柴西地區(qū)古、新近系頁巖氣儲(chǔ)層微觀特征研究

尚長(zhǎng)健，歐光習(xí)，張敏，邱林飛，黎瓊，吳迪

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

柴西地區(qū)古、新近系頁巖氣儲(chǔ)層微觀特征研究

尚長(zhǎng)健1，歐光習(xí)，張敏，邱林飛，黎瓊，吳迪

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

通過X衍射、氬離子拋光-掃描電鏡、納米CT、氮?dú)馕椒ǖ确治鰷y(cè)試，研究了柴西地區(qū)古、新近系不同類型頁巖氣儲(chǔ)層微觀特征。研究表明，古、新近系頁巖發(fā)育多種儲(chǔ)集空間類型，主要為殘余的原生孔隙或微裂縫、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙、黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的孔隙、長(zhǎng)石和方解石等溶蝕形成的孔洞等，這些微孔隙以及裂縫的存在，為頁巖氣的賦存提供了空間。古、新近系泥頁巖微孔隙發(fā)育，且連通性較好，從泥質(zhì)粉砂巖→泥巖→灰質(zhì)泥巖孔隙連通性具有逐漸減小的趨勢(shì)。上、下干柴溝組泥頁巖中的泥質(zhì)粉砂巖夾層是優(yōu)質(zhì)的頁巖氣儲(chǔ)層，而灰質(zhì)泥巖是最不理想的頁巖氣儲(chǔ)層。研究成果可為下一步的頁巖氣勘探開發(fā)提供基礎(chǔ)支撐。

柴西地區(qū)；古、新近系；頁巖氣儲(chǔ)層；微觀特征

頁巖氣是以吸附和游離狀態(tài)存在于低孔隙度、特低滲透率的富有機(jī)質(zhì)的泥頁巖層系中的天然氣。頁巖氣以其資源豐富、長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)、分布范圍廣和可開發(fā)利用的特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來非常重要的替代能源［1-3］。

在傳統(tǒng)的油氣地質(zhì)研究中，泥頁巖均被認(rèn)為烴源巖或蓋層?，F(xiàn)代顯微鏡和掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，泥頁巖中也存在著孔隙、喉道、晶洞和裂縫組成的儲(chǔ)層系統(tǒng)，并且會(huì)連通形成網(wǎng)狀。這些網(wǎng)狀空間是頁巖氣主要的儲(chǔ)集場(chǎng)所。孔隙的性質(zhì)既可決定頁巖氣儲(chǔ)層的比表面積又可決定微孔隙的豐度，進(jìn)而影響頁巖氣吸附氣和游離氣含量［4］，孔隙結(jié)構(gòu)直接影響到儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力和頁巖氣開采［5-6］。頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)對(duì)頁巖氣成藏機(jī)理研究及資源量估算，乃至勘探開發(fā)均具有極其重要的意義。

柴達(dá)木盆地頁巖氣研究才剛剛起步，鮮見柴西地區(qū)古、新近系頁巖氣儲(chǔ)層微觀特征研究的報(bào)道。系統(tǒng)研究不同類型富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的儲(chǔ)層特征，對(duì)下一步柴西地區(qū)古、新近系頁巖氣勘探開發(fā)，具有重要的參考意義。

圖1 柴西區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1The regional geological schematic map of western Qaidam Basin

1 柴西地區(qū)地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地是由多條斷裂所包圍的不規(guī)則菱形盆地，盆內(nèi)中新生界厚度一般為6 000～7 000 m，最厚可達(dá)17 200 m［7］。該盆地內(nèi)頁巖氣的研究才剛剛起步，是我國(guó)油氣資源戰(zhàn)略接替的重要領(lǐng)域之一。前人研究顯示，柴達(dá)木盆地西部古、新近系，即樂河組（E1＋2）、下干柴溝組（E3）、上干柴溝組（N1），發(fā)育有分布廣泛、厚層的泥頁巖，具備頁巖氣成藏和富集的烴源條件。古、新近系埋深介于1 500～4 000 m之間，下干柴溝組最厚超過1 400 m，上干柴溝組厚度最厚可超過700 m。

古、新近系基本覆蓋了柴達(dá)木盆地全區(qū)，但主體分布區(qū)是柴西地區(qū)。古、新近系自下至上分為路樂河組（E1＋2）、下干柴溝組（E3）、上干柴溝組（N1）、下油砂山組（N21）、上油砂山組（N22）和獅子溝組（N23）6套地層。本次研究的目的層為路樂河組（E1＋2）、下干柴溝組（E3）、上干柴溝組（N1），選取22口典型鉆井，進(jìn)行系統(tǒng)采樣分析，以此為基礎(chǔ)研究頁巖氣儲(chǔ)層微觀特征（圖1）。

2 古、新近系巖石礦物組成

研究區(qū)泥頁巖以泥巖、（粉）砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖為主，少量含鈣泥巖和灰質(zhì)泥巖。泥頁巖礦物組成的變化影響著頁巖的力學(xué)特性、孔隙結(jié)構(gòu)和對(duì)天然氣的吸附能力。選取盆地西部古、新近系的40余件不同類型的泥頁巖樣品進(jìn)行X衍射全巖分析，并繪制礦物學(xué)三端元圖解。分析結(jié)果顯示，黏土礦物含量的分布范圍在17.5%～69.3%之間，大部分集中在30%～60%；石英和長(zhǎng)石等脆性礦物含量的分布范圍較寬在9.9%～64.6%之間，大部分集中在30%～50%；碳酸鹽礦物含量大部分較低，僅個(gè)別樣品含量超過50%（圖2）。

圖2 頁巖氣儲(chǔ)層巖石礦物組成Fig.2The mineral composition of gas reservoir shale

對(duì)古、新近系不同類型的泥頁巖樣品的黏土礦物進(jìn)行X衍射分析表明（圖3）:灰黑色、深灰色泥頁巖中的黏土礦物主要是伊利石和伊蒙混層，泥質(zhì)粉砂巖和部分泥巖中的高嶺石含量相對(duì)較高；灰質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖中的高嶺石含量相對(duì)較低，而伊利石卻有極大幅度的增加，說明不同類型的泥頁巖中不同黏土礦物的含量差別較大。

綜合分析認(rèn)為，古、新近系深灰色、黑色泥頁巖中高含量的石英、長(zhǎng)石等脆性礦物，在外力影響下易于形成微裂縫；方解石、白云石等碳酸鹽礦物含量較高的層段，易于溶蝕產(chǎn)生溶孔；頁巖氣儲(chǔ)層黏土礦物中伊利石含量與吸附氣含量具有一定正相關(guān)性。

圖3 頁巖氣儲(chǔ)層黏土礦物組成Fig.3The clay mineral composition of gas reservoir shale

3 頁巖氣儲(chǔ)層微觀特征分析

3.1 儲(chǔ)集空間類型

孔隙特征是衡量和評(píng)價(jià)儲(chǔ)層優(yōu)劣的重要指標(biāo)，一直受到廣泛的關(guān)注［8-10］。泥頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要是基質(zhì)孔隙和裂縫兩類。孔隙和微裂縫構(gòu)成了復(fù)雜的儲(chǔ)層系統(tǒng)，為泥頁巖中頁巖氣的賦存提供了空間。

研究區(qū)古、新近系泥頁巖中基質(zhì)孔隙的研究，采用了先進(jìn)的氬離子拋光技術(shù)。將氬離子拋光好的樣品置于掃描電鏡下，觀測(cè)泥頁巖基質(zhì)孔隙的大小和發(fā)育豐度。

3.1.1 殘余原生孔隙或微裂縫

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，下干柴溝組泥頁巖樣品中局部原生孔隙較發(fā)育，孔隙最大處可達(dá)數(shù)百納米，但基本呈孤立狀分布，連通性差，此類原生孔隙多存在于下干柴溝組砂新2井、油南1井、東3井泥頁巖樣品中。同時(shí)，在這些泥頁巖樣品內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了大量的微裂縫，裂縫寬度大多大于0.2 μm，且連通性極好（圖4a）。

3.1.2 有機(jī)質(zhì)生烴形成的孔隙

富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖大量發(fā)育孔隙，TOC為7%的泥頁巖在生烴過程中，消耗35%的有機(jī)碳可使泥頁巖孔隙度增加4.9%［11］。微孔的直徑一般為0.01～1 μm孔隙，是吸附態(tài)賦存的頁巖氣主要儲(chǔ)集空間。

在小柴旦剖面、魚卡剖面、干柴溝剖面、甘森剖面，古、新近系露頭風(fēng)化嚴(yán)重，地球化學(xué)分析有機(jī)質(zhì)含量仍較高（下干柴溝組TOC最大可達(dá)1.4%以上，上干柴溝組TOC最大可達(dá)0.45%以上）、烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度也較高。通過對(duì)鉆井泥頁巖樣品進(jìn)行掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)條帶狀、斑塊狀有機(jī)質(zhì)（碳質(zhì)瀝青）中的微孔極為發(fā)育，呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，微孔隙形態(tài)多呈圓形、橢圓形和不規(guī)則形，微孔大者可達(dá)5 μm左右，部分微孔中還可見白色球狀黃鐵礦充填物（圖4b）。在采集的樣品中，此類孔隙普遍發(fā)育。

3.1.3 次生溶蝕孔隙

前人研究認(rèn)為有兩種情況可以產(chǎn)生次生溶蝕孔隙:一是在熱力學(xué)上穩(wěn)定性較差的斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石礦物，在埋藏成巖過程中易分解和轉(zhuǎn)化而形成次生溶蝕孔隙；二是由于深色泥頁巖中富含有機(jī)質(zhì)，生烴演化過程中產(chǎn)生的酸性流體強(qiáng)烈溶蝕儲(chǔ)層中的方解石、白云石礦物形成溶蝕孔隙。黃石1井下干柴溝組和阿2井上干柴溝組灰黑色泥頁巖中，可以清晰地觀察到長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物被溶蝕的現(xiàn)象（圖4c）。掃描電鏡下觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，溶蝕孔徑大多為0.5～2 μm，溶孔邊緣多成不規(guī)則狀。溶蝕孔洞的連通性較好，且溶蝕孔洞中發(fā)育片狀、絲狀黏土礦物。

圖4 泥頁巖中的儲(chǔ)集空間類型Fig.4The types of reservoir space in shale

3.1.4 黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的微孔隙

頁巖中的黏土礦物在成巖過程中，存在高嶺石、蒙脫石減少，綠泥石、伊利石增加的趨勢(shì)，特別是120～140℃之后的深埋藏成巖階段。礦物轉(zhuǎn)化作用往往伴隨著礦物體積的改變，礦物體積收縮產(chǎn)生微孔隙，為儲(chǔ)層提供了空間。掃描電鏡照片顯示，黃石1井上干柴溝組泥頁巖伊蒙混層中發(fā)育孔洞，且部分連通性較好（圖4d）。

3.2 孔隙三維顯微結(jié)構(gòu)特征

在油氣儲(chǔ)層孔隙研究中薄片分析、氣體吸附分析、壓汞分析和掃描電鏡分析等分析方法經(jīng)常使用。但對(duì)于泥頁巖孔隙來說，薄片觀察儀器分辨率不夠；氣體吸附法對(duì)孤立孔隙效果不好，且測(cè)定比表面積小的巖石誤差大；壓汞法無法確定孔隙結(jié)構(gòu)中孔隙的數(shù)量分布；掃描電鏡克服了前3種測(cè)試方法的缺點(diǎn)，但僅可提供二維的孔隙信息，無法獲得結(jié)構(gòu)、空間分布等信息［12-13］。

筆者采用納米CT三維成像技術(shù)研究泥頁巖儲(chǔ)層三維顯微結(jié)構(gòu)。其原理是將X射線源聚焦到巖石樣品內(nèi)部特定的區(qū)域（20～60 μm），將整塊巖石樣品虛擬切成若干薄片，對(duì)每片巖石樣品進(jìn)行觀測(cè)拍照，將所有觀測(cè)圖像結(jié)合在一起，便可以形成巖石樣品的虛擬微觀三維結(jié)構(gòu)圖像，最高分辨率可達(dá)50 nm。

通過納米級(jí)精細(xì)三維圖像可以直觀地看到泥頁巖中孔隙的分布特征。測(cè)試結(jié)果顯示，堿石1井上干柴溝組孔隙連通性較好，孔隙含量較高，為頁巖氣富集提供了有利的條件（圖5）。并且多數(shù)高密度礦物脆性較好，有利于頁巖氣的開采開發(fā)。坪3H-6-2井下干柴溝組樣品顯示出與堿石1井上干柴溝組樣品同樣的特征。通過代表性樣品納米CT測(cè)試，可以肯定本區(qū)目的層孔隙發(fā)育豐度較高，且高密度礦物含量也比較高。

3.3 孔隙連通性

泥頁巖孔隙小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于此類巖石孔隙分布的測(cè)試，目前較多使用的是壓汞法和氮?dú)馕椒?。相?duì)于壓汞法，氮?dú)馕椒苡行У乜朔囗搸r的大比表面和小孔徑的困難，針對(duì)其微裂縫和層狀微孔隙特征，詳細(xì)測(cè)試出泥頁巖的微孔徑和中孔徑的分布情況［14］。因此，本研究采用氮?dú)馕椒y(cè)定古、新近系頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)選取了黃石1井、東坪1井、坪3H-6-2井和冷四1井具代表性的鉆井泥頁巖樣品，包括不同層位的泥巖、灰質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖等，能較好的代表柴達(dá)木盆地古、新近系不同類型泥頁巖儲(chǔ)層的特征（圖6）。

圖5 堿石1井上干柴溝組灰黑色泥頁巖復(fù)雜孔隙三維重構(gòu)圖像Fig.5The 3D reconstruction of complicated pore structure in Upper Gancaigou Formation，Jianshi 1Well

綜合黃石1井、東坪1井、坪3H-6-2井和冷四1井的頁巖氣儲(chǔ)層吸附曲線（圖6），可以看出在P/P0＝0～0.45（低壓段），曲線緩慢增長(zhǎng)，這是由于吸附單分子層向多分子層過渡；P/P0＝0.80～1.00（高壓段），曲線迅速增長(zhǎng)，但仍未達(dá)到飽和現(xiàn)象，這是由于樣品發(fā)育中孔及大孔；P/P0＝0.45～0.80（過渡段），此階段為多分子層吸附。這也說明研究區(qū)古、新近系泥頁巖中存在類型豐富的納米孔隙，為平行的狹縫狀的孔隙結(jié)構(gòu)，此外還有其他形態(tài)的孔隙。由于封閉性孔隙一般不會(huì)產(chǎn)生吸附回線，而研究的不同類型泥頁巖氣儲(chǔ)層均產(chǎn)生了明顯的吸附回線，說明泥頁巖儲(chǔ)層孔隙以連通的孔隙為主。孔隙的連通性與泥頁巖的吸附線上升速率相關(guān)，上升越快孔隙連通性越好，由此認(rèn)為，取自頁巖氣儲(chǔ)層不同層位的泥頁巖樣品從泥質(zhì)粉砂巖→泥巖→灰質(zhì)泥巖，孔隙連通性具有逐漸減小的趨勢(shì)。

圖6 柴達(dá)木盆地頁巖氣儲(chǔ)層吸附等溫線Fig.6The adsorption isotherm of shale gas reservoir in western Qaidam Basin

4 結(jié)論

以柴達(dá)木盆地西部古、新近系頁巖氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，采用X衍射、氬離子拋光、掃描電鏡、納米CT、氮?dú)馕降确治龇椒?，系統(tǒng)研究不同類型富有機(jī)質(zhì)頁巖的儲(chǔ)層微觀特征。主要取得以下認(rèn)識(shí):

1）古、新近系頁巖氣儲(chǔ)層殘余原生孔隙、有機(jī)質(zhì)生烴形成的孔隙、次生溶蝕孔隙、黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的微孔隙等基質(zhì)孔隙發(fā)育，三維顯微結(jié)構(gòu)顯示孔隙度較大，如堿石1井上干柴溝組樣品，孔隙度含量與高密度礦物相當(dāng)，顯示出優(yōu)越的儲(chǔ)集性能。

2）古、新近系頁巖氣儲(chǔ)層微孔隙發(fā)育，且連通性較好，這些微孔隙以及裂縫的存在，為頁巖氣的賦存提供了空間。

3）通過氮?dú)馕椒▽?duì)儲(chǔ)層孔隙測(cè)定，研究區(qū)古、新近系頁巖儲(chǔ)層孔隙以連通的孔隙為主，不同層位的樣品從泥質(zhì)粉砂巖→泥巖→灰質(zhì)泥巖，孔隙連通性具有逐漸減小的趨勢(shì)。研究表明，上、下干柴溝組泥頁巖中的泥質(zhì)粉砂巖夾層是優(yōu)質(zhì)的頁巖氣儲(chǔ)層，而灰質(zhì)泥巖是最不理想的頁巖氣儲(chǔ)層。

［1］張抗，譚云冬.世界頁巖氣資源潛力和開采現(xiàn)狀及中國(guó)頁巖氣發(fā)展前景［J］.當(dāng)代石油石化，2009，17（3）：9-12，18.

［2］張大偉.中國(guó)頁巖氣勘探開發(fā)與對(duì)外合作現(xiàn)狀［J］.國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2013，21（7）：47-52.

［3］Hao F，Zou Z H，Lu Y C.Mechanisms of shale gas storage：Implications for shale gas exploration in China［J］.AAPG Bulletin，2013，97（8）：1 325-1 346.

［4］蔣裕強(qiáng)，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評(píng)價(jià)［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（10）：7-12.

［5］孫海成，湯達(dá)禎，蔣廷學(xué).頁巖氣儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)影響產(chǎn)量的數(shù)值模擬研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（5）：63-67.

［6］聶海寬，張金川.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［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2011，33（3）：219-225，232.

［7］金之鈞，張明利，湯良杰，等.柴達(dá)木中新生代盆地演化及其控油氣作用［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2004，25（6）：603-608.

［8］蔣凌志，顧家裕，郭彬程.中國(guó)含油氣盆地碎屑巖低滲透儲(chǔ)層的特征及形成機(jī)理［J］.沉積學(xué)報(bào)，2004，22（1）：13-18.

［9］賀承祖，華明琪.低滲砂巖氣藏的孔隙結(jié)構(gòu)與物性特征［J］.新疆石油地質(zhì)，2005，26（3）：280-284.

［10］胡志明，把智波，熊偉，等.低滲透油藏微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，30（3）：51-53.

［11］Jarvie M D.Unconventional shale resource playsshale-oil opportunities［J］.Texas Christian University Worldwide Geochemistry，2008，92（4）：1-38.

［12］劉偉新，史志華，朱櫻，等.掃描電鏡/能譜分析在油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2001，23（3）：341-343.

［13］應(yīng)鳳祥，楊式升，張敏，等.激光掃描共聚焦顯微鏡研究?jī)?chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)［J］.沉積學(xué)報(bào)，2002，20（1）：75-79.

［14］謝曉永，唐洪明，王春華，等.氮?dú)馕椒ê蛪汗ㄔ跍y(cè)試泥頁巖孔徑分布中的對(duì)比［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（12）：100-102.

Study on microscopic features of Paleogene and Neogene System shale gas reservoir in western Qaidam Basin

SHANG Changjian，OU Guangxi，ZHANG Min，QIU Linfei，LI Qiong，WU Di

（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Study on microscopic features of shale gas reservoir in the shale gas reservoir of Paleogene and Neogene System in western Qaidam Basin was carried out using X-ray diffraction（XRD）analysis，argon ion polishing-scanning electron microscope（SEM）analysis，nanometer CT analysis，nitrogen adsorption analysis.The comprehensive evaluation showed that many types of reservoir space was developed in Paleogene and Neogene System shale，such as residual original pores and micro-cracks，microporosity due to hydrocarbon formation，clay mineral transformation and dissolution of feldspar and calcite.The microporosity was well developed in Paleogene and Neogene System shale with good connectivity，but the connectivity decreased gradually from argillaceous siltstone to shale to lime mudstone.Argillaceous siltstone interlayer in Upper and Lower Gancaigou Formation shale is the ideal high-quality reservoir while the lime mudstone is the poor quality reservoir.The study result can used as a reference for the future shale gas exploration.

western Qaidam Basin；Paleogene and Neogene System；shale gas reservoir；microscopic features

P618.130.2＋1；P534.61

A

1672-0636（2016）01-0026-07

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．01．005

2015-10-07；

2015-12-06

尚長(zhǎng)?。?985—），男，河南商丘人，工程師，主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)方面的研究工作。E-mail:changjian_shang@163.com