楚雄盆地上三叠统舍资组泥页岩储层特征分析——以滇禄地3井为例

客 昆， 秦建华*， 牟必鑫， 余 谦， 魏洪刚， 郝学峰， 陈 杨， 客 达， 周家云， 龚大兴

(1.中国地质科学院矿产综合利用研究所， 成都 610041； 2.四川省煤田地质工程勘察设计研究院， 成都 610072； 3.中国地质调查局成都地质调查中心， 成都 610081； 4.云南省地质调查院， 昆明 650216； 5.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司， 涿州 072750)

页岩气作为一种非常规油气资源，具有自生、自储、低孔、低渗、储集空间类型较多、纳米-微米级孔吼结构、较大的矿物表面积等特征，与常规油气相比，页岩气的开采难度相对较大[1-3]，储层特征是影响页岩气聚集成藏的主要因素[4]。因此对泥页岩储层特征的研究十分必要。

伴随海相页岩气不断取得重大突破，海陆过渡相泥页岩的研究也备受关注[5-8]，前人对楚雄盆地上三叠统舍资组泥页岩储层特征的研究较少，通过前期野外地质调查，发现上三叠统舍资组泥页岩具有良好的页岩气基础地质条件。以楚雄盆地-滇禄地3井舍资组泥页岩为研究对象，结合泥页岩的有机地化特征，运用扫描电子显微镜、全岩X-射线衍射分析、孔隙度与渗透率测量、现场解析、核磁共振等技术对滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩采集的35件岩心样品进行分析测试，进而分析泥页岩储层特征，为楚雄盆地舍资组页岩气的勘探开发提供依据。

1 地质背景

楚雄盆地属扬子西南缘的前陆盆地，西部界限为红河断裂和哀牢山断裂，即为哀牢山小洋盆的俯冲带和大陆边缘前陆逆冲断裂带；北部的西侧被程海断层截切，上三叠统超覆在前震旦系基底上；东部的东山和云龙地区在禄丰、禄劝和武定以北，上三叠统超覆在古生代地层上[9]。舍资组下部岩性为：深灰色-灰黑色块状泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩间夹灰色薄层状钙质粉砂岩、灰色泥质粉砂岩，层面见大量植物化石，发育平行层理、斜层理、交错层理，偶见冲刷面，局部间夹数层1～3 cm厚煤线；上部岩性为：灰色块状钙质粉砂岩、泥质粉砂岩间夹灰色薄层状泥灰岩，发育平行层理、交错层理(图1[10])。

图1 楚雄盆地构造位置[10]及上三叠统舍资组综合柱状图Fig.1 Structural location of Chuxiong Basin[10]and comprehensive column chart of Upper Triassic Shezi Formation

2 有机地化特征

泥页岩有机质类型、有机质丰度以及成熟度是控制页岩气聚集、成藏的主要因素[11]，为了直观的认识楚雄盆地上三叠统舍资组泥页岩基础地质条件，通过样品采集进行实验分析。

2.1 有机质类型

泥页岩有机质类型的差异直接影响生烃产物的类型及形成过程[12]，Ⅰ型与Ⅱ型干酪根为页岩气生成的主要有机质类型[1]，运用偏光显微镜、光度计对滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩样品进行测试分析(表1)，结果显示干酪根显微组分以壳质组为主，含量在80%～89%，平均为84.44%；其次为镜质组，含量在7%～14%，平均为10.19%；其余为惰质组，含量在3%～7%，平均为5.38%，干酪根类型指数在23.5～35.5，干酪根类型均为Ⅱ2型，有利于页岩气的生成。

2.2 有机质丰度

总有机碳(total organic carbon, TOC)是衡量有机质丰度的重要指标之一[13]，直接影响着页岩吸附气的含量和生烃强度[6,14]。运用碳硫仪对滇禄地3井上三叠统舍资组黑色泥页岩进行测试分析(表1)，结果显示泥页岩有机碳含量主要集中在0.4%～1.25%，平均为0.67%，其中，小于0.5%的样品占31.58%，在0.5%～1%的样品占63.16%，大于1%的样品占5.26%；结合陆相页岩气评价指标，有机碳含量大于1%的泥页岩定义为富有机质泥页岩，大于0.5%的定义为潜在泥页岩[15]，滇禄地三井上三叠统舍资组下段黑色泥页岩以潜在页岩为主，具有良好的勘探潜力。

表1 滇禄地3井泥页岩有机地化数据Table 1 Organic geochemistry data of shale from well, Yunnan-Ludi 3

2.3 有机质成熟度

成熟度是衡量烃源岩有机质生成油、气的重要指标[16-19]，北美勘探经验证实页岩气成藏要求有机质成熟度RO适中，在1.1%～3.0%最佳[20-22]，运用偏光显微镜、光度计对滇禄地3井泥页岩进行分析(表1)，结果显示有机质成熟度主要集中在1.84%～2.31%，平均为2.06%，其中，有机质成熟度大于2%的样品占72.1%，在1.5%～2%的样品占27.9%，泥页岩样品均处于成熟-过成熟阶段，有利于页岩气的生成。

3 物性特征

3.1 矿物组分

泥页岩矿物组分对页岩的可压裂性、孔隙发育情况以及气体吸附性能有着重要的影响，石英等脆性矿物含量越高，泥页岩的可压裂性越大，受外力作用时容易形成诱导裂缝，利于页岩气的渗流，从而直接影响页岩气的产能[23-26]。运用帕纳科衍射仪对滇禄地3井泥页岩样品进行分析，结果表明滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩的矿物主要由脆性矿物(石英、长石、菱铁矿)、碳酸盐矿物(方解石、白云石)、黏土矿物组成，其中脆性矿物含量相对较高在27%～66%，平均为40.87%，达到了陆相页岩气勘探开发标准[27]，有利于页岩气的压裂，碳酸盐矿物含量在0～23%，平均为6.15%，黏土矿物含量较高在23%～71%，平均为52.97%(图2)。

图2 滇禄地3井泥页岩矿物组分三角图Fig.2 Triangle diagram of mineral components of shale in well, Yunnan-Ludi 3

黏土矿物中主要为伊利石、绿泥石，含少量高岭石。黏土矿物中伊利石的含量在35%～71%，平均含量为55.34%；绿泥石的含量在3%～65%，平均含量为40.57%；高岭石的含量在0～30%，平均含量为0.73%；伊/蒙混层的含量在0～10%，平均含量为3.18%(图3)。黏土矿物中蒙脱石的比表面较大，对天然气有很好的吸附能力，但滇禄地3井泥页岩中绝大多数样品中仅在伊蒙混层中含有极少量蒙脱石，同时伊利石、绿泥石、绿/蒙混层和伊/蒙混层的比表面较小，对天然气的吸附能力较小。

图3 滇禄地3井泥页岩黏土矿物组分分布Fig.3 Composition distribution of clay minerals in shale of well, Yunnan-Ludi 3

3.2 孔、渗特征

运用PHI-220型自动孔隙度测定仪对滇禄地3井的8件岩心样品进行分析，实验测试结果(表2)表明，滇禄地3井泥页岩的孔隙度在0.6%～1.6%，平均为1.01%，其中，孔隙度小于1%的样品5件，约占62.5%，大于1%的占37.5%(图4)；渗透率在0.000 965 2×10-3～0.033 542 1×10-3μm2，平均为0.007 027×10-3μm2，其中，渗透率大于0.01×10-3μm2的样品占14.29%，在0.001×10-3～0.01×10-3μm2的样品占57.14%，小于0.001×10-3μm2的样品占28.57%(图5)，总体表现出低孔、低渗特征，孔、渗之间相关性不明显(图6)。

表2 滇禄地3井泥页岩孔隙度、渗透率特征Table 2 Porosity and permeability characteristics of shale in well, Yunnan-Ludi 3

图4 滇禄地3井泥页岩孔隙度分布直方图 Fig.4 Histogram of shale porosity distribution in well, Yunnan-Ludi 3

图5 滇禄地3井泥页岩渗透率分布直方图Fig.5 Histogram of sample permeability distribution of shale in well,Yunnan-Ludi 3

图6 滇禄地3井泥页岩孔隙度、渗透率关系图Fig.6 Relationship diagram of pore and permeability of shale in well,Yunnan-Ludi 3

3.3 微观孔隙类型

运用氩离子束抛光扫描电子显微镜技术发现滇禄地3井泥页岩中存在多种类型的微-纳米级孔缝，主要以黏土矿物层间缝、颗粒粒缘缝、粒间孔、溶蚀孔、微裂缝、有机质生烃孔，其中，黏土矿物层间缝、颗粒粒缘缝发育较好，为页岩气提供了良好的储集空间。

3.3.1 粒间孔

粒间孔是矿物颗粒之间相互支撑形成的孔隙，滇禄地3井泥页岩粒间孔十分发育，且种类繁多，主要以片状黏土矿物与片状黏土矿物之间的层间缝[图7(a)]、片状黏土矿物与微晶矿物颗粒之间的粒缘孔缝[图7(b)]、矿物颗粒与矿物颗粒之间的粒间孔[(图7(c)]，由于片状黏土矿物与矿物颗粒大小、形态不一，致使粒间孔孔径分布范围较广，一般孔径范围在0.1～4 μm，连通性较好，是游离气的最主要储集空间，同时也可作为页岩气良好的运移通道[28]。

图7 滇禄地3井泥页岩粒间孔扫描电镜图Fig.7 Scanning electron microscope image of intergranular pores in shale of well, Yunnan-Ludi 3

3.3.2 粒内孔

粒内孔是矿物颗粒内发育的孔隙，以溶蚀孔为主，滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩溶蚀孔发育较好，种类较多，常见于石英颗粒发育的溶蚀孔[图8(a)]、白云石颗粒发育的溶蚀孔[图8(b)]、团块状黄铁矿颗粒之间的铸模孔[图8(c)]、方解石颗粒发育的溶蚀孔[图8(d)]溶蚀孔形态多样，孔径分布范围集中在0.1～2 μm，连通性一般，但同样可以最为页岩气的运移通道及储集空间。

3.3.3 有机质孔

有机质孔的发育对页岩气的富集也具有极为重要的控制作用[29-32]，有机质孔是有机质在生烃过程中形成的孔隙，滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩中有机质孔发育较差，有机质孔零星分布，截面呈近椭圆状，孔径在0.1～3 μm，有机质孔之间不具连通性[图9(a)]，储集性能较差。

3.3.4 微裂缝

微裂缝即可作为页岩气的储集空间又可作为页岩气的运移通道，水力压裂过程中微裂缝的发育程度直接影响生产井的产量[33]，滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩中见一条缝宽0.5～2 μm的微裂缝[图9(b)]，即可作为页岩气良好的运移通道，又可作为页岩气良好的储集空间。

图9 滇禄地3井泥页岩有机质孔及微裂缝扫描电镜图Fig.9 Scanning electron microscope images of organic pores and microfractures in the shale of well, Yunnan-Ludi 3

通过在镜下观察滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩孔隙类型可知，泥页岩发育不同成因的微观孔隙，主要发育粒间孔，粒内孔次之，偶见微裂缝，有机质孔发育较少，孔径分布范围较广。粒间孔、微裂缝连通性较好，即为楚雄盆地上三叠统舍资组页岩气的运移提供良好的运移通道又为页岩气的聚集提供了良好的储集空间。

3.4 微观孔隙结构

泥页岩的孔隙结构对页岩气赋存状态有着重要影响[34]，核磁共振是通过磁场强度来对岩石孔隙内流体的核磁信号进行检测，从而获取流体的T2谱分布，其弛豫时间T2与岩石有效孔隙半径及孔径分布特征存在着一定关系，弛豫时间的大小可间接反映孔径的大小[35]，泥页岩孔隙越发育，则弛豫时间较长的核磁信号占T2谱的比例就越大，反之泥页岩孔隙不发育，弛豫时间短的区间所占的比例就越多[36-39]，运用核磁共振分析与成像系统(图10),对滇禄地3井泥页岩孔隙结构进行分析。

图10 核磁共振分析与成像系统Fig.10 Nuclear magnetic resonance analysis and imaging system

泥页岩孔隙以纳米级为主[40]，按Choquette等[41-44]划分方案，将1～10 nm的孔隙认定为微孔、10～100 nm的孔隙认定为小孔、100～1 000 nm的孔隙认定为中孔、大于1 000 nm的孔隙认定为大孔。

滇禄地3井黑色泥页岩样品的核磁T2图谱(图11)呈双峰分布，表明泥页岩孔隙类型复杂、多样，左锋弛豫时间相对较小、分布宽且核磁信号幅度较大，最大弛豫时间约为1 ms，右峰弛豫时间相对较大，核磁信号幅度较小，最大弛豫时间约为60 ms，左侧峰与右侧峰连续性较差，且双峰之间有明显的谷值。表明滇禄地3井黑色泥页岩样品孔径以微孔、小孔为主，含少量中孔，且孔隙之间连通性较差，与孔径分布及孔隙体积分布相吻合。

图11 滇禄地3井泥页岩核磁T2图谱及孔径分布Fig.11 Nuclear magnetic resonance T2 map and pore size distribution of shale in well,Yunnan-Ludi 3

5 储层对比

与中国已取得突破的海陆过渡相页岩气勘探区鄂尔多斯盆地长7段、长9段，四川盆地千佛崖组、大安寨组、东岳庙组、须家河组5段，阜新盆地沙海组，松辽盆地青山口组泥页岩的厚度、埋深、TOC、有机质类型、Ro、脆性矿物含量、孔隙度、渗透率以及含气量等基础地质条件对比(表3)[45-59]，分析得出，楚雄盆地上三叠统舍资组泥页岩在厚度、埋深、热演化程度等地质条件上优于鄂尔多斯盆地长9段、松辽盆地青山口组，泥页岩有机质类型、含气量等地质条件与已获得工业气流的四川盆地千佛崖组、大安寨组泥页岩地质条件相似，表明楚雄盆地上三叠统舍资组具有良好的页岩气勘探潜力。

表3 典型海陆过渡相盆地泥页岩基础地质条件测试结果统计[45-59]Table 3 Statistic of test results of shale foundation geological conditions in typical marine and continental transition facies basins[45-59]

6 结论

(1)滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩干酪根显微组分以壳质组为主，含量在80%～89%，平均为84.44%，类型指数在23.50～35.50，干酪根类型均为Ⅱ2型；泥页岩有机碳含量，主要集中在0.4%～1.25%，平均为0.67%，以潜在页岩为主；有机质成熟度主要集中在1.84%～2.31%，平均为2.06%，主体为处于成熟-过成熟阶段，有利于页岩气的生成。

(2)滇禄地3井上三叠统舍资组泥页岩的矿物主要由脆性矿物(石英、长石、菱铁矿)、碳酸盐矿物(方解石、白云石)、黏土矿物组成，其中，脆性矿物含量相对较高在27%～66%，平均为40.87%，有利于页岩气的压裂，黏土矿物中主要为伊利石、绿泥石，含少量高岭石，不含蒙皂石和绿/蒙混层；泥页岩的孔隙度在0.6%～1.6%，平均为1.01%，其中，孔隙度小于1%的样品约占62.5%，孔隙度大于1%的占37.5%；渗透率在0.000 965 2×10-3～0.033 542 1×10-3μm2，平均为0.007 027×10-3μm2，总体表现出低孔、低渗特征。

(3)运用氩离子束抛光扫描电子显微镜技术发现滇禄地3井泥页岩中存在多种不同成因类型的微-纳米级孔缝，主要以黏土矿物层间缝、颗粒粒缘缝、粒间孔、溶蚀孔、微裂缝、有机质生烃孔，其中，黏土矿物层间缝、颗粒粒缘缝发育较好，为页岩气提供了良好的储集空间；泥页岩中以微孔、小孔为主，含少量中孔，微孔、小孔与中孔之间连通性较差，泥页岩现场解析的总含气量在0.06～1.00 m3/t，平均值为0.564 m3/t，含气量相对较低。

(4)楚雄盆地上三叠统舍资组页岩气的勘探研究尚处于初期阶段，页岩气相关地质资料相对较少，通过滇禄地3井泥页岩的各项实验数据与国内已取得突破的海陆过渡相页岩气勘探区进行对比，结果显示楚雄盆地上三叠统舍资组泥页岩具有良好的页岩气勘探潜力，该井的实施，为楚雄盆地上三叠统舍资组页岩气的勘探开发提供了依据。