基于有机质孔特征的页岩储集层评价研究: 以川南地区五峰组—龙马溪组为例^*

Evaluation of shale reservoirs based on organic pore characteristics: a case study of the Wufeng and Longmaxi formations in southern Sichuan Basin

摘要

有机质孔是页岩气赋存、富集的主要空间,其发育特征对于储集层评价及优选具有重要意义,而目前关于矿物-有机质孔组合类型、特征及非均质性方面的研究较为薄弱。为此,以川南地区五峰组—龙马溪组页岩为研究对象,利用全岩-X衍射分析、氩离子抛光—扫描电镜、电子探针显微分析、阴极发光、Image J图像分析等手段,厘清矿物与有机质的赋存关系,刻画矿物-有机质孔组合结构特征,分析不同岩相的矿物-有机质孔组合分布特征,探讨矿物-有机质孔组合的非均质分布对页岩储集层的影响。研究结果表明: (1)石英、黏土矿物、碳酸盐矿物和黄铁矿与有机质各存在3种赋存关系,共识别出4类12种矿物-有机质孔组合; (2)矿物-有机质孔组合在不同岩相中的分布表现出差异性,生物硅质页岩以石英-有机质孔组合为主,相对含量为73.59%;黏土质页岩、长英质-钙质粉砂页岩、钙质页岩和长英质粉砂页岩以黏土矿物-有机质孔组合为主,相对含量分别为73.45%、55.45%、38.92%、53.66%;钙质粉砂页岩以碳酸盐矿物-有机质孔组合为主,相对含量为55.01%;(3)有机质包裹成岩石英和黏土矿物呈流动结构有机质孔的有机质相对含量高、孔径大、成孔率高、孔隙连通性好,是对储集层最有利的2类有机质孔; (4)生物硅质页岩是页岩气的最佳储集层,其中对储集层有利的矿物-有机质孔组合的相对含量高达33.71%,与其3.53 m³/t的高含气量相吻合。结论认为,矿物-有机质孔组合的分布特征影响页岩的含气性,对储集层有利的矿物-有机质孔组合的相对含量与含气量呈正相关关系,该认识对储集层评价具有重要意义。

Abstract

Organic matter pores serve as the primary spaces for shale gas enrichment and accumulation,and their developmental characteristics are crucial for reservoir evaluation and selection. However,current research on the combinations,characteristics,and heterogeneity of mineral-organic matter pores remains relatively limited. This study focuses on the Longmaxi Formation and Wufeng Formation shales in the southern Sichuan Basin region,employing a suite of techniques including whole-rock X-ray diffraction analysis,argon ion polishing-scanning electron microscopy,electron micro-probe analysis,cathodoluminescence,and Image J image analysis. These methods are used to elucidate the relationships between minerals and organic matter,describe the structural characteristics of mineral-organic matter pore combinations,analyze the distribution patterns of these combinations across different lithofacies,and investigate the impact of their heterogeneous distribution on shale reservoir properties.The results reveal the following key findings: (1)Quartz,clay minerals,carbonate minerals,and pyrite exhibit multiple occurrence relationships with organic matter in shale,and a total of four categories comprising 12 types of mineral-organic matter pore combinations were identified;(2)The distribution of mineral-organic matter pore combinations varies among different lithofacies. Biogenic siliceous shale is predominantly characterized by quartz-organic matter pore combinations,with a relative content of 73.59%. Clay shale,feldspathic-calcareous siltstone,calcareous shale,and feldspathic siltstone are mainly dominated by clay mineral-organic matter pore combinations,with relative contents of 73.45%,55.45%,38.92%,and 53.66%,respectively. Calcareous siltstone is primarily characterized by carbonate mineral-organic matter pore combinations,with a relative content of 55.01%;(3)Organic matter encapsulated within quartz and clay minerals exhibits a flow structure,characterized by high organic matter content,large pore size,high porosity,and good pore connectivity. These pore types are the most favorable for reservoir development;(4)Biogenic siliceous shale is identified as the optimal shale gas reservoir,and its high gas content(3.53m³/t)aligns closely with the high relative abundance(33.71%)of favorable mineral-organic matter pore combinations. In conclusion,the distribution characteristics of mineral-organic matter pore combinations significantly influence the gas content of shale,and the relative content of favorable pore combinations is positively correlated with gas content. This finding holds substantial implications for the evaluation and selection of shale gas reservoirs.

Graphical abstract

关键词

五峰组—龙马溪组 / 矿物-有机质孔组合 / 页岩储集层 / 岩相 / 非均质性 / 页岩气富集

Key words

Wufeng and Longmaxi formations / mineral-organic matter pore combination / shale reservoir / lithofacies / heterogeneity / shale gas enrichment

0 引言

四川盆地页岩气资源潜力巨大,截至2023年四川盆地页岩气已探明地质储量达3.14×10¹² m³(姜鹏飞等,2023)。随着页岩气勘探由中浅层向深层、超深层延伸,发现不同层位、不同岩性下页岩储集层发育特征差异较大(Xu et al., 2019;Zhang et al., 2020;腾格尔等,2021)。有机质孔是海相页岩储集层中主要的孔隙类型,是页岩气富集的一项关键要素(金之钧等,2016;陈斐然等,2020),其发育受有机质丰度、孔隙度、矿物类型、应力等多种因素的制约(Wang, 2020;Xu et al., 2020),形成演化过程复杂,具有强烈的非均质性。

对孔隙的合理分类是对页岩油气储集性准确评价的重要前提之一,Milliken等(2013)对阿拉巴契亚盆地Marcellus页岩中富集的有机质孔隙进行分类,将其分为复杂孔隙、矿物相关孔隙、海绵状孤立孔隙及等轴孤立孔隙。Sun等(2024)提出纳米级有机质—黏土复合体是松辽盆地青山口组的主要储集空间,并将其分为条带状、块状、网状及裂缝形4种。在四川盆地五峰—龙马溪组,矿物-有机质孔组合的分类较为复杂,例如赵迪斐等(2020)将其划分为莓状黄铁矿微晶间有机孔隙组合、黏土矿物-有机质复合体孔隙组合、黏土矿物-有机质聚合体孔隙组合及笔石有机质孔隙。此外,在川西南筇竹寺组页岩中发现黏土矿物-有机质组合和草莓状黄铁矿-有机质组合,黏土矿物-有机质孔组合多呈狭长三角形,草莓状黄铁矿-有机质孔组合多呈圆球形(王淑芳等,2016;刘忠宝等,2018)。卢龙飞等(2018)在中上扬子地区五峰组—龙马溪组页岩中发现生物成因微晶石英与有机质组合,其内部发育不规则状的有机质孔。陈增裕等(2023)则在长宁地区五峰组—龙马溪组页岩中发现有机质存在于黄铁矿化的生物体腔中,有机质孔呈圆球形。然而,这些矿物-有机质孔组合的具体类型、特征和成藏优劣性尚未明确,这导致对页岩储集层中矿物-有机质孔组合的非均质分布及其意义的认识仍不清楚,影响页岩储集层精细评价及优选。

针对上述关键问题,本研究以川南地区五峰组—龙马溪组页岩储集层为研究对象,运用氩离子抛光—扫描电镜、电子探针显微分析和阴极发光等手段,分析有机质与矿物的赋存关系,明确矿物-有机质孔组合类型及特征。利用Image J图像分析软件准确提取孔隙参数,研究不同类型矿物-有机质孔组合富集油气的能力。以此为基础,精细对比不同岩相类型矿物-有机质孔组合分布差异,识别页岩气富集的优势岩相。

1 研究区地质概况

四川盆地位于中国西南部,是一个大型富气叠合盆地(汪泽成等,2002;Guan et al., 2021)。在奥陶纪,四川盆地构造和沉积演化发生变动,由被动大陆边缘转为前陆盆地(Zhang et al., 2013;李皎等,2015;Liang et al., 2016),受广西运动影响,奥陶纪晚期黔中隆起、川中隆起和雪峰隆起出现,四川盆地由开阔海相逐步转为被古隆起包围的局限海相(Zou et al., 2018;Wu et al., 2019;Li et al., 2021)。

受奥陶纪晚期至志留纪早期大规模的海侵和构造活动的影响(Chen et al., 2004),五峰组—龙马溪组页岩在低能强还原环境中沉积,并发育了川北、川东和川南沉积中心(Zhu et al., 2021)(图1-A)。位于川南沉积中心的五峰组—龙马溪组页岩段是本研究的目标层段(图1-B)。五峰组主要发育黑色富有机质页岩,其硅质含量高,并含有丰富的笔石、放射虫、海绵骨针等化石(Chen et al., 2004;梁超等,2023)。龙马溪组主要发育深灰色—黑色富有机质页岩,下部硅质含量高,向上砂质含量增加,笔石化石减少(聂海宽等,2017;韩豫等,2024)。

2 样品及孔隙分析方法

2.1 样品采集分析

样品来自Z203井、W213井、W214井、L204井、L205井、L212井、L214井、L215井和N227井的五峰组—龙马溪组(图1)。本研究以L212井和L214井为重点,分析海相页岩孔隙类型、特征及分布情况。

L212井和L214井共采集样品173块,样品选取时采取了等距离(1m)密集采样的方式。普通薄片观察54片,氩离子抛光—扫描电镜分析20块,全岩-X衍射和TOC分析173块。

2.2 孔隙分析方法

为了获得高精度和大视域的孔隙图像,采用氩离子抛光制作、图像采集、孔隙类型及特征分析等研究步骤和方法。氩离子抛光尺寸为10mm×10mm×5mm,图像采集选用Zeiss双束扫描电镜,放大倍数为(0.3~500)×10³倍。在500倍的扫描电镜下,初步观察样品的一般特征,在较大的放大倍率下利用能谱分析、阴极发光等手段测定矿物-有机质组合的分布和大小,然后将样品细分为几个具有代表性的微区(100×100 μm),每个区域连续采集大量图像。结合有机质、矿物和孔隙的灰度差异,可以利用Image J图像分析软件对有机质、有机质孔进行提取。自动识别过程中,采用多次调试的方法选取图像灰度阈值,直至实现最佳效果。对某些软件无法识别的图像区域,需进行人工微调,直至所有的孔隙被识别(图2)。

然后,统计各个区域不同类型矿物-有机质孔组合的数目、大小、面孔率(有机质孔的面积占整个视域面积的百分比)、成孔率(有机质孔的面积占有机质面积的百分比)等参数,并统计不同岩相中不同矿物-有机质孔组合的占比。最后,利用Excel软件绘制不同类型矿物-有机质孔组合孔径分布图、不同岩相中不同类型矿物-有机质孔组合组成分布图等。图像识别过程中,孔径是将SEM图像中孔隙面积等效为同等圆形的截面积计算出的孔隙直径,也可称为等效圆孔径或等效孔径。由于电镜图像分辨率的限制,孔隙的统计不包括小于2nm的。

3 实验结果

3.1 矿物组分和TOC

川南地区五峰组—龙马溪组页岩矿物组分以石英、黏土矿物、碳酸盐矿物为主,长石和黄铁矿含量较少。其中,石英含量介于5.8%~80.8%,平均值为44.24%;黏土矿物含量介于6.4%~80.2%,平均值为31.53%;碳酸盐矿物含量介于1.6%~71.8%,平均值为14.1%;长石含量介于1.1%~15.6%,平均值为7%;黄铁矿含量介于1%~16.8%,平均值为3.34%。有机质含量变化范围较大,介于0.07%~7.1%,平均值为2.3%(图3)。

3.2 孔隙类型及特征

页岩储集层储集物性差,低孔隙度、超低渗透率,储集空间孔径以纳米级至微米级为主(Slatt and O’Brien,2011;Loucks et al., 2012;何建华等,2014)。川南地区五峰组—龙马溪组主要发育无机孔、有机质孔,前者包括粒内孔和粒间孔,后者包括石英-有机质孔、黏土矿物-有机质孔、碳酸盐矿物-有机质孔和黄铁矿-有机质孔组合。

3.2.1 无机孔

1)粒内孔

一般发育在矿物颗粒内部,主要包括粒内溶蚀孔。粒内溶蚀孔是不稳定矿物发生化学溶蚀形成的,呈弧形、椭圆形,孔径介于20~1200nm。其中碳酸盐矿物粒内溶蚀孔最为发育(图4-A,4-B),其次是长石粒内溶蚀孔(图4-C),少见石英粒内溶蚀孔。

2)粒间孔

通常发育在矿物颗粒接触处,是矿物颗粒排列堆积、成岩压实后颗粒之间残留的原生孔隙,主要包括黏土矿物层间孔和石英、黄铁矿等刚性矿物颗粒粒间孔。黏土矿物层间孔形成于黏土矿物转化过程中,呈狭缝形、不规则形,孔径介于8~400nm(图4-D)。研究区石英含量丰富,发育大量粒间孔(图4-E),形态不规则,孔径介于5~1200nm。黄铁矿晶间孔多为狭缝形(图4-F),孔径4~200nm。

3.2.2 有机质孔

有机质孔形成于有机质生烃过程中,主要发育在有机质内部,是页岩储集层孔隙的重要组成部分(Curtis et al., 2012)。川南地区五峰组—龙马溪组页岩有机质含量高,有机质孔大量发育,多呈圆形、椭圆形、蜂窝状,孔径大多为纳米级,孔隙之间的连通性较好,是主要的储集空间(Chen et al., 2017;Zhou et al., 2018)。有机质与矿物的赋存关系复杂,有机质孔具有强烈的非均质性。本研究选取石英、黏土矿物、碳酸盐矿物和黄铁矿4种矿物,分析其形态、成因及与有机质的接触关系,划分出12类矿物-有机质孔组合(表1)。选取的原则为相对含量高(石英和黏土矿物)、对页岩沉积影响大(碳酸盐矿物)和标志性矿物(黄铁矿)等(吴靖等,2018;管全中,2020)。

1)石英-有机质孔组合

石英-有机质孔组合孔径介于8~885nm,平均孔径63.4nm,孔径集中分布在20~50nm,占比65%(图5-A)。通过对石英的形态、粒度和阴极发光特征进行鉴定,识别出碎屑石英、成岩石英和生物石英3类石英(王秀平等,2015;赵建华等,2016;Niu et al., 2018;Qiu et al., 2020;王昕尧等,2022)。

Q1组合中, 碎屑石英形态常呈次圆—次棱角状(图6-A),颗粒较大,粒径介于3~30 μm之间,SEM-CL图像表现为强发光(图6-B),阴极发光谱图有2个谱峰,主峰在550~600nm处,次峰在300~320nm处(图6-C)。有机质充填碎屑石英粒间孔隙(图6-D),有机质孔呈蜂窝状,随机定向(图6-E),孔径介于11~885nm之间,平均孔径112.0nm,孔径集中分布在11~35nm,占比35.8%,有2.4%的有机质孔径大于400nm(图5-B),成孔率平均6.94%,面孔率平均3.27%(表1)。

Q2组合中, 成岩石英包括黏土矿物转化过程中形成的石英和硅质生物溶解再沉淀形成的石英,呈半自形、自形、球形,粒径0.1~2 μm,常胶连成片(图6-A),SEM-CL图像通常不发光(图6-B)。有机质包裹成岩石英,有机质孔多呈圆形(图6-F),孔径介于19~812nm之间,平均孔径136.0nm,孔径集中分布在25~75nm,占比32.3%,有3.3%的孔径大于400nm(图5-B),成孔率平均10.71%,面孔率平均3.03%(表1)。

Q3组合中,生物石英保留硅质生物外形(图6-G),SEM-CL图像通常不发光,阴极发光光谱图有2个谱峰,主峰在550~600nm处,次峰在400~450nm处(图6-H)。有机质充填硅质放射虫和海绵针状体中央腔室,有机质孔呈蜂窝状、针状(图6-I),孔径介于8~342nm之间,平均孔径37.0nm,孔径集中分布在15~60nm,占比92.1%(图5-B),成孔率平均10.01%,面孔率平均2.87%(表1)。

2)黏土矿物-有机质孔组合

黏土矿物-有机质孔组合孔径介于9~1277nm之间,平均孔径88.2nm,孔径集中分布在15~75nm,占比56.9%,有1.55%的有机质孔孔径大于400nm(图5-A)。根据黏土矿物和有机质的接触关系,划分出Cl1、Cl2、Cl3共3种组合类型,有机质孔显示出不同的特征。

有机质充填在黏土矿物层间,形成Cl1组合,成岩石英和黄铁矿等矿物颗粒常与有机质共存于黏土矿物层间(图7-A)。有机质孔多呈圆形(图7-B),孔径介于12~695nm之间,平均孔径71.2nm,集中分布在12~35nm和45~80nm 2个范围,分别占比29.6%和31.5%(图5-C),成孔率平均9.56%,面孔率平均3.92%(表1)。

Cl2组合中黏土矿物在一个或多个方向形成不同的流动结构(图7-C至7-F)。有机质孔呈椭圆形、针状(图7-E,7-F),孔径介于9~353nm之间,平均孔径59.0nm,孔径集中分布在15~55nm,占比57.5%(图5-C),成孔率平均4.76%,面孔率平均1.63%(表1)。

Cl3组合中黏土矿物包裹有机质,有机质呈脉状(图7-G)。有机质孔多呈圆形(图7-I),孔径介于33~1277nm之间,平均孔径155.8nm,孔径集中分布在40~80nm,占比37.5%,有6%的有机质孔孔径大于400nm(图5-C),成孔率平均12.08%,面孔率平均4.05%(表1)。

3)碳酸盐矿物-有机质孔组合

碳酸盐矿物-有机质孔组合孔径介于7~576nm之间,平均孔径44.6nm,孔径集中分布在25~55nm,占比63.8%(图5-A)。碳酸盐矿物(主要指方解石和白云石)在成岩过程中易被溶蚀形成边缘和粒内溶蚀孔,有机质常充填其中,形成Carb1、Carb2组合,也可见碳酸盐矿物颗粒与脉状有机质接触,形成Carb3组合。

Carb1组合中有机质充填碳酸盐矿物颗粒外围溶蚀孔缝(图8-A)。有机质孔呈蜂窝状、不规则状(图8-B),孔径介于25~553nm之间,平均孔径56.1nm,孔径集中分布在25~55nm,占比68.8%(图5-D),成孔率平均9.49%,面孔率平均1.12%(表1)。

Crab2组合中有机质充填碳酸盐矿物颗粒内部溶蚀孔(图8-C)。有机质孔呈蜂窝状(图8-D,8-E),孔径介于7~301nm之间,平均孔径33.7nm,孔径集中分布在7~25nm和30~55nm 2个范围,分别占比30.3%和62.1%(图5-D),成孔率平均4.03%,面孔率平均1.04%(表1)。

Carb3组合中碳酸盐矿物颗粒与脉状有机质紧密接触(图8-F,8-G)。有机质孔多呈蜂窝状(图8-H),孔径介于10~576nm之间,平均孔径54.6nm,孔径集中分布在30~60nm之间,占比61.3%(图5-D),成孔率平均9.98%,面孔率平均3.25%(表1)。

4)黄铁矿-有机质孔组合

黄铁矿-有机质孔组合孔径介于11~795nm之间,平均孔径54.7nm,孔径集中分布在15~60nm,占比65.7%(图5-A)。根据黄铁矿与有机质的赋存关系,可划分出Py1、Py2和Py3共3类组合,不同组合发育有机质孔的特征具有明显差异。

Py1组合中有机质充填草莓状黄铁矿的晶间孔(图9-A)。有机质孔多呈圆形(图9-B),孔径介于23~386nm之间,平均孔径80.9nm,孔径集中分布在25~45nm和55~80nm 2个范围,分别占比26.5%和27.3%(图5-E),成孔率平均8.13%,面孔率平均1.15%(表1)。

Py2组合中黄铁矿化的海绵针状体中央腔室充满有机质,黏土矿物和成岩石英常与有机质共存于海绵针状体中央腔室(图9-C)。有机质孔呈蜂窝状(图9-D),孔径介于11~208nm之间,平均孔径33.7nm,孔径集中分布在11~55nm,占比90.4%(图5-E),成孔率平均7.78%,面孔率平均2.98%(表1)。

Py3组合中黄铁矿和有机质共同充填黏土矿物层间(图9-E)。有机质孔隙多呈圆形(图9-F),孔径介于12~795nm之间,平均孔径77.6nm,孔径集中分布在12~25nm和45~80nm 2个范围,分别占比20.1%和35.1%(图5-E),成孔率平均7.61%,面孔率平均3.42%(表1)。

3.3 不同岩相的矿物-有机质孔组合分布特征

3.3.1 岩相类型及特征

通过岩心观察、薄片光差以及扫描电镜分析,根据矿物组成及含量、沉积构造特征,以长英质(长石+石英)、钙质(方解石+白云石)和黏土矿物为三端元进行划分,识别出6种主要岩相: 生物硅质页岩、黏土质页岩、长英质-钙质粉砂页岩、钙质粉砂页岩、钙质页岩和长英质粉砂页岩(图10)。

生物硅质页岩岩心呈灰黑色,TOC含量平均值为3.96%,层状分布(图10-A),厚度一般0.1~1cm,少量厚几百微米,上下界面呈突变接触。放射虫、海绵骨针等硅质生物丰富(图10-B,10-C),硅质生物的溶解是该岩相硅质的主要来源(刘树根等,2011;Sato et al., 2011;Yang et al., 2018),石英含量显著,平均值为67.1%(图10-D)。黏土质页岩岩心呈黑色—灰黑色,TOC含量平均值为0.9%,成层性微弱(图10-E)。黏土矿物含量较高(图10-F,10-G),平均值为54.98%(图10-H),主要为伊利石。长英质-钙质粉砂页岩岩心呈灰黑色—深灰色(图10-I),TOC平均值为1.87%,纹层较为发育(图10-J),石英-方解石混合纹层(亮纹层)和黏土纹层(暗纹层)交替。长英质矿物和碳酸盐矿物含量大致相当(图10-K),均超过30%,分别为36%、30%(图10-L)。钙质粉砂页岩是研究区发育最少的岩相类型,岩心呈灰黑色(图10-M),TOC含量平均值为0.68%,纹层不发育。碳酸盐矿物含量高(图10-N,10-O),平均值为61.95%(图10-P),石英、长石、方解石表现出碎屑外形,颗粒分选较好,磨圆中等,多呈次棱角—次圆状。钙质页岩岩心呈灰黑色(图10-Q),TOC含量平均值为3.46%,纹层十分发育(图10-R,10-S),为顺层分布的亮晶方解石纹层和暗色的黏土纹层组合。碳酸盐矿物含量显著,平均值为61.35%(图10-T),其中亮晶方解石为成岩作用形成(吴安彬等,2022)。长英质粉砂页岩是研究区最为发育的岩相,岩心呈黑色或灰黑色(图10-U),TOC含量平均值为1.83%,块状发育。长英质矿物含量高,以碎屑石英为主(图10-V,10-W),石英平均含量42.88%(图10-X)。

3.3.2 矿物-有机质孔组合的差异性分布

不同岩相矿物-有机质孔组合的分布特征显示出较大的差异性(Wang et al., 2021)。

生物硅质页岩中有机质主要包裹成岩石英或存在于硅质生物中央腔室,Q2、Q3组合有机质孔相对含量为31.63%、27.96%。夹带黏土矿物的有机质和被黏土矿物包裹的脉状有机质少见,Cl2、Cl3组合有机质孔相对含量为2.08%、8.12%。黄铁矿-有机质组合中,有机质充填黄铁矿化生物体腔最为发育,对应Py2组合有机质孔的相对含量为0.56%(表2)。

黏土质页岩中有机质主要充填黏土矿物层间或被黏土矿物包裹,Cl1、Cl3组合有机质孔相对含量为32.52%、23.06%。有机质包裹成岩石英和有机质充填硅质生物中央腔室少见,Q2、Q3组合有机质孔相对含量分别为7.14%、0.21%(表2)。

长英质-钙质粉砂页岩中有机质主要充填于碎屑石英之间或包裹黏土矿物,Q1、Cl2组合有机质孔相对含量为22.99%、24.62%。有机质充填碳酸盐矿物的粒内孔和脉状有机质接触碳酸盐矿物颗粒少见,Carb2、Carb3组合有机质孔相对含量分别为2.80%、1.22%(表2)。

钙质粉砂页岩中有机质主要充填碳酸盐矿物颗粒外围溶蚀孔缝,Carb1组合有机质孔相对含量为33.37%。有机质充填碳酸盐矿物粒内溶孔和碎屑石英之间少见,Carb2、Q1组合有机质孔相对含量分别为3.39%、5.80%(表2)。

钙质页岩中有机质主要与碳酸盐矿物颗粒接触或包裹黏土矿物,Carb3、Cl2组合有机质孔相对含量为20.19%、20.33%。有机质充填碳酸盐矿物颗粒溶蚀孔少见,Carb1、Carb2组合有机质孔相对含量分别为4.42%、3.54%(表2)。

长英质粉砂页岩中有机质主要存在于碎屑石英之间或包裹黏土矿物,Q1、Cl2组合有机质孔相对含量为20.10%、21.26%。有机质充填硅质生物中央腔室少见,Q3组合有机质孔相对含量为3.40%(表2)。

4 讨论

4.1 不同矿物-有机质孔组合的储集层响应

有机质孔对页岩储集层的发育起到了至关重要的作用(张吉振等,2015;He et al., 2017;王濡岳等,2022)。有机质孔之间的有效连通是有机质孔成为页岩气富集的主要储集空间的基本条件,有机质内部孔隙、有机质孔与无机孔缝彼此之间的有效连通均取决于有机质丰度、分布及孔隙发育程度(腾格尔等,2021)。综合分析矿物-有机质孔组合的有机质相对含量、孔径、成孔率等发育特征能够精细预测不同矿物-有机质孔组合的成藏性能。

成岩石英-有机质孔组合比碎屑石英-有机质孔组合的有机质相对含量高得多,平均孔径、成孔率和单位面积孔隙数也更高(表1),同时大量的成岩石英聚集体构成刚性骨架,具有足够的孔隙空间,运移的有机质充填其中伴生孔隙网络系统(Zhao et al., 2017)。孔隙连通性好,孔隙之间几乎毫无阻隔,有的孔隙已连接组成一个更大的孔隙,石英颗粒间残余孔隙和裂缝与有机质孔隙相互连通,能够很好地储存气体,促进气体的短距离运移(管全中,2020)。尽管生物石英的中央腔室中充填有机质,但由于硅质生物的孤立分布,有机质的相对数量受到限制,孔隙连通性差,不利于天然气成藏。因此,成岩石英-有机质孔组合的存在提高了页岩储集层的质量。

黏土矿物-有机质孔组合中有机质的相对含量较高(表1),Cl2组合有机质相对含量(92%)>Cl3组合有机质相对含量(42%)>Cl1组合有机质相对含量(40%)。Cl1和Cl2组合中有机质与黏土矿物以复合体的形式存在,对有机质的催化作用强(Cai et al., 2007;Kennedy et al., 2014;Zhu et al., 2018),所以Cl1、Cl2组合比Cl3组合存在更多的有机质孔。Cl1组合的有机质-黏土复合体在演化过程中可能受地层压力作用形成两端尖灭的透镜体形状(图7-A),其中的孔隙不易与外界连通(李晓霞等,2020),导致Cl1组合的有机质孔连通性不如Cl2组合好。因此,Cl2组合有机质孔的存在对页岩储集层的质量更有利。

碳酸盐矿物-有机质孔组合中有机质的相对含量较低(表1),总体降低了页岩储集层质量。然而Carb1组合有机质孔能够与碳酸盐矿物外围的溶蚀孔缝形成连续的网络,连通性中等至好,也能够有效成藏,在一定程度上能改善储集层质量(Nie et al., 2019;Wu et al., 2021)(表2)。

黄铁矿-有机质组合总量并不丰富,而且通常是分散的,所以该类有机质孔不能改善页岩气储集层质量。Py1组合受草莓状黄铁矿结构的限制,有机质的相对含量较低,但有机质孔发育很好,成孔率较高、孔径较大且孔隙连通性好,在一定程度上能改善储集层质量(曹涛涛等,2018)。

综上分析,Q2和Cl2组合有机质孔的存在能够提高储集层质量,Q1、Q3、Cl1、Carb1、Py1和Py3组合有机质孔的存在不能改善储集层质量,Cl3、Carb2、Carb3和Py2组合有机质孔的存在降低了储集层质量(表2)。

4.2 基于矿物-有机质孔组合分布的岩相评价

页岩含气量是衡量其是否具有经济开采价值和进行资源评价的关键指标(邹才能等,2010),与生烃能力和储集层性能相关。生烃能力和储集层性能可以通过TOC含量、孔隙度2项参数来表示(Wu et al., 2021),然而前人的研究中发现存在有机质丰度高、总孔隙度高的页岩其含气性却偏低的现象(林伟等,2024),这可能与页岩的有机质含量高但成孔率低、总孔隙度高但对储集层有利的有机质孔含量少密切相关,因此生烃能力和总孔隙度特征并不能准确反映页岩储集性能的优劣。在开展页岩储集层评价时需要在有效划分岩相类型的基础上,精细分析可有效赋存富集页岩气的储集空间发育特征,较大的矿物-有机质孔组合分布差异可导致不同岩相页岩含气量存在明显差异(图11)。

生物硅质页岩的TOC含量最高,平均值为3.96%,与其他岩相相比,其生烃能力较好。结合平均值为4.6%的高孔隙度推断其储集层容量较大,大量Q2组合、Cl2组合有机质孔在其中发育(相对含量为33.71%),提供了大量的有机质和有利储集空间,平均含气量高达3.53m³/t(图12),因此生物硅质页岩是页岩气的最佳储集层。钙质粉砂页岩发育大量对储集层响应中等的矿物-有机质孔组合(相对含量为46.67%)和少量对储集层有利的矿物-有机质孔组合(相对含量为15.37%),从其最低的TOC含量、孔隙度和含气量(图11)可知,其生烃能力和储集层性能相对较差。

总体而言,不同岩相中对储集层有利的矿物-有机质孔组合的相对含量与含气量呈正相关关系(图12;图13),这是因为此类矿物-有机质孔组合越发育,有机质成孔率越高、孔隙连通性越好,页岩气赋存富集的有利空间越多。

5 结论

1)川南地区五峰组—龙马溪组页岩发育的有机质孔类型主要包括石英-有机质孔、黏土矿物-有机质孔、碳酸盐矿物-有机质孔和黄铁矿-有机质孔组合。石英、黏土矿物、碳酸盐矿物、黄铁矿与有机质各存在3种赋存关系,据此划分出12类矿物-有机质孔组合。

2)不同岩相含有的矿物成因及配比不同,导致矿物-有机质孔的分布存在显著差异。生物硅质页岩主要发育Q2、Q3组合有机质孔,黏土质页岩主要发育Cl1、Cl3组合有机质孔,长英质-钙质粉砂页岩主要发育Q1、Cl2组合有机质孔,钙质粉砂页岩主要发育Carb1组合有机质孔,钙质页岩主要发育Carb3、Cl2组合有机质孔,长英质粉砂页岩主要发育Q1、Cl2组合有机质孔。

3)有机质包裹成岩石英和黏土矿物呈流动结构中发育的Q2、Cl2组合有机质孔的有机质相对含量高、孔径大、孔隙连通性好,是对储集层最有利的2类矿物-有机质孔组合。不同岩相矿物-有机质孔组合的非均质分布影响甜点分布与预测,为页岩储集层岩相评价提供了新视角。

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基金资助

*国家自然科学基金(42172165)

泰山学者计划(TSQN202306208)

山东省高等学校青年创新团队(2022KJ215)