川南天宫堂构造带五峰组—龙马溪组页岩不同纹层内部结构差异及其控制机理

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.6.31

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5): 75-88.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.31

川南天宫堂构造带五峰组—龙马溪组页岩不同纹层内部结构差异及其控制机理

赵圣贤¹^,²(), 李博¹^,², 陈鑫¹^,², 刘文平³, 张成林¹^,², 季春海⁴, 刘永旸¹^,², 刘东晨¹^,², 曹埒焰¹^,², 陈玉龙¹^,², 李佳峻¹^,², 雷越¹^,², 谭静强⁵^,^*()

1.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院, 四川成都 610051
2.页岩气评价与开采四川省重点实验室, 四川成都 610213
3.中国石油西南油气田分公司, 四川成都 610051
4.中国石油西南油气田分公司四川长宁天然气开发有限责任公司, 四川成都 610000
5.中南大学地球科学与信息物理学院, 湖南长沙 410083

收稿日期:2023-11-15 修回日期:2024-06-24 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-10-11
通信作者: * 谭静强(1983—),男,教授,主要从事页岩油气地质与工程研究工作。E-mail: tanjingqiang@csu.edu.cn
作者简介:赵圣贤(1987—),男,高级工程师,主要从事页岩气开发地质评价工作。E-mail: zhaoshengxian@petrochina.com.cn
基金资助:
中国石油天然气集团公司科技攻关项目“深层页岩气有效开采关键技术攻关与试验-深层页岩气开发优化技术现场试验(任务2)”(2019F-31-02);湖南省科技创新领军人才项目(2023RC1021)

Structural differences of shale laminae and their controlling mechanisms in the Wufeng-Longmaxi Formations in Tiangongtang, southwestern Sichuan

ZHAO Shengxian¹^,²(), LI Bo¹^,², CHEN Xin¹^,², LIU Wenping³, ZHANG Chenglin¹^,², JI Chunhai⁴, LIU Yongyang¹^,², LIU Dongchen¹^,², CAO lieyan¹^,², CHEN Yulong¹^,², LI Jiajun¹^,², LEI Yue¹^,², TAN Jingqiang⁵^,^*()

1. Shale Gas Research Institute, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu 610051, China
2. Shale Gas Evaluation and Exploitation Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610213, China
3. PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu 610051, China
4. Sichuan Changning Natural Gas Development Co., Ltd., PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu 610000, China
5. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China

Received:2023-11-15 Revised:2024-06-24 Online:2024-09-25 Published:2024-10-11

摘要/Abstract

摘要：

天宫堂地区位于四川盆地南部,发育大规模沉积稳定性与连续性好的海相页岩,是页岩气勘探开发的热点地区。本研究以五峰组-龙马溪组纹层状富有机质页岩为对象,基于岩心尺度描述与大薄片观察,系统分析了页岩纹层的发育特征,并对纹层组合进行了分类与定量表征。通过有机地球化学、矿物学、岩石学、孔隙结构和场发射扫描电镜等分析,表征了页岩的孔隙结构,揭示了页岩的储集物性特征。结合纹层分析结果,揭示了不同类型纹层组合内部结构差异及其控制机理。研究表明,川西南缘天宫堂构造五峰-龙一1亚段页岩主要发育递变型、块状型和砂泥互层型3类纹层组合。递变型纹层组合页岩和互层型纹层组合页岩水平渗透率远高于块状型页岩,块状型页岩的垂直渗透率最高,整体递变型纹层组合页岩物性最好。且三者孔体积和微孔比表面积均呈现由递变型纹层组合页岩、块状型页岩到互层型纹层组合页岩递减的趋势。受沉积环境和成岩作用的共同控制,具有较高TOC和发育有机质-黏土纹层的递变型纹层组合页岩相较于具有较低TOC和发育厚粉砂纹层组和黏土纹层为主的泥纹层组的互层型纹层组合页岩,有效孔隙空间更大,孔隙连通率更高,表现为孔体积更大。而相对较高的有机质含量和无序的矿物孔粒组合排列共同导致块状型页岩有效储集空间优于砂泥互层型纹层组合页岩,而劣于递变型纹层组合页岩。

关键词: 细粒沉积岩, 纹层结构, 孔隙结构, 储层特征, 天宫堂地区, 五峰组-龙马溪组

Abstract:

The Tiangongtang area in southern Sichuan Basin is a shale gas exploration and development hotspot, famous for the development of large-scale marine deposits with good sedimentary stability and continuity. Focusing on the laminated organic-rich shale of the Wufeng-Longmaxi Formations, this paper clarifies the shale lamination types based on core description and microscopic observation of large and thin sections. By means of geochemical, mineralogical, petrograpic and pore structural analyses and field emission scanning electron microscope observation, the pore structure and reservoir physical properties are revealed. Accordingly, the internal structural differences and control mechanisms of different lamination combinations are revealed. Shales of the Wufeng-Long1-1 submember mainly develops three lamination combinations: graded, massive and sand-mud interbedded. Graded laminated and interlaminated shale assemblages have much higher horizontal permeability than the massive while the latter has the highest vertical permeability; the graded has the best reservoir physical properties. Moreover, the pore volume and specific surface area of fractures show a decreasing trend from the graded to massive to interlaminated. Under the control of sedimentary environment and diagenesis, graded laminated shales with higher TOC and organic-clay laminae have larger effective pore space, higher pore connectivity and larger pore volume than the interlaminated with lower TOC and thick silty and clay laminae. With relatively high organic content and disordered porous media massive shales have better quality effective storage spaces than sand-mud interbedded shales but worse quality than graded laminated shales.

Key words: fine-grain sedimentary rocks, laminar structure, pore structure, reservoir characteristics, Tiangongtang area, Wufeng-Longmaxi Formations

中图分类号:

赵圣贤, 李博, 陈鑫, 刘文平, 张成林, 季春海, 刘永旸, 刘东晨, 曹埒焰, 陈玉龙, 李佳峻, 雷越, 谭静强. 川南天宫堂构造带五峰组—龙马溪组页岩不同纹层内部结构差异及其控制机理[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 75-88.

ZHAO Shengxian, LI Bo, CHEN Xin, LIU Wenping, ZHANG Chenglin, JI Chunhai, LIU Yongyang, LIU Dongchen, CAO lieyan, CHEN Yulong, LI Jiajun, LEI Yue, TAN Jingqiang. Structural differences of shale laminae and their controlling mechanisms in the Wufeng-Longmaxi Formations in Tiangongtang, southwestern Sichuan[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(5): 75-88.

图/表 13

图1 研究区地质背景(a)和Y206井五峰组-龙马溪组柱状图(b)(a据文献[33]补充修改)

Fig.1 Simplified geological map of the study area (a, modified after [33]) and stratigraphic column diagram of the Wufeng-Longmaxi Formations in well Y206 (b)

表1 Y206井样品信息表

Table 1 Mineral and clay compositions of samples from well Y206

样品号	深度/m	层位	TOC 含量/ %	矿物成分含量/%							黏土矿物组分含量/%
样品号	深度/m	层位	TOC 含量/ %	石英	钾长石	斜长石	方解石	白云石+ 铁白云石	黄铁矿	黏土	伊利石	高岭石	绿泥石	伊蒙混层
s1	3 846.34	龙一₁ 亚段	2.11	29	0.6	7.7	8.6	12.2	2.2	39.7	75	3	21	1
s2	3 852.53		2.89	27.4	3.7	7.2	23	17.1	2.3	19.3	74	0	20	6
s3	3 856.39		0.95	24.6	0.2	7.5	15.6	10.2	3.1	38.8	79	1	14	6
s4	3 870.13		5.78	42.1	6.3	17.4	5.1	4.5	2.8	21.8	83	1	14	2
s5	3 879.76		2.56	45.7	1.4	8.2	3.5	4.4	3.0	33.8	73	2	16	9
s6	3 882.35		5.10	30	0.1	3.5	5.5	12.8	34.3	13.8	81	2	16	1
s7	3 885.9		3.9	16.6	1.1	2.2	10.3	57.6	1.8	10.4	83	3	13	1
s8	3 887.91	五峰组	2.03	8.3	0	1.6	15.8	34.5	13.1	26.7	79	1	17	3

图2 Y206井五峰组—龙马溪组页岩纹层发育特征 a—钙质纹层与黏土纹层互层, s1;b—s1局部区域放大,钙质纹层与黏土纹层(单偏光);c—s1局部区域放大,钙质纹层与黏土纹层(正交偏光);d—硅质纹层与黏土-有机质纹层形成的纹层组合, S5;e—s5局部区域放大(单偏光);f—s1局部区域放大,硅质纹层与黏土-有机质纹层(正交偏光)。

Fig.2 Lamination characteristics of shale laminae of the Wufeng-Longmaxi Formations in Y206

图3 Image J软件定量表征纹层组参数

Fig.3 The lamellar parameters were quantitatively characterized by Image J software

图4 Y206井五峰-龙马溪组页岩纹层组合类型 a—砂泥互层型, s1;b—正递变型;c—反递变型。

Fig.4 Limination combination types in the study area

图5 Y206井五峰-龙马溪组页岩镜下纹层组合发育特征(h引自文献[37]) a—s1,砂泥互层型纹层组合,正交偏光;b—s2,正递变型纹层组合,单偏光;c—s3,反递变型纹层组合,单偏光; d—s4,砂泥互层型纹层组合,正交偏光; e—s5,递变型纹层组合,单偏光; f—s6,反递变型纹层组合,可见厚泥纹层组夹薄粉砂纹层组合,单偏光; g—s7,正递变型纹层组合,正交偏光; h—s8,块状型纹层组合,单偏光。

Fig.5 Microscopic characteristics of shale lamination in the study area. h adapted from [37].

图6 Y206井页岩岩心剖面观察(f引自文献[37]) a—s1,砂泥互层型纹层组合,纹层界面清晰;b—s3,递变型纹层组合,纹层界面模糊;c—s4,砂泥互层型纹层组合,纹层界面清晰; d—s5,递变型纹层组合,纹层组内部界面不明显,层理缝发育; e—s6,递变型纹层组合,纹层界面模糊; f—s8,块状型页岩,可见团块状黄铁矿。

Fig.6 Thin sections of core samples. f adapted from [37].

图7 有机孔发育特征 a—条形有机质,边缘发育有机质微裂缝,互层型纹层组合,s1;b—不规则有机质,边缘发育有机质微裂缝,互层型纹层组合, s4;c—生烃相关气泡孔,递变型纹层组合,s3; d—密集发育的次生有机质孔,递变型纹层组合,s5; e—黄铁矿晶间孔充填有机质与有机质孔,递变型纹层组合,s6; f—少量不规则有机质孔,块状型页岩,s8。

Fig.7 Characteristics of organic matter pores under microscope

图8 无机孔和微裂缝发育特征 a—黏土矿物孔,s4;b—溶蚀孔,s5;c—黄铁矿晶间孔,s1; d—微裂缝,s2。

Fig.8 Characteristics of inorganic mineral pores and microfractures under microscope

表2 Y206井样品物性与孔隙结构参数

Table 2 Physical properties of and pore structural parameters for the studied samples

样品号	深度/m	纹层组合	孔隙度/ %	水平渗透率/ (10^-3 mD)	垂向渗透率/ (10^-3 mD)	孔体积/(cm³·g^-1)				比表面积/(m²·g^-1)
样品号	深度/m	纹层组合	孔隙度/ %	水平渗透率/ (10^-3 mD)	垂向渗透率/ (10^-3 mD)	微孔	中孔	宏孔	总孔	微孔	中孔	宏孔	总孔
s1	3 846.34	互层型	3.4	18.3	0.13	0.004 3	0.006 8	0.005 7	0.016 8	9.807	1.561	0.061 5	11.43
s2	3 852.53	正递变型	3.59	731.3	0.99	0.005 3	0.006 1	0.007 0	0.018 4	11.73 7	1.445	0.047 7	13.23
s3	3 856.39	反递变型	2.34	23	2.28	0.005 0	0.025 6	0.009 5	0.040 1	12.612	4.132	0.475 2	17.22
s4	3 870.13	互层型	4.12	28.3	4.72	0.002 3	0.003 1	0.001 6	0.007 0	3.846	0.449	0.049 6	4.34
s5	3 879.06	递变型	7.12	2 003.7	3.89	0.006 8	0.010 5	0.005 2	0.022 5	15.623	3.095	0.060 0	18.78
s6	3 882.35	反递变型	6.15	70.8	0.3	0.005 5	0.017 9	0.006 7	0.030 0	13.742	3.215	0.455 1	17.41
s7	3 885.9	正递变型	4.68	267.6	0.05	0.005 1	0.015 9	0.008 9	0.029 9	11.905	2.812	0.262 4	14.98
s8	3 887.91	块状型	4.31	3.5	0.68	0.003 5	0.005 1	0.004 8	0.013 4	7.610	1.039	0.021 0	8.67

图9 孔体积与比表面积分布特征 a—孔体积分布柱状图;b—比表面积分布柱状图;c—不同尺度孔体积占比; d—不同尺度孔比表面积占比。

Fig.9 Pore volume and specific surface area distribution characteristics

图10 全孔径分布特征

Fig.10 Pore distribution characteristics

图11 不同纹层组合成因机制

Fig.11 Genetic mechanisms of different lamination combinations

参考文献 47

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川南天宫堂构造带五峰组—龙马溪组页岩不同纹层内部结构差异及其控制机理

Structural differences of shale laminae and their controlling mechanisms in the Wufeng-Longmaxi Formations in Tiangongtang, southwestern Sichuan

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