海陸過渡相頁巖氣儲層孔隙特征及主控因素分析——以鄂爾多斯盆地上古生界為例

趙可英，郭少斌

(中國地質(zhì)大學(北京)能源學院，北京 100083)

相對于常規(guī)油氣儲層，泥頁巖儲層評價工作更為復雜，前人對泥頁巖儲層評價參數(shù)做出了探索［1-4］。對于泥頁巖儲層而言，其重點的研究內(nèi)容包括孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)、發(fā)育特征及影響因素等。

泥頁巖中存在大量的微米級和納米級孔隙，是頁巖氣賦存和運移的主要空間，但二者性質(zhì)和作用差別很大，本文根據(jù)孔隙的特征對其主控因素進行分析。微裂縫在形態(tài)和尺度上與孔隙差別很大，是游離氣的重要儲滲空間。本文基于面孔率和孔徑的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運用掃描電鏡、氬離子拋光場發(fā)射電子掃描顯微成像與核磁共振測試技術，分別對鄂爾多斯上古生界泥頁巖的納米級、微米級孔隙和微裂縫3個層面進行定量表征，探討泥頁巖不同儲集空間發(fā)育的主控因素，有別于前人對孔隙度數(shù)值的影響因素探討。

1 泥頁巖儲集空間發(fā)育特征

掃描電鏡和氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡圖像顯示，鄂爾多斯盆地上古生界泥頁巖儲層發(fā)育微米級、納米級孔隙和微裂縫3種儲集空間類型(圖1)?？紫抖?氦氣法)分布于1.68% ～5.82%，平均值為3.42%，其中小于3%的樣品約占23.81%，孔隙度集中于3% ～4%，占61.9%左右，大于4%者占14.29%。

1.1 泥頁巖儲集空間特征

1.1.1 納米級孔隙

有機質(zhì)微孔隙是泥頁巖儲集空間的重要組成部分，主要是指有機質(zhì)團塊內(nèi)部或有機質(zhì)生烴后由于體積縮小而形成的孔隙［5］。北美頁巖氣研究表明，有機質(zhì)顆粒內(nèi)的納米級孔隙主要是由于生成的液體或氣體聚積成氣泡而成的，其富集和形成與有機質(zhì)的成熟生烴相關［6］。Jarvie等認為，泥頁巖中的孔隙以有機質(zhì)生烴形成的孔隙為主［7］，有機質(zhì)含量為7.0%的頁巖，有機質(zhì)在體積上占14%［8］。假設在熱裂解過程中損失35%的有機質(zhì)，能凈增4.9%的有效孔隙度［9］，只有在Ro達到0.6%或更高時才有可能發(fā)育有機質(zhì)孔隙。鄂爾多斯盆地上古生界有機質(zhì)成熟度在2.5%以上，有利于有機質(zhì)孔隙的生成。研究發(fā)現(xiàn)在泥頁巖的孔隙中，有機質(zhì)內(nèi)納米級微孔隙占據(jù)主導，其他孔隙類型數(shù)量很少。

研究有機質(zhì)微孔隙(＜1 μm)最好的方法是，在經(jīng)過氬離子拋光的巖樣表面上進行高分辨率的場發(fā)射電子掃描顯微成像(FESEM)［10］。通過FESEM(放大倍數(shù)5 000～30 000)圖像，對平均孔徑和面孔率進行識別并統(tǒng)計［11］。以Y94-2號樣品部分圖像為例，應用ImageJ2x軟件識別孔隙并進行二值化處理，對納米級孔隙面孔率進行統(tǒng)計(圖2，表1)。平均孔徑分布范圍17.13～67.65 nm，平均面孔率分布于5.75% ～9.37%(表2)。

1.1.2 微米級孔隙

通過掃描電鏡觀察可見，微米級孔隙通常包括碎屑礦物部分粒內(nèi)、粒間孔隙(圖1a，c)和部分黏土礦物晶間孔隙(圖1b)。從成因上看，殘余的原生孔隙主要是分散于片狀黏土中的粉砂質(zhì)顆粒間的孔隙，與常規(guī)儲層孔隙類似，隨著埋藏深度增加而迅速減少［2］。伊利石化產(chǎn)生的微孔隙是黏土礦物微孔隙的重要組成部分。隨著埋深增加，當孔隙水偏堿性、富鉀離子時，蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化，體積減小而產(chǎn)生微孔隙［2］。次生溶蝕孔隙主要是方解石、長石等碳酸鹽和硅鋁酸鹽礦物在頁巖有機質(zhì)生烴產(chǎn)生的有機酸溶蝕作用下形成的微孔隙［5］。

圖1 鄂爾多斯盆地上古生界泥頁巖儲層孔隙類型a.Y94-3 井，2 359.96 m，碎屑粒間孔隙，1 ～4 μm，×2 000(SEM);b.Y88-6 井，2 455.08 m，黏土礦物晶間孔隙，0.3 ～3.7 μm，×1 500(SEM);c.Y88-5井，2 496.7 m，微裂縫，0.5×23 μm，×1 500(SEM);d.Y88-5-2 井，2 496.7 m，粒間孔縫組合，微孔隙1.7～6.4 μm，縫長40～50 μm，×1 000(SEM);e.Y88-6-8井，2455.08 m，有機質(zhì)孔隙，最大孔徑890 nm，最小孔徑19.3 nm，×14 000(FESEM);f.Y88-5-9井，2 496.7 m，有機質(zhì)生烴微裂縫，長12.9 μm，寬85.7 nm，黃鐵礦晶體充填，×10 000(FESEM)Fig.1 Pore types of gas shale reservoir in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

通過掃描電鏡(放大倍數(shù)1 500～4 000)圖像識別微米級孔隙(1～1 000 μm)，并統(tǒng)計平均孔徑和面孔率。為了與納米級孔隙做比較，同樣以Y94-2號樣品部分圖像為例，應用ImageJ2x軟件識別孔隙，并進行二值化處理，對面孔率進行統(tǒng)計(圖3，表3)。微米級孔隙孔徑平均值分布范圍3.17～5.61 μm，平均面孔率分布范圍10.2% ～19.32%(表2)。

圖2 鄂爾多斯盆地Y94-2號樣品部分有機質(zhì)孔隙孔徑及面孔率統(tǒng)計Fig.2 Aperture and surface porosity of organic matter pore from sample Y94-2 in Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地Y94－2號樣品部分有機質(zhì)孔隙孔徑及面孔率統(tǒng)計Table 1 Aperture and surface porosity of organic matter pore from sample Y94－2 in Ordos Basin

1.1.3 微裂縫

微裂縫是頁巖氣儲層重要的儲集空間，同時也是甲烷分子的滲流通道，所以在含氣泥頁巖孔隙研究中具有重要應用價值［12］。微裂縫是連接宏觀裂縫和微觀孔隙的橋梁，在頁巖氣滲流中具有重要作用。有機質(zhì)顆粒、脆性礦物和黏土礦物都可以發(fā)育微裂縫，這些較大規(guī)模的微裂縫與其他孔隙相連，可以組成裂縫網(wǎng)絡—孔隙系統(tǒng)，為滯留在泥頁巖中的部分油氣提供了有效的儲存空間［5］。微裂縫通常包括充填縫、溶蝕縫黏土礦物層間縫、礦物顆粒邊緣縫及有機質(zhì)生烴微裂縫等［5］。核磁共振測試為泥頁巖儲層提供了裂縫/微裂縫百分數(shù)(表4)。

微裂縫的成因多種多樣，主要有以下幾個方面:(1)在成巖過程中，礦物相的變化會形成微裂隙，如黏土礦物的脫水作用［13］;(2)隨地層埋深加大而增加的壓實作用會導致顆粒壓裂形成破裂縫［14］;(3)碳酸鹽填隙物會易被溶蝕而形成溶蝕縫;(4)生烴過程中，隨著烴類生成量的增加，當達到突破壓力后，會形成大量的微裂隙［15］;(5)構(gòu)造應力可在大量片狀黏土礦物與碎屑顆粒間產(chǎn)生微裂縫;(6)碎屑顆粒內(nèi)部和顆粒之間在受到外力作用下也可形成微裂縫。

表2 鄂爾多斯盆地上古生界泥頁巖孔隙發(fā)育尺度特征Table 2 Pore development scale features of shale in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地Y94-2號樣品部分微米級孔隙孔徑及面孔率統(tǒng)計Fig.3 Aperture and surface porosity of micron-size pore from sample Y94-2 in Ordos Basin

表3 鄂爾多斯盆地Y94－2號樣品部分微米級孔隙孔徑及面孔率統(tǒng)計Table 3 Aperture and surface porosity of micron-size pore from sample Y94－2 in Ordos Basin

表4 鄂爾多斯盆地Y88井泥頁巖樣品核磁共振測試結(jié)果Table 4 NMR test results of shale samples from Well Y88 in Ordos Basin

2 儲集空間發(fā)育的主控因素分析

泥頁巖中的孔隙非常復雜，微觀下孔隙可以分為納米級和微米級，而泥頁巖孔隙的演化受機械壓實、黏土礦物含量和熱演化作用等控制，受到不同因素的影響［16］。對于頁巖氣儲層儲集空間發(fā)育的主控因素，本文分3個層面進行分析:納米級孔隙、微米級孔隙和裂縫/微裂縫。在探討儲集空間發(fā)育特征與主控因素的相關關系中，盡可能保持在其他因素基本相同的條件下進行，去掉部分數(shù)據(jù)點，以確保結(jié)論客觀準確，避免其他因素的干擾。

2.1 有機質(zhì)孔隙主控因素

本文研究只針對有機質(zhì)孔隙發(fā)育程度(面孔率和孔徑)，而沒有涉及孔隙的總量。有機質(zhì)孔隙發(fā)育主要受有機碳含量、有機質(zhì)類型、有機質(zhì)成熟度和黏土礦物組分的控制［17］。關于有機質(zhì)類型，Robert研究表明，Ⅱ型干酪根比Ⅲ型干酪根更易于發(fā)育有機質(zhì)微孔隙［18］。本文樣品干酪根檢測個別樣品為Ⅱ2型，以Ⅲ型干酪根為主，類型指數(shù)比較低，與有機質(zhì)納米級孔隙發(fā)育相關關系不明顯。

2.1.1 有機碳含量

有機碳含量TOC與有機質(zhì)孔隙平均孔徑和面孔率均呈現(xiàn)正相關關系(圖4a，b)。納米級孔隙主要是在有機質(zhì)演化過程中形成的，集中發(fā)育在有機質(zhì)富集的區(qū)域，因此有機碳含量是納米級孔隙發(fā)育的主控因素。

圖4 鄂爾多斯盆地上古生界泥頁巖有機質(zhì)孔隙與主控因素相關關系Fig.4 Correlation between organic matter pore and its controlling factors of shale in Upper Paleozoic of Ordos Basin

2.1.2 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度Ro與有機質(zhì)孔隙平均孔徑和面孔率均呈現(xiàn)正相關關系(圖4c，d)。有機質(zhì)顆粒內(nèi)納米級孔隙主要是由于生成的液體或氣體聚積成氣泡而成，其富集和形成與有機質(zhì)的成熟生烴相關［19］。在成巖過程中，有機質(zhì)碎屑隨著成熟度的增高，發(fā)生脫氫、生氣反應，從而引起微觀孔隙含量的升高。Jarvie研究發(fā)現(xiàn)如果頁巖有機質(zhì)質(zhì)量百分數(shù)為7%，則體積百分數(shù)為14%，若這些有機質(zhì)有35%發(fā)生轉(zhuǎn)化，則會使巖石增加4.9%的孔隙空間［6，8］。

2.1.3 伊蒙混層含量

伊蒙混層含量與有機質(zhì)孔隙平均孔徑和面孔率呈現(xiàn)正相關關系(圖4e，f)。有機質(zhì)生烴過程正好與蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程同步，蒙脫石在向伊利石轉(zhuǎn)化過程中，會析出大量的層間水。蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化是烴源巖催化活性劑的主要來源，形成的過渡態(tài)伊蒙混層礦物有很強的催化活性，為有機質(zhì)生烴反應提供了最好的條件［20］。伊蒙混層對甾烷和三萜烷的異構(gòu)化反應有很強的催化作用。在有伊蒙混層存在時，有利于重排甾烷的形成，對有機質(zhì)生烴極為有利［21］。

2.1.4 方解石含量

方解石含量與有機質(zhì)孔隙平均孔徑和面孔率均呈負相關關系(圖4g，h)。方解石有阻滯甾烷和三萜烷的各種異構(gòu)化作用，對有機質(zhì)生烴有抑制作用［21］。Baruch研究認為，沉積巖中熱成熟度地球化學指標的變化與伴生礦物有關，方解石對甾烷的異構(gòu)起抑制作用［22］。

2.2 微米級孔隙主控因素

2.2.1 石英含量

石英含量與微米級孔隙平均孔徑和面孔率均呈現(xiàn)正相關關系(圖5a，b)。由于石英屬于脆性礦物(多為頁巖沉積時的同沉積礦物)，石英能夠保證在壓實過程中孔隙得到保存，所以石英含量越高，能夠使巖石整體上孔隙度比較高［23］。

2.2.2 伊利石含量

伊利石含量與微米級孔隙面孔率呈現(xiàn)正相關關系(圖5c)。伊利石化是泥頁巖成巖過程中重要的成巖變化。當孔隙水富鉀離子、偏堿性時，隨著埋深增加，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，體積減小而產(chǎn)生大量微孔隙［2］。

圖5 鄂爾多斯盆地上古生界泥頁巖微米級孔隙與主控因素相關關系Fig.5 Correlation between micron-size pore and its controlling factors of shale in Upper Paleozoic of Ordos Basin

2.2.3 碳酸鹽含量

碳酸鹽含量與微米級孔隙平均孔徑呈現(xiàn)負相關關系(圖5d)，成巖礦物沉淀會對巖石的孔隙結(jié)構(gòu)造成嚴重影響，碳酸鹽具有很強的化學膠結(jié)作用，掃描電鏡下常見其充填原生孔隙。碳酸鹽會在成巖作用下形成溶蝕孔隙，所以其含量與面孔率關系不顯著。但總體上，碳酸鹽對微米級孔隙發(fā)育有抑制作用。

2.2.4 泥頁巖埋藏深度

微米級孔隙孔徑平均值和面孔率隨埋深增加會出現(xiàn)下降趨勢(圖5e，f)，隨著埋藏深度的加大，可塑性強的黏土礦物體積會迅速減小，微米級孔隙空間隨著壓實作用的增大而減少。在從剛被埋藏到埋藏深度達到幾千米這段時間，粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙會被壓實，孔隙的體積會大幅度減少。泥頁巖地層的孔隙度—深度關系曲線表明，在埋深達到2.5 km時，孔隙度會降至不足10%，即50% ～70%的孔隙度或83%～88%的孔隙體積因成巖和壓實作用而損失［24］。

2.3 微裂縫主控因素

2.3.1 石英含量

石英含量與裂縫/微裂縫百分數(shù)呈正相關關系(圖6a)。石英主要成分是二氧化硅，從巖石破裂機理來看，石英顆粒受到應力時邊緣易產(chǎn)生裂縫，有利于改善泥頁巖的孔滲條件。硅質(zhì)含量越高，泥頁巖脆性越大，越有利于形成裂縫［19］。

2.3.2 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度Ro與裂縫/微裂縫百分數(shù)呈正相關關系(圖6b)。在成熟度較低的有機質(zhì)生烴早期，黏土礦物是泥頁巖脆性的主要影響因素，微裂縫略有發(fā)育;隨著成熟度的增加，生排烴強度的增大使微裂縫更加發(fā)育。唐穎等［25］研究發(fā)現(xiàn)，當1.3% ＜Ro＜2.0%時，泥頁巖處于成巖階段B期，主要發(fā)育微裂縫和溶蝕孔;當2.0% ＜Ro＜4.0%時，泥頁巖處于晚成巖階段，孔隙發(fā)育以微裂縫為主;當Ro＞4.0%時，泥頁巖達到過成熟階段，裂縫最為發(fā)育。

2.3.3 總有機碳含量

總有機碳含量與裂縫/微裂縫百分數(shù)呈正相關關系(圖6c)。在相同的地球動力學背景和巖石力學性質(zhì)條件下，影響泥頁巖裂縫發(fā)育的重要因素是有機碳含量。有機碳含量越高，泥頁巖的脆性越大，抗張強度就越低，容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導裂縫，有利于頁巖氣的滲流及成藏。

2.3.4 碳酸鹽含量

碳酸鹽含量與裂縫/微裂縫百分數(shù)呈負相關關系(圖6d)。在成巖作用過程中，碳酸鹽礦物容易發(fā)生膠結(jié)作用和重結(jié)晶作用，充填裂縫/微裂縫。Barnett頁巖氣生產(chǎn)實踐證實，斷層附近的微裂縫密度很高，但基本上都被碳酸鹽所封堵［26］。同時，白云石含量高的頁巖破裂強度很大，具有較低的楊氏彈性模量和較高的泊松比，脆性較低，不容易形成微裂縫。

3 結(jié)論

(1)目前泥頁巖孔隙類型劃分標準不一，分析測試手段也有所不同。本文運用掃描電鏡、氬離子拋光與核磁共振測試等技術手段，對泥頁巖的有機質(zhì)納米級孔隙、微米級孔隙和裂縫/微裂縫進行3個層面的定量表征，并對泥頁巖儲層孔隙發(fā)育的主控因素進行了分析。

圖6 鄂爾多斯盆地上古生界泥頁巖微裂縫與主控因素相關關系Fig.6 Correlation between micro-fracture and its controlling factors of shale in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

(2)泥頁巖不同層面的孔隙主控因素有所不同，分析認為泥頁巖中有機碳含量、有機質(zhì)成熟度和伊蒙混層含量對有機質(zhì)納米級孔隙發(fā)育有促進作用，而方解石含量對有機質(zhì)納米級孔隙具有抑制作用;石英含量和伊利石含量對微米級孔隙發(fā)育有促進作用，碳酸鹽含量和埋藏深度對微米級孔隙發(fā)育具有抑制作用;石英含量、有機質(zhì)成熟度和總有機碳含量對微裂縫發(fā)育有促進作用，碳酸鹽含量對微裂縫發(fā)育則具有抑制作用。

(3)由于分析化驗數(shù)據(jù)所限，使部分主控因素研究受到影響，如有機質(zhì)類型;在分析特定因素的同時，考慮排除其他因素的影響，使數(shù)據(jù)點減少，文中相關系數(shù)可以作為參考，還有待于完善。

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(編輯 黃 娟)