川东地区茅口组一段微孔特征及其主控因素

王佳蕊，宋金民,2，刘树根，范建平，黄士鹏，李立基，金 鑫，冯宇翔，王俊柯，王杉杉

(1. 成都理工大学 能源学院，成都 610059；2. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059；3. 西华大学，成都 610039；4.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院，北京 100083)

0 引言

四川盆地中二叠统茅口组是目前勘探的热点层系之一[1-2]。茅口组自下而上可划分为茅一、茅二、茅三和茅四一共4个岩性段，目前的勘探突破多在茅二段至茅三段，比如双鱼石构造、蜀南地区、龙岗地区、太和气区、龙会2井以及角探1井等[3-7]。近年来，川东南地区义和1井、焦石1井、潼探1井和七里50井相继在中二叠统茅一段钻遇工业气流，其中焦石1井、义和1井分别获得日产1.68×104m3和3.06×104m3的工业气流[8]。2020年5月，大石1HF井在茅口组一段获得产量为22.6×104m3/d的高产工业气流[9]。2020年10月，蜀南地区靖和1井在茅口组一段测试获12.5×104m3/d的高产气流[10]。

目前的研究认为茅一段处于碳酸盐岩台地较深水外缓坡相，主要岩性包括泥晶灰岩、瘤状灰岩及灰泥灰岩等，典型构造为“眼皮眼球状”构造[11]。茅一段储层为特低孔隙度、特低渗透率裂缝-孔隙型致密储层，平面上自西向东厚度增加，发育自生自储特低孔特低渗气藏[12-14]。从研究层来讲，目前的研究大多针对茅二段和茅三段的滩相储层和风化壳古岩溶型储层[15]，而茅一段与茅二段、茅三段储集空间类型、微孔特征均有明显不同，储层在纵向及横向上都具有较强的非均质性。从研究方面来讲，储层的微观孔隙结构能够直接影响其物性，并决定油气藏的产能分布差异[16]。前人对茅一段致密储层开展沉积特征、成岩演化和成岩相等方面的研究[11,17-18]，但对其储集空间和微孔特征以及对微孔的控制方面研究相对较薄弱，制约了气藏的高效勘探开发进程。该研究基于岩心观察、薄片鉴定、物性测试、核磁共振分析和氩离子抛光等，系统地开展了川东地区茅口组一段岩石结构与微孔特征的研究，探讨茅一段微孔的控制因素，以期对后续茅一段勘探开发部署提供参考。

1 区域地质概况

四川盆地属于上扬子地台西北缘，可划分为川南低陡褶皱带、川东高陡褶皱带、川中低缓褶皱带、川北低陡褶皱带和川西山前凹陷带[19]。研究区位于四川盆地东南部，跨越川东弧形高陡构造带和川南低陡构造带，范围南起叙永—习水一线，西达赤水—大足一线，北到广安—华蓥一线，东抵丰都—涪陵一线。

四川盆地茅口组沉积时期继承了栖霞组构造-沉积格局，主要经历了快速海侵、缓慢海退的过程，在川东地区主要沉积一套中缓坡—深缓坡相灰岩[20]。中二叠世末，四川盆地发生东吴运动，碳酸盐岩台地部分抬升暴露于地表，茅口组顶部遭受不同程度剥蚀，泸州地区因处于隆起中心，剥蚀程度最强烈[21]。川东地区茅口组仅茅四段普遍受剥蚀影响，茅一段至茅三段保留完整。

在茅一段沉积期，四川盆地主要为缓坡型台地，经历了一次大规模海侵，盆地水深由东向西逐渐变浅。该时期水体较深，能量较低，由西向东依次发育内缓坡、中缓坡和外缓坡相[22]。按照岩石结构，茅一段由上而下可分为a，b和c这3个亚段，如图1所示[23-24]。茅一a段岩石类型主要为深灰色泥晶生屑灰岩，夹一些硅质岩和页岩，可见腕足、珊瑚和海绵等生物；茅一b段岩性类型主要为深灰色瘤状灰岩夹一些薄层页岩；茅一c段岩石类型主要为深灰色泥晶生屑灰岩、泥晶粉屑灰岩与硅质岩，夹少量页岩，可见生物碎屑。茅一a和c段发育孔隙和裂缝，可见裂缝被充填，沥青和有机质富集[23]。

图1 四川盆地川东地区地质构造和茅一段灰岩岩性情况Fig. 1 Situation of geological structure and limestone lithology in eastern Sichuan Basin

2 岩石学特征

根据双6井、张8井和环山4井的岩心观察与薄片鉴定，川东地区茅一段以致密灰岩为主，常见岩石结构有泥晶生屑灰岩、泥质泥晶生屑灰岩和含泥泥晶生屑灰岩等。图2所示为川东地区茅一段岩石结构类型。

2.1 泥晶生屑灰岩

该类岩性在研究区茅口组分布最为广泛，岩心上呈致密块状，颜色整体较深，如图2a所示。通过薄片观察，颗粒主要由生物碎屑组成，含量为15%～30%，主要为介壳、腹足、蜓类、珊瑚、藻类、腕足、双壳、介形虫和有孔虫等，生物碎屑较为破碎。溶孔与裂缝发育，并可见泥质、方解石充填现象，偶见白云石化，白云石晶体自形程度中等，多为0.03～0.20 mm，如图2b和图2c所示。

2.2 泥质泥晶生屑灰岩

岩心颜色较深，通过薄片观察，生物碎屑含量为15%～30%，如图2d所示。含介壳、介形虫、有孔虫、腕足、腕足等生物碎屑。泥质含量为25%～40%，主要为由海泡石转化而来的滑石，可见生屑颗粒间充填了大量褐色滑石。见白云石化，白云石晶体自形程度差，大多呈他形。局部发育溶缝、溶孔，被泥质充填，如图2e和图2f所示。

2.3 含泥泥晶生屑灰岩

生屑含量15%～30%，主要为藻类、腹足、蜓类、有孔虫、介形虫和珊瑚等，除有孔虫及腕足等部分方解石化保存完整外，其他生物碎屑保存不完整；泥质含量10%～20%。孔隙度和渗透率较泥晶生屑灰岩更大，储集性能更好，颜色整体较深。局部发育裂缝，多被沥青、方解石所充填，如图2g、图2h和图2i所示。

图2 川东地区茅一段岩石结构类型Fig.2 Rock structure types of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

3 储集空间类型

通过对双6井、张8井和环山4井样品进行镜下薄片观察分析，发现茅一段储集空间为微孔-裂缝体系，研究中将茅一段灰岩中的孔隙分为粒间孔(缝)、滑石收缩孔(缝)、有机质孔隙和微裂缝4大类，如图3所示。

3.1 粒间孔

原生粒间孔隙是指在沉积物沉积后，经过压实作用，在碎屑颗粒之间及颗粒和杂基之间形成的孔隙[25]。茅一段储层粒间孔分布于生物碎屑颗粒之间，孔径为200～1 000 nm，连通性好，如图3a、图3b和图3c所示。但因后期破坏性作用，原生粒间孔会大幅减少甚至消失，使得该类孔隙多呈孤立分布，连通性变差。

3.2 滑石收缩孔(缝)

滑石是典型三八面体层状硅酸盐矿物，海泡石是三八面体层链状硅酸盐矿物，当海泡石埋藏到一定深度，随着压力、温度的增大，晶格趋于不稳定，面网受到动摇，就会发生层链塌陷向滑石转化，在这个过程中就会产生滑石收缩孔(缝)[8]。滑石孔(缝)宽为10～100 nm，连通性好，发育在黏土矿物含量较高的层段中，如图3d和图3e所示。

3.3 有机质孔隙

主要发育在有机质含量较高的泥晶生屑灰岩中。扫描电镜下见到的有机质孔隙多为热成因有机质孔即焦沥青孔隙，孔隙大小为1～100 nm，形状不规则，连通性差，如图3f所示。

3.4 裂缝

川东中二叠统茅口组一段应力缝多见于宏观尺度，表现为岩心上的低角度裂缝，为半-全充填，如图3g以及图3h所示。镜下薄片观察较为平直，烃类、泥质充注比较显著，同时工区发育溶蚀裂缝，呈树枝状或网缝状，缝宽变大，可达0.5～1.5 μm，具有良好的连通作用，可以作为有效的油气运移通道，如图3i、图3j、图3k以及图3l所示。结合核磁共振测试结果，裂缝也是研究区茅口组主要的储集空间类型之一。

图3 川东地区茅一段主要储集空间类型Fig.3 Reservoir space types of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

4 微孔特征

应用扫描电镜、氩离子抛光与核磁共振进行茅一段致密灰岩孔隙结构表征。在扫描电镜基础上，运用image J软件进行孔隙定量划分与提取，根据图像的灰度直方图信息获得用于分割的阈值。图像分割后再次中值滤波过滤斑点噪声，通过提取孔隙边缘并进行区域填充操作移除“孤岛”，充填孔洞，最后机器自动输出提取结果。

通过扫描电镜、氩离子抛光与imageJ软件提取孔隙参数发现，茅一段普遍发育微米-纳米级孔隙与裂缝。研究区主要孔隙为微孔，最大孔径51.438 μm，最小孔径0.185 μm，平均孔径为1.725 μm。孔隙面积最小仅0.050 μm2，最大可达10.000 μm2，平均面积为2.764 μm2。孔隙形状呈三角形状、网状、长条状、多边形和狭缝形等，被泥质、方解石与滑石充填。裂缝呈明显的弯曲状，且多具较好延伸性，长度多在200 μm左右，宽度多为20～100 nm，最小缝宽仅5.1 nm，如图4所示。

岩样核磁共振分析原理是多孔介质孔径与其中流体的横向弛豫时间T2成正相关关系。当岩石孔隙中分布单相流体时，横向弛豫时间T2时间分布曲线上每个峰反映特定范围内孔径中的流体信号，峰的面积反映流体含量和此范围孔径所占比例。当孔隙中的单相流体达到饱和后，T2谱中峰面积能够反映孔隙体积[26-28]。如图5所示，茅一段致密储层的横向弛豫时间T2谱存在3种峰的类型：单峰型、左峰占优双峰型及右峰占优三峰型，T2为0.01～10 000.00 ms，说明不同等级孔隙均有发育。0.01～100.00 ms组分所占比例较高，大于100.00 ms的弛豫组分所占比例较低，指示小孔隙贡献更大。

图5 川东地区茅一段不同岩性核磁共振T2谱Fig.5 NMR T2 spectra of different lithology of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

4.1 泥晶生屑灰岩

泥晶生屑灰岩在285 μm×265 μm的视域内，孔隙数目约为240～800个，平均496个。孔径最大可达51.438 μm，最小为0.185 μm，平均孔径2.555 μm；孔隙面积为3.16 μm2，最大为10.00 μm2，最小为0.05 μm2；平均孔隙周长2.290 μm，最大可达9.432 μm，最小2.902 μm，如图6所示。泥晶生屑灰岩的孔隙直径、孔隙面积与孔隙周长都跨度大且非常不均匀，反映内部孔隙不同等级的孔隙均有发育。

泥晶生屑灰岩的T2谱主要呈双峰，可进一步分为左峰占优与右峰占优2种类型，主要为左峰占优的双峰类型，其横向弛豫时间T2双峰谱左峰峰位和右峰峰位分别为0.1～10.0 ms和10.0～100.0 ms。孔隙度分量左峰明显高于右峰，表明孔隙发育范围较大，其中主要发育孔喉半径为1～100 nm的小孔隙，同时发育部分大孔隙，渗透率较低。右峰占优的双峰类型占小部分，横向弛豫时间T2双峰谱左峰峰位约分布在10 ms附近，右峰峰位为100～1 000 ms，且孔隙度分量右峰明显高于左峰，如图6a所示，表明中等孔隙所占比例增加，成为主要孔隙类型，同时发育大孔隙。

4.2 泥晶灰岩

泥晶灰岩孔隙数量最少，仅453个。相较生屑泥晶灰岩和泥晶生屑灰岩，泥晶灰岩平均孔径最小，仅1.462 μm，平均孔隙面积也最小仅1.477 μm2，但其平均孔隙周长最大，为3.95 μm，如图6所示。

泥晶灰岩的T2谱成单峰，且峰值靠左对称分布，单峰峰值对应横向弛豫时间约为1 ms，最大横向弛豫时间小于1 000 ms，如图6b所示。表明泥晶灰岩孔隙大小分布不均，主要发育小孔隙，中等孔隙与大孔隙欠发育。

4.3 生屑泥晶灰岩

生屑泥晶灰岩为孔隙数目最多的岩石结构，在285 μm×265 μm的视域内，生屑泥晶灰岩平均孔隙数目为595个，最多可达1 527个，最少279个。如图6所示，生屑泥晶灰岩平均孔径约为1.325～1.873 μm，平均孔径为1.590 μm；孔隙面积为2.23 μm2，40%介于1～2 μm2，50%介于2～3 μm2，仅有少量孔隙面积大于3 μm2；平均孔隙周长为2.82 μm且分布均匀，表明生屑泥晶灰岩发育体积大小较均匀的微孔。

核磁共振结果显示，生屑泥晶灰岩横向弛豫时间T2谱主要为左峰占优的双峰类型，双峰谱左峰峰位约为1 ms，右峰峰位为10～100 ms，不同横向弛豫时孔隙分量变化大，如图6c所示。表明生屑泥晶灰岩储层中不同尺度的孔隙皆有发育，但总体以小孔隙为主，此外发育了部分中等孔隙。

图6 川东地区茅一段微孔参数对比Fig.6 Comparison of micropore parameters of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

5 主控因素

通过进一步分析双6井、张8井和环山4井微孔参数与各组分含量的关系发现，川东地区茅一段灰岩TOC、石英含量、黏土矿物含量与孔隙体积、孔隙度、渗透率均具有较好的正相关性，如图7所示。图8所示为川东地区茅一段微孔参数与各组分含量关系。

图7 双6井、张8井及环山4井微孔参数与各组分含量数据Fig.7 Micropore parameters and component content data of wells Shuang6, Zhang8 and Huanshan4

如图8a、图8b和图8c所示，孔隙体积、孔隙度、渗透率均随TOC的增加而增加，反映孔隙主要发育在有机质中，尤其是微孔的孔隙体积、孔隙度、渗透率与TOC呈高度正相关，说明有机质目前以微孔发育为主。

如图8d、图8e和图8f所示，石英含量与孔隙体积、孔隙度、渗透率呈现较好的正相关性，即石英含量越高，岩石孔隙体积越大、孔隙度与渗透率越高。石英具有特定的晶形和硬度，可以构成一个相对刚性格架，抵抗外力的作用相对较强，有利于岩石中孔隙的保存。与此同时，石英颗粒被破坏时，边缘易产生裂缝，能够改善灰岩的孔渗条件。

如图8g、图8h和图8i所示，黏土矿物受空间限制影响较小且多呈层状沉积，可以为气体赋存与流动提供更多的吸附点位和孔隙空间。在黏土矿物中，滑石贡献最大。茅一段的滑石是由海泡石转化而来，海泡石是三八面体层链状黏土矿物，而滑石是三八面体层状硅酸盐矿物。深埋藏条件下，海泡石链笼中分子水被排出，层链塌陷，开始向滑石转化，形成一定数量的成岩收缩缝[29]，有利于提高川东地区茅一段储层的储集性能。

图8 川东地区茅一段微孔参数与各组分含量关系Fig.8 Relationship between micropore parameters and content of each component of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

6 结论

1)川东地区茅口组一段储层发育在致密灰岩中，可划分为泥晶生屑灰岩、泥质泥晶生屑灰岩、含泥泥晶生屑灰岩和含生屑泥晶灰岩。

2)茅一段地层储集空间主要为粒间孔、滑石收缩孔(缝)、有机孔和裂缝。发育孔缝型储层，其岩层平均孔隙度为1.57%，平均孔径为1.725 μm，平均孔隙面积为2.764 μm2，平均渗透率为0.113 mD，表现出低孔、低渗的致密碳酸盐岩储集特征。

3)川东地区茅一段TOC、石英含量、黏土矿物含量与孔隙度、孔隙体积、渗透率均呈现出较好的正相关性。有机碳丰度、石英丰度、滑石丰度控制了川东地区茅口组一段储层微孔的发育。