Lithofacies types and reservoir characteristics of continental shales of Ziliujing Formation in northeastern Sichuan Basin

Xiang-ni Cao; Zhen-xue Jiang; De-yu Zhu; Heng-yuan Qiu; Lei Chen; Dong-dong Luo; Zi-jun Shuang; Wei-bang Li

doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2019.09.009

2019 , Vol. 30 >Issue 12: 1782 - 1793

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2019.09.009

Lithofacies types and reservoir characteristics of continental shales of Ziliujing Formation in northeastern Sichuan Basin

Xiang-ni Cao ^,¹^,² ,
Zhen-xue Jiang ^,¹^,² ,
De-yu Zhu ¹^,² ,
Heng-yuan Qiu ¹^,² ,
Lei Chen ¹^,² ,
Dong-dong Luo ¹^,² ,
Zi-jun Shuang ¹^,² ,
Wei-bang Li ¹^,²

Expand

1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，Beijing 102249，China
2. University of China University of Petroleum，Beijing 102249，China

Received date: 2019-07-04

Revised date: 2019-09-28

Online published: 2020-03-25

Fold

Highlights

The potential of continental shale gas resources in China is abundant and the industrial shale gas has been obtained in shale reservoir in the Lower Jurassic of northeastern Sichuan Basin. The types of lithofacies and reservoir characteristics are essential to exploration and development of continental shale gas. Based on the experiments of XRD, analytical data of ordinary thin section, scanning electron microscope, high pressure mercury pressure, N₂ adsorption and CO₂ adsorption, a study on the continental shale of Ziliujing Formation in northeastern Sichuan Basin is carried out. According to the total organic matter content and mineral composition as classification parameters, the shale is divided into 12 different lithofacies. Four kinds of lithofacies are developed in Ziliujing Formation, which are organic-poor siliceous shale(Ⅰ₃), organic-fair mixed shale(Ⅳ₂), organic-fair siliceous shale(Ⅰ₂) and organic-rich argillaceous shale(Ⅱ₁). The reservoir characteristics of different lithofacies are quite different. The total organic matter content of Ⅱ₁ is more than 2%, and the hydrocarbon generation potential is the best. The pores of organic matter and clay minerals have good connectivity and large specific surface area, and the Ⅱ₁ developed laminar structure which is favorable for artificial fracturing. The organic matter content of Ⅳ₂ is more than 1%. The Ⅳ₂ developed high pore volume and the layered structure. However, the Ⅰ₃ and the Ⅰ₂ have the characteristics of massive, and developed low pore volume and specific surface area.

Cite this article

Xiang-ni Cao , Zhen-xue Jiang , De-yu Zhu , Heng-yuan Qiu , Lei Chen , Dong-dong Luo , Zi-jun Shuang , Wei-bang Li . Lithofacies types and reservoir characteristics of continental shales of Ziliujing Formation in northeastern Sichuan Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2019 , 30(12) : 1782 -1793 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.09.009

0 引言

近些年来，非常规油气革命的风潮在全球引起了越来越多的关注，页岩气作为一种清洁能源成为了非常规油气开采的重点之一。我国南方在涪陵焦石坝地区、威远地区、长宁地区的海相页岩勘探与开发中取得了一系列突破^[1,2]，先后建成了多个页岩气示范区进行商业开采。但是陆相页岩长时间以来未能取得重大突破，主要由于其具有较强的非均质性特征，页岩岩相存在较大差异^[3,4]。岩相是指在一定沉积环境中形成的岩石类型及其组合^[5,6,7]，国内外学者对于页岩岩相的划分已经开展了一系列工作，大多集中在对于海相页岩岩相的研究，Loucks等^[5]以矿物成分、古生物和沉积构造为分类参数将北美Barnett页岩划分为纹层状硅质泥岩、纹层状含黏土灰质泥岩及骨架状泥质灰岩，梁超等^[8]基于矿物成分将四川盆地五峰组—龙马溪组页岩划分为5类岩相（灰质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩、钙质页岩和普通页岩），李卓等^[9]以有机碳含量和矿物组分为指标将渝东南地区下志留统龙马溪组页岩划分出9种岩相。前人通过划分海相页岩岩相，将页岩不同的储层特性联系起来，以岩相为基本单元对比不同页岩储层的矿物组成、地球化学特征、孔隙结构、地质应力特征及含气性等^[8,9]，查明不同页岩岩相储层之间的差异，为后期海相页岩气的勘探开发提供了地质依据。但是中国陆相页岩沉积环境复杂、岩相差异较大，与海相页岩存在较大差异，鉴于此，本文以川东北地区自流井组陆相页岩为研究对象，结合前人研究成果，利用全岩矿物组成、总有机碳含量等资料，进行陆相页岩岩相的精细划分，同时针对不同岩相结合页岩的沉积构造特征、物性特征等分析其储层差异，为陆相页岩气勘探甜点的优选提供理论依据。

1 地质背景

川东北地区位于四川盆地东北方向，包括川北坳陷的通南巴构造带、川中平缓构造带及川东褶皱带的部分地区^[10,11][图1（a）]，盆地自晋宁运动形成基底后，又经历了海相碳酸盐岩台地沉积与陆相碎屑岩沉积，形成了现今的构造格局^[12]，川东北地区受米仓—大巴造山活动的影响，发育了褶皱冲断带—前陆盆地二元结构。该区陆相页岩发育在下侏罗统自流井组的大安寨段与东岳庙段，为一套湖相沉积地层，靠近湖盆中心区域主要发育半深湖沉积，其外有介壳滩发育。自流井组岩性以深灰色泥岩、黑色页岩为主，夹少量的灰色粉砂岩和灰色介壳灰岩，淡水生物的介壳类化石较为常见^[13,14]。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图1 川东北地区区域地质背景（a）与自流井组地层综合柱状图（b）(据倪超等^[15]修改)

Fig.1 Map of the study area in northeastern Sichuan Basin(a) and comprehensive stratigraphic colimn of the Ziliujing Formation(b)(modified according to Ni Chao et al. ^[15])

2 实验方法与结果

本文研究共采集岩心样品27块，均来自于川东北地区典型井的自流井组陆相页岩，其中上部大安寨段岩心15块，下部东岳庙段岩心12块。进行了地球化学及岩石学方面的实验，其中总有机碳含量的测定是参照GB/T 19145—2003在中国石油大学（北京）CS230HC型碳硫分析仪上完成的，热成熟度分析是根据SY/T 5124—1995在Leica DM4500P偏光显微镜和CRAIC显微光度计上统计完成的，有机质类型是通过自然光与荧光下对干酪根颗粒进行显微镜下形态、组构观察和辨认来判断其生源组成的。矿物的晶体都具有特定的X-射线衍射图谱，利用X-射线衍射可以测量未知样品中该矿物的含量，本文矿物组成分析实验是根据SY/T 5163—2010在日本理学TTRⅢ多功能X射线衍射仪上测定的，高压压汞实验、氮气吸附实验及二氧化碳吸附实验均在北京理化测试中心完成。

2.1　地球化学特征

川东北地区自流井组陆相页岩分为上部的大安寨段与下部的东岳庙段，其中大安寨段页岩TOC含量为0.47%~2.44%，均值为1.05%，而东岳庙段TOC含量为0.09%~3.10%，均值为1.57%，段内中下部含量较高，可达3.1%（表1），具有较好的生烃潜力，东岳庙段整体TOC含量高于大安寨段，有机质在垂向上表现出强的非均质性，不同深度TOC含量差异较大。测试结果显示川东北地区自流井组页岩成熟度R _O值为1.39%~1.73%（表1），下部的东岳庙段有机质成熟度高于上部的大安寨段，可见埋深的增加对页岩中有机质热演化程度具有促进作用，页岩总体处于成熟—高成熟阶段，以生凝析油和湿气为主，有机质类型为Ⅱ₁型与Ⅱ₂型，显现出较好的生油气潜力。

表1 自流井组页岩样品地球化学及岩石学测试结果

Table 1 Geochemical characteristics and mineralogies of Ziliujing Formation shale samples

层位	TOC/%	R _O/%	有机质类型	全岩矿物百分数/%
层位	TOC/%	R _O/%	有机质类型	石英	长石	碳酸盐矿物	菱铁矿	黄铁矿	黏土矿物
大安寨段	$0.47 ~ 2.44 1.052$	$1.39 ~ 1.46 1.425$	Ⅱ₁	$19.3 ~ 63.2 40.54$	$1.1 ~ 11.5 5.97$	$0 ~ 50.2 16.13$	$0 ~ 17.7 1.18$	$0 ~ 6.2 1.36$	$22.6 ~ 47.8 34.82$
东岳庙段	$0.09 ~ 3.10 1.571$	$1.65 ~ 1.73 1.683$	Ⅱ₁、Ⅱ₂	$29.1 ~ 74.3 49.13$	$1 ~ 3.8 2.32$	$0 ~ 2.4 0.40$	$0 ~ 18.7 4.23$	/	$24.7 ~ 65.5 43.93$

注： $0.47 ~ 2.44 1.052 =$ $最小值 — 最大值平均值$

2.2　岩石学特征

川东北地区陆相页岩主要矿物成分为石英、长石、方解石和黄铁矿等脆性矿物以及高岭石、伊利石、绿泥石等黏土矿物，石英矿物含量最高，平均在44.36%左右，大安寨段石英含量为19.3%~63.2%，东岳庙段石英含量为29.1%~74.3%（表1），不同深度段石英含量差异较大（图2），可见陆相页岩具有较强的非均质性，脆性矿物中的长石平均含量仅为4.35%，同时在大安寨段与东岳庙段发育有菱铁矿与黄铁矿，这些矿物是在页岩等层状的碎屑沉积岩中藉生物作用形成的，反映了当时含水、有溶解铁质及缺氧的沉积环境。大安寨段黏土矿物含量为22.6%~47.8%，平均为34.82%，东岳庙段黏土矿物含量为24.7%~65.5%，平均为43.93%,黏土矿物含量整体偏高，碳酸盐矿物在大安寨段大量发育，含量最高可达50.2%，相比而言，东岳庙段碳酸盐矿物含量极低，平均仅有0.4%，这与大安寨段发育的石灰岩及介壳类化石密切相关。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图2 川东北地区自流井组页岩全岩矿物分析

Fig.2 Mineral compositions of Ziliujing Formation shale samples in the northeastern Sichuan Basin

3 自流井组陆相页岩岩相类型

3.1　自流井组陆相页岩岩相划分

参考前人划分海相页岩岩相的方案^[5,6,7,8]，结合研究区的页岩特征，本文页岩岩相划分选取矿物组成与有机质丰度（TOC）为参数。矿物组成反映了页岩的岩石学特征，将矿物按硅质矿物（石英+长石）、碳酸盐矿物（方解石+白云石）和黏土矿物分成3类，采用三矿物为端元法做三角图，并以50%含量为界划分出4类页岩岩相，即黏土质页岩（I类）、硅质页岩（II类）、钙质页岩（III类）和混合页岩（IV类）^[16]。有机质是页岩生油气的物质基础，考虑到陆相页岩中有机质丰度相对较低，且相邻岩层中TOC变化较大，故用TOC作为刻画页岩岩相的标准之一^[9]，将TOC>2%的页岩划分为富有机质页岩，1%<TOC<2%的页岩划分为含有机质页岩，TOC<1%的页岩划分为贫有机质页岩。综上确定页岩划分方案12种，包括富有机质硅质页岩（Ⅰ₁）、含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）、贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）、富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）、含有机质黏土质页岩（Ⅱ₂）、贫有机质黏土质页岩（Ⅱ₃）、富有机质钙质页岩（Ⅲ₁）、含有机质钙质页岩（Ⅲ₂）、贫有机质钙质页岩（Ⅲ₃）、富有机质混合质页岩（Ⅳ₁）、含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）与贫有机质混合质页岩（Ⅳ₃）。

3.2　自流井组陆相页岩岩相类型

根据上述划分方案，选取的自流井组27块岩心样品主要分为4种岩相（占比78%），分别为贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）、含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）、含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）与富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）（图3），自流井组陆相页岩发育不同的岩相反映了不同的沉积环境。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

**图3 川东北地区自流井组页岩的矿物组分三角图和TOC含量**

Fig.3 Ternary diagram showing mineral composition and TOC content of the Ziliujing Formation shale in the northeastern Sichuan Basin

3.2.1　贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）

该岩相主要发育在大安寨段顶部，岩性为灰色泥岩夹少量介屑灰岩[图4(a)]，大安寨段沉积时期水体较为安静，泥页岩多呈块状，岩心颜色以浅灰色为主，其中TOC含量较低，为0.09%~0.97%，平均为0.57%，硅质矿物含量在53.08%~72.64%之间，平均为62.32%，石英含量在53.67%左右，黏土矿物含量相对较低，为27.36%~46.92%，碳酸盐矿物含量极低，平均仅有1.57%（图2），大安寨晚期湖盆收缩，沉积了较大规模介壳滩^[15]，此类岩相中的钙质矿物发育与其密切相关。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图4 川东北地区自流井组页岩的岩心特征

（a）元陆4井大安寨段，灰色泥岩、灰褐色介屑灰岩，块状构造，埋深3 745.38~3 746.56m；（b）元陆4井大安寨段，灰褐色含生屑页岩与灰色泥页岩互层，层状构造，埋深3 757.01~3 759m；（c）元陆4井大安寨段，灰黑色泥页岩，块状构造，埋深3 787.77~3 789.52m；（d）元陆4井东岳庙段，灰黑色泥页岩，纹层状构造，埋深3 996.15~3 997.77m

Fig.4 Drilling core of the Ziliujing Formation shale in the northeastern Sichuan Basin

3.2.2　含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）

该岩相主要发育在大安寨段中部，湖盆震荡导致湖水大范围的收缩与扩张^[17,18,19]，使发育的灰褐色含生屑页岩与灰色泥页岩频繁间互[图4(b)]，岩心上可见明显的层理，相较于贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃），其中TOC含量略有增加，在1.01%~1.94%之间，平均为1.37%，碳酸盐矿物含量明显增加，在18.36%~41.06%之间，平均为28%，硅质矿物含量在40.9%左右，黏土矿物含量在22.96%~49.02%之间，平均为31.06%（图2）。

3.2.3　含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）

该岩相在大安寨段与东岳庙段均有发育，岩相在垂向上的非均质性发育为陆相页岩的一大特征，自流井组中大安寨段与东岳庙段沉积时期主要为半深湖相沉积，岩性以泥页岩为主，偶见含粉砂质泥岩夹层[图4(c)]，其中TOC含量平均为1.31%，硅质矿物含量在41.87%~68.49%之间，平均为56.49%，黏土矿物含量在31.5%~46.67%之间，平均为40.29%，而碳酸盐矿物含量仅有3.21%左右（图2）。

3.2.4　富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）

该岩相主要发育在东岳庙段，构造环境相对稳定，湖水范围在早期达到最大，后期逐渐经历了一个湖退的过程^[20]，岩性以灰黑色泥页岩为主[图4(d)]，其中TOC含量较高，在2.06%~3.10%之间，平均为2.59%，与其他3种岩相相比黏土矿物含量明显增多，在44.46%~65.50%之间，均值为54.03%，硅质矿物含量为42.52%，碳酸盐矿物含量为2.55%左右（图2）。

4 不同陆相页岩岩相储层发育特征

4.1　纹层发育特征

页岩的构造特征对于储层储集性能及含气性等方面具有重要的影响^[21]，前人将水平细层大于1mm的定义为层状构造，小于1mm的定义为纹层状构造，无明显层理的定义为块状构造^[22]。就川东北地区自流井组页岩而言，通过镜下观察研究发现，贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）中亮色矿物排列具有不太明显的定向特征，有机质发育不均，呈现块状特征[图5(a)]；含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）呈层状，水平细层约为1.5mm，介壳灰岩条带（浅色）与泥页岩侧向接触[图5(b)]，反映了当时较为动荡的水体环境；含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）中多见亮色石英矿物，其中石英颗粒呈次棱角状，边缘被黏土等轻微侵染，有机质杂乱分布于不同矿物之间，具有块状特征[图5(c)]；富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）中的纹层状构造最为发育，有机质、石英矿物及黏土矿物等呈明显的定向排列[图5(d)]，粉砂质纹层发育密度较大，8条/cm，纹层宽度约为0.01~0.15mm，且整体沿长轴连续发育。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图5 川东北地区自流井组页岩镜下薄片特征

(a）元陆4井大安寨段，贫有机质硅质页岩，可见石英条带，埋深3 745.38~3 746.56m；(b）元陆4井大安寨段，含有机质混合质页岩，层状构造，埋深3 757.01~3 759m；(c）元陆4井大安寨段，含有机质硅质页岩，纹层构造不明显，埋深3 787.77~3 789.52m；(d）元陆4井东岳庙段，富有机质黏土质页岩，可见纹层发育，埋深3 996.15~3 997.77m

Fig.5 Thin section of the Ziliujing Formation shale in the northeastern Sichuan Basin

4.2　孔隙结构特征

页岩孔隙结构特征包括孔隙空间分布、体积、比表面积及形状等，其中孔隙体积的大小直接影响页岩中游离气的储集性能，孔比表面积则影响着页岩吸附气储集能力，因此分析页岩孔隙结构特征对于研究页岩储层含气性具有重要的意义^[23,24,25]。

4.2.1　孔隙类型

川东北地区自流井组页岩孔隙类型丰富，包括矿物格架孔、晶间孔、溶蚀孔及有机质孔等。有机质孔在富有机质页岩中发育较多，是页岩中的有机质在生烃演化的过程中形成的，通过扫描电镜观察发现，富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）中有机质孔最为发育，孔径大小不等，呈近球形或椭球形、少数为不规则的弯月形和狭缝形[图6(g),图6(i)]，而含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）与含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）中有机质孔发育较少[图6(c)—图6（e）]，有机质常呈条带状在矿物之间沿孔缝发育方向平行展布，有机质成层性较好[图6(d)]。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图6 川东北地区自流井组页岩SEM照片

(a)含有机质混合质页岩，不同矿物组成孔隙发育差异较大，埋深3 754.39m；(b)含有机质混合质页岩，黄铁矿被黏土矿物包裹，埋深3 754.39m；(c)含有机质混合质页岩，有机质周围发育一些溶蚀孔隙，埋深3 754.39m；(d)含有机质硅质页岩，有机质呈层状，埋深3 758.74m；(e)含有机质硅质页岩，黄铁矿支撑，黏土矿物晶间孔发育，埋深3 758.74m；(f)含有机质硅质页岩，椭圆状溶蚀孔隙，埋深3 758.74m；(g)富有机质黏土质页岩，发育不规则有机质孔隙，埋深4 053.22m；(h)富有机质黏土质页岩，有机质周围发育溶蚀孔隙，埋深4 053.22m；(i)富有机质黏土质页岩，有机质孔隙与黏土矿物晶间孔较为发育，埋深4 053.22m

Fig.6 SEM photoes of the Ziliujing Formation shale in the northeastern Sichuan Basin

黏土矿物晶间孔在陆相页岩中较为常见，其中富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）中最为发育，黏土矿物晶间孔以线条状或三角状纳米级孔隙为主，且有机质常与黏土矿物伴生呈有机质—黏土复合体的形式出现[图6(h)，图6(i)]，这些孔隙相互连通形成渗流通道大大增加了孔隙之间的连通性，在含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）与含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）中有机质也与黏土矿物相伴生，但有机质中少见圆形孔隙发育，仅有部分狭缝状及三角状黏土矿物晶间孔，同时在含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）中一部分发育在黏土矿物及有机质附近的黄铁矿颗粒支撑在黏土矿物之间，使黏土矿物晶间孔隙得到很好的保存[图6(e)]，而含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）中部分球形黄铁矿分布较为集中，但是并未呈紧密堆积体，而是被黏土矿物紧密包裹，仅有局部细小片状黏土矿物孔隙因黄铁矿的支撑得以保存[图6(b)]。

矿物格架孔隙是指在地层沉积埋藏的过程中，岩层中的脆性矿物之间相互支撑而保存下来的孔隙。其中含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）中石英等脆性矿物含量较高，可见矿物之间堆积支撑形成的粒间孔及压实作用形成的部分微裂缝[图6(d)]，含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）中则由于压实作用形成了层状构造，在扫描电镜下可观察到，部分区域石英、黏土矿物等含量较高，可见矿物格架孔隙发育，部分区域碳酸盐矿物含量较高，储层总体致密[图6(a)]。

溶蚀孔隙多发育在长石、碳酸盐等可溶矿物内，在含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）中有机质周围可见溶蚀孔隙[图6(c)]，孔隙形态呈椭圆状，含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）中也可见黏土矿物及长石颗粒表面发育了形状不规则的溶蚀孔隙[图6(e)，图6(f)]，扫描电镜下观察到的溶蚀孔隙连通性较差，在矿物表面孤立存在。

4.2.2　孔体积与孔比表面积

通过高压压汞、N₂吸附、CO₂吸附实验来获取研究区自流井组页岩自纳米至微米尺度的孔隙分布特征，选取CO₂吸附实验数据表征微孔（r<2nm）、N₂吸附实验数据表征中孔（2nm<r<50nm）、高压压汞实验数据表征宏孔（r>50nm）^[23]。

自流井组陆相页岩储层的孔体积在10~1 000nm出现峰值[图7(a)]，其中贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）与含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）的孔体积主要由中孔与宏孔提供，含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）与富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）孔体积总体发育较差，中孔与宏孔体积仅为贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）与含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）的一半左右，富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）的微孔体积明显高于其他岩相，说明富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）中发育的纳米孔隙虽然孔径较小，但数量庞大，不能低估其对孔体积的贡献力。对比不同岩相平均孔体积发现，含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）的孔体积最大为0.025cm³/g，相比之下，其余3种页岩岩相的孔体积相差不大，均在0.02cm³/g以下[图8(b)]，页岩储层整体上较为致密，孔体积较小，这可能是由于含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）中高的碳酸盐矿物含量有利于中孔和宏孔发育，例如在有机质周围的碳酸盐矿物中发育较多溶蚀孔隙[图6(b)]，这部分孔隙是有机质热演化过程中形成的酸性流体对碳酸盐矿物及长石颗粒等溶蚀产生的，在一定程度上增加了中孔及宏孔的数量，从而使得孔体积增大。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图7 川东北地区自流井组不同岩相孔体积与比表面积分布（据姜振学等^[23]修改）

Fig.7 Pore volume and specific surface area distribution of different lithofacies of the Ziliujing Formation shale in the northeastern Sichuan Basin(modified according to Jiang Zhenxue et al. ^[23])

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图8 自流井组不同岩相平均孔体积与孔比表面积

Fig.8 Average pore volume and specific surface area of different lithofacies of the Ziliujing Formation shale

比表面积主要由微孔与中孔提供[图7(b)]，对比不同岩相发现，富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）的孔比表面积最大为20.82m²/g，其他3种岩相的孔比表面积均在12m²/g左右[图8(b)]，其中富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）微孔的发育程度远远高于其他岩相，微孔占总比表面积的80.4%，其他3种岩相的微孔对比表面积的贡献与中孔相差不大，可见，富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）中的黏土矿物能提供大量的层间孔隙以及晶间孔隙，使页岩孔隙数量增多，从而增大了页岩的孔比表面积。

4.3　优势页岩岩相

传统海相页岩岩相的研究认为优势页岩岩相的基本条件是：高有机质丰度及热成熟度、高脆性和低黏土矿物含量等^[26,27],与海相页岩相类似，有机质作为生气物质基础，是衡量优势页岩岩相的重要指标之一，较高的有机质含量决定了页岩的生气潜力，有机质含量大于1%的含有机质页岩与富有机质页岩均是满足优势岩相的标准；在较高的有机质含量的基础上，连通孔隙中页岩孔体积越大，聚集的游离气含量就越高，孔比表面积越高，赋存的吸附气含量就越大，可见储集空间类型和孔隙结构也是影响页岩气产能的重要因素^[26]；最后考虑工程压裂条件，前人^[28]基于海相页岩的研究发现，脆性矿物含量越高越有利于后期压裂改造，形成工业性产能，除了本身脆性矿物压裂易产生裂缝外，海相脆性矿物中的石英主要来源于硅质生物，硅质生物在形成的同时还提供了一定的有机质来源，因此晶体形态保存完整的海相自生石英与有机质常呈共生关系，指示了较好的生气基础与压裂条件，而陆相页岩中的石英矿物主要为碎屑成因，形态破碎的石英晶体散布于黏土矿物与有机质之间，较高的石英矿物含量并不能直接作为工程压裂形成工业性产能的有利指标，因此针对陆相页岩，在具有一定脆性矿物的基础上，选择具有层状或纹层状构造等压裂薄弱面的页岩作为优势岩相，在压裂的过程中形成优势渗流通道，从而有利于提高单井产能。

目前，川东北地区陆相页岩气的开发层系主要为自流井组大安寨段与东岳庙段，其中大安寨段整体厚度略大于东岳庙段，故选取大安寨段页岩进行垂向岩相发育类型的特征分析。研究表明，大安寨段页岩岩相在垂向上的分布具有二分特征（图9）。其上部岩相主要为富有机质黏土质页岩与含有机质混合质页岩，富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）有机质含量大于2%，生烃潜力较好，脆性矿物含量平均在45%左右，同时具有较高的纹层发育密度、孔比表面积高达20.82 m²/g，可视为最优陆相页岩岩相，该岩相应为陆相页岩气的主要勘探开发目标。含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）中有机质含量大于1%，具有层状构造、最高的孔体积0.025cm³/g，为良好陆相页岩岩相，可为次有利陆相页岩气勘探开发目标。两种岩相在垂向上呈互层状分布，其中偶夹薄层贫有机质硅质页岩与含有机质硅质页岩，反映了陆相页岩较强的非均质性特征。大安寨段下部岩相主要以贫有机质硅质页岩与混合质硅质页岩为主，偶见富有机质黏土质页岩与含有机质硅质页岩以薄层状发育。其中含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）中尽管硅质矿物含量较高，但孔体积与比表面积较低，不利于天然气存储，为中等陆相页岩岩相；贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）中有机质含量低于1%，生气潜力较差，且孔体积与比表面积较低，为最差陆相页岩岩相（表2），不利于页岩气开发。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT

图9 川东北地区自流井组大安寨段页岩岩相及储层综合柱状图

Fig.9 A composite column of shale lithofacies and reservoir in Da'anzhai section of the Ziliujing Formation in the northeastern Sichuan Basin

表2 自流井组陆相页岩不同岩相储层特征对比

Table 2 The comparison of reservior characteristics between different lithofacies of Ziliujing Formation continental shale samples

岩相类型	TOC/%	构造特征	孔体积/(cm³/g)	比表面积/(m²/g)	评价结果
贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）	<1	块状	0.021	12.28	差
含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）	1~2	层状	0.025	12.86	良好
含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）	1~2	块状	0.018	12.21	中等
富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）	>2	纹层状	0.019	20.82	优

5 结论

（1）川东北地区自流井组陆相页岩岩相主要分为4类，分别为贫有机质硅质页岩(Ⅰ₃)、含有机质混合质页岩(Ⅳ₂)、含有机质硅质页岩(Ⅰ₂)与富有机质黏土质页岩(Ⅱ₁)。

（2）不同岩相储层特征存在一定差异，富有机质黏土质页岩(Ⅱ₁)发育纹层状构造，有机质孔及黏土矿物晶间孔之间连通性较好，比表面积高达20.82m²/g，含有机质混合质页岩(Ⅳ₂)呈层状，发育较多溶蚀孔隙，具有最高的孔体积0.025cm³/g，而贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）与含有机质硅质页岩(Ⅰ₂)则具块状特征，发育较多粒间孔，孔体积与比表面积均较低。

（3）考虑到生气基础、储气能力及工程压裂条件，最终优选出2类页岩岩相可作为陆相页岩气的勘探开发目标，其中富有机质黏土质页岩(Ⅱ₁)为最优陆相页岩岩相，其生烃潜力最好，孔比表面积较大，纹层发育较多有利于工业压裂，含有机质混合质页岩(Ⅳ₂)为次有利陆相页岩岩相，其有机质含量大于1%，孔体积较高，层状构造明显。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within

1	Zou Caineng, Dong Dazhong, Wang Shejiao,et al.Geological characteristics,formation mechanism and resource potential of shale gas in China[J].Petroleum Exploration and Development,2010,37(6):641-653. 邹才能,董大忠,王社教,等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J].石油勘探与开发,2010,37(6):641-653.

2	Guo Tonglou.Discovery and characteristics of the Fuling shale field and its enlightenment and thinking[J].Earth Science Frontiers,2016,23(1):29-43. 郭彤楼.涪陵页岩气田发现的启示与思考[J].地学前缘,2016,23(1):29-43.

3	Wang Xiangzeng, Gao Shengli, Gao Chao.Geological features of Mesozoic continental shale gas in south of Ordos Basin, NW China[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(3):294-304. 王香增,高胜利,高潮.鄂尔多斯盆地南部中生界陆相页岩气地质特征[J].石油勘探与开发,2014,41(3):294-304.

4	Zhang Jinchuan, Jiang Shengling, Tang Xuan,et al.Accumulation types and resources characteristics of shale gas in China[J].Nature Gas Industry,2009,29(12):109-114. 张金川,姜生玲,唐玄,等.我国页岩气富集类型及资源特点[J].天然气工业,2009,29(12):109-114.

5	Loucks R G, Ruppel S C.Mississippian Barnett Shale:Lithofacies and depositional setting of a deep-water shale-gas succession in the Fort Worth Basin,Texas[J].AAPG Bulletin,2007,91(4):579-601.

6	Ross D J K, Marc Bustin R.The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs[J].Marine and Petroleum Geology,2009,26(6):916-927.

7	Wang G, Carr T R.Marcellus Shale lithofacies prediction by multiclass neural network classification in the Appalachian Basin [J].Mathematical Geosciences,2012,44(8):975-1004.

8	Liang Chao, Jiang Zaixing, Yang Yiting,et al.Characteristics of shale lithofacies and reservoir space of the Wufeng-Longmaxi Formation,Sichuan Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2012,39(6):691-698. 梁超,姜在兴,杨镱婷,等.四川盆地五峰组-龙马溪组页岩岩相及储集空间特征[J].石油勘探与开发,2012,39(6):691-698.

9	Li Zhuo, Jiang Zhenxue, Tang Xianglu,et al.Lithofacies characteristics and its effect on pore structure of the marine shale in the Lower Silurian Longmaxi Formation,southeastern Chongqing[J].Earth Science,2017,42(7):1116-1123. 李卓,姜振学,唐相路,等.渝东南下志留统龙马溪组页岩岩相特征及其对孔隙结构的控制[J].地球科学,2017,42(7):1116-1123.

Wang

Qingbo

, Liu

Ruobing

, Wei

Xiangfeng

,et al.Geologic condition of shale gas accumulation in continental facies and main controlling factors of enrichment and high production:Taking Yuanba district as an example[J].Fault-Block Oil and Gas Filed,2013,20(6):698-703.

王庆波,刘若冰,魏祥峰,等.陆相页岩气成藏地质条件及富集高产主控因素分析——以元坝地区为例[J].断块油气田,2013,20(6):698-703.

11	Shu Yao, Hu Ming.Structural feature and deformation stages in northeastern of Sichuan Basin[J].Complex Hydrocarbon Reservoirs,2010,3(2):17-20. 舒姚,胡明.川东北地区构造特征及变形期次探讨[J].复杂油气藏,2010,3(2):17-20.

Dongdong

, Tang

Liangjie

, Yu

Yixin

,et al.Differential structural evolution and its influence on the natural gas accumulation of continental strata in the western and northeastern Sichuan Basin[J].Geoscience,2016,30(5):1085-1095.

于冬冬,汤良杰,余一欣,等.川西和川东北地区差异构造演化及其对陆相层系天然气成藏的影响[J].现代地质,2016,30(5):1085-1095.

13	Ni Kai.Shale-gas reservoir-forming conditions in Da’anzhai section, Yuanba area[J].Natural Gas Technology and Economy,2012,6(4):13-16. 倪楷.元坝地区大安寨段页岩气藏的形成条件[J].天然气技术与经济,2012,6(4):13-16.

14	Yong Yunqiao.Research on Sedimentary Facies of the Lower Jurassic Ziliujing Formation in the Yuanba Area of the Northeast Sichuan Basin[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,2013. 雍云乔.川东北元坝地区下侏罗统自流井组沉积相特征研究[D].成都:成都理工大学,2013.

15	Ni Chao, Hao Yi, Hou Gangfu,et al.Cognition and significance of Lower Jurassic Da’anzhai organic muddy shell limestone reservoir in central Sichuan Basin[J].Marine Origin Petroleum Geology,2012,17(2):45-56. 倪超,郝毅,厚刚福,等.四川盆地中部侏罗系大安寨段含有机质泥质介壳灰岩储层的认识及其意义[J].海相油气地质,2012,17(2):45-56.

16	Zhu Tong, Wang Feng, Yu Lingjie,et al.Controlling factors and types of shale gas enrichment in the Sichuan Basin[J].Oil & Gas Geology,2016,37(3):399-407. 朱彤,王烽,俞凌杰,等.四川盆地页岩气富集控制因素及类型[J].石油与天然气地质,2016,37(3):399-407.

17	Huang Dong, Yang Guang, Wei Tengqiang,et al.Recognition of high yield and stable yield factors of Da’anzhai Tight Oil, Guihua Oilfield[J].Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition,2015,37(5):23-32. 黄东,杨光,韦腾强,等.川中桂花油田大安寨段致密油高产稳产再认识[J].西南石油大学学报:自然科学版, 2015,37(5):23-32.

18	Liang Digang, Ran Longhui, Dai Danshen,et al. A recognition of the prospecting potential of Jurassic large-area and un-conventional oils in the central-northern Sichuan Basin[J].Acta Petrolei Sinica,2011,32 (1):8-17. 梁狄刚,冉隆辉,戴弹申,等.四川盆地中北部侏罗系大面积非常规石油勘探潜力的再认识[J].石油学报,2011,32(1):8-17.

19	Wang Shaoyong, Li Jianzhong, Li Denghua,et al.The potential of tight oil resource in Jurassic Da’anzhai Formation of the Gongshanmiao Oil Field, central Sichuan Basin[J].Geology in China,2013,40(2):477-486. 汪少勇,李建忠,李登华,等.川中地区公山庙油田侏罗系大安寨段致密油资源潜力分析[J].中国地质,2013, 40(2):477-486.

20	Gao Jian, Lin Liangbiao, Ren Tianlong,et al.Controlling factors for shale gas enrichment of the Lower Jurassic Dongyuemiao member in the northern Sichuan Basin[J].Lithologic Reservoirs,2016,28(5):67-75. 高健,林良彪,任天龙,等.川北地区下侏罗统东岳庙段页岩气富集主控因素研究[J].岩性油气藏,2016,28 (5):67-75.

21	Wang Guanmin, Zhong Jianhua.A review and the prospects of the researches on sedimentary mechanism of lacustrine lamina[J].Acta Petrologica et Mineralogica,2004,24(3):43-48. 王冠民,钟建华.湖泊纹层的沉积机理研究评述与展望[J].岩石矿物学杂志,2004,24(3):43-48.

22	Yang Wanqin, Wang Xuejun, Ding Juhong,et al.Characteristics and control factors of fine-grained sedimentary rock lithofacies in Bonan Subsag[J]. Journal of China University of Mining & Technology,2017,46(2):365-374. 杨万芹,王学军,丁桔红,等.渤南洼陷细粒沉积岩岩相发育特征及控制因素[J].中国矿业大学学报,2017,46(2):365-374.

Jiang

Zhenxue

, Tang

Xianglu

, Li

Zhuo

,et al.The whole aperture pore structure characteristics and its effect on gas content of the Longmaxi Formation shale in the southeastern Sichuan Basin[J].Earth Science Frontiers,2016,23(2):126-134.

姜振学,唐相路,李卓,等.川东南地区龙马溪组页岩孔隙结构全孔径表征及其对含气性的控制[J].地学前缘,2016,23 (2):126-134.

24	Shi Miao, Yu Bingsong, Xue Zhipeng,et al.Pore characteristics and significance of the Longmaxi Formation shale gas reservoir in northwestern,China Guizhou[J].Earth Science Frontiers,2016,23(1):206-217. 史淼,于炳松,薛志鹏,等.黔西北地区龙马溪组页岩气储层孔隙特征及其储气意义[J].地学前缘,2016,23(1):206-217.

Wei

Xiangfeng

, Liu

Ruobing

, Zhang

Tingshan

,et al.Micro-pores structure characteristics and development control factors of shale gas reservoir:A case of Longmaxi Formation in XX area of southern Sichuan and northern Guizhou[J].Natural Gas Geoscience,2013,24(5):1048-1059.

魏祥峰,刘若冰,张廷山,等.页岩气储层微观孔隙结构特征及发育控制因素——以川南—黔北XX地区龙马溪组为例[J].天然气地球科学,2013,24(5):1048-1059.

26	Chen Shiyue, Zhang Shun, Wang Yongshi,et al.Lithofacies types and reservoirs of Paleogene fine-grained sedimentary rocks in Dongying Sag,Bohai Bay Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2016,43(2):198-208. 陈世悦,张顺,王永诗,等.渤海湾盆地东营凹陷古近系细粒沉积岩岩相类型及储集层特征[J].石油勘探与开发,2016,43(2):198-208.

27	Wu Lanyu, Hu Dongfeng, Lu Yongchao,et al.Advantageous shale lithofacies of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Fuling Gas Field of Sichuan Basin,SW China[J].Petroleum Exploration and Development,2016,43 (2):189-197. 吴蓝宇,胡东风,陆永潮,等.四川盆地涪陵气田五峰组—龙马溪组页岩优势岩相[J].石油勘探与开发,2016,43(2):189-197.

Jia

Chengye

, Jia

Ailin

, Han

Pinlong

,et al.Reservoir characterization and development evaluation of organic-rich gas-bearing shale layers in the Lower Silurian Longmaxi Formation, Sichuan Basin[J].Natural Gas Geoscience,2017,28(9):1406-1415.

贾成业,贾爱林,韩品龙,等.四川盆地志留系龙马溪组优质页岩储层特征与开发评价[J].天然气地球科学,2017,28(9):1406-1415.

Options

Outlines

模态框（Modal）标题

Highlights

Cite this article

0 引言

1 地质背景

图1 川东北地区区域地质背景（a）与自流井组地层综合柱状图（b）(据倪超等[15]修改)

2 实验方法与结果

2.1 地球化学特征

表1 自流井组页岩样品地球化学及岩石学测试结果

2.2 岩石学特征

图2 川东北地区自流井组页岩全岩矿物分析

3 自流井组陆相页岩岩相类型

3.1 自流井组陆相页岩岩相划分

3.2 自流井组陆相页岩岩相类型

图3 川东北地区自流井组页岩的矿物组分三角图和TOC含量

3.2.1 贫有机质硅质页岩（Ⅰ3）

图4 川东北地区自流井组页岩的岩心特征

3.2.2 含有机质混合质页岩（Ⅳ2）

3.2.3 含有机质硅质页岩（Ⅰ2）

3.2.4 富有机质黏土质页岩（Ⅱ1）

4 不同陆相页岩岩相储层发育特征

4.1 纹层发育特征

图5 川东北地区自流井组页岩镜下薄片特征

4.2 孔隙结构特征

4.2.1 孔隙类型

图6 川东北地区自流井组页岩SEM照片

4.2.2 孔体积与孔比表面积

图7 川东北地区自流井组不同岩相孔体积与比表面积分布（据姜振学等[23]修改）

图8 自流井组不同岩相平均孔体积与孔比表面积

4.3 优势页岩岩相

图9 川东北地区自流井组大安寨段页岩岩相及储层综合柱状图

表2 自流井组陆相页岩不同岩相储层特征对比

5 结论

References

图1 川东北地区区域地质背景（a）与自流井组地层综合柱状图（b）(据倪超等^[15]修改)

2.1　地球化学特征

2.2　岩石学特征

3.1　自流井组陆相页岩岩相划分

3.2　自流井组陆相页岩岩相类型

**图3 川东北地区自流井组页岩的矿物组分三角图和TOC含量**

3.2.1　贫有机质硅质页岩（Ⅰ₃）

3.2.2　含有机质混合质页岩（Ⅳ₂）

3.2.3　含有机质硅质页岩（Ⅰ₂）

3.2.4　富有机质黏土质页岩（Ⅱ₁）

4.1　纹层发育特征

4.2　孔隙结构特征

4.2.1　孔隙类型

4.2.2　孔体积与孔比表面积

图7 川东北地区自流井组不同岩相孔体积与比表面积分布（据姜振学等^[23]修改）

4.3　优势页岩岩相