渝東南地區五峰—龍馬溪組頁巖納米級孔隙特征及其成藏意義

摘 要：通過氮氣吸附法可得到頁巖比表面積、孔徑分布、孔體積等參數，結果表明，渝東南地區五峰-龍馬溪組段頁巖樣品比表面積為5.17～13.64m2/g；孔體積為3.02～8.89×10-3ml/g；平均孔徑為5.12～6.58nm。對頁巖各孔隙參數之間的相關性進行分析，結果表明，當孔徑小于5nm時，隨著孔徑的增大，比表面積迅速減小，孔徑大于5nm左右，隨著孔徑的增大，比表面積基本上保持不變；微孔的孔體積與孔徑具有負相關關系，中孔和宏孔的孔體積與孔徑呈明顯的正相關關系。分析影響頁巖孔隙發育的因素，認為礦物組分、有機質成熟度、有機質含量是影響頁巖納米級孔隙發育的因素，但有機質含量對納米級孔體積和比表面積的發育起絕對控制作用。

關鍵詞：渝東南地區；頁巖氣；納米孔；五峰-龍馬溪組；影響因素；成藏意義

引言

頁巖氣主要以吸附態和游離態賦存于微孔隙、裂縫中，還有部分溶解在水和液態烴中，巖石孔隙是頁巖氣的主要儲集空間，約有一半的頁巖氣存儲于孔隙中，2011年我國首次在非常規油氣儲層中發現了納米級孔隙，并認識到納米級孔隙中的流體主要為非線性滲流，這一認識改變了微米級孔隙是油氣儲層唯一微觀孔隙的傳統認識[1]。之后，我國學者針對頁巖儲層納米級孔隙特征做了大量的研究工作，探討了納米級孔隙對孔隙體積、比表面積的影響，進一步論述了納米級孔隙對頁巖氣成藏的意義，并分析了影響納米級孔隙發育的主控因素。

1 納米級孔隙特征

頁巖中的納米級孔隙規模及孔隙分布特征主要通過孔隙直徑、孔隙比表面積及孔隙體積等來表征[2]。頁巖作為一種有孔性物質，其孔隙特征能用吸附與凝聚理論，通過氮氣吸附實驗得到[3]。氮氣吸附法運用BET公式和BJH方法[4]，可以得到頁巖比表面積、孔徑分布、孔體積、平均孔徑等參數。Loucks[5]等根據孔隙尺寸大小，將泥頁巖中的微孔隙劃分為納米級孔隙（d<750nm）和微米級以上孔隙（d>750nm），而作為頁巖中天然氣主要的賦存場所，納米級孔隙備受關注，根據納米孔隙直徑的大小，將納米級孔隙劃分為直徑小于2nm的納米級微孔隙、2～50nm的納米級中孔隙及大于50nm的納米級宏孔隙。

從四口參數井YC4井、YC6井、YC7井和YC8井經氮氣吸附分析得到的平均孔徑、比表面積、孔體積分布圖看，五峰-龍馬溪組段頁巖樣品比表面積為5.17～13.64m2/g，平均為8.54m2/g，遠遠大于致密砂巖儲層比表面積，這為頁巖氣吸附提供了非常有利的條件；四口井的BJH總孔體積為3.02～8.89×10-3ml/g，平均為5.23×10-3ml/g；四口井的平均孔直徑相差不大，為5.12～6.58nm，平均為5.75nm（圖1），根據IUPAC的分類，頁巖平均孔徑在中孔范圍內。

頁巖的平均孔徑和孔比表面積以及孔體積之間具有相關性，從平均孔徑與比表面積的關系圖可以看出（圖2、圖3），比表面積的大小與孔徑的大小有很大的關系，孔徑越小，比表面積越大。

當平均孔徑小于5nm，隨著孔徑的增大，比表面積迅速減小，孔徑在5nm左右，比表面積減小最到小值，之后，隨著孔徑的增大，比表面積基本上保持不變，說明微孔是頁巖比表面積的主要貢獻者，構成了頁巖氣體吸附的主要空間。

從圖中可以看出，孔徑在2nm左右，孔體積出現最小值，孔徑小于2nm時，隨著孔徑的增大孔體積減小，即微孔的孔體積與孔徑具有負相關關系，中孔和宏孔的孔體積與孔徑呈現明顯的正相關關系。并且，頁巖樣品的埋深越大，孔體積越大。

2 影響納米級孔隙體積及比表面積發育的因素

頁巖中納米孔發育的主要類型有：有機質納米孔、粘土礦物粒間孔、粒內晶間孔、溶蝕孔和微裂縫[2，6-7]，影響頁巖孔隙發育的主要因素有礦物組分、有機質成熟度、有機質含量，研究者認為頁巖納米級孔隙體積和比表面積可能同時受這些因素的影響[8]。武景淑[9]等對渝東南渝頁1井龍馬溪組頁巖樣品的分析表明，石英含量和微孔體積、中孔體積呈負相關關系，和宏孔體積呈正相關關系，粘土礦物含量和微孔體積、中孔體積呈正相關關系，和宏孔體積呈負相關關系，而陳尚斌[10]等對川南龍馬溪組頁巖的研究表明粘土礦物與脆性礦物和頁巖孔體積、比表面積的相關性不明顯，因此，頁巖礦物組分和孔體積及比表面積的關系暫時不清楚。

程鵬[11]等通過對富有機質開展熱模擬實驗，結果表明頁巖孔體積隨成熟度的增加而增大，在Ro小于3.5%時，頁巖比表面積隨成熟度的增加而增加，之后隨成熟度的增加比表面積有變小的趨勢。推測可能是由于隨著成熟度的增加，微孔占總孔的比例變小，中孔和宏孔所占的比例相對變大，而微孔能提供較大的比表面積，中孔和宏孔能提供較大的孔體積，因此，孔體積隨成熟度的增加而增大，而比表面積在Ro在小于3.5%隨成熟度增加而增加，之后變小。

孔體積及比表面積和有機質含量均具有很好的正相關關系。富有機質頁巖中黏土礦物含量高，粘土礦物具有較高的比表面積，蒙脫石比高嶺石的比表面積大90多倍[12]，蒙脫石是頁巖礦物比表面積的主要貢獻者，吸附能力是比表面積最直觀的體現，比表面積越大，吸附能力越強，由于有機質是一種成分復雜的混合物，比表面積無法直接測量，但是多位學者均證實[13]，在其他條件相近的情況下，頁巖吸附能力和有機質含量呈正相關關系，張寒等[14]的實驗也證實，有機質對甲烷的吸附能力是黏土礦物的11.3倍，因此，可推測有機質相對于其它礦物對頁巖的比表面積起絕對的控制作用。有機質同時也是控制孔體積發育的主要因素。

3 納米級孔隙對頁巖氣成藏的意義

頁巖氣主要以吸附態賦存于頁巖孔隙中，納米級孔隙為低滲透頁巖的重要儲集空間。頁巖的總孔體積和比表面積具有較強的甲烷吸附能力，提供大量比表面積和孔體積的富有機質頁巖能儲集豐富的頁巖氣。納米孔由于具有極小的孔壁間距，孔壁對甲烷分子相互作用的勢能是疊加的，因此，孔徑較小的納米孔的吸附能力更強[1，15]，渝東南龍馬溪組頁巖的平均孔徑小于7nm，且納米級孔及其發育，甲烷氣體分子可以穩定的吸附在納米孔的孔壁；我國頁巖發育區經歷多期次的構造運動，頁巖成熟度高、裂縫發育，地層超壓是實現頁巖氣商業化開發的一個重要參數[16]，而納米級孔隙是超壓形成的物質基礎，納米級孔隙的發育會在頁巖層中形成超低含水飽和度現象，只有在超低含水飽和度的情況下才能形成超壓頁巖氣藏[17]；并且，在經過壓實作用后，納米孔可以保持連通性，為頁巖氣提供更多的儲集空間。因此，納米級孔隙無論對頁巖的聚集成藏還是富集高產都具有重要的意義。

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