四川盆地红星地区二叠系页岩岩相及其微观孔隙结构特征

赵帅, 刘皓天, 姜新雨, 卢双舫, 周能武, 李文镖, 李柏知

(1.中国石化汉江油田分公司勘探开发研究院, 武汉 430000; 2.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院深层油气实验室, 青岛 266580;3.东北石油大学三亚海洋油气研究院,三亚 572025; 4.东北石油大学陆相页岩油气成藏及高效开发教育部重点实验室, 大庆 163318)

随着全球对化石能源需求的不断增长,非常规油气资源已成为油气勘探开发的重要领域[1-2]。受北美页岩气革命影响,近年来中国页岩气藏勘探开发越来越受到专家学者的重视。根据联合国贸易发展委员会页岩气报告(2018),全球页岩气可采资源量为214.5万亿方,其中中国页岩气可采资源量为31万亿方,可见中国的页岩气资源前景良好,开发潜力巨大。

四川盆地是中国重要的含油气盆地。自开展页岩气勘探工作以来,在盆地内及周缘的寒武系筇竹寺组、奥陶系五峰组-志留系龙马溪组、侏罗系凉高山组-自流井组等多套富有机质页岩取得了一系列突破,发现了长宁、威远、涪陵和昭通等页岩气田,新增探明储量超万亿立方米[3]。2018年中国石化为进一步加快推动中国南方页岩气勘探工作,提出了积极探索新区新层系的发展要求[4]。在此背景下,中国石化江汉油田分公司针对二叠系页岩积极开展了系统评价工作,并将红星地区二叠系海相页岩作为四川盆地页岩气勘探的新目标。

红星地区二叠系地层是四川盆地非常规油气勘探开发的重要接替领域,过去主要被视为二叠系和三叠系常规天然气藏的烃源岩层,其页岩气藏的勘探开发价值并未得到重视,目前整体尚处于勘探初级阶段[5]。2013年后在非常规油气理论的指导下,江汉油田转变勘探思路,于2020年部署实施了红页1HF井,并在二叠系吴家坪组-茅口组四段地层钻遇优质页岩气层,试气产量达到8.93万m3/d,此后相继实施了红页2、3、4HF以及红页茅1HF等探井,均展示出良好的气藏潜力。截至2022年6月,红页1HF井已连续生产约500 d,累产气超过2 200万方;红页2HF井测试产量15.2万m3/d,稳产超过180 d,累产突破1 100万m3,标志着四川盆地红星地区二叠系页岩气藏取得重大勘探突破,填补了国内二叠系页岩气勘探开发的空白[6]。

前期研究表明,红星地区二叠系茅口组四段和吴家坪组页岩在全区分布广泛、埋深适中、品质优良,整体具有“厚度薄、孔隙度高、总有机碳(total organic carbon,TOC)高、含气量高和脆性矿物含量高的“一薄四高”的特征,具备商业开发的潜在价值。但由于红星地区二叠系页岩气发现时期晚,勘探程度低,存在页岩岩相类型不清、储集特征不明等问题。现基于铸体薄片观察、X射线衍射分析、TOC检测和孔渗测试等手段,对红星地区二叠系茅口组四段-吴家坪组的页岩岩相类型进行了识别,结合低温氮气吸附实验和扫描电镜观察,明确了不同岩相的储集特征,以及页岩储集能力的控制因素,这对进一步明确红星地区二叠系页岩气勘探潜力,推动红星地区二叠系页岩气藏的精细勘探和开发都具有指导意义。

1 地质背景

红星地区位于中国湖北省利川市和重庆市石柱县境内,构造上位于四川盆地东缘高陡褶皱带石柱复向斜中部,包含龙驹坝、建南和三星共3个区块,地面海拔在600～1 600 m,面积约96.5 km2,石柱复向斜区内整体构造变形较弱,地层保存条件较好(图1)。红星及周缘地区自东向西依次包括齐岳山复背斜、石柱复向斜、方斗山复背斜和万县复向斜等次级构造单元,区内构造及地层主体呈北北东走向[7]。

图1 四川盆地红星地区构造位置及茅四段-吴家坪组地层综合地层图Fig.1 Structural location of Hongxing area in Sichuan Basin and comprehensive stratigraphic column of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation

茅四段-吴家坪组地层整体厚度在40 m左右,层理构造以纹层为主,岩性以灰岩、灰色泥岩、黑色泥岩夹薄煤层为主,介壳和双壳等生物碎屑较为发育[8]。川东地区在泥盆纪到早三叠世时期经历了海西运动,随着早二叠世的海平面上升,四川盆地沉积了下二叠统梁山-栖霞-茅口组浅海相碳酸盐岩地层。二叠纪末期,茅口组地层受东吴运动影响,经历了一次1～1.5 Ma的构造抬升运动,四川盆地大面积抬升成陆,使得茅口组顶部地层广泛暴露地表并受到大气淡水的溶蚀淋滤,普遍具有典型风化壳岩溶特征,并形成了大量溶蚀孔洞及溶蚀缝。强烈的构造抬升使得茅四段受到程度不同的差异剥蚀作用,并与上覆的吴家坪组地层之间广泛呈现不整合接触的特征[9]。

东吴运动后川东地区发生裂陷活动,水体自西南向东北方向逐渐加深,区域沉积相带由浅水环境的滨岸沼泽相逐渐演化为斜坡浅水陆棚-深水陆棚相。吴家坪组结合沉积相带特征及地层岩性变化可进一步划分为吴一段和吴二段,其中吴一段发育滨岸沼泽相-浅水陆棚相沉积,底部发育铝土层,下部岩性为碳质泥岩夹薄煤层,上部岩性为灰岩和泥质灰岩;吴二段相较吴一段沉积水体加深,发育深水陆棚-斜坡浅水陆棚相沉积,岩性以泥页岩和灰岩为主[10]。

2 样品及实验

本次研究共采集岩心样品约100块,来自3口取芯井:HY-A井、HY-C井和HYM-A井,其中HY-A井和HY-C井具备完整取芯层段,HYM-A井只对茅四段进行了取芯。针对不同实验目的制备了5种规格的样品:①75～150 μm粉末样品246份,用于TOC测井和X衍射矿物分析;②10 mm×20 mm×0.03 mm铸体薄片60片,用于薄片观察;③岩样40个,进行氩离子抛光处理,用于扫描电镜观察;④直径25 mm,长度5 cm岩体柱样109个,用于孔隙度和渗透率测定;⑤40～60目粉末样品21份,用于低温氮气吸附实验。

3 结果

3.1 有机质丰度特征

HY-A井TOC分布在0.36%～28.94%,平均为9.35%;HY-C井TOC分布在0.09%～32.63%,平均为8.5%;HYM-A井TOC分布在0.32%～17.45%,平均为5.85%。从层位上来看,茅四段TOC分布在0.09%～32.63%,平均为6.55%;吴家坪组TOC分布在1.09%～15.48%,平均为6.89%。整体上茅四段-吴家坪组页岩TOC平均达到7.57%,具备高TOC的特征(图2)。

图2 红星地区茅四段-吴家坪组TOC特征Fig.2 TOC content characteristics of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation in Hongxing Area

3.2 岩石矿物学特征

实验结果显示,茅四段-吴家坪组页岩主要由黏土矿物、长英质矿物(石英和长石)和碳酸盐矿物(方解石和白云石)组成,含少量黄铁矿,如图3所示。其中茅四段泥页岩黏土矿物(质量分数)含量在0～65.5%(平均为7.2%),长英质矿物含量在2.5%～87.6%(平均为26.96%),碳酸盐矿物含量在12.4%～91%(平均为67.69%);吴家坪组黏土矿物含量在0～65.5%(平均为27.92%),长英质矿物含量在12.9%～72%(平均为43.07%),碳酸盐矿物含量在0～51.4%(平均为19.27%)。整体上红星地区二叠系地层矿物组分特征较为复杂,黏土、长英质和碳酸盐矿物都具有较高的含量,符合茅四段-吴家坪组沉积时期海相-海陆过渡相-海相环境快速变化的特征[10-12]。

图3 红星地区茅四段-吴家坪组矿物含量特征Fig.3 Mineral content characteristics ofthe fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation in Hongxing Area

如图4所示铸体薄片镜下特征显示,页岩组分以石英、方解石和黑色有机质为主,并含有一定量的黏土矿物,其中黑色有机质在镜下极为发育,这与TOC统计结果相吻合。石英和黏土矿物在镜下主要呈条带状分布[图4(a)、图4(d)、图4(g)、图4(f)],方解石呈条带状[图4(b)、图4(c)、图4(e)]和团块状分布[图4(h)、图4(i)],矿物之间被黑色有机质充填。

图4 红星地区茅四段-吴家坪组页岩典型微观镜下特征Fig.4 Microscopic characteristicsof shale from the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation, Hongxing area

3.3 微观孔隙结构特征

从孔渗测试结果来看,茅四段孔隙度分布在0.31%～4.36%,主要集中在0～3%区间内,平均为2.01%;吴家坪组孔隙度1.21%～9.87%,主要集中在3%～5%区间内,平均为4.7%。茅四段渗透率分布在0.05～274.14×10-3μm,主要集中在10-2～1×10-3μm,平均为10.22×10-3μm;吴家坪组渗透率分布在0.04～175.3×10-3μm,主要集中在10-1～1×10-3μm,平均为6.84×10-3μm(图5)。

图5 红星地区茅四段-吴家坪组页岩孔渗特征Fig.5 Porosity and permeability characteristics of shale from the fourth member of Maokou and Wujiaping Formation

利用氩离子抛光高分辨率扫描电镜对红星地区茅四段-吴家坪组页岩展开镜下观察[13-14],发现茅四段-吴家坪组页岩孔隙类型整体以有机孔为主,主要为沥青质孔[图6(a)、图6(c)]和无定形腐泥质孔[图6(b)],孔隙大小分布在几十纳米到几百纳米不等,高等植物碎片有机孔基本不发育;无机孔类型包括石英粒间孔[图6(i)]、方解石粒内溶孔[图6(d)]、泥晶方解石晶间孔[图6(h)]、黄铁矿晶间孔[图6(g)]、黏土矿物层间孔[图6(f)]、矿物粒间缝[图6(e)]和微裂缝,但无机孔整体不太发育。

图6 红星地区茅四段-吴家坪组典型有机-无机孔扫描电镜图像Fig.6 Scanningelectron microscopy imaging of typical organic and inorganic pores of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation, Hongxing area

在低温N2吸附过程中,由于不同类型孔隙发生凝聚和蒸发的相对压力不同,可以借此区分页岩储层的孔隙形态[15-17]。通过低温N2吸附实验表征了研究区茅四段-吴家坪组页岩孔隙分布特征[图7(a)],然后采用BET(Brunauer-Emmett-Teller)模型计算了孔体积、孔比表面积和孔径分布情况。结果表明,红星地区页岩样品吸附曲线形态相似,相对压力在0～0.01时,为Ⅰ型微孔单分子层吸附;相对压力在0.01～0.45时,吸附量平稳上升,为Ⅳ型介孔多分子层吸附,并产生滞后回环;相对压力大于0.45时,为Ⅱ型宏孔毛细凝聚吸附。吴家坪组页岩等温吸附曲线滞后回环大多为H2型,表明页岩普遍发育墨水型孔;茅口组页岩样品等温吸附曲线滞后回环大多为H3型,表明该层段页岩普遍发育狭长型缝[17-19]。

w为孔径,V为孔体积,dV/dlgw表示孔体积在不同范围孔径内的分布情况图7 红星地区茅四段-吴家坪组页岩低温氮气吸附曲线及不同岩相孔径分布特征Fig.7 Low temperature nitrogen adsorption curve and pore size distribution characteristics of different lithofaciesof the fourth member of Maokou Formation-Wujiaping Formation shale, Hongxing area

红星地区茅四段-吴家坪组页岩的低温氮气吸附曲线根据孔径分布特征的不同,可以分为五种类型:第一类吸附曲线以微孔(<7 nm)和小孔(7～50 nm)为主[图7(b)],这类吸附曲线孔体积最大,平均达到15.15×10-3cm3/g;第二类吸附曲线以微孔(<7 nm)为主[图7(c)],孔体积能够达到12.37×10-3cm3/g;第三类吸附曲线以小孔(7～50 nm)为主[图7(d)],孔体积达到6.92×10-3cm3/g;第四类吸附曲线以中孔(50～100 nm)-大孔(>100 nm)为主[图7(e)],孔体积达到10.17×10-3cm3/g;第五类吸附曲线以大孔(>100 nm)为主[图7(f)],平均孔体积最小,达到0.47×10-3cm3/g。

4 讨论

4.1 划分的页岩岩相类型

岩相是指形成于特定沉积环境下的岩石类型、岩性组合和沉积构造等特征的总和[19-22],其决定着页岩“甜点”层段的分布,控制着页岩的生烃能力和储集能力,影响着页岩的可压裂性,是页岩油气勘探的重要研究内容[23-29,31]。近年来国内外学者围绕不同研究地区提出了多种页岩岩相划分方案,划分依据多以矿物三端元法为基础,结合TOC、层理构造、古生物和特征矿物(黄铁矿、重晶石等)对页岩岩相进行划分。考虑到红星地区茅四段-吴家坪组页岩具备高TOC特征,TOC>10%的样品数量超过20%,由于有机质占比很高,其作为页岩组分在岩相划分中的意义不能被忽略。尽管有学者考虑了TOC在岩相划分中的意义,但通常仅用其评价页岩的生烃能力,却忽视了有机质作为岩石组分的意义。

因此本文在传统矿物三端元法的基础上,将有机质作为岩石组分参与岩相划分方案,结合经典的矿物三端元法(长英质矿物、碳酸盐矿物和黏土矿物),并参考周能武[30]、马存飞等[32]和董春梅等[33]提出的有机质和矿物体积比例计算方法(见表1),建立适用于红星地区二叠系页岩的“有机质+长英质矿物+黏土矿物+碳酸盐矿物”的四端元岩相划分方法,并以体积分数来表征页岩组分含量。具体划分方法如下。

表1 红星地区茅四段-吴家坪组页岩岩相划分方案Table 1 Lithofacies classification method of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation, Hongxing area

首先,将XRD(X-ray diffraction)与TOC转化为单位体积页岩中矿物和有机质的体积占比。TOC由热解分析测试获得,结合转化系数转换成有机质的体积分数。表达式为

Vo=WcKρr/ρo

(1)

Vi=Wi(1-WcK)ρr/ρi

(2)

式中:Vo为页岩中有机质的体积占比,%;Wc为TOC,%;K为TOC转化系数,用于将TOC转化为有机质体积占比,通常根据有机质类型及有机质成熟度确定;ρr为页岩密度,取2.5 g/cm3;ρo为有机质密度,1.2 g/cm3;Vi表示矿物i的体积占比,%;Wi表示矿物i的XRD值,%;ρi为矿物i的密度,g/cm3,由物理与化学手册获得。

通过式(1)、式(2)将TOC与XRD转化为体积占比后,进行归一化处理得到单位体积页岩中有机质和各类矿物的体积分数;最后将归一化后的石英和长石归为长英质矿物,方解石和白云石归为碳酸盐矿物,得到归一化后的长英质矿物、碳酸盐矿物、黏土矿物和有机质的体积占比。其表达式为

(3)

V长英质=K石英+K长石

(4)

V碳酸盐=K方解石+K白云石

(5)

V黏土=K黏土

(6)

V有机质=K有机质

(7)

式中:Kj为归一化得到的单位体积页岩中组分j(包括有机质和矿物)的体积占比,%;V长英质为单位体积页岩中长英质矿物的体积占比,%;V碳酸盐为单位体积页岩中碳酸盐矿物的体积占比,%;V黏土为单位体积页岩中黏土矿物的体积占比,%;V有机质为单位体积页岩中长英质矿物的体积占比,%。

通过计算转化得到有机质和矿物在页岩中的体积占比后,参考沉积岩石学定名方式,有机质以15%体积分数为界,长英质、碳酸盐和黏土矿物按25%和50%体积分数为界,建立适用于红星地区二叠系页岩的岩相划分方案,将茅四-吴家坪组页岩划分为高碳高硅类页岩、高碳低硅类页岩、低碳高硅类页岩、高黏土类页岩和灰质混合类页岩共5种岩相类型,具体见表1。

(1)高碳高硅类页岩岩相。这类岩相主要分布在茅四段和吴二段,厚度占比约10.3%。石英矿物体积含量在50%以上,有机质体积含量在15%以上,碳酸盐矿物和黏土矿物体积含量均小于25%。镜下特征显示[图6(d)],石英和黑色有机质极为发育,是该岩相中的主要成分,石英矿物碎屑和有机质沿顺层方向平行分布。

(2)高碳低硅类页岩岩相。这类岩相主要分布在茅四段和吴一段,层厚占比约59.8%,是发育最广泛的岩相类型。这类岩相的硅质矿物体积含量均在25%以下,有机质体积含量在15%以上。镜下特征显示[图6(a)、图6(c)],高碳低硅类岩相组合中,黑色有机质极为发育,硅质矿物整体发育占比较低,矿物及有机质整体呈顺层状分布。

(3)低碳高硅类页岩岩相。这类岩相主要分布在吴二段,发育层厚占比约6.9%。这类岩相的硅质矿物体积含量在50%以上,有机质体积含量在15%以下。镜下特征显示[图6(b)],石英矿物最为发育,占比达到50%以上,同时有机质较为发育,充填于石英颗粒之间,整体呈顺层状分布。

(4)高黏土类页岩岩相。这类岩相主要分布在吴一段,发育层厚占比约3.2%。这类岩相的黏土矿物体积含量均在50%以上,有机质体积含量在15%以下。镜下特征显示[图6(g)、图6(f)],薄片视域主要被黏土矿物充填,同时发育少量黑色有机质,整体呈顺层状分布。

(5)灰质混合类页岩岩相。这类岩相主要分布在茅四段和吴二段,发育层厚占比约19.8%。这类岩相方解石和白云石等碳酸盐矿物含量能够达到50%以上,同时有机质含量在15%以下。镜下特征显示[图6(e)、图6(h)、图6(i)],方解石极为发育,是薄片中主要成分,同时方解石颗粒间或晶间被少量有机质充填,整体呈均质分布,部分呈顺层状分布。

4.2 不同岩相组合的储集特征

从图8(a)所示五类岩相孔隙度特征来看,高碳高硅类岩相孔隙度最高,分布在3.81%～6.48%,平均为5.05%;高碳低硅类次之,分布在1.36%～6.89%,平均为4.51%;然后是高黏土类,分布在4.16%～5.48%,平均为4.91%;低碳高硅类孔隙度分布在2.65%～5.84%,平均为3.98%;灰质-混合类岩相孔隙度最低,分布在1.4%～4.74%,平均为2.66%。从图8(b)所示渗透率统计结果来看,由于部分样品发育裂缝导致渗透率测试结果较高,但整体来看不同岩相间体现出较好的规律性。高黏土类页岩渗透率最高,主要分布在0.03～2.22×10-3μm,平均达到18.9×10-3μm;其次是高碳高硅类页岩,主要分布在0.01～0.31×10-3μm,平均为4.81×10-3μm;高碳低硅类页岩渗透率主要分布在0.02～0.28×10-3μm,平均为7.78×10-3μm;低碳高硅类页岩渗透率主要分布在0.01～0.12×10-3μm,平均达到2.12×10-3μm;而灰质混合类页岩渗透率主要分布在0.01～0.07×10-3μm,平均渗透率最低,达到0.07×10-3μm。

图8 红星地区茅口-吴家坪组页岩岩相的孔渗特征Fig.8 Porosity and permeability characteristics of shale lithofacies of the fourth member of Maokou Formationand Wujiaping Formation, Hongxing area

低温N2吸附实验、扫描电镜观察和孔渗测试结果显示,茅四段-吴家坪组页岩中发育的5类岩相组合在储集物性上表现出不同的典型特征,而且划分的5类岩相与5类吸附曲线有着良好的匹配关系(图7)。五类岩相的孔体积及比表面积分布情况如图9所示。

图9 红星地区茅四段-吴家坪组页岩岩相的孔径特征及比表面积分布图Fig.9 Pore size characteristics and specific surface area distribution of shale lithofacies of the fourth member of Maokou Formation and Wujiaping Formation, Hongxing area

高碳高硅类岩相的N2吸附实验结果符合第一类吸附曲线特征[图7(b)]。高碳高硅类岩相孔体积分布在9.51×10-3～19.4×10-3cm3/g,平均为15.15×10-3cm3/g,是五类岩相组合中孔隙体积最大的类型。孔径特征以发育微孔为主,分布在7.55×10-3～15.09×10-3cm3/g,平均为12.08×10-3cm3/g;小孔分布在0.76×10-3～3.9×10-3cm3/g,平均为2.71×10-3cm3/g;中孔和大孔分别平均为0.22×10-3cm3/g和0.13×10-3cm3/g。BJH计算结果显示,高碳高硅类岩相比表面积平均为29.44 cm3/g(图9)。

高碳低硅类岩相的N2吸附实验结果符合第二类吸附曲线特征[图7(c)]。高碳低硅类岩相孔隙度分布在1.21%～6.89%,平均为4.69%(图8);孔体积分布在4.24×10-3～29.07×10-3cm3/g,平均为12.37×10-3cm3/g,;孔径特征以发育微孔为主,分布在2.96×10-3～27.13×10-3cm3/g,平均为8.86×10-3cm3/g;小孔分布在0.48×10-3～3.85×10-3cm3/g,平均为2.28×10-3cm3/g;中孔和大孔分别平均为0.85和0.38×10-3cm3/g。BJH计算结果显示,比表面积平均为29.39 cm3/g(图9)。

低碳高硅类岩相的N2吸附实验结果符合第三类吸附曲线特征[图7(d)]。高碳高硅类岩相孔隙度分布在4.72%～5.84%,平均为5.15%(图8);孔体积分布在1.24×10-3～9.72×10-3cm3/g,平均为6.92×10-3cm3/g,孔径特征以发育微孔为主,分布在0.09×10-3～7.07×10-3cm3/g,平均为4.79×10-3cm3/g;小孔分布在0.53×10-3～2.33×10-3cm3/g,平均为1.71×10-3cm3/g;中孔和大孔分别平均为0.24和0.17×10-3cm3/g。BJH计算结果显示,低碳高硅类岩相比表面积平均为15.71 cm3/g(图9)。

高黏土类岩相的N2吸附实验结果符合第四类吸附曲线特征[图7(e)]。高碳高硅类岩相孔隙度分布在4.17%～6.38%,平均为5.28%(图8);孔体积分布在6.88×10-3～13.44×10-3cm3/g,平均为10.17×10-3cm3/g,孔径特征以发育微孔为主,分布在0.62×10-3～2.91×10-3cm3/g,平均为1.98×10-3cm3/g;小孔分布在3.74×10-3～7.66×10-3cm3/g,平均为5.73×10-3cm3/g;中孔和大孔分别平均为1.63和0.82×10-3cm3/g。BJH计算结果显示,高黏土类岩相比表面积平均为5.14 cm3/g(图9)。

灰质-混合类岩相的N2吸附实验结果符合第五类吸附曲线特征[图7(f)]。高碳高硅类岩相孔隙度分布在2.24%～5.64%,平均为4.47%[图8(a)];孔体积分布在0.08×10-3～0.83×10-3cm3/g,平均为0.47×10-3cm3/g;孔径特征以发育微孔为主,分布在0.07×10-3～7.06×10-3cm3/g,平均为2.62×10-3cm3/g;小孔分布在0.19×10-3～3.81×10-3cm3/g,平均为1.19×10-3cm3/g;中孔和大孔分别平均为0.68和0.47×10-3cm3/g。BJH计算结果显示,比表面积平均为8.85 cm3/g(图9)。

通过对五类岩相组合的储集特征比较可以看出(图9),高碳高硅类和高碳低硅类岩相孔隙度最高,孔体积和比表面积最大,发育了茅四段-吴家坪组页岩中最优质的页岩储层;之后依次为高黏土类和低碳高硅类,灰质-混合类岩相平均孔隙度最低,孔体积和比表面积最小。

通过比较孔隙体积与有机质、矿物含量关系发现,茅四段-吴家坪组页岩微孔体积与有机质体积含量呈正比,说明微孔体积受有机质含量控制[图10(a)];小孔体积与有机质和长英质矿物体积呈正比[图10(b)];黏土矿物含量与中孔体积呈正比,控制着中孔发育[图10(c)];大孔发育的控制因素并不明显,由于二叠系页岩整体上不太发育大孔,因此对于二叠系页岩储集能力的影响并不大。

图10 红星地区二叠系页岩孔隙体积与页岩组分关系图Fig.10 Relationship between pore volume and shale composition of the Permian shale, Hongxing area

综上所述,红星地区茅四段-吴家坪组页岩以微孔为主,主要受有机质含量控制。在识别出的5类岩相组合中,高碳高硅类和高碳低硅类岩相组合孔隙度、孔体积和比表面积整体最高,地层发育占比也较高,沉积了最优质的页岩储层;高黏土类岩相组合孔隙度、孔体积和比表面积也很高,属于优质储层,但整体在研究层段发育占比较低;相较前3类组合而言,低碳高硅类岩相孔隙度、孔体积和比表面积相对较高,且发育占比最高;而灰质-混合类岩相组合整体孔隙度、孔体积和比表面积都最低,是最差的储层类型。

4.3 岩相连井分布特征

建立了3口取芯井的连井剖面,展示了红星地区页岩岩相在不同井间的展布情况,如图11所示。从不同层段对比结果来看,吴家坪组主要发育高碳高硅类和高碳低硅类岩相,同时高黏土类岩相主要发育在吴一段,低碳高硅类岩相主要发育在吴二段;茅四段中同时发育了高碳高硅类、高碳低硅类和灰质混合类岩相,其中灰质混合类岩相相对最厚,在各井中均有发育,而高碳高硅类和高碳低硅类岩相整体发育占比不高。结合前文对不同岩相物性分析结果可以看出,吴家坪组发育了储集能力最好的岩相类型,是红星地区勘探的最优层段;茅四段发育了较厚的灰质混合类岩相,因此储集能力不如吴家坪组,但高碳高硅类和高碳低硅类岩相也有所发育,同样具备一定的勘探潜力。

图11 红星地区茅四段-吴家坪组页岩连井剖面图Fig.11 Profile of shale Wells in the fourth Member of Maokou Formation-Wujiaping Formation, Hongxing area

从不同井间对比结果来看,高碳高硅类和高碳低硅类岩相发育最厚,平均达到2.76 m和17.36 m,自北向南从HY-C井、HY-A井到HYM-1井逐渐变薄;低碳高硅类岩相在5口井中均有发育,平均厚度1.92 m,总体发育程度较低;高黏土类岩相主要发育在HY-C井和HY-A井,平均厚度分别达到0.7 m,发育程度相对较低;灰质混合类岩相自北向南,从HY-C井过渡到HYM-A井逐渐变厚,发育程度逐渐变高。结合不同层段中的岩相发育情况可以看出,吴家坪组页岩中储集能力较强的岩相类型整体发育厚度大于茅四段页岩,且呈现出自北向南逐渐变薄的趋势;而茅四段中储集能力较好的高碳高硅类和高碳低硅类等岩相类型整体发育占比低于吴家坪组,整体上呈自北向南逐渐变厚趋势。由此可见,吴家坪组页岩储集能力整体优于茅四段。

5 结论

(1)本文结合研究区高TOC的特征,充分考虑了有机质作为岩石组分在岩相划分的意义,建立了适用于四川盆地红星地区二叠系的岩相划分方法,并在茅四段-吴家坪组页岩中识别出了5种岩相组合,分别为高碳高硅类页岩、高碳低硅类页岩、低碳高硅类页岩、高黏土类页岩和灰质混合类页岩。通过扫描电镜和薄片观察发现,红星地区茅四段-吴家坪组页岩孔隙发育有机质孔、无机矿物孔和微裂缝3种类型,以沥青质孔和腐泥质有机孔为主,无机孔基本不发育。从孔径特征来看,茅四段-吴家坪组页岩以发育微孔和小孔为主,中孔和大孔基本不发育。

(2)不同岩相组合具有不同的储集特征。高碳高硅类岩相孔径特征以发育微孔和小孔为主,孔隙度、孔体积和比表面积最大,具备最好的储集能力;其次为高碳低硅类、高黏土类和低碳高硅类,灰质混合类页岩储集能力最差。通过分析页岩组分与储集能力关系发现,有机质含量是微孔体积的主控因素,小孔体积与长英质矿物含量成正比,中孔体积受黏土矿物含量控制。

(3)综合岩相发育占比和储集特征来看,高碳高硅类和高碳低硅类岩相发育占比较高,同时储集能力最好,是最优质的岩相类型;低碳高硅类岩相储集能力较好,同时发育占比最高,是较为优质的岩相类型;高黏土类具备良好的储集能力,但整体发育占比很低;灰质混合类储集能力最差,是相对最差的岩相类型。

(4)通过红星地区连井对比情况来看,吴家坪组发育了储集能力最好的岩相类型,是红星地区勘探的最优层段,同时自北向南呈现储集能力逐渐变差的趋势;茅四段发育了较厚的灰质混合类岩相,因此储集能力比吴家坪组较差,但同样具备较好的勘探潜力。