川北元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖微觀孔隙空間定量表征

李 磊，李平平*，張正辰，郝景宇，肖繼林，鄒華耀

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249；2.中國(guó)石油化工股份有限公司勘探分公司,成都 610041)

頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)是影響頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)的重要因素[1-3]。眾所周知,富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中主要發(fā)育納米級(jí)別的有機(jī)孔隙系統(tǒng)[4-18],這些孔隙按直徑可分為微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)[19]。頁(yè)巖氣中的甲烷分子主要以吸附、游離、部分溶解的狀態(tài)賦存于頁(yè)巖孔隙之中[20],由于氣體分子與孔隙表面的范德華力,頁(yè)巖中存在臨界孔隙直徑(6～8 nm)[21],在小于該值的孔隙中甲烷分子以吸附態(tài)存在,而在大于該值的孔隙中甲烷分子主要呈游離態(tài)。因此,對(duì)頁(yè)巖孔隙組成與孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征是對(duì)頁(yè)巖氣的賦存與富集規(guī)律的重要條件。

近年來(lái)中外發(fā)展了多種對(duì)頁(yè)巖孔隙的定性和定量表征技術(shù)[22-25]。常用的定性表征技術(shù)是利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡等,對(duì)頁(yè)巖中的納米孔隙進(jìn)行直接觀察,但由于場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡圖像的分辨率約5 nm[22],導(dǎo)致對(duì)部分中-微孔的觀察難以實(shí)現(xiàn)。目前常用的頁(yè)巖孔隙定量表征的技術(shù)主要有高壓壓汞與氣體吸附等[23-25],其中低溫氣體吸附技術(shù)可獲取頁(yè)巖中0.35～300 nm的孔隙的孔徑展布[22],但不能表征宏孔展布；高壓壓汞技術(shù)可獲取頁(yè)巖中3 nm～123 μm的孔隙的孔徑展布[22],但對(duì)中-微孔的表征存在困難。因此,通常聯(lián)合采用高壓壓汞表征宏孔與低溫氣體吸附技術(shù),來(lái)表征頁(yè)巖的全孔徑分布特征[23]。

圖1 元壩地區(qū)的構(gòu)造位置、大安寨段巖性組合特征及大安寨段沉積相分布圖Fig.1 The tectonic position of the Yuanba area, the lithologic association and sedimentary facies of the Da’anzhai member

元壩地區(qū)有多口鉆井在侏羅系自流井組大安寨段獲得中高產(chǎn)工業(yè)氣流[26],證明了研究區(qū)良好的陸相頁(yè)巖氣成藏條件與勘探潛力[27-29]。前期研究基本查明了該區(qū)大安寨段頁(yè)巖的孔隙類型主要包括有機(jī)質(zhì)孔隙、無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙和多種微裂縫[27],而且認(rèn)為頁(yè)巖孔隙中的有機(jī)質(zhì)孔隙偏低(約24%)以及無(wú)機(jī)黏土礦物孔隙偏高(約67%)[29],但是沒(méi)有系統(tǒng)開(kāi)展該區(qū)大安寨段頁(yè)巖的孔隙類型以及孔徑分布的定量表征研究,制約了對(duì)該區(qū)頁(yè)巖氣的賦存狀態(tài)與富集規(guī)律的認(rèn)識(shí)。因此,本文采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、高壓壓汞、氮?dú)馕降葴y(cè)試手段,定量研究了元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的孔隙類型與孔徑分布,并分析了頁(yè)巖氣的賦存狀態(tài),以期對(duì)研究區(qū)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)提供借鑒作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于四川盆地北部的蒼溪—巴中一帶的元壩地區(qū)[圖1(a)],北鄰米倉(cāng)山,西北為龍門山,東北為大巴山,構(gòu)造上處于川中平緩構(gòu)造帶與川西低緩褶皺帶交界上。研究區(qū)歷經(jīng)加里東運(yùn)動(dòng)、海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng),其中受印支運(yùn)動(dòng)晚幕以來(lái)的周緣造山帶推覆的影響,四川盆地沉積了三疊系到侏羅系的沉積地層；受燕山和喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,盆緣以及盆內(nèi)的大量褶皺和斷裂[30]。

侏羅系自流井組主要發(fā)育湖泊相碎屑巖沉積,自下而上依次可分為珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段與大安寨段,上覆地層為中侏羅統(tǒng)千佛崖組。大安寨段為70～125 m,自下而上可分為大三亞段(5～20 m)、大二亞段(24～65 m)和大一亞段(40～63 m),其中大三亞段和大一亞段均為厚層灰?guī)r夾薄層頁(yè)巖,大二亞段為頁(yè)巖夾薄層灰?guī)r[圖1(b)]。元壩地區(qū)大安寨段自南向北由淺湖-半深湖相向?yàn)I湖相環(huán)帶過(guò)渡[圖1(c)]。

元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的殘余有機(jī)碳(TOC)含量為0.30%～3.64%,平均1.06%[28]。頁(yè)巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)在1.44%～1.83%,平均1.67%,處于高成熟階段[28]。頁(yè)巖的干酪根碳同位素(δ13C)為-23.1‰～-25.9‰,平均-24.5‰(圖2),根據(jù)高-過(guò)成熟階段的有機(jī)質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)[31],元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)類型主要是Ⅲ型(73%),其次為Ⅱ型(27%)。此外,大安寨段頁(yè)巖的黏土礦物含量為30%～68.2%,平均51.2%,石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽類等脆性礦物含量為30.1%～68.4%,平均47.4%[28]。

圖2 元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)的類型Fig.2 Types of organic matter in shale of the Da’anzhai member in Yuanba area

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

研究采集了元壩地區(qū)的50塊大安寨段頁(yè)巖樣品,典型采樣井分布見(jiàn)[圖1(c)],進(jìn)行了掃描電鏡實(shí)驗(yàn),對(duì)其中8塊樣品進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)孔隙、無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙與微裂縫的定量統(tǒng)計(jì),并且對(duì)其中4塊頁(yè)巖樣品進(jìn)行了高壓壓汞與氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)。

2.1 掃描電鏡制樣、觀察與圖像定量統(tǒng)計(jì)

掃描電鏡樣品采用垂直層理方向制樣,規(guī)格為5 mm×5 mm×2 mm,作鍍金處理。樣品在中國(guó)石油大學(xué)(北京)能源材料微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,儀器型號(hào)為日立SU8010冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,極限分辨率約1 nm。采用式(1)統(tǒng)計(jì)頁(yè)巖的總面孔率[9,15]。

φ=φom+φm+φf(shuō)

(1)

式(1)中：φom為有機(jī)質(zhì)孔隙面孔率,%，由掃描電鏡下統(tǒng)計(jì)的有機(jī)質(zhì)面孔率均值與視域中有機(jī)質(zhì)體積百分比相乘求得，其中有機(jī)質(zhì)體積百分比為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量百分比(TOC)換算而成；φm表示無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙面孔率,%；φf(shuō)表示微裂縫面孔率,%；詳細(xì)統(tǒng)計(jì)方法見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

2.2 高壓壓汞、氮?dú)馕脚c全孔徑的獲取

高壓壓汞樣品使用線切割技術(shù)制成圓柱狀,在江漢油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院石油地質(zhì)測(cè)試中心進(jìn)行測(cè)試,儀器型號(hào)為Micromeritics AutoPore IV9505,并采用Washburn方程分析孔徑分布。

低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,儀器型號(hào)為Quantachrome Autosorb iQ,樣品磨制篩選至60～80目,稱取樣品6～8 g,于150 ℃真空脫氣8 h,數(shù)據(jù)采用密度函數(shù)理論和非定域密度函數(shù)理論(NLDFT)模型解釋頁(yè)巖孔徑分布。

孔隙直徑2 nm以下采用低溫氮?dú)馕綌?shù)據(jù),孔隙直徑2 nm以上采用高壓壓汞數(shù)據(jù),以孔隙直徑為X軸,孔隙體積為Y軸,通過(guò)Excel將數(shù)據(jù)拼合,并使用SUMIF函數(shù)對(duì)不同的孔徑區(qū)間的孔容進(jìn)行統(tǒng)計(jì),獲取頁(yè)巖中0.8 nm以上孔隙體積的全孔徑展布[23]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 頁(yè)巖的孔隙類型與定量統(tǒng)計(jì)

頁(yè)巖中納米孔隙類型的劃分主要采用描述性分類[11-14],如表1所示,根據(jù)物質(zhì)載體的不同可分為有機(jī)質(zhì)孔隙、無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙與微裂縫三大類。其中有機(jī)質(zhì)孔隙根據(jù)形貌可細(xì)分為氣泡狀有機(jī)質(zhì)孔隙與蜂窩狀有機(jī)質(zhì)孔隙；無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙根據(jù)形貌與礦物組成可分為黏土礦物孔隙與脆性礦物孔隙[12],微裂縫根據(jù)形貌與成因可分為構(gòu)造微裂縫、黏土礦物成巖收縮縫、有機(jī)質(zhì)邊緣收縮縫與介殼內(nèi)微裂縫等類型。

表1 頁(yè)巖孔隙劃分方案

3.1.1 有機(jī)質(zhì)孔隙

有機(jī)質(zhì)孔隙是頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)生烴演化的結(jié)果與證據(jù)[16-17],根據(jù)巖相學(xué)的特征可將頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)劃分為干酪根與運(yùn)移有機(jī)質(zhì)[18]。元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)主要是干酪根[圖3(e)],少量以運(yùn)移有機(jī)質(zhì)的形式存在[圖3(a)～圖3(d)]。在干酪根中孔隙發(fā)育程度普遍較低,常見(jiàn)孔隙不發(fā)育的高等植物碎片[圖3(e)],其中孔隙不發(fā)育,也偶見(jiàn)少量發(fā)育密集蜂窩狀孔隙的干酪根[圖3(f)],本段頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)的孔隙發(fā)育程度比典型的海相頁(yè)巖明顯要低[16-17]。運(yùn)移有機(jī)質(zhì)填充在礦物孔隙間[圖3(a)～圖3(d)]。運(yùn)移有機(jī)質(zhì)中的孔隙形態(tài)主要為孤立分布的氣泡狀[圖3(a)]與密集分布的蜂窩狀[圖3(b)、圖3(d)]兩種。此外,運(yùn)移有機(jī)質(zhì)中可見(jiàn)自生礦物,如自生黏土礦物[圖3(c)、圖3(d)]和自生黃鐵礦晶體[圖3(d)],反映這些有機(jī)質(zhì)為孔隙中自生礦物形成以后運(yùn)移到此處。有機(jī)質(zhì)孔隙最小費(fèi)雷直徑主要集中在3～60 nm。

3.1.2 無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙

根據(jù)對(duì)50個(gè)頁(yè)巖樣品的掃描電鏡觀察,元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙主要是黏土礦物孔隙,其次是脆性礦物孔隙,這與文獻(xiàn)[28-29]報(bào)道的大安寨段頁(yè)巖的無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙類型相吻合。

黏土礦物孔隙:電鏡下黏土礦物孔隙較發(fā)育,常見(jiàn)伊利石解理孔隙,孔隙呈層片狀、線狀[圖4(a)],并可見(jiàn)孔隙由于壓實(shí)作用而扭曲變形[圖4(c)],以及可見(jiàn)無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙中發(fā)育自生黏土礦物,發(fā)育殘余的三角形狀孔隙[圖4(b)],孔隙最小費(fèi)雷直徑集中在3～400 nm。

脆性礦物孔隙:頁(yè)巖中的石英、長(zhǎng)石等脆性礦物發(fā)育脆性礦物孔隙,常見(jiàn)石英等脆性礦物顆粒邊緣發(fā)育的粒緣孔[圖4(d)]及部分粒內(nèi)孔,如在板狀長(zhǎng)石中發(fā)育大量密集的溶蝕孔隙[圖4(e)],頁(yè)巖中常見(jiàn)自生莓狀黃鐵礦,晶粒間常發(fā)育晶間孔[圖4(f)],孔隙最小費(fèi)雷直徑大多集中在10～2 000 nm。

3.1.3 微裂縫

元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖中的微裂縫具有狹長(zhǎng)的外形,按照成因與發(fā)育位置可分為構(gòu)造微裂縫、黏土礦物成巖收縮縫、有機(jī)質(zhì)邊緣收縮縫、介殼內(nèi)微裂縫,其中構(gòu)造微裂縫在頁(yè)巖中最為發(fā)育,利于游離氣的儲(chǔ)集與運(yùn)移,影響到頁(yè)巖氣的富集高產(chǎn)[28]。

構(gòu)造微裂縫:構(gòu)造微裂縫的縫面呈鋸齒彎曲狀,順層狀延伸較長(zhǎng),完全開(kāi)啟[圖5(a)、圖5(b)],可作為烴類運(yùn)移的通道,可見(jiàn)順層構(gòu)造微裂縫的邊緣被有機(jī)質(zhì)浸染[圖5(a)],微裂縫的縫寬集中在100～1 000 nm。

黏土礦物收縮縫:在蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過(guò)程中,巖石由于脫水、收縮和相變導(dǎo)致體積減小而形成的狹長(zhǎng)形的微裂縫孔隙[圖5(d)],微裂縫邊緣較光滑平直,延伸長(zhǎng)度較短,數(shù)量較多,縫寬較窄(30～500 nm)。

有機(jī)質(zhì)邊緣收縮縫:或稱為有機(jī)質(zhì)邊緣收縮孔,在有機(jī)質(zhì)與礦物相交處由于收縮而產(chǎn)生[圖5(c)],具有一定的儲(chǔ)集性,縫寬主要分布在50～1 000 nm。

礦物顆粒內(nèi)部的微裂縫:在頁(yè)巖中常見(jiàn)一些剛性碎屑顆粒,如介殼[圖5(f)]與石英[圖5(e)],在應(yīng)力的作用下,礦物顆粒的內(nèi)部產(chǎn)生一些裂紋縫,完全開(kāi)啟,縫寬不一。

3.1.4 掃描電鏡下孔隙定量統(tǒng)計(jì)

根據(jù)對(duì)掃描電鏡圖像揭示的不同孔隙類型的定量統(tǒng)計(jì)(圖6),元壩大安寨頁(yè)巖的孔隙主要為無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙、微裂縫與有機(jī)質(zhì)孔隙。其中,有機(jī)質(zhì)孔隙面孔率0.13%～0.41%(平均0.27%),占比9.17%；無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙面孔率1.72%～2.92%(平均2.23%),占比76.92%；微裂縫面孔率0.18%～0.55%(平均0.40%),占比13.91%。這與前人報(bào)道的元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖孔隙以無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙為主的認(rèn)識(shí)相吻合[28-29]。

3.2 頁(yè)巖的孔徑分布特征

3.2.1 低溫氮?dú)馕絅LDFT模型孔徑分布

根據(jù)IUPAC分類,元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的吸附脫附等溫曲線屬于IV型[19],滯后環(huán)類似于H3、H2[圖7(a)],具有片狀黏土孔隙與墨水瓶狀喉道的特征,具有微孔填充、單分子層吸附、多層吸附、毛細(xì)管凝聚多個(gè)過(guò)程,反映了微孔、中孔的存在,最后未出現(xiàn)平臺(tái),顯示了大孔的存在。頁(yè)巖平均連通孔隙度為1.25～1.80 cm3/g,平均1.59 cm3/g,平均連通孔隙半徑為3.95 nm,孔徑分布集中在1～10 nm[圖7(b)]。

圖7 頁(yè)巖的低溫氮?dú)馕?脫附曲線與NLDFT孔徑分布Fig.7 Low temperature nitrogen adsorption-desorption curve and NLDFT pore size distribution of shales

3.2.2 高壓壓汞Washburn模型孔徑分布

元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的進(jìn)汞曲線大致呈兩段式[圖8(a)]:第一段曲線斜率較高,顯示隨著進(jìn)汞壓力的對(duì)數(shù)式急劇增大,累計(jì)飽和度呈線性緩慢增大；當(dāng)進(jìn)汞壓力超過(guò)一定范圍后(10～100 MPa),進(jìn)入第二段曲線,此時(shí)曲線斜率較低,顯示隨著進(jìn)汞壓力的對(duì)數(shù)式緩慢增大,累計(jì)飽和度呈線性迅速增大。頁(yè)巖的退汞效率較低,僅55%～75%[圖8(a)],說(shuō)明頁(yè)巖孔喉復(fù)雜。頁(yè)巖的平均連通孔隙半徑121.4 nm,從孔徑分布來(lái)看,頁(yè)巖孔徑主要集中分布于1～20 nm[圖8(b)]。

圖8 頁(yè)巖的高壓壓汞進(jìn)汞-退汞曲線與孔徑分布Fig.8 High-pressure mercury intrusion mercury injection-ejection curve and pore size distribution of shales

3.2.3 頁(yè)巖孔隙的全孔徑分布特征

元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的孔隙全孔徑分布顯示[圖9(a)],頁(yè)巖中發(fā)育納米-微米多個(gè)尺度的孔隙,具有0～1 nm、1～10 nm、10～100 nm、100～1 000 nm和1 000～10 000 nm多個(gè)峰值,以1～10 nm與10～100 nm為主。全孔徑孔容1.21～1.77 cm3/g,其中微孔的比例為0.50%～10.67%,平均6.76%,中孔的比例為70.46%～83.24%,平均76.92%,宏孔的比例為13.46%～18.86%,平均16.30%[圖9(b)]。

圖9 頁(yè)巖的孔隙全孔徑分布與比例Fig.9 The whole-aperture pore distribution and proportion of shales

4 討論

4.1 頁(yè)巖孔隙空間構(gòu)成與發(fā)育機(jī)理探討

頁(yè)巖中不同孔隙類型的發(fā)育程度與其相對(duì)應(yīng)的礦物含量有關(guān)[12]。有學(xué)者利用三層巖石物理模型[29],認(rèn)為元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)中孔隙發(fā)育程度為0.131 cm3/g,黏土礦物中孔隙發(fā)育程度為0.012 cm3/g[29],即1份質(zhì)量有機(jī)質(zhì)與10.9份質(zhì)量黏土礦物中的孔隙量相當(dāng),而元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖黏土礦物與有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量百分比約48%,高含量的黏土礦物使黏土礦物孔隙占據(jù)主導(dǎo)(67%),黏土礦物孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙與脆性礦物孔隙平均分別為67%、24%和9%[29]。本次系統(tǒng)研究得出的大安寨頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)孔隙與無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙(包含黏土礦物孔隙與脆性礦物孔隙)平均分別為9.17%和76.92%(圖6),該認(rèn)識(shí)與前人研究高度吻合,進(jìn)一步證明了該區(qū)頁(yè)巖中主要為黏土礦物孔隙等無(wú)機(jī)孔隙,有機(jī)質(zhì)孔隙相對(duì)欠發(fā)育的特征。

頁(yè)巖中的黏土礦物孔隙包括原生與次生兩種成因。原生的黏土礦物孔隙最初在實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)大鹽湖的更新世黏土巖中的絮凝物中被發(fā)現(xiàn)[7],在頁(yè)巖沉積初期,原始片狀黏土顆粒通過(guò)靜電聚集形成“絮凝體”結(jié)構(gòu),相互堆疊形成孔隙發(fā)育的“紙房屋”構(gòu)造。由于黏土礦物為塑性礦物,抗壓能力差,其中的原生孔隙經(jīng)過(guò)壓實(shí)作用后將大量減少。頁(yè)巖中脆性礦物骨架可以起到一定的抗壓實(shí)的作用,其存在有利于塑性的原生黏土礦物孔隙的保存[32-33]。元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖中較高含量的非黏土的脆性礦物[圖4(d)]的存在將有利于頁(yè)巖中塑性黏土礦物孔隙的保存。

黏土礦物的成巖轉(zhuǎn)化是黏土礦物孔隙發(fā)育的主要因素[34]。在頁(yè)巖的埋藏成巖演化過(guò)程中,存在蒙脫石向伊蒙混層(80～100 ℃)及伊蒙混層向伊利石(130～180 ℃)的轉(zhuǎn)化,由于礦物晶格的單位構(gòu)造高度減小而塌陷,從而在礦物晶間產(chǎn)生大量微孔縫[圖4(a)、圖4(c)]。此外。本區(qū)頁(yè)巖處于高熟的生烴階段,生烴會(huì)產(chǎn)生大量的烴類氣體,儲(chǔ)存到黏土礦物孔隙中,該過(guò)程產(chǎn)生的超壓可以減緩壓實(shí)作用下頁(yè)巖孔隙體積的降低[35]。頁(yè)巖中次生黏土礦物孔隙的發(fā)育和保持,是元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖歷經(jīng)較強(qiáng)的壓實(shí)作用后,仍能保持較高孔隙度的重要原因。

4.2 頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔隙欠發(fā)育的原因

頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)可分為干酪根與運(yùn)移有機(jī)質(zhì),其中干酪根是沉積形成的原地有機(jī)質(zhì),運(yùn)移有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖層段中發(fā)生了短距離運(yùn)移的有機(jī)質(zhì)[36]。干酪根中的孔隙發(fā)育程度不一,本質(zhì)上受到其生烴潛力差異的影響[36],腐泥組和殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組隨著生烴潛力的減弱孔隙發(fā)育程度也逐漸變差。頁(yè)巖中運(yùn)移有機(jī)質(zhì)的孔隙發(fā)育程度受到其熱演化程度的影響,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)處于石油裂解階段的運(yùn)移有機(jī)質(zhì)相較處于干酪根裂解階段中的孔隙會(huì)更加發(fā)育[36]。

元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖中的運(yùn)移有機(jī)質(zhì)中普遍發(fā)育蜂窩狀的有機(jī)質(zhì)孔隙[圖3(b)、圖3(d)],這與頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)處于凝析油-濕氣的高成熟階段有關(guān),頁(yè)巖中的滯留烴類普遍熱裂解產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)孔隙。干酪根中僅可見(jiàn)零星孤立分布的孔隙或者不發(fā)育,由于頁(yè)巖的顯微組分以腐殖質(zhì)為主[28],干酪根的生烴潛力較弱而無(wú)法發(fā)育大量的有機(jī)質(zhì)孔隙,這與海相腐泥組頁(yè)巖的干酪根中也發(fā)育大量孔隙存在明顯區(qū)別[15-17]。

元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)類型主要是Ⅲ型(圖2)。Ⅰ型干酪根的生烴方式屬于解聚型,先生成大分子的中間產(chǎn)物,再分解為油和氣,屬于相繼反應(yīng)機(jī)制[37-38]。Ⅲ型干酪根的生烴方式屬于官能團(tuán)脫除型,不同官能團(tuán)根據(jù)鍵的強(qiáng)弱逐次脫除,最終形成惰性炭質(zhì)骨架,屬于獨(dú)立依次反應(yīng)機(jī)制[37-38]。Ⅱ型干酪根則介于兩者之間[37-38]。雖然運(yùn)移有機(jī)質(zhì)中孔隙發(fā)育,但研究區(qū)頁(yè)巖干酪根類型不利于運(yùn)移有機(jī)質(zhì)的形成。因此,研究區(qū)頁(yè)巖以III型有機(jī)質(zhì)為主的特點(diǎn),從機(jī)理上限制了有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育。此外,研究區(qū)頁(yè)巖的總有機(jī)碳(TOC)含量相對(duì)較低(約1.06%),從總量上限制了有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育,使得有機(jī)質(zhì)孔隙僅占頁(yè)巖孔隙的24%[29]。有機(jī)質(zhì)孔隙為海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖最為重要的孔隙類型,元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔隙欠發(fā)育的特點(diǎn)顯示了研究區(qū)頁(yè)巖與海相頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)類型、生烴演化方式與生烴潛力的區(qū)別,為研究區(qū)陸相頁(yè)巖氣的可持續(xù)勘探與開(kāi)發(fā)提出了挑戰(zhàn)。

4.3 頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)層環(huán)境對(duì)頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)的影響

頁(yè)巖氣在地層下的賦存狀態(tài)受到溫壓條件、有機(jī)質(zhì)特性、無(wú)機(jī)礦物組成、含水量以及頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)的共同影響[20]。頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)是影響頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)最直接的內(nèi)部因素[1-3],通過(guò)Lennard-Jones勢(shì)能函數(shù)模擬,游離氣存在臨界孔隙直徑,當(dāng)甲烷分子與孔壁分子間距離小于該值時(shí),甲烷分子由于范德華力被巖石吸附,而大于該值時(shí),甲烷分子則處于游離狀態(tài),有學(xué)者計(jì)算該臨界孔隙直徑為6～8 nm[21]。由于元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖主要發(fā)育中-宏孔(93.22%),其中直徑在8 nm以上的宏孔占總孔的66.85%(圖9),頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)有利于對(duì)游離氣的賦存。此外,研究區(qū)頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔隙欠發(fā)育而對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集能力有限。對(duì)于頁(yè)巖中的黏土礦物無(wú)機(jī)孔隙與微裂縫,雖然地層下其表面微孔隙部分會(huì)被水分子占據(jù),但是其中-宏孔卻是游離氣的有效儲(chǔ)集空間,因此頁(yè)巖的孔隙類型也有利于對(duì)游離氣的賦存。

儲(chǔ)層的溫壓條件是影響頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)的最重要的外部因素[20-21],對(duì)于埋深過(guò)大的高過(guò)成熟階段的頁(yè)巖,儲(chǔ)層處于高溫高壓的狀態(tài),頁(yè)巖氣主要以游離狀態(tài)賦存,其中游離氣帶大致處于2 000 m以下[21]。元壩地區(qū)大安寨段埋深可達(dá)3 500～4 200 m,且頁(yè)巖儲(chǔ)層普遍發(fā)育超壓,壓力系數(shù)在1.30～2.07,地層壓力為40～78 MPa[39],高壓有利于游離氣在頁(yè)巖孔隙中的賦存。該地區(qū)的地溫梯度為1.95～2.08 ℃/100 m,頁(yè)巖儲(chǔ)層溫度介于92～100 ℃,高溫有利于頁(yè)巖中的吸附氣解析為游離氣。根據(jù)甲烷等溫吸附數(shù)據(jù)利用外推的朗格繆爾(Langmuir)模型預(yù)測(cè)元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖儲(chǔ)層下的吸附氣含量,根據(jù)真實(shí)氣體狀態(tài)方程與頁(yè)巖的孔隙度預(yù)測(cè)游離氣含量,表明元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖儲(chǔ)層下,平均含氣量2.16 m3/t,游離氣平均含量為80%,吸附氣平均含量為20%。這與前人發(fā)現(xiàn)的頁(yè)巖含氣量與巖心實(shí)測(cè)氦氣孔隙度正相關(guān)的現(xiàn)象相符合,另外元壩地區(qū)大安寨段巖心現(xiàn)場(chǎng)解析顯示,頁(yè)巖氣中主要為損失氣(45.8%～70.9%,平均64.4%),并且元壩地區(qū)大安寨段低豐度有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖背景下多口直井產(chǎn)工業(yè)氣流,均可證實(shí)元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖儲(chǔ)層中游離氣為最有利的賦存形式。元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖氣的賦存狀態(tài)以游離氣為主,主要儲(chǔ)存在頁(yè)巖中-宏孔尺度的無(wú)機(jī)黏土礦物孔隙與微裂縫中,這一賦存特點(diǎn)決定了該區(qū)在頁(yè)巖氣勘探中容易獲得高產(chǎn),但是頁(yè)巖氣的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)可能會(huì)面臨著一定的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

(1)元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖總體有機(jī)質(zhì)孔隙欠發(fā)育,其無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙與微裂縫分別占總孔隙的76.92%、9.17%與13.91%。由于埋藏過(guò)程中蒙脫石向伊利石的成巖轉(zhuǎn)化,頁(yè)巖中黏土礦物孔隙發(fā)育并成為頁(yè)巖的主要孔隙空間。

(2)元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)孔隙欠發(fā)育的原因主要與有機(jī)質(zhì)類型和TOC有關(guān)。頁(yè)巖以III型有機(jī)質(zhì)為主,生烴能力弱，而且運(yùn)移有機(jī)質(zhì)含量低,不利于有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育；頁(yè)巖的TOC含量低,控制了頁(yè)巖中能發(fā)育的有機(jī)質(zhì)孔隙總量較低。

(3)元壩地區(qū)大安寨段頁(yè)巖以無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙為主,而且主要發(fā)育中-宏孔,以及儲(chǔ)層高溫高壓的特點(diǎn)共同控制了該區(qū)頁(yè)巖氣的賦存方式以游離氣為主,主要賦存在頁(yè)巖中-宏孔尺度的無(wú)機(jī)黏土礦物孔隙與微裂縫中,該特點(diǎn)決定了研究區(qū)在頁(yè)巖氣勘探中容易獲得高產(chǎn),但長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)可能會(huì)面臨著一定的挑戰(zhàn)。