頁巖氣儲(chǔ)層類型和特征研究
——以四川盆地及其周緣下古生界為例

聶海寬，張金川

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

頁巖氣是一種連續(xù)聚集的非常規(guī)天然氣藏，位于油氣成藏和分布序列的“源端元”，具有多種成因類型和多種賦存方式，集烴源體、輸導(dǎo)體和圈閉體等所有關(guān)鍵的成藏體系要素于同一套頁巖層的天然氣聚集。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在頁巖氣界定[1-3]、成藏機(jī)理[3-4]、氣體成因[1,5-6]、天然氣賦存方式及比例[1-2]、聚集條件及主控因素[7-14]、分布規(guī)律[1,5,14]、頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測(cè)[3,7-8,15-17]、資源評(píng)價(jià)[1,18-21]等方面進(jìn)行了深入的研究。本文在對(duì)四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)和上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)41塊樣品野外觀察、顯微薄片、掃描電鏡及X衍射等實(shí)驗(yàn)分析基礎(chǔ)之上，對(duì)頁巖儲(chǔ)層特征進(jìn)行研究。頁巖儲(chǔ)層和砂巖、灰?guī)r儲(chǔ)層有較大的差異，不僅在孔隙大小上，而且在孔隙類型、特征和孔徑分布上均有較大差別?？紫逗土芽p決定著頁巖的儲(chǔ)能和產(chǎn)能，系統(tǒng)研究頁巖的孔隙和裂縫特征對(duì)頁巖氣藏的勘探開發(fā)至關(guān)重要。

1 裂縫特征

1.1 裂縫分類

裂縫的發(fā)育程度和規(guī)模是影響頁巖含氣量和頁巖氣聚集的主要因素，決定著頁巖滲透率的大小，控制著頁巖的連通程度，進(jìn)一步控制著氣體的流動(dòng)速度、氣藏的產(chǎn)能。裂縫還決定著頁巖氣藏的保存條件，裂縫比較發(fā)育的地區(qū)，頁巖氣藏的保存條件可能差些，天然氣易散失、難聚集、難形成頁巖氣藏；反之，則有利于頁巖氣藏的形成。根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，裂縫有很多分類：根據(jù)成因可劃分為張性、剪性和壓性3種；根據(jù)充填情況可劃分為完全充填、部分充填和無充填3種；根據(jù)角度可劃分為高、中、低3種傾角類型。本文綜合考慮裂縫的性質(zhì)和對(duì)頁巖氣聚集的控制作用，按發(fā)育規(guī)模將裂縫分為5類(表1)。

(1)巨型裂縫(圖1a)：主要指寬度大于1 mm，長(zhǎng)度大于10 m的裂縫，包括垂直頁巖層理面和順層理面兩類，垂直層理面的裂縫能同時(shí)穿過碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖等薄層，前者主要為構(gòu)造成因，后者為沉積成因。

表1 頁巖氣儲(chǔ)層分類及氣體賦存、運(yùn)移方式Table 1 Shale gas reservoir classification as well as gas occurrence and migration

圖1 四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖裂縫類型Fig.1 Fracture types of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

(2)大型裂縫(圖1b)：主要指寬度為毫米級(jí)，長(zhǎng)度介于1～10 m之間的裂縫，該類裂縫局限于碳質(zhì)頁巖或硅質(zhì)頁巖單層內(nèi)部，不能穿層，亦主要為構(gòu)造成因。

(3)中型裂縫(圖1c)：主要指寬度為0.1～1 mm，個(gè)別寬度可達(dá)毫米級(jí)，長(zhǎng)度介于0.1～1 m之間的裂縫，該類裂縫可能為構(gòu)造成因或泥巖的生烴膨脹力導(dǎo)致。

(4)小型裂縫(圖1d)：主要指寬度為0.01～0.1 mm，長(zhǎng)度介于0.01～0.1 m，為肉眼可見的最小裂縫。

(5)微型裂縫(圖1e)：指寬度一般小于0.01 mm，長(zhǎng)度小于0.01 m，一般為幾十微米。

1.2 裂縫發(fā)育的影響因素

不同學(xué)者對(duì)裂縫發(fā)育的影響因素進(jìn)行過很多研究，普遍認(rèn)為在相同的力學(xué)背景下，有機(jī)碳含量、石英含量等是影響裂縫發(fā)育的重要因素[22]。阿巴拉契亞盆地的鉆井表明，滑脫及其相關(guān)的伸展和收縮裂縫帶更傾向于在富含干酪根的黑色頁巖中發(fā)育，而不是在夾層的灰色頁巖和粉砂巖中發(fā)育，黑色頁巖通常比其附近的灰色頁巖裂縫發(fā)育程度較高，裂縫頻率也較高、間距也較小，并且裂縫通常在巖性界面終止。薄層的黑色頁巖比厚層的有機(jī)碳含量高，裂縫發(fā)育程度也較高，因此，裂縫發(fā)育程度隨著頁巖層厚度的增加而降低。石英含量的高低也是影響裂縫發(fā)育的重要因素，富含石英的黑色頁巖段脆性較強(qiáng)，裂縫的發(fā)育程度比富含方解石塑性較強(qiáng)的灰色頁巖強(qiáng)烈。Nelson[23]認(rèn)為除石英之外，長(zhǎng)石和白云石也是黑色頁巖段中的易脆組分。因此，在相同的構(gòu)造背景下，能否準(zhǔn)確分析頁巖的巖性、顏色、厚度和礦物成分等是準(zhǔn)確判斷裂縫發(fā)育規(guī)模和程度的關(guān)鍵。野外觀測(cè)表明：有機(jī)碳含量高的黑色碳質(zhì)頁巖較軟，裂縫較發(fā)育，易風(fēng)化，而石英含量高的硅質(zhì)頁巖，質(zhì)地較硬，裂縫欠發(fā)育，難風(fēng)化。如四川漢源永利丁子溝大山頂上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)剖面(圖2)，底部為碳質(zhì)頁巖(泥巖)，有機(jī)碳含量較高，裂縫發(fā)育，易風(fēng)化，圖中凹進(jìn)部位即為該剖面下部的碳質(zhì)頁巖，向上過渡為粉砂質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖，有機(jī)碳含量降低，硅質(zhì)含量升高，裂縫欠發(fā)育，耐風(fēng)化。云南昭通巧家金塘下寒武統(tǒng)剖面，底部為碳質(zhì)頁巖，中部為硅質(zhì)頁巖，頂部為砂泥互層，同樣表現(xiàn)為此種風(fēng)化現(xiàn)象，下部碳質(zhì)頁巖較軟，裂縫較發(fā)育，易風(fēng)化，中部硅質(zhì)頁巖，較脆，裂縫欠發(fā)育，耐風(fēng)化，頂部砂泥互層表現(xiàn)為泥巖發(fā)育裂縫，砂巖裂縫發(fā)育程度弱(圖3)。

1.3 裂縫對(duì)頁巖氣聚集的控制作用

巨型裂縫和大型裂縫的垂直縫多為構(gòu)造成因(其中的水平縫為沉積成因)，是頁巖受構(gòu)造應(yīng)力作用而產(chǎn)生的，一般表現(xiàn)為邊緣平直、延伸長(zhǎng)度大、穿過不同巖性的巖層、具有一定方向，與構(gòu)造形變有緊密聯(lián)系。巨型裂縫和大型裂縫發(fā)育的區(qū)域，在頁巖氣勘探中應(yīng)重點(diǎn)分析，研究裂縫的活動(dòng)時(shí)期，是否封閉等。這類裂縫一般是頁巖(烴源巖)排烴的通道，發(fā)育該類裂縫的區(qū)域，有利于頁巖的排烴，頁巖中殘留的烴較少，不利于頁巖氣聚集。而此類裂縫欠發(fā)育或不發(fā)育的區(qū)域，頁巖的排烴受阻，排烴較少，頁巖中殘留的烴較多，有利于頁巖氣聚集，是頁巖氣發(fā)育的有利位置。如在美國(guó)頁巖氣產(chǎn)量最高的福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏，在高裂縫發(fā)育區(qū)井的產(chǎn)能往往最差[2]，例如：在構(gòu)造高點(diǎn)、局部斷層或者與喀斯特有關(guān)的塌陷包圍的井，裂縫比較發(fā)育，但是井的生產(chǎn)能力比其它地區(qū)要差，尤其是位于斷層附近的井，常常表現(xiàn)為比非構(gòu)造部位的頁巖氣井生產(chǎn)能力下降和含水提高，因?yàn)檫@些部位裂縫發(fā)育，水力壓裂的水會(huì)沿著裂縫進(jìn)入其下的Viola和(或)Ellenburger灰?guī)r層，不能在Barnett頁巖中獲得良好的、有利于頁巖氣生產(chǎn)的裂縫。筆者經(jīng)過分析認(rèn)為：由于晚白堊世盆地抬升，高裂縫發(fā)育地區(qū)不利于超壓的保持，壓力較低，氣體過早地從吸附態(tài)解析出來變成游離態(tài)，導(dǎo)致游離態(tài)氣體含量多，吸附態(tài)含量少，并造成了絕對(duì)意義上的天然氣減少(和裂縫不發(fā)育地區(qū)相比)，游離態(tài)賦存的天然氣很容易散失，而吸附態(tài)氣體含量少直接導(dǎo)致井穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間不長(zhǎng)；而裂縫欠發(fā)育或不發(fā)育的地區(qū)，保持了輕微的超壓，由于壓力較大，氣體被壓縮在裂縫或孔隙中，以吸附態(tài)賦存的天然氣也被壓縮在吸附劑的表面，未能解析出來，有較大的含氣量。因此，最理想的鉆井位置就是沒有斷裂和裂縫存在的地方，這些區(qū)域的含氣量比較高(吸附氣量也高)，在進(jìn)行壓裂后，能獲得很好的產(chǎn)能。

圖2 四川省漢源縣丁子溝大山志留系黑色頁巖露頭Fig.2 Black shale outcrops of Silurian in Dingzigou Mountain, Hanyuan County, Sichuan

圖3 云南省巧家縣金塘鄉(xiāng)下寒武統(tǒng)黑色碳質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖露頭Fig.3 Black carbonaceous shale and siliceous shale outcrops of Lower Cambrian in Jintang, Qiaojia County, Yunnan

中型裂縫、小型裂縫和微型裂縫多為非構(gòu)造裂縫，是由非構(gòu)造應(yīng)力作用形成的裂縫，主要是封閉在泥巖中的粘土礦物脫水收縮和烴類受熱增壓作用形成的，其中超壓裂縫是該類裂縫的主要類型。這類裂縫的規(guī)模一般較小，有研究稱，最小寬度可為3～10 nm[24]。泥頁巖的可塑性較強(qiáng)，需要較高的過剩壓力才能破裂，由于頁巖中有機(jī)質(zhì)的生烴作用，當(dāng)頁巖層中的異?？紫读黧w壓力達(dá)到上覆靜巖壓力的0.7～0.9倍時(shí)(相當(dāng)于靜水壓力的1.6～2倍)，頁巖中就可以產(chǎn)生張性微裂隙[24]。當(dāng)流體排出、壓力釋放后微裂隙閉合，不易觀察到微裂隙。微型裂隙一般比微孔隙要大，而且曲折度小、比較平直。該類裂縫只有在掃描電鏡下可見，是頁巖氣藏中以吸附態(tài)賦存的天然氣解析到游離態(tài)的主要通道。這類裂縫只發(fā)育在某一頁巖段內(nèi)部，在頁巖未達(dá)到排烴之前，裂縫的規(guī)模較小，不足以達(dá)到排烴的程度，天然氣就聚集在頁巖段內(nèi)部。由前述裂縫發(fā)育特征可知，碳質(zhì)泥巖段比硅質(zhì)泥巖段易發(fā)育裂縫，且碳質(zhì)頁巖段是主要的生氣層段，因此，在一套頁巖中，碳質(zhì)頁巖段比硅質(zhì)頁巖段有利于頁巖氣藏的發(fā)育。

2 孔隙特征

2.1 孔隙分類

本文主要采用物理測(cè)試和掃描電鏡觀察相結(jié)合的方法對(duì)黑色頁巖的孔隙類型進(jìn)行研究，物理測(cè)試可以直接得出孔隙的大小，而掃描電鏡不但解決了物理測(cè)試無法直接觀察孔隙的問題，同時(shí)也彌補(bǔ)了光學(xué)顯微鏡焦深小、分辨能力低的不足，可以直接觀察孔隙的類型、大小和結(jié)構(gòu)等。頁巖的孔隙按演化歷史可以分為原生孔隙和次生孔隙；按大小可以分為微型孔隙(孔徑<0.1 μm)、小型孔隙(孔徑<1 μm)、中型孔隙(孔徑<10 μm)和大型孔隙(孔徑>10 μm)。鑒于孔隙種類對(duì)頁巖儲(chǔ)集類型、含氣特征、聚氣特征和氣體產(chǎn)出等有重要影響，因此，本文按孔隙類型進(jìn)行劃分，分為有機(jī)質(zhì)(瀝青)孔和/或干酪根網(wǎng)絡(luò)、礦物質(zhì)孔(礦物比表面、晶內(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔和雜基孔隙等)以及有機(jī)質(zhì)和各種礦物之間的孔隙等3類(表1)，這些孔隙是主要的儲(chǔ)集空間，賦存了大量的天然氣，孔隙度大小直接控制著天然氣的含量。

2.1.1 有機(jī)質(zhì)(瀝青)孔和/或干酪根網(wǎng)絡(luò)

該類孔隙的孔徑一般為納米級(jí)，表現(xiàn)為吸收孔隙，是吸附態(tài)賦存的天然氣主要儲(chǔ)集空間。生油層中的有機(jī)質(zhì)并非呈分散狀，主要是沿微層理面分布，進(jìn)一步證實(shí)，生油巖中還存在三維的干酪根網(wǎng)絡(luò)。微層理面可以理解為層內(nèi)的沉積間斷面，其本身有相對(duì)較好的滲透性，再加上相對(duì)富集的有機(jī)質(zhì)可使其具有親油性，若再有干酪根的相連，那么在大量生氣階段，易形成相互連通的、不受毛細(xì)管阻力的親油網(wǎng)絡(luò)[24]，是頁巖中天然氣富集的重要孔隙類型之一。微孔直徑一般小于2 nm，中孔直徑在2～50 nm，大孔隙直徑一般大于50 nm；隨孔隙度的增加，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(微孔變成中孔，甚至大孔隙)，孔隙內(nèi)表面積也增大[25]。另外，這些分散有機(jī)質(zhì)的表面是一種活性非常強(qiáng)的吸附劑，也能極大提高頁巖的吸附能力，并且伴隨著成熟度的增加，有機(jī)質(zhì)熱生烴演化還會(huì)形成一些微孔隙。黑色頁巖中殘留的瀝青也屬于該類孔隙，天然氣主要以吸附態(tài)甚至溶解態(tài)賦存在瀝青中(圖4)。

2.1.2 礦物質(zhì)孔

主要包括礦物比表面、晶間(顆粒間)孔、晶內(nèi)(顆粒內(nèi))孔、溶蝕孔和雜基孔隙等。比表面主要是一些粘土礦物的表面，具有吸附天然氣的能力。晶間孔是指晶粒之間的微孔隙，主要發(fā)育于晶形比較好、晶體粗大的礦物集合體中，孔徑一般幾微米，個(gè)別可達(dá)十幾微米，甚至毫米級(jí)。常見的晶間孔較發(fā)育的礦物有伊利石、高嶺石、蒙脫石、方解石、石英等，晶孔的大小、形狀、數(shù)量取決于礦物晶粒是原生還是次生，取決于礦物的形成時(shí)間。如伊利石在掃描電鏡下呈彎曲的薄片狀、不規(guī)則板條狀、集合體呈蜂窩狀、絲縷狀等，可根據(jù)伊利石的結(jié)晶度判斷早古生代海相頁巖的成熟度，是頁巖高熱演化條件下的產(chǎn)物，含量相對(duì)較高，伊利石的晶間孔隙和顆粒表面是頁巖儲(chǔ)層的主要孔隙類型之一(圖5)。本次觀察到溶蝕孔主要是充填在裂縫/孔隙中方解石的溶蝕。

圖4 四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖有機(jī)質(zhì)孔Fig.4 Organic pores in black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

圖5 四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖礦物質(zhì)孔類型Fig.5 Mineral pore types in black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

2.1.3 有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)之間的孔隙

主要指有機(jī)質(zhì)和礦物之間的各種孔隙，該類孔隙只占頁巖孔隙的一小部分，但卻意義重大。該類孔隙連通了有機(jī)質(zhì)(瀝青)孔和/或干酪根網(wǎng)絡(luò)和礦物質(zhì)孔，把兩類孔隙連接起來，使得有機(jī)質(zhì)中生成的天然氣能夠運(yùn)移至礦物質(zhì)孔賦存，某種程度上有微裂縫的作用，對(duì)頁巖氣的聚集和產(chǎn)出至關(guān)重要。

2.2 孔隙和孔喉分布

通過對(duì)四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)和上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)41塊樣品的實(shí)驗(yàn)分析，孔隙度分布在0.8%～15.1%之間；孔隙度小于2%的占15.8%， 2%～7%的占52.6%， 7%～10%的占15.8%，大于10%的占15.8%(這部分?jǐn)?shù)據(jù)可能和樣品嚴(yán)重風(fēng)化有關(guān))(圖6a)。滲透率主要分布在(0.001 3～0.058)×10-3μm2之間；滲透率小于0.005×10-3μm2的占總樣品的43.8%，(0.005～0.01)×10-3μm2之間的占25%，(0.01～0.05)×10-3μm2之間的占18.8%，(0.05～0.1)×10-3μm2之間的占12.5 %，沒有大于0.1×10-3μm2的樣品(圖6b)?？紫抖群蜐B透率呈正相關(guān)關(guān)系，隨孔隙度的增大，滲透率也是增大的，且隨裂縫的發(fā)育滲透率快速增加，圖7中的2個(gè)異常點(diǎn)可理解為由于裂縫發(fā)育導(dǎo)致滲透率增加。由以上分析可知，頁巖的孔隙度主要分布在2%～7%之間，滲透率主要分布在小于0.01×10-3μm2的范圍。

圖6 四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖孔隙度、滲透率分布Fig.6 Porosity and permeability of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

圖7 四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖孔隙度和滲透率關(guān)系Fig.7 Relationship between porosity and permeability of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

根據(jù)對(duì)頁巖的壓汞曲線分析，可知研究區(qū)黑色頁巖壓汞曲線大多位于含汞飽和度(SHg)—毛管力(Pc)半對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)系的右上方，幾乎沒有平臺(tái)，說明孔喉分布偏細(xì)，分選中等(圖8)。

研究區(qū)黑色頁巖的孔喉半徑主要分布在0.00～0.10 μm之間，下寒武統(tǒng)和上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)樣品在此區(qū)間的頻率分別為89.8%和87.3%；其次分布在0.10～0.16 μm之間的，頻率分別為2.2%和3.2%；在0.16～0.25 μm之間的分布頻率分別為1.4%和2.1%；在0.25～0.40 μm之間的分布頻率分別為1.1%和1.3%；孔喉半徑大于0.40 μm的樣品很少，分布頻率分別為4.2%和4.6%(圖9)。

2.3 孔隙度大小的影響因素

影響孔隙度大小的因素很多，包括沉積環(huán)境、沉積相、演化歷史、成巖作用階段、有機(jī)碳含量、礦物組成和密度等。本文主要討論礦物組成和密度對(duì)孔隙度大小的影響。礦物組成主要包括石英含量、粘土礦物含量、碳酸鹽含量等，其中石英含量和孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系(圖10a)，粘土礦物含量和孔隙度關(guān)系不大，碳酸鹽含量和孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖10b)。由于頁巖在原始沉積的時(shí)候，孔隙度非常大，在后期的埋藏壓實(shí)、成巖等作用過程中，孔隙度不斷減小，而石英為剛性礦物，抗壓實(shí)能力比較強(qiáng)，因此，隨著石英含量的增加，抗壓實(shí)能力也增強(qiáng)，相應(yīng)的孔隙度也就較大。碳酸鹽礦物主要是頁巖沉積后演化過程中形成的，主要以方解石的形式充填在原生孔隙或裂縫中，因此，方解石(碳酸鹽礦物)的存在導(dǎo)致孔隙度降低。密度和孔隙度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨密度增大，孔隙度減小。

圖8 云南昆陽梅樹村下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖壓汞法毛管壓力曲線Fig.8 Capillary pressure curves using mercury injection method, black shale of Qiongzhusi Formation of Lower Cambrian, Meishu, Kunyang, Yunnan

圖9 四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖孔喉半徑分布Fig.9 Pore throat radius distribution frequency of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

圖10 四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖石英、碳酸鹽含量和孔隙度的關(guān)系Fig.10 Relationship between quartz, carbonate contents and porosity of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

3 結(jié)論

1)根據(jù)頁巖氣聚集特征和儲(chǔ)集特征將頁巖儲(chǔ)集類型分為裂縫和孔隙兩大類，前者根據(jù)裂縫對(duì)頁巖氣聚集的作用可以分為巨型裂縫、大型裂縫、中型裂縫、小型裂縫和微型裂縫等5類；后者根據(jù)孔隙類型將孔隙分為有機(jī)質(zhì)(瀝青)孔和/或干酪根網(wǎng)絡(luò)、礦物質(zhì)孔(礦物比表面、晶內(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔和雜基孔隙等)以及有機(jī)質(zhì)和各種礦物之間的孔隙，共計(jì)2大類9小類。

2)不同類型的頁巖裂縫發(fā)育差別較大，有機(jī)碳含量和礦物組成是控制裂縫發(fā)育的主要因素；不同的裂縫規(guī)模對(duì)頁巖氣聚集的作用不同。不同的孔隙類型，儲(chǔ)氣特征不同，有機(jī)質(zhì)(瀝青)孔和/或干酪根網(wǎng)絡(luò)主要是生氣的母源并且賦存一部分天然氣；礦物質(zhì)孔主要以儲(chǔ)氣為主；而有機(jī)質(zhì)和各種礦物質(zhì)孔之間的孔隙連通前兩者，某種程度上有微裂縫的作用，對(duì)頁巖氣的聚集和產(chǎn)出至關(guān)重要。

致謝：感謝龍鵬宇、張培先、林拓等同志在樣品采集和整理方面所做的工作。

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