四川盆地北缘米仓山隆起页岩气储层特征研究

李华兵，王 喆，许 峰，金 凯，王 宁.

(陕西省矿产地质调查中心，陕西西安 710068)

页岩气作为一种清洁能源，能够减轻我国北方地区的雾霾现象。四川盆地是我国重要的含油气盆地之一，其北缘米仓山隆起地区主要位于陕西省境内，近些年研究发现这一区域同样具有页岩气开发潜力，本文研究页岩气储层，为陕西页岩气发展提供参考。目前研究区内主要研究方向集中在烃源岩研究，缺少储层特征相关方面的研究。本文从微观出发，直观地体现了页岩气储层特征，并对储层进行评价。

1 区域地质概况

1.1 构造特征

米仓山隆起受到青藏高原的隆升、龙门山造山和秦岭造山带的影响，其北部为回军坝向斜，紧邻汉南基地隆起带；南部为挠曲带，经过平缓变形区进入四川盆地；东部为宽缓的倾伏背斜，与大巴山弧形构造带相交；西部同样为宽缓的倾伏背斜，受龙门山推覆构造带影响。复杂的构造地质背景对页岩气的富集产生较大影响。

复杂的构造作用对页岩气富集是一把双刃剑[1]。页岩气一般储集在烃源岩中，构造的挤压作用使烃源岩形成多种裂隙，增大储集空间和形成运移通道。一定程度上的挤压使得烃源岩储层处于压而不破状态下，更利于页岩气的聚集以及后期储层的开发。相反，如果挤压过度， “通天”断裂会破坏压力场下的平衡，从而使游离气大量散失，不利于页岩气的保存。

米仓山隆起经历多起构造运动，最终形成箱状背斜，大多为小型断裂(图1)，这为页岩气的富集创造了良好的储集条件[2]。

图1 米仓山隆起带大地构造位置图Fig.1 Map of the tectonic position of Micang Mountain uplift belt1.一级构造单元界线；2.二级构造单元界线；3.断层；4.推测隐伏断层；5.研究区；6.构造单元代号；Ⅰ.米仓山推覆构造带；Ⅰ1.米仓山推覆隆起带；Ⅰ11.官坝-水磨逆冲叠瓦带；Ⅰ12.光雾山推覆体；Ⅰ13.曾家-吴家滑褶带；Ⅰ14.碑坝推覆体；Ⅰ2.米仓山南缘滑脱构造带；Ⅰ3.汉南推覆隆起带；Ⅰ4.汉南南缘滑脱带；Ⅱ.龙门山推覆构造带；Ⅱ1.后龙门山推覆构造带；Ⅱ1.前龙门山滑脱带；Ⅲ.松潘-甘孜构造带；Ⅳ.秦岭构造带；Ⅴ.大巴山推覆构造带；Ⅴ1.北大巴山推覆构造带；Ⅴ2.南大巴山滑脱带；Ⅵ.四川盆地；Ⅵ1.川北弱变区；Ⅵ2.川东滑脱带

1.2 沉积特征

页岩气具有自生自储的特点，米仓山隆起页岩气主要储集层位是寒武系牛蹄塘组和志留系龙马溪组，本文主要介绍这两个层系的沉积环境。

早寒武世牛蹄塘期是四川盆地的首次海侵，米仓山隆起处于深水陆棚亚相与浅水陆棚亚相的过渡相带(图2)，水动力条件较弱，沉积厚度较大[3]。牛蹄塘组主要为黑色炭质页岩、粉砂质页岩、含硅质炭质页岩夹炭质粉砂岩、泥灰岩。

图2 早寒武世牛蹄塘期岩相古地理(据程俊，2017)Fig.2 Lithofacies and Palaeogeographic map of the Early Cambrian Niutitang Formation

四川盆地在晚奥陶—早志留世龙马溪期海域面积逐渐缩小，盆地外缘为陆棚浅海和陆架边缘海。扬子板块周缘隆起不断上升，陆源碎屑沉积逐渐增加[4]。米仓山隆起沉积相变为浅水陆棚相、潮坪相。受沉积影响，龙马溪组岩性主要为深灰色—黑色含炭硅质页岩、硅质岩、炭质页岩夹粉砂岩条带，普遍含炭质、含黄铁矿晶粒及结核。该区龙马溪组页岩沉积环境为湿润、厌氧的边缘浅海沉积环境(图3)，物源以陆源碎屑为主，部分来自生物成因及热水沉积作用。

2 储层特征分析

页岩气做为一种非常规能源，具有自生自储自保存的特点，一般呈现游离气和吸附气赋存于页岩之中。页岩既是烃源岩又是储层，甚至还是盖层[5]。页岩一般做为常规油气的烃源岩，是一种特殊的储层，具有特低孔、特低渗特点。由于四川盆地页岩气主要存储于下寒武系牛蹄塘组和上奥陶系-下志留系龙马溪组，所以本文着重从这两套层系进行分析。

2.1 岩石矿物学特征

牛蹄塘组底部为黑色炭质粉砂质页岩，顶部为深灰色炭质硅质粉砂质页岩，水平纹层发育，含钙质，厚度薄，含碳量低，与上覆石牌组岩性较接近。

龙马溪组岩石组合为黑色碳质硅质页岩、含碳泥质页岩夹黑色薄层硅质岩和薄层状、条带状粉砂岩、斑脱岩。底部为黑色炭质页岩夹棕褐色粘土层，顶部为深灰—灰黑色粉砂质页岩，整体岩石碳质、硅质含量较低。

图3 晚奥陶—早志留世龙马溪期沉积相图Fig.3 Upper Ordovician-Early Silurian Longmaxi sedimentary facies

2.1.1 牛蹄塘组

根据在研究区收集样本，利用矿物X射线衍射分析实验，得到牛蹄塘组黑色页岩组成矿物主要有石英、粘土、长石以及少量的黄铁矿和菱铁矿。其中石英含量最大，为33%～54%，平均含量为44%；粘土含量为22%～38%，平均含量为30%；长石含量为0%～30%，平均18%(其中钾长石平均0～7%，平均3%；斜长石13～27%，平均19%)；黄铁矿含量为0～6%，平均含量为3%；菱铁矿含量最小，为0～2%，平均含量为0.33%(图4)。

图4 牛蹄塘组矿物成分含量图Fig.4 Mineral composition of the hoofed pond group

2.1.2 龙马溪组

上奥陶统-下志留统龙马溪组黑色页岩X射线全岩衍射分析实验表明：龙马溪组页岩主要成分为石英、粘土矿物和长石以及少量的菱铁矿。其中石英含量为55%～75%，平均含量为63%，粘土矿物含量分布在24%～38%范围内，平均含量为31%；长石含量为6%(全部为斜长石)；菱铁矿含量为0～1%，平均为0.5%(图5)。

图5 龙马溪组矿物成分含量图Fig.5 Mineral composition of Longmaxi Formation

2.2 储集空间类型

页岩储层中的原生孔隙主要分散于页岩所包含的粘土矿物中的粉砂质颗粒之间。原生孔隙随着埋深而逐渐降低，与常规储层相似[6]。次生孔隙主要是颗粒内部的偏基性斜长石在热力学作用下溶蚀而得到的孔隙。这类孔隙具有连通性较差，但孔隙半径较大，是页岩气的主要储集空间[7]。

2.2.1 原生孔隙

研究区虽然位于四川盆地边缘，埋深相对于盆地中部较浅，但牛蹄塘组埋深约在4 500 m，龙马溪组埋深大约3 000 m，因此原生孔隙也被较大程度的压缩，发育程度较低，镜下观察也表明原生孔隙并不发育(图6、图7)。

通过扫描电镜观测，牛蹄塘组原生孔隙孔径约在2 μm左右，龙马溪组原生孔隙孔径约在0.5 μm左右(表1)。

图6 牛蹄塘组原生孔隙镜下观测图Fig.6 Observation of primary porosity in Niuhuatang Formation

图7 龙马溪组原生孔隙镜下观测图Fig.7 Observation of primary porosity in Longmaxi Formation

表1 储集空间研究采样统计表Table1 Statistical tables for sampling Space Studies in storage

2.2.2 次生孔隙

研究区牛蹄塘组次生孔隙主要包括由颗粒部分或全部溶解形成的溶蚀孔或铸模孔和草莓状黄铁矿结核内晶体之间的孔隙(图8)，大部分孔径分布在4～10 μm。

龙马溪组页岩内大量发育由颗粒部分或全部溶解形成的溶蚀孔及黄铁矿铸模孔(图9)。其中溶蚀孔孔径可以达到微米级别，铸模孔孔径分布在200～400 nm范围内。

2.2.3 裂缝

研究区经历多次构造运动形成的裂缝为页岩气储集和运移提供了条件。页岩特低孔、特低渗的特点决定了储层孔隙达不到商业开采价值，只有储层内发育的裂缝才能使得页岩气进行运移[8]。因此，裂缝的发育情况对页岩气产能产生较大影响。

图8 牛蹄塘组次生孔隙镜下观测图Fig.8 Observation of secondary porosity in Niuhuatang Formation

图9 龙马溪组次生孔隙镜下观测图Fig.9 Observation of secondary porosity in Longmaxi group

下寒武系牛蹄塘组受印支运动影响，发生大规模构造运动，产生大量裂缝。普遍发育三组节理，产状233o∠54o，260o∠80o，65o∠67°(图10a)。而下志留统龙马溪组地层是受燕山期末发生大规模构造运动影响，在中产生大量构造裂缝(图10b)。

图10 裂隙、节理发育图Fig.10 development diagram of fracture and joint

2.3 储层物性特征

页岩气储层物性主要包括孔隙度和渗透率，研究孔隙度和渗透率特征能够指导后期的页岩气开发。页岩中发育大量的原生孔隙和次生孔隙，这些孔隙都有较大的比表面，能够赋存大量的吸附气[9]。页岩的渗透性非常差，不利于页岩气的运移后期开发必须制造人工裂缝[10]。

目前北美页岩气物性评价采用GRI页岩岩心测量方法，而我国还不掌握该项方法，所以国内普遍利用常规方法-压汞实验来评价页岩储层物性[11]。

此次研究充分利用该区野外地质调查采集的样品，利用压汞实验方法，对每块样品进行分析，得到牛蹄塘组页岩有效孔隙度为0.2%～6.9%，平均为3.4%，渗透率在0.001 5×10-3μm2-0.009×10-3μm2，平均为0.005×10-3μm2。龙马溪组页岩有效孔隙度为0.47%～14.9%，平均为4.57%，渗透率在0.02×10-3μm2-0.04×10-3μm2，平均为0.0328×10-3μm2(表2)。孔隙度与渗透率都很低，属于致密储层[12]。

表2 物性采样统计表Table 2 Physical sampling statistical tables

3 结论

(1)通过对研究区岩石矿物学特征进行分析发现，脆性矿物含量最高，牛蹄塘组和龙马溪组石英的含量分别为44%和63%，有利于后期对储层的压裂改造[13]；长石含量最低，不利于次生孔隙的发育；粘土矿物含量较高，有利于吸附气的赋存，但也会对储层孔隙进行堵塞，伤害到储层物性。

(2)原生孔隙孔径较低，牛蹄塘组约在2 μm左右，龙马溪组约在0.5 μm左右，达不到游离气的赋存(>5 μm)要求[14]。但是，原生孔隙内表面积较大，牛蹄塘组约在4～10 μm，龙马溪组约在200～400 nm，能够赋存吸附气(>100 nm)；次生孔隙较为发育，孔径远远大于页岩气的直径(0.4 nm)；受构造影响，裂缝较为发育，对储层起到改善作用[15]。

(3)储层物性差，属于特低孔(0～10 μm)、特低渗(<0.01×10-3μm2)储层，自身不具备自然产能，后期开发必须对储层进行改造，实施大规模压裂。