頁(yè)巖不同類型孔隙的含氣性差異——以四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組為例

魏志紅 魏祥峰

中國(guó)石化勘探南方分公司

2012年底，中國(guó)石化在四川盆地涪陵焦石壩發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)具備商業(yè)性開發(fā)價(jià)值的大型整裝頁(yè)巖氣田［1－3］，極大地推動(dòng)了中國(guó)頁(yè)巖氣行業(yè)的發(fā)展。

傳統(tǒng)油氣地質(zhì)理論中，對(duì)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的早期研究主要側(cè)重于將其作為常規(guī)油氣的烴源層和蓋層對(duì)待，而沒有將其作為具有油氣開采價(jià)值的儲(chǔ)層。20世紀(jì)80年代以來(lái)，室內(nèi)試驗(yàn)分析技術(shù)的進(jìn)步，非常規(guī)地質(zhì)理論的創(chuàng)新，加深了地質(zhì)學(xué)者對(duì)頁(yè)巖沉積成巖過(guò)程、儲(chǔ)層精細(xì)刻畫、氣體賦存形式及原始含氣量變化的理解［4－9］，同時(shí)并利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，結(jié)合氬離子拋光等技術(shù)觀測(cè)到了豐富的納米級(jí)孔隙，認(rèn)為納米孔在頁(yè)巖氣的聚集、成藏中起重要作用。相關(guān)學(xué)者對(duì)儲(chǔ)集空間的類型及特征、孔隙結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了相對(duì)深入的研究［10－13］，但對(duì)不同孔隙類型含氣性的研究相對(duì)較少。因此，筆者以涪陵頁(yè)巖氣田上奧陶統(tǒng)五峰組—龍馬溪組為例，在研究泥頁(yè)巖孔隙類型及特征的基礎(chǔ)上，探討不同類型孔隙的含氣性差異，以期分析不同儲(chǔ)集空間對(duì)頁(yè)巖氣富集的作用，從而為國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣研究的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。

1 孔隙類型及其特征

1.1 孔隙類型

利用氬離子束拋光掃描電子顯微鏡技術(shù)對(duì)焦石壩五峰組—龍馬溪組泥頁(yè)巖的納米級(jí)孔隙進(jìn)行研究，共識(shí)別出有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物間孔、晶間孔、次生溶蝕孔等孔隙類型（詳見本期郭旭升等的文章），如圖1所示。

1.2 孔隙構(gòu)成

頁(yè)巖基質(zhì)孔隙按有機(jī)質(zhì)、礦物的類型又可劃分為脆性礦物微孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙以及黏土礦物間孔隙，這是海相泥頁(yè)巖儲(chǔ)集空間定量表征的重要依據(jù)。

王道富等（2013）提出了孔隙度計(jì)算的巖石物理模型計(jì)算［14］，用于定量刻畫每種類型孔隙對(duì)頁(yè)巖孔隙的貢獻(xiàn)大小。本次將借用該模型定量描述焦石壩五峰組—龍馬溪組泥頁(yè)巖中基質(zhì)孔隙的構(gòu)成，這里引述該模型的孔隙度計(jì)算公式：

φ＝ρABriVBri＋ρAclayVclay＋ρATocVToc

式中φ為頁(yè)巖孔隙度，%；ρ為頁(yè)巖巖石密度，t／m3；ABri、Aclay、AToc分別為脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量百分含量；VBri、Vclay、VToc分別為脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì)的單位質(zhì)量?jī)?nèi)微孔隙體積，m3／t，即3種物質(zhì)單位質(zhì)量對(duì)孔隙的貢獻(xiàn)。

應(yīng)用孔隙度數(shù)學(xué)模型求取了JY4井龍馬溪組頁(yè)巖脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙的孔容分別為0.003 8 m3／t、0.036 7m3／t和0.33m3／t。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)TOC和礦物成分含量對(duì)各類孔隙所占比例進(jìn)行了測(cè)算，結(jié)果表明（見本期郭旭升文章表2），有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物間孔對(duì)孔隙度的貢獻(xiàn)最大，兩者總共占了90%左右，脆性礦物孔僅占10%左右。并且自上到下隨TOC增大、黏土礦物含量減少，具有有機(jī)質(zhì)孔比例逐漸增大、黏土礦物間孔比例逐漸減少的趨勢(shì)。

圖1 焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖孔隙特征圖

2 不同孔隙類型含氣性特征

2.1 泥頁(yè)巖TRA特征

為了研究頁(yè)巖巖石密度、含氣孔隙度、含氣飽和度、有效連通總孔隙度和壓力衰減滲透率等參數(shù)的特點(diǎn)，針對(duì)焦石壩地區(qū)JY4井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖在斯倫貝謝公司進(jìn)行了5個(gè)頁(yè)巖蠟封樣品的TRA（Tight Rock Analysis）分析。

JY4井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖樣品TRA結(jié)果顯示（表1），頁(yè)巖TOC總體較高，介于1.82%～4.09%；黏土礦物含量較低，介于14.3%～28.4%；有效孔隙度較大，壓力衰減滲透率極低，孔隙度介于2.43%～6.55%，滲透率介于0.000 111～0.000 343mD；有效含氣飽和度高，介于71.55%～90.25%。以上現(xiàn)象總體顯示出焦石壩五峰組—龍馬溪組泥頁(yè)巖具有高TOC、高脆性礦物、高孔隙度、高含氣飽和度等“四高”的特征，總體為優(yōu)質(zhì)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層。

另外，研究發(fā)現(xiàn)各參數(shù)在縱向上表現(xiàn)出規(guī)律性地變化（圖2），從上到下具有以下特點(diǎn)：①TOC量逐漸增大、黏土礦物含量逐漸減少；②有效孔隙度逐漸增大；③有效含氣飽和度逐漸增大、含水飽和度逐漸減??；④黏土束縛水和結(jié)構(gòu)水含量逐漸減少。

表1 焦石壩地區(qū)JY4井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖TRA結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖2 JY4井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖TRA測(cè)試參數(shù)變化特征圖

2.2 孔隙含氣性探討

前面敘述的孔隙構(gòu)成結(jié)果表明，龍馬溪組頁(yè)巖以有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物間孔為主，并具有隨TOC增大、黏土礦物含量減少，有機(jī)質(zhì)孔比例逐漸增大、黏土礦物間孔比例逐漸減少的趨勢(shì)。而上述5個(gè)頁(yè)巖樣品自上而下同樣表現(xiàn)出TOC增大、黏土礦物含量減少的特點(diǎn)，因此，從上到下也具有有機(jī)質(zhì)孔比例逐漸增大、黏土礦物間孔比例逐漸減少的趨勢(shì)。

研究發(fā)現(xiàn)，有效含氣飽和度與TOC呈明顯的線性正相關(guān)，含水飽和度則與黏土礦物含量呈明顯的線性正相關(guān)（圖3），該現(xiàn)象反映了TOC越高，有機(jī)質(zhì)孔隙越發(fā)育，有效含氣飽和度越高，而黏土礦物含量越高，黏土礦物間孔越發(fā)育，有效含水飽和度越高，這說(shuō)明了有機(jī)質(zhì)孔隙具有更好的含氣性，是頁(yè)巖氣最重要的儲(chǔ)集空間。

圖3 JY4井五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖飽和度與TOC、黏土礦物含量關(guān)系圖

分析造成上述現(xiàn)象的原因有：一是有機(jī)質(zhì)孔隙具有明顯的親油性，該特點(diǎn)決定了有機(jī)質(zhì)孔往往相對(duì)于黏土礦物間孔等無(wú)機(jī)孔隙，能夠優(yōu)先促使甲烷在其內(nèi)吸附和儲(chǔ)存；另外，TOC與有效孔隙度呈明顯的正線性相關(guān)（圖4），反映了有機(jī)質(zhì)孔隙為泥頁(yè)巖提供了更多的儲(chǔ)集空間，有利于頁(yè)巖氣更大量的儲(chǔ)集。而黏土礦物則由于其親水性，造成黏土礦物含量與有效含水飽和度、黏土束縛水和結(jié)構(gòu)水總量呈較明顯的正線性關(guān)系（圖3－b、圖5）。因此相對(duì)于有機(jī)質(zhì)孔，總體不利于頁(yè)巖氣的吸附和儲(chǔ)集。

圖4 有效孔隙度與TOC相關(guān)關(guān)系圖

3 結(jié)論

1）五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖的納米級(jí)孔隙主要包含了有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物間孔以及脆性礦物孔（晶間孔、次生溶蝕孔等）等孔隙類型；納米級(jí)孔隙以有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物間孔為主，占總孔隙比例的90%左右。

2）高TOC與高孔隙度、高有效含氣飽和度成良好的耦合關(guān)系，表明有機(jī)質(zhì)孔隙利于頁(yè)巖氣的吸附和儲(chǔ)集，含氣性好，為頁(yè)巖氣最重要的儲(chǔ)集空間；黏土礦物間孔隙由于具有親水性，表現(xiàn)出黏土礦物含量與含水飽和度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，其含氣性較差。

［1］ 郭彤樓，劉若冰.復(fù)雜構(gòu)造區(qū)高演化程度海相頁(yè)巖氣勘探突破的啟示——以四川盆地東部盆緣JY1井為例［J］.天然氣地球科學(xué)，2013，24（4）：643－651.GUO Tonglou，LIU Ruobing.Implications from marine shale gas exploration breakthrough in complicated structural area at high thermal stage：Taking Longmaxi Formation in Well JY1as an example［J］.Natural Gas Geoscience，2013，24（4）：643－651.

［2］ GUO Tonglou.Evaluation of highly thermally mature shale－gas reservoirs in complex structural parts of the Sichuan Basin［J］.Journal of Earth Science，2013，24（6）：863－873.

［3］ 郭彤樓，張漢榮.四川盆地焦石壩頁(yè)巖氣田形成與富集高產(chǎn)模式［J］.石油勘探與開發(fā)，2014，41（1）：28－36.GUO Tonglou，ZHANG Hanrong.Formation and enrichment mode of Jiaoshiba shale gas field，Sichuan Basin［J］.Petroleum Exploration and Development，2014，41（1）：28－36.

［4］ 梁興，葉熙，張介輝，等.滇黔北坳陷威信凹陷頁(yè)巖氣成藏條件分析與有利區(qū)優(yōu)選［J］.石油勘探與開發(fā)，2011，38（6）：693－699.LIANG Xing，YE Xi，ZHANG Jiehui，et al.Reservoir forming conditions and favorable exploration zones of shale gas in the Weixin Sag，Dianqianbei Depression［J］.Petroleum Exploration and Development，2011，38（6）：693－699.

［5］ 張金川，聶海寬，徐波，等.四川盆地頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（2）：151－156.ZHANG Jinchuan，NIE Haikuan，XU Bo，et al.Geological condition of shale gas accumulation in Sichuan Basin［J］.Natural Gas Industry，2008，28（2）：151－156.

［6］ 程克明，王世謙，董大忠，等.上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁(yè)巖氣成藏條件［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（5）：40－44.CHENG Keming，WANG Shiqian，DONG Dazhong，et al.Accumulation conditions of shale gas reservoirs in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation，Upper Yangtze region［J］.Natural Gas Industry，2009，29（5）：40－44.

［7］ 蒲泊伶，蔣有錄，王毅，等.四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣成藏條件及有利地區(qū)分析［J］.石油學(xué)報(bào)，2010，31（2）：225－230.PU Boling，JIANG Youlu，WANG Yi，et al.Reservoirforming conditions and favorable exploration zones of shale gas in Lower Silurian Longmaxi Formation of Sichuan Basin［J］.Acta Petrolei Sinica，2010，31（2）：225－230.

［8］ 王飛宇，賀志勇，孟曉輝，等.頁(yè)巖氣賦存形式和初始原地氣量（OGIP）預(yù)測(cè)技術(shù)［J］.天然氣地球科學(xué)，2011，22（3）：501－510.WANG Feiyu，HE Zhiyong，MENG Xiaohui，et al.Occurrence of shale gas and prediction of original gas in－place（OGIP）［J］.Natural Gas Geoscience，2011，22（3）：501－510.

［9］ 李玉喜，喬德武，姜文利，等.頁(yè)巖氣含氣量和頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)綜述［J］.地質(zhì)通報(bào)，2011，30（2）：308－317.LI Yuxi，QIAO Dewu，JIANG Wenli，et al.Gas content of gas－bearing shale and its geological evaluation summary［J］.Geological Bulletin of China，2011，30（2）：308－317.

［10］ 魏祥峰，劉若冰，張廷山，等.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及發(fā)育控制因素——以川南—黔北XX地區(qū)龍馬溪組為例［J］.天然氣地球科學(xué)，2013，24（5）：1048－1059.WEI Xiangfeng，LIU Ruobing，ZHANG Tingshan，et al.Micro－pores structure characteristics and development control factors of shale gas reservoir：A case of Longmaxi Formation in XX area of Southern Sichuan and Northern Guizhou［J］.Natural Gas Geoscience，2013，24（5）：1048－1059.

［11］ 陳尚斌，朱炎銘，王紅巖，等.川南龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納米孔隙結(jié)構(gòu)特征及其成藏意義［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2012，37（3）：438－444.CHEN Shangbin，ZHU Yanming，WANG Hongyan，et al.Structure characteristics and accumulation significance of nanopores in Longmaxi shale gas reservoir in the southern Sichuan Basin［J］.Journal of China Coal Society，2012，37（3）：438－444.

［12］ 吉利明，邱軍利，夏燕青，等.常見黏土礦物電鏡掃描微孔隙特征與甲烷吸附性［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33（2）：249－256.JI Liming，QIU Junli，XIA Yanqing，et al.Micro－pore characteristics and methane adsorption properties of common clay minerals by electron microscope scanning［J］.Acta Petrolei Sinica，2012，33（2）：249－256.

［13］ 田華，張水昌，柳少波，等.壓汞法和氣體吸附法研究富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙特征［J］.石油學(xué)報(bào)，2012，33（5）：419－427.TIAN Hua，ZHANG Shuichang，LIU Shaobo，et al.Determination of organic－rich shale pore features by mercury injection and gas adsorption methods［J］.Acta Petrolei Sinica，2012，33（5）：419－427.

［14］ 王道富，王玉滿，董大忠，等.川南下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間定量表征［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（7）：1－10.WANG Daofu，WANG Yuman，DONG Dazhong，et al.Quantitative characterization of reservoir space in the Lower Cambrian［J］.Natural Gas Industry，2013，33（7）：1－10.