四川盆地東部地區(qū)下侏羅統(tǒng)自流井組頁巖儲(chǔ)層特征

金 濤 張文濟(jì) 白 蓉 李世臨 張 芮 賈 敏

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

0 引言

四川盆地侏羅系已發(fā)現(xiàn)5個(gè)油田、18個(gè)含油區(qū)塊，均位于川中地區(qū)，其中下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段石油產(chǎn)量占據(jù)80%以上。川中地區(qū)長期以介殼灰?guī)r儲(chǔ)層為主要勘探開發(fā)對象，但介殼灰?guī)r儲(chǔ)層孔隙度多為1%左右[1-6]，勘探開發(fā)極為困難。在志留系下統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖氣取得成功的基礎(chǔ)上，近年來針對下侏羅統(tǒng)自流井組湖相頁巖儲(chǔ)層的研究也得到肯定。目前川中地區(qū)大安寨段頁巖油氣的研究已獲得一些成果[7-8]，但部署的頁巖油氣風(fēng)險(xiǎn)探井及上試井還未取得明顯效果，而川北元壩地區(qū)、川東涪陵地區(qū)侏羅系頁巖油氣已見到零星工業(yè)產(chǎn)能[9-10]，這兩個(gè)區(qū)塊的自流井組烴源成熟度較川中地區(qū)高，鏡質(zhì)體反射率為1.3%左右，處于凝析油氣階段，為頁巖油較佳的勘探區(qū)塊[11-13]。因此，有必要針對侏羅系勘探程度較低、烴源成熟度較高、富有機(jī)質(zhì)頁巖較發(fā)育的東部地區(qū)自流井組開展頁巖儲(chǔ)層特征研究，為東部地區(qū)油氣勘探尋找接替層系。

1 地質(zhì)背景

四川盆地侏羅系主要為一套以碎屑巖為主，夾介殼灰?guī)r的三角洲—內(nèi)陸湖泊相淡水沉積，沉積中心位于川中地區(qū)的南充、儀隴至渠縣一帶，而東部地區(qū)的大竹至梁平一帶為沉積次中心。自流井組沉積時(shí)期經(jīng)歷了兩次較大的湖侵期，湖侵期間形成了廣泛的淺湖—半深湖環(huán)境，沉積大套暗色泥、頁巖，主要分布在東岳廟段和大安寨段。

東部地區(qū)自流井組東岳廟段巖性主要為暗色泥、頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層夾介殼灰?guī)r、粉砂巖，地層厚度為30～60 m；富有機(jī)質(zhì)（有機(jī)碳含量≥1%）頁巖層系主要分布在中、上部，連續(xù)厚度（夾層單層厚度＜5 m，泥地比≥60%）最大超過30 m，頂、底以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、介殼灰?guī)r等致密巖層封閉[14]。

東部地區(qū)大安寨段巖性主要為暗色泥、頁巖、介殼灰?guī)r不等厚互層夾泥質(zhì)粉砂巖，地層厚度為40～100 m；富有機(jī)質(zhì)（有機(jī)碳含量≥1%）頁巖層系主要分布在中部，連續(xù)厚度（夾層單層厚度＜5 m，泥地比≥60%）最大50 m左右，頂、底以介殼灰?guī)r、粉砂巖等致密巖層封閉。

2 頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

東部地區(qū)東岳廟段暗色泥、頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要以Ⅱ1型為主,Ⅰ型和Ⅱ2型為輔，少量Ⅲ型[14]，大安寨段主要以Ⅱ1、Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)為主，少量Ⅲ型，總體上，東岳廟段有機(jī)質(zhì)類型優(yōu)于大安寨段。

東部地區(qū)東岳廟段暗色泥、頁巖有機(jī)碳含量為0.14%～3.81%，平均1.40%，有機(jī)碳含量≥1.0%的占71%，生烴潛量（S1+S2）為0.1～8.72 mg/g，平均2.73 mg/g，有機(jī)碳含量與生烴潛量相關(guān)性較好。大安寨段暗色泥、頁巖有機(jī)碳含量0.02%～5.96%，平均0.90%，有機(jī)碳含量≥1.0%的占35.8%。生烴潛量（S1+S2）為0.04～38.66 mg/g，平均1.93 mg/g，有機(jī)碳含量與生烴潛量相關(guān)性較好（圖1）。

圖1 東部地區(qū)自流井組有機(jī)質(zhì)豐度及生烴潛量分布圖

東部地區(qū)自流井組烴源巖熱成熟度分布在0.95%～1.60%之間，80%的地區(qū)分布在大于1.1%的區(qū)域[14]，主要處于成熟晚期到高熟早期階段，也即凝析油氣—濕氣階段。從單井測試情況看，氣油比較高，大多數(shù)井油含量在500 g/m3以下，屬于凝析氣藏，有利于頁巖油氣的勘探開發(fā)。

與川中地區(qū)自流井組頁巖相比[7-8]，東部地區(qū)東岳廟段頁巖有機(jī)碳含量（TOC）和生烴潛量（S1+S2）較高，有機(jī)質(zhì)類型略優(yōu)，成熟度（Ro）較高（表1）。

表1 四川盆地自流井組頁巖有機(jī)地化特征對比表

3 頁巖儲(chǔ)層特征

3.1 巖石學(xué)特征

頁巖儲(chǔ)集層以黑色、灰黑色頁巖為主，夾薄層石灰?guī)r、粉砂巖及介殼等生物條帶。頁巖中礦物組分主要包括4大類：黏土礦物、碳酸鹽巖類、粉砂質(zhì)及有機(jī)質(zhì)，黏土礦物主要包括伊利石、綠泥石、高嶺石、伊蒙間層等；碳酸鹽類礦物主要為方解石、白云石；粉砂質(zhì)主要包括石英、正長石、斜長石、云母、黃鐵礦等；有機(jī)質(zhì)以Ⅱ1型為主，其次為Ⅱ2型，含有少量的Ⅰ型和Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。

根據(jù)東部地區(qū)自流井組29口井201個(gè)樣品X衍射全巖分析表明，含量在前三位的分別是黏土、石英和方解石礦物，黏土含量分布在10.3%～68.2%之間，平均為38.5%；其次為石英含量，分布在13.5%～71.8%之間，平均為35.3%；方解石含量分布在0～49.9%之間，平均為16.9%（圖2），脆性指數(shù)較好。與川中地區(qū)大安寨段頁巖相比[7-8]，東部地區(qū)東岳廟段頁巖主要礦物含量與之相當(dāng)，而東部地區(qū)大安寨段頁巖黏土含量略高，石英含量略低。

圖2 東部地區(qū)自流井組頁巖全巖礦物含量直方圖

根據(jù)東部地區(qū)自流井組4口井63個(gè)樣品X衍射黏土分析表明，伊/蒙間層含量分布在20%～80%之間，平均為43.3%，間層比分布在5%～30%之間，平均為17%；伊利石含量分布在10%～51%之間，平均為31%；高嶺石分布在0～32%之間，平均為13%；綠泥石含量分布在0～36%之間，平均為12%（圖3）。蒙脫石存在晶格取代、晶層間引力以分子間力為主、陽離子交換容量大，因此易膨脹、易水化，具較強(qiáng)水敏性，伊利石、高嶺石和綠泥石則不易膨脹、不易水化[15]。東部地區(qū)自流井組頁巖蒙脫石只存在于伊/蒙間層，而伊/蒙間層比較低，即蒙脫石占比較低，因此，遇水膨脹有限，對油氣層雖有一定損害，但壓裂液配方的選擇可參照四川海相頁巖氣。

圖3 東部地區(qū)自流井組頁巖黏土礦物含量直方圖

3.2 物性特征

東部地區(qū)自流井組有2口井85個(gè)頁巖樣品進(jìn)行了氦氣法孔隙度分析，有6口井301個(gè)頁巖樣品進(jìn)行了高壓液飽法孔隙度分析，這些頁巖樣品對應(yīng)有306個(gè)空氣滲透率分析數(shù)據(jù)，從孔滲交會(huì)圖上看，氦氣法和高壓液飽法分析的孔隙度具有相似的孔滲分布特征，因此，氦氣法孔隙度和高壓液飽法孔隙度可共用。

根據(jù)東部地區(qū)自流井組8口井386個(gè)頁巖樣品氦氣法和高壓液飽法孔隙度分析，頁巖孔隙度主要分布在1%～5%之間，占比75.4%，峰值分布在1%～2%之間，往高孔段為一長尾，類似階梯分布，在主要分布區(qū)外還有一小峰，峰值分布在7%～8%之間，說明頁巖儲(chǔ)層存在相對高孔分布層段，大安寨段和東岳廟段頁巖孔隙度主、次峰分布與之相似。自流井組頁巖孔隙度最低0.30%，最高11.84%，平均3.46%，中位值為2.88%。其中大安寨段頁巖孔隙度主要分布在1%～5%之間，占比69.0%，平均3.8%，中位值為3.3%；東岳廟段頁巖孔隙度主要分布在1%～4%之間，占比81.3%，平均2.6%，中位值為2.4%（圖4）。東部地區(qū)大安寨段頁巖孔隙度高于東部地區(qū)東岳廟段頁巖孔隙度，與川中地區(qū)大安寨段頁巖孔隙度3.5%[8]相似。

圖4 東部地區(qū)自流井組頁巖物性分析直方圖和孔滲交會(huì)圖

根據(jù)東部地區(qū)自流井組9口井361個(gè)樣品空氣滲透率分析，滲透率主要分布在0.001 mD～10 mD之間，占比91.7%，峰值分布在0.1～1 mD之間，近似正態(tài)分布，最低0.000 1 mD，最高721 mD，平均3.722 mD，中位值為0.120 mD，孔滲相關(guān)性較好（圖4）。

根據(jù)東部地區(qū)自流井組5口井296個(gè)樣品含水飽和度分析，含水飽和度主要分布在30%～50%之間，占比69.3%，峰值分布在40%～50%之間，近似正態(tài)分布；含水飽和度最低5.7%，最高89.3%，平均42.3%，中位值為40.99%（圖4）。

3.3 孔隙空間特征

3.3.1 孔隙類型

頁巖儲(chǔ)層一般具有3種不同類型的孔隙結(jié)構(gòu)：有機(jī)質(zhì)孔隙（簡稱有機(jī)孔）、基質(zhì)孔隙（或稱無機(jī)孔、礦物質(zhì)孔）和裂縫（表2）。

表2 頁巖孔隙類型分類表

有機(jī)孔是位于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的孔隙，大多是有機(jī)質(zhì)生排烴后留下的孔隙空間，主要分布在有機(jī)質(zhì)周圍和內(nèi)部，以充滿油氣為主，具有親油性，是頁巖儲(chǔ)層發(fā)育的獨(dú)特孔隙類型，其孔喉半徑在納米級，而且在巖石基質(zhì)中呈不連續(xù)分散狀或沿微層理面分布，是頁巖油氣藏中重要的儲(chǔ)集空間。無機(jī)孔主要分布在無機(jī)礦物顆粒間或礦物內(nèi)部，多含水，具有親水性，其孔喉半徑一般要高于有機(jī)孔（圖5）。

圖5 東部地區(qū)自流井組頁巖儲(chǔ)集空間圖（氬離子拋光掃描電鏡）

東部地區(qū)自流井組頁巖孔隙度分類鑒定數(shù)據(jù)極少，大安寨段頁巖只有7個(gè)孔隙分類樣品數(shù)據(jù)，且無機(jī)孔按黏土礦物孔（黏土礦物內(nèi)部孔隙）、脆性礦物孔（脆性礦物內(nèi)部孔隙）來分類，這樣分類有利于評價(jià)壓裂效果。各類頁巖中黏土礦物孔占比均最高，其次為有機(jī)孔，脆性礦物孔占比最低。與不同地區(qū)、不同層位、不同相帶頁巖孔隙類型對比，有機(jī)孔中川南地區(qū)龍馬溪組海相頁巖占比最高，平均可達(dá)37%，其次為東部地區(qū)大安寨段湖相頁巖，平均為25%，川北地區(qū)大安寨段湖相頁巖平均為24%；黏土礦物孔占比最高的為東部地區(qū)大安寨段湖相頁巖，平均為74%，其次為川北地區(qū)大安寨段湖相頁巖，平均為67%，川南地區(qū)龍馬溪組海相頁巖平均為53%；脆性礦物孔占比最高的為川南地區(qū)龍馬溪組海相頁巖，平均為10%，其次為川北地區(qū)大安寨段湖相頁巖，平均為9%，東部地區(qū)大安寨段湖相頁巖平均為1%?？傮w來說，東部地區(qū)和川北地區(qū)湖相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)較為相似，與川南地區(qū)海相頁巖相差較大[16-17]，需尋找適應(yīng)的壓裂方法，調(diào)整壓裂方式。

3.3.2 孔徑分布特征

按照國際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的分類標(biāo)準(zhǔn)，泥、頁巖孔隙按孔徑大小可分為微孔（孔徑小于2 nm）、中孔或介孔（孔徑為2～50 nm）、大孔或宏孔（孔徑大于50 nm）。而原油重大專項(xiàng)《侏羅系非常規(guī)石油地質(zhì)綜合評價(jià)及有利目標(biāo)區(qū)塊選擇》[18]推測的油分子直徑為18 nm（飽和烴2 nm、芳烴3 nm、非烴3 nm、瀝青質(zhì)10 nm），遠(yuǎn)超過微孔孔徑，因此，孔徑分類方法需進(jìn)行調(diào)整。

一般通過 CO2等溫吸附實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行頁巖微孔孔隙結(jié)構(gòu)特征的分析，利用低溫 N2吸附實(shí)驗(yàn)來分析表征介孔的孔隙結(jié)構(gòu)，應(yīng)用高壓壓汞來評價(jià)宏孔的孔隙結(jié)構(gòu)。東部地區(qū)自流井組頁巖用了N2吸附實(shí)驗(yàn)和高壓壓汞來分析孔徑，N2吸附實(shí)驗(yàn)孔徑分析范圍為1.7～250.0 nm 之間，高壓壓汞孔徑分析范圍為 3.8 nm ～ 150.0 μm 之間。

從N2吸附實(shí)驗(yàn)分析的頁巖孔比面積、孔體積與孔徑關(guān)系圖可知（圖6），孔徑分布呈雙峰，分布范圍為1.7～2.0 nm和2～30 nm。從高壓壓汞分析的不同孔隙度頁巖孔徑分布來看（圖7），孔徑分布呈雙主峰、一次峰，主峰分布范圍為3.8～30.0 nm和1～20 μm，次峰分布范圍為0.1～5.0 μm?？紤]孔壁吸附為一個(gè)油分子，因此油可自由流動(dòng)的孔徑至少不小于27 nm，再考慮孔徑分布，參考海相頁巖孔徑分布的30 nm界線[19]，則小孔為小于30 nm，中孔為30 nm～1 μm，大孔為大于1μm，中孔分布范圍內(nèi)只有一個(gè)次峰，幅度極低，推測是因?yàn)樾】?、大孔成因截然不同，因此，中孔?nèi)不存在逐漸過渡的高幅度峰。

圖6 東部地區(qū)自流井組頁巖N2吸附實(shí)驗(yàn)孔徑分析圖

圖7 東部地區(qū)自流井組頁巖不同孔隙度高壓壓汞孔徑分析圖

頁巖儲(chǔ)層孔徑分布形態(tài)與孔隙度大小有關(guān)，也決定流體流動(dòng)階段[20]，孔隙度小于2%的樣品，孔徑較小，分布為單峰，其峰分布區(qū)間為3.8～30.0 nm，孔隙結(jié)構(gòu)較差，油分子多為吸附態(tài)，難以流動(dòng)，處于流體束縛階段；孔隙度在2.0%～5.5%之間樣品，孔徑分布為雙峰，主峰分布在3.8～30.0 nm，次峰分布在0.1～5.0 μm，大部分為吸附態(tài)油，少數(shù)油分子在毛細(xì)管力作用下呈游離態(tài)，處于毛細(xì)管力作用階段；孔隙度大于5.5%的樣品，孔徑較大，分布為單峰，其峰分布區(qū)間為1～20 μm（圖7），孔隙結(jié)構(gòu)較好，油分子以游離態(tài)為主，處于可動(dòng)油階段。東部地區(qū)自流井組頁巖孔隙度大于2%的樣品占比在70%左右，特別是大安寨段頁巖孔隙度大于5.5%的樣品占比達(dá)20%。

3.4 儲(chǔ)集能力及影響因素

頁巖油氣在孔隙空間中主要以吸附和游離狀態(tài)存在。因此，孔隙的孔體積和孔表面積可以表征頁巖的儲(chǔ)集能力，為頁巖油氣儲(chǔ)集能力的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

3.4.1 孔徑大小對儲(chǔ)集能力的影響

小孔因孔表面積較大、孔徑極小，在吸附距離內(nèi)，多被吸附油氣充滿；而孔徑最大的大孔因孔壁間距較大，且孔表面積較小，吸附油氣層的能力較弱，占據(jù)的孔隙空間也較小，還有較大的孔隙空間容納游離油氣；因此，頁巖油氣在小孔中主要以吸附態(tài)形式存在，大孔主要以游離態(tài)存在，而中孔則介于吸附態(tài)和游離態(tài)之間。東部地區(qū)自流井組頁巖小孔提供了絕大部分的孔表面積，平均占比達(dá)96.8%，中孔孔表面積占比2.9%，大孔孔表面積占比0.3%；孔體積也主要是由小孔提供，小孔孔體積占比68.0%，中孔孔體積占比16.1%，大孔孔體積占比15.9%，只有孔隙度大于5.5%的樣品中，孔體積主要由大孔提供（圖8）。

圖8 東部地區(qū)自流井組頁巖孔表面積和孔體積分布圖

孔隙度小于2%的樣品，孔表面積由小孔提供，孔體積也由小孔提供，只少量孔體積為中孔提供；孔隙度介于2%至5.5%之間的樣品，孔表面積主要由小孔提供，只少量孔表面積由中孔提供，孔體積也主要由小孔提供，只部分孔體積為中孔提供，少量孔體積為大孔提供；孔隙度大于5.5%的樣品，孔表面積還是主要由小孔提供，只是中孔、大孔也提供了部分孔表面積，孔體積主要由大孔提供，中孔、小孔只貢獻(xiàn)了部分孔體積（圖8）。

3.4.2 有機(jī)碳含量、類型和熱成熟度對儲(chǔ)集能力的影響

有機(jī)質(zhì)達(dá)到一定成熟度后開始生烴，從而在有機(jī)質(zhì)內(nèi)留下有機(jī)孔隙，隨著成熟度增高，油氣生成量增大，有機(jī)孔變大，只有在過成熟階段，油氣開始碳化、石墨化，有機(jī)孔開始降低，通常認(rèn)為有機(jī)孔的生成與有機(jī)碳含量、類型、成熟度等有關(guān)。研究區(qū)湖相頁巖有機(jī)孔占比達(dá)25%，為重要的孔隙空間之一。

相同熱成熟度情況下，有機(jī)質(zhì)為Ⅱ型時(shí)比Ⅲ型更易于發(fā)育有機(jī)孔，但Ⅲ型干酪根的比表面積最大，Ⅱ型次之，Ⅰ型最?。ㄌ锸貚虻?，2017）。有機(jī)質(zhì)達(dá)到生烴門限后，有機(jī)碳含量越高，生成的有機(jī)孔也越多，儲(chǔ)集能力則會(huì)加強(qiáng)，東部地區(qū)有機(jī)碳含量與孔體積、孔表面積有一定正相關(guān)，特別是與孔表面積相關(guān)性略好（圖9），說明有機(jī)碳提供了較重要的孔隙空間和吸附表面積，其含量對儲(chǔ)集能力有較大影響，只因有機(jī)孔偏低，相關(guān)性比海相頁巖差[21]。

圖9 東部地區(qū)侏羅系有機(jī)碳含量與孔體積、孔表面積交會(huì)圖

4 結(jié)論

1）東部地區(qū)自流井組富有機(jī)質(zhì)頁巖主要分布在大安寨段和東岳廟段；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1，Ⅱ2型為主，大安寨段和東岳廟段有機(jī)碳平均含量分別為0.90%、1.40%，生烴潛量平均分別為1.93 mg/g、2.73 mg/g，東部地區(qū)東岳廟段烴源品質(zhì)優(yōu)于川中地區(qū)大安寨段；東部地區(qū)自流井組80%的區(qū)域鏡質(zhì)體反射率大于1.1%，處于凝析油氣—濕氣階段，為頁巖油較佳的勘探區(qū)塊。

2）東部地區(qū)湖相頁巖礦物組分主要包括黏土礦物、碳酸鹽類、粉砂質(zhì)及有機(jī)質(zhì)4大類，其中黏土含量最高，平均為38.5%，石英平均含量為35.3%，方解石平均含量為16.9%，黏土礦物中蒙脫石占比低，脆性指數(shù)較好。

3）東部地區(qū)湖相頁巖孔隙度平均為3.5%，滲透率平均為3.722 mD，孔滲相關(guān)性較好，裂縫較發(fā)育，與川中地區(qū)大安寨段頁巖孔隙度相似；頁巖的黏土礦物孔最高，占74%，其次為有機(jī)孔，占25%，脆性礦物孔只占1%，孔隙類型比海相頁巖略差。

4）東部地區(qū)湖相頁巖小孔孔表面積和孔體積占比最大，其次為中孔，隨著孔徑增大，小孔孔表面積只略有降低，而小孔孔體積占比則逐漸降低，大孔孔體積占比逐漸升高，孔隙度大于2.0%的樣品，孔隙結(jié)構(gòu)開始變好，只有孔隙度大于5.5%的樣品，孔隙結(jié)構(gòu)最優(yōu)，孔體積主要由大孔貢獻(xiàn)；孔徑大小對儲(chǔ)集能力影響最大，其次為有機(jī)碳含量、類型和成熟度。