頁巖孔隙形態(tài)對天然氣富集的影響
——以六盤水地區(qū)為例*

張佳霖，黃宇琪，葉旅秀，孫小飛，龔麗花，何小慶

（六盤水師范學院礦業(yè)與土木工程學院，貴州 六盤水 553000）

頁巖氣以吸附態(tài)與游離態(tài)為主要賦存狀態(tài)，主體賦存于頁巖層系中的天然氣[1-4]。在“碳中和”能源結(jié)構(gòu)改革的背景下，未來30年內(nèi)，天然氣作為一種較為綠色環(huán)保的化石能源，在國家能源結(jié)構(gòu)中占比將逐漸增大，逐步取代煤炭及石油，成為國家能源支柱。近年來，中國頁巖氣資源研究不斷推進，在四川盆地等地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)開采，成為中國天然氣儲量和產(chǎn)量的重要增長點之一。頁巖是頁巖氣資源的主要儲層，是一種十分致密的巖石，孔隙度小，滲透率低，與傳統(tǒng)砂巖儲層性質(zhì)完具有重大差異。隨著學者對頁巖儲層性質(zhì)的研究逐漸深入，孔隙形態(tài)對頁巖中天然氣富集狀態(tài)的影響逐漸被認識。

貴州地處四川盆地外緣，具有重大頁巖氣資源潛力，目前正安縣等地區(qū)已實現(xiàn)了勘探突破。六盤水地區(qū)龍?zhí)督M含煤頁巖層系是中國西南地區(qū)傳統(tǒng)的重要煤炭產(chǎn)層，也是目前中國南方重要的海陸過渡相潛質(zhì)頁巖層系，目前的勘探研究已經(jīng)揭示該層系具有重大頁巖氣資源潛力，是省內(nèi)下一個有望實現(xiàn)突破的重點勘探區(qū)之一。六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖有機地化條件良好，具有較好的生烴潛力，其儲層精細化研究成為實現(xiàn)勘探突破的重要研究領(lǐng)域，而孔隙形態(tài)特征研究則是開展精細化儲層研究的基礎(chǔ)。

中國各地區(qū)頁巖氣地質(zhì)資源量如圖1 所示。

圖1 中國各地區(qū)頁巖氣地質(zhì)資源量

1 地質(zhì)概況

六盤水地區(qū)位于貴州省西部烏蒙山區(qū)，構(gòu)造以北向東斷裂和背斜為主，構(gòu)造帶附近的巖體中可見節(jié)理發(fā)育，地貌以高中山為主。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系等地層，其中二疊系龍?zhí)督M為潮坪—泄湖相含煤頁巖層系，巖性相對較為復(fù)雜，夾層較多，相變較快，具有海陸過渡相的典型特征。在貴州省內(nèi)主要分布于正安—興仁一線以西，六盤水地區(qū)為其主要分布區(qū)之一，總厚23～356 m，整體厚度大，埋深基本介于300～2000 m，保存條件良好。分析統(tǒng)計六盤水地區(qū)及周緣地區(qū)的200 個龍?zhí)督M泥頁巖巖芯及露頭樣品的地球化學測試數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖總體的有機質(zhì)含量相對較高，處在過成熟早期生干氣階段，生氣條件較好[4]。

晚二疊世龍?zhí)镀趲r相古地理圖如圖2 所示。

圖2 晚二疊世龍?zhí)镀趲r相古地理圖[5]

2 頁巖孔隙形態(tài)

頁巖孔隙形態(tài)研究對象主要包括孔隙大小和孔隙形狀?？紫陡鶕?jù)形狀和發(fā)育位置可劃分為粒間孔、粒內(nèi)孔、有機質(zhì)孔和微裂縫4 類。其中由于黏土礦物晶體形態(tài)以絲狀、片狀等為主，黏土礦物粒內(nèi)孔為無機孔中形態(tài)較為復(fù)雜的一種，孔徑也相對較小，是吸附氣賦存的重要儲集空間之一，石英、黃鐵礦、長石、碳酸鹽巖礦物等晶體之間的粒間孔及晶體內(nèi)發(fā)育的溶蝕孔相對孔徑較大，多屬于中～大孔，是游離氣賦存的重要儲集空間。而有機質(zhì)孔是富有機質(zhì)頁巖與砂巖不同的特征性儲集空間，其形態(tài)受到有機質(zhì)成熟度等多種因素影響，形態(tài)多樣。常見形狀有凹坑狀、蜂窩狀、橢球狀等，孔徑變化較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、連通性從好到差的孔均可觀察到，是頁巖儲集空間的重要組成部分。常見的微裂縫有構(gòu)造縫、收縮縫等，構(gòu)造縫常見于石英、長石、碳酸鹽巖顆粒等脆性礦物顆粒中，收縮縫常發(fā)育于顆粒邊緣，多與成巖作用有關(guān)，裂縫的發(fā)育對提升孔隙連通性、提高儲層滲流性具有重要意義[2，4]。

孔隙形態(tài)對于頁巖儲氣能力和滲流能力均有重要影響，孔隙度和孔徑分布相似的頁巖氣儲層也會因為孔隙形態(tài)的差別而使其儲氣能力和滲流能力有很大不同。因此，研究頁巖孔隙形態(tài)在精確表征頁巖儲層特征有著極大的作用。

3 六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖孔隙形態(tài)

針對六盤水地區(qū)龍?zhí)督M孔隙形態(tài)開展了定性研究和定量研究，主要通過氬離子拋光-掃描電鏡對孔隙形狀進行了觀察，并通過氮氣吸附實驗對其孔徑、形態(tài)等進行了定量研究。由于區(qū)內(nèi)鉆井資料較少，且龍?zhí)督M在貴州地區(qū)地質(zhì)條件類似，因此本次研究結(jié)合了周緣地區(qū)的鉆井、露頭樣品研究成果。

氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡觀察顯示：龍?zhí)督M頁巖無機粒間孔、無機粒內(nèi)孔、微裂縫及有機質(zhì)孔4 大類孔隙均有發(fā)育。其中，黏土礦物粒間孔及黏土礦物粒內(nèi)孔比較發(fā)育，并可見聚莓狀黃鐵礦內(nèi)部晶間孔，偶見石英、方解石表面溶蝕孔；有機質(zhì)孔發(fā)育情況良好，可見聚莓狀黃鐵礦晶間充填有機質(zhì)，并在其中發(fā)育有機質(zhì)孔，該部分有機質(zhì)孔在黃鐵礦晶體形成的骨架保護下，多形態(tài)完整，結(jié)構(gòu)清晰，由于研究區(qū)有機質(zhì)成熟度適中，并未大規(guī)模達到過成熟中～晚期階段，因此，有機質(zhì)孔多為橢球狀，少見凹坑狀，僅在部分與聚莓狀黃鐵礦伴生的有機質(zhì)內(nèi)部可見蜂窩狀，整體多為獨立發(fā)育，連通性不佳；有機質(zhì)及黏土礦物顆粒邊緣收縮縫較為發(fā)育，巖石整體脆性礦物含量偏低，因此構(gòu)造微裂縫相對偏少。

通過對區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M頁巖樣品進行氮氣吸附實驗，根據(jù)其吸附、脫附數(shù)據(jù)得到吸附曲線和脫附曲線圖，結(jié)合IUPAC 對標準吸附等溫線類型的劃分，結(jié)果顯示試驗樣品滯后環(huán)形態(tài)主要為H2 型和H4 型，反映龍?zhí)督M孔隙形態(tài)以細頸廣體的墨水瓶孔和狹縫型孔為主。運用BJH 理論分析龍?zhí)督M煤系泥頁巖樣品的孔徑分布特征，結(jié)果顯示孔徑分布峰值主要集中1.5～9.0 nm，頁巖的平均孔徑為3.04～18.10 nm，以中孔為主。運用BET 方程獲得頁巖比表面積及總孔體積，結(jié)果表明比表面積介于1.20～23.00 m2/g ，其平均值是12.03 m2/g，孔隙比表面積較大，其總孔體積是0.005438 ～0.035502 m3/g，平均值是0.017379 m3/g，龍?zhí)督M頁巖大量發(fā)育的微～中孔，及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機質(zhì)孔和黏土礦物晶間孔，在孔隙度相似的條件下能大大提高頁巖的比表面積，從而提高巖石對吸附氣的儲集能力[3]。龍?zhí)督M泥頁巖孔隙類型如圖3 所示。

圖3 龍?zhí)督M泥頁巖孔隙類型

4 孔隙形態(tài)對頁巖氣富集的影響

根據(jù)上文中研究成果可知，六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖孔隙形態(tài)具有以墨水瓶狀、狹縫狀為主，中～微孔比例較大，比表面積較大等特點。因為微孔的孔道和孔壁間距特別小，甲烷等烴類分子與表面之間存在很強烈的相互作用[6]，加之比表面積較大，有利于吸附態(tài)天然氣在孔隙表面賦存，而有利于游離態(tài)天然氣聚集的大孔和微裂縫則占比較低，這一特征是導(dǎo)致實測數(shù)據(jù)中反映出的不壓裂情況下解吸氣量僅占總含氣量比例20%左右現(xiàn)象的重要因素之一。同時，六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖孔徑偏小，有機質(zhì)孔占有一定比例，脆性礦物含量低，黏土礦物含量高，整體孔隙形態(tài)復(fù)雜，連通性相對較差，天然氣自然解吸并被采出的比例較低，資源的天然產(chǎn)能偏低，需要進行人工壓裂造縫，提高孔隙度及孔隙連通性，促進吸附態(tài)天然氣解吸，并通過裂縫系統(tǒng)被開采，從而提高整體資源采收率。

5 結(jié)論

六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖總厚23～356 m，埋深基本介于300～2000 m。分析統(tǒng)計六盤水地區(qū)及周緣地區(qū)的200 個龍?zhí)督M泥頁巖巖芯及露頭樣品的地球化學測試結(jié)果，結(jié)果顯示六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖總體有機質(zhì)含量相對較高，處在過成熟早期生干氣階段，生氣條件較好。

針對六盤水地區(qū)龍?zhí)督M孔隙形態(tài)開展了定性研究和定量研究。研究表明：龍?zhí)督M頁巖無機粒間孔、無機粒內(nèi)孔、微裂縫及有機質(zhì)孔4 大類孔隙均有發(fā)育，其中以有機質(zhì)孔和黏土礦物晶間孔為主?？紫缎螒B(tài)以墨水瓶狀、狹縫狀為主，龍?zhí)督M頁巖大量發(fā)育微～中孔，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在孔隙度相近的條件下能大大提高頁巖的比表面積，從而提高巖石對吸附態(tài)天然氣的儲集能力。

六盤水地區(qū)龍?zhí)督M頁巖孔隙形態(tài)特點有利于吸附態(tài)天然氣在孔隙表面賦存，而大孔和微裂縫在總孔隙中占比較低，導(dǎo)致游離態(tài)天然氣聚集場所有限，實測數(shù)據(jù)也證明這樣的孔隙形態(tài)特征使得吸附氣在龍?zhí)督M總含氣量中占比相對較大。同時，孔隙形態(tài)復(fù)雜，孔隙連通性相對較差的整體特點也而導(dǎo)致資源的天然產(chǎn)能偏低，需要進行針對性的壓裂作業(yè)，提高開采效率。