四川盆地东部地区下侏罗统自流井组页岩储层特征

金 涛 张文济 白 蓉 李世临 张 芮 贾 敏

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2.中国石油西南油气田公司重庆气矿

0 引言

四川盆地侏罗系已发现5个油田、18个含油区块，均位于川中地区，其中下侏罗统自流井组大安寨段石油产量占据80%以上。川中地区长期以介壳灰岩储层为主要勘探开发对象，但介壳灰岩储层孔隙度多为1%左右[1-6]，勘探开发极为困难。在志留系下统龙马溪组海相页岩气取得成功的基础上，近年来针对下侏罗统自流井组湖相页岩储层的研究也得到肯定。目前川中地区大安寨段页岩油气的研究已获得一些成果[7-8]，但部署的页岩油气风险探井及上试井还未取得明显效果，而川北元坝地区、川东涪陵地区侏罗系页岩油气已见到零星工业产能[9-10]，这两个区块的自流井组烃源成熟度较川中地区高，镜质体反射率为1.3%左右，处于凝析油气阶段，为页岩油较佳的勘探区块[11-13]。因此，有必要针对侏罗系勘探程度较低、烃源成熟度较高、富有机质页岩较发育的东部地区自流井组开展页岩储层特征研究，为东部地区油气勘探寻找接替层系。

1 地质背景

四川盆地侏罗系主要为一套以碎屑岩为主，夹介壳灰岩的三角洲—内陆湖泊相淡水沉积，沉积中心位于川中地区的南充、仪陇至渠县一带，而东部地区的大竹至梁平一带为沉积次中心。自流井组沉积时期经历了两次较大的湖侵期，湖侵期间形成了广泛的浅湖—半深湖环境，沉积大套暗色泥、页岩，主要分布在东岳庙段和大安寨段。

东部地区自流井组东岳庙段岩性主要为暗色泥、页岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩不等厚互层夹介壳灰岩、粉砂岩，地层厚度为30～60 m；富有机质（有机碳含量≥1%）页岩层系主要分布在中、上部，连续厚度（夹层单层厚度＜5 m，泥地比≥60%）最大超过30 m，顶、底以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、介壳灰岩等致密岩层封闭[14]。

东部地区大安寨段岩性主要为暗色泥、页岩、介壳灰岩不等厚互层夹泥质粉砂岩，地层厚度为40～100 m；富有机质（有机碳含量≥1%）页岩层系主要分布在中部，连续厚度（夹层单层厚度＜5 m，泥地比≥60%）最大50 m左右，顶、底以介壳灰岩、粉砂岩等致密岩层封闭。

2 页岩有机地球化学特征

东部地区东岳庙段暗色泥、页岩有机质类型主要以Ⅱ1型为主,Ⅰ型和Ⅱ2型为辅，少量Ⅲ型[14]，大安寨段主要以Ⅱ1、Ⅱ2型有机质为主，少量Ⅲ型，总体上，东岳庙段有机质类型优于大安寨段。

东部地区东岳庙段暗色泥、页岩有机碳含量为0.14%～3.81%，平均1.40%，有机碳含量≥1.0%的占71%，生烃潜量（S1+S2）为0.1～8.72 mg/g，平均2.73 mg/g，有机碳含量与生烃潜量相关性较好。大安寨段暗色泥、页岩有机碳含量0.02%～5.96%，平均0.90%，有机碳含量≥1.0%的占35.8%。生烃潜量（S1+S2）为0.04～38.66 mg/g，平均1.93 mg/g，有机碳含量与生烃潜量相关性较好（图1）。

图1 东部地区自流井组有机质丰度及生烃潜量分布图

东部地区自流井组烃源岩热成熟度分布在0.95%～1.60%之间，80%的地区分布在大于1.1%的区域[14]，主要处于成熟晚期到高熟早期阶段，也即凝析油气—湿气阶段。从单井测试情况看，气油比较高，大多数井油含量在500 g/m3以下，属于凝析气藏，有利于页岩油气的勘探开发。

与川中地区自流井组页岩相比[7-8]，东部地区东岳庙段页岩有机碳含量（TOC）和生烃潜量（S1+S2）较高，有机质类型略优，成熟度（Ro）较高（表1）。

表1 四川盆地自流井组页岩有机地化特征对比表

3 页岩储层特征

3.1 岩石学特征

页岩储集层以黑色、灰黑色页岩为主，夹薄层石灰岩、粉砂岩及介壳等生物条带。页岩中矿物组分主要包括4大类：黏土矿物、碳酸盐岩类、粉砂质及有机质，黏土矿物主要包括伊利石、绿泥石、高岭石、伊蒙间层等；碳酸盐类矿物主要为方解石、白云石；粉砂质主要包括石英、正长石、斜长石、云母、黄铁矿等；有机质以Ⅱ1型为主，其次为Ⅱ2型，含有少量的Ⅰ型和Ⅲ型有机质。

根据东部地区自流井组29口井201个样品X衍射全岩分析表明，含量在前三位的分别是黏土、石英和方解石矿物，黏土含量分布在10.3%～68.2%之间，平均为38.5%；其次为石英含量，分布在13.5%～71.8%之间，平均为35.3%；方解石含量分布在0～49.9%之间，平均为16.9%（图2），脆性指数较好。与川中地区大安寨段页岩相比[7-8]，东部地区东岳庙段页岩主要矿物含量与之相当，而东部地区大安寨段页岩黏土含量略高，石英含量略低。

图2 东部地区自流井组页岩全岩矿物含量直方图

根据东部地区自流井组4口井63个样品X衍射黏土分析表明，伊/蒙间层含量分布在20%～80%之间，平均为43.3%，间层比分布在5%～30%之间，平均为17%；伊利石含量分布在10%～51%之间，平均为31%；高岭石分布在0～32%之间，平均为13%；绿泥石含量分布在0～36%之间，平均为12%（图3）。蒙脱石存在晶格取代、晶层间引力以分子间力为主、阳离子交换容量大，因此易膨胀、易水化，具较强水敏性，伊利石、高岭石和绿泥石则不易膨胀、不易水化[15]。东部地区自流井组页岩蒙脱石只存在于伊/蒙间层，而伊/蒙间层比较低，即蒙脱石占比较低，因此，遇水膨胀有限，对油气层虽有一定损害，但压裂液配方的选择可参照四川海相页岩气。

图3 东部地区自流井组页岩黏土矿物含量直方图

3.2 物性特征

东部地区自流井组有2口井85个页岩样品进行了氦气法孔隙度分析，有6口井301个页岩样品进行了高压液饱法孔隙度分析，这些页岩样品对应有306个空气渗透率分析数据，从孔渗交会图上看，氦气法和高压液饱法分析的孔隙度具有相似的孔渗分布特征，因此，氦气法孔隙度和高压液饱法孔隙度可共用。

根据东部地区自流井组8口井386个页岩样品氦气法和高压液饱法孔隙度分析，页岩孔隙度主要分布在1%～5%之间，占比75.4%，峰值分布在1%～2%之间，往高孔段为一长尾，类似阶梯分布，在主要分布区外还有一小峰，峰值分布在7%～8%之间，说明页岩储层存在相对高孔分布层段，大安寨段和东岳庙段页岩孔隙度主、次峰分布与之相似。自流井组页岩孔隙度最低0.30%，最高11.84%，平均3.46%，中位值为2.88%。其中大安寨段页岩孔隙度主要分布在1%～5%之间，占比69.0%，平均3.8%，中位值为3.3%；东岳庙段页岩孔隙度主要分布在1%～4%之间，占比81.3%，平均2.6%，中位值为2.4%（图4）。东部地区大安寨段页岩孔隙度高于东部地区东岳庙段页岩孔隙度，与川中地区大安寨段页岩孔隙度3.5%[8]相似。

图4 东部地区自流井组页岩物性分析直方图和孔渗交会图

根据东部地区自流井组9口井361个样品空气渗透率分析，渗透率主要分布在0.001 mD～10 mD之间，占比91.7%，峰值分布在0.1～1 mD之间，近似正态分布，最低0.000 1 mD，最高721 mD，平均3.722 mD，中位值为0.120 mD，孔渗相关性较好（图4）。

根据东部地区自流井组5口井296个样品含水饱和度分析，含水饱和度主要分布在30%～50%之间，占比69.3%，峰值分布在40%～50%之间，近似正态分布；含水饱和度最低5.7%，最高89.3%，平均42.3%，中位值为40.99%（图4）。

3.3 孔隙空间特征

3.3.1 孔隙类型

页岩储层一般具有3种不同类型的孔隙结构：有机质孔隙（简称有机孔）、基质孔隙（或称无机孔、矿物质孔）和裂缝（表2）。

表2 页岩孔隙类型分类表

有机孔是位于有机质内部的孔隙，大多是有机质生排烃后留下的孔隙空间，主要分布在有机质周围和内部，以充满油气为主，具有亲油性，是页岩储层发育的独特孔隙类型，其孔喉半径在纳米级，而且在岩石基质中呈不连续分散状或沿微层理面分布，是页岩油气藏中重要的储集空间。无机孔主要分布在无机矿物颗粒间或矿物内部，多含水，具有亲水性，其孔喉半径一般要高于有机孔（图5）。

图5 东部地区自流井组页岩储集空间图（氩离子抛光扫描电镜）

东部地区自流井组页岩孔隙度分类鉴定数据极少，大安寨段页岩只有7个孔隙分类样品数据，且无机孔按黏土矿物孔（黏土矿物内部孔隙）、脆性矿物孔（脆性矿物内部孔隙）来分类，这样分类有利于评价压裂效果。各类页岩中黏土矿物孔占比均最高，其次为有机孔，脆性矿物孔占比最低。与不同地区、不同层位、不同相带页岩孔隙类型对比，有机孔中川南地区龙马溪组海相页岩占比最高，平均可达37%，其次为东部地区大安寨段湖相页岩，平均为25%，川北地区大安寨段湖相页岩平均为24%；黏土矿物孔占比最高的为东部地区大安寨段湖相页岩，平均为74%，其次为川北地区大安寨段湖相页岩，平均为67%，川南地区龙马溪组海相页岩平均为53%；脆性矿物孔占比最高的为川南地区龙马溪组海相页岩，平均为10%，其次为川北地区大安寨段湖相页岩，平均为9%，东部地区大安寨段湖相页岩平均为1%。总体来说，东部地区和川北地区湖相页岩孔隙结构较为相似，与川南地区海相页岩相差较大[16-17]，需寻找适应的压裂方法，调整压裂方式。

3.3.2 孔径分布特征

按照国际理论和应用化学联合会（IUPAC）的分类标准，泥、页岩孔隙按孔径大小可分为微孔（孔径小于2 nm）、中孔或介孔（孔径为2～50 nm）、大孔或宏孔（孔径大于50 nm）。而原油重大专项《侏罗系非常规石油地质综合评价及有利目标区块选择》[18]推测的油分子直径为18 nm（饱和烃2 nm、芳烃3 nm、非烃3 nm、沥青质10 nm），远超过微孔孔径，因此，孔径分类方法需进行调整。

一般通过 CO2等温吸附实验来进行页岩微孔孔隙结构特征的分析，利用低温 N2吸附实验来分析表征介孔的孔隙结构，应用高压压汞来评价宏孔的孔隙结构。东部地区自流井组页岩用了N2吸附实验和高压压汞来分析孔径，N2吸附实验孔径分析范围为1.7～250.0 nm 之间，高压压汞孔径分析范围为 3.8 nm ～ 150.0 μm 之间。

从N2吸附实验分析的页岩孔比面积、孔体积与孔径关系图可知（图6），孔径分布呈双峰，分布范围为1.7～2.0 nm和2～30 nm。从高压压汞分析的不同孔隙度页岩孔径分布来看（图7），孔径分布呈双主峰、一次峰，主峰分布范围为3.8～30.0 nm和1～20 μm，次峰分布范围为0.1～5.0 μm。考虑孔壁吸附为一个油分子，因此油可自由流动的孔径至少不小于27 nm，再考虑孔径分布，参考海相页岩孔径分布的30 nm界线[19]，则小孔为小于30 nm，中孔为30 nm～1 μm，大孔为大于1μm，中孔分布范围内只有一个次峰，幅度极低，推测是因为小孔、大孔成因截然不同，因此，中孔内不存在逐渐过渡的高幅度峰。

图6 东部地区自流井组页岩N2吸附实验孔径分析图

图7 东部地区自流井组页岩不同孔隙度高压压汞孔径分析图

页岩储层孔径分布形态与孔隙度大小有关，也决定流体流动阶段[20]，孔隙度小于2%的样品，孔径较小，分布为单峰，其峰分布区间为3.8～30.0 nm，孔隙结构较差，油分子多为吸附态，难以流动，处于流体束缚阶段；孔隙度在2.0%～5.5%之间样品，孔径分布为双峰，主峰分布在3.8～30.0 nm，次峰分布在0.1～5.0 μm，大部分为吸附态油，少数油分子在毛细管力作用下呈游离态，处于毛细管力作用阶段；孔隙度大于5.5%的样品，孔径较大，分布为单峰，其峰分布区间为1～20 μm（图7），孔隙结构较好，油分子以游离态为主，处于可动油阶段。东部地区自流井组页岩孔隙度大于2%的样品占比在70%左右，特别是大安寨段页岩孔隙度大于5.5%的样品占比达20%。

3.4 储集能力及影响因素

页岩油气在孔隙空间中主要以吸附和游离状态存在。因此，孔隙的孔体积和孔表面积可以表征页岩的储集能力，为页岩油气储集能力的两个关键参数。

3.4.1 孔径大小对储集能力的影响

小孔因孔表面积较大、孔径极小，在吸附距离内，多被吸附油气充满；而孔径最大的大孔因孔壁间距较大，且孔表面积较小，吸附油气层的能力较弱，占据的孔隙空间也较小，还有较大的孔隙空间容纳游离油气；因此，页岩油气在小孔中主要以吸附态形式存在，大孔主要以游离态存在，而中孔则介于吸附态和游离态之间。东部地区自流井组页岩小孔提供了绝大部分的孔表面积，平均占比达96.8%，中孔孔表面积占比2.9%，大孔孔表面积占比0.3%；孔体积也主要是由小孔提供，小孔孔体积占比68.0%，中孔孔体积占比16.1%，大孔孔体积占比15.9%，只有孔隙度大于5.5%的样品中，孔体积主要由大孔提供（图8）。

图8 东部地区自流井组页岩孔表面积和孔体积分布图

孔隙度小于2%的样品，孔表面积由小孔提供，孔体积也由小孔提供，只少量孔体积为中孔提供；孔隙度介于2%至5.5%之间的样品，孔表面积主要由小孔提供，只少量孔表面积由中孔提供，孔体积也主要由小孔提供，只部分孔体积为中孔提供，少量孔体积为大孔提供；孔隙度大于5.5%的样品，孔表面积还是主要由小孔提供，只是中孔、大孔也提供了部分孔表面积，孔体积主要由大孔提供，中孔、小孔只贡献了部分孔体积（图8）。

3.4.2 有机碳含量、类型和热成熟度对储集能力的影响

有机质达到一定成熟度后开始生烃，从而在有机质内留下有机孔隙，随着成熟度增高，油气生成量增大，有机孔变大，只有在过成熟阶段，油气开始碳化、石墨化，有机孔开始降低，通常认为有机孔的生成与有机碳含量、类型、成熟度等有关。研究区湖相页岩有机孔占比达25%，为重要的孔隙空间之一。

相同热成熟度情况下，有机质为Ⅱ型时比Ⅲ型更易于发育有机孔，但Ⅲ型干酪根的比表面积最大，Ⅱ型次之，Ⅰ型最小（田守嶒等，2017）。有机质达到生烃门限后，有机碳含量越高，生成的有机孔也越多，储集能力则会加强，东部地区有机碳含量与孔体积、孔表面积有一定正相关，特别是与孔表面积相关性略好（图9），说明有机碳提供了较重要的孔隙空间和吸附表面积，其含量对储集能力有较大影响，只因有机孔偏低，相关性比海相页岩差[21]。

图9 东部地区侏罗系有机碳含量与孔体积、孔表面积交会图

4 结论

1）东部地区自流井组富有机质页岩主要分布在大安寨段和东岳庙段；有机质类型以Ⅱ1，Ⅱ2型为主，大安寨段和东岳庙段有机碳平均含量分别为0.90%、1.40%，生烃潜量平均分别为1.93 mg/g、2.73 mg/g，东部地区东岳庙段烃源品质优于川中地区大安寨段；东部地区自流井组80%的区域镜质体反射率大于1.1%，处于凝析油气—湿气阶段，为页岩油较佳的勘探区块。

2）东部地区湖相页岩矿物组分主要包括黏土矿物、碳酸盐类、粉砂质及有机质4大类，其中黏土含量最高，平均为38.5%，石英平均含量为35.3%，方解石平均含量为16.9%，黏土矿物中蒙脱石占比低，脆性指数较好。

3）东部地区湖相页岩孔隙度平均为3.5%，渗透率平均为3.722 mD，孔渗相关性较好，裂缝较发育，与川中地区大安寨段页岩孔隙度相似；页岩的黏土矿物孔最高，占74%，其次为有机孔，占25%，脆性矿物孔只占1%，孔隙类型比海相页岩略差。

4）东部地区湖相页岩小孔孔表面积和孔体积占比最大，其次为中孔，随着孔径增大，小孔孔表面积只略有降低，而小孔孔体积占比则逐渐降低，大孔孔体积占比逐渐升高，孔隙度大于2.0%的样品，孔隙结构开始变好，只有孔隙度大于5.5%的样品，孔隙结构最优，孔体积主要由大孔贡献；孔径大小对储集能力影响最大，其次为有机碳含量、类型和成熟度。