川东地区侏罗系自流井组东岳庙段陆相页岩岩相类型及储集层特征^*

Lithofacies types and reservoir characteristics of continental shale in the Dongyuemiao Member of Jurassic Ziliujing Formation, eastern Sichuan Basin

摘要

页岩储集层物性是页岩油气富集机理的关键,为确定陆相页岩不同岩相类型的储集层物性及其主控因素,以川东地区侏罗系东岳庙段页岩为研究对象,在岩相划分的基础上,利用扫描电镜、低温氮气吸附等手段,研究其储集空间类型、储集层物性及主控因素。研究结果表明: (1)川东地区东岳庙段陆相页岩矿物成分以黏土矿物和石英为主,方解石次之,并含少量长石、白云石、黄铁矿和菱铁矿。研究区页岩主要为高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)、含—中碳混合质页岩(Ⅱ₁)、中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)和含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)4类岩相。(2)页岩的储集空间主要为微孔隙和微裂缝。前者主要为黏土矿物晶间孔,次为有机质孔以及局部岩相中发育的介壳溶蚀孔; 后者主要为页理缝和介壳边缘缝。(3)川东地区页岩中高有机质丰度(>1%)、高黏土矿物含量(>40%)和适量的碳酸盐矿物含量(8%~12%)有利于页岩孔隙的发育,而高石英+长石矿物含量(>50%)和过高或过低的碳酸盐矿物含量(>12%或<8%)不利于页岩孔隙的发育。(4)含—中碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)是最有利的储集层发育岩相,高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)次之,中—低碳混合质页岩(Ⅱ₁)较差,含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)最差。结合东岳庙段岩相纵向分布规律,认为东二亚段中上部是川东地区储集层优选层位。

Abstract

The physical properties of shale reservoirs are crucial to the enrichment mechanism of shale oil and gas. This study focuses on investigating the reservoir's physical properties and the key factors controlling various lithofacies of continental shale in the Jurassic Dongyuemiao shale in the eastern Sichuan Basin. On the basis of lithofacies division,the research employs core observation,scanning electron microscope,low-temperature nitrogen adsorption,and other methods to analyze the reservoir space type,physical properties,and the primary controlling factors. The study findings reveal that: (1)The Dongyuemiao Member shale in the eastern Sichuan Basin are primarily composed of clay minerals and quartz,followed by calcite,and minor amounts of feldspar,dolomite,pyrite,and rhodochrosite. Four main lithofacies are identified in the study area: high-medium total organic carbon(TOC)argillaceous shale(Ⅰ₂),medium TOC and TOC bearing mixed shale(Ⅱ₁),medium-low TOC silt(argillaceous)mixed shale(Ⅱ₂),and low TOC and TOC bearing argillaceous siltstone(Ⅲ₂). (2)The shale reservoir space is mainly composed of micropores and microfractures. The micropores are dominated by intergranular pores between clay minerals,followed by pores within organic matter and,locally,shell dissolution pores. Microfractures mainly include bedding fractures and edge fractures around shell fragments. (3)High organic matter abundance(>1%),high content of clay minerals(>40%),and moderate carbonate mineral content(8%~12%)in the shale of the study area are conducive to pore development. In contrast,high quartz and feldspar mineral content(>50%)and either excessive or insufficient carbonate mineral content(>12% or <8%)hinder shale pore development. (4)Among the lithofacies types,the medium-low TOC silty(argillaceous)mixed shale(Ⅱ₂) is the most favorable for reservoir development,followed by high-medium TOC argillaceous shale(Ⅰ₂). The medium TOC and TOC bearing mixed shale(Ⅱ₁) is less favorable,while the low TOC and TOC bearing argillaceous siltstone(Ⅲ₂) is the least favorable. Based on the vertical distribution of lithofacies,the middle to upper intervals of the Dong 2 sub-member are identified as the most favorable reservoir development zones in the study area.

Graphical abstract

关键词

陆相页岩 / 岩相类型 / 储集层特征 / 东岳庙段 / 川东地区

Key words

continental shale / lithofacies types / reservoir characteristics / Dongyuemiao Member / eastern Sichuan Basin

页岩油气是指赋存于富有机质页岩层系中的石油和以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气(邹才能等,2010;赵靖舟,2012)。随着油气勘探开发领域的不断拓展,页岩油气已成为中国能源战略的重要组成部分(邹才能等,2013)。据美国能源署(EIA)和自然资源部初步估算,中国页岩油技术可开采量约43.93×10⁸ t,页岩气技术可采资源量21.8×10¹² m³(王倩茹等,2020),是未来油气勘探的重要接续领域。同时四川盆地是中国重要的油气产区,其侏罗系页岩资源丰富,具有良好的勘探潜力(赵文智等,2023)。2020年3月底,中国石化在川东复兴地区部署的涪页10HF井在东岳庙段压裂测试日产气5.57×10⁴ m³、日产油量17.6 m³,取得了川东东岳庙段陆相页岩油气勘探的重大突破(舒志国等,2021)。

近年来,前人针对四川盆地自流井组陆相页岩的岩相划分(聂海宽等,2017;刘忠宝等,2019;康家豪等,2022;胡宗全等,2023;舒志国等,2024)、沉积环境及有机质富集(何江林等,2022)、储集层特征(曹香妮等,2019;刘浩天等,2020;刘忠宝等,2022;周圆圆等,2023;舒志国等,2024)等开展了较深入的研究,认为陆相页岩总体具有高黏土、高石英含量的特点,页岩中不同程度发育多种夹层(介壳灰岩夹层、粉细砂岩夹层),胡宗全等(2023)根据矿物三端元的岩相划分原则,认为东岳庙段主要发育黏土质页岩、(含)介壳灰质页岩等5种岩相; 舒志国等(2024)根据夹层+矿物三端元的岩相划分原则,认为东岳庙段发育介壳韵律型混合页岩相、介屑纹夹层型黏土页岩相等6种岩相。储集层方面前人多认为东岳庙段以黏土矿物晶间孔和微裂缝为主,有机质孔次之(姜涛等,2021;刘忠宝等,2022)。也有学者认为东岳庙段页岩有机黏土复合体孔也是主要的孔隙之一(舒志国等,2024)。陆相页岩孔径多以2~50 nm的介孔为主,宏孔或微孔次之,孔隙形态以平行板状狭缝型孔隙、墨水瓶型孔为主(付小平和杨滔,2021)。

近年来,前人针对四川盆地自流井组陆相页岩的岩相划分(聂海宽等,2017;刘忠宝等,2019;康家豪等,2022;胡宗全等,2023;舒志国等,2024)、沉积环境及有机质富集(何江林等,2022)、储集层特征(曹香妮等,2019;刘浩天等,2020;刘忠宝等,2022;周圆圆等,2023;舒志国等,2024)等开展了较深入的研究,认为陆相页岩总体具有高黏土、高石英含量的特点,页岩中不同程度发育多种夹层(介壳灰岩夹层、粉细砂岩夹层),胡宗全等(2023)根据矿物三端元的岩相划分原则,认为东岳庙段主要发育黏土质页岩、(含)介壳灰质页岩等5种岩相; 舒志国等(2024)根据夹层+矿物三端元的岩相划分原则,认为东岳庙段发育介壳韵律型混合页岩相、介屑纹夹层型黏土页岩相等6种岩相。储集层方面前人多认为东岳庙段以黏土矿物晶间孔和微裂缝为主,有机质孔次之(姜涛等,2021;刘忠宝等,2022)。也有学者认为东岳庙段页岩有机黏土复合体孔也是主要的孔隙之一(舒志国等,2024)。陆相页岩孔径多以2~50 nm的介孔为主,宏孔或微孔次之,孔隙形态以平行板状狭缝型孔隙、墨水瓶型孔为主(付小平和杨滔,2021)。

虽然四川盆地内侏罗系页岩油气的相关研究已日益深入,但不同地区的陆相页岩在岩相及储集层方面的差异较大,制约了油气勘探与开发进展。因此,以川东地区侏罗系自流井组东岳庙段页岩为研究对象,利用岩心观察、扫描电镜、低温氮气吸附等手段和技术,分析不同岩相的孔隙类型及特征,明确不同岩相的储集物性差异,以期为川东地区东岳庙段页岩油气勘探开发提供理论依据和技术支撑。

1 地质背景

四川盆地是一个在上扬子克拉通基础上发展起来的叠合盆地,现今盆地面积为1.6×10⁵ km²,仅为侏罗纪沉积盆地的三分之一(郭正吾等,1996;四川省地质志编纂委员会,1998)。现今盆地一级构造单元包括川西低陡构造带、川北低缓构造带、川北平缓构造带、川西南低褶皱构造带、川南低陡构造带和川东高陡构造带6个构造单元(刘树根等,2008)。川东地区隶属于川东高陡构造带(图1-a),在印支、燕山和喜山运动的影响下,受到由南东向北西方向的推挤作用,从而发育一系列NNE、NEE向复背斜和复向斜组合的隔挡式褶皱,侏罗系主要出露在向斜处,整体保存较为完整(李英强和何登发,2014)。

四川盆地早—中侏罗世沉积了4套以滨浅湖—半深湖相为主的富有机质页岩地层,自下而上分别为: 下侏罗统自流井组的珍珠冲段、东岳庙段、大安寨段和中侏罗统凉高山组,其沉积中心位于川东—川北,黑色页岩累计厚度100~400 m(邹才能等,2019)。其中,东岳庙段为淡水湖泊沉积(何江林等,2022),整体由1套灰色—灰黑色页岩—含介壳页岩、灰色—深灰色介壳灰岩—含泥介壳灰岩、灰白色—浅灰色泥质粉砂岩—粉砂岩组成(王峻,2007),厚度介于20~70 m之间,与上覆、下伏地层均呈整合接触关系。根据测井和岩性等特征,东岳庙段自下而上可划分为东一和东二共2个亚段(图1-b),东一亚段以泥岩—粉砂岩—介壳灰岩沉积组合为主,厚度介于10~30 m之间; 东二亚段以泥岩—介壳灰岩沉积组合为主,砂质含量较低,厚度在10~40 m之间。

2 样品采集和测试

笔者采集了YT1井、ZX1H井、FT1井和XT1井共计109 m的岩心资料和223张普通薄片图像以及584张扫描电子显微镜(SEM)图像; YT1井的29块岩心样品的孔渗物性数据、6块样品氮气吸附实验数据; YT1和ZX1H井共59个页岩样品X射线衍射(XRD)分析数据以及总有机碳(TOC)含量实验数据。

普通薄片观察在日本尼康公司生产的DS-Ri1显微镜下进行观察。电子显微观察是利用德国卡尔蔡司公司生产的EVO MA15型扫描电子显微镜(SEM)进行的。该仪器配备了X射线能谱仪(EDS),具备二次电子成像(SE)和背散射电子成像(BSE)功能,能够在纳米级别的尺度上对样品表面形态进行高分辨率观察。工作电压范围为0.2~30 kV,压力范围为10~400 Pa,放大倍数可达5~100万倍。所选样品被切割成接近3 cm×3 cm×1 cm的立方体形状,经过最高至2000目砂纸的打磨和抛光,直至样品表面呈现镜面反射,随后经氩离子抛光处理,以去除因砂纸打磨而形成的表面层。这些样品在西南石油大学的多视域显微镜实验室及扫描电镜实验室中进行观察分析。

总有机碳(TOC)含量的测定是利用CS230SH型碳硫分析仪完成。实验在温度为27 ℃、相对湿度为55%RH的环境下进行,检测过程遵循了国家标准GB/T 29172-2012。全岩矿物分析是在K40522型X射线衍射仪(XRD)上测定,实验在温度23 ℃和相对湿度60%RH的稳定环境中进行,遵循了行业标准SY/T 5163-2010。孔隙度和渗透率的测定是利用STL-Ⅱ型高压渗透率仪完成。实验在温度范围15~20 ℃、相对湿度46%RH~60%RH的环境中进行,测试遵循国家标准GB/T 29172-2012。样品均是由玛瑙研钵研磨成粉末状,然后通过80目的筛网筛选,收集5~10 g的粉末样品。这些样品送至中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院的分析实验中心进行检测。

氮气吸附测试是由autosorb iQ型化学吸附分析仪完成的,浴温为77.35 K,样品重量在4~6 g,分析时间500~1000 min,样品在检测前经过12 h的脱气处理,以保证孔隙空间在实验开始时是清洁的,使用了氮气作为吸附气体,以评估样本中孔径在2~100 nm之间孔隙的结构。数据处理是在Quantachrome Instruments的ASiQwin软件(版本5.21)进行的。比表面积、孔体积和孔径分布通过BET(Brunauer-Emmett-Teller)和BJH(Barrett-Joyner-Halenda)方法计算得出。孔径分布图根据BJH 模型,选用吸附支线作为数据源(由于脱附支线存在拐点G的影响),经处理得到。测试样品送至四川省科源工程技术测试中心进行测试。

3 岩相类型及特征

3.1 岩相类型划分

岩相划分方案主要参考了前人的页岩矿物组分三端元划分方法(郝运轻等,2012;刘忠宝等,2019;康家豪等,2022),并结合有机碳(TOC)含量进行综合命名。根据划分方案,岩相类型共划分4大类13小类(表1)。考虑到研究区TOC总体较低,平均值仅为1.19%,故以TOC<0.5%、0.5%~1.0%、1.0%~2.0%、>2.0% 作为TOC的划分界限,并分别以“含碳”、“低碳”、“中碳”、“高碳”作为前缀命名。

最终命名方式为“XX-YY碳ZZ质/ZZ(WW)混合质页岩”,在碳前缀中,主要的碳级别写在最后面。根据上述分类方案进行投图,结果显示,川东地区东岳庙段页岩共发育4小类岩相(图2),分别为: 高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)、含—中碳混合质页岩(Ⅱ₁)、中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)、含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)岩相。

3.2 页岩岩相类型及特征

3.2.1 高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)

该岩相主要分布在东二亚段中上部。黏土矿物含量在49.7%~56.6%之间,平均值为52.7%;石英+长石含量在40.4%~48.0%之间,平均值为44.2%;碳酸盐矿物质含量在0%~6.3%之间,平均值为2.2%;TOC值在0.5%~3.2%之间,平均值为1.5%,TOC分级主要为中碳,其次为高碳。岩心呈深灰—灰黑色,具有泥质结构。页理缝发育,缝内常被方解石半充填至全充填(图3-a)。粉砂颗粒分布均匀,分选良好,磨圆程度一般,粒径在5~20 μm之间。常见黄铁矿集合体。细脉状和透镜状有机质掺杂在黏土矿物中,从而形成富有机质纹层与黏土纹层的组合,2种纹层之间界限常不清晰(图3-b)。

3.2.2 含—中碳混合质页岩(Ⅱ₁)

该岩相主要分布在东一亚段的上部和东二亚段的下部。黏土矿物含量在27.8%~34.4%之间,平均值为30.5%;石英+长石含量在31.0%~41.6%之间,平均值为35.6%;碳酸盐矿物含量在28.2%~37.4%之间,平均值为31.4%;TOC值在0.3%~2.1%之间,平均值为0.9%,TOC分级主要为中碳,其次为含碳。岩心呈深灰—浅灰—灰白色。生物扰动明显,常见逃逸孔、潜穴和水平钻孔。富含双壳类生物化石,壳厚且个体完整,常沿层理排列(图3-c)。介壳边缘方解石矿物的重结晶现象显著。粉砂颗粒与黏土矿物分异较明显,形成粉砂纹层与黏土纹层的组合(图3-d)。这些纹层呈现弯曲变形,纵向连续性差,有机质呈星点状和水平拉长状分布其中。

3.2.3 中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)

该岩相主要分布在东二亚段,单层厚度较薄,一般在3~10 cm之间。黏土矿物含量在32.1%~47.5%之间,平均值为42.7%;石英+长石含量在33.9%~48.6%之间,平均值为44.5%;碳酸盐矿物含量在2.9%~18.1%之间,平均值为9.2%;TOC值在0.5%~2.0%之间,平均值为1.1%,TOC分级主要为低碳,其次为中碳。岩心呈灰黑—浅灰色,灰黑色黏土纹层和浅灰色粉砂纹层可呈波状、平行状组合(图3-f),并含少量介壳生物。粉砂颗粒多呈次棱角状至次圆状,粉砂颗粒(粒径25~85 μm)之间以点接触为主(图3-f)。

3.2.4 含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)

该岩相主要分布在东一亚段中下部。黏土矿物含量在33.1%~47.2%之间,平均值为38.5%;石英+长石含量在50.6%~63.5%之间,平均值为55.3%;碳酸盐矿物含量在0%~15.1%之间,平均值为4.9%;TOC值在0.2%~1.7%之间,平均值为0.8%,TOC分级主要为低碳,其次为含碳。岩心呈浅灰—灰白色,具有粒屑结构。常见的沉积构造包括脉状层理、块状层理,少见交错层理。此外,还可见到零散分布的毫米级黑色碳化植物碎片(图3-g)。黏土矿物作为“杂基”填充于粉砂颗粒之间。粉砂颗粒之间主要为点接触和线接触,少量为缝合线接触。颗粒的分选性和磨圆性差,多呈棱角状。颗粒粒径50~150 μm(图3-h)。

4 储集层特征

4.1 不同岩相储集层特征

研究区页岩整体具有低孔、低渗的特征。根据孔隙度、渗透率数据,基于不同岩相类型进行分析(图4),结果表明东岳庙段页岩孔隙度值在0.40%~2.46%之间,平均值为1.30%;渗透率在(0.0003~0.8230)×10^-3 μm²之间,平均值为0.1273×10^-3 μm²。其中,中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)和高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)孔隙度和渗透率都较高,表明其储集层物性较好; 含—中碳混合质页岩(Ⅱ₁)孔隙度和渗透率都较低,表明其储集层物性较差; 含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)孔隙度较低而渗透率较高(图4-a,4-b)。其中这4类岩相的孔渗相关性都较好,呈现明显的正相关(图4-c)。

4.2 储集空间类型

东岳庙段页岩储集空间主要包括微孔隙和微裂缝2类。微孔隙可分为无机孔和有机质孔,其中无机孔包括黏土矿物晶间孔、黄铁矿晶间孔、粒间孔及溶蚀孔等。微裂缝包括页理缝、介壳边缘缝、有机质收缩缝、构造缝和溶蚀缝等。不同岩相储集空间类型的发育情况可见表2。

4.2.1 微孔隙

1)晶间孔。晶间孔主要包括黏土矿物晶间孔和黄铁矿晶间孔。黏土矿物晶间孔在伊利石和伊—蒙混层中较为常见,呈狭长线状、条状或三角状(图5-a,5-b),是研究区页岩主要的储集空间类型; 黄铁矿集合体有球状、透镜状2种典型形态(图5-c,5-d),其中的孔隙发育类别和程度不同,但都不是主要的储集空间类型。

2)粒间孔。粒间孔主要发育在石英、长石或方解石等脆性颗粒之间或脆性颗粒和黏土矿物之间的孔隙。脆性颗粒之间形成的粒间孔通常呈三角状(图5-e),孔径较大。相较而言,脆性颗粒与黏土矿物之间形成的粒间孔较小,通常呈狭长线状或带状(图5-f)。通过电镜观察,粒间孔整体都较少发育,不是主要的储集空间类型。

3)溶蚀孔隙。长石溶蚀孔通常呈三角状或圆状(图5-g),常被黏土矿物或有机质充填(图5-h);而方解石介壳内的溶蚀孔常呈串珠状分布,较少被充填(图5-i)。整体来说,溶蚀孔的发育情况变化大,多在有机质丰度高、碳酸盐含量适中的页岩样品中发育介壳溶蚀孔。

4)有机质孔。研究区页岩的有机质孔发育程度关键受有机质显微组分类型及有机质含量的控制(周圆圆等,2023)。对于不同的有机质显微组分,腐泥组有机质相较于腐殖组有机质更易发育有机质孔(杨超,2017;谷渊涛等,2021)。

在电镜下观察发现,页岩中腐殖组有机质具有较大的个体尺寸(直径在20~50 μm之间)和整体致密的特点,不发育有机质孔(图5-k); 腐泥组有机质个体小(直径<20 μm),发育少量孤立状有机质孔。而充填在黄铁矿晶间孔和粒间孔的固体沥青(图5-c)以及页岩中普遍存在有机质—黏土复合体(李晓霞等,2023),多发育蜂窝状有机质孔(图5-l)。总之,有机质孔是研究区页岩仅次于黏土矿物晶间孔的主要储集空间类型之一。

4.2.2 微裂缝

微裂缝是由沉积作用、成岩作用、构造作用以及异常高压作用等单因素或多种因素共同作用产生的(李长海等,2020)。开启的微裂缝不仅可作为油气的储集空间,还能作为油气的运移通道。而闭合的微裂缝在压裂改造后可能重新开启(琚宜文等,2014),并与人工裂缝相互沟通,形成裂缝网络,从而成为油气运移的通道。

1)页理缝。页岩在沉积过程中形成的页理面天然具有力学薄弱特性。在成岩作用、异常高压作用以及卸荷作用的影响下,页理面容易开裂,形成页理缝。在研究区页理缝在宏观(岩心)和微观(电镜)层面均可观察到(图6-a,6-b)。页理缝常成组出现,呈波浪状沿水平方向展布。缝内通常被方解石半充填至全充填。页理缝是页岩中最为典型和常见的微裂缝类型之一。但通常认为,埋藏条件下的页理缝处于闭合状态(郭旭升等,2016),经过压裂改造后可重新开启(冀昆,2014)。

2)介壳边缘缝。介壳颗粒与黏土矿物的接触面同样具有力学薄弱特性,在接触面附近容易形成沿着介壳边缘开裂的介壳边缘缝。这类裂缝在宏观和微观层面均可观察到,常与页理缝共同出现。根据介壳边缘缝在延伸方向上的发育情况,可分为2类: 第1类是当介壳的长轴与页理缝走向接近平行或小角度相交时(图6-c,6-d),介壳边缘缝发育,延伸长度可达毫米级至分米级,介壳边缘缝与页理缝相互转换; 第2类是当介壳的长轴与页理缝走向接近垂直或大角度相交时,介壳边缘缝不发育,延伸长度仅为毫米级(图6-e)。

介壳边缘缝与页理缝的性质相似,虽然它们不能作为主要的储集空间,但在压裂改造后表现出较好的效果,从而与人工裂缝共同组成裂缝网络,具有良好的油气沟通能力。

3)有机质收缩缝。有机质收缩缝的发育与有机质类型密切相关(杨超,2017),腐殖组有机质由于塑性较差,不易形成有机质孔,而常发育有机质收缩缝; 腐泥组有机质塑性较好,易形成有机孔,而有机质收缩缝不发育。东岳庙段页岩中此2类有机质含量近似持平。有机质收缩缝通常出现在有机质与黏土矿物之间,呈宽窄不一的线状或断续波状(图6-f,6-g),缝宽较小。有机质收缩缝的油气沟通能力差,但它们是良好的油气储集空间。

4)构造缝。构造缝是在构造作用或异常压力作用下沿着一定方向形成的无明显位移的断裂。这类裂缝在宏观和微观尺度上均可观察到。在宏观尺度下构造缝较常见,主要表现为高角度斜交裂缝(图6-h),边缘较为平直,被方解石半充填至全充填。在微观尺度下,构造缝在黏土矿物中较为少见(图6-i);在脆性矿物中,构造缝相对常见,多呈“人”字型切割矿物(图6-j),边缘较为平直,可见少量黏土矿物。通过电镜观察认为,研究区页岩中微构造缝并不发育。

5)溶蚀缝。溶蚀缝通常是在已有裂缝基础上经过溶蚀扩大形成,或是在长石、方解石等矿物边缘发生溶蚀而形成的裂缝(王同等,2016;汪虎等,2019)。前者缝宽大,两侧常伴有高岭石的形成(图6-k)。后者通常被沥青全充填(图6-l)。在研究区页岩中,溶蚀缝偶尔可见,不是主要的储集空间类型。

4.3 孔隙结构特征

根据国际理论与应用化学联合会(简称为IUPAC)提出的孔隙分类方案,将孔隙分为微孔(<2 nm)、介孔(2~50 nm)和宏孔(>50 nm)三大类。前人对陆相页岩微观孔隙全直径的研究揭示页岩的微孔隙主要为介孔,其次为宏孔或微孔(杨峰等,2013;杨锐,2018;孙越等,2023)。鉴于低压氮气吸附实验已可用于表征孔径范围在2~100 nm之间的孔隙特征(朱庆山等,2008),本研究拟通过低压氮气吸附实验来研究不同岩相的孔隙特征及差异。

4.3.1 氮气吸附—脱附等温线

不同的等温线类型可以定性判别样品中孔隙的大小和形态(韩云,2018),IUPAC将吸附等温线划分为6种类型,分别为I型—Ⅵ型(Sing,1985;陈尚斌等,2012)。当吸附支线与脱附支线不重合时,将出现脱附支线滞后现象,形成回滞环(杨超等,2014),根据回滞环类型,IUPAC进一步将等温线分为H1、H2、H3、H4类(De Boer,1958;Sing,1985;罗超等,2014)。实际样品的等温线类型常常是以上几类典型等温线叠加构成的(徐浩,2019)。

从氮气吸附—脱附曲线图(图7)的分析中可得出,不同岩相页岩样品的吸附—脱附曲线基本相同,都为 Ⅱ 型和 Ⅳ 型的叠加,回滞环为H2型和H3型叠加。前人研究认为Ⅱ型等温线指示宏孔为主,微孔、介孔存在,Ⅳ型等温线指示介孔为主(何云鹏和杨水金,2018);H2型回滞环指示存在“墨水瓶”状孔,H3型回滞环指示存在开放性片状狭缝孔(魏祥峰等,2013)。

结合前人关于研究区东岳庙段页岩孔隙的全直径研究(李旭等,2019;孙越等,2023;舒志国等,2024),研究区东岳庙段页岩的4类岩相中介孔和宏孔皆存在,并且都存在“墨水瓶”状孔和开放性片状狭缝孔。但高—中碳黏土质泥页岩(Ⅰ₂)、含—中碳混合质泥页岩(Ⅱ₁)、中—低碳粉砂(黏土)质混合质泥页岩(Ⅱ₂)中介孔占主要地位; 含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)的介孔、宏孔二者占比相近,且根据拐点(G点)的下降幅度,认为其“墨水瓶”状孔更为发育。

4.3.2 孔径分布

从孔径分布图(图8)可以看出,在2~100 nm孔径范围内,不同页岩岩相的孔体积变化率曲线近似,都表现为随孔径增加孔体积变化率逐渐下降,孔径在3~10 nm范围内,孔体积变化率曲线出现多个峰值。说明在2~100 nm孔径范围内,页岩中多数孔的孔径在60 nm以下,尤其集中在孔径3~10 nm范围内。在累计孔体积方面,中—低碳粉砂(黏土)质混合质泥页岩(Ⅱ₂)和含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)的累计孔体积较高,说明这两者的孔隙空间较大,但含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)的孔多为“墨水瓶”状孔,对应于粒间孔的形态,其连通性差。

4.3.3 比表面积、孔体积和平均孔径

在研究区中,东岳庙段页岩样品的BET比表面积在1.204~4.530 m²/g之间,平均值为2.301 m²/g;BJH孔体积范围在0.005~0.011 cm³/g之间,平均值为0.008 cm³/g;BJH孔径范围在3.271~4.044 nm之间,平均值为3.560 nm。从表3的数据可以看出,Ⅲ₂型具有最高的比表面积和孔体积值,Ⅱ₂型次之,而 Ⅰ₂型和 Ⅱ₁型最低。

由于不同孔径大小对比表面积和孔体积的贡献能力不同(付小平等,2021),受测试方法单一的局限性,为使其孔隙参数具有可比性,只能在以介孔为主的岩相中比较孔隙参数,在Ⅰ₂型、Ⅱ₁型和 Ⅱ₂型这3类岩相中,中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂型)具有最大的比表面积和孔体积,这表明其容纳和吸附烃类气体的能力最强。

5 物性影响因素

选取无机组分含量(黏土矿物、碳酸盐矿物、石英和长石矿物含量)与有机组分含量(有机碳含量)作为定量指标,通过相关性分析不同岩相的组分含量与孔隙度的关系。分析结果表明,高有机质丰度(>1%)、高黏土矿物含量(>40%)和适量的方解石矿物含量(8%~12%)有利于研究区页岩孔隙的发育,而高石英+长石矿物含量(>50%)和过高或过低的碳酸盐矿物含量(>12%或<8%)则不利于页岩孔隙的发育。

1)有机碳含量。除 Ⅱ₁型岩相因为取样点极少外,在其余3类岩相中,有机碳含量与孔隙度均呈现显著正相关性(图9-a)。有机质提供的孔隙来源于2个方面: 一方面是有机质演化过程中产生的有机酸,溶蚀长石、方解石等易溶矿物,从而形成溶蚀孔隙(薛莲花等,2015;马妍,2018);另一方面,在有机质演化过程中,烃类的生成伴随其体积缩小,从而产生有机质孔和有机质收缩缝(张平,2023)。当有机质丰度增加时,单位体积中的黏土矿物、碳酸盐矿物等无机矿物含量减少,显著正相关指示增加的有机质孔+溶蚀孔的储集空间远大于其他孔隙所减少的储集空间,说明了有机质孔+溶蚀孔的孔隙度高。

2)黏土矿物含量。在Ⅰ₂型岩相中,黏土矿物含量与孔隙度呈现显著正相关性(图9-b)。在成岩过程中,随着压实作用的加强,黏土矿物开始脱水和转化,伊蒙混层和伊利石的含量逐渐增加,这些片状、层状和纤维状的黏土矿物能提供大量的黏土矿物晶间孔,是页岩中主要的孔隙类型(李成成等,2017;姜涛等,2021)。结合Ⅰ₂型岩相的各组分的变化趋势(图9-f): 其有机质丰度保持高—中碳水平,随黏土矿物含量增加,方解石含量几乎不变,石英与长石含量减少。显著正相关指示增加的黏土矿物晶间孔的储集空间大于减少的粒间孔+长石溶蚀孔的储集空间,说明黏土矿物晶间孔的孔隙度较高。

3)石英和长石含量。在Ⅰ₂型和Ⅱ₂型中,石英和长石这2类矿物含量都与孔隙度呈负相关性(图9-c,9-d)。石英和长石这类脆性矿物主要提供粒间孔和溶蚀孔(王晓梅等,2017;张顺,2018;姜涛等,2021),如前文所述,粒间孔整体不发育,且长石溶蚀孔常被黏土矿物和有机质充填。结合Ⅰ₂型和Ⅱ₂型各组分随石英和长石含量的变化趋势(图9-f)表明,粒间孔+长石溶蚀孔的孔隙度较低。虽然较高含量的石英和长石矿物不利于孔隙的发育,但它们有利于压裂时产生网状裂缝(李可等,2016),将各类孔隙相互连通起来。

4)碳酸盐含量。在前人研究中,页岩中碳酸盐矿物含量与孔隙度常表现为弱负相关或无相关性(张晓明等,2015;李旭等,2019)。但通过(图9-e)可以看出,碳酸盐矿物含量在较低范围时(<10%左右),随着碳酸盐矿物含量的增加,孔隙度增加; 在较高范围时(>10%左右),随着碳酸盐矿物含量的增加,孔隙度开始减少。结合Ⅲ₂型各组分含量变化的趋势表明(图9-f),在碳酸盐矿物含量较低时,溶蚀作用较强,介壳溶蚀孔的孔隙度高于粒间孔+长石溶蚀孔; 而当碳酸盐矿物含量较高时,溶蚀能力有限,此时介壳溶蚀孔的孔隙度低于粒间孔+长石溶蚀孔。

6 优势储集岩相及分布

针对东岳庙段页岩发育的4类岩相类型,采用显微电镜、全岩X射线、岩石热解、柱塞测试和低压氮气吸附实验等技术手段分析,对比了不同岩相类型的页岩矿物含量、有机质丰度、物性等参数,研究结果表明,中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)是最优的储集岩相,高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)次之,含—中碳混合质页岩(Ⅱ₁)再次之,含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)最差。

中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)黏土矿物晶间孔、页理缝发育,介壳溶蚀孔、有机质孔及介壳边缘缝较发育; 脆性指数平均为43.0%。压裂效果显著; 孔隙以介孔为主,平均孔隙度为1.75%,属于最优的储集岩相(图10-c)。

高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)相较于前者,其黏土矿物含量和有机质丰度更高,黏土矿物晶间孔、页理缝、有机质孔和有机质收缩缝都更发育; 但介壳溶蚀孔、介壳边缘缝不发育。脆性指数平均为40.9%,压裂效果较好; 孔隙以介孔为主,平均孔隙度为1.58%。属于较优的储集岩相(图10-a)。

而对于含—中碳混合质页岩(Ⅱ₁),其黏土矿物含量低、碳酸盐含量高,黏土矿物晶间孔不发育,且多数介壳并不发育溶蚀孔,属于较差的储集岩相(图10-b)。对于含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂),其多数类型的孔、缝更不发育,仅粒间孔和脆性矿物构造缝较发育,是最差的储集岩相(图10-d)。

在岩相纵向分布上(图11),中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)主要分布在东二亚段,但分布不稳定,通常紧邻高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)分布; 而高—中黏土质页岩(Ⅰ₂)在东二亚段中上部分布广泛且单层厚度较大。在东二亚段中上部,有机质丰度平均为1.49%,孔隙度平均为1.88%,渗透率平均为0.1495×10^-3μm²。该层位烃源、储集层及工程条件皆表现优越。结合实际情况,认为高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)夹中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)岩相组合发育的东二亚段中上部是川东地区东岳庙段储集层优选层位。

7 结论

1)川东地区东岳庙段陆相页岩矿物成分以黏土矿物和石英为主,方解石次之,并含少量长石、白云石、黄铁矿和菱铁矿。根据岩相划分方案,页岩共划分出13类岩相。川东地区侏罗系东岳庙段页岩发育高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)、含—中碳混合质页岩(Ⅱ₁)、中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)和含—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)4类岩相。

2)川东地区侏罗系东岳庙段页岩储集空间主要为微孔隙和微裂缝。前者主要为黏土矿物晶间孔,次为有机质孔,以及局部岩相中发育介壳溶蚀孔; 后者主要为页理缝和介壳边缘缝。

3)通过对有机质丰度、黏土矿物、碳酸盐矿物、石英和长石矿物含量等5个可定量组分与孔隙度的相关性分析认为: 高有机质丰度(>1%)、高黏土矿物含量(>40%)和适量的碳酸盐矿物含量(8%~12%)有利于页岩孔隙的发育。而高石英+长石矿物含量(>50%)和过高或过低的碳酸盐矿物含量(>12%或<8%)则不利于页岩孔隙的发育。

4)基于不同页岩岩相的矿物含量、有机质丰度、物性等参数的对比分析,结果表明: 中—低碳粉砂(黏土)质混合质页岩(Ⅱ₂)是最有利的储集岩相,高—中碳黏土质页岩(Ⅰ₂)次之,含—中碳混合质页岩(Ⅱ₁)较差,中—低碳泥质粉砂岩(Ⅲ₂)最差; 结合研究区页岩岩相的纵向分布规律,东二亚段中上部是川东地区东岳庙段储集层的优选层位。

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基金资助

*中国石油—西南石油大学创新联合体项目(2020CX050000)

四川省自然科学基金重点项目(24NSFSC0093)