鄂爾多斯盆地南部延長組泥頁巖孔隙特征及其控制因素

李成成，周世新，李靖，楊亞南，付德亮，馬瑜，李源遽

1.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

鄂爾多斯盆地南部延長組泥頁巖孔隙特征及其控制因素

李成成1,2，周世新1，李靖1，楊亞南1,2，付德亮1,2，馬瑜1,2，李源遽1,2

1.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730000 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

泥頁巖孔隙特征是頁巖氣藏儲集能力及可開采性評價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。以鄂爾多斯盆地南部銅川地區(qū)瑤科一井延長組泥頁巖樣品為研究對象，通過掃描電鏡、低溫氮?dú)馕降葘?shí)驗(yàn)手段，對延長組各段泥頁巖孔隙特征及影響孔隙發(fā)育的控制因素進(jìn)行了研究。研究表明：鄂爾多斯盆地南部延長組泥頁巖孔隙類型主要有粒間孔、粒內(nèi)孔、黃鐵礦晶間孔、溶蝕孔、微裂縫，其中黏土礦物粒間孔最發(fā)育，有機(jī)孔基本不發(fā)育。延長組不同段的納米孔隙發(fā)育特征有明顯的差異性，長9段微孔含量相對較高，BET比表面積較大，長8段中孔比例較高，孔隙形態(tài)都以管狀孔和平行壁的狹縫狀孔為主；長7段有最大的宏孔比例和最小的微孔比例，比表面積最小，孔隙含有相對較多的封閉型孔，還有一端或兩端開口的楔V型孔；長6段孔隙比例、比表面積大小介于其他各段之間，以平行板狀的狹縫型孔隙為主。黏土礦物含量、石英含量是控制孔隙發(fā)育的主要因素，而孔隙總體積、比表面積與TOC含量基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這主要是由于孔隙中的殘留烴對孔隙的堵塞作用，抽提后可以發(fā)現(xiàn)樣品孔隙總體積、比表面積都有所增加。

延長組泥頁巖；孔隙特征；低溫氮?dú)馕?；殘留烴

0 引言

隨著非常規(guī)油氣勘探和開發(fā)的深入進(jìn)行，泥頁巖的孔隙發(fā)育特征成為了非常規(guī)油氣研究的重要內(nèi)容。國內(nèi)外學(xué)者采用氬離子拋光結(jié)合掃描電鏡對樣品的微觀孔隙進(jìn)行研究[1-6]，發(fā)現(xiàn)了頁巖中微納米級無機(jī)孔、有機(jī)孔及微裂縫的存在，在微觀尺度下直觀地描述了泥頁巖的儲層孔隙形態(tài)及分布特征。同時(shí)，利用高壓壓汞法、低溫氮?dú)馕?、低溫二氧化碳吸附、等溫吸附?shí)驗(yàn)等對泥頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)及孔徑分布特征進(jìn)行研究[7-11]。

伴隨著干酪根的成熟生烴，會生成大量的微納米孔隙，而生成的油氣就以吸附、游離等形式儲存于這些微納米孔隙中，因此孔隙的發(fā)育對于儲層的潛在生排烴能力具有重要的影響。北美頁巖和我國四川盆地志留系龍馬溪組頁巖的納米孔隙發(fā)育狀況與有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、頁巖的礦物組成等有關(guān)[4,12-14]。研究表明，泥頁巖的孔隙度、孔隙體積、孔徑分布、不同孔徑大小的孔隙分布比例都隨成熟度改變而演化，但有機(jī)孔隨成熟度的演化并沒有呈現(xiàn)單一增加或減少的趨勢[11-12]。北美頁巖主力產(chǎn)氣區(qū)Ro值為1.1%～3.5%，處于有利成氣熱成熟階段。頁巖微孔體積在早成熟階段達(dá)到最大值，而中孔體積由于壓實(shí)作用而減少。隨著頁巖成熟度增加，由于油氣和固體瀝青的充填，孔隙度和孔隙體積降低。成熟度繼續(xù)增加，由于油氣二次裂解，孔隙度和孔隙體積都有所增加，中孔和大孔體積比例增加[12,15]。龍馬溪組頁巖是四川盆地發(fā)育較好的海相頁巖，成熟度Ro值為1.5%～3%，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物粒間孔為主，微孔發(fā)育，孔隙形態(tài)主要為開放型圓筒狀孔或狹縫狀孔[4,13-15]。中國發(fā)育大量的陸相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，以鄂爾多斯盆地三疊系延長組泥頁巖為代表。前人對鄂爾多斯盆地甘泉地區(qū)柳坪171井延長組頁巖樣品研究表明：Ro值在1.20%～1.42%，有機(jī)碳含量是控制納米級孔隙體積及其比表面積的主要內(nèi)因[6]。在有機(jī)質(zhì)演化成熟度Ro值小于1.2%時(shí)，頁巖有機(jī)質(zhì)中的納米孔隙基本不發(fā)育，并且形成的可溶有機(jī)質(zhì)會堵塞孔隙，從而降低孔隙度[16]。與四川盆地龍馬溪組頁巖納米孔隙特征對比，鄂爾多斯盆地延長組頁巖有機(jī)質(zhì)Ro值一般介于0.5%～1.2%，微孔相對不發(fā)育，中孔和大孔相對較發(fā)育，主要孔隙類型為原生黏土礦物粒間孔和次生溶蝕孔，孔隙形態(tài)主要為錐狀孔或楔狀V型孔[17-18]。此外，頁巖中殘留烴也會影響孔隙的發(fā)育狀況[16,19-21]。對鄂爾多斯盆地延長組的研究表明，當(dāng)Ro<1.2%時(shí)，有機(jī)質(zhì)孔隙不能大量形成，液態(tài)烴卻大量產(chǎn)生，占據(jù)了頁巖中的微納米孔隙。

目前，對陸相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的研究越來越多，特別是對鄂爾多斯盆地陸相頁巖油氣的研究也逐漸增多[3,6,10-11,17-18,22-24]。不過前人對延長組的研究只局限于長7或長9段，研究認(rèn)為，長7、長9段頁巖孔隙以中孔為主，占總孔隙比例達(dá)50%以上，較少發(fā)育有機(jī)孔，這與頁巖熱演化程度較低有關(guān)。長6、長8段也有好的泥頁巖分布，其TOC>2%，但前人對延長組整個(gè)層段卻沒有對比研究，而這對于研究鄂爾多斯盆地延長組的孔隙演化特征具有重要意義。本文以鄂爾多斯盆地南部延長組為研究對象，采用掃描電鏡、低溫氮?dú)馕降确椒▽ρ娱L組各段頁巖儲層孔隙特征進(jìn)行研究對比，并分析影響孔隙發(fā)育的因素，研究目標(biāo)是：1)探討延長組長6—長9各段孔隙特征；2)分析影響孔隙特征的主要控制因素；3)研究抽提前后儲層孔隙特征的變化，探討可溶有機(jī)質(zhì)對孔隙特征的影響。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部(圖1)，是一個(gè)經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動疊合形成的大型內(nèi)陸坳陷沉積盆地[25]，構(gòu)造呈西傾單斜，盆地在晚古生代—中三疊世時(shí)期處于海陸過渡相沉積環(huán)境到陸相沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變過程，發(fā)育了石炭系—二疊系本溪組、山西組濱海沼澤相頁巖沉積以及三疊系延長組長7、長9段深湖—半深湖相頁巖沉積。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北隆起的銅川地區(qū)，從二疊紀(jì)開始就坳陷成為一個(gè)內(nèi)陸淺湖，并接受沉積。至三疊紀(jì)坳陷繼續(xù)加劇，并在長7期湖盆發(fā)育至頂峰[26]，盆地構(gòu)造沉降速率大于沉積物供應(yīng)速率，湖泊面積擴(kuò)大，水深增大，為缺乏沉積物供應(yīng)的饑餓型盆地。油頁巖形成時(shí)期，氣候溫暖潮濕，降雨量豐富，主要在坳陷較深的內(nèi)陸淺湖相沉積環(huán)境中形成。主要生油層為長4+5段—長9段，暗色泥巖總厚300～500 m[27]，發(fā)育深湖—半深湖亞相沉積，暗色泥頁巖發(fā)育，在盆地范圍內(nèi)分布穩(wěn)定，是陸相頁巖油氣重點(diǎn)研究的區(qū)帶。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

瑤科1井是鄂爾多斯盆地南部陜西省銅川市境內(nèi)的科研鉆探井，鉆井深度為500 m，本井自上而下鉆遇地層屬于上三疊統(tǒng)(T3)延長組長4+5、長6、長7、長8、長9和長10，其中長6—長9段地層完全揭示。長6、長8前人很少研究，本次鉆探發(fā)現(xiàn)厚層泥頁巖分布，且有機(jī)碳含量>2%，為好的烴源巖。長6鉆厚125.38 m，其中長61鉆厚35.34 m，底部為細(xì)砂巖，向上逐漸過渡為泥巖；長62鉆厚59.81 m，為細(xì)砂巖和泥巖互層；長63鉆厚30.23 m，底部細(xì)砂巖向上逐漸過渡為泥巖。長7鉆厚108.58 m，早期的鄂爾多斯盆地研究中長7被認(rèn)為是重要的烴源巖層，但沒有進(jìn)行詳細(xì)的劃分對比，本次研究中我們將長7進(jìn)行了新的三分劃分：長71鉆厚45.36 m，以灰白色、灰褐色細(xì)砂巖、黑色泥巖、灰白色凝灰?guī)r為主，細(xì)砂巖被原油侵入；長72鉆厚21.8 m，以黑色泥巖和細(xì)砂巖為主；長73鉆厚41.42 m，以灰褐色凝灰?guī)r和黑色油頁巖為主。長8鉆厚47.33 m，以灰白色中、細(xì)砂巖、灰白色泥質(zhì)砂巖、灰黑色泥巖、深灰色砂質(zhì)泥巖為主。長9泥頁巖在該區(qū)前人認(rèn)為沒有烴源巖(油頁巖)分布，但經(jīng)過本次鉆探研究，我們發(fā)現(xiàn)該區(qū)存在好的長9泥頁巖。長9鉆厚126.48 m，以黑色泥巖、油頁巖、灰白色中、細(xì)砂巖為主，其中長91鉆厚79.39 m，頂部發(fā)育厚度為16 m的李家畔頁巖，底部發(fā)育13 m黑色油頁巖；長92鉆厚47.09 m，為兩套砂泥巖旋回。

2 樣品與測試

本文研究所采用的泥頁巖樣品均來自于瑤科1井，圖2為瑤科1井綜合柱狀圖，從巖芯中選取32塊樣品，其中長61段2塊、長62段5塊、長63段2塊、長71段4塊、長72段3塊、長73段8塊、長8段2塊、長91段4塊、長92段2塊，并對樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量測試(全井141塊樣品)、全巖礦物XRD分析、巖石熱解分析、低溫氮?dú)馕綔y試、掃描電鏡觀察等。

掃描電鏡選用德國ZEISS公司生產(chǎn)的超高分辨率場發(fā)射掃描電鏡MERLIN Compact，是基于納米結(jié)構(gòu)分析的電子束成像儀器。儀器最高分辨率0.8 nm，有助于對孔隙分布及孔徑的觀察。掃描電鏡觀察之前先采用氬離子拋光2 h，使樣品表面新鮮光滑，以提高成像質(zhì)量。

低溫氮?dú)馕讲捎玫氖敲绹鳰icromeritics公司生產(chǎn)的ASAP2020型全自動快速比表面積及孔徑分析儀，樣品粉碎至20目左右，在110℃條件下自動脫氣8 h，然后在110℃條件下真空脫氣2 h，以除去樣品中殘留的氣體，然后通入高純氮?dú)?，?191.2℃條件下進(jìn)行等溫吸附—脫附實(shí)驗(yàn)，孔徑測量范圍主要為1.7～280 nm，比表面積最低可測至0.000 5 m2/g，孔體積最小檢測至0.000 1 cm3/g，最后得到樣品的吸附、脫附等溫線。樣品的比表面積選用多點(diǎn)BET模型線性回歸得到，孔隙體積及孔徑分布選用DFT模型計(jì)算得到。

圖2 YK1井綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column for Well YK-1

3 結(jié)果與討論

3.1 泥頁巖儲層與礦物學(xué)特征

延長組泥頁巖有機(jī)碳含量1.95%～16.13%，平均6.46%，其中長7泥頁巖有機(jī)碳含量最高，長73因油頁巖層較厚，有機(jī)碳含量達(dá)到16.13%。泥頁巖礦物成分主要為黏土礦物、石英、長石，長6、長7黃鐵礦含量較高(表1)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示延長組石英含量19.03%～44.07%，平均33.15%，其中長63石英含量最高，達(dá)到44.07%；黏土礦物含量23.81%～42.29%，平均34.08%，其中長8黏土礦物含量最高，達(dá)到42.49%，黏土礦物中以伊利石為主，平均為14.17%；長石含量為5.62%～13.29%，平均9.57%；黃鐵礦含量平均為4.19%，以長6和長7為主，長73達(dá)到14.74%。

3.2 孔隙體積特征

按照國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)的孔隙分類方案[28]，將孔隙按尺寸大小分為微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)、宏孔(>50 nm)。低溫氮?dú)馕椒ㄖ饕獪y量的是泥頁巖中孔和部分微孔、宏孔的孔徑分布。

瑤科1井長9段泥頁巖總孔體積5.55×10-3～1.46×10-2cm3/g，平均1.02×10-2cm3/g，其中微孔占8%，中孔占65%，宏孔占27%。長8段泥頁巖總孔體積9.75×10-3～1.62×10-2cm3/g，平均1.30×10-2cm3/g，其中微孔占6%，中孔占68%，宏孔占26%。長7段泥頁巖總孔體積2.94×10-3～1.54×10-2cm3/g，平均7.44×10-3cm3/g，其中微孔占4%，中孔占57%，宏孔占39%。長6段泥頁巖總孔體積5.22×10-3～1.52×10-2cm3/g，平均9.17×10-3cm3/g，其中微孔占5%，中孔占62%，宏孔占33%(圖3a)。具體上，長6—長9中各小段泥頁巖孔隙體積特征具有一定差別(表2)?？梢娧娱L組泥頁巖孔隙主要以中孔為主，宏孔次之，微孔比例較小，前人的一些研究也得出了相似的結(jié)論[6,11]。長9段泥頁巖相對于其他各段微孔比例最高，達(dá)到8%，最高可達(dá)23%，其中長92段微孔比例達(dá)到14%；長8段泥頁巖相對于其他各段中孔占的體積較大，達(dá)到68%，最高可達(dá)79%；長7段泥頁巖相對于其他各段宏孔比例最高，達(dá)到39%，最高可達(dá)51%，長71、長73微孔比例更低，低至2%左右，而宏孔比例可高至44%。

同時(shí)，對延長組各段樣品的孔徑分布進(jìn)行分析，樣品基本數(shù)據(jù)見表3。結(jié)果表明長9、長8段泥頁巖微孔主要分布于1～1.5 nm，中孔分布較為分散，長9微孔相對較發(fā)育。長7段泥頁巖整體處于宏孔范圍內(nèi)的孔徑更多，微孔也有少許分布，主要分布于1.2～1.8 nm。長6段泥頁巖孔徑分布較為分散，微孔主要分布于1～1.4 nm，中孔、宏孔分布范圍較寬，3～170 nm均有分布(圖4)。

表1 泥頁巖TOC及礦物組成

圖3 抽提前后泥頁巖微孔、中孔、宏孔比例Fig.3 The proportion of micropores，mesopores and macropores of shales before and after extraction

層段微孔比例/%中孔比例/%宏孔比例/%DFT孔體積(10-3cm3．g-1)BET比表面積/(m2．g-1)S1/(mg/g)S2/(mg/g)長615．7061．7932．5110．946．891．3526．37長621．2159．5639．236．932．462．1343．83長6315．0266．6118．3712．9713．490．437．36長711．8657．9740．179．832．833．8456．14長729．6264．7625．6313．2610．270．365．15長732．7252．9444．344．061．015．7087．19長86．3167．4626．2312．997．170．227．71長914．3169．0226．6710．845．120．517．37長9213．8457．0829．088．957．911．7222．04

表3 泥頁巖樣品綜合數(shù)據(jù)

長9段泥頁巖比表面積1.92～13.91 m2/g，平均6.05 m2/g；長8段泥頁巖比表面積3.16～9.46 m2/g，平均6.31 m2/g；長7段泥頁巖比表面積0.70～15.43 m2/g，平均3.35 m2/g；長6段泥頁巖比表面積1.53～22.26 m2/g，平均5.90 m2/g。具體上，長6—長9中各個(gè)小段泥頁巖比表面積還存在一定差別(表2)。長9、長8段泥頁巖比表面積較大，這與其最大比例的微孔和最小比例的宏孔相對應(yīng)；長7段泥頁巖具有最小的比表面積，特別是長71、長73比表面積低至1 m2/g，這與其具有最小比例的微孔、最大比例的宏孔相對應(yīng)?？梢娢⒖讓Ρ缺砻娣e的貢獻(xiàn)有著最為重要的作用。圖5描述了泥頁巖比表面積隨孔徑的變化，可以看出長9段、長8段泥頁巖比表面積主要是由1～1.6 nm的微孔和2～25 nm的中孔提供，進(jìn)一步說明長9段、長8段中孔比例比較高，微孔比例也相對更高。長7段泥頁巖1.2～2 nm的微孔提供了部分比表面積，但比表面積主要是由大于5 nm的孔隙提供，證明其微孔含量較低，中孔比例較高。長6段泥頁巖的比表面積主要由孔徑小于5 nm的孔隙所提供。

3.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

選取每段具有代表性的樣品，對其孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對比研究，圖6為長6至長9中6個(gè)樣品的吸附和脫附等溫線。同時(shí)，通過掃描電鏡觀察(圖7)，發(fā)現(xiàn)延長組各段主要發(fā)育粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔、微裂縫，有機(jī)孔基本不發(fā)育。

根據(jù)IUPAC的分類[29]，雖然各樣品吸附曲線形態(tài)略有差別，但整體都成反S型，呈Ⅱ型吸附等溫線。當(dāng)相對壓力大于0.4時(shí)，吸附曲線與脫附曲線并不重合，形成吸附回線，也即滯后回線。吸附回線的產(chǎn)生是由于泥頁巖中微孔具體形狀不同，同一個(gè)孔發(fā)生凝聚與蒸發(fā)時(shí)的相對壓力不同，吸附—脫附曲線分開成兩支[30]。具體分析，在P/P0<0.01的部分有一定量的吸附，說明樣品中存在一定量的微孔；當(dāng)相對壓力接近于飽和蒸氣壓時(shí)，吸附曲線上升速度很快，也并未出現(xiàn)飽和吸附，表明樣品中含有一定量的大孔。前人根據(jù)吸附回線的形態(tài)及其對應(yīng)的孔隙結(jié)構(gòu)特征，提出了不同的分類方法[31-35]。不同的吸附回線可以反映不同的孔隙結(jié)構(gòu)和類型，實(shí)際吸附回線往往是幾種標(biāo)準(zhǔn)吸附回線的綜合。

整體而言，樣品吸脫附曲線分支基本平行，接近飽和蒸汽壓時(shí)，吸附曲線變得很陡，與H3型吸附回線較為接近，也兼有H2、H4型吸附回線的特征。

具體來說，長9、長8段泥頁巖吸脫附曲線較為相似，吸附量較大，表明總孔隙體積較大；在相對壓力較低時(shí)，也有較大量的吸附，表明微孔含量較高；且脫附曲線在P/P0為0.4～0.6之間時(shí)，有個(gè)急劇下降的拐點(diǎn)，說明頁巖中不管較小的孔還是較大的孔都以兩端開放的形式存在，孔隙類型主要以管狀孔和平行壁的狹縫狀孔為主，也可能有細(xì)頸瓶狀或墨水瓶狀孔。鏡下觀察表明，長9、長8泥頁巖有機(jī)孔基本不發(fā)育(圖7e)。黏土礦物含量分別為35%、42%，發(fā)育大量的黏土礦物粒間孔，呈拉長線型(圖7d～f)，且與有機(jī)質(zhì)接觸部位發(fā)育較多。黏土礦物層間粒內(nèi)孔也較為發(fā)育(圖7e，f)，如書頁狀綠泥石層間粒內(nèi)孔(圖7e)，也有少量的石英粒內(nèi)孔發(fā)育(7d)。在有機(jī)質(zhì)與其他礦物顆粒接觸處，可見微裂縫發(fā)育(圖7f)。

圖4 泥頁巖孔徑分布Fig.4 Pore size distribution of shales

圖5 泥頁巖孔隙比表面積分布Fig.5 The distribution of pore specific surface area of shales

長7的3個(gè)樣品相對于其他各段，吸附回線較小，尤其是長71、長73段泥頁巖樣品吸脫附曲線接近重合，長72段樣品吸附回線稍微寬大些，當(dāng)P/P0<0.4時(shí)，吸脫附分支基本完全重合，脫附曲線較為平緩，接近于H4型吸附回線，表明微孔的存在。而孔體積是由P/P0≈1時(shí)的吸附量統(tǒng)計(jì)的[36]，接近飽和蒸氣壓時(shí)，長7段的三個(gè)樣品的吸附量最小，而吸附分支則急劇增加，可知其總孔體積最小，而中孔、宏孔比例較大，其中長72泥頁巖吸附量相對較大，長73樣品相對較小，對應(yīng)于長72泥頁巖相對較大的孔隙體積和長73泥頁巖相對較小的孔隙體積，這與前述的孔隙體積特征相一致。封閉性孔(包括一端封閉的圓筒形孔、平行板孔和圓錐形孔)不能產(chǎn)生吸附回線(墨水瓶孔雖一端封閉，卻能產(chǎn)生吸附回線)，表明長7段泥頁巖孔隙含有相對較多的封閉型孔，且主要為微孔，還有一端或兩端開口的楔V型孔。長7段泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量較高，但有機(jī)孔基本不發(fā)育(圖7c)。黃鐵礦含量高達(dá)26%，發(fā)育大量的莓狀黃鐵礦粒間孔(圖7b)，粒間孔里充填有大量的有機(jī)質(zhì)，顆粒上可見溶蝕孔發(fā)育(圖7b)。

長6段樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征介于長7與長8、長9之間，泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)無規(guī)則，整體接近H3型吸附回線，以平行板狀的狹縫型孔隙為主。長6段泥頁巖石英含量很高，特別是長63段石英含量可達(dá)44%，除了黏土礦物粒間孔，石英粒間孔也發(fā)育較多(圖7a)。此外，莓狀黃鐵礦粒間孔、石英微裂縫(圖7a)也有發(fā)育，有機(jī)孔基本不發(fā)育。

綜合來看，黏土礦物粒間孔是兩端開口的管狀孔和平行板狀的狹縫型孔隙的主要來源；莓狀黃鐵礦粒間孔可貢獻(xiàn)一端或兩端開口的楔V型孔；微裂縫主要為平行壁狹縫型孔、楔型孔。

圖6 泥頁巖吸附等溫線Fig.6 Adsorption isotherms of shales

通過對延長組各段的孔隙體積特征、結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究對比，結(jié)果列于表4，表明延長組各段因TOC、礦物組成等儲層特征的不同，造成其孔隙大小分布、孔隙體積、比表面積、孔隙類型、孔隙形態(tài)都不盡相同。長9、長8有較高的黏土礦物含量，較低的TOC值，中孔比例最高，微孔比例相對較高，孔隙類型以黏土礦物粒間孔為主，提供了較多的管狀孔和平行壁狹縫型孔；長7段有最高的TOC值，黏土礦物和石英含量都較低，黃鐵礦含量高，宏孔比例相對較高，微孔比例最低，發(fā)育較多的莓狀黃鐵礦粒間孔，提供了較多的楔V形孔；長6段石英和黏土礦物含量都很高，黏土礦物粒間孔與石英粒間孔都發(fā)育較好，提供了較多的平行板狀狹縫型孔隙、管狀孔。

4 延長組泥頁巖孔隙特征控制因素

孔隙的發(fā)育是受多種因素共同控制的，包括TOC、黏土礦物含量、脆性礦物含量、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)成熟度等[4,9,37]，此外，可溶有機(jī)質(zhì)會堵塞泥頁巖儲層中的部分孔隙，也會對儲層孔隙特征產(chǎn)生影響[16,19-21]。

4.1 有機(jī)碳含量

泥頁巖有機(jī)碳含量多少是有機(jī)質(zhì)生烴能力大小的重要衡量參數(shù)，同時(shí)，有機(jī)質(zhì)在生烴過程中會產(chǎn)生大量的微納米孔。Jarvieetal.[38]研究認(rèn)為TOC含量為6.41%的泥頁巖，當(dāng)達(dá)到生干氣窗時(shí)，會產(chǎn)生4.3%左右的孔隙體積；同時(shí)，Jarvieetal.[39]還通過實(shí)驗(yàn)分析得出有機(jī)質(zhì)含量為7.0%的泥頁巖在生烴過程中，當(dāng)有機(jī)碳消耗35%時(shí)，頁巖孔隙可增加約4.9%。為此，統(tǒng)計(jì)了樣品抽提前總孔體積、比表面積與TOC含量的關(guān)系，來分析該地區(qū)延長組泥頁巖有機(jī)碳含量對孔隙的控制作用。由圖8a，b可以發(fā)現(xiàn)樣品抽提前總孔體積、比表面積與TOC含量基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明研究區(qū)延長組泥頁巖有機(jī)碳含量對儲層孔隙的發(fā)育影響較小。

圖7 泥頁巖掃描電鏡圖a.長6，粒間孔、石英微裂縫；b.長7，黃鐵礦粒間孔、溶蝕孔；c.長7，有機(jī)孔不發(fā)育；d.長8，黏土礦物粒間孔、石英粒內(nèi)孔；e.長9，粒間孔、黏土礦物粒內(nèi)孔、溶蝕孔；f.長9，粒間孔、黏土礦物粒內(nèi)孔、微裂縫、有機(jī)孔Fig.7 The SEM images of shales

層段TOC/%黏土礦物含量/%石英含量/%微孔比例/%中孔比例/%宏孔比例/%DFT總孔體積/(10-3cm3/g)BET比表面積/(m2/g)孔隙類型孔隙形態(tài)長64．8835．1636．835．2861．6233．109．175．90黏土礦物粒間孔、石英粒間孔較多、莓狀黃鐵礦粒間孔次之平行板狀狹縫型孔隙、管狀孔長78．9829．3829．403．8756．6539．497．443．35莓狀黃鐵礦粒間孔、晶間孔較多、黏土礦物粒內(nèi)孔次之一端或兩端開口楔V形孔長82．0542．4934．706．3167．4626．2312．997．17黏土礦物粒間孔為主，石英粒內(nèi)孔次之管狀孔、平行壁狹縫型孔長97．2435．3232．487．4865．0427．4810．216．05黏土礦物粒間孔為主，黏土礦物粒內(nèi)孔次之管狀孔、平行壁狹縫型孔

對此結(jié)果目前主要有兩種解釋：1)延長組泥頁巖成熟度不高。通過對其Tmax分析可知，延長組各段平均Tmax為434℃～446℃，對應(yīng)成熟度為0.5%～0.9%，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)生烴作用較弱，有機(jī)孔發(fā)育較少，這從前述的延長組各段泥頁巖微孔含量較低可以得到證明，劉國恒等[20]通過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)成熟度相對較低的樣品，Ro值為0.84%～1.1%，有機(jī)質(zhì)表面幾乎沒有見有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育。此外，Curitsetal.[40]對比了北美9大頁巖特征，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度與TOC值關(guān)系不明顯，也有很多學(xué)者研究結(jié)果證實(shí)大多數(shù)成熟樣品中比表面積隨TOC值的升高而升高，而低成熟度樣品中比表面積與TOC值關(guān)系不明顯[40-41]。2)殘留烴的影響。有機(jī)質(zhì)演化生烴會生成可溶有機(jī)質(zhì)，這些烴如果沒有排除出去，會以殘留烴的形式堵塞泥頁巖孔隙，造成孔隙體積降低。

圖8 抽提前后泥頁巖總孔體積、比表面積與TOC、黏土礦物含量、石英含量的關(guān)系Fig.8 Relationships between pore volume, specific surface area and TOC, clay mineral and quartz content of shale before and after extraction

4.2 礦物成分

黏土礦物是泥頁巖的主要組成礦物，它具有特殊的層狀晶體結(jié)構(gòu)，在晶層之間、礦物顆粒內(nèi)部、礦物顆粒之間會形成不同類型的孔隙，Rossetal.[42]認(rèn)為頁巖氣儲層中黏土礦物具有較大的比表面積和較高的微孔隙體積，吸附性能較強(qiáng)。為此，對研究區(qū)延長組泥頁巖的黏土礦物含量與孔隙總體積、比表面積的相關(guān)性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)都呈一定的正相關(guān)性(圖2、圖8c，d)，表明黏土礦物對研究區(qū)泥頁巖的孔隙發(fā)育具有積極影響，這與Mastalerzetal.[12]的研究一致。

脆性礦物如石英、長石等在有機(jī)質(zhì)演化生烴過程中會遭受溶蝕作用，能在一定程度上改善泥頁巖儲層的孔隙特征。研究區(qū)儲層石英含量很高，因此分析石英等脆性礦物對儲層孔隙發(fā)育的影響具有一定意義。圖2、圖8e，f表明石英含量與孔隙總體積、比表面積也呈較好的正相關(guān)關(guān)系，表明石英等脆性礦物的含量一定程度上也影響了泥頁巖的孔隙特征。

4.3 可溶有機(jī)質(zhì)

研究認(rèn)為隨著富有機(jī)質(zhì)頁巖熱成熟并進(jìn)入生油窗，產(chǎn)生的瀝青和油將填充到孔隙空間，阻塞孔隙連通性，降低孔隙度[16,21]。潘磊等[19]研究了四川盆地西北緣大隆組頁巖，研究認(rèn)為抽提后頁巖的比表面積和孔容均變大，且頁巖樣品中殘余可溶有機(jī)質(zhì)主要分布于微孔及較小的介孔中，并與成熟度相關(guān)。劉國恒等[20]對延長組的研究表明，延長組頁巖儲層中含有大量的液態(tài)烴，這些液態(tài)烴占據(jù)了直徑為4 nm左右的細(xì)縫狀孔隙，降低了泥頁巖儲層的比表面積。

由此可見，可溶有機(jī)質(zhì)確實(shí)對儲層孔隙有一定影響。為此，對所有32塊樣品進(jìn)行索氏抽提處理，以除去其中的殘留烴，然后對比抽提前后延長組各段的孔隙總體積、比表面積、孔隙分布比例、吸附曲線，以及分析抽提前后TOC、黏土礦物含量、石英含量等分別與孔隙體積、比表面積的關(guān)系，來探討可溶有機(jī)質(zhì)對孔隙的控制作用。由圖2、圖9可以看出抽提過后，所有樣品的孔隙總體積、比表面積、氮?dú)馕搅慷加兴黾?，表明確實(shí)有部分可溶有機(jī)質(zhì)堵塞了泥頁巖孔隙，導(dǎo)致所測得的孔隙總體積減少，進(jìn)而導(dǎo)致比表面積降低、吸附量減少。同時(shí)，通過對比抽提前后微孔、中孔、宏孔的分配比例(圖3)，發(fā)現(xiàn)抽提后延長組各段泥頁巖微孔比例都有所增加，中孔比例都有所降低，這可能是因?yàn)橹锌字杏?瀝青的去除，使開放的孔隙進(jìn)入大孔范圍，導(dǎo)致抽提后中孔體積的減少，大孔體積增加[16]。

另外，通過巖石熱解分析得出了游離烴(S1)和熱解烴(S2)的含量，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)了其與孔隙總體積的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖10)，說明游離烴堵塞了部分孔隙。由表2可以看出長73、長71泥頁巖之所以具有最小的孔隙體積，是因?yàn)樗鼈兊腟1、S2含量最高，正因?yàn)槿绱?，才堵塞了孔隙體積，造成了孔隙度的降低。

而通過分析抽提前后孔隙總體積、比表面積與TOC、黏土礦物含量、石英含量等的關(guān)系發(fā)現(xiàn)(圖8)，它們的總體關(guān)系還是基本不變的，表明黏土礦物與石英含量對研究區(qū)延長組泥頁巖的孔隙起著主要的控制作用，而抽提后TOC之所以會與孔隙總體積、比表面積呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是因?yàn)樽鳛椴豢扇艿囊徊糠钟袡C(jī)質(zhì)堵塞了孔隙，而用索氏抽提法卻無法將其提取出來。為此，用H2O2溶液對樣品進(jìn)行處理，即除去樣品中的有機(jī)質(zhì)，來探討不可溶有機(jī)質(zhì)的控制作用，這部分實(shí)驗(yàn)成果見于課題組的另一篇文章[43]。研究表明減少的TOC含量(即H2O2處理掉的有機(jī)質(zhì)含量)與孔隙總體積成正比，這就證明了不可溶有機(jī)質(zhì)確實(shí)堵塞了孔隙。

圖9 抽提前后泥頁巖吸附等溫線Fig.9 Adsorption isotherms of shales before and after extraction

圖10 泥頁巖孔隙總體積與S1、S2的關(guān)系Fig.10 Relationships between pore volume and S1，S2 of shale

此外，可溶有機(jī)質(zhì)對于頁巖油氣的形成與賦存具有重要影響?？扇苡袡C(jī)質(zhì)的存在一方面降低了甲烷吸附于干酪根表面的吸附氣含量，另一方面隨著地層壓力的增加，一部分甲烷分子可以以溶解態(tài)存在于可溶有機(jī)質(zhì)中，這將影響泥頁巖儲層中吸附氣含量的計(jì)算，進(jìn)而影響頁巖氣開發(fā)政策的制定。對于頁巖油來說，當(dāng)Ro值介于0.6%～1.0%之間時(shí)，儲層中滯留的可溶有機(jī)質(zhì)與富集有機(jī)質(zhì)聚集體呈游離—吸附共軛狀態(tài)，流動性較差，開采前景也較差；當(dāng)Ro值增大到1.3%過程中，這些殘留烴更多轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油和天然氣，流動性變好，更易于開采。

成熟度也是影響泥頁巖孔隙發(fā)育的重要因素，伴隨著干酪根的成熟演化，會生成大量的有機(jī)質(zhì)孔隙，同時(shí)，生成的游離烴也會堵塞孔隙，對孔隙發(fā)育產(chǎn)生影響。四川盆地龍馬溪組海相頁巖以及美國海相頁巖成熟度適中，有機(jī)質(zhì)微孔發(fā)育較好；四川盆地筇竹寺組頁巖成熟度過高，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度降低；而研究區(qū)延長組泥頁巖的成熟度較低(Ro:0.5%～0.9%)，有機(jī)質(zhì)孔隙也發(fā)育不好。鑒于樣品成熟度范圍較小，不再具體討論成熟度對泥頁巖孔隙發(fā)育的影響。

以上內(nèi)容分析了延長組各段泥頁巖的孔隙特征及影響孔隙發(fā)育的控制因素，在烴源巖方面我們還是可以得出一些新的認(rèn)識。早期的鄂爾多斯盆地研究認(rèn)為長7是重要的烴源巖層，經(jīng)過本次鉆探研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)也存在好的長6、長9泥頁巖，這為該區(qū)頁巖油氣研究提供了新的思路。從前文可以發(fā)現(xiàn)長6、長7、長9都富含泥頁巖，泥巖厚度都大于45 m，特別是長72、長91有厚層油頁巖分布，TOC含量都大于4%，黏土礦物含量都小于40%，脆性礦物含量都大于40%，這些因素都顯示長6、長7、長9有好的陸相頁巖油氣產(chǎn)出潛力。

5 結(jié)論

(1) 鄂爾多斯盆地南部延長組泥頁巖孔隙以中孔為主，宏孔次之，微孔比例最低。從縱向?qū)Ρ鹊慕嵌葋砜矗L9段泥頁巖微孔比例相對較高，且微孔主要分布于1～1.5 nm；長8段泥頁巖中孔比例最高；長7段泥頁巖宏孔比例最高，微孔比例最低；長6段泥頁巖孔隙中微孔、中孔、宏孔均占一定比例，中孔比例略高。

(2) 長9、長8泥頁巖比表面積較大，主要是由1～1.6 nm的微孔和2～25 nm的中孔提供；長7段具有最小的比表面積，主要是由大于5 nm的孔隙提供；長6段泥頁巖比表面積介于其他各段之間，主要由孔徑小于5 nm的孔隙所提供。

(3) 掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)泥頁巖有機(jī)孔基本不發(fā)育，主要以黏土礦物粒間孔為主，且有機(jī)質(zhì)與無機(jī)礦物接觸部位發(fā)育較多。長9、長8泥頁巖孔隙形態(tài)以管狀孔和平行壁的狹縫狀孔為主；長7泥頁巖孔隙含有相對較多的封閉型孔，以及一端或兩端開口的楔V型孔；長6泥頁巖孔隙以平行板狀的狹縫型孔隙為主。

(4) 黏土礦物、石英含量對孔隙的發(fā)育有著重要的控制作用，而孔隙總體積、BET比表面積與TOC含量基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這主要是由于孔隙中的殘留烴和不可溶有機(jī)質(zhì)顆粒對孔隙的堵塞作用，抽提后可以發(fā)現(xiàn)樣品孔隙總體積、比表面積都有所增加。而長73、長71相對于其他各段之所以孔隙體積最小，與其高的游離烴(S1)、熱解烴(S2)含量有很大關(guān)系。

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Pore Characteristics and Controlling Factors of the Yanchang Formation Mudstone and Shale in the South of Ordos Basin

LI ChengCheng1,2, ZHOU ShiXin1, LI Jing1, YANG YaNan1,2, FU DeLiang1,2, MA Yu1,2, LI YuanJu1,2

1. Key Laboratory of Petroleum Resources, Gansu Province/Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Taking the Yanchang Formation Shale for Well YK-1 in Tongchuan Area of the south of Ordos Basin as the target, pore characteristics and controlling factors were investigated by using Argon-ion Polishing Scanning Electron Microscope(SEM)and low-temperature nitrogen adsorption experiments. The results show that pores of Yanchang Formation shale can be classified into inter-granular pore, intra-granular pore, intra-crystalline pore in pyrite, dissolved pore and micro-cracks, of which inter-granular pore in clay mineral is most developed, but organic pore is basically not developed. The pore characteristics of Yanchang Formation in different members have obvious differences. Chang 9 has larger proportion of micropores along with larger specific surface area, while the pore volume of Chang 8 is occupied by largest mesopores and pore morphology of Chang 8 and Chang 9 is mainly in the shape of column and slit parallel to the wall. Chang 7 has the largest proportion of macropores, smallest proportion of micropores and corresponding smallest specific surface area, of which there are many close pores and wedge-shaped pores with one or both ends open. The proportion of pore volume and specific surface area of Chang 6 are between other members, the pore morphology of which is mainly parallel-plate shaped silt pores. The content of clay is the main controlling factor of pore development, but TOC content shows a negative correlation with the pore volume and the specific surface area, mainly due to residual hydrocarbon which block the pore space. The pore volume, the specific surface area will increase after extraction.

Yanchang shale; pore characteristic; low-temperature nitrogen adsorption; residual hydrocarbon

1000-0550(2017)02-0315-15

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.02.010

2016-10-13； 收修改稿日期： 2016-12-05

國家重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2016ZX05003002-004，2016B-0502)；中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)(XDB10010103)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41072105)[Foundation: National Science and Technology Major Project, No. 2016ZX05003002-004, 2016B-0502; CAS Priority Research Program, No. XDB10010103; National Natural Science Foundation of China, No.41072105]

李成成，男，1991年出生，碩士，油氣地球化學(xué)，E-mail:1041455814@qq.com

周世新，男，研究員，E-mail：sxzhou@lzb.ac.cn

文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A