南川地区龙马溪组优质页岩段微观孔隙结构特征

刘娜娜

（中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，江苏南京 210011）

近年来，随着四川盆地及周缘页岩气勘探开发的不断深入，渝东南龙马溪组页岩气已成为非常规油气的焦点，对四川盆地志留系下统龙马溪组页岩孔隙结构特征方面也已开展了大量研究工作[1–6]，与常规油气储层相比，页岩储层的孔隙孔径更小，结构更复杂[7–14]，氩离子抛光+扫描电镜是观测页岩储层微观孔隙特征和研究页岩储层结构的重要手段[15–17]。南川地区位于四川盆地东南缘，属于中国石化页岩气矿权区块，本文通过对南川地区三口探井志留系下统龙马溪组优质页岩段样品的系统观察，开展了研究区内龙马溪组优质页岩段孔隙结构特征研究，并结合相关测试数据，对其空间变化规律及影响因素进行了分析。

1 地质特征

钻井揭示南川地区基底为前震旦系板溪群浅变质岩，上覆盖层自下而上依次为震旦系、寒武系、奥陶系、志留系下统、二叠系、三叠系和侏罗系，缺失志留系中–上统、泥盆系、石炭系、白垩系、古近系和新近系。本次研究层位为志留系下统龙马溪组底部优质页岩段，岩性为黑色页岩，按岩性和电性特征自下而上可划分为①–⑤五个小层。

2 孔隙特征

通过对南川地区三口探井（JY194–3井、SY1井、NY1井）志留系下统龙马溪组优质页岩段样品开展有机质含量、成熟度、矿物组成、孔隙度、渗透率、岩石比表面积、氩离子抛光+扫描电镜等测试，对页岩储层微观孔隙结构及其变化规律进行分析。实验分析均在中国石化华东油气分公司勘探开发研究院扬州实验中心完成，氩离子抛光设备为HITACHI IM4000离子抛光装置，扫描电镜为ZEISS SIGMA场发射扫描电子显微镜。共选取灰黑色–黑色页岩样品40件，其中，JY194–3井样品11件，TOC为1.65%～6.66%，平均值为3.25%；SY1井样品17件，TOC为1.56%～7.06%，平均值为3.20%；NY1井样品12件，TOC为2.00%～7.73%，平均值为3.14%。

2.1 孔隙类型

扫描电镜观测显示，研究区内优质页岩段储层孔隙以纳米级为主，主要发育裂缝、微裂缝、微孔道、絮状物孔隙、粒内孔、黄铁矿矿物晶间有机孔、有机质矿物复合孔等孔隙类型（表1）。其中，裂缝、微裂缝、微孔道、絮状物孔隙和粒内孔等属于无机孔隙，黄铁矿矿物晶间有机孔、有机质矿物复合孔等属于有机孔隙。南川地区常见的无机孔隙主要有微裂缝、矿物溶蚀孔和云母晶间缝，其中，微裂缝（图1a）一般是沿着矿物边缘产生的，延伸性较好，有利于页岩气的保存和运输；溶蚀孔（图1b）是矿物颗粒表面受地层流体作用溶蚀形成的无机孔隙，孔径为0.5～1.0μm，形状多呈不规则状；云母层间缝（图1c）是晶间孔的一种，沿着云母片呈弯曲状，连通性较好。前期研究表明南川地区有机孔隙发育，页岩气主要赋存空间为有机孔隙，常见的有机孔隙包括黄铁矿矿物晶间有机孔和有机质矿物复合孔。黄铁矿矿物晶间有机孔（图1d）是黄铁矿晶体间充填的有机质由于生烃被消耗后产生的孔隙的总称，孔径几十到几百纳米；有机质矿物复合孔由于有机质与黏土矿物、硅质等融合，在生烃过程中矿物起到反应物或者催化剂的作用，影响孔隙的形成；同时，受矿物影响，孔隙往往具有定向性（图1e），其中，有机质黏土复合孔（图1f）较发育。

图1 孔隙类型扫描电镜

表1 泥页岩中孔隙类型及相应特征（据Slatt，2011）

2.2 孔隙结构特征

本文中的优质页岩指TOC大于2.00%的具有较好生烃潜力的黑色页岩段，JY194–3井、SY1井、NY1井龙马溪组优质页岩段按照岩性、电性等参数可划分为①–⑤五个小层（表2）。下面按照小层对各井孔隙结构特征进行描述对比。

表2 JY194–3井–SY1井–NY1井龙马溪组优质页岩段厚度、TOC统计

JY194–3井优质页岩段各小层有机孔隙发育，有机孔密而圆，孔径40.0～80.0 nm；非优质页岩段各小层有机孔呈圆形、椭圆形、不规则形，孔径范围大（50.0～500.0 nm）。其中，⑤小层有机质分布广泛、孔隙较发育，孔径从数十至一百多纳米不等；局部伴生少量硅质颗粒；④小层有机质多呈细小的不规则颗粒，分布较广泛，有机孔径从数十至数百纳米不等，但圆度较差；③小层有机质分布广泛、孔隙极发育，从几十至数百纳米不等，密集分布；②小层有机孔隙密集发育，孔径多小于100.0 nm，分布广泛；①小层有机质分布广泛、孔隙极发育，从数十至数百纳米不等，密集分布，局部伴生黏土矿物。

SY1井优质页岩段各小层有机孔隙发育，其中，⑤小层孔径多为60.0 nm，密度中等，呈不规则状，连通差；④小层孔径可达数百纳米，密度低，呈不规则状，连通差；③小层孔径50.0～200.0 nm，密度低，呈椭圆状，连通性一般；②小层孔径以60.0 nm为主，部分可达数百纳米，密度高，呈不规则状，连通较好；①小层孔径多小于30.0 nm，密度高，圆度高，连通较好。

NY1井优质页岩段上部（⑤、④小层）以无机孔隙为主，下部（③、②、①小层）以有机孔隙为主，随着深度增加，有机孔越来越发育，直至①小层最为发育，而无机孔隙则显著减少。有机孔隙孔径以10.0～100.0 nm为主，部分孔径达到200.0 nm以上，最大的接近1 000.0 nm。同时孔隙形态和大小变化较大，部分孔隙呈椭圆形或近圆形，边缘较平滑；部分孔隙呈不规则状，棱角分明；在大孔周围分布着无数细小的微孔，与大孔的直径相差30～100倍。⑤小层孔径以20.0 nm为主，密度极低，呈椭圆状，连通差；④小层孔径以30.0 nm为主，密度极低，呈椭圆状，连通差；③小层孔径以50.0 nm为主，密度低，呈椭圆状，连通性一般；②小层未取样；①小层孔径以30.0 nm为主，密度高，圆度较高，连通较好。

3 孔隙发育影响因素

页岩储层孔隙发育受到页岩有机碳含量、矿物成分等多种因素影响。

3.1 有机碳含量（TOC）

南川地区优质页岩段比表面积、孔隙度与有机碳含量呈正相关关系（图2、3），比表面积与TOC相关性因数较大（图2）；由于本地区无机孔隙对孔隙度也有贡献，且孔隙度测试样品较少，因而孔隙度与TOC相关性因数较小，但仍然可见弱相关趋势，即有机碳含量越高，有机孔隙越多，比表面积越大，孔隙度越大。这反映了TOC是影响页岩储层孔隙度与比表面积的重要因素之一。

图2 优质页岩段比表面积与有机碳含量（TOC）关系

图3 优质页岩段孔隙度与有机碳含量（TOC）关系

JY194–3井和SY1井①–⑤小层优质页岩TOC纵向上均有随深度增加先增大后减小的趋势（图4），受TOC影响，纵向上随着深度的增加有机孔隙有先增多后减少的趋势，与扫描电镜观察结果（表4）一致；平面上，JY194–3井TOC大于SY1井和NY1井（图4），受TOC影响，JY194–3井有机孔隙发育程度优于SY1井和NY1井，这与比表面积平均值统计结果（表3）一致，也与扫描电镜观察结果（表4）一致。再次证明了优质页岩段比表面积、孔隙度与有机碳含量呈正相关。有机孔隙内部结构复杂，对页岩气具有较强的吸附和储集能力。

图4 优质页岩段TOC对比

表3 各井优质页岩层段比表面积对比 m2/g

表4 优质页岩段有机孔主要孔径值及其密度

3.2 矿物成分

页岩矿物成分影响页岩储层抗压性，矿物成分不同，孔隙在压实作用下的保存程度不同。一般而言，脆性矿物抗压性较高，在压实作用过程中可以支撑孔隙，有利于孔隙保存。南川地区脆性矿物含量较高（表5），孔隙度与石英含量呈弱正相关关系（图5）。

图5 优质页岩段孔隙度与石英含量关系

表5 优质页岩段页岩矿物成分 %

4 结论

（1）氩离子抛光+扫描电镜分析表明，南川地区优质页岩储层孔隙以纳米级为主，主要发育裂缝、微裂缝、微孔道、絮状物孔隙、粒内孔、黄铁矿矿物晶间有机孔、有机质矿物复合孔等孔隙类型。其中，裂缝、微裂缝、微孔道、絮状物孔隙和粒内孔等属于无机孔隙；黄铁矿矿物晶间有机孔、有机质矿物复合孔属于有机孔隙，有机质黏土复合孔较常见，且有机孔隙多呈不规则状、椭圆形、圆形，孔径为10.0～100.0 nm。

（2）南川地区龙马溪组优质页岩段储层孔隙发育的影响因素分析表明，页岩的有机碳含量和矿物成分含量影响孔隙发育，页岩有机碳含量越高，有机孔隙越多，石英含量高有利于孔隙生成与保存。总之，孔隙度与有机碳含量、石英含量呈正相关关系。

（3）南川地区龙马溪组优质页岩段孔隙发育情况受TOC影响，纵向上表现为各小层孔隙度与TOC正相关，且TOC大的小层扫描电镜观察到的有机孔隙更发育，孔隙密度更大、孔径更大；平面上表现为TOC较大的井孔隙发育较好，JY194–3井有机孔隙密度高、孔径较大（20.0～100.0 nm），SY1井有机孔隙密度较高、孔径较大（20.0～80.0 nm），NY1井有机孔隙密度低、孔径较大（10.0～50.0 nm）。