湘东南拗陷龙潭组泥页岩储层特征

罗小平，李奕霏，吴昌荣，徐国盛，徐 猛，徐云龙

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059）

页岩气是一种广分布、低丰度、易发现、难开采的连续型非常规低效天然气资源，具有典型的自生自储、原地富集成藏等特点［1］。与常规油气储层相比，页岩气储层的岩石成分、粒度、比表面积、生气能力等有很大的不同。近年来，国内的页岩气勘探虽取得一定进展，但对泥页岩储层的研究较少，缺乏统一标准和系统的评价方法。在北美地区，通过对页岩储层的微观特征研究，特别是对微米级、纳米级的微孔隙与微裂缝的研究，在页岩气孔隙特征研究方面取得了重大进展。这对中国的页岩气孔隙特征研究具有重要借鉴意义。本文借鉴北美对页岩储层的微观研究方法与评价标准，对湘东南地区上二叠统龙潭组泥页岩的储层特征进行探讨。

1 地质背景

湘东南拗陷在构造上位于华南褶皱系的北部，西北以衡山隆起与湘中拗陷为界，东界为桂东－汝城隆起，南与桂中拗陷毗连，历经了华南扬子板块与华夏板块之间的赣湘桂大陆边缘（加里东期）－板内拗陷（海西－印支期）－板内活化（印支－喜马拉雅期）的构造演化，整体呈NE向展布。分为衡山隆起、九嶷山隆起、桂汝隆起、安仁隆起以及4个隆起之间的桂耒凹陷5个二级构造单元。桂耒凹陷又分为常桂复式向斜、永耒复式向斜2个三级构造单元（图1）。龙潭组泥页岩层系在该区发育极好，在马田－永兴－竹叶塘一带厚度达到了500多米。泥页岩在该时期拗陷中心安仁－永兴－桂阳－宜章一线厚度巨大（100～500m）。与2个次级凹陷区对应，泥页岩的分布细分为永兴－桂阳、攸县－茶陵－安仁2个富集区，南区最厚达500m。在拗陷两侧龙潭组泥页岩层厚50～100m。

图1 湘东南拗陷区域构造图Fig.1 Structural division of the Southeast Hunan depression

2 储层岩石物质组成特征

2.1 有机碳含量

页岩中的有机碳含量是影响其吸附气体能力的重要因素，有机碳含量越高，其吸附能力就越大。原因主要有2方面，一方面是有机碳含量越高，页岩的生烃潜力就会越大，则单位体积页岩的含气率就高；另一方面，由于干酪根中发育大量的微孔隙，且其表面具亲油性，对甲烷等气态烃类有较强的吸附能力，同时甲烷等气态烃类在无定形和无结构的基质沥青体中所具有的溶解作用也是不可忽视的贡献［2］。

美国5大含气页岩的有机碳含量均较高，其中福特沃斯盆地的Barnett页岩有机碳的质量分数（wTOC）介于2.0%～7.0%，平均为4.5%，最高含气量达到20m3／t。

据湘东南地区龙潭组露头泥页岩分析资料，结果显示有机碳质量分数一般分布在1.02%～16.94%，普遍大于1%，平均达到3.54%。以此推测，湘东南龙潭组泥页岩吸附气含量应该是较高的（另文详细论述）。

2.2 矿物成分

页岩气或吸附于有机质、干酪根与黏土矿物表面，或游离于微孔隙以及微裂缝中，而矿物成分的分析是深入研究页岩储层的吸附能力以及基质孔隙度的基础［3，4］。页岩的主要矿物组分包括脆性矿物（其中包括石英、方解石、长石等）和黏土矿物。其中控制裂缝发育的主要因素是脆性矿物。脆性矿物可以直接影响储集空间与渗流通道，黏土矿物则可以吸附烃类气体［5］。在泥页岩储层评价中，优质泥页岩需要满足如下条件：有机质含量高；脆性矿物含量高，且质量分数一般大于40%；黏土矿物含量适中，质量分数一般低于40%；裂缝发育，能够成功实施大型压裂［4］。因此，对页岩气储层矿物成分进行研究在页岩气储层性质和储层评价中具有重要的意义。

本文主要是采用DMAX－3CX衍射仪对湘东南地区龙潭组泥页岩样品进行全岩X射线衍射定量分析，获得泥页岩黏土矿物与脆性矿物的相对含量［6］（表1）。

龙潭组的泥页岩样品黏土矿物的质量分数一般小于40%，范围在25%～41%，平均为35%；石英的质量分数在9%～43%，平均为27%；碳酸盐矿物（主要为方解石、白云石、斜长石）的质量分数为23%～50%，平均为38%。脆性矿物总质量分数为59%～75%，平均为65%。此外，泥页岩样品中含有一定量的黄铁矿，为强还原环境沉积的泥页岩，这种沉积条件对有机质的沉积与保存十分有利（图2）。

湘东南拗陷龙潭组泥页岩的矿物组分与美国福特沃斯盆地的Barnett页岩进行对比：Barnett页岩的石英含量明显高于龙潭组，碳酸盐矿物含量低于龙潭组（图3）。Barnett页岩自生石英含量较多，而龙潭组碳酸盐矿物较多，可能是受后期成岩作用的因素影响。根据聂海宽（2011）对页岩孔隙的研究发现，以方解石为主的碳酸盐矿物较易充填于原生孔隙与裂缝中，因而碳酸盐矿物的增加可能对泥页岩的孔隙产生阻塞作用致使孔隙度降低［7］。同时也注意到Barnett页岩与龙潭组泥页岩的黏土含量都不是很高，基本都在40%左右。总体来看，2套地层都具有高含量的脆性矿物（石英＋碳酸盐矿物），利于后期的储层压裂改造；黏土含量适中，不会影响到页岩的含气量［8－10］。

表1 湘东南拗陷龙潭组矿物成分X射线衍射分析结果（w／%）Table 1 XRD results of mineral composition of Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

图2 湘东南拗陷龙潭组泥页岩矿物组分含量对比图Fig.2 Comparison of mineral composition in the mud shale of Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

图3 研究区龙潭组泥页岩矿物组分与Barnett对比Fig.3 Comparison between the mineral composition in the mud shale of Barnett and that of Longtan Formation in study area

3 储集类型与特征

作为页岩主要储集类型的孔隙与裂缝，前者是储集空间控制页岩储能，后者是渗流通道，控制页岩气的产能。系统分析页岩储层孔隙和裂缝的类型与特征，对于页岩气勘探开发潜力评估有一定的指导意义。

3.1 孔隙类型及特征

扫描电镜观察进行分类的方案中，根据Loucks（2012）的泥页岩储层孔隙分类法［11］，从可操作性与油、气润湿性及流动差异将泥页岩中的孔隙分为有机质孔、粒间孔隙和粒内孔隙3类。根据扫描电镜（SEM）与能谱（ESD）资料及参考Loucks的分类方案，将龙潭组的孔隙结构分成2类：第一类为矿物质孔；第二类为有机质孔。

矿物质孔主要包括晶间孔（图4－A），大小为几百纳米至微米；晶内孔（图4－B）大小为几百纳米至微米级；粒间孔（图4－C）为纳米级至微米级；溶蚀孔（图4－D）以微米级为主；印模孔（图4－E）为纳米级；粒缘孔（图4－F）以微米级为主。晶间孔主要为晶体颗粒间的孔隙，较为发育的矿物有石英、方解石、伊利石、蒙脱石和高岭石。晶内孔多为晶体内部形成的孔隙，往往呈散点状。粒间孔多为颗粒之间形成的孔隙。溶蚀孔主要为碳酸盐矿物受酸性物质的溶蚀而形成的孔隙。印模孔主要指黄铁矿颗粒等脱落形成的孔隙。粒缘孔主要为矿物颗粒边缘形成的微小孔隙。

有机质孔隙通常呈不规则形、气泡状或椭圆形，大小为5～750nm（图4－G，H）。Reed（2007）认为有机质孔主要是固体干酪根转化为烃类流体时在干酪根内形成的孔隙［12］。干酪根的生烃作用使有机质本身产生5～200nm的纳米级孔隙。由于有机质主要赋存在颗粒堆砌形成的格架孔中，这些格架孔自身具有一定的连通性，因此这些有机质孔并不是孤立存在而是具有一定连通性；加上有机质本身具有亲油性，其表面可以吸附大量的甲烷等气体，有机质孔成为页岩中富集天然气非常重要的一种孔隙［13］。

3.2 裂缝类型及特征

裂缝作为主要的渗流通道，直接决定气体渗透性，控制页岩孔隙的连通性。裂缝的发育有助于增加页岩层中游离态天然气的体积，同时有助于吸附态天然气的解析。因而，裂缝的发育程度是影响页岩气藏品质的一个重要因素。然而，裂缝对页岩气藏的影响具有双重作用：作为主要的渗流通道，裂缝有助于天然气和地层水的运移和储集，增加页岩中总含气量；如果裂缝规模过大，则可能会导致天然气的散失。本文针对研究区考察测量结果将裂缝分为3类：大型裂缝、小型裂缝与微裂缝。

图4 湘东南拗陷龙潭组泥页岩扫描电镜照片Fig.4 Scanning electron microscope photomicrographs of the mud shale in Longtan Formation

大型裂缝（图5－A）：长度＞1m的裂缝，主要分为顺层发育与垂直层面发育2种。研究区广泛发育有垂直层面的裂缝，主要为构造成因形成。此种裂缝利于各层系间气体的串通，特别是高碳页岩与硅质页岩等薄层。这种裂缝是页岩生气时的主要排烃通道，应该成为页岩气研究的重点。

小型裂缝（图5－B，C，D）：长度为0.3～1m的裂缝，一般肉眼皆可看到。除常规构造成因外，热解生烃、伊蒙矿物转化也可产生此种裂缝。

微型裂缝（图5－E，F）：纳米级与微米级的裂缝。该种裂缝主要在扫描电镜下观测到，由黏土矿物脱水与烃类热增压等非构造成因形成的。对于页岩这种低渗透性的储层，微裂缝的发育对吸附气体的渗流至关重要，它是吸附气体由解吸到游离的主要通道。

目前学者普遍认为，在力学背景相同时，影响页岩气藏裂缝发育的主要因素为有机碳与石英的含量［14］。北美相关研究也证实有机碳富集的页岩层位更易出现裂缝，同时，页岩厚度越薄越有利于裂缝的发育。一般来说碳质含量高的层段比硅质含量高的层段更易出现裂缝，同时，碳质含量高的层段往往是主要的产气层段。富含石英的页岩层段由于脆性较强相对于塑性较强的灰岩段更易发育裂缝。

4 储层物性参数及特征

4.1 储层物性

通过对湘东南拗陷龙潭组所取泥页岩样品进行孔隙度测试发现：孔隙度分布在0.7%～16.7%，其中＜2%的约占15.9%，2%～7%的约占52.4%，7%～10%的约占16.0%，＞10%的约占15.7%（这些样品孔隙度较大，主要是因为样品取自地表，部分样品风化较严重。图6）。本文并未进行渗透率测试，但根据前人资料的研究发现，孔隙度与渗透率之间具有一定的相关性。一般随着孔隙度的增加，渗透率随之增加。同时裂缝发育的部分，渗透率会更好。

图6 湘东南拗陷龙潭组孔隙度分布图Fig.6 Porosity distribution of Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

4.2 储层孔喉特征

研究区所取页岩孔喉半径主要分布在0.04～0.10μm 之间，约占89.7%；其次为0.10～0.16μm的孔径，约占2.5%；半径在0.16～0.25 μm 的约占1.6%，在0.25～0.40μm 的约占1.0%，＞0.40μm的约占5.2%（图7）。

4.3 储层物性影响因素

影响孔隙度大小的因素众多，主要有沉积环境、演化史、矿物组成、有机碳含量和成岩作用。本文主要针对矿物组成对孔隙度的影响进行了探讨。如前所述，碳酸盐矿物、石英和黏土矿物是页岩的主要矿物组分。根据聂海宽研究发现石英含量的多少与孔隙度呈正相关性，本文对研究区的分析结果与之相符（图8－A）；黏土含量与孔隙度大小的相关性并不明显（图8－C）；碳酸盐矿物则与孔隙度大小呈负相关性（图8－B），这主要是因为碳酸盐矿物充填孔隙造成的。同时，石英在整个页岩的压实过程中抗压能力较强，并不容易发生变形，故随着石英含量的增加孔隙度逐渐增大。

图7 湘东南拗陷龙潭组孔径分布图Fig.7 Pore throat radius distribution frequency of Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

图8 湘东南拗陷龙潭组泥页岩石英、碳酸盐、黏土含量与孔隙度的关系Fig.8 Relationship between the content of quartz，carbonatite，and clay and the porosity of mud shale from Longtan Formation in the Southeast Hunan depression

5 结论

通过对湘东南拗陷龙潭组泥页岩野外露头采样，采用泥页岩的有机碳含量、全岩X射线衍射成分分析、扫描电镜（SEM）与能谱（ESD）、泥页岩孔径分布、岩石孔隙度等分析技术，研究湘东南地区龙潭组泥页岩有机质含量及矿物组成、孔隙发育、孔径分布及裂缝分布特征，表征泥页岩储层发育特征。研究结果表明：（1）湘东南地区龙潭组泥页岩的有机碳含量比较高，因此相应的页岩吸附气含量也应该较高；其矿物成分中含较高的脆性矿物（平均质量分数为65%），利于后期压裂改造；同时具有适中的黏土含量（平均质量分数为35%），不会影响到气体的吸附。（2）该区孔隙结构分为矿物质孔和有机质孔2类，且呈现微米级、纳米级孔隙发育，主要包括晶间孔、晶内孔、粒间孔、溶蚀孔、粒缘孔、印模孔、有机质孔，其中有机孔大量发育；大型裂缝、小型裂缝和微裂缝广泛发育。良好的孔缝发育对页岩气的储集有重要的意义。（3）孔隙度分布在0.7%～16.7%之间，孔喉半径分布在0.04～0.10μm范围内。矿物组分中，较高的石英含量对孔隙发育具有建设性意义。（4）与美国福特沃斯盆地的Barnett页岩有机碳含量、矿物成分、孔隙裂缝类型和特征、孔隙度和孔喉半径进行比对表明，研究区具备良好的储集条件，可作为有效储层。

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