川东南地区茅口组第一段灰泥灰岩储层储集空间构成定量分析

夏文谦, 张汉荣, 刘 瑾, 汪 雷

(中国石化勘探分公司，成都 610041)

四川盆地中二叠统茅口组油气勘探自20世纪50年代开始，至今已有70余年。前人对茅口组储层的认识大多集中在中上部的岩溶缝洞体及热液白云岩上[1-6]，而茅口组第一段(简称“茅一段”)一直作为烃源岩地层进行研究[7-10]，对该层位的储集性能、储集空间及储层分布规律等问题认识尚不明确。近期，川东南多口井在茅一段测试获得工业气流，邻区多口井茅一段亦钻遇良好油气显示，揭示该领域具有良好的勘探潜力。川东南茅一段灰泥灰岩储层研究工作起步较晚，其勘探程度远落后于页岩储层和致密砂岩储层，有关储集空间构成定量分析的成果更鲜有报道。

储集空间构成定量分析是非常规储层评价的重要内容，需应用高精度扫描电镜，结合大量实验数据，开展统计分析。目前，国内仅在川南五峰组-龙马溪组页岩、筇竹寺组页岩等重点层系开展过相关工作[11-14]。本文以川东南地区茅一段系统岩心资料为基础，探索应用地质统计分析法建立储层和孔隙度数学模型，并依据储层物性、地球化学等实验测试数据对茅一段灰泥灰岩储集空间构成状况进行定量分析和评价，为开展川东南地区茅一段油气富集机理研究提供地质依据。

1 区域地质背景

川东南地区是四川盆地重要的产气区(图1)。中二叠世，扬子陆块漂移至古特提斯洋中东部，位于赤道附近，广泛发育热带浅水碳酸盐沉积。受前二叠纪构造古地理影响，整个中上扬子地区茅口组表现为由西向东单斜的碳酸盐岩缓坡模式沉积。茅一段沉积时期继承了栖霞期海侵原貌，海平面继续升高，川东南地区长期处于深水缺氧环境，沉积了一套外缓坡相富含有机质的灰泥灰岩、瘤状灰泥灰岩、瘤状灰岩、灰岩等，厚度为100～150 m(图2)。

图1 川东南地区构造位置图Fig.1 Tectonic location of southeastern Sichuan Basin

图2 A井茅一段地层剖面示意图Fig.2 Stratigraphic column of P2m1 of Well A

2 灰泥灰岩储层孔隙定量表征

2.1 储层孔隙类型

通过对川东南茅一段灰泥灰岩储层特征研究，结合前人研究成果[15-21]认为：茅一段储集空间主要以纳米级孔缝为主，孔径以1.5～60.4 nm的微孔和中孔为主，大孔和微裂缝次之；空间类型主要为有机质孔、黏土矿物收缩孔缝、矿物界面缝和晶间/晶内溶孔4种类型(图3)。其中黏土矿物收缩孔缝和矿物界面缝是灰泥灰岩储集空间的特色和重要组成部分。这是灰泥灰岩储层与页岩储层及致密砂岩储层的显著区别，也为该储层储集空间定量表征提供了依据。

图3 A井茅一段储集空间类型Fig.3 Plates showing reservoir space types in P2m1 from Well A(A)黏土矿物收缩缝，深度1 358.85 m; (B)矿物界面缝，深度1 286.5 m; (C)晶间/晶内溶孔，深度1 286.5 m; (D)有机质孔，深度1 295.46 m

根据茅一段灰泥灰岩储层孔隙与各类矿物的相关关系，可将储集空间进一步归纳为：①与有机质相关的微孔隙(简称有机质孔)，主要包括有机质内部孔隙、有机质与其他矿物的界面缝；②与脆性矿物相关的微孔隙(简称脆性矿物孔)，主要包括脆性矿物晶间/晶内溶孔、脆性矿物之间界面缝、脆性矿物与其他矿物的界面缝；③与黏土矿物相关的微孔隙(简称黏土矿物孔)，主要包括黏土矿物收缩孔缝、黏土矿物与其他矿物的界面缝。在灰泥灰岩储层中，脆性矿物、黏土矿物和有机质3类物质对孔隙的贡献存在差异，本文以川东南地区系统取心井A井茅一段测试分析数据为基础，建立数学模型，对灰泥灰岩储层孔隙与各类矿物的关系开展定量表征。

2.2 储集空间定量表征数学模型

灰泥灰岩储集空间的定量表征主要体现在脆性矿物(白云石、石英、长石和黄铁矿等)、黏土矿物和有机质三者对总孔隙的贡献。借鉴前人研究成果[11-12]，重点考虑灰泥灰岩内储集空间的特点，建立孔隙度数学模型

q=(wTOCVTOC+wBriVBri+wClayVClay)ρ

(1)

式中：wTOC表示有机质的质量分数；VTOC表示有机质单位质量内微孔隙体积；wBri表示脆性矿物的质量分数；VBri表示脆性矿物单位质量内微孔隙体积；wClay表示黏土矿物的质量分数；VClay表示黏土矿物单位质量内微孔隙体积；ρ表示岩石密度；q表示孔隙度。其中有机质的质量分数、矿物的质量分数、岩石密度、孔隙度都可以通过测试获得。

VTOC表示赋存于每千克有机质内的孔隙体积，受有机质类型和成熟度等因素共同影响。研究成果证实，高-过成熟(Ro>1.3%)阶段的Ⅰ、Ⅱ型干酪根有机质，VTOC值普遍较高，且纳米级孔隙较为发育，例如中国南方海相页岩储层[22-27]及北美页岩储层[28-32]；而Ⅲ型干酪根有机质和未熟-低熟生油阶段(Ro<0.7%)的Ⅰ、Ⅱ型干酪根有机质，VTOC值一般较低，基本不发育纳米级孔隙，例如中国中西部煤系泥页岩[16]。

VBri表示每千克脆性矿物内的孔隙体积，主要与脆性矿物种类、密度和矿物内部晶体排列方式等因素有关。例如：方解石、石英含量较高并能形成骨架支撑，使孔隙在压实过程中保存下来，则VBri相对较高；另外，受到不同类型矿物组合特征的影响，方解石、石英等脆性矿物与黏土矿物之间比例适当，在矿物接触面存在界面缝，则VBri相对较高。

VClay表示赋存于每千克黏土矿物内的孔隙体积，主要与黏土矿物层间形成的开启孔隙有关，因此受黏土矿物成分、含量等因素影响。总体而言，滑石、伊利石层间微孔发育、比表面积较大，蒙脱石、高岭土层间微孔隙体积较小，因此滑石、伊利石含量高而蒙脱石、高岭土含量低，则VClay较高，反之则较低。由于黏土矿物成分、含量等受沉积相和成岩作用控制[33]，所以VClay最终受上述两种因素控制。

2.3模型参数刻度与检验

川东南地区茅一段依据岩性变化特征自上而下可以划分为8个小层，本次研究选取最具代表性的第1、第3、第6小层进行刻度与检验。在每层中各选3个样品点，将3点的矿物含量、岩石密度和孔隙度数据代入(1)式建立三元一次方程组，并解出VTOC、VBri和VClay值。以第1小层为例，将A井深度分别为1 354.34 m、1 356.52 m、1 366.77 m 三组样品数据代入(1)式

计算得出第1小层VTOC=0.164 393 9 cm3/kg，VBri=0.342 857 1 cm3/kg，VClay=0.490 076 3 cm3/kg。同理，计算出第3、第6小层VTOC、VBri和VClay值(表1)。

表1 A井茅一段各小层计算结果Table 1 Calculation results of each sublayer in P2m1 from Well A

根据计算结果，结合茅一段岩石矿物测试数据，对第1、第3、第6小层其余资料点进行孔隙度定量测算，并将计算结果与对应深度点的实测结果进行对比(图4、图5、表2)。对比结果表明，各小层的计算孔隙度与实测孔隙度吻合程度较高，说明计算结果基本能够反映茅一段储层实际情况。

表2 A井茅一段孔隙度计算结果Table 2 Porosity calculation results of P2m1 in Well A

图4 孔隙度计算值与实测值对比图Fig.4 Comparison diagram of calculated and measured values of porosity

图5 A井茅一段灰泥灰岩计算孔隙度与实测孔隙度分布图Fig.5 Distribution of calculated and measured porosity of P2m1 of Well A

2.4 孔隙构成

经计算，茅一段灰泥灰岩储层孔隙度大小随着有机质含量、脆性矿物含量及黏土矿物含量比例的变化而发生波动(图6、表3)。为直观表达孔隙度与每种矿物含量差异的关系，建立其关系图版并分别对各小层进行描述(图7)。

表3 A井茅一段各类矿物所提供的孔隙度Table 3 The pores provided by the minerals in P2m1 from Well A

图6 A井茅一段孔隙度构成图Fig.6 Porosity composition diagram of the P2m1 in Well A

第6小层：岩性主要为深灰色灰岩、硅质灰岩和灰岩。孔隙度为0.34%～2.82%，平均为1.29%；总有机碳质量分数为1.22%～1.69%，平均为1.44%；有机质孔为0.25%～0.35%，平均为0.30%；脆性矿物质量分数为7.6%～28.2%，平均为14.21%；脆性矿物孔为0.69%～2.49%，平均为1.27%；黏土矿物含量极低，不参与计算(图7-A)。从贡献率角度讲，有机质对总孔隙度的贡献率为12%～27%，平均为21%；脆性矿物对总孔隙度的贡献率为73%～88%，平均为79%(图7-B)。有机质孔∶脆性矿物孔≈1∶4。

第3小层：岩性主要为灰黑色灰泥灰岩、瘤状灰泥灰岩。孔隙度为0.23%～4.97%，平均为3.00%；总有机碳质量分数为0.14%～1.05%，平均为0.74%；有机质孔为0.07%～0.53%，平均为0.37%；脆性矿物质量分数为0.3%～46.4%，平均为21.58%；脆性矿物孔为0.09%～4.33%，平均为2.03%；黏土矿物质量分数为1.6%～42.7%，平均为14.96%；黏土矿物孔为0%～3.24%，平均为0.97%(图7-C)。从贡献率角度讲，有机质对总孔隙度的贡献率为6%～72%，平均为20%；脆性矿物对总孔隙度的贡献率为27%～83%，平均为57%；黏土矿物对总孔隙度的贡献率为0%～65%，平均为22%(图7-D)。有机质孔∶脆性矿物孔∶黏土矿物孔≈1∶3∶1。

第1小层：岩性主要为灰黑色灰泥灰岩、瘤状灰泥灰岩。孔隙度为0.21%～2.49%，平均为1.12%。总有机碳质量分数为0.07%～0.86%，平均为0.48%；有机质孔为0.03%～0.37%，平均为0.21%；脆性矿物质量分数为1.8%～56.1%，平均为23.24%；脆性矿物孔为0.07%～2.09%，平均为0.86%；黏土矿物质量分数为4.3%～67.3%，平均为23.73%；黏土矿物孔为0%～0.46%，平均为0.15%(图7-E)。从贡献率角度讲，有机质对总孔隙度的贡献率为4%～38%，平均为22%；脆性矿物对总孔隙度的贡献率为15%～91%，平均为60%；黏土矿物对总孔隙度的贡献率为0%～51%，平均为18%(图7-F)。有机质孔∶脆性矿物孔∶黏土矿物孔≈1∶3∶1。

图7 各小层矿物与孔隙相关度关系图Fig.7 Correlation of minerals and pores in each sub layer

2.5 孔隙度的影响因素

分析矿物与孔隙相关关系可知：有机质孔随总孔隙度升高变化不大，而脆性矿物孔、黏土矿物孔随总孔隙度升高有较明显的升高。同时，脆性矿物孔明显高于黏土矿物孔。结合灰泥灰岩储层发育特征认为：①有机质孔在茅一段储层中普遍发育，是一种重要的孔隙类型。但由于茅一段灰泥灰岩储层总有机碳含量整体较低，故有机质孔对总孔隙度贡献较小。②脆性矿物晶粒作为骨架，在成岩演化过程中起到了抗压实作用。脆性矿物孔作为重要的孔隙类型，对总孔隙度有较大的贡献。③黏土矿物充填在脆性矿物晶粒间，在成岩演化过程中收缩形成孔隙，对总孔隙度有较大贡献。但当黏土矿物含量过高时，会导致岩石抗压强度降低，不利于孔隙的保存。

综合分析孔隙度与脆性矿物、黏土矿物含量相关关系，当孔隙度>2%时，脆性矿物/黏土矿物比值几乎都是>1。推测脆性矿物含量高于黏土矿物含量是储层孔隙性变好的信号(图8)；在黏土矿物含量相近的情况下，脆性矿物含量是决定储层物性的主导因素。

图8 脆性矿物与黏土矿物比值与孔隙度交汇图Fig.8 Intersection diagram of the brittle mineral/clay mineral ratio and the porosity

3 结 论

a.根据茅一段灰泥灰岩储层孔隙与各类矿物的相关关系，可将储集空间分为：有机质孔、脆性矿物孔和黏土矿物孔。有机质孔主要包括有机质内部孔隙、有机质与其他矿物的界面缝；脆性矿物孔主要包括脆性矿物晶间/晶内溶孔、脆性矿物之间界面缝、脆性矿物与其他矿物的界面缝；黏土矿物孔主要包括黏土矿物收缩孔缝、黏土矿物与其他矿物的界面缝。

b.脆性矿物对孔隙贡献最大，有机质、黏土矿物次之。其中，第6小层脆性矿物孔约为有机质孔的4倍；第1、第3小层脆性矿物孔约为有机质孔、黏土矿物孔的3倍。

c.结合灰泥灰岩储层矿物与孔隙相关关系，有机质孔随总孔隙度升高变化不大，脆性矿物孔、黏土矿物孔增大对总孔隙度增大有较大贡献。

d.脆性矿物与黏土矿物含量均较高时，孔隙度较高，脆性矿物含量高于黏土矿物含量是储层孔隙度提高的信号。在黏土矿物含量相近的情况下，脆性矿物含量是决定储层物性的主导因素。