砂質紋層的發(fā)育特征及對頁巖儲層物性的影響
——以鄂爾多斯盆地南部中生界延長組為例

楊 瀟，姜呈馥，孫兵華，宋海強

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院；2.陜西延長石油國際勘探開發(fā)工程有限公司，陜西西安710075)

砂質紋層的發(fā)育特征及對頁巖儲層物性的影響
——以鄂爾多斯盆地南部中生界延長組為例

楊 瀟1，姜呈馥1，孫兵華1，宋海強2

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院；2.陜西延長石油國際勘探開發(fā)工程有限公司，陜西西安710075)

通過露頭剖面、巖心觀察和測量，分析了鄂爾多斯盆地南部中生界頁巖中砂質紋層的發(fā)育特征，并利用掃描電子顯微鏡和XRD定量分析技術，分別觀察分析了砂質紋層和純頁巖層的微觀特征和巖石礦物學組分。在此基礎上，為了分析砂質紋層對頁巖儲層物性影響，用脈沖衰減法對砂質紋層和純頁巖層的孔隙度和滲透率進行測試，結果表明，頁巖中發(fā)育的砂質紋層增大了頁巖孔隙度和水平滲透率：砂質紋層中含有石英、長石等碎屑顆粒，在成巖壓實過程中形成的支撐結構有利于原生孔隙的保存，后期溶蝕作用也在一定程度上增加了頁巖儲層的孔隙度，這些碎屑顆粒也增加了整個頁巖層系的脆性，有利于頁巖后期的壓裂；砂質紋層與頁巖之間形成的層理面增大了頁巖儲層的水平滲透率。因此，頁巖氣的勘探部署和后期開發(fā)過程中要重視砂質紋層的研究。

鄂爾多斯盆地；陸相頁巖；延長組；砂質紋層；頁巖儲層

隨著北美頁巖氣商業(yè)開發(fā)的成功，在頁巖中發(fā)現了大量的天然氣資源，人們逐漸認識到暗色富有機質頁巖可以大量生氣、儲氣，形成自生自儲式天然氣聚集，尤其是頁巖中有機孔隙、粒間孔隙及顆粒孔隙的發(fā)育，可以有效儲集油氣，這成為油氣勘探開發(fā)的新領域。近年來，國外部分學者也開始注意到頁巖中發(fā)育有砂質紋層，認為砂質紋層是油氣運移通道和儲集空間[1]，有利于泥頁巖中裂縫發(fā)育，對頁巖氣的產量也具有一定影響。國內學者張金川等[2]把頁巖氣定義為主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集，頁巖氣藏是天然氣生成之后在源巖層內就近聚集的結果，天然氣不僅存在于泥頁巖，也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖甚至砂巖地層中。在2014年頒發(fā)的《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規(guī)范》中，將富含有機質的烴源巖系，以頁巖、泥巖和粉砂質泥巖為主，含少量砂巖、碳酸鹽巖或硅質巖等夾層，稱之為頁巖層段，可見頁巖中的泥質粉砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖夾層對研究整個頁巖層系具有重要意義。

鄂爾多斯盆地中生界生油巖層系主要為三疊系延長組的暗色泥頁巖，分布于盆地南部10×104km2的范圍內，主要生油層為長4+5段—長9段，暗色泥巖總厚300～500 m[3]。鄂爾多斯盆地南部已成為鄂爾多斯盆地頁巖氣勘探的熱點和重點地區(qū)之一，長7油層組底部的張家灘頁巖和長9油層組頂部李家灘頁巖是盆地內主要的頁巖氣勘探層系，對這兩套頁巖的深入研究對資源評價和勘探部署等方面具有重要意義，近年來諸多學者針對鄂爾多斯盆地南部頁巖開展了大量研究工作[3-10]，但是對于頁巖中的砂質紋層發(fā)育特征，尚未見到詳細的研究，筆者通過露頭、巖心、鏡下觀察和XRD衍射分析等方法，對鄂爾多斯盆地南部重點頁巖勘探層系(長7、長9)中砂質紋層的發(fā)育特征進行分析，并通過非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減法研究砂質紋層對頁巖儲層物性的影響，以期對頁巖氣勘探部署及后期開發(fā)提供依據。

1 頁巖中砂質紋層的發(fā)育特征

本文所研究對象是指頁巖儲層中的粉砂巖紋層或泥質粉砂巖紋層，為描述方便，統稱為砂質紋層，主要特點是厚度小，以層理狀分布于頁巖儲層中，根據8條露頭剖面、29口鉆井巖心觀察和測量的結果，結合鏡下薄片觀察及XRD礦物成分分析，從不同尺度研究了延長組頁巖中砂質紋層的發(fā)育特征。

1.1 野外露頭觀察

通過野外露頭剖面觀察，鄂爾多斯盆地南部中生界延長組張家灘頁巖和李家畔頁巖中砂質紋層比較發(fā)育，頁巖與砂質紋層以點接觸和線接觸為主，頁巖中低角度交錯層理、平行層理及底沖刷構造、泄水構造等較發(fā)育。圖1a所示的銅川市金鎖關鎮(zhèn)淌泥河和三叉路口附近張家灘暗黑色頁巖中發(fā)育的兩薄層砂質紋層。圖1b所示的是銅川市金鎖關三叉路口長9頁巖中發(fā)育砂質紋層。圖1c是銅川市金鎖關淌泥河村附近一條張家灘頁巖實測剖面，地層近直立，地層產狀42°∠62°，該剖面處裂隙、小斷層發(fā)育，此剖面測量長度1410 cm，測量段發(fā)育砂質紋層14層，累計厚度72 cm，砂地比5.0%，砂質紋層頻率為1層/m。圖1d是銅川市金鎖關淌泥河村附近另一條剖面，剖面測量長度388.2 cm，測量段發(fā)育砂質紋層14層，累計厚度36.7 cm，砂地比9.5%，砂質紋層頻率為3.6層/m。

圖1 鄂爾多斯盆地南部延長組長7、長9頁巖露頭剖面

1.2 巖心實測

為了更系統地精細刻畫頁巖段的巖石學特征，進一步量化分析頁巖中砂質紋層的發(fā)育特征，本次工作對YY1、YY4、YY7、X55、X74、LP36等15口井的長7張家灘頁巖、長9李家畔頁巖巖心中的砂質紋層發(fā)育特征進行了觀察、測量和統計。在巖心的新鮮剖面上使用游標卡尺對紋層厚度和深度位置進行測量后制作巖性剖面，與野外剖面觀測結果和測井解釋結果相比精度更高(可達毫米級)也更為可信。

以系統取芯的YY1井為例，頁巖巖心觀察及薄片分析結果表明，張家灘頁巖、李家畔頁巖中砂質紋層較發(fā)育，但李家畔頁巖中發(fā)育程度相對較差。對YY1井張家灘頁巖5054.43 cm巖心實測結果表明張家灘頁巖中發(fā)育砂質紋層1880層，累計厚度601.13 cm，砂地比約為11.89%，出現的頻率為37.2條/m，最厚可達數十厘米。張家灘頁巖中砂質紋層發(fā)育程度不均，上部1357.78～1380 m和下部1401.14～1416.71 m砂質紋層比較發(fā)育，砂地比分別為11.52%、22.4%，出現的頻數分別為67.8條/m、36條/m。中部1380～1393.94 m和1395.7～1401.14 m砂質紋層相對不發(fā)育，清晰程度相對較差，砂地比分別為3.19%、2.64%，頻數分別為18.8條/m、14.1條/m，單層厚度多分布于0.2～2 mm之間(圖2a)。

YY1井李家畔頁巖段測量長度1150.42 cm，砂質紋層累計厚度約114.55 cm，砂地比約為9.96%，出現的頻率為19.1層/m，單層厚度也多數分布在0.2～2 mm之間(圖2b)。

圖2 YY1井頁巖中砂質紋層單層厚度統計直方圖

根據頁巖中砂質紋層的形態(tài)特征及連續(xù)性差異可將砂質紋層的形態(tài)分成兩類：平直型和波紋型。前者界面較為平直規(guī)整，整體厚度變化不大，橫向上連續(xù)性較好，水平或近水平方向分布且常成組出現(圖3a，b)，紋層界面可具有小范圍的輕微波狀起伏，可能是受底流改造影響或局部差異壓實原因，其內部粒度組成可顯示粒序變化。波紋型砂質紋層形態(tài)為透鏡狀或齒狀，連續(xù)或斷續(xù)，可順水平方向發(fā)育，也可按一定角度雜亂分布，在某一方向上發(fā)生尖滅或與其它紋層合并(圖3c)。

圖3 頁巖中發(fā)育的砂質紋層

1.3 微觀分析

利用普通電子顯微鏡對頁巖及砂質紋層的巖石學特征進行觀察，頁巖段巖性多為黑色、黑灰色、深灰色油頁巖夾暗色泥巖、碳質泥巖、粉砂巖、鐵質泥巖，其中粉砂巖或粉砂質頁巖主要以紋層、條帶或夾層的形式發(fā)育。經測量研究區(qū)紋層厚度大小不等，小于0.5 mm和大于5 mm的都有。紋層中的亮層不是石膏、文石層，且暗層也有沒有幾丁質碎片、藻類骨骼，因此紋層是機械作用形成的。亮層與暗層只是粘土礦物與碎屑礦物相對含量的多少，即暗層粘土礦物含量高，亮層碎屑礦物含量高(圖4)。亮層碎屑礦物顆粒邊緣溶蝕，孔隙多分布在碎屑顆粒邊緣，孔隙少，但連通性好。暗層粘土礦物含量高，粘土礦物沒有很好的晶體形態(tài)，孔隙分布在粘土礦物之間，分布密集，但連通性差。

圖4 泥頁巖中亮、暗紋層成分對比圖

17個泥巖樣和19個含砂質紋層的泥巖樣XRD結果顯示，泥頁巖中礦物組成以粘土礦物為主，伊利石含量在粘土礦物中平均占40%，其中以同沉積片狀伊利石最為發(fā)育，伊利石的片狀邊緣為不規(guī)則鋸齒形，且常伴有自生伊利石小晶體產出。石英和長石的含量占全巖41%～61%，平均51%。而砂質紋層成分組成主要包括碎屑顆粒(石英和長石)和填隙物。碎屑顆粒中石英和長石總體含量可占到36%～75%，平均可占全巖61%，其中長石(27%)的含量略低于石英(35%)，長石根據其節(jié)理角和能譜分析可辨別出鈉長石和鉀長石兩種。碎屑顆粒間的填隙物又可分為同沉積或后生的粘土礦物和成巖膠結物兩類。其中，充填孔隙的粘土礦物包括云母、伊利石、綠泥石、高嶺石、蒙脫石等，若其為自生，則其晶形完整、排列有序，而同沉積的粘土礦物可明顯觀察到其受到壓實作用的影響而呈彎曲狀包裹碎屑顆粒；成巖膠結物以石英較為常見，或以加大邊形式產出，或以連晶、嵌晶形式充填粒間孔。

此外還可觀察到個別被油膜包裹的碎屑顆粒，在鈉長石顆粒表面檢測出碳元素重量百分比高達62.4%。還可見一些礦物在油膜表面留下的印模以及干燥后在油膜與礦物顆粒表面形成的收縮層面縫。這證明了烴源巖中的砂質紋層曾發(fā)生過油氣充注。

2 砂質紋層對頁巖儲層物性的影響

頁巖氣的儲集空間主要包括顯微孔隙和裂縫兩大類[11]。根據裂縫的地質成因，可以將泥頁巖裂縫分為構造縫、層理縫、層面滑移縫、成巖收縮微裂縫、有機質演化異常壓力縫等5種裂縫類型[12]，層理縫的形成主要受沉積作用控制，不同巖性或礦物組成的泥頁巖互層分布，在接觸面處可形成層理縫。同時，層理面往往是巖石力學性質的薄弱面，在外力作用下，極易發(fā)生破裂、滑脫，形成泥頁巖儲層重要的儲集空間類型。頁巖氣巖心浸水實驗現場可見大量氣體沿砂質紋層或砂質紋層與頁巖之間的層理面逸出，推測砂質紋層與頁巖接觸面或砂質紋層是頁巖氣重要的運移通道和儲集空間。徐士林等[3]經過研究認為鄂爾多斯盆地三疊系延長組主要為泥巖與砂巖互層，大套的泥巖地層中經常夾雜有砂質紋層，這些砂質紋層中的孔隙為游離的頁巖氣提供了儲集的空間，姜呈馥等[13]也認為頁巖中的砂質紋層對改善頁巖的儲集性能有重大貢獻。由于研究區(qū)頁巖中廣泛發(fā)育有砂質紋層，為了對比分析砂質紋層和純泥頁巖在物性上的差異，本次工作把頁巖樣品中的砂質紋層從頁巖中分離出來后，分別對砂質紋層部分和純頁巖層進行測試，以了解其物性特征。

2.1 實驗方法

由于頁巖的孔滲性極差且遇水易膨脹，采用常規(guī)的孔隙度測試方法如壓汞法以及液體滲透率測試方法如穩(wěn)態(tài)法已不再適用。非穩(wěn)態(tài)脈沖衰減法是國內目前最為適用的頁巖滲透率測試方法，其采用氦氣作為測試氣體，可以同時測得頁巖的孔隙度和滲透率兩個物性參數值。

采用取樣器在頁巖巖心中鉆取直徑為2.5 cm的圓柱體，樣品長度3～5 cm不等，兩端切平。取樣后把樣品在真空中烘干，然后放入儀器中進行測試。本次測試在中國科學院滲流力學研究所完成，測試所用的儀器為美國巖心公司的PoroPDP-200，測試溫度為室溫，測試圍壓為6.89 Mpa以最大限度減小氣體滑脫效應，測試標準參照美國石油協會APIRP-40。由于頁巖樣品易碎，本次研究只完成了11組樣品的制樣工作，樣品包括純頁巖、含砂質紋層頁巖和頁巖中的砂質紋層，并采用脈沖衰減法對其進行了孔滲測試。

2.2 實驗結果及討論

測試結果見表1，砂質紋層、含砂質紋層頁巖、頁巖的物性明顯存在差異。砂質紋層物性最好(孔隙度大于7%，垂直滲透率0.000923 mD，水平滲流率0.003583 mD)，含砂質紋層的頁巖次之(孔隙度3.36%～5.48%，平均為4.03%)，純頁巖物性最差(孔隙度1.69%～3.54%，平均2.48%，垂直滲透率0.000058～0.000091 mD)。從測試結果來看，頁巖中的砂質含量，尤其是砂質紋層的發(fā)育對總孔隙度的大小具有重要影響。雖然粘土礦物含量較高的純頁巖的孔隙度變化范圍較大，但從整體來說，砂質紋層越發(fā)育，砂質含量越高，孔隙度越大。此外，樣品的水平滲透率明顯大于垂直滲透率，一般水平滲透率為垂直滲透率2～4倍。如X54井砂質紋層的水平滲透率為0.003583 mD，垂直滲透率僅0.000923 mD，水平滲透率是垂直滲透率的3.9倍，H36井2-45/54號樣含砂質紋層頁巖的水平滲透率為0.000603 mD，是垂直滲透率的2.7倍。這表明砂質紋層的發(fā)育對頁巖的水平滲透率有重要貢獻。

表1 延長組泥頁巖物性特征(脈沖衰減法測試結果)

2.2.1 砂質紋層的發(fā)育有利于提高頁巖儲層孔隙度

根據以上孔隙度實測數據與頁巖巖性的關系，可以看出頁巖中砂質紋層的發(fā)育是影響頁巖儲層孔隙度大小的重要因素，進一步對頁巖鏡下特征進行觀察，從頁巖沉積過程和成巖作用兩個方面對影響孔隙度的地質因素進行分析。

根據目前人們對頁巖沉積環(huán)境的認識，頁巖中的粘土礦物沉積時的水動力環(huán)境主要可以分為兩類(圖5a和b)：靜水條件下，懸浮沉積物以較為疏松的絮凝物沉積下來，壓實后絮凝物中的孔隙往往縮小為長軸狀的納米級孔隙；而在較強水動力條件下，粘土可以互相包裹、滾動，扎束形成較為堅固的團塊狀絮凝物，壓實后仍可保留等軸狀孔隙形態(tài)，孔徑最大可達微米級。不同水動力條件下形成的粘土絮凝物由于其自身結構和排列方式不同，導致其抗壓程度也有不同表現，從而在后期成巖壓實過程中影響了其孔隙演化特征，沉積作用對粘土礦物原始沉積結構的影響就決定了純頁巖孔隙度范圍跨度較大，實測值可以從1%～4%不等。

圖5 沉積和壓實作用對泥頁巖孔隙結構影響

石英是高成熟度礦物，抗機械壓實作用較強，使碎屑巖有利于保存部分原生孔隙。對于頁巖中發(fā)育的砂質紋層，其中發(fā)育的粉砂級長石、石英碎屑顆粒比粘土絮凝物更為堅硬、形態(tài)更趨于等軸狀，相應地，在孔隙結構演化過程中具有更好的保存孔隙的能力，孔徑級別相對純頁巖更大，孔隙度也更大。Loucks等[14]通過觀察Barnett頁巖有機質顆粒三維形態(tài)特征，證實了砂質紋層中的石英、長石等碎屑顆?？蓸嫵梢粋€相對剛性格架，增強頁巖的抗壓實能力，有利于頁巖中有機質微孔隙的保存。

除物理成巖作用外，化學成巖作用也是影響頁巖孔隙度的重要因素，脆性礦物如石英、長石、碳酸鹽巖的溶蝕作用，能在一定程度上增加頁巖氣的儲集空間[15]，相對頁巖中的泥質紋層部分，砂質紋層中較高的長石含量為溶蝕作用的發(fā)生提供了基礎，鏡下觀察鉀長石和鈉長石中隨處可見粒內溶蝕孔縫和粒間溶蝕孔縫，有的甚至可形成超大孔和幾十微米的大孔并且能夠得到很好的保存，證實研究區(qū)長7、長9段頁巖中發(fā)育的砂質紋層內發(fā)生過強烈的溶蝕作用，提供了大量的孔隙空間，也增加了頁巖的孔隙度。

2.2.2 砂質紋層的發(fā)育有利于產生低角度裂縫，提高頁巖儲層的水平滲透率

頁巖儲層礦物組分中的脆性礦物，如石英、長石、方解石等，是控制頁巖裂縫發(fā)育程度的主要內在因素[16，17]，直接影響頁巖氣儲集空間和滲流通道。當頁巖中石英、長石和碳酸鹽巖等礦物的含量較多而膨脹性黏土礦物含量較少時，頁巖的脆性較大，造縫能力強[18]，而頁巖層系中的粉砂巖、細砂巖、砂巖夾層等也可提高儲層的滲透性，有利于頁巖氣的開采，如北美Texas州西部Bossier含氣頁巖儲層為頁巖、砂巖和粉砂巖的混合巖性[19]，頁巖中的砂質夾層增加了頁巖本身的脆性，有利于裂縫體系的形成；Barnett頁巖內部硬地層(灰?guī)r和砂巖)往往與富有機質泥頁巖形成“三明治”結構，這非常利于開采過程中分段壓裂和天然氣產出。從實測數據來看，研究區(qū)發(fā)育有砂質紋層的頁巖滲透率更好，尤其是平行層理方向的滲透率可比純頁巖高出一個數量級，這說明頁巖層系中的砂質紋層可提高頁巖儲層的水平滲透性。

另外，在對研究區(qū)頁巖中大量裂縫觀察的基礎上，低角度裂縫常常發(fā)育在砂質紋層附近的泥質紋層中(圖6)，即砂質紋層的發(fā)育有利于產生低角度裂縫，且?guī)r性非均質性越強越容易形成網狀裂縫。這可能是由于裂縫的發(fā)育主要受控于應力的分布特征，而砂質紋層的存在恰恰造成了應力分布的不均一性，使得泥質紋層或粒度較小的砂質紋層承受了相對更大的應力從而更容易發(fā)育裂縫。通過對探區(qū)內幾十口頁巖氣開發(fā)井的統計可以發(fā)現，砂質紋層對改善頁巖的儲集性能有重大貢獻，探區(qū)內所有的頁巖氣高產井都發(fā)育砂質紋層，由此可見，分析泥頁巖的砂質紋層的發(fā)育特征，對頁巖氣的勘探和開發(fā)具有重要的意義。

圖6 長7頁巖中被硅質膠結的順層低角度裂縫， YY1井張家灘頁巖，1315.1m正交，5×

3 結論

露頭、巖心和鏡下觀察表明，鄂爾多斯盆地南部延長組長7及長9頁巖中發(fā)育大量的砂質紋層，與暗色頁巖條帶成交互層狀產出。

脈沖衰減法實驗結果表明，頁巖中的砂質紋層可以有效改善頁巖儲層的孔隙度和水平滲透率，從而為頁巖氣提供有效的儲集空間，同時砂質紋層中的石英、長石等碎屑顆粒的發(fā)育增加了頁巖脆性，使頁巖層系具有可壓性，在壓裂中利于形成人工裂縫，對頁巖氣的勘探和后期開發(fā)具有重要意義。

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[責任編輯 李曉霞]

The Sandy Laminar Characteristics and Its Effect on Reservoir Property of Shale:A Case Study from the Upper Triassic Yanchang Fm in Southern Ordos Basin

YANG XIAO1,JIANG Cheng-fu1,SUN Bing-hua1,SONG Hai-qiang2

(1.Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum(Group) CO.LTD.，Xi′an 710075,China；
2. Shaanxi Yanchang Petroleum International Exploration and Development Engineering CO.LTD.,Xi′an 710075,China)

Through the observation and measurement of outcrops and cores,this paper analyzes the characteristics of sandy laminar of the upper triassic Yanchang Fm in southern Ordos basin,and using scanning electron microscope(SEM) and X-Ray diffraction(XRD) to observe and analyze the rock mineral characteristics of sandy laminar and pure shale.In order to analyze the effect of sandy laminar on the shale reservoir property，this paper uses pulse decay method to test the porosity and permeability of the shale and sandy laminar.The results show that sandy laminar can increase the porosity and horizontal permeability of shale reservoir,clastic particles such as quartz and feldspar in sandy laminar can form a supporting structure which is favourite to preserve the primary pores,and paulopost dissolution can increase the porosity of shale reservoir to some extent.These clastic particles can also increase the shale brittleness,which is benefit for shale fracturing.The bedding surface of the shale and sandy laminar increases the horizontal permeability of shale reservoir. So we should pay attention to the sandy laminar of the shale reservoir in the shale gas exploration and development process.

Ordos basin; continental shale; Yanchang formation; sandy laminar shale reservoir

2015-01-08

楊 瀟(1980—)，女，河南靈寶人，陜西延長石油(集團)有限公司工程師。

TE122.2

A

1004-602X(2015)02-0018-06