1)。在构造演化上，早燕山期到中燕山期受到江南—雪峰陆内造山的持续挤压作用，区内产生多期断层;晚燕山期开始隆升并遭受剥蚀致使泥盆系、石炭系缺失，喜马拉雅期由于太平洋板块俯冲及印度板块向欧亚板块碰撞挤入双重影响，整体迅速隆升致使古近系地层缺失，从而形成了现今构造面貌和地层格局。总体上，渝东南盆缘转换带主力页岩气层为五峰组—龙马溪组，发育了大套的黑色硅质页岩、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(图1)。可划分为9个小层，并归于上、中、下3个亚段，由于五峰组较薄，研究中将其归于龙一下亚段。其中下亚段(1～5小层)埋深4379.93～4412.67m，中亚段(6～7小层)埋深4349.03～4379.93m，上亚段(8～9小层)埋深4307.23～4349.03m。
2 岩石骨架的非均质性
页岩的骨架由基质矿物和有机质组成，基质矿物包括黏土矿物与脆性矿物。对于富有机质页岩，纯泥岩段不易开采，脆性矿物含量高的细粒岩层本身易发育天然裂缝并有利于压裂改造，是好的产层;页岩气的主要吸附载体是黏土矿物与有机质，在有机质含量相同的情况下，黏土矿物含量与吸附的气体含量成正比，且随压力的增大吸附的气体增加速率越大[17];有机质中大量的纳米级孔隙是页岩气的主要储集空间，也有学者认为黏土矿物中铝硅酸盐的开放孔隙增大页岩总孔隙度是主因[18]。因此，研究矿物骨架和有机质的非均质性对认识优质产气层段意义重大。
2.1矿物组成
页岩的矿物组分多样，颗粒大小参差不齐，一般以细粒物质为主，整体上表现出较强的非均质特性。从南页1井龙马溪组近80m页岩段90块样品进行全岩X射线衍射的分析结果来看：矿物组成主要包括碎屑类矿物和黏土矿物，碎屑类矿物以脆性矿物石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿为主，黏土矿物包括伊蒙混层、伊利石、高岭石和绿泥石(图2)。剖面上自下而上石英含量呈明显减少趋势，其他碎屑矿物含量比例相对较小，变化也参差不齐，表现不甚明显;黏土矿物含量呈明显增多趋势(图2-a)。
黏土矿物含量自下而上明显增多，其中伊蒙混层和绿泥石含量占明显增多优势，伊利石相对含量在减小，高岭石呈零星间断式分布(图2-b)。
各小层黏土矿物及脆性矿物含量分布统计分析表明，9个小层的黏土矿物含量从下至上呈递增趋势，但其中伊利石含量呈现递减趋势，脆性矿物总量也呈递减趋势，其中主要脆性矿物石英含量递减明显。
6～9小层的方解石含量整体偏高，1～5小层整体较低;而后者的黄铁矿含量则整体高于前者，反映了下部沉积环境还原性强，有利于有机质的保存。
上述特征表明：龙一下亚段优于上覆的中、上亚段的岩石骨架特征在于黏土矿物中具有页岩气吸附优势[19]的伊利石明显偏高，前者在黏土矿物中占比高于65%，后者小于60%，有利于页岩气的吸附;前者石英等脆性矿物的全岩占比大于60%，后者小于60%，更有利于储层的压裂改造。同时，下亚段沉积环境更强的还原性成就了其更好地保存条件。
2.2有机质含量及演化
南页1井龙马溪组样品有机质类型及镜质体反射率(Ro)测试数据分析表明：有机质类型为腐泥型，镜质体反射率介于2.26%～2.83%，平均值为2.51%，整体差异较小，演化程度偏高(图3)。
65块样品的地球化学测试分析表明：五峰组—龙马溪组龙一段样品总有机碳含量(TOC)介于0.04%～7.74%，平均值为2.26%，从下至上9个小层的变化规律为增大—减小—增大—减小—增大，但总的趋势为减小，且存在明显的非均质性(图3)。
龙一下亚段具有高有机碳含量、高孔隙度、较大比表面积和BET平均孔直径(图3)，具有自生自储的有利储集条件。前人研究成果表明：有机碳含量改变页岩包括颜色、密度、抗风化能力、放射性和硫含量等理化性质，也在一定程度上制约其中裂缝的发育程度，并进一步控制页岩的含气量[20]，实际样品的统计分析表明：含气量与总有机碳含量呈明显的正相关性，总有机碳含量每增加一个百分点，每吨泥页岩大约增加0.5m3含气量(图4)。分析结果表明，龙一下亚段较中、上亚段具有更好的页岩气自生自储条件，中、上亚段成为下亚段最好的区域盖层，这在遭受多期构造严重改造的盆缘转换带尤其重要。
2.3 岩石力学性质
岩石力学参数反映岩石在外力作用下所表现出的物理性质，是页岩气井压裂改造设计的关键数据。利用纵、横波测井资料或在没有横波测井资料的情况下重构横波数据可计算评价页岩储层的泊松比、杨氏模量等参数。一般来讲，泊松比小、杨氏模量大的地层脆性好，有利于压裂改造。
通过测井资料计算得到A井的泊松比和杨氏模量，龙一下亚段泊松比介于0.17～0.31(图3)，平均值为0.21，杨氏模量介于33.23～69.33GPa，平均值为42.35GPa;中、上亚段泊松比介于0.16～0.27，平均值为0.23，杨氏模量介于31.18～46.44GPa，平均值为37.66GPa。龙一下亚段的脆性明显好于中、上亚段。
矿物组分与有机质含量的纵向变化导致龙马溪组页岩的岩石力学参数表现出较强的非均质性，龙一下亚段的高脆性矿物含量决定了其岩石物理参数与上覆中、上亚段的差异。
3 储集空间的非均质性
页岩中纳米级孔隙是游离气和吸附气赋存的载体，其孔隙类型多，发育位置、分布状态、孔径大小均受到矿物组分微观非均质性的控制[4]。氩离子抛光扫描电镜结果表明，该地区龙马溪组纳米级孔隙主要发育有机质孔隙、脆性矿物孔隙和微裂缝等3种储集空间类型。
3.1 孔隙类型及大小
本地区主要发育属次生孔隙的有机质孔，孔径从小于2nm的微孔到大于50nm的宏孔都有，最大者接近1000nm。其形态呈现多样：平面上为圆状、椭圆状和不规则状(图5-a)，空间上为管状喉道连接，形成复杂的内部结构，时间上主要发育在成岩晚期[21]。
黄铁矿多与有机质及黏土矿物伴生，形成晶间孔(图5-b);脆性矿物粒内溶蚀孔较少发育(图5-c)，孔径最大可达523nm，小孔孔径不足100nm;脆性矿物粒间原生孔和粒间溶蚀孔，多被有机质充填，充填的有机质后期生烃演化为有机质孔(图5-d)。
3.2 微裂缝及状态
微裂缝一般未被充填，形态以平直状、弯曲状、不规则状最为常见(图6-a)，微裂缝多发育在有机质边缘、黏土矿物边缘、颗粒矿物与其他组分接触部位等，张开距离较小，矿物层间缝、解理缝(图6-b、c)多被有机质充填。上述3种储集空间类型，不仅孔隙形态组合差异产生非均质性，而且孔隙的发育程度及分布差异也产生较强的非均质性，而微裂缝的发育更使其复杂化了(图6-a、d)。
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