龙马溪组岩相类型及其对孔隙特征的影响因素

徐传正，冯 烁 ，田继军，蒋立伟

1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐830047

2.新疆维吾尔自治区煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆 乌鲁木齐830091

3.中国石油浙江油田公司，浙江 杭州310023

引言

受美国页岩气革命取得巨大成功的影响，近年来页岩气作为非常规油气的勘探开发越来越受到国内外专家学者的重视，在重庆礁石坝和四川长宁—威远地区取得了页岩气勘探开发的重大突破[1-3]。页岩既是烃源岩又是储集层，且页岩气在页岩中是以纳米级尺寸为主要储集空间，所以对页岩孔隙特征的精细研究是页岩气储层研究领域的重中之重[4]。南方龙马溪组海相页岩储层具有显著的非均质性，已有学者进行过相关研究。王玉满等对川南下志留统龙马溪组页岩岩相表征进行了划分[5]；梁超等对龙马溪组不同岩相的孔裂隙等特征进行了表述[6]。前人工作大多集中在基础岩相划分及孔隙特征描述，对不同岩相的孔隙发育特征控制影响机理未做深入分析。基于前人研究，本文以无机矿物含量为划分依据，对页岩岩相进行精细划分，系统总结无机矿物和有机质丰度对不同页岩岩相孔隙特征的影响，对深化页岩气储层的认识及下一步页岩气勘探开发具有重要意义。

1 地质背景

研究区构造上位于四川盆地川南低陡褶皱带与滇黔北拗陷的交界地带（图1）。经历了加里东构造运动晚期华夏板块碰撞挤压构造运动，早白垩世沉积之后的晚燕山构造运动期，扬子块体东南部区域发生区域性的陆内造山形变，喜马拉雅构造运动期形成近东西向和近南北向共同剪切的构造应力格局，使研究区表现为强烈的压性构造特征，呈现为典型的背斜带平缓宽阔、向斜陡峭狭窄的隔槽式褶皱形变带[7-9]。该背斜龙马溪组广泛发育，底界埋深0∼2 000 m 不等，有机质丰度较高，是目前研究区页岩气勘探开发的主要层段。

图1 研究区构造位置图及龙马溪组底界埋深图Fig.1 Structural location map of the study area and depth map of the Longmaxi Formation

2 岩相划分及其特征

龙马溪组页岩含有丰富的有机质、黏土矿物和脆性矿物以及各种微量元素等，属于细粒碎屑沉积[10]。不同的页岩岩相在矿物成分、地球化学等方面具有不同的地质特征[5]。

页岩地层中黏土矿物沉积多在深水弱水动力条件，石英和长石矿物含量一般指示陆源碎屑沉积，而碳酸盐矿物指示较浅水环境[11]。因此，以硅质矿物（石英+长石）、碳酸盐矿物（方解石+白云石）、黏土矿物作为三端元的页岩岩相划分方案能够较全面的反映页岩地层中矿物含量和沉积古环境，并且对不同岩相的储层特征具有较好的启示意义[12]。根据矿物成分三端元法，将页岩岩相划分为4 大类岩相：硅质页岩相、黏土质页岩相、钙质页岩相和混合页岩相（图2a）。以研究区X1 井、X2井、X3 井为主要研究对象，根据XRD 全岩矿物分析，主要发育黏土质页岩岩相和混合页岩岩相两种岩相，约占93%，因此，本文主要针对这两种主要岩相展开讨论（图2b）。

图2 龙马溪组页岩岩相类型划分三角图Fig.2 Triangular chart for shale lithofacies division of Longmaxi Formation

2.1 黏土质页岩岩相

相对于混合页岩岩相，黏土质页岩岩相在研究区发育较少，在X2 和X3 井龙马溪组下段上部局部发育（图3）。

图3 X1 井X2 井X3 井龙马溪组岩相连井剖面图Fig.3 Well section of lithofacies of Lonamaxi Formation of Well X1—X2—X3

其中，硅质矿物、黏土矿物以及碳酸盐矿物平均含量分别为31.70%、60.53%和7.77%，TOC 平均含量为1.69%。泥质含量较高，泥质中常见细小纤片状云母，粉砂级长石、石英颗粒分布于泥质中，局部富集呈粉砂薄层，与泥质呈互层状，长石石英颗粒多呈次棱角状圆状，大多数粒径＜0.05 mm，个别颗粒可达0.10∼0.18 mm。而在粉砂薄层中见碳酸盐颗粒。

有机质呈浸染状分布于泥质中，见少量黄铁矿，呈粒状及集合体分布（图4a∼图4d）。

图4 研究区龙马溪组主要岩相镜下特征Fig.4 Optical characteristics of main lithofacies of Longmaxi Formation in the study area

2.2 混合页岩岩相

混合页岩岩相是研究区主要发育的页岩岩相，在龙马溪下段普遍发育（图3）。硅质矿物、黏土矿物以及碳酸盐矿物平均含量分别为44.47%、32.00%和23.53%，TOC 平均含量为2.73%。泥质中常见细小纤片状云母，含量约占3%；粉砂级石英、长石颗粒均匀分布于泥质中，局部富集呈粉砂薄层，与泥质呈互层状；粉砂薄层夹层中见碳酸盐颗粒，约占1%；有机质呈浸染状分布于泥质中，见少量草莓状黄铁矿颗粒，约占1%（图4e∼图4h）。

3 孔隙类型

页岩孔隙通常为微纳米尺寸的低渗透致密储层，成因复杂，形态各异[13]。

根据孔隙的成因可将研究区龙马溪组下段孔隙分为有机质孔和无机孔，有机质孔是由于有机质在后期热演化生烃过程中形成的孔隙。

研究区无机孔的分布与有机质孔相比较分散，主要包括原生粒间孔、溶蚀孔和粒内孔[14]，如图5和图6 所示。

图5 研究区龙马溪组有机质孔扫描电镜成像Fig.5 Scanning electron microscopic imaging of organic matter pores of Longmaxi Formation in the study area

图6 研究区龙马溪组无机孔扫描电镜成像Fig.6 Scanning electron microscope imaging of inorganic pores of Longmaxi Formation in the study area

3.1 有机质孔

研究区龙马溪组有机质孔形态结构和赋存状态各异，包括椭圆形、凹槽状、片麻状、蜂窝状及不规则长条状等各种形态。有机质孔多呈团簇状发育，一个直径为微米级的页岩有机块体中可能发育有数百到上千个纳米级有机质孔，形成复杂的空间网络。它们在二维成像观测下看似是彼此孤立的，但在三维观测下大部分孔隙是相互联通的，从而提供了更优质的储集空间（图5a，图5b）[15]。

另外，部分有机质赋存在黏土矿物夹层或黄铁矿晶间，在热演化生烃过程中也会形成大量有机质孔（图5c，图5d）[16]。

3.2 无机孔

无机孔可以分为原生粒间孔和次生溶蚀孔[17]。原生粒间孔主要是指石英、长石、黏土矿物和黄铁矿等碎屑之间由于压实或胶结作用形成的孔隙，多呈不规则棱角状、次棱角状和楔状，该类孔隙直径多在几十纳米范围（图6a，图6b）。其中黏土矿物中的蒙脱石在向伊利石演化过程中形成的伊/蒙混层，该类孔隙多沿层理呈长条形或线形定向分布，孔隙直径较大，在数十纳米到微米范围（图6c）。

次生溶蚀孔是由于有机质在热演化过程中形成的有机酸或地下盐溶液溶解碳酸盐矿物等无机矿物而形成的孔隙，孔径范围数十纳米到几微米不等（图6d）。

4 孔隙结构特征

4.1 孔隙形态

低温液氮吸附实验过程中不同的孔隙发生凝聚和蒸发的相对压力不同，因此，可以根据页岩的吸附和脱附曲线特征区分孔隙的不同形态[18-20]。

根据前人研究经验，将吸附回线类型划分为3 类：（1）开放型孔隙，该类型孔隙会产生滞后回线。（2）一端封闭、一端开放的半封闭孔隙，该类孔隙的吸附曲线和脱附曲线重合，不产生滞后回线。（3）细颈瓶（墨水瓶）状孔隙，该类型孔隙会产生滞后回线且在脱附回线上有一个急剧下降的拐点[21]。如图7 所示，相对压力＜0.8 时，吸附曲线平缓上升，表明是单分子层向多分子层吸附阶段，当相对压力＞0.8 时吸附量急速上升，表明页岩大孔（＞50 nm）中发生了毛细管凝聚现象[22]。

在黏土质页岩岩相中，吸附/脱附曲线在相对压力介于0.5∼1.0 内有明显的滞后回线和较陡的拐点，说明较大孔隙中存在细颈瓶状孔隙，同时也有存在开放型孔隙和半封闭孔（图7a）。

在混合页岩岩相中，吸附/脱附曲线在相对压力介于0.5∼1.0 内滞后回线不明显且没有较陡的拐点，说明在较大孔中多是开放型孔隙和部分半封闭孔（图7b）。这两种岩相在相对压力介于0∼0.5 内吸附/脱附曲线几乎重合，表明在较小孔隙中多是半封闭孔[21-23]。

4.2 孔径分布与孔隙体积

孔径大小、分布以及孔隙体积对页岩中流体的储存和运移具有重要意义[24]。页岩储层中以吸附状态赋存的页岩气占有相当大的比例，而吸附气含量的高低取决于其孔隙体积和孔比表面积的大小[25]。页岩的孔隙体积与孔比表面积具有较好的正相关关系，即随着孔隙体积的增大，孔比表面积也相应增大（图8）。研究区储层的BJH 总孔体积为0.024∼0.037 mL/g，平均为0.032 mL/g；BET 孔比表面积为15.50∼25.40 m2/g，平均为21.28 m2/g。

图8 龙马溪组页岩比表面积与总孔体积关系图Fig.8 Relationship between specific surface area and total pore volume of Longmaxi Formation shale

总体来说，研究区龙马溪组页岩具有较大的孔隙体积和孔比表面积，有利于页岩气的吸附。

根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的孔隙划分标准将孔隙尺寸分为大孔＞50.0 nm、中孔[2.0，50.0]nm 和微孔＜2.0 nm[26]。

龙马溪组页岩中绝大多数是中孔，占总孔隙体积的91.5%；微孔和大孔分别占孔隙体积的5.9%和2.6%（图9）。

图9 孔径与孔隙体积分布直方图Fig.9 Histogram of pore size and pore volume distribution

混合页岩岩相微孔孔隙体积为0.44 mm3/g，中孔孔隙体积为25.42 mm3/g，大孔孔隙体积为7.26 mm3/g；黏土质页岩岩相微孔的孔隙体积为0.32 mm3/g，中孔孔隙体积为23.16 mm3/g，大孔孔隙体积为7.65 mm3/g。

说明混合页岩岩相微孔孔隙体积和中孔孔隙体积比黏土质页岩岩相大，大孔孔隙体积稍小（图10，图11）。

图10 混合页岩岩相与黏土质页岩岩相孔径与孔隙体积分布直方图Fig.10 Histogram of pore size and pore volume distribution of mixed shale lithofacies and argillaceous shale lithofacies

图11 页岩孔径与孔隙体积关系图Fig.11 Relationship between pore size and pore volume of shale

黏土矿物含量与大孔体积和中孔体积均有良好的相关性，而与微孔体积相关性不明显（图12），表明黏土矿物含量与中孔和大孔的发育有关。

图12 孔隙体积与黏土矿物含量关系图Fig.12 Relationship between pore volume and clay mineral content

TOC 含量与微孔和中孔体积呈良好的正相关，与大孔体积无明显的相关性（图13），表明TOC 含量与微孔发育有关。综上所述，黏土质页岩的大孔体积比混合页岩的孔隙体积大是由于其黏土矿物含量较多，混合页岩微孔和中孔体积比黏土质页岩的孔隙大是由于TOC 含量较高。

图13 孔隙体积与TOC 含量关系图Fig.13 Relationship between pore volume and TOC

5 结论

（1）以硅质矿物（石英+长石）、碳酸盐矿物（方解石+白云石）、黏土矿物作为三端元的页岩岩相划分方案，结合岩芯薄片观察，将研究区龙马溪组下段划分出4 种页岩岩相。其中混合页岩岩相和黏土质页岩岩相是本研究区发育的主要岩相。

（2）两种主要岩相的孔隙形态具有明显差异。黏土质页岩岩相较大孔隙形态主要是细颈瓶状和部分开放型孔、半封闭孔，混合页岩岩相较大孔隙形态主要是开放型孔和部分半封闭孔，两种岩相的较小孔隙形态多是半封闭孔。

（3）有机质丰度有利于微孔和中孔的发育，黏土矿物含量有利于大孔的发育。由于黏土质页岩岩相的黏土矿物含量比混合页岩岩相高，TOC 含量比混合页岩岩相低，加上成岩作用影响，从而导致了黏土质页岩岩相的大孔孔隙体积比混合页岩岩相大，微孔和中孔孔隙体积比混合页岩岩相小。