川南地区龙马溪组页岩有机质非均质性研究

贾梦瑶，唐洪明，陆燕萍，井 翠，周 昊

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.西南石油大学，四川 成都 610500；3.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司，辽宁 盘锦 124010；4.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 成都 610051)

0 引 言

四川盆地南部(以下简称“川南地区”)下志留统龙马溪组富有机质海相页岩作为页岩气的主要勘探目的层段，在勘探及产能建设方面已经取得了重大突破和进展。四川盆地已累计探明页岩气地质储量超过1×1012m3，其中，川南地区探明页岩气地质储量为4 400×108m3[1]。然而，与致密砂岩等非常规储层相比，页岩气储层具有岩性单一、沉积亚(微)相划分典型标志少，富含黏土矿物和有机质等基本地质特征；在钻井及储层改造过程中也存在井壁失稳以及气井产能差别大等工程问题。目前，国内外重点结合孔隙结构特征、有机地球化学指标及岩石物理性质等对页岩气开展评价与“甜点”优化，但是对于页岩气储层有机质非均质性及其对微观孔隙结构的影响研究还相对缺乏。通过对川南地区龙马溪组页岩样品有机碳含量、矿物组分、孔隙结构及有机质孔径分布等分析与统计，评价了页岩气储层有机质非均质性及其与矿物组分、孔隙结构之间的关系，为准确评价页岩气储层微组构非均质性提供基础参数。

1 研究区概况及样品采集

研究区位于四川盆地南部下志留统龙马溪组，以深水陆棚相沉积为主体，沉积厚度可达600 m。研究样品主要采自川南地区富顺—永川区块镇101井、内江—大足区块威206井以及泸县—长宁区块宁210井；岩性以黑色、灰黑色页岩为主，局部层段发育粉砂质泥岩或泥质粉砂岩；水平层理发育，底部含大量笔石和黄铁矿，向上逐渐减少[2]。

2 页岩气储层特征

据3口取心井样品分析，页岩岩性主要矿物为石英，平均含量为40.0%，长石含量为8.2%，方解石含量为9.7%，其他矿物含量7.6%，黏土矿物含量平均为34.5%，以伊利石和伊蒙混层为主，含绿泥石和少量高岭石，几乎不含纯粹的蒙脱石。含气的有效孔隙度一般为1.3%～7.1%，页岩的比表面积为8.0～25.0 m2/g，平均为13.7 m2/g。以有机质粒内孔、黏土矿物晶间孔隙最为发育；有机质孔孔径多分布于10～50 nm，主要分布在干酪根中，连通性差、孤立分布，多呈圆形、椭圆形或不规则状；黏土矿物晶间孔隙孔径主要分布在20～100 nm，多为椭圆形或不规则形状，孔隙连通性较差，部分解理缝达微米级，并发育不同程度的层面缝和构造微裂缝等。

3 页岩气储层有机质非均质性

有机质作为泥页岩中形成页岩气的物质基础，在页岩气储层的形成中扮演着重要角色，同时也是衡量页岩气储层含气量的重要参数，干酪根则是页岩中的主要有机质，占有机质的90%～98%，具有不溶性；在有机质生烃演化过程中，其内部产生的大量有机孔也为油气提供了储集空间和渗流通道[3]。

由于川南地区龙马溪组页岩处于深水陆棚相沉积环境，受到陆源碎屑物质影响较少；页岩中富含有机显微组分，以腐泥型和海相镜质组为主(>70% )，含少量壳质组和惰质组(5%～25%)，其母质来源主要为低等水生生物[4]；沉积颗粒细，富含笔石，沉积环境缺氧，干酪根类型以腐泥-腐殖型(Ⅱ1型)为主，利于油气生成，在其生排烃过程中同时形成大量有机质孔。不同物质来源形成不同类型的干酪根，其泥页岩的比表面积和孔体积也相应不同。因此，有机质及其非均质性对页岩气储层微组构的影响通常主要表现在对有机质孔发育的控制作用。

川南下志留统龙马溪组页岩有机质演化程度普遍处于高成熟—过成熟阶段，评价有机质丰度指标主要包括有机碳含量(TOC)、氢指数以及氯仿沥青“A”等。其中，氢指数以及氯沥青“A”普遍很低，不能准确反映页岩生烃能力[5]。故此次研究在川南地区龙马溪组3口取心井的页岩气储层有碳含量(TOC)测试的基础上并结合其他实验手段，研究有机质非均质性及其对页岩气储层微组构非均质性的影响。

3.1 有机碳含量及其宏观非均质性

对研究区镇101、威206、威210井的88块样品进行了TOC含量检测。结果显示:川南龙马溪组页岩的TOC含量为0.81%～6.92%，平均为2.41%。TOC<1.00%的低碳样品占2.3%；TOC为1.00%～2.00%的中碳样品占39.8%；TOC为2.00%～4.00%的高碳样品占47.7%；TOC>4.00%的富碳样品占10.2%。整体而言，龙马溪组页岩属于中碳—高碳页岩气储层。

纵向上以镇101井为例，统计其35块岩心样品的TOC含量。测试结果表明，自上而下依次表现为中—高碳页岩、富碳页岩和高碳页岩等3个沉积单元。通过镜下及岩性剖面观察可以看出，TOC含量的变化与页岩的岩性变化及矿物组分的空间分布特征有关，随着页岩中硅质矿物含量的增加，TOC的含量相应增加；TOC含量相对较低的层段多可见碎屑颗粒与黏土矿物互层；而随着TOC含量的增加，镜下普遍可见呈黑色、棕褐色的富有机质纹层，呈连续或不连续的波状或透镜状。可见，不同岩性的页岩在有机质含量和碎屑矿物颗粒特征等方面均存在明显的非均质性。TOC含量和埋深之间的线性关系不明显(图1a)；但当埋深超过3 486.92 m后TOC含量增大，地层深度与TOC含量的变化具有明显的负相关性(相关系数R2=0.592 0)(图1b)。

结合矿物组分分析结果可知，随着埋深的增加，石英等脆性矿物含量增加(埋深为3 467.54～3 486.15 m时，石英平均含量为33.97%；埋深为3 486.92～3 497.81 m时，石英平均含量为55.04%)，使得微裂缝和溶蚀孔等越加发育，为有机质提供了储集空间，使得TOC含量增加。但深埋区的压实作用和持续的成岩作用会使得储层中的孔隙减少并呈现出定向排列的特征，不利于有机质储集，因此，在深埋藏区域，TOC含量和埋深之间呈现出一定程度的负相关性。

图1 镇101井TOC含量随深度的变化规律

3.2 有机碳含量与矿物组分的关系

泥页岩中石英来源可以根据石英硅和氧同位素资料进行判别，海相页岩为SiO2(碎屑石英或生物成因硅)、Al2O3(黏土)及CaO(碳酸盐)组分的混合[6]。含有生物成因硅的页岩通常具有高SiO2、低Al2O3、低TiO2的特征，而Al2O3、TiO2则与陆源碎屑有关[7-8]。

对研究区宁210、威206井和镇101井共90块岩心样品进行有机碳含量测试及X射线衍射分析，结果表明，宁210井岩心的TOC含量与石英等硅质矿物及黏土矿物含量具有良好的线性关系(R2=0.697 8)；而镇101、威206井岩心的TOC含量与石英及黏土矿物无线性关系。造成这一差异的原因与石英的来源有关，宁210井页岩样品中的石英主要为生物成因硅，在富有机质页岩段，由于生物活动强烈及死亡后埋藏和保存有利于生物硅质量分数增加[9]；而镇101、威206井的石英由于受到陆源碎屑注入的影响，造成其与TOC含量之间的相关性较差。

对宁210井和威206井分别进行X射线荧光元素分析表明，宁210井和威206井中SiO2最为富集，其次为Al2O3(表1)。元素含量分析显示，威206井和宁210井SiO2含量远远大于Al2O3含量，通过分析Al2O3与TiO2、SiO2的相关性发现(图2)，威206井Al2O3与TiO2相关性不明显，但与SiO2的含量呈现出一定负相关性(R2=0.437 0)，表明陆源碎屑物质对其页岩中的硅质成分具有一定影响；宁210井中，Al2O3与TiO2具有较高的相关性(R2=0.879 0)，但含量相对偏低，且与SiO2的含量没有任何相关性，说明陆源物质对页岩中硅质成分的贡献不大。

表1 威206井和宁210井页岩岩心元素含量平均值分析

图2 川南龙马溪组页岩岩心Al2O3与TiO2、SiO2的相关性分析

Harris等[10]人研究认为，Si/(Si+Al+Fe)可以用于判断硅质成因，通常生物成因的比值较高，一般大于0.90。威206井和宁210井Si/(Si+Al+Fe)的值分别为0.74、0.81，表明宁210井页岩岩样中的硅质相比威206井更多为生物成因，威206井的石英更多的受到了陆源碎屑注入的影响。王淑芳等[11]在长宁双河剖面(宁210井位于长宁背斜构造)的龙马溪组页岩中发现了大量生物化石，主要包括海绵骨针、放射虫、有孔虫等，浮游生物残骸经成岩作用演化成为硅质生物，硅质生物从海水中分解、吸收SiO2后形成生物机体，生物死亡后，SiO2再次进入海中或直接沉淀下来。进一步表明其硅质成因应该与生物有关，而硅质生物死亡后埋藏和保存有利于富有机质页岩的形成。

通过上述研究表明，以宁210井为代表的泸县—长宁地区龙马溪组页岩气储层中硅质成分主要以生物成因为主，而陆源碎屑物质对内江—大足区块、富顺—永川合作区等龙马溪组页岩气储层中硅质成分具有一定影响。

3.3 有机碳含量与页岩吸附气量的关系

有机碳是页岩生气的物质基础，决定了页岩的生气能力[12]。页岩TOC含量高低决定有机质孔的面孔率大小，从而会影响页岩的含气量[13]。一般认为有机质丰度越大，页岩中有机质孔隙越发育，页岩气吸附的表面积也就越大，甲烷的吸附量也就越大。通过对宁210井5个不同TOC含量的样品进行等温吸附实验(图3)，研究区页岩的吸附气量与TOC含量大致呈现明显的正相关性，即随着TOC含量的增大，整体吸附气量明显上升，有机质丰度总体上与最大吸附量成正比。因为随着页岩TOC含量增大，其有机质孔隙越发育，导致页岩气吸附的表面积越大，整体吸附气量明显上升[14-15]。因此，页岩气储层有机碳含量对页岩气的富集具有重要影响，也是控制页岩储层吸附气量的重要因素之一。

图3 宁210井龙马溪组页岩不同TOC含量与吸附气量的关系(温度为65℃)

3.4 有机碳含量与孔隙结构、物性之间的关系

针对川南地区龙马溪组页岩TOC含量对页岩孔隙发育影响因素研究表明(图4)，该区页岩TOC含量与孔隙度之间的相关性较差，仅显示出弱正相关性。镇101井35个样品的TOC平均含量为2.91%，平均孔隙度为2.70%；威206井18个样品的TOC平均含量为2.52%，平均孔隙度为5.97%；宁210井18个样品的TOC平均含量为2.31%，平均孔隙度为4.10%。

图4 宁210井TOC含量与有机质孔隙发育相关性

页岩中TOC含量相应增加，有机质孔成为了比表面积的重要贡献者，使页岩的比表面积成为衡量页岩吸附能力的重要评价指标[16]。选取宁210井部分龙马溪组页岩样品(共38块)进行比表面积测定后发现，其TOC含量与比表面积有较好的相关性，相关系数R2=0.918，指示TOC含量是页岩比表面积的重要控制因素。页岩比表面积的主要贡献者是干酪根和黏土矿物，因此，TOC含量的增加使页岩有机质纳米孔的数量相应增多，导致页岩比表面积增加。

当TOC<5.00%时，页岩孔隙度与TOC含量呈正相关；当TOC≥5.00%时，孔隙度随着TOC含量的增大增加幅度有限。这是因为有机质填充于早期形成的无机矿物粒间孔，导致富有机碳页岩孔隙度降低；由于无机矿物粒间孔变少，有机孔数量变多，综合作用使TOC与孔隙度间正相关性变小。研究表明，TOC含量与有机孔及其非均质性间呈正相关性。通过对宁210井进行有机碳测试及对应的扫描电镜测试发现，随着TOC含量的增加，有机质中发育的孔隙数量增加，不同大小的孔隙分布更加均匀，非均质性相应增强。如图4所示，当页岩样品中TOC=1.39%时，孔隙半径大于100 nm的有机孔占比为70%以上；当页岩样品中TOC=2.47%时，孔隙半径为20～70 mm的有机孔占比约为80%，当TOC含量增至5.18%时，有机质孔径大小分布更为均匀，非均质性更强。

使用CT扫描技术对龙马溪组页岩气储层的矿物分布及孔隙结构等进行三维重构。结果发现，随着页岩气储层中有机质含量增加，孔径大于100 nm的超大孔的数量明显增多，孔径的分布范围也更加广泛，表明页岩中有机质含量的增加会增强页岩有机质孔的非均质性。

结合前人及该文研究成果，认为有机质丰度是表征龙马溪组页岩气储层孔隙结构非均质性的重要参数，TOC含量增加使储层中有机质纳米孔的数量相应增加，有机质非均质性对孔隙体积、比表面积及平均孔径等相关孔隙结构参数均会造成影响。

4 结 论

(1) 川南地区下志留统龙马溪组页岩干酪根类型主要为腐泥型(Ⅰ型)—混合型(Ⅱ1型)，以Ⅱ1型为主。TOC为0.81%～6.92%，平均值为2.41%，属于中—高碳页岩气储层。在纵向上TOC含量和埋深之间的关系不明显，但在深埋区(埋深大于3 486.92 m)有机碳含量随埋深的增加明显减少。

(2)TOC含量和页岩中生物成因硅含量之间具有明显的正相关性，而陆源物质对页岩中硅质成分的贡献不大。

(3) 川南地区龙马溪组页岩的吸附气量与TOC含量大致呈现明显的正相关性，受有机质成熟度的影响，优势孔隙类型的变化造成吸附量产生不规律变化。

(4) 有机碳含量和页岩气储层中有机质纳米孔的数量呈正相关，对孔隙体积、比表面积及平均孔径等相关孔隙结构参数均会造成相应的影响，造成页岩气储层的非均质性相应增强。