頁巖有機質特征對有機孔發育及儲層的影響
2016-02-12 10:52:35曹濤濤宋之光
特種油氣藏 2016年4期
曹濤濤，宋之光
( 1.中國石化石油勘探開發研究院，江蘇 無錫 214126；2.南京大學，江蘇 南京 210093；3.中國科學院廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640)
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頁巖有機質特征對有機孔發育及儲層的影響
曹濤濤1，2，宋之光3
( 1.中國石化石油勘探開發研究院，江蘇 無錫 214126；2.南京大學，江蘇 南京 210093；3.中國科學院廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640)
已有的勘探證實有機孔是頁巖主要的儲集空間，研究有機孔的發育特征及影響因素是頁巖氣勘探的重要內容。通過對相關文獻進行系統分析，探討了有機孔演化的過程及控制因素，并進一步總結了有機質對頁巖儲層的溶蝕性、含水性和脆性的影響。研究表明：有機孔的發育是高成熟度、較好類型的有機質和易生烴的顯微組分共同作用的結果；已形成的有機孔受壓實、過成熟碳化以及基質瀝青充填等作用的破壞，不利于有機孔的保存；有機質對頁巖儲層的改造體現在有機質熱演化過程中產生的酸性流體溶蝕長石、白云石等礦物形成溶蝕孔，有機孔吸納水分降低吸附能力，以及高有機質含量造成頁巖韌性增強不利于壓裂改造等方面。提出了研究方向：根據中國復雜的陸相、海陸過渡相、海相頁巖氣儲層及成藏條件的差異，在今后的研究中應加強不同沉積相頁巖有機質類型和顯微組成的研究，分析其對有機孔發育的影響，定量化研究有機孔對頁巖儲集物性的貢獻，以及明確有機孔的主要賦存載體。
頁巖儲層；有機孔；有機質特征；溶蝕作用；脆性指數
0 引 言
近年來，國內外學者對頁巖的孔隙結構及含氣性進行了大量的研究工作，認識到頁巖中的孔隙類型繁多，既包含基質裂縫、礦物晶間孔和粒內孔等原生孔隙，也包含有機孔、溶蝕孔和有機質邊緣微裂縫等次生孔隙[1-3]。隨著頁巖孔隙結構研究程度的不斷深入，已經證實了有機孔是大部分高過成熟頁巖中的優勢孔隙類型。國內外學者對頁巖有機孔的發育及其對甲烷吸附的影響做了大量的研究工作[4-5]，認為TOC含量是頁巖有機孔發育最重要的控制因素，其次是有機質類型、成熟度和基質瀝青含量等，但這些因素會因地質時代和沉積環境不同而有較大的差異。所以在頁巖氣勘探過程中，要重點關注有機質自身屬性 (含量、類型、成熟度、顯微組成和基質瀝青等) 對頁巖儲集性能的影響，同時由于有機質也會對頁巖儲層的次生孔隙、含水能力和脆性特征有一定的影響，在頁巖氣勘探和開采過程中進行壓裂時應對此給予足夠的重視。
在大量調研前人研究成果的基礎上，對以下問題進行了探討：① 有機孔隨成熟度的變化以及在過成熟階段的保存與破壞；② 相同成熟度條件下，有機孔發育呈現迥異的現象[6]；③ 基質瀝青對孔隙系統的堵塞和影響；④ 有機質熱演化過程中產生的酸性流體對不同類型頁巖儲層的改造以及有機質對含水性的影響；⑤ 有機質含量對頁巖脆性的影響。
1 有機孔的形成
并不是所有頁巖中的有機質都會發育孔隙，其形成存在2個主要控制因素[7-8]。首先受控于有機質的顯微組分，有些顯微組分在熱演化過程中會生成烴類并從有機質中排出從而產生大量的孔隙，而有些顯微組分在熱解過程中不生烴，故不能形成孔隙；其次受控于成熟度，隨著成熟度的增加，早期生成的烴類可能在干酪根內發生溶脹，堵塞有機孔，進入生烴中后期以后，油和干酪根或焦瀝青的裂解會產生大量孔隙，甚至有學者將有機孔分為干酪根孔和焦瀝青孔[1， 8-10]。有機孔的形成和保留 (或破壞) 機制與其本身特征密切相關，最終能夠發育的有機孔的數量多少及孔徑大小不僅與成熟度和顯微組分密切相關，還受有機質含量、類型及基質瀝青等因素的影響。
2 有機孔發育的影響因素
2.1 TOC含量
一般認為TOC含量是有機孔數量和孔隙體積的主要影響因素，TOC含量越高，就越能夠增加頁巖的儲集能力。但也存在成熟階段的頁巖孔隙度隨著TOC含量的增加表現出先增加后略微降低甚至直接呈現出負相關的現象[11-16]。Milliken等[11]在研究Marcellus頁巖時，發現當TOC<5.6%時，孔隙度呈現出隨TOC含量增加而增加的現象，而當TOC>5.6%時，孔隙度則與TOC之間存在一定的負相關性。涪陵地區JY1井龍馬溪組頁巖和貴州銅仁ZK601井牛蹄塘組頁巖的有機孔發育特征顯示，隨TOC含量的增加，龍馬溪組有機孔的尺寸逐漸變小，而牛蹄塘組頁巖在TOC含量低于5.0%時，會有較多的有機孔發育，而TOC含量高于6.0%時，有機孔發育很少。
高TOC含量對有機孔的抑制可能是機械壓實作用或有機質中包含更多不生烴的顯微組成引起的，或者是二者共同引起。① 高TOC頁巖具有更強的韌性特征，在地層條件下更易受壓實作用的影響，從而導致頁巖中部分無機礦物孔和有機孔被壓縮閉合；低TOC頁巖中的有機孔在剛性礦物格架保護下不易被壓實閉合從而可能具有較高的孔隙度[11]。黃仁春等[17]觀察到JY1井龍馬溪組片狀有機孔呈長條形，多平行于層面或剛性礦物顆粒邊緣，具有明顯的被壓扁特征；而一些剛性礦物顆粒三角地帶的有機孔發育很好，呈現出圓形或橢圓形，這些孔隙受壓實作用影響較小，孔隙形態保留較好。富黏土礦物頁巖中有機孔明顯低于富方解石和硅質礦物的頁巖，原因在于前者更易受壓實造成有機孔的壓縮破壞。②高TOC含量中可能包含更多不生烴的顯微組分，造成有機質顆粒邊緣孔的發育情況比內部好，詳細討論見2.4節。
2.2 成熟度
Curtis等[6，18-19]研究發現，有機質成熟度Ro低于0.90%時有機孔不發育，進入生氣窗以后液態烴開始裂解，有機孔開始發育，孔體積開始增加。針對有機孔發育的成熟度下限的研究已經很多，如Reed等[10]認為Barnett和Haynesville頁巖中有機孔形成始于Ro=0.80%，而 Loucks等[9]和Slatt等[20]則認為Ro=0.60%時已經開始發育有機孔。但針對有機孔保存與破壞的成熟度上限的研究還較少，鄒才能等[3]和王道富等[21]認為，Ro超過3.60%以后有機質發生碳化，內部孔隙被部分破壞甚至完全破壞，由半規則—規則的孔隙形態演變成纖維狀或被壓實成條狀，造成有機孔的體積大幅度減少。Ro在3.60%時有機質具有最高的孔體積，約占有機質體積的35.0%；隨著成熟度持續增加到6.36%，有機質中孔隙體積降到5.0%左右。極高的成熟度既嚴重破壞了有機孔的結構，又會造成氣體的逸失，不利于頁巖氣的富集成藏。
綜上可以看出，有機孔的演化與成熟度之間的關系可以分為3個階段，即形成期(0.60%
2.3 有機質類型
Chalmers等[4]認為，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根比Ⅲ型干酪根更容易裂解生烴和產生有機孔，這與Ⅲ型干酪根轉化為油氣的能力遠低于Ⅰ型和Ⅱ型有關。美國主要含氣頁巖與中國上揚子地區古生界頁巖有機質以生油型或偏生油型的Ⅰ型和Ⅱ型為主[24]，有機孔一般發育較好。Cao等[25]研究發現高過成熟的Ⅰ型和Ⅱ型干酪根中孔隙發育較好，其比表面積分別高達161.23 m2/g和279.84～300.30 m2/g，遠高于黏土礦物，以Ⅲ型干酪根為主的煤所具有的有機孔很少，比表面積只有5.30 m2/g(TOC含量為59.2%)[26]。王中鵬等[27]對貴州畢節龍潭組、袁野等[28]對中國鄂爾多斯盆地山西組Ⅲ型有機質頁巖研究顯示，其主要的儲集空間是礦物晶間孔、灰巖以及砂巖夾層中的剪切裂縫，有機孔整體上發育少，說明Ⅲ型干酪根不利于有機孔的發育。
干酪根中孔隙發育程度也可以通過甲烷吸附含量的高低反映出來。干酪根對氣體的吸附能力由強到弱的順序依次是Ⅲ型、Ⅱ型、Ⅰ型[29]。以Ⅲ型干酪根為主的煤樣具有更高的甲烷吸附能力，這與前人研究的煤的比表面積較低相悖，可能的原因是煤對甲烷分子的吸附是以“籠形化合物”或填充的方式存在于煤層中而不是簡單的單層或多層吸附[30-31]，因而表現出比Ⅰ型和Ⅱ型干酪根更高的甲烷吸附量。Ⅰ型和Ⅱ型干酪根具有非常發育的有機孔，其氣體賦存形式也與煤樣具有明顯不同，也更容易形成頁巖氣藏，說明Ⅲ型干酪根中孔隙不發育可能是制約海陸過渡相頁巖氣藏形成的重要因素。
2.4 顯微組分
同一塊頁巖中相鄰的2塊有機質甚至是同一塊有機質的不同部位，孔隙發育情況差異很大[14， 32]。說明具有相同熱史的有機質，有機孔的發育不僅與成熟度有關，同時還會受顯微組成的影響。多孔的有機質主要存在于晶粒間和顆粒接觸區域，具有較好的可流動性及可熱解性；而無孔的有機質往往是以較大的片狀或塊狀存在[33-34]，這可能與較大片狀有機質中包含更多的惰性組分有關。
腐泥組是孔隙發育的有利組成，最容易形成孔隙；鏡質體生烴能力強，在熱演化過程中產生的異常壓力使有機質發生破裂而形成孔隙[35]，如基質鏡質體會發育微孔和中孔，殘留的植物組織絲質體胞腔發育大孔[36]；惰質組在熱演化過程中基本不生排烴，因而沒有孔隙的形成與發育。Chalmers等[4]發現盡管加拿大哥倫比亞下白堊統Hulcross組頁巖具有很高的TOC含量，但由于缺少鏡質體，致使甲烷吸附量較低；Bustin等[37]也證實了同階煤的吸附能力隨著惰質組含量的增加而降低，隨著鏡質組含量的增加而增加。盡管不同顯微組分的孔隙發育差異很大，但Bernard等[38]從有機質殘留物角度出發，認為頁巖中發育有機孔的主體是焦瀝青而非干酪根，這點需要做進一步的研究工作。
Tian等[12]研究發現龍馬溪組和牛蹄塘組有機孔分別占有機質的36.00%和10.00%左右，而馬勇等[39]分析龍馬溪組有機質孔隙度為9.13%～18.42%，牛蹄塘組有機質中孔隙體積小于1.59%，都表現出龍馬溪組有機孔數量和體積遠高于牛蹄塘組。對牛蹄組有機孔發育差的機理目前尚沒有合理的解釋以及更深入的研究，分析其可能與有機質來源于褐藻、紅藻、高肌蟲、大型蠕蟲和蟲管生物等有關，在熱演化過程中高肌蟲和大型蠕蟲多轉化為有機硅，不利于孔隙發育，而龍馬溪組的有機質顯微組分來源以紅藻為主[40]，是有機孔發育的重要組成。
2.5 基質瀝青
頁巖孔隙度隨基質瀝青含量的增加呈現明顯的指數性下降趨勢[41]，說明基質瀝青可能充填占據一部分孔隙空間從而顯著降低頁巖的孔隙度[41-42]。 Mastalerz等[42-45]研究了New Albany不同成熟度頁巖(Ro為0.35%～1.41%)，發現在成熟階段后期頁巖的總孔隙度和孔體積呈現出明顯降低的現象，主要原因是由于生油期間富脂肪烴和富氧的瀝青生成之后被壓入到基質孔隙和微裂縫中及充填在有機孔中，表現出微孔和中孔的體積在生油窗范圍內最低；在生油期之后，有機質開始芳構化脫甲基、脫氧，微孔和中孔的體積又開始增加，一直增加到Ro為3.50%左右。因而，生油型干酪根在早期生烴過程中產生的富脂肪基質瀝青會導致有機孔、晶間孔及微裂縫被充填，孔隙度下降到低值；相反，生氣型干酪根只能生成相對少量的基質瀝青，對頁巖孔隙度的影響較小。而一旦進入成熟后期，基質瀝青裂解會釋放出大量被占據的有機孔從而增加有機孔體積，這也從側面證實了Ⅰ型和Ⅱ型干酪根在高過成熟階段具有更豐富的有機孔。
盡管基質瀝青的充填能夠降低頁巖的孔隙度，但也能夠溶解一定量的甲烷氣體，使甲烷氣體在高壓狀態下具有較高的溶解氣含量[46-47]。由于這部分溶解氣不能被有效開采，對頁巖氣商業化生產作用很小，因此，常忽略這部分溶解氣的存在。但是基質瀝青在頁巖中充填了大量的孔隙空間，在分析頁巖儲集物性時，其含量的高低應作為一個重要的制約因素被考慮在內。
3 有機質對儲層的影響
3.1 有機酸對儲層的溶蝕
生烴過程控制著有機孔的發育和有機酸作用下溶蝕孔的形成。在中成巖階段，有機質達到生烴門限，發生脫酸基作用產生CO2和H2S，CO2和H2S溶于水后形成酸性流體，使碳酸鹽巖和長石等易溶礦物產生大量的溶蝕孔；在晚成巖階段，頁巖儲層受壓實作用造成孔隙減少，連通性和滲透性變差，流體交換不暢，使溶蝕作用在很大程度上受到了抑制[48]。因此，溶蝕孔的形成主要發生在有機質生烴階段，而后期的再埋深和再壓實作用會造成溶蝕孔一定程度上的減少[49-51]。北美Fort Worth盆地低成熟頁巖中鈣質顆粒中溶蝕孔發育很少或未發育，但在高成熟度頁巖中鈣質顆粒中則會發育大量的亞橢圓形或矩形的溶蝕孔，孔隙體積占鈣質顆粒體積的20%左右[52]。Barnett盆地貧黏土礦物的頁巖中鈣質的粒內孔可占總孔隙的20.15%，可能的原因是鈣質碳酸鹽巖粒內孔主要是由有機酸流體溶蝕而形成的[53]。頁巖中溶蝕孔一般尺寸較大，是游離氣良好的儲集場所，可作為重要的儲集空間，在非常規頁巖儲層研究中應受到關注。
3.2 對儲層水含量的影響
多數學者都認為頁巖中的水分隨黏土礦物含量增加而增加，水分的存在能夠顯著降低黏土礦物對甲烷氣體的吸附能力。有機質一般被認為具有親油氣性和疏水性，水分子不容易進入有機孔內。大量文獻研究表明，隨著水含量的增加，煤對甲烷的吸附量降低至一個臨界點，之后，水含量再增加，甲烷吸附量不再降低[54-55]。在水平衡條件下，煤的吸附能力會降低60%～90%。與煤不同，頁巖的黏土礦物含量很高，水分子通過占據黏土礦物的孔隙喉道阻礙甲烷分子進入孔隙系統中來降低甲烷吸附容量。但Ross[47]等研究表明，北美泥盆—密西西比系和侏羅系頁巖的甲烷吸附量在水平衡情況下比干燥時分別降低了58.3%和71.5%，這與前人研究認為的黏土礦物是頁巖中水賦存的主要載體相矛盾，說明水可能進入了有機孔中。據此，總結了Chalmers等[4]的研究成果，發現頁巖的比表面積與水含量之間呈明顯的負相關性，但同時隨著水含量的增加，甲烷吸附量也會同步增加。表明水可能有很大一部分存在于有機孔中，水分子與甲烷分子在有機孔中形成同步吸附和競爭吸附，因而有機孔的發育可能會為頁巖儲層儲集一部分水。盡管如此，關于水在頁巖中的賦存方式仍然存在很大的爭議，目前尚未有統一的認識。
3.3 對儲層脆性的影響
脆性指數是決定頁巖儲層能否實施壓裂改造的主要技術指標[56-57]，通過壓裂改造產生的人工裂縫能夠連通頁巖中孤立的孔隙儲集單元，使氣體得到釋放，獲得可觀的產氣量。北美頁巖脆性一般采用如下評價指標：
BI1=wQz/(wQz+wCa+wDol+wCly)×100%
(1)
式中：BI1為脆性指數1，%；wQz為石英質量分數；wCa為方解石質量分數；wDol為白云石質量分數；wCly為黏土礦物質量分數。
由于中國揚子地區古生界頁巖中礦物組成復雜，除石英、方解石外還包含較多的長石等脆性礦物，基于這種情況，陳吉等[58]對脆性指數1進行了修正，并得出脆性指數2：
BI2=(wQz+wCa+wDol)/
(wQz+wFsp+wCa+wDol+wCly)×100%
(2)
式中：BI2為脆性指數2，%；wFsp為長石質量分數。
然而，對于中國海陸過渡相頁巖而言，TOC含量通常較高，TOC質量分數甚至會達到20%以上，換算成體積分數達到40%以上。由于有機質本身具有很強的韌性，特別是很高含量的有機質會顯著地增強頁巖的韌性，降低頁巖的脆性。在以往脆性評價時很少把TOC含量考慮在內，也未考慮到頁巖的壓裂易受地層厚度、有效應力和成巖作用的影響。因此，在綜合評價脆性指數時，須將這些因素考慮在內，建立新的評價指標3：
BI3=(wQz+wFsp+wCa+wDol)f(σ′，C，h)/
(wQz+wFsp+wCa+wDol+wCly+TOC)×100%
(3)
式中：BI3為脆性指數3，%；σ′為有效應力，Pa；C為成巖系數；h為地層厚度，m。
4 結論與展望
4.1 結論
(1) 有機孔的發育是其自身特征作用的結果，其發育受有機質成熟度、類型和顯微組分的影響，在成熟階段較好的有機質類型和易生烴的組分更容易產生有機孔；但有機孔的數量首先受TOC含量的影響，其次受有機質類型和成熟度的影響。
(2) 有機孔在地層條件下易受壓實破壞，從而導致高TOC頁巖中有機孔更易受壓實閉合而減少；在過成熟階段，已形成的有機質發生纖維化，導致有機孔發生破壞，數量明顯減少；頁巖中的基質瀝青充填在有機孔中也會造成有機孔的堵塞，降低其孔隙度和比表面積。
(3) 有機質對頁巖儲層的改造體現在以下幾方面：一是有機質熱演化過程中產生的酸性流體溶蝕長石、白云石等脆性礦物形成溶蝕孔，增加頁巖的儲集物性；二是有機孔吸納的水分與甲烷分子形成同步及競爭吸附降低頁巖的儲集能力；三是有機質含量高造成頁巖韌性增強，不利于壓裂改造。
4.2 展望
盡管國內外學者對頁巖有機質特征及儲集性能開展了大量的研究工作，但目前這些研究仍然存在研究不夠系統和深入的情況。在今后的研究中，根據中國頁巖氣儲層既有海相過成熟頁巖地層、又廣泛發育低成熟陸相頁巖地層和復雜的海陸過渡相頁巖地層的特殊情況，建議著重開展以下幾方面的理論研究工作。
(1) 系統地開展中國陸相、海陸過渡相和海相頁巖有機質特征對比研究，揭示不同沉積環境下頁巖有機孔發育規律及差異。中國發育有多套富有機質泥頁巖，如上揚子地區的海相牛蹄塘組和龍馬溪組頁巖，海陸過渡相龍潭組頁巖，以及鄂爾多斯盆地發育的海陸過渡相山西組頁巖和陸相低成熟延長組頁巖。這些頁巖所具有的有機碳含量、成熟度、干酪根類型和顯微組成存在很大的差異，也會造成有機孔發育差異很大。因此，有必要系統地開展中國不同地層頁巖有機孔發育特征及主控因素的研究，總結有機孔演化規律，歸納不同沉積地層有機孔在儲層中所起的作用，深化不同沉積環境下頁巖氣富集規律和評價指標研究。
(2) 系統研究不同類型(或顯微構成)的有機質中孔隙與成熟度的演化關系。通過對不同類型和顯微組成的低成熟純干酪根進行熱模擬實驗，研究不同成熟度條件下不同類型干酪根中孔隙發育及演化規律，歸納不同成熟度下干酪根顯微組成的演化規律以及不同顯微組成對孔隙發育的影響；進一步明確有機孔的賦存載體究竟是以干酪根為主還是以焦瀝青為主。
(3) 定量化分析頁巖中不同類型孔隙所占的比例及對頁巖游離氣和吸附氣的貢獻。目前主要是利用軟件對圖像中孔隙進行數字化分析，但該方面的工作較為分散，沒有統一的定量化分析標準和軟件分析系統，且以往量化的效果不明顯，因而需要結合孔隙測試實驗(如CO2和N2吸附測試、壓汞測試)等方法來綜合分析有機孔在孔隙系統中的貢獻，以及進一步分析有機孔對游離氣和吸附氣的貢獻。
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編輯 劉兆芝
20151212；改回日期：20160519
國家“973”項目“中國南方古生界頁巖氣賦存機理和資源潛力評價”04課題“深層頁巖氣儲集物性及含氣性研究”(2012CB214704)；國家自然科學基金“我國南方古生界高過成熟頁巖吸附特征與頁巖含氣性評價”(41273058)；國家油氣重大專項“深層高成熟烴源巖的容烴與排烴評價”(2011ZX05008-002-20)
曹濤濤(1987-)，男，工程師，2009年畢業于蘭州大學地質學專業，2014年畢業于廣州地球化學研究所地球化學專業，獲博士學位，現主要從事頁巖氣儲集物性及含氣性研究。
10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.002
TE122.2
A
1006-6535(2016)04-0007-07
