川東南地區(qū)志留系龍馬溪組頁巖微觀孔隙結構特征

單中強，王 馨，王慶之

(中石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇 南京 210011)

0 引言

頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣，主體位于暗色泥頁巖或高炭泥頁巖中，以游離態(tài)儲存在頁巖孔隙和天然裂縫中，以吸附態(tài)存在于干酪根和黏土顆粒表面，或以溶解態(tài)存在于干酪根和瀝青質(zhì)中，具有典型的自生自儲、近原地成藏富集的特點。由于川東南地區(qū)頁巖氣的勘探仍處于初期階段，頁巖氣資源評價的難度較大(張金川等，2004;蔣裕強等，2010;劉樹根等，2011;陳文玲等，2013;Curtis，2002)。因此，進一步研究并揭示龍馬溪組頁巖的孔隙結構特征，對評價川東南地區(qū)頁巖儲氣性能、揭示頁巖氣富集規(guī)律具有理論和實踐意義。

1 地質(zhì)背景

川東南地區(qū)在大地構造上屬于揚子準地臺上揚子臺內(nèi)坳陷構造單元，具有地層抬升較高、構造擠壓強烈、高陡構造發(fā)育等特點，該地區(qū)下古生界為連續(xù)沉積。區(qū)內(nèi)下志留統(tǒng)龍馬溪組下部為富含筆石化石的黑色炭質(zhì)頁巖，有機質(zhì)類型多為I型，是良好的烴源巖，厚度可達150 m(左中航等，2012;王正和等，2013;周德華等，2013)。頁巖氣勘探開發(fā)潛力較大。

2 頁巖儲集空間類型及組合模式

2.1 頁巖儲集空間類型

巖石孔隙是儲存油氣的重要空間和確定游離氣含量的關鍵參數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，有平均50%左右的頁巖氣存儲在頁巖基質(zhì)孔隙中。頁巖儲集層為特低孔滲儲集層，以發(fā)育多類型微米甚至納米級孔隙為特征，孔隙大小一般小于 2 μm，具體可分為微孔(＜2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(＞50 nm)(Slatt et al，2011)，孔隙比表面積大，結構復雜，豐富的內(nèi)表面積可以通過吸附方式儲存大量氣體。

運用氬離子拋光掃描電鏡技術對X井龍馬溪組泥頁巖巖芯樣品進行觀察，確定該層段主要發(fā)育微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、晶間孔、晶內(nèi)孔、有機質(zhì)孔隙和生物化石內(nèi)孔隙等孔隙類型。其中，微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、晶間孔、晶內(nèi)孔等屬于無機孔隙;有機質(zhì)孔隙和生物化石內(nèi)孔隙等孔隙屬于有機孔隙。

2.1.1 微裂縫 微裂縫寬度及延伸長度分布范圍較大，天然微裂縫中常充填有石英、方解石等礦物或有機質(zhì)(瀝青)。這些微裂縫包括礦物結晶裂縫和構造作用形成的裂縫，在儲層的壓裂改造中優(yōu)先開啟，可以作為頁巖氣運移的通道。圖1a顯示的是充填灰黑色塊狀有機質(zhì)的裂縫。

2.1.2 微孔道 微孔道在泥巖基質(zhì)中大致平行于層理面，寬度 ＜0.3 μm，延伸長度 ＜0.5 cm，延伸范圍不貫穿整個視域范圍。這些特征表明泥頁巖中的微孔道并非因壓力釋放而人為形成。目前，對泥頁巖中微孔道的成因還不確定，推測其可能是生物擾動和微層面及微波紋的殘余空間，這些微孔道可以為頁巖氣的保存以及運移提供儲集空間和運移通道(圖1b)。

圖1 龍馬溪組泥頁巖中儲集空間類型Fig.1 Types of reservoir space in the Longmaxi Formation mud shale

2.1.3 絮狀物孔隙 絮狀物孔隙在泥頁巖中廣泛存在，若相互連通并為頁巖氣運移提供通道，主要是存在于礦物顆粒之間的未被充填的空隙，該類型孔隙的主要成因是黏土礦物形成類似卡片支撐的絮狀物孔隙，這些絮狀物孔隙之間可能相互連通(圖1c)。絮狀物孔隙主要存在于黏土礦物之間，黏土礦物在泥頁巖儲層中含量相對較高，該類型孔隙在泥頁巖中廣泛存在，具有較好的連通性，為頁巖氣的富集提供了重要的儲集空間。

2.1.4 晶間孔 晶間孔包括結晶顆粒內(nèi)孔隙、溶蝕孔隙和泥粉晶粒內(nèi)孔隙，是一種存在于礦物顆?；虻V物集合體之間的孔隙空間。泥頁巖中最常見的晶間孔是霉球狀黃鐵礦顆粒內(nèi)孔隙。圖1d為霉球狀黃鐵礦顆粒間孔隙。泥頁巖儲層中該類型孔隙數(shù)量不多，對孔隙度的貢獻有限。

2.1.5 晶內(nèi)孔 晶內(nèi)孔因結晶礦物顆粒內(nèi)部的晶格缺陷而形成的一種存在于礦物顆?；虻V物集合體內(nèi)的孔隙空間。該類型的孔隙對孔隙度的貢獻有限，而且其連通性也相對較差。圖1e為泥粉晶粒內(nèi)孔隙。該泥粉晶為二次搬運沉積物。泥頁巖儲層中該類型孔隙數(shù)量不多，對孔隙度的貢獻有限。

2.1.6 有機質(zhì)孔隙 有機質(zhì)孔隙主要是頁巖有機質(zhì)顆粒中的納米級孔隙，以有機質(zhì)生烴作用形成的孔隙為主。有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為7%的頁巖在生烴演化過程中，消耗35%的有機碳可使頁巖孔隙度增加4.9%，有機微孔的直徑一般為 0.01～1.00 μm(Javie et al，2007)。圖1f為有機質(zhì)粒內(nèi)孔，可以看到有機質(zhì)孔隙相對比較發(fā)育，粒徑一般在納米級。因為有機質(zhì)孔隙分布于有機質(zhì)顆粒內(nèi)部，因此有機質(zhì)孔隙的大小直接受控于泥頁巖有機碳含量和熱演化程度。泥頁巖中有機碳質(zhì)量分數(shù)一般在10%以下，有機質(zhì)顆粒呈間斷性分布，單個有機質(zhì)顆粒中的有機質(zhì)孔隙連通性可能比較好，但整體上有機質(zhì)孔隙連通性不好。

2.1.7 生物化石孔隙 生物化石內(nèi)孔隙主要為生物遺體化石中未被礦物充填的孔隙，這一部分孔隙可以為頁巖氣的儲集提供空間。志留系龍馬溪組泥頁巖屬于海相沉積，筆石化石較發(fā)育，主要發(fā)育有直筆石、鋸筆石、尖筆石和耙筆石，但整體上看生物化石的數(shù)量相對有限，使得該類型孔隙對泥頁巖整體的孔隙度的貢獻也有限。圖1g、h分別為X井龍馬溪組泥頁巖巖石薄片觀察到的筆石生物化石、硅藻體腔孔(葉玥豪等，2012)。這些生物化石內(nèi)孔隙在泥頁巖中呈分散狀態(tài)單個分布，連通性較差，對孔隙度的貢獻有限。

2.2 頁巖微觀孔隙組合模式

在對X井龍馬溪組泥頁巖樣品進行常規(guī)掃描電鏡和氬離子拋光掃描電鏡分析的基礎上，觀察并總結上述各類泥頁巖微觀孔隙的特點，并結合前人研究成果(Loucks et al，2009)，建立泥頁巖微觀孔隙組合模式(圖2)。在泥頁巖微觀孔隙組合模式中：(1)微裂縫垂直于水平面分布;(2)微孔道平行于水平面分布;(3)絮狀物孔隙在泥頁巖中大量分布;(4)粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔隙和生物化石孔隙在泥頁巖中分散分布;(5)泥頁巖儲層中微裂縫、微孔道和絮狀物孔隙等微觀孔隙相互連通性較好，構成了泥頁巖中的主要滲流運移通道，與部分粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔隙和生物化石孔隙相連通。

圖2 泥頁巖儲層中微觀孔隙分布組合模式Fig.2 Distribution and combination model of micropores in the mud shale reservoir

3 氮氣吸附實驗

泥巖的孔喉細小，儲層致密，作為重要的油氣儲集空間和初次運移通道，其孔隙的大小、類型等不僅會影響烴源巖的排烴效率，也會影響頁巖氣的賦存狀態(tài)和含氣量大小。為了較好地定量分析泥頁巖的孔隙，本次研究對X井選取了1個樣品進行了氮氣吸附－脫附實驗。吸附曲線起始部分呈上升并向上凸起的趨勢(圖3)，整體上看屬于Ⅱ類吸附曲線，吸附曲線末端未達到吸附飽和表明頁巖中發(fā)育有大孔徑孔隙。樣品的吸附曲線在飽和蒸汽壓附近很陡，脫附曲線在中等壓力處很陡，與IUPAC推薦的H3型曲線接近(劉輝等，2005)，兼有H4型曲線特征(介于H3—H4型)，所呈現(xiàn)的曲線是多個標準曲線的疊加，是樣品孔隙形態(tài)的綜合反映，表明龍馬溪組頁巖氣儲層的孔隙主要由納米孔組成，且結構具有一定的無規(guī)則(無定形)孔特征，顆粒內(nèi)部孔結構具有平行壁的狹縫狀孔特征，且含有多形態(tài)的其他孔。脫附曲線與吸附曲線在相對壓力P/P0=0.9～0.5范圍內(nèi)分離，從吸附曲線的形態(tài)可以看出頁巖中發(fā)育細頸瓶狀孔隙，孔徑分布曲線顯示了頁巖中小孔所占的空間比例比較大。

圖3 龍馬溪組頁巖吸附－脫附曲線及孔徑分布特征Fig.3 Adsorption-desorption curves and pore size distributions of the Longmaxi Formaiton shale

4 結論

(1)龍馬溪組頁巖儲層段主要發(fā)育有裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔隙和生物化石內(nèi)孔隙等孔隙類型，其中以有機質(zhì)孔隙為主。

(2)在泥頁巖微觀孔隙組合模式中，微裂縫垂直于水平面分布，微孔道平行于水平面分布，絮狀物孔隙在泥頁巖中大量分布，粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔隙和生物化石孔隙在泥頁巖中分散分布，泥頁巖儲層中微裂縫、微孔道和絮狀物孔隙等微觀孔隙相互連通性較好，構成了泥頁巖中的主要滲流運移通道，與部分粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔隙和生物化石孔隙相連通。

(3)X井的吸附曲線起始部分呈上升并向上凸起的趨勢，整體上看屬于Ⅱ類吸附曲線，表明龍馬溪組頁巖氣儲層的孔隙主要由納米孔組成，且結構具有一定的無規(guī)則(無定形)孔特征，顆粒內(nèi)部孔結構具有平行壁的狹縫狀孔特征，且含有多形態(tài)的其他孔。

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