貴州遵義五峰組—龍馬溪組頁巖微觀孔隙特征及其對含氣性控制
——以安頁1井為例

葛明娜，龐 飛，包書景

(中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083)

近年來，隨著頁巖氣勘查開發(fā)，頁巖儲層微觀特征研究逐漸受到重視[1-7]。頁巖氣主要以吸附態(tài)賦存于有機質(zhì)和黏土礦物表面，以游離態(tài)賦存于有機質(zhì)泥頁巖微—納米孔隙中，是典型的源儲一體、連續(xù)分布的非常規(guī)天然氣[8-11]。含氣泥頁巖孔隙度通常小于5%，滲透率低于0.1×10-3μm2，屬于典型的特低孔、特低滲儲層[12]。研究表明，北美和我國南方海相頁巖的有機質(zhì)微孔隙是其富集、高產(chǎn)的重要因素[13]，微觀孔隙特征研究對認識頁巖的含氣性具有重要意義[14]。目前研究泥頁巖等致密儲層微觀孔隙特征的方法主要有：①氬離子拋光掃描電鏡；②場發(fā)射掃描電鏡；③聚焦離子束雙束—掃描電鏡；④納米CT；⑤N2(CO)吸脫附實驗；⑥壓汞孔喉分析技術(shù)等[15-18]。①～④主要用來分析微觀孔隙類型，其中③、④可進行三維重構(gòu)，更直觀、全面地進行孔隙立體展示和連通性分析；⑤、⑥針對孔喉結(jié)構(gòu)進行研究，主要包含比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)及孔徑等。頁巖儲層空間可以分為孔隙和裂縫2大類，又將孔隙分為有機質(zhì)納米孔隙、顆粒內(nèi)納米孔隙[19]。亦有國外學(xué)者分為粒間孔、基質(zhì)晶間孔和有機質(zhì)孔[20]；粒間孔、粒內(nèi)孔和有機孔[21]；微孔、介孔和宏孔[22]。

通過對安頁1井目的層鉆井和野外剖面觀測及測試分析等工作，從微觀孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)以及含氣性影響因素等方面，對上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組(簡稱五峰—龍馬溪組)頁巖層系的儲層特征進行了研究，認為五峰—龍馬溪組的頁巖孔隙類型主要是有機孔和微裂縫，孔滲能力較弱且孔徑小，有機碳含量是影響頁巖吸附量的主要因素?；诖苏J識，開展了安頁1井和焦石壩五峰—龍馬溪組頁巖氣藏儲層微觀孔隙特征差異的討論。

1 地質(zhì)背景

黔北安場向斜五峰—龍馬溪組是一套以淺水陸棚—深水陸棚相沉積的黑色碳質(zhì)頁巖，富有機質(zhì)頁巖厚度在16～25 m，安場向斜內(nèi)共發(fā)育3條斷層，無區(qū)域性大斷層。安頁1井位于武陵山褶皺帶西南端安場向斜西翼，井深2 900.17 m，完鉆層位為寒武系婁山關(guān)組，是一口頁巖氣參數(shù)井。本文研究對象為五峰—龍馬溪組頁巖，主要包括上奧陶統(tǒng)五峰組碳質(zhì)頁巖、觀音橋組泥質(zhì)生物灰?guī)r和下志留統(tǒng)龍馬溪組碳質(zhì)頁巖，厚度19.5 m；下部與寶塔組整合接觸，上部與新灘組整合接觸(圖1)。龍馬溪組頁巖水平紋層極為發(fā)育，普遍含呈結(jié)核狀、星散狀分布的黃鐵礦，含大量以營漂浮生活的筆石化石，屬深水陸棚相沉積，是頁巖氣研究的重點層系。

圖1 貴州遵義安頁1井位置及其地層柱狀圖

安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖干酪根類型主要為腐殖腐泥型，顯微組分以腐泥無定型體為主，不含殼質(zhì)組，鏡質(zhì)組主要為正常鏡質(zhì)體，惰質(zhì)組見少量絲質(zhì)體，類型指數(shù)52～72，干酪根類型主要為Ⅱ1型。TOC含量介于1.07%～5.95%，平均2.65%，優(yōu)質(zhì)頁巖段部分樣品TOC大于4%，具有較好的生烴潛力；縱向上，龍馬溪組TOC含量下部整體高于上部，五峰組總體小于龍馬溪組(圖1)。安場向斜頁巖Ro在1.92%～2.19%，安頁1井頁巖Ro在2.41%～3.08%(表1)，處于過成熟早期演化階段。

2 頁巖微觀孔隙特征

頁巖為低孔、低滲透致密儲層，微孔隙的大量發(fā)育為頁巖氣提供儲集空間[23]，尤其在北美海相泥盆系頁巖和我國南方龍馬溪組頁巖中的有機質(zhì)孔隙是頁巖氣賦存的主要空間[24]。

2.1 頁巖孔隙類型與形態(tài)

國內(nèi)外對微觀孔隙的分類多樣，有些差別較大。國外代表有LOUCKS微觀孔隙分類法[21]，即北美海相頁巖微孔隙經(jīng)典三分法：粒間孔、粒內(nèi)孔及有機孔，其將微裂縫納入孔隙分類中；國內(nèi)一些學(xué)者傾向于將微觀孔隙與裂縫分開，直接分為5種或7種，甚至更多的孔隙類型。本文主要依據(jù)LOUCKS分類法并結(jié)合國內(nèi)分類情況，將安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖微觀儲集空間分為有機質(zhì)孔、粒內(nèi)孔、粒間孔與微裂縫，又可細分為生烴殘留孔、黏土礦物層間孔、晶間孔、邊緣縫、內(nèi)部縫5種亞孔隙類型，其中生烴殘留有機孔和微裂縫為最主要儲集空間。

2.1.1 有機孔

按成因，泥頁巖中有機質(zhì)孔隙可分為2種：生烴殘留孔隙和有機質(zhì)內(nèi)部孔隙；按接觸介質(zhì)，可分為3種：純有機質(zhì)內(nèi)孔隙、有機質(zhì)與黏土礦物內(nèi)復(fù)合孔隙以及有機質(zhì)與基質(zhì)粒間孔隙。

本文有機質(zhì)孔按成因分類，生烴殘留孔隙通常是在熱演化程度相對較高的情況下，有機質(zhì)生烴過程中形成的微孔隙，孔徑分布80 nm～1.5 μm。安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖熱演化程度較高，屬于此類孔隙。這些有機孔孔徑幾到幾百納米，平面上通常為似蜂窩狀不規(guī)則橢圓形，龍馬溪組以此孔隙為主(圖2a-c)；五峰組此類孔隙欠發(fā)育且孔徑通常不超過50 nm(圖2d)。由于有機質(zhì)內(nèi)部孔隙為有機質(zhì)原生孔隙，通常是在熱演化程度較低的情況下，有機質(zhì)團塊內(nèi)部保留下來的微孔隙，此類孔隙可見于陸相或海陸交互相泥頁巖中，本文對此類孔隙不作考慮。

2.1.2 粒內(nèi)孔

該類孔隙具有體積小、吸附性較強、數(shù)量多、連通性差、呈星點狀分布的特點，其發(fā)育與頁巖中礦物的數(shù)量和種類密切相關(guān)，通常黏土礦物越多，黏土礦物間孔越發(fā)育，頁巖吸附天然氣的能力越強[25]。五峰—龍馬溪組粒間孔為黏土礦物層間孔，孔隙呈長條狀，孔徑多在100 nm以上，常與邊緣縫、有機質(zhì)孔伴生發(fā)育(圖2e,f)。

2.1.3 粒間孔

安頁1井較為常見的粒間孔是晶間孔，這種孔隙是缺氧環(huán)境下形成的草莓狀黃鐵礦晶粒間的孔隙，部分孔隙被溶蝕擴大形成鑄模孔，孔徑介于1.7～150 nm(圖2g)，另見少量白云石重結(jié)晶形成的晶內(nèi)微孔。

2.1.4 微裂縫

安頁1井微裂縫分為2種：一為礦物或有機質(zhì)內(nèi)部裂縫(圖2h-j)；一為礦物或有機質(zhì)邊緣裂縫(圖2k,l)。粒間微縫一般較平直，粒緣縫有輕微的彎曲，部分裂縫為微米級且被方解石充填(圖2i)。微裂縫主要發(fā)育在五峰組，與有機質(zhì)伴生；龍馬溪組微裂縫欠發(fā)育，可見礦物內(nèi)部縫。 裂縫寬主要介于0.01～2.1μm，縫長非均質(zhì)性較強，幾到幾百微米。裂縫長度一般與片狀礦物長度有關(guān)，通常巖石脆性礦物含量越高，越易形成微裂縫。

表1 貴州遵義地區(qū)安頁1井樣品信息

圖2 貴州遵義安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖微觀孔隙

2.2 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

頁巖氣具有自生自儲的特性，頁巖孔隙中蘊藏著豐富的油氣資源，孔隙結(jié)構(gòu)對頁巖儲層的儲集性能、滲流能力和頁巖氣產(chǎn)能具有十分重要的影響[26]，是頁巖儲層評價的核心內(nèi)容。

2.2.1 N2吸附—脫附曲線特征

對安頁1井五峰—龍馬溪組6塊頁巖樣品進行了N2吸附—脫附實驗。圖3中1～5號樣品吸脫附曲線形態(tài)相似，呈“S”型，吸附等溫線屬于IUPAC吸附等溫線中的Ⅳ型，H4滯后環(huán)，具有平板結(jié)構(gòu)的狹縫孔[27]。這種孔在開始凝聚時，由于氣液界面是大平面，只有當壓力接近飽和蒸汽壓時才發(fā)生毛細凝聚，吸附等溫線類似Ⅱ型[28]。圖3中6號樣品吸附等溫線屬于IUPAC吸附等溫線中的Ⅴ型，H3滯后環(huán)，具有平板結(jié)構(gòu)的狹縫孔。這種曲線反映了吸附質(zhì)與吸附劑之間作用微弱的Ⅲ型等溫線特點。

從相對壓力變化分析，在低相對壓力(P/Po)區(qū)(0.05～0.09)，圖3中1～5號樣品出現(xiàn)第一個拐點，此壓力區(qū)間為單分子吸附態(tài)，曲線上凸說明頁巖中吸附劑(有機質(zhì)或黏土礦物)與N2發(fā)生較強的吸附作用，6號樣品此段平坦，吸附作用較弱；中壓段P/Po(0.09～0.8)為N2在孔隙中的冷凝積聚，發(fā)生了多分子層吸附，利用BJH法基于此段進行介孔分析，此區(qū)間吸附線接近線性；高壓段P/Po(0.8～0.99)曲線上揚，氮氣在大孔上吸附，1～2號樣品呈微上揚，3～5號樣品曲線上揚趨勢明顯，6號樣品曲線快速上揚，說明從龍馬溪組到五峰組大孔逐漸增加，6號樣品大孔最發(fā)育。此外，吸附曲線形態(tài)可以分析孔分布，1～5號樣品吸附線整體平緩，說明樣品孔分布較寬；6號樣品吸附線高壓段較陡，說明其孔徑分布較窄。

2.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)及孔徑分布

表征頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的參數(shù)有比表面積、孔容和平均孔徑。安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖比表面積為0.68～14.83 m2/g，其中，龍馬溪組為13.25～14.83 m2/g，五峰組為0.68～8.70 m2/g；頁巖樣品的孔容為0.001～0.005 mL/g，其中，龍馬溪組為0.004～0.005 mL/g，五峰組為0.001～0.003 mL/g；平均孔徑為2.56～7.45 nm，其中，龍馬溪組為2.56～2.71 nm，五峰組為2.61～7.45 nm，五峰組大于龍馬溪組(圖4a)。

安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖孔徑為1.7～262 nm，集中分布在2～5 nm，以介孔為主。從比表面積貢獻率分析，介孔貢獻率56.3%～88.6%，宏孔貢獻率0.6%～9.5%；從孔容貢獻率分析，介孔貢獻67.7%～75.3%，宏孔為9.7%～38.8%，整體介孔對比表面積和孔容的貢獻遠大于宏孔。由6號樣品的吸脫附曲線可知，6號樣品的宏孔較其他樣品發(fā)育，故6號樣品宏孔對孔容影響較大(圖4b)。

圖3 貴州遵義安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖樣品低壓氮氣吸/脫附實驗

圖4 貴州遵義安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分布

3 頁巖含氣性影響因素

由頁巖氣的賦存狀態(tài)可知，影響吸附氣量的因素主要有TOC含量、黏土礦物含量和比表面積，影響游離氣的因素主要為裂縫和礦物微孔隙。

3.1 微觀孔隙對含氣性的控制

3.1.1 微觀孔隙類型

龍馬溪組以有機質(zhì)孔隙為主，五峰組以裂縫為主，有機質(zhì)孔隙較少，其他孔隙在2個層系無明顯規(guī)律。頁巖的微觀孔隙類型決定了安頁1井龍馬溪組頁巖中的天然氣主要以吸附態(tài)賦存在有機質(zhì)孔內(nèi)，少量以游離態(tài)賦存在其他礦物質(zhì)孔內(nèi)；五峰組頁巖中的天然氣主要以游離態(tài)賦存在微裂縫中，少量以吸附態(tài)賦存在有機質(zhì)或其他礦物質(zhì)孔中。

孔隙類型的不同間接決定了頁巖含氣量的差異。安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖含氣量與吸附氣量具有良好的線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.81(圖5a)，說明安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖吸附性能越好，含氣性越好?？v向上，龍馬溪組含氣量均大于五峰組，這與龍馬溪組頁巖吸附氣量大于五峰組有關(guān)，是由龍馬溪組頁巖中天然氣的賦存狀態(tài)決定的。

3.1.2 微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

比表面積是表征頁巖吸附能力的直接參數(shù)，與吸附氣量密切相關(guān)，進而影響頁巖總含氣量?？兹葜饕獮轫搸r中游離氣提供儲集空間，其大小直接影響頁巖含氣量。不同的孔徑分布對吸附氣及游離氣含量影響不同，當孔徑在2～10 nm之間時，吸附氣含量大于游離氣含量；隨著孔徑的增加，吸附氣量逐漸降低，游離氣量逐漸增加。

安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖含氣量與比表面積、孔容均高度線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.81和0.82(圖5a)；吸附氣量與比表面積高度線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.99(圖5b)，因此，安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖的比表面積可直接表征頁巖吸附氣量?？v向上，龍馬溪組頁巖比表面積和孔容均大于五峰組，與龍馬溪組含氣量大于五峰組的結(jié)論相一致。由圖4a可知，龍馬溪組平均孔徑小于五峰組，這是由2個層系的孔隙類型決定的。由于五峰組孔容小于龍馬溪組，而平均孔徑大于龍馬溪組，故其比表面積小于龍馬溪組。安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖的比表面積與平均孔徑呈線性負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.64(圖5b)，這一線性關(guān)系也佐證了這一結(jié)論。

3.2 其他因素

除微觀孔隙對含氣性影響，研究分析了TOC、Ro、脆性礦物及黏土礦物與含氣量的關(guān)系。研究表明，安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖吸附氣量與TOC含量和脆性礦物線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.65和0.55(圖5c)；比表面積與TOC含量線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.67，TOC含量與脆性礦物高度線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.92(圖5d)。含氣量與黏土礦物相關(guān)性不顯著，可能受脆性礦物中的生物硅因素干擾，與Ro無明顯相關(guān)性。

圖5 貴州遵義安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖樣品含氣性影響參數(shù)相關(guān)性分析

參數(shù)地區(qū)沉積相埋深/m頁巖厚度/mw(TOC)/%Ro/%石英/%孔隙度/%滲透率/10-3 μm2平均孔徑/nm含氣量/(m3·t-1)安頁1井深水陸棚2 311.5～2 33119.52.652.41～3.0832～651.018～1.3010.000 2～0.005 72～51.63焦石壩地區(qū)深水陸棚2 100.0～3 50035～90>22.6>604.870.252～302.14

涪陵焦石壩五峰—龍馬溪組頁巖氣勘查開發(fā)已取得重大突破。通過安頁1井與焦石壩五峰—龍馬溪組頁巖差異對比分析，認為安頁1井頁巖厚度較小，孔隙度、滲透率小，孔滲性較差，孔喉直徑較小，這些是制約安頁1井含氣性的關(guān)鍵因素(表2)。

4 結(jié)論

(1)貴州遵義地區(qū)安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖發(fā)育4類微觀儲集空間：有機質(zhì)孔、粒間孔、粒內(nèi)孔與微裂縫。其中，有機質(zhì)孔中的生烴殘留孔隙為龍馬溪組頁巖的主要孔隙類型，微裂縫為五峰組的主要孔隙類型。

(2)安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖吸脫附等溫線有2種類型：一是Ⅳ型吸附等溫線，H4滯后環(huán)；一是Ⅴ型吸附等溫線，H3滯后環(huán)，均為平板結(jié)構(gòu)的狹縫孔。龍馬溪組的比表面積和孔容均大于五峰組，平均孔徑小于五峰組。

(3)龍馬溪組頁巖含氣量大于五峰組。五峰—龍馬溪組頁巖含氣性主要受頁巖的比表面積和孔容控制，受微觀孔隙類型、脆性礦物含量及平均孔徑間接影響。尋找厚度更大、孔滲更好的富有機質(zhì)頁巖層段是安場向斜五峰—龍馬溪組下一步勘探的有利目標。