贵州大方地区牛蹄塘组一段富有机质泥页岩孔隙特征研究.pdf

2023年6 月第43卷第2 期四川地质学报Vol.43No.2Jun.,2023贵州大方地区牛蹄塘组一段富有机质泥页岩孔隙特征研究颜雪，赵利，王磊，鲁霞，王光辉，吕渭玲（四川省核地质调查研究所，成都6 10 0 6 1）摘要：以扫描电镜、氮气吸附实验为基础，结合物性、TOC、R o 分析对贵州大方地区下寒武统牛蹄塘组一段富有机质泥页岩孔隙类型及特征和甲烷吸附能力的影响因素进行了研究，其结果显示：富有机质页岩主要为炭质泥岩、炭质含粉砂泥岩、炭质页岩，有机质丰度和热演化程度较高，具备较强的生烃潜力；孔隙类型发育有机质孔和晶间孔、溶蚀孔、铸模孔和微裂缝，有机质孔连通性较好，总体具有低孔一低渗、超低渗型储层特征；有机碳含量和成熟度升高，有利于有机质孔隙发育，提高甲烷吸附能力。关键词：牛蹄塘组一段；孔隙类型特征；富有机质页岩；大方地区中图分类号：P584；T E12 2DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.02.011页岩的显微孔隙结构是控制页岩气赋存状态以及储气性能的关键因素，直接决定了页岩对气体的储集和吸附能力。页岩的孔隙结构和孔隙体积很大程度上影响了页岩气的赋存形式，孔隙体积控制了页岩气的储气量，而孔隙结构则影响了页岩气的赋存状态。国际理论和应用化学协会（IUPAC）对孔隙进行分类，将孔隙直径小于2 nm的称为微孔隙，孔隙直径为2 50 nm的称为中孔隙，孔隙直径大于50 nm的称为宏孔隙。页岩中孔隙网络较复杂，不仅其孔隙的尺寸变化介于纳米级一微米级，而且还包含有机孔、矿物孔和微裂缝等多种孔隙类型。另外，页岩的孔隙形成和演化受控于页岩矿物组成、有机质类型与含量、成熟度等因素（Loucks etal.，2 0 0 9；Cu r t i s e t a l.，2 0 12）。贵州大方地区下寒武统牛蹄塘组发育一套富有机质黑色页岩，厚度一般在大于10 0 m，前人通过有机地化分析认为其具有较大的勘探开发潜力。本文拟采用以薄片鉴定、扫描电镜分析为基础，结合低温液氮吸附实验开展页岩孔隙类型及结构特征研究，并进一步分析页岩孔隙发育的主要控制因素，为贵州大方地区页岩油气的勘探开发提供基础支撑（邹才能等，2 0 11；王玉满等，2 0 12；田华等，2 0 12）。沉积相岩性结构柱4080km文献标识码：A四川盆地道真文章编号：10 0 6-0 9 9 5（2 0 2 3）0 2-0 2 58-0 6K国电机微电络电车API相绥江印江铜仁武陵坳陷P滇黔北部坳陷遵义Pmo2昭通。地饼方黔西F黔中隆起地滇东隆起子东川扬黔西南坳陷F。曲靖玉屏镇远O台贵阳邮雪峰隆起黔南坳陷R三都紫云罗甸兴义天柱F南耀昆明图一级构造界线图1研究区大地构造位置图（左）（据周明辉，2 0 0 6 修改）及沉积相综合柱状图（右）Fi-小江断裂；F2-师宗断裂；F3-垭都-紫云-都安断裂；F4-遵义断裂；Fs-贵阳-镇远断裂；F6-三都断裂。师宗盗级构造界线南盘江坳陷构造方瑞井钻井桂中坳陷剖面省界研究区收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 5作者简介：颜雪（19 8 7 一），女，山东东营人，工程师，研究方向：地质勘查与矿产勘查258贵州大方地区牛蹄塘组一段富有机质泥页岩孔隙特征研究1地质背景贵州大方地区位于扬子地台西南部黔中隆起北缘，北与滇黔北部坳陷相邻，东与武陵坳陷连接，南、西分别以贵阳一镇远断裂和垭都一紫云一都安断裂与滇东隆起、黔西南坳陷和黔南坳陷毗邻（图1）。在水平侧向挤压力作用下，研究区发育了共轭背冲型褶曲和走滑构造样式（正花状构造），其中以褶皱为主，断层次之。研究区古生代发育三套暗色泥页岩，分别为下寒武统牛蹄塘组、中二叠统梁山组和上二叠统龙潭组，其中下寒武统牛蹄塘组按岩性组合、有机质含量及测井曲线特征，自上而下可分为牛蹄塘组二段（Ein）和牛蹄塘组一段（En），为一套浅水陆棚一深水陆棚沉积环境，而暗色页岩段主要发育于En，为深水陆棚沉积环境（图1）。2储层岩石类型大方地区下寒武统牛蹄塘组一段（En）主要岩石类型为炭质泥岩、炭质含粉砂泥岩、炭质页岩和硅质岩，页岩气主要分布在炭质页岩、炭质泥岩与碳质粉砂质泥岩的互层中。通过野外剖面和钻井岩心富有机质泥页岩电子探针、能谱分析、全岩和粘土X-衍射分析结果显示，泥页岩中以伊利石为主的粘土矿物含量相对较少，平均含量介于2 2%44%，脆性矿物含量总体偏高，含量介于52%7 9%，主要以石英为主，其次为长石，含有少量的方解石、白云石和黄铁矿等（图2）。石英颗粒抗压实能力强，对周围孔隙具有支撑作用（唐洪明等，2 0 15），使得压实作用对孔隙的破坏减小，不仅有利于粒间孔的形成，也有利于构造裂缝发育，十分利于页岩孔隙的形成和保存。遵义松林PM02金沙钻孔PM04方地1井0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%石英长石方解石白云石黄铁矿黏工总量图2 牛蹄塘组一段（En）泥页岩中脆性矿物及粘土矿物含量图3孔隙类型及特征页岩气一部分以吸附态赋存于微孔隙表面，一部分以游离态存在于页岩的微孔隙和裂隙中。孔隙和裂隙的大小、形态、孔隙度、连通性等决定了页岩气的储集、运移和产出特征（郭旭升，2 0 14）。页岩储层发育多种孔隙、裂缝等储集空间，与页岩气的运移、储集密切相关，同时也关系到页岩气开发过程中储层改造及页岩气渗流等问题。本文对大方地区泥页岩样品采用扫描电镜、低温液氮吸附实验、核磁共振等测试分析，结果表明牛蹄塘组一段（En）泥页岩主要发育次生孔隙及微裂缝，为页岩气提供了良好储集空间。3.1孔隙类型以方地1井岩心及野外PM02、PM 0 4剖面观察为基础，结合扫描电镜分析，根据Loucks（2 0 12）等人对孔隙的分类，本文将研究区En泥页岩孔隙划分为有机质孔隙和无机孔隙两大类，无机孔隙又进一步细分为晶间孔、溶蚀孔、铸模孔、微裂缝等。（1）有机质孔隙。有机质孔隙主要赋存于有机质内部，产生于干酪根热解生烃过程中，其载体主要为沥青质体（高倍镜下呈纳米球粒结构），其多与石英、黄铁矿和黏土矿物共生（李海，2 0 2 2）。研究区有机质孔隙主要包括有机质内部的微孔隙、有机质与其它碎屑间的孔隙以及有机质团块溶蚀形成的孔隙。有机质孔隙多呈蜂窝状、气泡状、长条形等不规则形状，孔径大小约0.0 52 m（图3a）。有机质内部孔隙以及溶蚀产生的微孔隙连通性普遍较好，多为纳米级孔径，能为页岩油气的吸附和储集提供更多的比表面积和孔隙体积。其与有机质密切共生，可作为联系烃源灶和其它孔隙的介质，且有机质孔具259遵义松林PM02金沙钻孔PM04方地1井0%10%20%30%40%50%含量（%）含量（%）伊利石/S伊蒙混层C绿泥石60%70%80%90%100%2023年6 月第43卷第2 期备亲油性，更有利于页岩油气的吸附和储集。（2）晶间孔隙。主要为黏土矿物晶间孔隙（图3b）、方解石及白云石晶间孔隙和黄铁矿晶间孔隙，其中黏土矿物晶间孔隙对页岩油气的吸附能力最强。各类晶间孔隙孔径一般46 m，呈不规则棱角状，边缘平直，连通性较差，孔隙内多被片状云母、丝片状伊利石和黄铁矿不完全充填。（3）溶蚀孔隙。溶孔和溶洞是在早期孔隙和裂缝基础上，在埋藏成岩过程中经深部热液溶蚀扩大而成。研究区泥页岩溶蚀孔又可细分为晶间溶孔（图3c）及粒内溶孔（图3d）。晶间溶孔大量发育于泥页岩中，多由白云石、方解石等晶体溶解形成，孔隙表1牛蹄塘组一段（En）泥页岩比表面积、孔隙体积、边缘呈棱角状或溶蚀港湾状，孔径大小2 0 10 0 m，平均孔径、Toc及粘土矿物含量分析数据表孔隙间连通性较差，内部多被片状云母、丝片状伊分析项比表面积孔隙体积平均孔径TOC样品编号(mlg)利石、黄铁矿、重晶石等矿物充填；粒内溶孔主要FD-H036由钠长石等矿物沿节理强烈溶蚀产生，孔隙呈长条形、多边形等不规则形状，孔径大小为350 m，内部多被丝片状伊利石等矿物充填。（4)铸模孔。主要发育于（含）炭质泥页岩中，由易溶的黄铁矿、石膏晶体等溶解后而形成，孔径大小为52 0 m，孔隙边缘多被丝片状伊利石、白云石等矿物充填，孔隙内部一般未被充填（图3e）。除上述微米级孔隙外，研究区En泥页岩中还发育大量纳米级孔隙。氮气吸附实验表明，牛蹄塘组纳米级孔隙孔径为4.6 0 7.58 nm，平均为5.35nm，属于微毛管孔隙，具有较高的比表面积和孔隙体积，分子间引力较大，在较高的压力梯度才能使油气在孔隙中发生运移，有利于页岩气的保存。四川地质学报FD-H050FD-H062FD-H085FD-H103平均值Vol.433No.2Jun.,2023(cml/g)(nm)6.020.010015.940.01529.530.009714.450.013210.990.010011.390.0116粘土矿物含量7.580.21%32.00%4.812.71%4.992.98%4.603.98%4.776.77%5.353.33%18.40%25.00%8.00%13.00%14.00%HVdet20.00kVETD13.7mWD000HPV51.84madwell204s20.00kVETD14.7mm8000 x34.5#mbHVdetWDmagHPVHVdetWDmagHPWCNOOC0.00kVETD13.5mm8000 x51.84mC200mCNOOCDo1.088-dwellHVdetWDmag20s20.00kVETD13.3mm10000 x41.4mHPV10amCNOOCdwellHVdetWD80001agIP51.8mdwellda.有机质孔隙FD-H056灰黑色炭质泥岩，9 8 6.2 3m；b.晶间孔FD-H005深灰色薄层状泥质粉砂岩，9 35.2 8 m；c.晶间孔FD-H062灰黑色含炭泥质粉砂岩，9 9 2.3m；d.粒内溶孔PM04-07H01；e.铸模溶孔FD-H105灰色含炭屑粉砂岩，10 36.42 m；f.微裂缝FD-H040深灰色粉砂质泥岩，9 7 6.11m，见一宽约1微米裂缝，方解石Cc表面附着丝片状伊利石I（5）微裂缝。裂缝有利于页岩气聚集、运移，是页岩孔裂隙中重要组成部分（肖贤明等，2 0 13）。在安静、贫氧的沉积环境中，泥页岩中页理、水平层理等相对发育，沿页理面和层理面发育大量的水平260e图3En泥页岩中孔隙类型典型照片f贵州大方地区牛蹄塘组一段富有机质泥页岩孔隙特征研究裂缝。泥页岩中脆性矿物含量高，也有利于微裂缝形成。方地1井牛蹄塘组一段泥页岩中发育大量微裂缝（图3f），形态平直，内部未被充填，裂缝宽度介于0.0 56.5m。泥页岩中各类脆性矿物，因解理性质不同会形成不同特征的微裂缝，如石英颗粒无解理，常形成边缘缝，长石颗粒解理发育，常沿解理面形成阶梯式溶蚀微缝。3.2.孔隙结构特征低温液氮吸附实验计算结果表明，研究区Ein泥页岩比表面积为6.0 2 15.9 4ml/g，平均为11.39 m/g；孔隙体积为0.0 0 9 7 0.0 152 cm/g，平均为0.0 116 cmg；孔径为4.6 0 7.58 nm，平均为5.35nm（表1）。En富有机质泥页岩具有较大的比表面积和孔隙体积，比表面积与孔隙体积呈较好的相关性，而比表面积、孔隙体积与平均孔径呈负相关性（图4），可见微孔隙越发育，页岩的比表面积、孔体积越大，越有利于页岩气的吸附聚集（梁兴等，2 0 14）。0.03018770.025(8/uo)0.0200.01500.0100.005004物性特征牛蹄塘组一段（En）泥页岩样品物性分析结果显示，孔隙度分布于0.43%0.9 1%，平均为0.6 5%；渗透率分布于0.000710 0.001610m，平均为0.0 0 10 10 m，总体具有低孔一低渗、超低渗型储层特征。孔隙度与渗透率相关性中等（图5），说明裂缝起到了重要的沟通作用。5孔隙对甲烷吸附能力的影响5.1有机质丰度、成熟度研究区牛蹄塘组一段（Ein）泥页岩TOC分析结果显示：富有机质泥页岩干酪根类型以腐泥型（I）为主，T0C含量介于0.7 6%13.10%，平均值4.36%，2%4%的样品占总样品的51%，大于4%的样品数占总样品的44%，两者所占比例超过9 0%，有机质丰度较高，具备较强的生烃潜力。研究区内Ein泥页岩Ro测试结果显示：泥页岩Ro介于2.9 5%3.48%，平均值为3.2 7%，且9 9%的样品Ro均大于3.0 0%，表明有机质热演化程度普遍较高，达到过成熟阶段。5.2有机质孔隙对甲烷吸附能力的影响En泥页岩中发育大量的有机质孔隙，其连通性好，构成了泥页岩主要的孔隙网络，而有机质颗粒本身有较强的吸附性能，故有机质孔隙表面成为页岩气主要的吸附场所。低温液氮吸附实验也表明，牛蹄塘组一段高有机质丰度页岩的孔径分布特征以低于10 nm的微孔为主，这种微孔隙具有更大的比表面积，能为甲烷分子提供更多的吸附点位，因此具有更强的吸附能力。从图6 可以看出，TOC、页岩孔隙比表面积以及最大甲烷吸附量之间互为正相关关系，表明随着页岩中有机质含量的增加，发育在有机质颗粒中的有机质孔隙增多，因此能够为甲烷吸附提供位置的页岩比表面积增大，从而使得页岩的吸附能力增强。与此同时，随着页岩中TOC含量的增高，页岩中微孔提供的比表面积占比增大，介孔和宏孔提供的比表面积占比减小，并且微孔孔壁之间的距离更近，其能够提供的吸附势能远大于介孔和宏孔，所以TOC含量的增高有利于页岩中微孔的发育，从而使得页岩的吸附能力增强。26187766y=0.0005x+0.0054R=0.8743510比表面积（m/g）图4En泥页岩比表面积与孔隙体积、比表面积与平均孔径及孔隙体积与平均孔径相关图1.0孔隙度(%)图5En孔、渗相关图45311520y=-0.2531x+8.232R=0.7978510比表面积（m/g）4y=-210.33x+7.7942R=0.412918.00515200.0047(wn.01x)率到款0.0030.0020.00100.010孔隙体积（cm/g）y=-0.0013x+0.0019R=0.62540.50.0150.0201.52023年6 月第43卷第2 期5.3成熟度对孔隙结构和甲烷吸附能力的影响前人研究表明，随着页岩热演化程度升高，干酪根生烃可以形成数量可观的有机质孔隙，而黏土矿物也会转化形成大量的黏土矿物孔隙。由此看来，成熟度是通过控制页岩孔隙结构特征和比表面积的变化，进而对页岩甲烷吸附能力产生间接影响。研究区En泥页岩有机质热演化程度高，虽然Ro与比表面积和甲烷吸附量表现为正相关关系（图7）,但不能简单地认为成熟度升高增强了甲烷吸附能力，其原因在于有机质和无机矿物组成既是页岩孔隙结构的主要载体，也是控制页岩比表面积和甲烷吸附能力的直接因素，受其影响，成熟度与甲烷吸附能力的关系并不明确。Chalmers 和 Bustin（2 0 0 8）在研究中发现，虽然成熟度升高促进了微孔体积和比表面积的增加，但受有机质生烃导致有机碳含量降低的影响，成熟度与甲烷吸附能力为负相关，说明有机碳含量可以干扰成熟度与甲烷吸附能力的关系。由于不同热演化阶段页岩孔隙结构具有差异性，可以认为在一定程度上随成熟度增加，页岩的主要孔隙类型由无机孔隙向有机质孔隙转变，页岩的主要吸附介质由以黏土矿物为主向以有机质为主转变。若考虑黏土矿物亲水性会导致其吸附能力下降，以及骨架矿物相关孔隙吸附性极低这两方面因素，对于En富有机质页岩，其成熟度增加有利于提高页岩的甲烷吸附能力。6结论（1）贵州大方地区下寒武统牛蹄塘组一段（En）富有机质页岩主要为炭质泥岩、炭质含粉砂泥岩、炭质页岩，为深水陆棚沉积环境。干酪根类型以腐泥型（I）为主，有机质丰度和热演化程度较高，具备较强的生烃潜力。（2）富有机质泥页岩发育多种微孔隙，主要包括有机质孔隙和无机孔隙，其中无机孔隙进一步细分为晶间孔、溶蚀孔、铸模孔和微裂缝。有机质孔连通性较好，为页岩油气运移提供有利通道。（3）富有机质泥页岩总体具有低孔一低渗、超低渗型储层特征，孔隙度与渗透率相关性较差，裂缝起到了重要的沟通作用。（4）有机质孔隙是影响研究区富有机质泥页岩甲烷吸附能力的主要因素，有机碳含量越高，有机质孔隙越发育，比表面积越大，甲烷吸附能力越强。成熟度升高，无机孔隙向有机质孔隙转变，吸附介质由以黏土矿物向有机质转变，有利于提高甲烷吸附能力。参考文献：李海，陈孝红，彭中勤，陈林，刘安，罗胜元。2 0 2 2.湘鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩气储层特征 J.地质学报，9 6(0 4)：142 1-1433.邹才能，董大忠，杨桦，王玉满，黄金亮，王淑芳，付成信2 0 11中国页岩气形成条件及勘探实践 J天然气工业，31(12)：2 6-2 9.王玉满，董大忠，李建忠，王社教，李新景，王黎，程克明，黄金亮2 0 12.川南下志留统龙马溪组页岩气储层特征 J石油学报，33(4)：551-561.田华，张水昌，柳少波，张洪2 0 12 压汞法和气体吸附法研究富有机质页岩孔隙特征 J.石油学报，33(3)：419-42 7.肖贤明，宋之光，朱炎铭，田辉，尹宏伟2 0 13北美页岩气研究及其对我国下古生界页岩气开发的启示 J煤炭学报，38(5)：7 2 17 2 7.郭旭升，李宇平，刘若冰，王庆波.2 0 14.四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩微观孔隙结构特征及其控制因素 J.天然气工业，34(0 6)：9-16.梁兴，张廷山，杨洋，张朝，龚齐森，叶熙，张介辉.2 0 14.滇黔北地区筑竹寺组高演化页岩气储层微观孔隙特征及其控制因素 J.天然气工业，(0 2)：18-2 6.262四川地质学报64321-004-3-2100图7 En泥页岩有机质成熟度与比表面积及甲烷吸附量相关性图Vol.43No.2Jun.,20235432y=0.126x+2.6553R=0.5482510比表面积（m/g）图6En泥页岩甲烷吸附量与比表面积及TOC含量相关性图y=0.0387x+2.7431y=0.553x+2.431R=0.94722701020比表面积（m/g)y=0.3745x+2.8428R=0.977310+115203006-402有机质成熟度（%）4TOC(%)R=0.9621246806贵州大方地区牛蹄塘组一段富有机质泥页岩孔隙特征研究于兴河，李胜利.2 0 0 9，碎屑岩系油气储层沉积学的发展历程与热点间题思考 J沉积学报，2 7(0 5)：8 8 0-8 9 5.唐洪明，王俊杰，张烈辉，等：2 0 15，页岩比表面积测试方法与控制因素研究 J.天然气地球科学，2 6(11)：2 0 0 9-2 0 16.Curtis ME,Cardott BJ,Sondergeld CH et al.2012a.Development of organic porosity in the Woodford Shale with increasing thermal maturityJ.International Journal of Coal Geology,103:26 31.Loucks RG,Reed RM,Ruppe1 SC,et al.2009.Morphology,Genesis,and Distribution of Nanometer-Scale Pores in Siliceous Mudstones of theMississippian Barnett ShaleEJJ.Journal of Sedimentary Research,79:848 861.Chalmers G R,Bustin R M.2008.Lower Cretaceous gas shales in northeastern British Columbia,Part I:geological controls on methane sorptioncapacityJJ.Bulletin of Canadian petroleum geology,56(1):1-21.Study on Pore Characteristics of Organic-rich Mud Shale in the FirstMember of Niutitang Formation in DafangArea,GuizhouYAN Xue ZHAO Li LUO Hai-jin LU Xia WANG Guang-hui LU Wei-ling(Sichuan Institute of Nuclear Geology Survey,Chengdu 610061)Abstract:Based on Scanning Electron Microscopy and Nitrogen Adsorption experiments,combined withphysical properties,TOC and Ro analysis,the pore types and characteristics of organic-riched mud shale in thefirst member of the Lower Cambrian Niutitang Formation and the influencing factors of methane adsorptioncapacity in Dafang area,Guizhou were studied.The results show that:Firstly,the organic-riched shale is mainlycarbonaceous mudstone,carbonaceous silt-bearing mudstone,and carbonaceous shale,with high organic matterabundance and thermal evolution degree,and has strong hydrocarbon generation potential.Secondly,the poretype develops organic pores and intercrystalline pores,dissolution pores,mold pores and micro-fractures.Theorganic pores have good connectivity,and generally have the characteristics of low porosity-low permeabilityand ultra-low permeability reservoirs.Thirdly,the increase of organic carbon content and maturity are conduciveto the development of organic matter pores and the improvement of methane adsorption capacity.Key words:First member of Niutitang Formation;pore type characteristics;organic-rich shale;Dafang area（上接第2 42 页）Comprehensive Geophysical and Geochemical Characteristics ofSangechagou Copper Mineralization Points in Bogda area,XinjiangJIANG Huil-3 LIU Liang*32,3(1-Natural Resources Bureau of Zitong County,Zitong,Sichuan 622150;2-Natural Resources Bureau ofBaise City,Baise,Guangxi 533000;3-Northwest Sichuan Geological Team,BGEEMRSP,Mianyang SichuanAbstract:In order to study the genetic types of Bogda late Paleozoic Copper Deposit,Sangechagou coppermineralization points are taken as the research object,and their comprehensive geophysical and geochemicalexploration characteristics are summarized and analyzed.The 1:50000 geochemical exploration in the studyarea shows a comprehensive anomaly of Hs(Z 2)-25with two grade concentration,the main ore-formingelements are Cr and Ni,and the associated elements are Cu,Pb,Zn,Ag and Co.The main ore-forming elementsare well combined and the anomaly scale is large.The 1:10000 comprehensive geophysical and geochemicalsection of shows that Au,Co and Ni are strongly enriched,and the average contents are 1.5 times,1.82 times and2.36 times of the average measured values of stream sediments respectively.The coefficient of variation of Au,as,Cu and Pb is much greater than 1.5,which is very uneven distribution.The curves of Cu,Pb,Zn and Nielements fluctuate greatly,showing good anomalies.One copper mineralized body is found in the area,which ismore than 100m long and 0.6 0.8m thick,with a trend of NW-SE and the Cu grade of 1.61%1.95%.Themineralization alteration types are malachite mineralization and limonitization.The ore-bearing stratum isQijiagouFormation(C2qi)of Upper Carboniferous.The ore bearing rock is cataclastic quartz vein,which isobviously controlled by faults.It is a typical volcanic hydrothermal(transformation)type and has good value forin the further work.Key words:Bogda;Sangechagou;copper mine;comprehensive geophysical and geochemical exploration263YUE Ji-zong621000)WANG ChunDAI Yuan3