四川元坝地区大安寨段陆相细粒沉积岩储层物性特征及有利储集层研究

朱毅秀，吕 品，金 科，郭芪恒，王 欢，王昕尧，师 源

(1.中国石油大学(北京)，北京 102249；2.中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010；3.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710018)

0 引 言

中国沉积盆地在多旋回的构造演化过程中，发育了海相、陆相及海陆过渡相3类富含有机质的泥页岩层系[1]。以四川盆地为例，不仅相继在川东南涪陵焦石坝、川南威远和长宁、昭通示范区实现海相页岩气商业开发[2]，还在以侏罗系自流井组及上三叠统须家河组为代表的陆相页岩层系中取得了重大突破[3]，特别是元坝地区大安寨段页岩储层发现的高产工业气流，进一步证实中国陆相页岩气具有巨大的潜力和良好的勘探开发前景[4-5]。中国陆相富有机质页岩具有地层时代新、分布范围广、有效厚度大、演化程度低的特点，储层单层厚度普遍小，有机质含量相差大，非均质性强，成熟度相对较低，且开发难度大[6-7]。元坝地区大安寨段陆相页岩分布面积广，油气显示较好，勘探潜力大，但针对湖相页岩储层物性方面的研究还不够细致深入。因此，通过对四川盆地元坝地区大安寨段陆相细粒岩储层物性特征分析，明确有利储集岩性和储集层段，为陆相页岩油气的勘探及开发生产提供理论指导。

1 区域地质概况

四川盆地是一个位于上扬子地台西部、呈北东向展布、菱形构造的沉积型叠合盆地[8]。晚二叠世—晚三叠世印支运动时期，盆地整体抬升、海水退出，由海相沉积逐渐转变为陆相沉积[9]。晚三叠世和侏罗纪盆地演化为巨大的陆相湖盆，呈现出北陡南缓的不对称大型宽缓湖盆，形成了上三叠统须家河组及侏罗系自流井组、沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组沉积层序。下侏罗统自流井组划分为珍珠冲段、东岳庙段、马鞍山段、大安寨段，分别代表早侏罗世的4个沉积演化阶段[10]。大安寨段沉积期为伸展作用最弱、造山带活动最稳定的时期，盆地拗陷速率远大于陆源碎屑堆积速率，导致了早侏罗世最大湖盆的形成[11]。元坝地区处于四川省广元市苍溪县、阆中市和巴中市境内(图1)，面积为3 200 km2。受构造作用的影响，区域内共有5个次级构造单元(图1)。研究区处于川中和川北的过渡带，地层产状平缓，断裂不发育。大安寨段时期，湖盆经历一个完整的湖进—湖退旋回。大安寨段从上至下划分为大一亚段、大二亚段和大三亚段。大三亚段为深灰—褐灰色介屑灰岩，夹粉砂岩、泥岩及页岩；大二亚段为深灰—灰褐色页岩(泥岩)和介屑灰岩，呈互层状或条带状；大一亚段以深灰色—灰黑色介屑灰岩为主。大安寨段沉积厚度为70～138 m，一般厚度在90 m左右。湖盆中心位于仪陇一带，大安寨段沉积亚相包括滨湖、浅湖和半深湖，由湖盆中心逐渐向浅湖和滨湖过渡。

图1 元坝地区构造单元和研究区位置示意图

元坝地区大安寨段细粒沉积岩依据其组分进行分类，以黏土矿物、粉砂级长英质矿物和碳酸盐矿物含量作为三端元，分为泥岩、粉砂岩、灰岩三大类，页理发育的泥岩称为页岩。研究区大安寨段细粒岩岩石类型以泥页岩、介壳页岩、介壳泥岩和介壳灰岩为主，粉砂岩含量较低，混合岩不发育。

2 储集空间类型及特征

元坝地区大安寨段细粒岩储层储集空间为微米—纳米细小孔隙和裂缝，孔隙类型为有机质孔、粒间孔、晶间孔、溶蚀孔和黏土矿物间微孔，裂缝包括构造缝、页理缝和成岩收缩缝(图2)，图中所有照片为扫描电子显微镜照片，样品经过氩离子抛光处理。

2.1 微孔隙

2.1.1 有机质孔

岩石中的有机质在生烃演化过程中形成很多微孔，有效提高了页岩储层的孔隙度，是油气重要的储集空间。扫描电镜下有机质色暗，其内发育有机质孔，单一形状多为圆状、椭圆状及不规则状，集合体不均匀状和网络状均发育(图2a、b)，孔隙直径为2～700 nm，主要分布在30～80 nm。有机质成熟生烃过程中，气态和液态烃类形成与运移及聚集，改变有机质内部结构，在有机质颗粒内部形成纳米级大小的孔隙[12-17]。研究显示，当有机质的镜质体反射率(Ro)大约为0.50%时就开始产生有机质孔，随着热演化程度在一定范围内增加，有机质孔的体积也增加，Ro和有机质孔隙度呈正相关[18]。研究区陆相富有机质含量和较高的成熟度有利于页岩中有机质纳米孔隙的形成，富含有机质的页岩和介壳页岩中有机孔发育。

图2 四川盆地元坝地区大安寨段页岩储层微孔隙显微特征

2.1.2 粒间孔

大安寨段埋藏深度较大，粒间孔呈现残余状，残余粒间孔主要分布在硅质矿物、灰质颗粒的边缘，呈现定向分布(图2c、d)。孔隙形态不规则，同时黏土矿物、碳酸盐矿物、硅质、有机质或沥青等杂基与成岩矿物充填粒间孔，因而大安寨段粒间孔相对不发育。

2.1.3 晶间孔

研究区细粒沉积岩中发育方解石晶间孔(图2e)、黏土矿物晶间孔(图2d、f、g)和草莓状黄铁矿晶间孔(图2h)。方解石晶间孔大多呈现多边形、零星状和不均匀网状分布，多为单个存在或线状定向分布，孔径为100～300 nm；草莓状黄铁矿晶间孔呈多边形状，集合体呈网络状分布在草莓状球内，连通性较好，孔径主要为10～150 nm；黏土矿物晶间孔相对复杂，不同矿物类型对应孔隙形态不同，储层片状伊利石发育，此晶体多为重结晶形成的厚片状伊利石晶，此晶间孔呈现不规则状、长片状、弯曲状等，晶间孔径大小不一，孔径为10～500 nm。整体晶间孔分布无规律、相互连通性较差，部分晶间孔被泥质、灰质充填。

2.1.4 溶蚀孔

研究区细粒沉积岩的镜质体反射率Ro为1.38%～1.83%，有机质热演化程度高，处于成熟—高成熟演化阶段，演化过程中曾有有机酸发育，其在不同岩性中形成不一样的溶蚀孔隙，产生了一定量的方解石和硅质组分的溶蚀孔隙，孔隙大小多为微米级别(图2i)，孔径为500～3 000 nm，溶蚀孔形态多为不规则状，分布不均、多为零星状。介壳灰岩内基本均为零星状孤立溶蚀微孔，在富含有机质的灰质页岩和介壳页岩中溶蚀微孔较发育。

2.1.5 黏土矿物间孔

黏土矿物间孔隙为线状孔隙和网状孔隙(图2g，图3a、b)。在伊利石厚层中、伊利石纹层、其他黏土矿物和细粒组分纹层间、伊利石与矿物颗粒间均可见线状微孔隙，部分线状孔隙中半充填少量有机质(图3a、b)，沉积和成岩共同作用使线状方向和纹层、层面方向近平行；此片状微缝延伸距离相对较远，有时平行排列，片状缝有利于微孔之间的连通。在页岩中暗色黏土矿物纹层间、裂隙与粒间孔自生黏土矿物充填区域常发育网状微孔隙(图2g)，分布不均匀，网络孔隙及网内微孔隙发育、连通性好。这类微孔隙和黏土矿物相伴生，发育于多种黏土矿物及包裹其他矿物颗粒的黏土矿物间，孔径为2～2 000 nm。

元坝地区大安寨段地层发育以上5种微孔隙类型，黏土矿物间孔和有机质孔发育，溶蚀孔和晶间孔较发育，粒间孔较少(表1)，均为微米—纳米级微孔隙。黏土矿物间孔主要分布在黏土矿物含量高的页岩和介壳页岩中，形态上多呈线状。有机质孔主要分布在TOC含量高的泥页岩和介壳泥页岩中，发育较少的粒间孔主要分布于介壳灰岩和泥质粉砂岩中。晶间孔在各类岩石中均有发育，页岩中主要发育自生黏土矿物晶间孔和黄铁矿晶间孔，介壳灰岩和介壳泥岩、介壳页岩中发育方解石晶间孔。溶蚀孔主要发育于介壳灰岩和介壳泥岩、介壳页岩中，其中，溶蚀孔的粒径相对较大，页岩储层宏孔相对发育，主要是溶蚀孔。统计显示，研究区陆相页岩储层储集空间以无机孔隙为主，有机质孔不同于海相页岩储层，因其仅是重要储集空间，而不是最主要的储集空间。

表1 四川盆地元坝地区大安寨段孔隙发育与分布

2.2 裂缝

裂缝是元坝地区大安寨段细粒沉积岩中油气运移的重要通道和储集空间，成因上可分为构造裂缝、页理缝、成岩收缩缝三大类。

2.2.1 构造裂缝

构造裂缝是最主要的裂缝类型，是构造应力作用的结果，常伴生断层和褶皱，可分为张裂缝和剪裂缝。

张裂缝：拉张应力造成岩石张裂缝破裂面较粗糙不平整，缝长度介于几厘米至几米，宽度介于几十微米至几厘米，易被自生矿物充填和半充填。元坝地区大安寨段发育的张裂缝主要为低角度张裂缝，岩心上裂缝宽度为毫米级别(图3c、d)，剖面上缝宽多为厘米级(0.5～3.0 cm)，灰白色灰质充填、半充填为主，介壳灰岩层中多被全充填。

剪裂缝(剪节理)：是受到剪切应力形成的裂缝，裂缝面闭合，平直光滑，可见擦痕，常切过矿物颗粒，成对出现，呈共轭“X”形，延伸较远。元坝地区大安寨段岩心中剪裂缝少见，多在光学显微镜下观察到显微型剪裂缝(图3e、f)；在重庆梁平剖面可见多处此类裂缝，在介壳页岩中发育，缝宽为0.10～7.00 mm，延伸长度可达1 m。

图3 四川盆地元坝地区大安寨段微纳孔隙及裂缝特征

2.2.2 页理缝

层间纹层间缝主要在沉积作用下形成的，形成于震荡的弱水动力条件，由一系列薄层细粒沉积物沉积成岩而成，薄层间页理为极易剥离的力学薄弱面，即层间页理缝。大安寨段页岩储层中的页理缝发育，主要是富有机质的暗色(深灰色)黏土矿物纹层和含有机质富介壳的灰色灰质纹层交互叠置，组分与颜色等呈韵律状，此类黑色页岩与纹层状介壳页岩中发育页理缝(图3g)。缝宽为0.01～0.50 mm，平行纹层面，层面有摩擦痕迹、亮化面。

2.2.3 成岩收缩缝

多见于不同矿物间和有机质与无机矿物颗粒间(图3h、i)，缝宽为微米—纳米级(0.01～5.00 μm)，缝长为毫米—厘米级。

3 细粒沉积岩储层孔渗特征及孔隙结构

3.1 细粒沉积岩储层孔隙度与渗透率

使用氦气法测量元坝地区大安寨段细粒沉积岩的孔隙度和渗透率如表2所示。由表2可知，元坝地区大安寨段页岩储层孔隙度为0.92%～8.12%，平均孔隙度为3.35%；渗透率为0.001～33.930 mD，平均渗透率为2.630 mD，平均值偏高主要是由于个别样品渗透率在30.000 mD以上。孔隙度小于6.00%的样品占90%，小于2.00%的样品占45%；渗透率也偏低，小于0.100 mD的样品占55%。因此，元坝地区大安寨段储层属于特低孔特低渗致密储层。

表2 大安寨段不同岩性的孔隙度和渗透率

3.2 储层孔隙结构特征

3.2.1 氮气吸附法孔隙结构特征

国际理论与应用化学联合会(IUPAC)将氮气吸附-解吸等温线分为4类，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类表征均为开放性孔，Ⅳ类为封闭性孔[19]；元坝4井3 755.32 m处介壳灰岩发育孤立的微米级溶蚀孔，但整体致密，不发育开放性孔，呈现Ⅳ类孔隙结构，不具储气能力。页岩储层与灰岩的孔隙结构有一定差异，参数检测显示储层样品的比表面积为2.505 1～14.960 8 m2/g，其中介壳灰岩的比表面积最小，粉砂质页岩的比表面积最大，平均比表面积为9.006 6 m2/g。

采用BJH法计算细粒沉积岩的孔径，得到元坝地区大安寨段的孔径分布特征(图4)。孔径分布曲线显示，元坝地区细粒沉积岩的孔径均在10 nm内出现峰值，样品具有在3～7 nm的微孔隙对孔体积贡献最大的特点，孔径小于10 nm时，累积曲线很陡，孔径大于10 nm时，累积曲线逐渐变得平缓，说明细粒沉积岩的微孔(小于2 nm)和介孔(2～50 nm)在孔体积中占比大，宏孔(大于50 nm)占比小。

图4 四川盆地元陆4井大安寨段岩石孔径分布

3.2.2 三维孔隙网络模型

聚集离子束扫描电镜(FIB-SEM)的出现提供了一种研究泥页岩纳米孔隙结构的新方法，该技术分辨率高，在制样过程中不会产生人造孔隙，能够真实还原页岩孔隙的三维结构特征。实验样品为元陆4井大安寨段3 757.52 m处的介壳页岩，通过三维分布特征可以看出，样品中各种矿物成分、有机质和纳米孔隙在三维空间上的分布。实验结果表明，该样品中黄铁矿发育(图5a)，有机质丰富(图5b)，纳米孔隙在三维空间上形状复杂(图5c)。由图5可以看出：①图a中颜色最暗的区域有机质含量最高，该区域为有机质，有机质微孔大量发育，连通性很好；②黄铁矿分布区域，有机质含量低，孔隙发育较少，图5c上部中右部分显示孔隙为黄铁矿晶间孔和有机质孔复合；③孔隙的空间分布与有机质空间分布有一定的规律性，有机质含量高的部位，孔隙发育好，连通性好，故孔隙发育受有机质含量的影响，有机质含量高，孔隙越发育，孔隙在三维空间上连通性好。

图5 FIB-SEM法细粒沉积岩有机质和孔隙三维空间展布

4 页岩储层物性分布

富有机质页岩既是烃源岩，也是储集岩，具有自生自储、源储一体、源内成藏的特点。因此，有机质含量的高低决定了页岩气资源的潜力。研究区大安寨段泥页岩、介壳泥岩、介壳页岩的有机质丰度普遍高于介壳灰岩。页岩气主要以吸附气和游离气的状态存在于泥页岩微孔隙空间中，吸附气的含量对页岩气长期稳产起到了至关重要的作用。有机质孔隙具有亲油(气)性，对页岩气的吸附具有天然的分子引力，因而容易产生吸附作用；而黏土矿物孔则具有亲水性，甚至在孔壁形成水膜，难以吸附烃类气体，因而黏土矿物间孔中多数烃类气体呈现游离状、游离—吸附过渡状存在。元坝地区大安寨段细粒岩有机质丰度与黏土含量具有很好的正相关性(图6)，出现高有机质丰度、高黏土含量的页岩及介壳页岩相比介壳灰岩吸附气的能力更强，纳米储集空间相对更为发育。三维孔隙网络显示高有机质丰度的区域孔隙的发育更好，连通性更高。

综上所述，元坝地区大安寨段高有机质含量的泥页岩及介壳泥岩相比介壳灰岩，生气潜力更大，吸附气的能力更强，孔隙度和渗透率也更高。结合研究区储层物性数据、TOC和黏土矿物含量以及常规试气结果，对陆相页岩气储层进行分类，可得出最有利储层、有利储层、较有利储层和非储层(较差储层)(图6)。元坝地区大安寨段富有机质泥页岩和富有机质介壳泥页岩为研究区最有利的储集岩性，而有利储集岩性在整个研究区均有分布，有利储集层段为大安寨段的中部和下部泥岩层段。

图6 四川盆地元坝地区元陆4井大安寨段细粒沉积岩储层物性特征及储层分类

5 结 论

(1) 元坝地区大安寨段细粒岩储层的储集空间分为孔隙和裂缝2类，包括黏土矿物间微孔、有机质孔、晶间孔、溶蚀孔、粒间孔和构造缝、页理缝、成岩收缩缝，无机质孔优于有机质孔。

(2) 大安寨段细粒沉积岩储层以微孔和介孔为主，孔径主要集中在3～7 nm，为特低孔低渗致密储层。

(3) 研究区有机质含量较高的泥页岩和介壳泥页岩物性好于介壳灰岩，前者含气性高于后者，有利储集层段为大安寨段中部和下部泥(页)岩和介壳泥(页)岩层段。

致谢：感谢国家专项课题承担方中石化研究院非常规所胡宗全、刘光祥、冯动军、朱彤、刘忠宝、王鹏威等领导专家的大力支持与指导，以及研究过程中参与的研究生李新、肖劲光、李众、李硕、刘振宇等同学，特别感谢前期工作的赵建华博士和后期论文审稿专家的辛勤劳动。