王佳蕊，宋金民,2，劉樹根，范建平，黃士鵬，李立基，金 鑫，馮宇翔，王俊柯，王杉杉

(1. 成都理工大學 能源學院，成都 610059；2. 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059；3. 西華大學，成都 610039；4.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

四川盆地中二疊統茅口組是目前勘探的熱點層系之一[1-2]。茅口組自下而上可劃分為茅一、茅二、茅三和茅四一共4個巖性段，目前的勘探突破多在茅二段至茅三段，比如雙魚石構造、蜀南地區(qū)、龍崗地區(qū)、太和氣區(qū)、龍會2井以及角探1井等[3-7]。近年來，川東南地區(qū)義和1井、焦石1井、潼探1井和七里50井相繼在中二疊統茅一段鉆遇工業(yè)氣流，其中焦石1井、義和1井分別獲得日產1.68×104m3和3.06×104m3的工業(yè)氣流[8]。2020年5月，大石1HF井在茅口組一段獲得產量為22.6×104m3/d的高產工業(yè)氣流[9]。2020年10月，蜀南地區(qū)靖和1井在茅口組一段測試獲12.5×104m3/d的高產氣流[10]。

目前的研究認為茅一段處于碳酸鹽巖臺地較深水外緩坡相，主要巖性包括泥晶灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r及灰泥灰?guī)r等，典型構造為“眼皮眼球狀”構造[11]。茅一段儲層為特低孔隙度、特低滲透率裂縫-孔隙型致密儲層，平面上自西向東厚度增加，發(fā)育自生自儲特低孔特低滲氣藏[12-14]。從研究層來講，目前的研究大多針對茅二段和茅三段的灘相儲層和風化殼古巖溶型儲層[15]，而茅一段與茅二段、茅三段儲集空間類型、微孔特征均有明顯不同，儲層在縱向及橫向上都具有較強的非均質性。從研究方面來講，儲層的微觀孔隙結構能夠直接影響其物性，并決定油氣藏的產能分布差異[16]。前人對茅一段致密儲層開展沉積特征、成巖演化和成巖相等方面的研究[11,17-18]，但對其儲集空間和微孔特征以及對微孔的控制方面研究相對較薄弱，制約了氣藏的高效勘探開發(fā)進程。該研究基于巖心觀察、薄片鑒定、物性測試、核磁共振分析和氬離子拋光等，系統地開展了川東地區(qū)茅口組一段巖石結構與微孔特征的研究，探討茅一段微孔的控制因素，以期對后續(xù)茅一段勘探開發(fā)部署提供參考。

1 區(qū)域地質概況

四川盆地屬于上揚子地臺西北緣，可劃分為川南低陡褶皺帶、川東高陡褶皺帶、川中低緩褶皺帶、川北低陡褶皺帶和川西山前凹陷帶[19]。研究區(qū)位于四川盆地東南部，跨越川東弧形高陡構造帶和川南低陡構造帶，范圍南起敘永—習水一線，西達赤水—大足一線，北到廣安—華鎣一線，東抵豐都—涪陵一線。

四川盆地茅口組沉積時期繼承了棲霞組構造-沉積格局，主要經歷了快速海侵、緩慢海退的過程，在川東地區(qū)主要沉積一套中緩坡—深緩坡相灰?guī)r[20]。中二疊世末，四川盆地發(fā)生東吳運動，碳酸鹽巖臺地部分抬升暴露于地表，茅口組頂部遭受不同程度剝蝕，瀘州地區(qū)因處于隆起中心，剝蝕程度最強烈[21]。川東地區(qū)茅口組僅茅四段普遍受剝蝕影響，茅一段至茅三段保留完整。

在茅一段沉積期，四川盆地主要為緩坡型臺地，經歷了一次大規(guī)模海侵，盆地水深由東向西逐漸變淺。該時期水體較深，能量較低，由西向東依次發(fā)育內緩坡、中緩坡和外緩坡相[22]。按照巖石結構，茅一段由上而下可分為a，b和c這3個亞段，如圖1所示[23-24]。茅一a段巖石類型主要為深灰色泥晶生屑灰?guī)r，夾一些硅質巖和頁巖，可見腕足、珊瑚和海綿等生物；茅一b段巖性類型主要為深灰色瘤狀灰?guī)r夾一些薄層頁巖；茅一c段巖石類型主要為深灰色泥晶生屑灰?guī)r、泥晶粉屑灰?guī)r與硅質巖，夾少量頁巖，可見生物碎屑。茅一a和c段發(fā)育孔隙和裂縫，可見裂縫被充填，瀝青和有機質富集[23]。

圖1 四川盆地川東地區(qū)地質構造和茅一段灰?guī)r巖性情況Fig. 1 Situation of geological structure and limestone lithology in eastern Sichuan Basin

2 巖石學特征

根據雙6井、張8井和環(huán)山4井的巖心觀察與薄片鑒定，川東地區(qū)茅一段以致密灰?guī)r為主，常見巖石結構有泥晶生屑灰?guī)r、泥質泥晶生屑灰?guī)r和含泥泥晶生屑灰?guī)r等。圖2所示為川東地區(qū)茅一段巖石結構類型。

2.1 泥晶生屑灰?guī)r

該類巖性在研究區(qū)茅口組分布最為廣泛，巖心上呈致密塊狀，顏色整體較深，如圖2a所示。通過薄片觀察，顆粒主要由生物碎屑組成，含量為15%～30%，主要為介殼、腹足、蜓類、珊瑚、藻類、腕足、雙殼、介形蟲和有孔蟲等，生物碎屑較為破碎。溶孔與裂縫發(fā)育，并可見泥質、方解石充填現象，偶見白云石化，白云石晶體自形程度中等，多為0.03～0.20 mm，如圖2b和圖2c所示。

2.2 泥質泥晶生屑灰?guī)r

巖心顏色較深，通過薄片觀察，生物碎屑含量為15%～30%，如圖2d所示。含介殼、介形蟲、有孔蟲、腕足、腕足等生物碎屑。泥質含量為25%～40%，主要為由海泡石轉化而來的滑石，可見生屑顆粒間充填了大量褐色滑石。見白云石化，白云石晶體自形程度差，大多呈他形。局部發(fā)育溶縫、溶孔，被泥質充填，如圖2e和圖2f所示。

2.3 含泥泥晶生屑灰?guī)r

生屑含量15%～30%，主要為藻類、腹足、蜓類、有孔蟲、介形蟲和珊瑚等，除有孔蟲及腕足等部分方解石化保存完整外，其他生物碎屑保存不完整；泥質含量10%～20%?？紫抖群蜐B透率較泥晶生屑灰?guī)r更大，儲集性能更好，顏色整體較深。局部發(fā)育裂縫，多被瀝青、方解石所充填，如圖2g、圖2h和圖2i所示。

圖2 川東地區(qū)茅一段巖石結構類型Fig.2 Rock structure types of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

3 儲集空間類型

通過對雙6井、張8井和環(huán)山4井樣品進行鏡下薄片觀察分析，發(fā)現茅一段儲集空間為微孔-裂縫體系，研究中將茅一段灰?guī)r中的孔隙分為粒間孔(縫)、滑石收縮孔(縫)、有機質孔隙和微裂縫4大類，如圖3所示。

3.1 粒間孔

原生粒間孔隙是指在沉積物沉積后，經過壓實作用，在碎屑顆粒之間及顆粒和雜基之間形成的孔隙[25]。茅一段儲層粒間孔分布于生物碎屑顆粒之間，孔徑為200～1 000 nm，連通性好，如圖3a、圖3b和圖3c所示。但因后期破壞性作用，原生粒間孔會大幅減少甚至消失，使得該類孔隙多呈孤立分布，連通性變差。

3.2 滑石收縮孔(縫)

滑石是典型三八面體層狀硅酸鹽礦物，海泡石是三八面體層鏈狀硅酸鹽礦物，當海泡石埋藏到一定深度，隨著壓力、溫度的增大，晶格趨于不穩(wěn)定，面網受到動搖，就會發(fā)生層鏈塌陷向滑石轉化，在這個過程中就會產生滑石收縮孔(縫)[8]?；?縫)寬為10～100 nm，連通性好，發(fā)育在黏土礦物含量較高的層段中，如圖3d和圖3e所示。

3.3 有機質孔隙

主要發(fā)育在有機質含量較高的泥晶生屑灰?guī)r中。掃描電鏡下見到的有機質孔隙多為熱成因有機質孔即焦瀝青孔隙，孔隙大小為1～100 nm，形狀不規(guī)則，連通性差，如圖3f所示。

3.4 裂縫

川東中二疊統茅口組一段應力縫多見于宏觀尺度，表現為巖心上的低角度裂縫，為半-全充填，如圖3g以及圖3h所示。鏡下薄片觀察較為平直，烴類、泥質充注比較顯著，同時工區(qū)發(fā)育溶蝕裂縫，呈樹枝狀或網縫狀，縫寬變大，可達0.5～1.5 μm，具有良好的連通作用，可以作為有效的油氣運移通道，如圖3i、圖3j、圖3k以及圖3l所示。結合核磁共振測試結果，裂縫也是研究區(qū)茅口組主要的儲集空間類型之一。

圖3 川東地區(qū)茅一段主要儲集空間類型Fig.3 Reservoir space types of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

4 微孔特征

應用掃描電鏡、氬離子拋光與核磁共振進行茅一段致密灰?guī)r孔隙結構表征。在掃描電鏡基礎上，運用image J軟件進行孔隙定量劃分與提取，根據圖像的灰度直方圖信息獲得用于分割的閾值。圖像分割后再次中值濾波過濾斑點噪聲，通過提取孔隙邊緣并進行區(qū)域填充操作移除“孤島”，充填孔洞，最后機器自動輸出提取結果。

通過掃描電鏡、氬離子拋光與imageJ軟件提取孔隙參數發(fā)現，茅一段普遍發(fā)育微米-納米級孔隙與裂縫。研究區(qū)主要孔隙為微孔，最大孔徑51.438 μm，最小孔徑0.185 μm，平均孔徑為1.725 μm?？紫睹娣e最小僅0.050 μm2，最大可達10.000 μm2，平均面積為2.764 μm2?？紫缎螤畛嗜切螤?、網狀、長條狀、多邊形和狹縫形等，被泥質、方解石與滑石充填。裂縫呈明顯的彎曲狀，且多具較好延伸性，長度多在200 μm左右，寬度多為20～100 nm，最小縫寬僅5.1 nm，如圖4所示。

巖樣核磁共振分析原理是多孔介質孔徑與其中流體的橫向弛豫時間T2成正相關關系。當巖石孔隙中分布單相流體時，橫向弛豫時間T2時間分布曲線上每個峰反映特定范圍內孔徑中的流體信號，峰的面積反映流體含量和此范圍孔徑所占比例。當孔隙中的單相流體達到飽和后，T2譜中峰面積能夠反映孔隙體積[26-28]。如圖5所示，茅一段致密儲層的橫向弛豫時間T2譜存在3種峰的類型：單峰型、左峰占優(yōu)雙峰型及右峰占優(yōu)三峰型，T2為0.01～10 000.00 ms，說明不同等級孔隙均有發(fā)育。0.01～100.00 ms組分所占比例較高，大于100.00 ms的弛豫組分所占比例較低，指示小孔隙貢獻更大。

圖5 川東地區(qū)茅一段不同巖性核磁共振T2譜Fig.5 NMR T2 spectra of different lithology of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

4.1 泥晶生屑灰?guī)r

泥晶生屑灰?guī)r在285 μm×265 μm的視域內，孔隙數目約為240～800個，平均496個。孔徑最大可達51.438 μm，最小為0.185 μm，平均孔徑2.555 μm；孔隙面積為3.16 μm2，最大為10.00 μm2，最小為0.05 μm2；平均孔隙周長2.290 μm，最大可達9.432 μm，最小2.902 μm，如圖6所示。泥晶生屑灰?guī)r的孔隙直徑、孔隙面積與孔隙周長都跨度大且非常不均勻，反映內部孔隙不同等級的孔隙均有發(fā)育。

泥晶生屑灰?guī)r的T2譜主要呈雙峰，可進一步分為左峰占優(yōu)與右峰占優(yōu)2種類型，主要為左峰占優(yōu)的雙峰類型，其橫向弛豫時間T2雙峰譜左峰峰位和右峰峰位分別為0.1～10.0 ms和10.0～100.0 ms?？紫抖确至孔蠓迕黠@高于右峰，表明孔隙發(fā)育范圍較大，其中主要發(fā)育孔喉半徑為1～100 nm的小孔隙，同時發(fā)育部分大孔隙，滲透率較低。右峰占優(yōu)的雙峰類型占小部分，橫向弛豫時間T2雙峰譜左峰峰位約分布在10 ms附近，右峰峰位為100～1 000 ms，且孔隙度分量右峰明顯高于左峰，如圖6a所示，表明中等孔隙所占比例增加，成為主要孔隙類型，同時發(fā)育大孔隙。

4.2 泥晶灰?guī)r

泥晶灰?guī)r孔隙數量最少，僅453個。相較生屑泥晶灰?guī)r和泥晶生屑灰?guī)r，泥晶灰?guī)r平均孔徑最小，僅1.462 μm，平均孔隙面積也最小僅1.477 μm2，但其平均孔隙周長最大，為3.95 μm，如圖6所示。

泥晶灰?guī)r的T2譜成單峰，且峰值靠左對稱分布，單峰峰值對應橫向弛豫時間約為1 ms，最大橫向弛豫時間小于1 000 ms，如圖6b所示。表明泥晶灰?guī)r孔隙大小分布不均，主要發(fā)育小孔隙，中等孔隙與大孔隙欠發(fā)育。

4.3 生屑泥晶灰?guī)r

生屑泥晶灰?guī)r為孔隙數目最多的巖石結構，在285 μm×265 μm的視域內，生屑泥晶灰?guī)r平均孔隙數目為595個，最多可達1 527個，最少279個。如圖6所示，生屑泥晶灰?guī)r平均孔徑約為1.325～1.873 μm，平均孔徑為1.590 μm；孔隙面積為2.23 μm2，40%介于1～2 μm2，50%介于2～3 μm2，僅有少量孔隙面積大于3 μm2；平均孔隙周長為2.82 μm且分布均勻，表明生屑泥晶灰?guī)r發(fā)育體積大小較均勻的微孔。

核磁共振結果顯示，生屑泥晶灰?guī)r橫向弛豫時間T2譜主要為左峰占優(yōu)的雙峰類型，雙峰譜左峰峰位約為1 ms，右峰峰位為10～100 ms，不同橫向弛豫時孔隙分量變化大，如圖6c所示。表明生屑泥晶灰?guī)r儲層中不同尺度的孔隙皆有發(fā)育，但總體以小孔隙為主，此外發(fā)育了部分中等孔隙。

圖6 川東地區(qū)茅一段微孔參數對比Fig.6 Comparison of micropore parameters of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

5 主控因素

通過進一步分析雙6井、張8井和環(huán)山4井微孔參數與各組分含量的關系發(fā)現，川東地區(qū)茅一段灰?guī)rTOC、石英含量、黏土礦物含量與孔隙體積、孔隙度、滲透率均具有較好的正相關性，如圖7所示。圖8所示為川東地區(qū)茅一段微孔參數與各組分含量關系。

圖7 雙6井、張8井及環(huán)山4井微孔參數與各組分含量數據Fig.7 Micropore parameters and component content data of wells Shuang6, Zhang8 and Huanshan4

如圖8a、圖8b和圖8c所示，孔隙體積、孔隙度、滲透率均隨TOC的增加而增加，反映孔隙主要發(fā)育在有機質中，尤其是微孔的孔隙體積、孔隙度、滲透率與TOC呈高度正相關，說明有機質目前以微孔發(fā)育為主。

如圖8d、圖8e和圖8f所示，石英含量與孔隙體積、孔隙度、滲透率呈現較好的正相關性，即石英含量越高，巖石孔隙體積越大、孔隙度與滲透率越高。石英具有特定的晶形和硬度，可以構成一個相對剛性格架，抵抗外力的作用相對較強，有利于巖石中孔隙的保存。與此同時，石英顆粒被破壞時，邊緣易產生裂縫，能夠改善灰?guī)r的孔滲條件。

如圖8g、圖8h和圖8i所示，黏土礦物受空間限制影響較小且多呈層狀沉積，可以為氣體賦存與流動提供更多的吸附點位和孔隙空間。在黏土礦物中，滑石貢獻最大。茅一段的滑石是由海泡石轉化而來，海泡石是三八面體層鏈狀黏土礦物，而滑石是三八面體層狀硅酸鹽礦物。深埋藏條件下，海泡石鏈籠中分子水被排出，層鏈塌陷，開始向滑石轉化，形成一定數量的成巖收縮縫[29]，有利于提高川東地區(qū)茅一段儲層的儲集性能。

圖8 川東地區(qū)茅一段微孔參數與各組分含量關系Fig.8 Relationship between micropore parameters and content of each component of the Mao1 Member of Maokou Formation in eastern Sichuan

6 結論

1)川東地區(qū)茅口組一段儲層發(fā)育在致密灰?guī)r中，可劃分為泥晶生屑灰?guī)r、泥質泥晶生屑灰?guī)r、含泥泥晶生屑灰?guī)r和含生屑泥晶灰?guī)r。

2)茅一段地層儲集空間主要為粒間孔、滑石收縮孔(縫)、有機孔和裂縫。發(fā)育孔縫型儲層，其巖層平均孔隙度為1.57%，平均孔徑為1.725 μm，平均孔隙面積為2.764 μm2，平均滲透率為0.113 mD，表現出低孔、低滲的致密碳酸鹽巖儲集特征。

3)川東地區(qū)茅一段TOC、石英含量、黏土礦物含量與孔隙度、孔隙體積、滲透率均呈現出較好的正相關性。有機碳豐度、石英豐度、滑石豐度控制了川東地區(qū)茅口組一段儲層微孔的發(fā)育。