四川盆地上二叠统大隆组页岩储层特征及其控制因素
叶玥豪, 陈伟, 汪华, 宋金民, 明盈, 戴鑫, 李智武, 孙豪飞, 马小刚, 刘婷婷, 唐辉, 刘树根
石油与天然气地质
2024, 45 ( 4):
979-991.
DOI: 10.11743/ogg20240406
四川盆地开江-梁平海槽内上二叠统大隆组发育海相黑色页岩。近期LY1，DY1和HY1井在大隆组勘探发现高产页岩气，显示川北大隆组海相页岩气勘探潜力巨大，研究其页岩储层特征与控制因素具有非常重要的意义。以DY1井为研究对象，开展了大隆组页岩有机地球化学、脆性矿物含量、孔隙类型和孔隙结构等方面研究，探讨其储层特征与控制因素。结果表明：①大隆组黑色页岩为深水陆棚沉积，主要发育硅质页岩和混合质页岩岩相，脆性矿物含量高；②黑色页岩有机质丰度高，总有机碳含量（TOC）平均可达7.84 %，有机质类型为Ⅱ1-Ⅱ2型，孔隙度较高，平均可达5.78 %，储集空间以有机质孔为主，微孔峰值高；③热演化程度、有机质类型和丰度控制黑色页岩孔隙发育程度，碳酸盐矿物对孔隙发育起破坏作用。
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图7
四川盆地川北地区DY1井大隆组微观孔隙特征扫描电镜照片
a. 硅质页岩粒间孔充填沥青，埋深4 328.6 m；b. 方解石与石英颗粒，粒内孔，埋深4 328.6 m；c. 黏土矿物与有机质混合伴生，埋深4 332.8 m；d. 颗粒有机质内发育有机质孔，埋深4 336.7 m；e. 块状有机质内发育有机质孔，埋深4 328.6 m；f. 颗粒间沥青有机质孔发育，埋深4 334.7 m
正文中引用本图/表的段落
DY1井大隆组黑色页岩发育粒间孔、粒内孔和有机质孔，孔隙半径以纳米级孔隙为主。无机孔主要包括：①石英和碳酸盐颗粒形成的粒间孔隙，大多被沥青质充填（图7a）；②大隆组碳酸盐矿物发育，成岩阶段化学溶蚀形成粒内溶孔，该类孔隙连通性较差，未被沥青质充填（图7b）；③少见黏土矿物形成的孔隙，主要为伊利石和绿泥石片间孔隙（图7c）。
DY1井大隆组黑色页岩有机质多具有特定的形态特征，与周围矿物具有清晰的界线，接触面平直光滑，且充填于矿物颗粒之间，有机质孔就发育在有机质内。有机质孔的特征主要包括：①块状有机质颗粒经过热演化，在有机质内部不同程度地发育有机质孔，多呈不规则状、椭圆状和圆状，孔径范围为几十纳米至几百纳米（图7e）；②部分有机质内部孔隙基本不发育，有机质内孔隙发育非均质性强（图7d）；③有机质形态不规则，为充填于颗粒间的固体沥青，有机质孔发育，大多呈蜂窝状，孔隙形态不规则（图7f）。
大隆组低温氮气吸附等温线为Ⅱb与Ⅳb型，吸附滞后曲线属于H2和H4型（图8a），对应墨水瓶状孔与狭缝孔，该类孔隙在前文扫描电镜观察中对应黏土矿物粒间孔以及有机质生烃形成的海绵状孔，总体微孔占比较大。大隆组BET比表面积介于11.71～46.82 m2/g，平均为30.28 m2/g；孔隙体积介于0.013 8～0.035 3 cm3/g，平均为0.026 1 cm3；孔隙直径介于3.42～4.79 nm，平均为3.91 nm。大隆组dV（孔隙体积微分）/dW（孔径微分）孔径分布图呈三峰特征，分别为1.00～1.80 nm，2.00～3.00 nm和5.00～7.00 nm（图8b），且微孔峰值最高，表明大隆组孔隙以微孔为主，并发育部分介孔。为了体现孔隙结构之间的差异，把介孔分为小介孔（孔径2～5 nm）和大介孔（孔径5～50 nm），微孔和大介孔孔隙体积几乎相当，小介孔孔隙体积低于微孔和大介孔（图7 c，d）。
DY1井热史过程可以划分4个阶段（图9a，b）：第一个阶段为二叠纪—中三叠世，大隆组黑色页岩热演化大都处于未成熟阶段，该阶段以钙质胶结作用（图10b）和机械压实作用为主，是页岩孔隙降低、孔径减小和致密化的主要原因［24］（图9c），页岩孔体积呈现下降趋势，孔隙以微孔和介孔为主［25-26］。第二阶段为晚三叠世—中侏罗世，大隆组黑色页岩处于成熟-高成熟阶段，随着埋深增加，上覆地层压力增加，由于石英和碳酸盐矿物刚性颗粒的支撑，早期保存下来的孔隙受压实作用影响不明显，同时伴随着热演化程度增高，有机质开始生烃，生成的液态烃充填原生孔隙（图7f），原生无机孔减少，而生烃过程中沉积有机质生成有机质孔［27-28］，有机质孔增加。第三阶段为中侏罗世—晚白垩世，热演化达到高-过成熟阶段，油裂解为沥青和天然气，形成异常高压，伴随大量有机质孔的生成（图7f），原油开始裂解生成沥青和天然气，地层形成异常高压，沥青发育大量有机质孔［27-28］，异常高压和刚性颗粒抵挡上覆地层的压力，有机质孔得以保存（图7d， f），页岩中孔隙体积（有机质孔）增大，其微孔与大介孔占比增加（图8，图9c）。第四阶段为晚白垩世至今，为抬升阶段，隆升阶段超压难以保持，压力释放，受上覆地层压力的影响页岩介孔占比略有降低，微孔占比较高。因此大隆组孔隙类型以刚性颗粒间沥青和少量沉积有机质内的有机质孔为主、刚性颗粒间的原始无机孔隙为辅，而孔隙体积随热演化程度增加先减小后增大（图9c）。
扫描电镜下有机质呈现出多样的形态特征，包括原始干酪根和迁移有机质（原油裂解形成），但有机质表面孔非均质性较强，部分有机质表面不发育有机质孔（图7a， e），该类有机质主要为块状，与围岩边界清晰，或表现为条带状有机质内部紧密。前人研究认为有机质显微组分对有机质孔的发育有着重要的控制作用［32-34］，低富氢组分的镜质体和惰质体在热演化过程中，很难发育有机质孔［12， 35］。DY1井大隆组发育大量镜质组和腐植无定形体，在热演化过程中很难发育大量有机质孔（图7a， d），富氢无定形体在生烃、裂解过程中伴随有有机质的形成，但孔径较小（图7e）。迁移有机质内部大多发育有机质孔，但孔径较小，一般为几到几十纳米（图6b）。
a. 埋藏史； b. Ro演化； c. 孔隙演化 ... Characteristics of ultra-deep shale reservoir of marine-continental transitional facies： A case study of lower member of Upper Permian Longtan Formation in Well Y4， Puguang Gas Field， northeastern Sichuan Basin 2 2022 ... DY1井热史过程可以划分4个阶段（图9a，b）：第一个阶段为二叠纪—中三叠世，大隆组黑色页岩热演化大都处于未成熟阶段，该阶段以钙质胶结作用（图10b）和机械压实作用为主，是页岩孔隙降低、孔径减小和致密化的主要原因［24］（图9c），页岩孔体积呈现下降趋势，孔隙以微孔和介孔为主［25-26］.第二阶段为晚三叠世—中侏罗世，大隆组黑色页岩处于成熟-高成熟阶段，随着埋深增加，上覆地层压力增加，由于石英和碳酸盐矿物刚性颗粒的支撑，早期保存下来的孔隙受压实作用影响不明显，同时伴随着热演化程度增高，有机质开始生烃，生成的液态烃充填原生孔隙（图7f），原生无机孔减少，而生烃过程中沉积有机质生成有机质孔［27-28］，有机质孔增加.第三阶段为中侏罗世—晚白垩世，热演化达到高-过成熟阶段，油裂解为沥青和天然气，形成异常高压，伴随大量有机质孔的生成（图7f），原油开始裂解生成沥青和天然气，地层形成异常高压，沥青发育大量有机质孔［27-28］，异常高压和刚性颗粒抵挡上覆地层的压力，有机质孔得以保存（图7d， f），页岩中孔隙体积（有机质孔）增大，其微孔与大介孔占比增加（图8，图9c）.第四阶段为晚白垩世至今，为抬升阶段，隆升阶段超压难以保持，压力释放，受上覆地层压力的影响页岩介孔占比略有降低，微孔占比较高.因此大隆组孔隙类型以刚性颗粒间沥青和少量沉积有机质内的有机质孔为主、刚性颗粒间的原始无机孔隙为辅，而孔隙体积随热演化程度增加先减小后增大（图9c）. ...
a. 埋藏史； b. Ro演化； c. 孔隙演化 ... Unconventional shale-gas systems： The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment 2 2007 ... DY1井热史过程可以划分4个阶段（图9a，b）：第一个阶段为二叠纪—中三叠世，大隆组黑色页岩热演化大都处于未成熟阶段，该阶段以钙质胶结作用（图10b）和机械压实作用为主，是页岩孔隙降低、孔径减小和致密化的主要原因［24］（图9c），页岩孔体积呈现下降趋势，孔隙以微孔和介孔为主［25-26］.第二阶段为晚三叠世—中侏罗世，大隆组黑色页岩处于成熟-高成熟阶段，随着埋深增加，上覆地层压力增加，由于石英和碳酸盐矿物刚性颗粒的支撑，早期保存下来的孔隙受压实作用影响不明显，同时伴随着热演化程度增高，有机质开始生烃，生成的液态烃充填原生孔隙（图7f），原生无机孔减少，而生烃过程中沉积有机质生成有机质孔［27-28］，有机质孔增加.第三阶段为中侏罗世—晚白垩世，热演化达到高-过成熟阶段，油裂解为沥青和天然气，形成异常高压，伴随大量有机质孔的生成（图7f），原油开始裂解生成沥青和天然气，地层形成异常高压，沥青发育大量有机质孔［27-28］，异常高压和刚性颗粒抵挡上覆地层的压力，有机质孔得以保存（图7d， f），页岩中孔隙体积（有机质孔）增大，其微孔与大介孔占比增加（图8，图9c）.第四阶段为晚白垩世至今，为抬升阶段，隆升阶段超压难以保持，压力释放，受上覆地层压力的影响页岩介孔占比略有降低，微孔占比较高.因此大隆组孔隙类型以刚性颗粒间沥青和少量沉积有机质内的有机质孔为主、刚性颗粒间的原始无机孔隙为辅，而孔隙体积随热演化程度增加先减小后增大（图9c）. ...
a. 埋藏史； b. Ro演化； c. 孔隙演化 ... The pore structure and difference between Wufeng and Longmaxi shales in Pengshui area， southeastern Sichuan 1 2017 ... DY1井热史过程可以划分4个阶段（图9a，b）：第一个阶段为二叠纪—中三叠世，大隆组黑色页岩热演化大都处于未成熟阶段，该阶段以钙质胶结作用（图10b）和机械压实作用为主，是页岩孔隙降低、孔径减小和致密化的主要原因［24］（图9c），页岩孔体积呈现下降趋势，孔隙以微孔和介孔为主［25-26］.第二阶段为晚三叠世—中侏罗世，大隆组黑色页岩处于成熟-高成熟阶段，随着埋深增加，上覆地层压力增加，由于石英和碳酸盐矿物刚性颗粒的支撑，早期保存下来的孔隙受压实作用影响不明显，同时伴随着热演化程度增高，有机质开始生烃，生成的液态烃充填原生孔隙（图7f），原生无机孔减少，而生烃过程中沉积有机质生成有机质孔［27-28］，有机质孔增加.第三阶段为中侏罗世—晚白垩世，热演化达到高-过成熟阶段，油裂解为沥青和天然气，形成异常高压，伴随大量有机质孔的生成（图7f），原油开始裂解生成沥青和天然气，地层形成异常高压，沥青发育大量有机质孔［27-28］，异常高压和刚性颗粒抵挡上覆地层的压力，有机质孔得以保存（图7d， f），页岩中孔隙体积（有机质孔）增大，其微孔与大介孔占比增加（图8，图9c）.第四阶段为晚白垩世至今，为抬升阶段，隆升阶段超压难以保持，压力释放，受上覆地层压力的影响页岩介孔占比略有降低，微孔占比较高.因此大隆组孔隙类型以刚性颗粒间沥青和少量沉积有机质内的有机质孔为主、刚性颗粒间的原始无机孔隙为辅，而孔隙体积随热演化程度增加先减小后增大（图9c）.
a. 埋藏史； b. Ro演化； c. 孔隙演化 ... Geological difference and its significance of marine shale gases in South China 0 2016 南方下古生界海相页岩极低电阻率成因及其地质意义 1 2021 ... DY1井热史过程可以划分4个阶段（图9a，b）：第一个阶段为二叠纪—中三叠世，大隆组黑色页岩热演化大都处于未成熟阶段，该阶段以钙质胶结作用（图10b）和机械压实作用为主，是页岩孔隙降低、孔径减小和致密化的主要原因［24］（图9c），页岩孔体积呈现下降趋势，孔隙以微孔和介孔为主［25-26］.第二阶段为晚三叠世—中侏罗世，大隆组黑色页岩处于成熟-高成熟阶段，随着埋深增加，上覆地层压力增加，由于石英和碳酸盐矿物刚性颗粒的支撑，早期保存下来的孔隙受压实作用影响不明显，同时伴随着热演化程度增高，有机质开始生烃，生成的液态烃充填原生孔隙（图7f），原生无机孔减少，而生烃过程中沉积有机质生成有机质孔［27-28］，有机质孔增加.第三阶段为中侏罗世—晚白垩世，热演化达到高-过成熟阶段，油裂解为沥青和天然气，形成异常高压，伴随大量有机质孔的生成（图7f），原油开始裂解生成沥青和天然气，地层形成异常高压，沥青发育大量有机质孔［27-28］，异常高压和刚性颗粒抵挡上覆地层的压力，有机质孔得以保存（图7d， f），页岩中孔隙体积（有机质孔）增大，其微孔与大介孔占比增加（图8，图9c）.第四阶段为晚白垩世至今，为抬升阶段，隆升阶段超压难以保持，压力释放，受上覆地层压力的影响页岩介孔占比略有降低，微孔占比较高.因此大隆组孔隙类型以刚性颗粒间沥青和少量沉积有机质内的有机质孔为主、刚性颗粒间的原始无机孔隙为辅，而孔隙体积随热演化程度增加先减小后增大（图9c）.
a. 埋藏史； b. Ro演化； c. 孔隙演化 ... Origin and geological significance of ultra-low resistivity in Lower Paleozoic marine shale， South China 1 2021 ... DY1井热史过程可以划分4个阶段（图9a，b）：第一个阶段为二叠纪—中三叠世，大隆组黑色页岩热演化大都处于未成熟阶段，该阶段以钙质胶结作用（图10b）和机械压实作用为主，是页岩孔隙降低、孔径减小和致密化的主要原因［24］（图9c），页岩孔体积呈现下降趋势，孔隙以微孔和介孔为主［25-26］.第二阶段为晚三叠世—中侏罗世，大隆组黑色页岩处于成熟-高成熟阶段，随着埋深增加，上覆地层压力增加，由于石英和碳酸盐矿物刚性颗粒的支撑，早期保存下来的孔隙受压实作用影响不明显，同时伴随着热演化程度增高，有机质开始生烃，生成的液态烃充填原生孔隙（图7f），原生无机孔减少，而生烃过程中沉积有机质生成有机质孔［27-28］，有机质孔增加.第三阶段为中侏罗世—晚白垩世，热演化达到高-过成熟阶段，油裂解为沥青和天然气，形成异常高压，伴随大量有机质孔的生成（图7f），原油开始裂解生成沥青和天然气，地层形成异常高压，沥青发育大量有机质孔［27-28］，异常高压和刚性颗粒抵挡上覆地层的压力，有机质孔得以保存（图7d， f），页岩中孔隙体积（有机质孔）增大，其微孔与大介孔占比增加（图8，图9c）.第四阶段为晚白垩世至今，为抬升阶段，隆升阶段超压难以保持，压力释放，受上覆地层压力的影响页岩介孔占比略有降低，微孔占比较高.因此大隆组孔隙类型以刚性颗粒间沥青和少量沉积有机质内的有机质孔为主、刚性颗粒间的原始无机孔隙为辅，而孔隙体积随热演化程度增加先减小后增大（图9c）.
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