四川盆地二叠系龙潭组页岩孔隙发育特征及主控因素
Pore development characteristics and main controlling factors of the Permian marine-continent transitional shale in the Sichuan Basin
收稿日期: 2020-01-06 修回日期: 2020-04-21 网络出版日期: 2020-11-09
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Received: 2020-01-06 Revised: 2020-04-21 Online: 2020-11-09
作者简介 About authors
陈斐然(1988-),男,湖南新宁人,博士,主要从事非常规油气地质研究.E-mail:
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陈斐然, 魏祥峰, 刘珠江, 敖明冲, 燕继红.
CHEN Fei-ran, WEI Xiang-feng, LIU Zhu-jiang, AO Ming-chong, YAN Ji-hong.
0 引言
本文研究选取川东南綦江地区DYS1井岩心和利川沙溪剖面露头样品,开展有机碳、X-射线衍射、有机显微组分、氩离子抛光扫描电镜、低温液氮—压汞联合测试、聚焦离子束三维扫描(3D-FIB-SEM)等多项实验分析,对四川盆地及周缘不同沉积相带龙潭组页岩孔隙类型、形态、体积、连通性等储层特征进行研究,结合地球化学与岩石矿物组分特征,确定二叠系龙潭组、吴家坪组页岩不同类型孔隙发育的主控因素,从而为评价其页岩气勘探潜力奠定良好的基础。
1 区域概况
总体来说,川西南地区西昌—美姑—甘洛一带为玄武岩喷发区,雅安—乐山—马边—雷波一带为近物源的河流相沉积区;川中—川东南地区为龙潭组海陆过渡相含煤碎屑岩沉积区,分布面积广泛,埋深适中,为本文重点研究领域;川东—川北地区则主要为吴家坪组海相碳酸盐岩混积台地和斜坡—陆棚沉积区,埋深较大,普遍大于4 500 m(图1)。
图1
图1
四川盆地及周缘龙潭组/吴家坪组沉积相平面特征
Fig.1
Sedimentary facies distribution of Longtan Formation / Wujiaping Formation in Sichuan Basin and its periphery
2 页岩基本特征
2.1 岩性特征与分布
图2
图2
綦江东溪地区DYS1井龙潭组页岩气综合剖面
Fig. 2
Comprehensive profile of shale gas in Longtan Formation of Well DYS1 in Qijiang Dongxi area
2.2 地球化学特征
龙潭组富有机质泥页岩有机质丰度受沉积环境控制作用明显,其中滨岸沼泽相、潮坪相和斜坡—陆棚相为富有机质泥页岩发育有利相带。川东南綦江东溪地区处于龙潭组潮坪/潟湖相带内,DYS1井分析化验资料揭示,龙潭组泥页岩(不含煤层)TOC含量主要介于0.57%~18.37%之间,平均值为 3.23%,不同的岩性TOC含量差异较明显,其中煤层TOC含量最高,平均值高达65.9%,炭质泥页岩、泥岩、粉砂质泥岩和灰质泥岩次之,分别为16.6%、3.4%、3.7%和2.1%(图2)。
川东南DYS1井龙潭组有机质显微组分主要为镜质体、丝质体及固体沥青,干酪根碳同位素δ13C值介于-22.6‰~-24.1‰之间,表明龙潭组泥页岩有机质类型以Ⅲ型和Ⅱ2型为主。
丁山—东溪地区龙潭组总体处于高成熟—过成熟阶段,RO值在2.0%~2.3%之间,DYS1井龙潭组取心段实测RO值介于1.96%~2.40%之间,平均值为2.22%。
3 页岩孔隙发育特征
3.1 孔隙度
图3
图3
DYS1井龙潭组孔隙度与TOC相关性
Fig. 3
Correlation between the porosity and TOC of Longtan Formation in Well DYS1
为确定龙潭组泥页岩孔隙度在实际地层条件下的压实率,借助MQ-86型覆压下孔渗测定仪,分析不同覆压条件下DYS1井龙潭组、龙马溪组泥页岩的孔隙度变化特征。
表1 DYS1井龙潭组与龙马溪组不同岩性覆压孔隙度数据
Table 1
岩性(层系) | 不同覆压条件孔隙度/% | 孔隙度/% | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5 MPa | 10 MPa | 20 MPa | 30 MPa | 40 MPa | 50 MPa | 减少量 | 压实率 | |
煤(龙潭组) | 9.40 | 8.91 | 8.59 | 8.36 | 8.18 | 7.95 | 1.45 | 15.43 |
炭质泥页岩(龙潭组) | 6.90 | 6.47 | 6.04 | 5.82 | 5.68 | 5.53 | 1.37 | 19.86 |
白云质泥岩(龙潭组) | 5.07 | 4.80 | 4.69 | 4.58 | 4.53 | 4.48 | 0.59 | 11.64 |
硅质页岩(龙马溪组) | 6.73 | 6.28 | 6.05 | 5.82 | 5.65 | 5.59 | 1.14 | 16.94 |
图4
图4
DYS1井龙潭组与龙马溪组不同岩性覆压孔隙度变化
Fig. 4
Porosity change diagram of Longtan Formation and Longmaxi Formation under loading pressure in Well DYS1
龙马溪组硅质页岩孔隙度减少量为1.14%,压实率为16.94%,与龙潭组煤、炭质泥页岩的覆压孔隙度变化基本相当,与炭质泥页岩的孔隙度压实变化曲线基本重合(图4)。表明硅质/炭质泥页岩与煤压实率在15%~20%之间,减少量在1.0%~1.5%之间,证实了龙潭组煤、炭质泥页岩地表实测孔隙度基本能反映实际地层条件下孔隙度值。
3.2 孔隙类型
图5
图5
龙潭组和吴家坪组泥页岩不同类型孔隙特征
(a)黏土矿物孔、微裂隙,炭质泥岩,DYS1井,井深2 969.11 m;(b)黏土矿物孔、微裂隙,炭质泥岩,DYS1井,井深2 988.61 m;(c)高等植物残片中生物结构孔,炭质泥岩,DYS1井,井深2 971.86 m;(d)高等植物内发育的气孔,炭质泥岩,DYS1井,井深2 969.11 m;(e)发育大量有机孔,吴家坪组,利川沙溪;(f)蜂窝状有机孔隙,吴家坪组,利川沙溪
Fig. 5
Pore characteristics of different types of shale in Longtan Formation and Wujiaping Formation
3.3 孔隙结构特征
3.3.1 孔径分布
图6
图6
龙潭组和吴家坪组不同页岩孔径分布特征
Fig.6
Different shale pore size distributions in Longtan Formation and Wujiaping Formation
3.3.2 孔隙形态
图7
图7
氮气“脱附回线”分类及其孔隙类型(De Boer:A1-A5,IUPAC:B1-B4)
Fig.7
Classification of nitrogen “desorption loop” and its pore types (De Boer: A1-A5, IUPAC: B1-B4)
图8
图8
龙潭组和吴家坪组不同页岩氮气吸附—脱附曲线
Fig.8
Nitrogen adsorption-desorption curves of different shales in Longtan Formation and Wujiaping Formation
利川沙溪露头吴家坪组深水陆棚相页岩氮气吸附—脱附曲线与De Boer分类A4/A5型、IUPAC 分类B3/B4型回线特征相似,吸附与脱附曲线在低压区基本重合,吸附曲线无明显“拐点”,脱附曲线相对平缓,表明吴家坪组深水陆棚相页岩孔隙主要以墨水瓶状、球状或细颈瓶状有机质孔与溶蚀孔为主,同时还存在部分一端封闭的楔形或V形粒间孔,与DYS1井龙潭组页岩孔隙形态存在较大差异[图8(b)]。
3.3.3 孔隙连通性
本文研究采用3D-FIB-SEM技术可较清晰识别出页岩矿物基质、有机质及微观孔隙(灰色为矿物、蓝色为有机质、红色为孔缝)、观察页岩微米—纳米孔隙结构及空间分布[15]。
图9
图9
四川盆地龙潭组和吴家坪组页岩FIB-SEM三维结构分析
(a)—(c)DYS1井龙潭组;(d)—(f)利川沙溪吴家坪组; 灰色为矿物,蓝色为有机质,红色为孔缝
Fig.9
FIB-SEM three-dimensional structure analysis of shale of Longtan Formation and Wujiaping Formation in Sichuan Basin
4 页岩孔隙发育主控因素分析
4.1 有机质类型
图10
图10
龙潭组DYS1井(a)和吴家坪组利川剖面(b)有机显微组分饼状图
Fig.10
Pie chart of organic micro-components in Longtan Formation Well DYS1(a) and Wujiaping Formation Lichuan section(b)
4.2 有机碳与矿物成分含量
四川盆地龙潭组与吴家坪组页岩矿物成分组成存在较大差异,利川沙溪吴家坪组硅质页岩硅质矿物含量相对较高,含量均>60%,黏土矿物含量较低,均值<30%;而DYS1井潮坪潟湖相龙潭组含煤炭质页岩硅质矿物含量相对较低,均值<40%,黏土矿物含量较高,均值>50%,2套页岩在三角图上分布范围差异明显(图11)。
图11
图11
四川盆地龙潭组(吴家坪组)页岩矿物组分含量
Fig. 11
Mineral composition content of Longtan Formation (Wujiaping Formation) shale in Sichuan Basin
通过建立不同矿物组分与微孔、介孔孔容相关性,发现DYS1井潮坪潟湖相龙潭组炭质泥页岩黏土矿物含量与微孔、介孔孔容存在较好正相关性,相关系数分别为0.71与0.80[图12(a),图12(b)],表明潮坪潟湖相无机孔隙主要受黏土矿物含量控制,主要是蒙脱石向伊利石转化过程产物伊/蒙混层中易形成微裂缝,同时片状绿泥石层间缝和伊利石粒间孔均能增加页岩微—纳米孔隙。同时黏土矿物含量与TOC存在较好正相关性,相关系数达0.67[图12(c)],页岩TOC与微孔、介孔孔容呈正相关性,与大孔孔容相关性较差[图13(a)—图13(c)]),表明四川盆地潮坪潟湖相龙潭组炭质泥页岩微米—纳米孔隙主要受黏土矿物含量控制,有机质孔占比相对较小,TOC影响相对较小。
图12
图12
DYS1井龙潭组黏土矿物含量[(a)—(c)]利川沙溪吴家坪组硅质矿物含量[(d)—(f)]与孔容及TOC相关性
Fig. 12
Correlation between the clay mineral content [(a)-(c)] of Longtan Formation in Well DYS1 and the siliceous mineral content [(d)-(f)] of Wujiaping Formation in Lichuan with pore volume and TOC
图13
图13
DYS1井龙潭组[(a)—(c)]利川沙溪吴家坪组[(d)—(f)]页岩TOC与孔容相关性
Fig.13
Correlation between TOC and pore volume of Longtan Formation in Well DYS1 [(a)-(c)] and Wujiaping Formation in Lichuan section [(d)-(f)]
5 结论
(1)四川盆地龙潭组(吴家坪组)海陆过渡相不同沉积相带页岩孔隙结构特征差异较大,处于潮坪潟湖相的DYS1井龙潭组页岩气层主要发育煤及与之相邻的暗色泥页岩,孔隙类型主要发育平行板状、夹板状微裂缝和黏土矿物孔,见有机质结构孔,但数量相对较少,孔径多小于50 nm,分布为多峰型,孔隙连通性中等。
(2)处于深水陆相棚的利川沙溪剖面吴家坪组以暗色页岩为主,孔隙类型则以墨水瓶状沥青质有机孔为主,孔径多小于50 nm,分布为单峰型,孔隙连通性相对较好。
(3)明确了有机质类型、TOC含量、矿物成分是影响龙潭组、吴家坪组孔隙发育的主控因素,其中深水陆棚相发育Ⅱ1型干酪根类型的页岩,TOC、硅质矿物含量与孔体积存在较好正相关性,有机质孔更发育,潮坪-泻澙湖相发育Ⅲ型干酪根类型的煤和页岩,黏土矿物含量和TOC呈正向关耦合关系,与孔体积都呈正相关性较好,但黏土矿物影响更大,有机质孔相对占比小。
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