渝东南地区位于四川盆地东部, 所处大地构造位置为扬子板块东南部、黔中隆起以北(图 1)。四川盆地在构造上属于扬子板块, 发育多期幕式构造运动, 热成熟史复杂, 有利于盆地内页岩气的形成与发展, 是一个多层系的含油气盆地。五峰组— 龙马溪组暗色页岩发育在奥陶系顶部— 志留系底部, 盆地内上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组底部黑色页岩分布较广, 局部地区龙马溪组中上部黑色页岩也较发育(张海全等, 2013)。

图1

Fig.1

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	图1 重庆地区龙马溪期岩相古地理及采样位置(据郭英海等, 2004)Fig.1 Sampling locations and lithofacies palaeogeography in the Longmaxi Age of Early Silurian in Chongqing area (after Guo et al., 2004)

龙马溪组页岩在四川盆地内主体为局限的深水陆棚沉积, 沉积于中国南方挤压最强烈的时期, 其早期为泥质深水陆棚沉积环境, 晚期深水陆棚区减少, 形成泥质深水、浅水陆棚, 泥砂质、砂质、灰质浅水陆棚及台地边缘相共存的沉积格局(Guo and Li, 2004; 郭英海等, 2004; 张春明等, 2012)。龙马溪组页岩厚度大、分布广, 具有有机质丰度较高、热演化程度高、有机质类型好及压裂脆性优等特点, 尤其是龙马溪组下部页岩储集层, 成为页岩气勘探开发的重要有利层位。以綦江观音桥剖面为例(图 2), 下部发育灰黑色— 黑色碳质页岩, 富含笔石化石, 水平层理发育, 自下向上颜色变浅, 钙质增加, 储集层质量变差。作者实验所取样品来自綦江观音桥剖面、南川三泉剖面及涪陵焦A井龙马溪组页岩储集层, 取样计200余块, 主要来自下部、底部有机质含量较高的优质层段。

图2

Fig.2

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	图2 綦江观音桥剖面综合地层Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Guanyinqiao Profile in Qijiang area

页岩矿物粒度细小, 孔隙发育在纳米尺度。为研究龙马溪组页岩成岩作用及其对孔隙发育的影响, 文章综合采用了多种技术手段, 成岩作用现象和孔隙发育特征的观测结合了常规扫描电镜和氩离子抛光— 场发射扫描电镜。

电镜观测使用仪器为Helios Nanolab 600i型聚焦离子电子双束显微镜和S-4700型冷场发射扫描电子显微镜。观测前对样品进行氩离子抛光处理, 获得平整的样品表面, 使观测尺度可以达到纳米级别。

XRD实验采用德国Bruker公司D8 ADVANCE型X射线衍射仪, 测试参数为Cu靶, Kα 辐射, X射线管, 电压40 kV, 电流30, mA。利用粉末衍射联合会国际数据中心(JCPDS-ICDD)提供的物质标准粉末衍射资料, 并按照其标准分析方法和衍射判定标准(晶面间距吻合, 衍射强度基本吻合)进行对照分析。在取样处各取样品50~100, g, 粉碎缩分后取约5g样品, 放入研磨钵中研磨至粒径为48, μ m。

高压压汞实验采用AutoPore Ⅳ 9500 V1.09型压汞测试仪, 计算机程控点式测量, 测定孔隙孔径下限为6, nm。测试前对样品进行统一处理, 使颗粒大小符合测试要求, 并将样品于烘烤箱中烘干24, h。

低温氮吸附实验采用仪器为Autosorb-1型比表面积及孔径测定仪。实验在恒温下逐步升高、降低气体分压, 通过测定纯度大于99.999%的高纯氮气吸附质吸附量, 并利用BET方程等探究页岩储集层孔隙的孔径分布与特征。样品实验前需进行磨碎处理, 使粒度小于250, μ m, 并在实验前进行烘干处理。

运用X射线衍射、扫描电镜及能谱等手段, 结合氩离子抛光— 场发射扫描电镜实现纳米级显微特征的观测, 在微米— 纳米尺度上揭示页岩储集层成岩作用。观测显示, 机械/化学压实作用、溶蚀作用、重结晶作用、破裂作用与矿物转化作用等是对储集层物性影响显著的主要成岩作用类型。

3.1.1 机械压实作用 压实作用为泥质岩成岩作用的最主要类型, 伴随页岩沉积成岩作用的整个过程, 在埋深2000, m以下时对储集层孔隙度的改造非常显著, 对岩石的有机组分、无机组分及物性变化具有很强的控制作用。扫描电镜下储集层显示出强烈压实的特征, 主要包括:①页岩极为致密, 在微米的尺度下, 储集层甚至难以观测到孔隙, 残余原生孔隙不发育(图 5-a); ②矿物组分的接触方式多为线接触、凹凸状接触(图 5-b); ③易变形矿物发生明显的塑性变形, 如黏土矿物发生弯曲、黏土矿物片间孔隙闭合、有机质受到挤压而形变(图 5-b)。

3.1.2 化学压实作用 随着压力与温度的继续升高, 在埋藏初期的粒间孔隙压缩与颗粒变形阶段之后, 化学压实作用逐渐加强(Robert er al., 2012), 尤其在2000, m埋深以下, 化学压实作用对储集层物性起着重要的改造作用。温度、压力条件达到临界值后, 在化学活动性流体的作用下, 化学压实作用开始发生, 在以碎屑石英为主的层理、纹层及夹层处, 压溶现象出现在碎屑颗粒的边缘(图 5-c), 其他学者也观测到龙马溪组页岩中石英颗粒边缘的不规则形貌(张正顺等, 2013)。

3.1.3 溶蚀作用 页岩储集层中的易溶蚀组分, 包括长石及方解石等, 常发育溶蚀现象。有的矿物部分溶蚀, 形成矿物溶蚀孔, 如方解石颗粒周缘的溶蚀孔隙(图 5-d)及黄铁矿溶蚀孔隙(图 5-e), 有的矿物被完全溶蚀形成铸模孔(图 5-f)。酸性流体对储集层骨架矿物的溶蚀可以形成铸模孔及粒内溶蚀孔, 是重要的储集层孔隙建设作用。

3.1.4 交代作用与后期化学充填作用 方解石、莓状黄铁矿的交代现象在储集层中普遍发育。方解石的颜色与环带结构特征表明, 石英或黏土矿物曾被碳酸盐交代(张正顺等, 2013); 储集层中大量发育莓状黄铁矿集合体, 集合体由数量不等的多个黄铁矿微晶组成, 形成于黄铁矿对细胞集合体或球状生物的交代作用, 微晶间或充填有机质或形成孔隙(图 5-g)。

化学充填作用对孔裂隙的连通性具有重要影响。页岩自生矿物主要包括自生石英、方解石、长石、黄铁矿及自生黏土矿物等, 其中, 黏土矿物可以观测到自生高岭石等(图 5-h), 自生矿物对大孔、微裂隙和裂隙具有封堵作用, 可以观测到裂缝中自生方解石与黄铁矿晶体生长(图 5-i), 页岩基质中也可见黄铁矿晶体发育(图 5-j)。

3.1.5 重结晶作用 黏土矿物的重结晶作用是页岩储集层形成的重要成岩过程之一, 对储集层物性具有一定影响。生物成因蛋白石重结晶而形成的硅质成分也被认为是页岩硅质的重要来源, 对形成优质储集层具贡献意义, 矿物晶粒的生长可能造成储集空间连通性的降低, 但脆性矿物的生长也同时可能有利于储集层脆性。伊利石因重结晶而显示定向消光是较为普遍的观察特征。

3.1.6 矿物转化 成岩作用过程伴随着复杂的矿物转化, 石英等自生脆性矿物的形成和黏土矿物的转化是对储集层影响最为显著的转化作用。龙马溪组页岩黏土矿物以伊利石及绿泥石组合为主要类型, 蒙脱石在碱性地层水条件下脱出层间水经伊蒙混层向伊利石(图 5-k)或经绿蒙混层向绿泥石的转化是重要的黏土矿物转化过程。

3.1.7 破裂作用 破裂作用发生于成岩后生阶段, 页岩在应力作用下形成裂隙和微裂隙。观测显示, 龙马溪组显微裂隙较为发育(图 5-l), 在矿物颗粒周缘与有机质周缘发育较好。页岩储集层渗透率极低, 若微裂隙不发育, 储集层内部则缺乏气体自孔隙释放至裂隙和井筒的渗流通道, 影响产气能力。研究区龙马溪组页岩受到兴凯— 加里东、海西— 印支和燕山— 喜马拉雅3大构造运动及局部的多次次生构造运动改造, 形成了大量裂隙、微裂隙, 破裂作用较为发育。

3.2.1 页岩成岩作用划分依据 成岩阶段划分的依据主要包括:(1)岩石的结构、构造特点及孔隙类型; (2)有机质成熟度; (3)自生矿物形成和分布顺序; (4)伊蒙混层(Ⅰ /S)黏土矿物的转化及黏土矿物组合、伊利石结晶度; (5)古地温(自生矿物形成温度、伊蒙混层黏土矿物、包裹体温度)等。成岩阶段的划分需要结合沉积水介质条件, 龙马溪组古盐度的范围是 6‰ ~49‰ , 平均值为 22.5‰ , 具有上淡下咸的特点(李娟等, 2012), 依据威尼斯盐度分类, 龙马溪组应属于半咸水介质条件。据SY/T 5477-92标准和张长江等(2008)提出的泥岩成岩阶段划分标准进行成岩阶段分析, 展开成岩作用阶段划分的研究。

3.2.2 页岩成岩作用阶段证据

1)矿物组合。储集层含量最高的黏土矿物是伊利石, 平均达31.3%, 说明成岩作用已经历晚成岩作用阶段; 绿泥石含量仅次于伊利石, 占近23%; 高岭石、伊蒙混层及蒙脱石含量较少, 所占比例分别为3%, 6.3%, 1.8%。伊蒙混层、高岭石、伊利石和绿泥石组合也证明其经历过中成岩作用阶段; 在井段与剖面样中均可见伊蒙混层, 可见尚未达到极低级变质作用阶段。

2)有机地化特征。龙马溪组烃源岩原始有机质含量丰富, 原始母质为藻类、浮游动物和细菌等, 在滞留还原环境中高度降解形成以无定形类为主的有机显微组分, 有机质类型为Ⅰ 型腐泥型(张春明等, 2012)。龙马溪组页岩研究样品的热成熟度较高, R_O 值为2.0%~5.0%(表 2), 海相地层缺乏标准镜质组, 利用钟宁宁和秦勇(1995)提出的海相碳酸盐岩中基质腐泥体反射率与等效海相镜质组反射率的换算模式:等效海相镜质组反射率为2.092基质腐泥体反射率为-1.079(基质腐泥体反射率介于1.60%~3%之间), 可知样品有机质演化均达到过成熟阶段。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 渝东南龙马溪组页岩典型样品的有机地化特征 Table2 Organic geochemical characteristics of typical shale samples of the Longmaxi Formation in southeastern Chongqing 位置与编号 Rv/% RO/% 等效海相RO/% 干酪根类型 三泉-1 3.63 2.42 3.98 Ⅰ 型 三泉-2 3.49 2.36 3.86 Ⅰ 型 观音桥-1 2.05 3.21 Ⅰ 型

表2 渝东南龙马溪组页岩典型样品的有机地化特征 Table2 Organic geochemical characteristics of typical shale samples of the Longmaxi Formation in southeastern Chongqing

3)黏土矿物特征。不同成岩作用阶段有不同的黏土矿物组合及演化特征, 在晚期成岩阶段, 地层埋深达到3500, m以上, 黏土矿物主要为伊利石和绿泥石, 混层矿物基本消失, 伊利石结晶度在0.25° ~0.42° 之间。研究区龙马溪组页岩储集层的黏土矿物特征显示(表 3), 伊利石结晶度在0.22° ~0.35° 之间, 黏土矿物以伊利石与绿泥石占绝对多数比例, 伊蒙混层比在5%~10%之间, 最大古埋深在6000, m以上, 而混层矿物含量极少, 可见成岩作用已经达到晚期阶段。

表3

Table3

表3(Table3)

表3 渝东南龙马溪组页岩储集层成岩阶段标志 Table3 Symbols of diagenetic stage of shale reservoir of the Longmaxi Formation in southeastern Chongqing 黏土矿物特征 矿物比例 孔隙度/% 最大古埋深/m 伊利石结晶度 绿泥石结晶度 混层有序度 伊蒙混层比 伊利石与绿泥石所占 比例在90%以上, 混层矿物含量极少 0.65~3.57, 均值1.12 大于6000 0.22° ~0.35° 0.15° ~0.24° R3, 超点阵有序混层, 第三转换带 5%~10%

表3 渝东南龙马溪组页岩储集层成岩阶段标志 Table3 Symbols of diagenetic stage of shale reservoir of the Longmaxi Formation in southeastern Chongqing

4)古地温。杨飞和叶建中(2011)等对川东南地区下志留统烃源岩埋藏史的研究证实, 龙马溪组埋藏地温最高可达近250, ℃, 证明龙马溪组页岩储集层经历了晚期成岩作用。

5)岩石的结构、构造特点及孔隙类型。龙马溪组下部储集层孔隙度仅在1%~5%之间, 孔隙孔径中值小于100, nm, 以有机质孔隙最为发育(图 6-a), 黏土矿物片状孔、微裂隙(图 6-b)发育程度也较高, 黏土矿物片状孔闭合程度高、并显示一定定向性特征, 而残余原生孔隙几乎不发育。对储集层微观组构进行观察, 黏土矿物、有机质及相关孔隙发生了形貌变化(图 6-c, 6-d)。极低的孔隙度、以成岩孔隙为主的孔隙类型、压实改造显著的微观组构特征, 都是成岩作用强度极大的有力佐证。

图6

Fig.6

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	图6 渝东南龙马溪组下部页岩储集层孔隙与微观形貌 A— 有机质颗粒内发育的纳米孔, 泉浅A井; B— 微米级别的微裂隙, 观音桥剖面; C— 有机质受骨架矿物的挤压, 泉浅A井; D— 有机质、黏土矿物形貌受到强烈改造, 泉浅A井Fig.6 Pore and microstructure characteristics of shale reservoir of the lower Longmaxi Formation in southeastern Chongqing

3.2.3 页岩成岩阶段 页岩成岩作用及阶段的研究可以为优质页岩储集层形成机理的揭示提供理论依据。结合储集层基本特征与各类成岩作用现象的观测结果, 可以判断页岩储集层微观成分特征、结构特征与储集层发育特征间的相互关系, 揭示各类成岩作用对储集层的影响, 而成岩作用阶段的研究可以从侧面表征各类成岩作用影响的强弱程度。龙马溪组页岩储集层成岩作用类型复杂, 机械/化学压实作用、溶蚀作用、重结晶作用、破裂作用及矿物转化作用等都对储集层物性产生了显著影响, 说明在沉积物质成分的基础上, 复杂的成岩作用对储集层演化具有重要控制作用, 是优质页岩储集层形成机理的核心控制因素之一; 而基于有机质成熟度、自生矿物特征、黏土矿物特征、岩石结构特点、孔隙类型与古地温等判定的晚期成岩作用阶段, 则说明页岩储集层经历了漫长的成岩演化, 有机质生烃较为充分, 矿物成分组合、类型与比例发生显著改变, 微观储集空间接受充分改造, 是成岩作用强烈改造储集层的有力佐证。

压实作用是龙马溪组页岩孔隙度降低及渗透率减弱的主要因素。研究区页岩孔隙度极低, 泉A井龙马溪组下部孔隙度平均值为1.29%; 观音桥剖面孔隙度在1.01%~3.97%之间, 平均值为1.41%; 三泉剖面孔隙度在0.69%~4.57%之间, 平均值为1.72%。压实作用是对孔隙度影响最大的成岩作用类型, 胶结作用、矿物转化也有一定影响。

在页岩储集层的研究中, 微裂隙的发育情况及储集层脆性特征被认为是提高储集层渗透能力的重要因素。发育的微裂隙可以形成微裂隙网络, 构成页岩气自孔隙渗流释放至天然/人工裂隙的通道, 而储集层的脆性特征决定了压裂造缝能力, 脆性越强, 越容易形成网络型的裂缝, 也就造成了更高的页岩气产能(李庆辉等, 2012a)。储集层脆性的评价方法主要包括矿物组分法与力学测试法, 龙马溪组下部页岩储集层的实测脆性优于矿物组分评价结果, 成岩作用是影响该差异的重要因素(李庆辉等, 2012b; 赵斌等, 2013), 有利的胶结作用可能增强储集层的脆性。

在页岩储集层孔隙中, 原生残余孔隙几乎不发育, 而发育的主要类型包括有机质纳米孔、莓状黄铁矿微晶间孔、黏土矿物片状孔、骨架矿物溶蚀孔、矿物组分边缘孔和微裂隙等, 这些孔隙或为成岩孔隙, 或受到成岩作用的控制影响, 使储集层以成岩孔隙为主。

高压压汞和低温氮吸附实验显示, 页岩储集层孔隙的孔径分布极不均匀, 大孔(> 1000, nm)、中孔(100~1000, nm)在孔隙系统中所占比例较小, 孔隙系统主要是由小于100, nm的微孔和小孔组成, 与Haynesville盆地页岩、Beaufort Mackenzie深层页岩及Mississippian盆地Barbett页岩(Loucks et al., 2009; Elgmati, 2011; Connell-Madore Katsube, 2012)相似。在场发射扫描电镜的观测中, 大量发育且与100, nm以下的主体孔径相对应的只有有机纳米孔, 强烈的成岩作用和晚期成岩作用阶段是有机质纳米孔形成的有利条件, 故成岩作用对孔径分布的非均质性也具有影响作用。

页岩储集层孔隙形貌特征差异巨大, 有机质孔隙以圆孔状为主, 黏土矿物孔隙以片层状为主, 骨架矿物孔隙差异较大。液氮吸附脱附曲线与Ⅱ 型吸附等温线最为接近, 同时兼具其他等温线特征, 反映孔隙形态类型多样, 无规则孔、板状孔、片状孔等同时存在, 黏土矿物孔隙和微裂隙可能是页岩孔隙整体呈裂缝状形貌(Ⅱ 型)的影响因素。与其他地区页岩相比, 强机械压实作用使龙马溪组页岩片状孔更为闭合。