海陆过渡相高黏土含量微孔致密岩屑砂岩储层特征

刘曾勤，郭少斌

(中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083)

非常规气(致密砂岩气、页岩气和煤层气)已成为满足全球能源需求中天然气供给的重要组成部分[1]。其中，在美国和中国的众多油气盆地取得了致密砂岩气的重大发现，如美国西部的大绿河盆地和中国的鄂尔多斯盆地[2-3]。这些致密砂岩气主要发现于海相或陆相地层中，但海陆过渡相地层中的致密砂岩气发现较少[2,4]。海陆过渡相地层在中国分布广泛，如中国南方地区的上二叠统龙潭组和鄂尔多斯盆地的下二叠统太原组，其致密砂岩气、页岩气和煤层气的勘探开发前景十分广阔[5-6]。

通过对致密砂岩储集特征(宏观和微观属性)研究，可以初步评价致密砂岩气的资源潜力和生产能力[4,7]。其中，宏观属性(孔隙度和渗透率)在气体聚集和流动中起着重要的作用[8]，微观属性(孔喉结构)对致密砂岩气产能有很大的影响[9]。为了掌握宏观和微观属性之间的关系，必须详细描述和定量评价孔喉结构[7,10]。国内外学者通过应用薄片观察、X射线衍射分析、扫描电镜、压汞法和核磁共振实验来刻画孔喉结构特征，从而为致密砂岩气的资源潜力评价提供参考[7-8,10-11]。因此，使用上述技术手段系统分析储集特征对评估致密砂岩的储层质量和资源潜力至关重要。

黔西地区龙潭组砂岩、泥页岩和煤层广泛发育，大多数前人研究的重点在海陆过渡相泥页岩[12-17]和煤层[18-19]的地球化学和储集特征上，而对致密砂岩的特征研究较少，制约了黔西地区致密砂岩气后期的勘探开发工作。黔西地区在致密砂岩气勘探评价过程中发现众多的喷气井及气苗，说明龙潭组致密砂岩含气性好[20]。其中，黔西地区X1井在龙潭组致密砂岩段钻遇致密砂岩气，气测全烃值维持在20%～30%，砂岩层持续出气，表明龙潭组存在一定的致密砂岩气潜力[6]。由于龙潭组砂岩储层复杂，缺乏详细的储层评价工作，目前龙潭组致密砂岩气勘探尚处于探索实践阶段，未发现大规模致密砂岩气藏。因此，本文通过薄片观察、扫描电镜、X射线衍射、压汞法、核磁共振实验等技术手段研究龙潭组致密砂岩的储层特征，并探讨其致密气资源潜力及可能的开发方式。

1 研究区概况

贵州省位于上扬子地台南缘，紧邻四川盆地，构造从南往北分为滇黔北部坳陷、武陵坳陷、黔中隆起、黔西南坳陷、黔南坳陷和雪峰隆起[21]。黔西地区主体位于黔西南坳陷和黔中隆起，包括贵州盘州、六盘水、毕节等地(图1a)。黔西地区经历了多个构造演化阶段，构造样式复杂。研究区内主要以隔档式褶皱为主，向斜开阔，使得煤系地层大部分得以保存，煤层气资源丰富[18]。

图1 黔西地区构造区划、地层和井资料Fig.1 Tectonic divisions, lithological column, and well data of study area, west Guizhou

贵州省上二叠统龙潭组地层沉积类型多样，自西向东发育有陆相、海陆过渡相和海相沉积。黔西地区龙潭组为海陆过渡相，沉积体系主要为浅水三角洲、潮坪、潟湖、障壁岛等沉积组合[22-23]。龙潭组主要为互层的致密砂岩、页岩和煤层(图1c)，具有非常规气的勘探开发潜力[5-6]。通过对研究区内24口探井(图1b)开展单井和连井对比分析，结合前人的研究成果[22-23]，刻画了龙潭组的沉积环境和砂体、泥岩、煤层的分布(图2)。龙潭组砂岩主要分布在三角洲附近，砂体厚度超过150 m(图2a)，砂地比超过50%(图2b)；往东和往北方向为潮坪—潟湖相区域，砂体厚度明显变薄(图2a)，砂地比降低(图2b)。龙潭组泥岩主要分布于东北和南部的潮坪—潟湖相区域，厚度一般在50 m以上(图2c)。龙潭组煤层主要发育于西南三角洲沉积环境，厚度在20 m以上(图2d)。进一步统计研究区内24口探井(图1b)的龙潭组岩性单层厚度包括964层砂体、1 134层煤和737层泥岩，结果显示黔西地区龙潭组砂岩、泥岩和煤层的单层厚度薄，大部分单层厚度薄于2 m(表1)。

图2 黔西地区上二叠统龙潭组主要岩性沉积环境和分布Fig.2 Sedimentary environment and distribution of main lithofacies in Upper Permian Longtan Formation, west Guizhou

2 龙潭组致密砂岩储集特征

2.1 龙潭组砂岩矿物成分与结构

根据FOLK推荐的分类方案[24]，海陆过渡相龙潭组致密砂岩属于典型的岩屑砂岩，与陆相致密砂岩(如长7砂岩和巴什基奇克组砂岩)矿物成分明显不同(图3a)。陆相致密砂岩(长7、登楼库组、徐家河组和巴什基奇克组)的碎屑矿物主要为石英和长石，含量在50%～90%之间[2,10,25]；海陆过渡相龙潭组砂岩的主要碎屑矿物是岩屑，其含量大于70%(图3a)。进一步矿物成分研究表明，岩屑主要由泥粒组成，含量为48%～50%，并含少量的火山岩、变质岩、沉积岩、凝灰岩和云母碎屑。这些泥粒一般是在海陆过渡相环境中形成的。龙潭组砂岩填隙物以泥质成分为主，包括约7%的杂基和10%的胶结物(图3b-c)。龙潭组砂岩颗粒大小从极细到细砂不等，分选为中等至较差，具有较低的圆球度(次棱—次圆)(图3b-c)。总体上，龙潭组砂岩具有较低成分成熟度和结构成熟度。

X射线衍射成分分析结果(表2)表明，龙潭组砂岩具有黏土矿物含量高的特征，平均含量为42.5%。黏土矿物含量从三角洲区域向潮坪—潟湖相区域略有降低，而白云石含量急剧增加，主要是受海相碳酸盐沉积的影响。黏土矿物通常会降低粒间孔的大小并阻塞孔喉，从而显著降低渗透率[10]。因此，砂岩中黏土含量越高，储层质量越差。此外，龙潭组砂岩的黏土矿物中伊蒙混层相对含量超过55%。伊蒙混层含量与孔隙度和渗透率具有明显的负相关关系[26]。研究表明，黏土矿物含量高及伊蒙混层占比高是导致龙潭组砂岩储层质量差的关键因素之一。

表1 黔西地区上二叠统龙潭组主要岩性单层厚度统计

图3 中国典型致密砂岩和黔西地区龙潭组致密砂岩矿物成分

a.中国典型盆地致密砂岩和黔西地区龙潭组致密砂岩；b.龙潭组岩屑砂岩：细粒，次棱，中等分选，单偏光，YV-1-1井，810.85 m；c.龙潭组岩屑砂岩：细—非常细的颗粒，次棱—次圆，中等—差分选，单偏光，YV-1-3井，681.11 m

Fig.3 Mineral composition of tight sandstones in Longtan Formation in west Guizhou and other typical tight sandstones in China

2.2 龙潭组砂岩储层物性和储集空间类型

龙潭组砂岩样品的物性分析结果(图4)显示其孔隙度介于3.14%～11.1%之间，平均值为7.05%；渗透率为(0.013～4.42)×10-3μm2，平均值为0.81×10-3μm2。孔隙度—渗透率相关系数低表明孔隙度和渗透率之间没有明显关系，因为渗透率受到了孔喉结构和微裂缝发育的影响。其中一些砂岩样品具有孔隙度低，但渗透率高的特点。

根据NELSON[9]的孔径分类，小于10 μm的孔被归类为微孔，小于1 μm的孔喉被归类为微孔喉。通过对龙潭组砂岩样品镜下薄片和扫描电镜观察，砂岩中粒间和粒内大孔很少见(图5a-b)；其微裂缝发育(图5a-b)，通过其连接孤立孔有利于提高储层质量；黏土矿物中伊蒙混层呈纤维状和片状形态，其微孔广泛存在(图5c)；同时还观察到有机物内的微孔(图5d)。这些黏土矿物中微孔大多是孤立孔，连通性较差，对气体的流动能力基本没有贡献。

2.3 龙潭组砂岩孔喉结构

2.3.1 压汞法测定的孔喉结构

通过压汞法研究龙潭组砂岩的毛细管压力曲线(图6a)、孔喉大小、分布(图6b)和非均质性(图6c)等特征发现龙潭组砂岩孔喉小、孔喉结构复杂。在最大注汞压力50 MPa下，最大注汞饱和度在26%～37%(远小于100%)(图6a)，说明龙潭组砂岩中只有少部分孔喉系统可接触到注入汞。最大注入汞饱和度受砂岩孔喉结构控制，意味着龙潭组砂岩的孔喉结构十分复杂。图6b显示龙潭组砂岩的总体孔喉分布特征是90%以上孔喉半径小于1 μm。根据KASSAB等[26]的研究，孔喉分布对储层内油气运移有控制作用。由于龙潭组砂岩中的孔喉较小，因此需要较高的驱替压力才能发生油气运移。

分形理论被广泛用于表征页岩、煤层和致密砂岩的孔喉结构特征及其非均质性[7,10]。常用的方法之一就是利用压汞数据进行分形分析。分形维数(Df)可以通过注汞饱和度(lnSHg)和毛管压力(lnPc)交会图得到，其值通常在2～3之间，用来表征孔喉表面粗糙度和孔喉结构不规则性[7]。分形维数和孔喉结构非均质性呈正相关。龙潭组砂岩的Df值接近或略大于3(图6c)，说明孔喉结构的非均质性强。另外，研究表明龙潭组砂岩中发育微裂缝可能会导致分形维数大于3.0。

表2 黔西地区龙潭组砂岩样品X衍射全岩矿物成分及黏土矿物相对含量

Table 2 Mineral composition and relative clay mineral content the Longtan sandstone samples in west Guizhou based on X-ray diffraction analysis %

测试样品沉积相黏土总含量全岩定量分析石英钾长石斜长石方解石白云石黄铁矿菱铁矿黏土矿物相对含量高岭石绿泥石伊利石伊蒙混层YV-1-1三角洲5930632118477YV-1-2三角洲5723173610678YV-1-3三角洲56312831526455HV-3三角洲67147122010367YV-4三角洲23.931.10.53.69.13.90.227.7209467Y-28-1潮坪—潟湖21.216.30.30.517.740.53.56121864Y-28-2潮坪—潟湖26.8120.24.30.155.80.8131482XD-1-1潮坪—潟湖25.812.20.54.30.156.11491671XD-1-2潮坪—潟湖46.226.70.40.39.111.40.35.6213265

图4 黔西地区龙潭组致密砂岩孔隙度和渗透率交会图Fig.4 Cross-plots of porosity versus air permeability for Longtan sandstones in west Guizhou

图5 黔西地区龙潭组砂岩的储集空间类型Fig.5 Photomicrographs showing pores and microfractures within Longtan sandstones in west Guizhou

图6 压汞法分析黔西地区龙潭组砂岩样品孔喉结构特征 a.压汞曲线；b.孔喉半径分布；c.毛管压力(Pc)和注汞饱和度(SHg)的分形分析Fig.6 Pore throat structure characteristics of Longtan sandstones in west Guizhou by mercury injection capillary pressure analysis

2.3.2 核磁共振实验测定的孔喉结构

在储层研究中，核磁共振技术被广泛用于评估流体和储层参数[7,10,27-30]。前人研究证实，核磁共振实验测量得到的横向弛豫时间(T2)与孔喉尺寸大小呈正相关[10]。通过核磁共振实验测试，龙潭组砂岩样品100%饱和水和离心后岩心样品的T2信号强度和累积强度分布(图7a-b)显示T2值范围为0.1～10 ms，对应于非常小的孔径尺寸。龙潭组砂岩的T2值范围(图7a-b)比中国其他典型的致密砂岩(如延长组、徐家河组和巴什基奇克组砂岩)的T2值范围(图7c-e)要窄得多，这主要归因于龙潭组砂岩中黏土含量高和微孔多。龙潭组砂岩(图7a-b)和页岩(图7f)的T2谱非常相似，可能因为龙潭组砂岩富含黏土矿物，进一步表明龙潭组砂岩中孔隙以微孔为主。

T2截止值(T2cutoff)将T2谱分为2部分，即束缚水和可动水区域[10]。T2截止值可以通过样品离心后曲线最大累积值在100%饱含水累积曲线上对应的T2值获得。图7a中龙潭组砂岩样品的T2cutoff值是3.2 ms，大于3.2 ms的红色充填区域表征样品中可动流体含量；图7b中龙潭组砂岩样品的T2cutoff值是2.4 ms，大于2.4 ms的红色充填区域表征样品中可动流体含量。总体而言，龙潭组砂岩的T2cutoff值(图7a-b)比常规砂岩的33 ms[27]小很多，因为其微孔含量多且结构复杂。此外，束缚水饱和度可通过样品离心后累积曲线的最大值与100%饱含水累积曲线的最大值之比获得。龙潭组砂岩的束缚水饱和度值大于70%(图7a-b)，这主要是由上述致密砂岩中以微孔为主导致的。

图7 中国典型致密砂岩和黔西地区龙潭组砂泥岩T2谱

a.贵州西部龙潭组砂岩，T2cutoff= 3.2 ms，束缚水饱和度74%，Y-28-1井，680.3 m；b.贵州西部龙潭组砂岩，T2cutoff= 2.4 ms，束缚水饱和度88%，XD-1-1井，1 150.8 m；c.鄂尔多斯盆地延长组砂岩，S103井，2 042.56 m[28]；d.四川盆地徐家河组砂岩，PL2井，2 877.21 m[10]；e.塔里木盆地巴什基奇克组砂岩，KS4井，3 390.54 m[10]；f.贵州西部龙潭组泥岩，Y-6井，982.8 m[13]

Fig.7 Nuclear magnetic resonanceT2spectra for tight sandstones and shale in Longtan Formation in west Guizhou and other typical tight sandstones in China

3 龙潭组致密砂岩气潜力讨论

通过对黔西地区龙潭组砂岩储层宏观属性(孔隙度和渗透率)和微观属性(储集空间类型和孔喉结构特征)分析，表明龙潭组砂岩碎屑颗粒压实作用强、储层致密(图3b-c)；其矿物成分以岩屑为主，黏土含量高，伊蒙混层占比超过55%(表2)；孔隙空间以微孔为主(图6b)，孔喉结构复杂(图6c)，束缚水饱和度含量高(图7a-b)。龙潭组砂岩包裹体均一温度显示原生的气水包裹体均一温度区间为105～140 ℃(图8a)，龙潭组样品Ro在0.85%～1.17%[13]。综上所述，根据碎屑岩成岩阶段划分标准，龙潭组砂岩属于中成岩阶段A期。

与中国已成功勘探和开发的典型致密砂岩(如鄂尔多斯盆地的延长组致密砂岩)相比，龙潭组致密砂岩单层厚度薄、孔喉结构致密、非均质性强、储层质量差，因此，单独开发龙潭组致密砂岩气经济性差。但龙潭组的海陆过渡相沉积环境造成砂岩与泥岩和煤层呈互层分布，因此，致密砂岩气具有与煤层气和页岩气一起开发利用的地质基础。致密砂岩气、煤层气和页岩气的潜力主要由龙潭组烃源岩生气量和后期构造活动中的散失天然气量决定的，而龙潭组中的烃源岩生气量主要受有机质的厚度、类型、丰度和成熟度控制，散失气量主要受构造活动的强弱和频率控制[31-32]。龙潭组烃源岩厚度大(图2c-d)、有机碳含量高[13]、成熟度高、有机质转化率较高[12]，因此，推测龙潭组烃源岩的生烃能力强。然而，龙潭组经历了多期构造运动，如燕山运动和喜马拉雅运动[18]，龙潭组地层中天然气保存风险大，后期工作应研究构造运动对龙潭组天然气保存的影响，寻找变形程度低、保存条件好的有利区带。包裹体镜下照片显示龙潭组砂体样品中存在次生的气液包裹体(图8b)，而且主要成分是甲烷和二氧化碳，这就说明致密砂岩中存在天然气聚集，证明了高有机碳含量和高成熟度的烃源岩可以产生足够的天然气充注到致密砂岩中。前人研究成果显示，黔西地区页岩气[12-13]和煤层气[18]具有勘探开发的潜力，致密砂岩气通过与页岩气和煤层气的共同开采方式，可以实现经济有效地利用黔西地区的非常规气资源(图9)。

4 结论

(1)黔西地区上二叠统龙潭组砂岩属于高黏土含量微孔致密岩屑砂岩，其特征是结构和成分成熟度低，黏土含量高，伊蒙混层占比高。高黏土矿物含量是导致龙潭组砂岩储层质量差的关键因素之一。

(2)龙潭组砂岩整体进入中成岩A期，压实作用强，大孔隙不发育。黏土矿物中存在大量孤立的微孔，导致储层渗透性差。另一方面，微裂缝的存在改善了储层质量，出现低孔高渗现象。

图8 黔西地区龙潭组砂岩样品流体包裹体分析 a.包裹体均一温度柱状图；b.流体包裹体镜下照片Fig.8 Fluid inclusion analysis of Longtan sandstones in west Guizhou

图9 黔西地区龙潭组致密砂岩气、页岩气和煤层气合采示意Fig.9 A schematic section of commingled production for tight gas, shale gas and coalbed methane in Longtan Formation, west Guizhou

(3)压汞实验结果显示，龙潭组砂岩孔喉结构致密，90%以上孔喉半径小于1 μm。此外，压汞曲线分形维数表明，龙潭组砂岩具有复杂的、非均质性强的微观孔喉结构。

(4)核磁共振实验结果显示龙潭组砂岩横向弛豫时间T2在0.1～10 ms的范围内，对应的孔径十分小。低T2截止值和高束缚水饱和度均表明龙潭组砂岩储层质量较差。与国内其他典型致密砂岩(如延长组、徐家河组和巴什基奇克组砂岩)相比，龙潭组砂岩的孔喉结构更致密。

(5)龙潭组致密砂岩单层厚度薄、孔喉结构复杂、致密，致密砂岩气潜力比较有限。但砂岩与泥岩和煤层呈互层分布，致密砂岩气与页岩气和煤层气的共同开采是一种可行方式。