基于孔隙結(jié)構(gòu)的頁巖滲透率研究

田 軍 趙瑾浩 趙 磊 金佳旭 史高科 鄭 旭 陳天宇

（1.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，遼寧沈陽 110819；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

頁巖氣作為一種“自生自儲”的優(yōu)質(zhì)烴源巖，已逐步成為常規(guī)不可再生能源的重要補(bǔ)充，北美地區(qū)頁巖氣的成功開采引起了世界各國的關(guān)注。中國的頁巖氣資源量為25×1012m3［1-2］。近年來，中國四川盆地周緣頁巖氣勘探和開發(fā)工作取得了重大突破，龍馬溪組層位有將近250多口頁巖氣井獲得了穩(wěn)定的產(chǎn)氣量。然而，牛蹄塘組多數(shù)頁巖氣井卻表現(xiàn)出產(chǎn)氣量低和產(chǎn)氣持續(xù)時間短等問題，在四川盆地周緣地區(qū)僅有幾口井微見氣［3-7］。頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)控制著頁巖氣的賦存空間和流體運(yùn)移能力，儲層、區(qū)塊地質(zhì)成因差異引起的含氣頁巖孔隙結(jié)構(gòu)差異是影響滲透率和頁巖氣產(chǎn)量的重要因素。

富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性顯著，孔隙度低［8-11］。不同類型的微納米孔隙對頁巖氣的儲集和運(yùn)移作用不同，根據(jù)IUPAC分類，可將孔隙分為微孔（直徑＜2 nm）、中孔（直徑2～50 nm）、大孔（直徑＞2 nm）［12-13］。富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙由微孔和中孔主導(dǎo)，大孔發(fā)育及孔隙連通性較差［14］。總有機(jī)碳含量（TOC）、礦物組分與頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。LOUCKS等［9，15］將頁巖中主要儲集空間分為無機(jī)質(zhì)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙和微裂縫，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)孔隙為頁巖氣賦存提供了主要空間。大量研究表明：有機(jī)質(zhì)孔隙不僅能夠為頁巖氣提供重要的存儲場所，還控制著開采后期氣體的解吸和擴(kuò)散，最終影響頁巖氣的長期穩(wěn)產(chǎn)產(chǎn)量，而頁巖中有機(jī)孔隙的發(fā)育取決于頁巖中的總有機(jī)質(zhì)含量。脆性礦物和黏土礦物含量也是影響頁巖孔隙發(fā)育的重要因素，脆性礦物是游離氣體的主要賦存空間，是影響氣體開采前期高產(chǎn)的主要因素；黏土礦物是儲層中吸附態(tài)頁巖氣重要的賦存場所，影響開采后期吸附氣體的解吸和產(chǎn)量［16］。

基于高壓壓汞法或者壓汞法和氮?dú)馕椒?lián)合應(yīng)用來表征頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的試驗研究已經(jīng)較為常見，頁巖地質(zhì)參數(shù)的變化在頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的評價中扮演著重要角色［17-19］。然而孔隙結(jié)構(gòu)特征只能從側(cè)面反映頁巖的滲流能力，為了分析頁巖孔隙結(jié)構(gòu)對產(chǎn)量影響的內(nèi)在機(jī)理，以我國具備開發(fā)潛力的四川龍馬溪組與湖南湘西牛蹄塘組頁巖為研究對象，將富有機(jī)質(zhì)頁巖儲層的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)、高壓壓汞法和低溫氮?dú)馕椒?lián)合測定的孔隙結(jié)構(gòu)及滲透率結(jié)合起來，分析頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征對頁巖滲透率的影響。利用高壓壓汞方法測定頁巖的中孔結(jié)構(gòu)特征和滲透率，利用低溫氮?dú)馕綔y定頁巖微孔分布特征，分析總有機(jī)碳含量（TOC）和礦物成分含量對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率的影響，探討地質(zhì)參數(shù)對于頁巖氣儲層中流體運(yùn)移的影響。

1 樣品描述及試驗方法

1.1 樣品及地化參數(shù)測定

四川盆地在地質(zhì)構(gòu)造上屬于上揚(yáng)子地臺區(qū)東南部，在早古生代和晚古生代時期，揚(yáng)子板塊經(jīng)歷了幾次大規(guī)模海侵事件，構(gòu)成了以下寒武紀(jì)、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)等為代表的黑色頁巖［20-21］。本研究選取的龍馬溪組頁巖分布于四川盆地東南邊緣，形成于晚奧陶統(tǒng)至志留系早期的地質(zhì)時期，屬于淺水陸棚相。本研究選取的寒武統(tǒng)時期的湖南湘西牛蹄塘組頁巖的沉積相以淺水—深水陸棚沉積為主［22-24］。龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖儲層厚度大，分布范圍廣，蓋層深度大，熱成熟度、有機(jī)質(zhì)含量及硅質(zhì)礦物含量較高，兩者都被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)的烴源巖［25-28］。

首先對所選樣品進(jìn)行TOC含量和礦物成分含量測定。TOC含量測定采用LECO CS-230碳硫分析儀，測試步驟嚴(yán)格按照《沉積巖中總有機(jī)碳的測定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 19145—2003）執(zhí)行。利用X射線衍射儀對頁巖樣品進(jìn)行了全巖礦物成分測定，包括脆性礦物（石英、方解石、長石等），黃鐵礦以及黏土礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石、伊蒙混層、綠蒙混層和蒙皂石類）含量的測定。

1.2 孔隙結(jié)構(gòu)及滲透率試驗方法

頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征分析常用的手段包括高壓壓汞和低溫氮?dú)馕剑?4，29-33］。由于毛細(xì)管壓力的存在，汞難以進(jìn)入納米級孔隙，若進(jìn)汞壓力過大易損傷試樣。低溫氮?dú)馕椒梢詮浹a(bǔ)壓汞法的不足，氮?dú)馕椒ǖ奶綔y下限可以達(dá)到0.35 nm，壓汞法和氮?dú)馕椒ǖ穆?lián)合測定能夠探測到頁巖儲層微—納米級孔隙結(jié)構(gòu)［34-36］。

首先，利用美國康塔公司Poremaster PM-33-13壓汞儀測試和分析頁巖樣品的中孔和大孔分布。在進(jìn)行壓汞試驗前將5塊頁巖樣品放置于溫度為105℃的干燥箱內(nèi)烘干24 h至恒重，然后自然冷卻至室溫。最大的進(jìn)汞壓力設(shè)定為200 MPa，汞與頁巖樣品的接觸角為θ=140°，通過改變注入壓力獲得毛管壓力曲線和孔隙分布曲線。為了能夠全面表征頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征，對頁巖樣品進(jìn)行低溫氮?dú)馕皆囼?，以研究頁巖納米級孔隙的分布特征。在氮?dú)馕皆囼為_始前，需要將所有頁巖樣品放置于110℃真空條件下進(jìn)行干燥脫氣處理8 h。然后在低溫環(huán)境（-196.15℃）下測定頁巖樣品的等溫吸附—解吸曲線。低溫氮?dú)馕皆囼灪螅捎肂JH的方法來確定樣品的孔隙體積和孔隙分布等孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。最后，利用美國巖心公司的113型氦孔隙度儀、112型空氣滲透率儀分別測定5塊頁巖樣品的孔隙度和相應(yīng)的滲透率，以分析孔隙分布對頁巖儲層滲透率的貢獻(xiàn)與影響。

2 地質(zhì)參數(shù)對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響

2.1 TOC含量對頁巖孔隙與滲透率的影響

儲層中的有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中會發(fā)生裂解產(chǎn)生氣體，并在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部形成大量有機(jī)質(zhì)孔隙。本研究采用的四川龍馬溪組和湖南牛蹄塘組頁巖樣品的TOC含量見表1。由表1可知：龍馬溪組頁巖樣品的TOC含量為2.19%～4.54%，平均含量為3.065%，牛蹄塘組頁巖樣品的TOC含量達(dá)到8.06%，均屬于有開發(fā)潛力的頁巖氣藏［21］。

TOC含量與頁巖孔隙度和滲透率的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知：TOC含量與樣品孔隙度呈正相關(guān)，頁巖樣品孔隙度隨著TOC含量的增加而增加，說明有機(jī)碳含量的增加使得頁巖儲層中的納米級孔隙大量發(fā)育。然而，TOC含量與滲透率沒有明顯的相關(guān)性，表明盡管TOC含量是生烴和孔隙發(fā)育的關(guān)鍵性因素，但并不代表較高的TOC含量可以改善孔隙的連通程度。盡管本研究頁巖樣品中牛蹄塘組頁巖的孔隙度最大，其滲透率卻相對較低，說明除了孔隙度外，滲透率還受孔隙迂曲度、有機(jī)質(zhì)的熱成熟度等因素影響，這可能是牛蹄塘組頁巖氣開發(fā)未能取得很好效果的原因。

2.2 礦物成分對頁巖孔隙及滲透率的影響

本研究龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖樣品的礦物成分見表2。分析表2可知：龍馬溪組頁巖樣品中石英含量為33.2%～59.25%，脆性礦物總含量（包括石英、方解石、長石、黃鐵礦等）為71.8%～87.1%；牛蹄塘組頁巖樣品的石英含量達(dá)到了65%，脆性礦物總含量為77.3%。

圖2所示龍馬溪組頁巖樣品中脆性礦物的含量與孔隙度和滲透率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。分析可知：脆性礦物表面較為致密，孔隙不發(fā)育，較多的脆性礦物含量不利于頁巖有效滲流網(wǎng)絡(luò)的形成。

富有機(jī)質(zhì)頁巖的黏土礦物包括伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石、綠蒙混層、伊蒙混層和蒙皂石類等，黏土礦物含量是頁巖氣藏開采的重要參數(shù)［37］。龍馬溪組頁巖樣品的黏土礦物含量為12.9%～28.2%，平均含量為19.63%，牛蹄塘組頁巖的黏土礦物含量為22.7%。其中龍馬溪組頁巖樣品的伊利石和伊蒙混層占黏土礦物的比重最大，而牛蹄塘組頁巖樣品的黏土礦物組成成分中幾乎只含有伊利石。蒙脫石有著較好的吸附性能和較多的孔隙數(shù)量，在地質(zhì)演化過程中蒙脫石會經(jīng)過脫水之后轉(zhuǎn)化成伊利石，伊蒙混層含量的比重越大，黏土礦物對于頁巖孔隙的貢獻(xiàn)程度越大，且整理連通性較好。而伊利石中納米級孔隙幾乎不發(fā)育，連通性較差［28，38］。由圖3可知：黏土礦物含量與孔隙度的相關(guān)性不明顯，但黏土礦物含量對于樣品滲透率的影響較大，隨著黏土礦物含量的增加滲透率呈現(xiàn)上升的趨勢。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于黏土礦物多呈成層狀沉積，其內(nèi)部發(fā)育的狹長納米層間裂隙為頁巖內(nèi)部氣體流動提供了優(yōu)勢通道。

2.3 頁巖中孔隙對滲透率的影響

高壓壓汞試驗獲得的頁巖樣品的孔隙度、滲透率、進(jìn)汞飽和度和退汞率等參數(shù)見表3。由表3可知：5塊樣品的進(jìn)汞飽和度為39.47%～82.32%，進(jìn)汞飽和度的大小說明了汞進(jìn)入巖樣的難易程度，進(jìn)汞飽和度越大表明儲層孔隙之間的連通性越好。頁巖樣品的退汞率與進(jìn)汞飽和度成反比，本研究頁巖樣品的退汞率為19.44%～71.62%，龍馬溪組頁巖樣品的進(jìn)汞飽和度與巖樣的滲透率呈正相關(guān)關(guān)系，與巖樣的孔隙度無明顯的相關(guān)性。同時發(fā)現(xiàn)黏土礦物含量與退汞率成反比，這和已有研究結(jié)論相一致［39］。TOC含量與壓汞試驗中的進(jìn)汞飽和度和退汞率無明顯關(guān)系，也進(jìn)一步證明了相比于TOC含量，黏土礦物含量對儲層滲透率的影響更加明顯。

本研究獲得的頁巖試樣毛管壓力曲線如圖4所示，從圖4中可以看出本研究選用的頁巖樣品進(jìn)退汞過程毛細(xì)管壓力曲線均存在滯后現(xiàn)象，表明頁巖樣品中存在狹窄孔喉連接孔隙結(jié)構(gòu)（即存在墨水瓶形孔隙），儲層中連接墨水瓶形孔隙的孔喉尺寸通常在中孔或者微孔的范圍內(nèi)。龍馬溪組其余頁巖樣品的退汞率均較低，也證明了頁巖中瓶形孔隙的存在，這種孔隙結(jié)構(gòu)能夠為頁巖氣提供很大的賦集空間，但是卻不利于流體的流通和運(yùn)移。牛蹄塘組NTT頁巖樣品的退汞效率最低，表明牛蹄塘組頁巖樣品中瓶形孔隙存在的數(shù)量比龍馬溪組頁巖多，且孔隙連通性最差，如此較差的孔隙結(jié)構(gòu)不利于儲層基質(zhì)中氣體的滲流，也解釋了孔隙度最大的牛蹄塘組頁巖樣品具有較小滲透率的原因。在進(jìn)汞壓力較小的條件下5塊試樣的進(jìn)汞曲線基本重合，進(jìn)汞量較小，說明本研究選取的頁巖樣品幾乎不存在大孔。

富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品的孔喉分布頻率以及不同孔徑的孔隙對于樣品滲透率的影響如圖5所示。分析圖5可知：四川龍馬溪組頁巖樣品與湖北牛蹄塘組頁巖樣品孔喉主要分布在中孔范圍內(nèi)，孔喉直徑大于50 nm的孔隙幾乎不存在，由于測量手段的局限性，孔喉直徑小于2 nm的孔隙未被測量出來。5塊頁巖試樣孔喉直徑為4～40 nm，LMX-3巖樣孔徑在25～40 nm范圍的孔隙大量發(fā)育，且孔徑尺寸為40 nm左右的孔隙數(shù)量是5塊巖樣中最多的?？讖匠叽巛^大的孔隙承擔(dān)了氣體分子在孔隙之間流動的大部分任務(wù)，從前文獲得的LMX-3具有最大的滲透率也能夠得到證明。從孔徑分布對滲透率的貢獻(xiàn)結(jié)果來看，5塊頁巖樣品在測量范圍內(nèi)孔徑尺寸最大孔隙的滲透率貢獻(xiàn)程度是最高的，其數(shù)值均超過了60%。

2.4 頁巖微孔對滲透率的影響

低溫氮?dú)馕绞且环N常用于分析多孔結(jié)構(gòu)的孔隙體積和分布的試驗手段，當(dāng)相對壓力逐漸增大時，微孔將會被氮?dú)獬涮?，然后氮?dú)鈺M(jìn)入到中孔內(nèi)，最終吸附性氣體會將大孔填滿。本研究選用的頁巖樣品等溫吸附—解吸曲線見圖6。由圖6可知：氮?dú)馕角€和解吸曲線不重合，出現(xiàn)滯后回線。根據(jù)IUPAC分類標(biāo)準(zhǔn)可將氮?dú)獾葴匚健馕€分為4種類型，H2類型的滯后回線常伴隨著瓶形孔隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，曲線有明顯的拐點(diǎn)。H3類型的滯后回線吸附和解吸曲線幾乎平行，拐點(diǎn)不明顯，對應(yīng)著裂隙狀孔隙［12］。根據(jù)試驗結(jié)果來看，龍馬溪組頁巖樣品的滯后回線與H2類型的滯后回線相似，在相對壓力為0.5附近出現(xiàn)了拐點(diǎn)，說明龍馬溪組頁巖樣品中發(fā)育著瓶形孔隙結(jié)構(gòu)。牛蹄塘組頁巖樣品的滯后回線與H3類型的滯后回線較為相似，拐點(diǎn)并不明顯，表明頁巖樣品中出現(xiàn)了狹窄的裂隙狀孔隙。

采用低溫氮?dú)馕娇讖椒植挤椒ㄖ械腂JH法獲得的孔徑分布見圖7。分析可知：本研究頁巖樣品孔徑主要分布于2～50 nm區(qū)間，屬于中孔范圍，孔徑大于50 nm的孔隙較少。低溫液氮測試結(jié)果表明，本研究選取的頁巖中孔和微孔發(fā)育良好，大孔幾乎不發(fā)育，這種孔徑分布峰趨勢與高壓壓汞法試驗結(jié)果一致。龍馬溪組頁巖樣品在孔徑4 nm左右呈單峰分布，牛蹄塘組頁巖樣品孔徑在4 nm左右和7 nm左右出現(xiàn)了兩個明顯的峰值，但是牛蹄塘組巖樣的孔徑分布曲線的峰值要明顯低于龍馬溪組巖樣，說明牛蹄塘組頁巖的孔隙發(fā)育程度較差。

本研究頁巖孔隙表面積、孔隙體積與有機(jī)碳含量和黏土礦物含量的關(guān)系見表4，可以發(fā)現(xiàn)LMX-3試樣的孔隙表面積和孔隙體積都是最大的。盡管牛蹄塘試樣的孔隙表面積是最小的，僅為3.567 m2/g，但是其孔隙體積達(dá)到了0.013 17 cc/g。隨著TOC含量的增加，龍馬溪組頁巖樣品孔隙表面積和孔隙體積也隨之增加，說明有機(jī)質(zhì)孔隙在頁巖孔隙結(jié)構(gòu)中占有很大的比重，TOC的含量是納米級孔隙發(fā)育的主要控制因素，黏土礦物含量對于頁巖孔隙表面積和體積的影響沒有TOC含量的控制作用明顯。盡管牛蹄塘組頁巖試樣有機(jī)碳含量很大，其孔隙表面積卻是最小的，原因可能在于有機(jī)質(zhì)在生烴過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動，致使部分有機(jī)質(zhì)孔隙坍塌，產(chǎn)生了大量封閉死孔隙，使得孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化?？紫侗砻娣e、孔隙體積與頁巖樣品的孔隙度成正比關(guān)系，與滲透率不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié) 論

（1）富有機(jī)質(zhì)頁巖TOC為頁巖提供了大量的有機(jī)質(zhì)孔隙，頁巖TOC含量與孔隙度呈正相關(guān)，然而TOC含量與頁巖儲層的滲透率無明顯相關(guān)性。脆性礦物含量與孔隙度和滲透率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明脆性礦物的孔隙不發(fā)育、連通性較差。黏土礦物多呈成層狀沉積，黏土礦物與孔隙度的相關(guān)性不明顯，但隨著黏土礦物含量的增加頁巖滲透率呈現(xiàn)上升的趨勢，其內(nèi)部發(fā)育的狹長納米層間裂隙為頁巖內(nèi)部氣體流動提供了優(yōu)勢通道。

（2）頁巖樣品的進(jìn)汞飽和度與巖樣的滲透率呈正相關(guān)關(guān)系，與巖樣的孔隙度無明顯的相關(guān)性。頁巖樣品孔隙中分布著墨水瓶形孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙之間連通性差。龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖樣品的孔徑分布于4～40 nm區(qū)間，屬于中孔范圍?？讖匠叽缗c孔隙對頁巖滲透率的貢獻(xiàn)率成正比。分布于10～25 nm區(qū)間的孔隙對于頁巖滲透率的貢獻(xiàn)率均超過了60%，中孔主要承擔(dān)著流體的賦存和運(yùn)移任務(wù)。

（3）龍馬溪組頁巖樣品在孔徑為4 nm左右呈單峰分布，牛蹄塘組頁巖樣品在孔徑為4 nm和7 nm左右呈雙峰分布，且牛蹄塘組頁巖樣品納米級孔隙的數(shù)量明顯少于龍馬溪組頁巖樣品。相比于黏土礦物含量，TOC含量的變化對于頁巖儲層孔隙表面積和體積的影響更為明顯，但是孔隙表面積和孔隙體積大小與頁巖樣品的滲透率沒有明顯的相關(guān)性，暗示著孔隙形態(tài)與連通程度對頁巖滲透率有著更為重要的影響。