隋青林

（中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257015）

四川威远地区九老洞组页岩微观非均质性

隋青林

（中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257015）

目前，国内外对于页岩非均质性的研究刚刚起步，相关理论还不成熟。文中利用X射线衍射手段，结合观察九老洞组页岩样品的薄片和扫描电镜，在微米级—纳米级的尺度下，从矿物组分、微观孔隙和微裂缝3个方面来评价页岩的微观非均质性。从矿物组分的角度来看，主要矿物为石英，其次为斜长石和黏土矿物，样品矿物组分和含量上没有明显的差异性。在厘米以上尺度，页岩岩性和矿物组分纵向非均质性较弱；而在微观尺度下，矿物组分对孔隙发育和分布状态影响较大，非均质性明显，而且随着观测倍数增大，页岩微观非均质性将会越来越明显。从微观孔隙的角度来看，主要发育粒间孔、粒内孔、晶间孔和有机质孔等类型。在微观尺度下，页岩孔隙类型、分布和孔径大小差别较大，非均质性明显。从微裂缝的角度来看，在2 711～2 815 m的页岩岩心，下部裂缝较上部发育，表明在毫米级—厘米级的裂缝非均质较为明显。微米级—纳米级的微裂缝尺度变化较大，微裂缝可分为黏土转化缝、成岩收缩缝和异常高压缝，微裂缝形态多样，其发育特征和配置关系在微观尺度下具有强非均质性。

微观非均质性；微观孔隙；九老洞组；威远地区

0 引言

四川盆地非常规油气资源丰富，盆地页岩气勘探开发主要位于下志留统龙马溪组和下寒武统九老洞组。其中，下志留统龙马溪组页岩受关注较多，其微观特征已有较多研究［1-2］。九老洞组页岩有机质丰度高、厚度大、生烃条件好，有利于页岩气藏的形成［3］，但因勘探程度低和资料少，九老洞组页岩研究的深度和广度都远不及龙马溪组，其微观结构特征也鲜有报道。

常规的非均质研究是指宏观非均质和最多达到微米级的微观非均质［4-5］，关于微米级—纳米级微观非均质性的研究较少。目前，国内外对于泥页岩储层非均质性的研究刚刚起步，相关理论还不成熟。以北美为代表的国外相关学者对泥页岩储层非均质性主要集中在3个方面：建模、裂缝和应力各向异性［6］。国内关于这方面的研究也取得了一些认识，如卢双舫［7］和宋国奇［8］等人将泥页岩非均质性分为有机非均质性和无机非均质性；江凯禧和曾靖珂等［6，9］人通过平面、层内和微观等3个方面，分析了泥页岩非均质性；王香增等［10］从层内岩性发育、地化参数分布、微观孔隙结构和力学参数等4个方面非均质特征，对陆相页岩泥页岩非均质性进行了描述。

本文在对前人的研究成果调研的基础上，利用X射线衍射手段，结合观察威远地区下志留统九老洞组页岩样品的薄片和扫描电镜，在微米级—纳米级的尺度下，从矿物组分、微观孔隙和微裂缝等3个方面来评价页岩的微观非均质性。结果表明，页岩的非均质性对其物性特征、后期的压裂改造及油气的分布特征具有重要的影响，因此，对页岩的非均质性的研究是十分必要的。

1 地质概况

四川盆地位于扬子地台西北侧，是扬子地台的一个次级构造单元，在印支期已经形成了盆地的雏形，后经过喜山运动形成现今的构造面貌［11］。大的构造分区包括川东南拗褶区、川中隆起区和西北坳陷区。威远构造属于川中隆起区的川西南低陆褶皱带，有威远、兴隆场、灵音寺、圣灯山等多个构造（见图1）。威远构造为巨型的穹隆背斜，背斜东南翼以基底断裂为界产状较陡，西北翼平缓，西南侧与老龙场构造以基底断裂为界呈鞍状相连，东北侧与磨溪—安平店构造以北西走向的基底断裂带相隔［12］。研究区位于四川省威远、荣县和内江市境内，为页岩气国家重点示范区，面积8 940 km2。

寒武系从上到下依次为洗象池组、遇仙寺组、九老洞组。四川盆地西部九老洞组又称筇竹寺组，威远地区九老洞组埋深为2 270～4 300 m，为一套浅海相碎屑岩。主要为深灰、灰黑色粉砂质页岩、碳质页岩和泥质粉砂岩，底部出现一套“硅磷层”，其厚度为400～600 m，分布较稳定，往威远的东南方向逐渐变厚。

图1 研究工区示意

2 微观非均质性

页岩的分布具有非均质性，宏观非均质性包括垂向岩性变化和横向有机地化参数展布，微观非均质性表现在矿物组分、微观孔隙和微裂缝的发育程度和展布特征。微观非均质性主要受沉积作用和成岩作用控制，影响着页岩储层的物性好坏，不仅决定了页岩气的赋存方式，还制约着页岩气的富集和分布［13］。因此，非均质性的评价是页岩气富集规律研究的重要基础，对页岩气的勘探和开发具有重要影响。

2.1 矿物组分非均质性

从沉积环境的角度来看，与陆相湖盆中形成的页岩相比，浅海相页岩矿物组分横向、纵向变化幅度相对较小［14］。选取威201井九老洞组页岩10个样品，样品号依次为13-1P（2 676.24 m），15-1P（2 692.38 m），16-1P（2 706.95 m），18-1P（2 747.68 m），21-1P（2 776.27 m），23-1P（2788.81m），23-3P（2 797.42m），24-2P（2 807.48 m），25-1P（2 812.40 m），25-3P（2 819.09 m）。通过X射线衍射实验对样品的矿物组分进行分析，结果见图2。

页岩的主要矿物类型为石英，其次为斜长石、黏土矿物。黏土矿物主要包括伊利石、绿泥石和伊蒙混层，脆性矿物主要为石英和碳酸盐矿物。石英作为脆性矿物的主要代表，矿物质量分数为29.0%～40.0%，平均为33.1%。黏土矿物中伊利石和绿泥石占绝大部分，其中，伊利石质量分数为9.0%～19.0%，均值为13.0%；绿泥石质量分数为5.0%～9.0%，平均为7.3%，纵向上变化小。黄铁矿在样品中普遍存在，其质量分数为3.0%～14.0%，均值为6.3%。总体来看，10个样品矿物组分和质量分数上并没有明显的差异性，表明在厘米以上尺度，九老洞组页岩岩性和矿物组分纵向非均质性较弱。

图2 页岩矿物组分

而在微观尺度下，矿物组分对孔隙发育和分布状态影响较大，非均质性明显。对样品号为13-1P薄片利用扫描电镜分别观察放大倍数不同级别下矿物组分，如图3所示。由图3可以看出：样品13-1P岩性为泥质含长石粉砂岩，富含有机质和微量硫铁矿；在放大倍数为50×视野下，模糊的薄片被难以辨认的小虫孔扰动，基质被紧密压缩在硅质碎屑粉砂颗粒间，并出现固体烃类浸染的情况，呈黑色，分选差，颗粒主要呈棱角到半棱角状。在放大倍数为200×视野下，存在着大量的石英和斜长石，少量的方解石、黄铁矿，有机质碎片（黑色）。各种矿物相互间紧密接触，堆积杂乱，分布分散。通常黄铁矿作为基质和颗粒的交代物出现，少量的方解石也可交代颗粒，在缺少基质的区域（红色）并可作为粒间胶结物。运用标准的岩相学技术没有见到孔隙。在放大倍数为2 500×视野下，粉砂级石英颗粒、斜长石颗粒和片状黏土矿物清晰可见，形态各异，可以观测到少量孔隙，小的粒间孔间距较大且孤立存在。至3 000×视野时，可在矿物接触处观测到较多孔隙，大多是粒间孔，还见到较少量的晶内微孔。观察结果可知，随着观测尺度增大，微观非均质性将会越来越明显。

图3 威201井薄片和扫描电镜观测矿物组分的非均质性

2.2 微观孔隙非均质

北美页岩气的勘探和开发成功，促进了针对页岩结构和构造特征的相关研究［15］。经研究证实，页岩中存在大量的微米级—纳米级的孔隙和裂缝，可作为良好的天然气储层［16-17］。在微观尺度下，页岩孔隙类型、分布和孔径大小差别较大，非均质性明显。利用扫描电镜研究发现，九老洞组页岩主要发育粒间孔、粒内孔、晶间孔和有机质孔等类型。

粒间孔主要指矿物颗粒之间孔隙，主要发育在石英、长石和黏土碎屑颗粒之间，是游离态气体的主要赋存场所和渗流通道，多呈三角形、多边形和狭缝形。孔隙大小受矿物颗粒大小、颗粒形态、接触关系和压实程度控制，该类孔隙连通性好，有时孔径可达微米级以上。图4a是黏土碎屑矿物之间的粒间孔，黏土矿物在压实过程中不稳定，容易碎裂形成黏土岩屑，彼此堆积形成大量孔隙［18］。图4b是脆性矿物岩屑颗粒之间的粒间孔，常常是石英、长石等岩屑颗粒相互支撑而形成孔隙。伴着压实作用的增强，黏土矿物与脆性矿物因为硬度的不同，矿物颗粒会出现形变差异，接触边缘容易形成孔隙［19］。

图4 九老洞组页岩微观孔隙

粒内孔主要是在生烃过程中生成的有机酸或CO2与碳酸盐、长石等矿物反应使其溶解形成的［20-21］。多呈港湾状、蜂窝状或椭圆形等，孔径分布在120～900 nm，少数可达1 μm以上，该类孔连通性较差。图4c是方解石矿物颗粒内部的粒内孔，主要是方解石与有机酸反应形成。图4d是石英矿物颗粒内部的粒内孔，主要是由于石英自身晶体缺陷所形成。

页岩在还原条件下经常出现黄铁矿以及硅酸盐等矿物富集的现象。虽然黄铁矿在页岩中含量不高，但一般稳定出现。黄铁矿晶间孔较为常见，其孔径多集中在45～650 nm，黄铁矿晶型结构特殊多呈草莓状或霉球状（见图4e）。黄铁矿晶体内部孔隙的连通性较好，但是晶体之间连通性很差［22］。

有机质孔隙发育于有机质内部，干酪根生烃后残余部分内部形成的孔隙［17］。研究区页岩有机质孔发育相对较少，孔径主要分布在60～1 000 nm，相对孤立，连通性较差，形态多呈近圆形、片麻状、蜂窝状。黏土矿物强烈的吸附能力，促使有机质被黏土矿物吸附，它们的集合体常常充填在黄铁矿晶体周围（见图4f）。这种集合体一方面能够降低生烃反应活化能，另一方面黏土矿物蒙脱石的伊利石化能够提供质子 （H+）和电子（OH-），促进有机质生烃［23］。在此之前，有关学者已经在美国Barnett页岩［24］、Woodford页岩［19］和四川盆地龙马溪组页岩［25］中均发现类似结构，这些发现在某种程度上证实了黏土矿物催化生烃的作用。

2.3 微裂缝发育非均质性

对九老洞组岩心进行观察和描述的过程中，发现的毫米级—厘米级的裂缝较为发育，分布在不同的层段，大致主要包括垂直缝、高角度缝和水平缝。选取4块岩心，长度为30.00 cm，直径为10.16 cm，样品编号依次为29，37，39，40。29号岩心为深灰色块状至极薄层状页岩，垂直缝贯穿整个样品，偶见直径小于1 mm，为夹层状于样品上部 20 cm的黄铁矿结核，（见图5a）。37号岩心为灰色至深灰色极薄层状页岩，含近似水平层理，垂直缝和水平缝发育，方解石矿化沿着裂缝，偶见黄铁矿结核直径小于1 mm（见图5b）。39号岩心为灰色至深灰色极薄层状至块状页岩，层面为水平至近似水平，水平缝发育，被大量方解石填充（岩心上部10 cm），偶见黄铁矿结核（见图5c）。40号岩心为灰色至深灰色极薄层状页岩，大量裂缝发育，因为大量的裂缝发育，样品不能呈现板块状（见图5d）。总体来看，九老洞组深度在2 711.00～2 815.00 m的页岩，下部裂缝较上部明显发育，表明在毫米级—厘米级的裂缝非均质较为明显。

图5 威201井九老洞组页岩岩心

微裂缝能够为页岩气聚集提供一定的赋存空间，可以与多种矿物之间形成的孔隙相互连通组成网络孔、缝系统，提供了页岩气运移的有效渗流通道［2］。在成岩过程中，根据成因可以将微裂缝分为黏土转化缝、成岩收缩缝和异常高压缝［13］。微裂缝尺度变化较大，长度在数十微米至毫米级，宽度在几百纳米至微米级，微裂隙形态多样，其发育特征和配置关系在微观尺度下具有强非均质性。其中，黏土转化缝是指蒙脱石向伊利石转化的体积缩小而形成的微裂缝，主要发育在黏土矿物间和黏土矿物与脆性矿物接触处，一般沿着层理面呈现近水平状或起伏较小的弯曲状，长度变化较大，主要分布在几毫米到几十毫米，宽度变化较小，主要集中在1～3 μm（见图6a，6b）。成岩收缩缝多发生在石英或碳酸盐岩矿物颗粒周缘，矿物颗粒在成岩过程中经历脱水作用而导致的，一般呈人字形或T字形，长度变化较小，主要分布在几十微米和几毫米，宽度变化也较小，主要集中在3～5 μm（见图6c，6d）。异常高压缝多指有机质生烃造成的局部超压微裂缝，主要呈锯齿状，裂缝规模主要与热演化程度、有机质丰度和类型有关，一般长度和宽度变化都比较大（见图6e）。

图6 九老洞组页岩微裂缝

3 结论

1）利用X射线射线衍射实验分析研究区九老洞组页岩样品，表明主要矿物类型为石英，其次为斜长石、黏土矿物。样品在矿物组分和质量分数上并没有明显的差异性，表明在厘米以上尺度，九老洞组页岩岩性和矿物组分纵向非均质性较弱，而在微观尺度下，矿物组分对孔隙发育和分布状态影响较大，非均质性明显。而且随着观测倍数增大，微观非均质性将会越来越明显。

2）利用扫描电镜研究发现，九老洞组页岩主要发育粒间孔、粒内孔、晶间孔和有机质孔等类型。粒间孔的连通性较好，粒内孔和有机质孔的连通性较差，黄铁矿晶体内部孔隙的连通性较好，但是晶体之间连通性很差。在微观尺度下，页岩孔隙类型、分布和孔径大小差别较大，非均质性明显。

3）对九老洞组岩心进行观察和描述的过程中发现，2 711.00～2 815.00 m的页岩下部裂缝较上部发育，表明在毫米级—厘米级的裂缝非均质较为明显。在微观尺度下，微裂缝可以分为黏土转化缝、成岩收缩缝和异常高压缝。微裂缝尺度变化较大，微裂隙形态多样，发育特征和配置关系在微观尺度下具有强非均质性。

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（编辑 赵旭亚）

Micro heterogeneity of Jiulaodong Formation shale,Weiyuan Area,Sichuan

SUI Qinglin
(Research Institute of Exploration and Development,Shengli Oilfield Company,SINOPEC,Dongying 257015,China)

At present,the research on the heterogeneity of shale reservoirs has just started,and the related theories are not mature. Using x-ray diffraction,thin sections and scanning electron microscope(SEC)of shale samples in micron and nanometer scales,the micro heterogeneity of shale is evaluated from three aspects of mineral composition,micro pore and micro fracture.From the perspective of the mineral composition,the main minerals are quartz,followed by plagioclase and clay minerals.There is no significant difference in the mineral composition and content of the samples.The vertical heterogeneity of shale lithology and mineral composition is weaker in the centimeter scale.But in the micro scale,the mineral composition has a great influence on the pore development and distribution,and the heterogeneity is obvious.With the increase of the observation scale,the micro heterogeneity of shale will become more and more obvious.From the view of micro pore,it mainly developed intergranular pore, intragranular pore,intercrystalline pore and organic matter pore.In the micro scale,the pore type,pore distribution and pore size of the shale are different,and the heterogeneity is obvious.From the view of micro fracture,in the 2711-2815 m shale core,the lower part of the fractures is better developed than the upper part,which shows that the fracture heterogeneity is more obvious in the millimeter levelandcentimeter level.Micro fracture scale of micron and nanometer level changes large,and micro fracture can be divided into clay transformation fracture,shrinkage fracture and abnormal high pressure fracture.The morphology of micro fracture is diverse,and the development characteristics and configuration relationships have strong heterogeneity in the micro scale.

microheterogeneity;micropore;JiulaodongFormation;WeiyuanArea

国家自然科学基金项目“页岩油、气甜点构成要素比较研究”（41472123）

TE122

：A

10.6056/dkyqt201701004

2016-06-19；改回日期：2016-11-15。

隋青林，男，1981年生，工程师，主要从事油气地质与勘探方面工作。E-mail：10105013@qq.com。

隋青林.四川威远地区九老洞组页岩微观非均质性［J］.断块油气田，2017，24（1）：15-20.

SUI Qinglin.Micro heterogeneity of Jiulaodong Formation shale,Weiyuan Area,Sichuan［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（1）：15-20.