巢湖地区龙潭组过渡相煤系页岩储层发育特征

赵润琦，崇 璇，赵迪斐，郭英海

(1.中石化中原石油工程有限公司，河南 濮阳 457001; 2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221008;3.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

页岩气是赋存于泥页岩中的非常规天然气，其主要赋存方式为吸附态、游离态[1]，具有源储一体的特点，页岩既是烃源岩也是储集岩[2]。富有机质泥页岩根据沉积环境可划分为海相，陆相及海陆过渡相泥页岩，巢湖地区龙潭组页岩属海陆过渡相煤系页岩，其储层特征与海相页岩存在明显差异。目前，二叠系龙潭组煤系页岩储层已经在页岩气研究中得到重视[3-5]，但与龙马溪组、筇竹寺组等我国南方海相页岩储层相比，对其储层特征、微观孔隙及沉积环境研究仍相对较少。本文以巢湖姚家山剖面为例，应用有机碳测试、氩离子抛光-场发射扫描电镜、X射线衍射、液氮吸附及压汞等实验手段，对龙潭组过渡相煤系页岩储层纳米级孔隙进行定性、定量综合研究，并对龙潭组海相煤系页岩储层生烃条件、储气条件及沉积环境进行综合性分析。

1 区域地质背景

研究区大地构造位置位于特提斯构造与太平洋构造的交汇处，扬子板块东北部的下扬子坳陷，郯庐断裂带的东侧、太平洋板块西侧、苏鲁高压-超高压造山带南侧，中生代以来的构造活动较为强烈，总体来说仍具有相对稳定性的克拉通盆地性质[6]。根据前人研究总结，海陆过渡相有机质泥页岩相对于海相页岩单层厚度不大，平均厚度一般小于40m，但累计厚度较大，一般为100～600m。巢湖地区龙潭组的沉积环境主要包括潮坪-澙湖相、三角洲相、碳酸盐岩台地相等，页岩多形成于澙湖、泥坪和三角洲平原沼泽中，原始有机质含量丰富[7]，处于好烃源岩之列[8]。

页岩类型可分为单独发育及与煤层交互发育两种，龙潭组页岩在沼泽相中与煤层交互发育，在水下分流间湾相、泥坪相和澙湖相单独发育。巢湖地区姚家山剖面龙潭组厚度约65m，可以为上、下两段。本文实验样品取样层位主要对应于潮坪相与澙湖相沉积环境(图1)。

图1 巢湖地区姚家山剖面龙潭组沉积环境Figure 1 Caohu area Yaojiashan section Longtan Formation sedimentary environments

2 煤系页岩有机质特征

对巢湖地区煤系页岩样品进行地球化学特征分析，包括有机碳含量、有机质类型和有机质成熟度。有机碳含量测试结果表明：位于三角洲相的样品TOC质量分数低于1.5%；位于潮坪相的样品TOC质量分数为2%～3%；位于澙湖相的样品TOC质量分数为5%～13%(图2)。页岩样品TOC质量分数从底部向上递减，表示生烃能力向上减弱。根据前人总结，远景区平均TOC质量分数不低于0.5%，有利区不低于1.5%，核心区不低于2.0%。TOC质量分数高于0.5%的样品占比83.3%，即巢湖地区煤系页岩可达到远景区-核心区。有机质丰度可决定含气性，高含量的有机质代表页岩储层生烃能力强，也意味着更好的吸附能力。

图2 龙潭组页岩储层有机质质量分数Figure 2 Longtan Formation shale reservoir organic matter mass fractions

干酪根显微组分鉴定结果表明：干酪根类型为III型干酪根，即有机质类型属腐殖型，有机质来源以高等植物为主，有少量的低等植物参与。镜质组反射率Ro为1.2%～2.8%，Ro处于0.5%～2%时表示页岩处于中热和高热演化阶段，干酪根主要通过热降解生成油气，Ro处于1.3%～2.0%时易形成湿气；Ro大于2.0%时表示页岩处于过热演化阶段，干酪根处于热裂解干气阶段[9]。有机质成熟度增高会使有机质更多的转化为烃类，自生矿物发育、硅质含量升高，从而增加页岩脆性，更易形成裂隙。页岩中的有机质镶嵌于各种无机物之间，在储层中的赋存形态可为分散型、顺层富集型、局部富集型，通过显微镜观测薄片，图3a中可看到层面呈条带状富集的有机质，同时也属于顺层富集；图3b中可看到有机质呈分散型分布。

图3 有机质赋存状态Figure 3 Organic matter hosting state

3 煤系页岩矿物特征

页岩的脆性矿物含量高有利于压裂形成压裂系统，黏土矿物含量高有利于提高气体吸附量，进而可以影响页岩气的赋存和开采。通过对龙潭组煤系页岩样品进行X射线衍射分析获得页岩矿物成分及含量(图4)。XRD分析结果显示：巢湖地区龙潭组煤系页岩矿物主要由黏土矿物和石英组成，黏土矿物质量分数为25%～41%，平均为35%；石英质量分数为9%～43%，平均为27%；碳酸盐矿物(主要为方解石、白云石、斜长石)质量分数为24%～52%，平均为38%；脆性矿物质量分数为58%～74%， 平均为64%， 少量石膏和黄铁矿等矿物质量分数小于10%(图2)。黏土矿物对有机质具有催化作用，可以促进有机质生烃；并且黏土矿物可发育大量纳米级孔隙和微裂隙进而增加页岩气储层的孔隙度，黏土矿物颗粒表面积大影响吸附气的含量。页岩储层脆性矿物含量高易形成天然裂隙，有利于气体的储集和渗流，压裂时更易形成裂隙有利于储层改造[10]。

图4 巢湖地区龙潭组过渡相煤系页岩矿物成分及含量Figure 4 Caohu area Longtan Formation transitional facies coal measures shale mineral composition and content

4 煤系页岩孔隙发育特征

4.1 孔隙类型

通过氩离子抛光-场发射扫描电镜观测龙潭组煤系页岩储层孔隙，基于孔隙的成因与形貌特征，可分为有机质纳米孔、黏土矿物片间孔、溶蚀孔、脆性矿物粒内孔、微裂隙等多种孔隙成因类型[11-12](图5)。有机质纳米孔的发育是有机质热演化的结果，其所形成的孔隙具有较大的比表面积，是页岩气吸附成藏的重要储集空间；溶蚀孔隙、黏土矿物片间孔在页岩储层中普遍发育，是龙潭组孔隙的重要类型；微裂隙发育程度较高，有利于气体的渗流。与龙马溪组相比，有机质孔隙发育不均一且发育程度低，但黏土矿物孔隙极为发育，并发育残余粒间孔[13]。

图5 龙潭组页岩储层孔隙发育特征Figure 5 Longtan Formation shale reservoir pore development features

龙潭组储集空间构成较为复杂，吸附能力较强的黏土矿物孔隙与有机质孔隙对页岩气储集最为重要，溶蚀孔隙、骨架矿物周缘孔隙等较为发育的骨架矿物孔隙也对储集空间具有一定贡献；大量发育的微裂隙不仅提供了一定的储集空间，还构成了气体解吸渗流的通道。

4.2 孔隙发育特征

页岩气储层纳米级孔为致密储层连通性储集空间的主体，而微裂隙可为页岩气提供聚集空间、运移通道[14]。液氮吸附实验结果表明，龙潭组页岩储层样品孔径主体发育在80nm以下，平均孔径33.4nm，40nm左右的孔径分布最广，微孔主要集中分布在2nm左右和10～100nm。压汞法可以测量6.5～100 000nm孔径的有效孔隙，在低压时出现无进汞量或进汞量极小的现象，而在1 000～1 200Pa之后，则基本未再出现无进汞量现象。对高压压汞数据进行处理可知：龙潭组页岩储层中小孔和微孔占据了主要储集空间和比表面积，其中，微孔占据孔隙空间比例为5.81%～27.15%，平均比例为14.24%，小孔所占比例为30.92%～82.47%，平均比例为60.16%，中孔所占比例为6.30%～33.08%，平均比例为19.96%，大孔所占比例为2.47%～13.85%，平均比例为7.63%；微孔对总比表面积的贡献比例为25.50%～31.33%，平均比例为30.17%，小孔贡献比例介于62.61%～72.23%，平均值为67.61%，中孔和大孔贡献比例极小，平均比例为7.63%。小孔和微孔占据90%以上的比表面积，有利于页岩气吸附存储，同时也占据70%以上的孔容，有利于游离气的赋存。

图6 龙潭组孔隙孔容比例与比表面积比例Figure 6 Longtan Formation pore volume ratio and specific surface area ratio

5 结论

(1)龙潭组页岩主体TOC质量分数为0.5%～12.5%，从三角洲相、潮坪相到澙湖相的转变TOC含量有明显的增高；镜质组反射率Ro为1.2%～2.8%；有机质类型属腐殖型。

(2)龙潭组煤系页岩矿物主要由黏土矿物和石英组成，其平均质量分数分别为35%、27%。含量较高的脆性矿物有利于储层原始微裂隙的发育，同时有利于储层的压裂改造；含量高的黏土矿物可提供更大的比表面积，进而影响页岩气的吸附量。

(3)龙潭组页岩孔隙主要发育有机质孔隙、黏土矿物片间孔隙、矿物溶蚀孔、微裂隙等多种类型，有机质孔隙发育不均一，但黏土矿物孔隙、溶蚀孔较为发育，并发育残余粒间孔。龙潭组储层平均孔径33.4nm，比表面积13.44 m2/g，微孔、小孔极为发育，提供了主要的孔隙比表面积与孔体积。

(4)龙潭组储层孔隙特征主要受控于沉积环境与成岩作用，黏土矿物组分和有机质的演化控制纳米孔隙发育，三角洲沼泽相、泥坪相与澙湖相是有利于龙潭组煤系页岩储层发育的沉积环境。