延長探區山西組陸相頁巖儲層孔隙結構及孔隙發育主要影響因素

王 琳，張金川，王 宇，徐 杰

(1.中國地質大學(北京)，北京 100083；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075)

0 引 言

泥頁巖中存在著大量的微裂縫和微孔隙，可作為天然氣儲層。頁巖氣儲層孔隙特征的研究主要應用高壓壓汞、氬離子拋光、納米CT掃描、聚焦離子束和氣體吸附等方法，這些技術在描述泥頁巖儲層孔隙類型、結構、大小、連通性、發育特征及影響因素方面具有重要作用，被廣泛應用到孔隙特征研究中[1-5]。延長探區上古生界二疊系山西組頁巖氣開采已取得了重要進展，單井日產氣量最高可達2.5×104m3[6-8]，鄂爾多斯盆地延長探區上古生界二疊系，發育了分布穩定且厚度較大的含煤巖系，其中包含具有一定生烴潛力的富有機質泥頁巖，在成為良好的天然氣源巖的同時，也成為了頁巖氣的良好儲集層[9-11]。準確認識頁巖氣儲層孔隙特征可為進一步研究陸相頁巖氣產能評價和資源評估提供依據。

1 地質背景

研究區域位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構造單元東南部臺地內部，區域內構造和沉積過程穩定，為頁巖氣儲層的沉積發育提供了良好的構造背景，發育了分布穩定的大套泥頁巖[12-14]。探區鉆探成果揭示，上古生界山西組泥頁巖平均厚度為74.61 m，占山西組地層總厚的65.9%，在剖面呈現出“泥包砂”的特征，泥頁巖單層厚度大，平面分布穩定，有機質豐度和成熟度較高，部分頁巖氣探井有較高的氣產量，是延長探區陸相頁巖氣的重要儲層。山西組地層巖性以暗黑色泥巖、炭質泥巖、灰色粉砂質泥巖和細砂巖、砂巖、礫巖及含煤層為主，其中泥頁巖顏色相對較深，以黑色、灰黑色、深灰色為主，常見煤線或煤層。山西組山2段砂巖較發育，巖性主要為礫巖、粗砂巖及中砂巖；山1段主要為大段的泥巖與砂巖及粉砂巖互層。研究過程中，共在延長探區采集山西組樣品26塊，其中山1段樣品20塊，山2段樣品6塊，樣品巖性均為黑色頁巖、黑色泥巖為主。

2 泥頁巖礦物組成特征

研究區內山西組26塊樣品X衍射分析測試結果顯示，山西組泥頁巖中全巖礦物除黏土礦物和石英以外，還含有少量碳酸鹽類和長石類等礦物及石膏、銳鈦礦、硬水鋁石等副礦物或次生礦物。山西組泥頁巖石英含量在2.0%～50.6%之間，平均含量為36.9%；黏土礦物含量范圍變化較大，在43.5%～98%之間，平均含量為59.6%。石英、長石和碳酸鹽等脆性礦物之和平均為40.4%。黏土礦物主要為高嶺石和伊蒙混層，其次為伊利石和綠泥石。高嶺石含量在18.0%～84.0%之間，平均為37.0%；伊蒙混層含量在0～63.0%之間，平均為40.8%；高嶺石和伊蒙混層二者占黏土礦物總量的77.8%。

將山西組泥頁巖主要礦物和黏土礦物投在三角圖解中(圖1)可以看出，山西組泥頁巖主要為黏土型泥頁巖以及少量的長英質型泥頁巖。

圖1 山西組泥頁巖與北美頁巖礦物組成三角圖

與北美頁巖相比，山西組泥頁巖礦物成分的最顯著特征是黏土礦物含量相對較高，碳酸鹽相對含量極低，黏土礦物中綠泥石含量相對較高，高嶺石和伊蒙混層含量與北美頁巖含量差異不大，頁巖氣儲層能夠在外力作用下形成天然裂縫和誘導裂縫，有利于游離氣的儲集以及頁巖氣儲層的改造，同時較高的黏土礦物含量有利于頁巖氣吸附賦存。

3 孔隙類型與結構

根據Loucks等[15-16]和聶海寬等[17]對頁巖孔隙的研究成果，利用掃描電鏡和電子顯微鏡觀察研究山西組泥頁巖孔隙類型，可將山西組泥頁巖孔隙類型劃分為裂縫和基質孔隙，裂縫包括宏觀裂縫和微裂縫，微裂縫進一步可劃分為泥頁巖微裂縫和有機組分微裂縫，基質孔隙包括粒間孔、粒內孔和有機質孔，有機質孔又可分為鏡質體孔隙和絲質體孔隙。

3.1 基質孔隙

山西組泥頁巖中粒間孔主要發育黏土礦物晶間孔，在掃描電鏡下觀察發現，山西組泥頁巖主要發育高嶺石晶間孔隙和伊蒙混層晶間孔隙(圖2(a))，孔隙形態多呈圓形、橢圓形以及不規則多邊形等，孔徑一般在1～15 μm之間，以微米級別為主，部分大孔超過10 μm。泥頁巖中粒內孔主要為石英、長石等顆粒內部部分溶蝕形成的粒內溶蝕孔，一般為洞璧邊緣參差不齊的溶蝕孔隙，孔隙較小，孔徑一般為0.1～10 μm(圖2(b))。

圖2 山西組礦物孔隙

在掃描電鏡下觀察發現，山西組泥頁巖中的有機顯微組分發育大量孔隙，這些有機顯微組分孔隙是在熱演化過程中由于有機顯微組分生烴作用形成的，孔隙的分布形式有密集狀和稀散狀，有機顯微組分孔隙主要存在于鏡質體和絲質體中，鏡質體中孔隙形態多呈圓形、橢圓形和不規則等多種形態，孔徑一般在0.5～15 μm之間，屬于大孔(圖2(c))，絲質體中孔隙多呈一定的規律性分布，孔徑多在0.5～20 μm之間，以0.5～10 μm之間為主(圖2(d))。這些有機顯微組分孔隙處在大量生氣階段，易形成相互連通的網絡，是泥頁巖中頁巖氣富集的重要孔隙類型。

3.2 裂縫

鄂爾多斯盆地山西組陸相暗色頁巖巖芯中普遍發育不同類型的裂縫，宏觀縫以水平層理縫和中等角度滑脫縫為主，高角度縫較少發育，泥頁巖微裂縫主要發育在有機質條帶中或條帶邊緣，構造成因的微裂縫最多，有機顯微組分微裂縫寬度一般小于10 μm，是頁巖氣藏中吸附氣向游離氣解吸的重要通道，對頁巖氣生產具有重要意義[17-20]。

1) 泥頁巖宏觀裂縫。野外露頭觀察發現，山西組泥頁巖中主要發育垂直于泥頁巖層理面的巨型裂縫，裂縫寬度大于1 mm，長度大于10 m，裂縫之間多平行分布，裂縫走向近于南北向；局限于單層泥頁巖內部(不穿層)的大型裂縫寬度一般，主要為構造成因，裂縫走向近于南北向；發育的中型裂縫主要為構造成因或泥頁巖的生烴膨脹導致，裂縫走向近于南北向。巖芯觀察發現，山西組泥頁巖儲層小型裂縫較為發育，裂縫寬度在0.01～0.1 mm之間，長度介于0.01～0.1 m之間，為肉眼可見的最小裂縫。

2) 泥頁巖微觀裂縫。顯微鏡下觀察發現，山西組泥頁巖中普遍發育微裂縫，縫寬主要在1～10 μm之間，少數可達10 μm以上。裂縫表面較光滑平整，主要呈平行關系和垂直關系。對研究區10個泥巖樣品的裂縫面密度進行統計，其裂縫面密度在2.4～237.5/m2之間，平均為108.8/m2。可見，山西組泥頁巖微裂縫極為發育，有利于氣體儲集和儲層改造。

3) 有機顯微組分微裂縫。通過掃描電鏡觀察發現，山西組有機顯微組分中鏡質體和絲質體中發育大量微裂縫，鏡質體中微裂縫寬度一般小于10 μm，單個裂縫形態主要為直線狀或彎曲狀(圖3(a)、圖3(b))，多呈垂直關系，裂縫面光滑平整，移動和錯位不明顯，表明微裂縫形成與構造應力關系不大。絲質體中的微裂縫一般沿絲質體橫斷面(圖3(c))和斜斷面(圖3(d))分布，縫寬一般變化不大，多在1～10 μm之間。

圖3 山西組巖樣鏡質體和絲質體中微裂縫

3.3 頁巖孔隙結構

喉道的大小、分布及其幾何形狀是影響儲集層儲集能力和滲透特征的主要因素，通過對研究區域山西組泥頁巖儲層10塊樣品進行毛細管壓汞測試，得到了壓力與汞飽和度曲線(圖4)。曲線偏向右側，壓汞進入量小，壓力偏高，反映了孔隙和喉道相對較細。根據壓汞測試結果發現，山西組泥頁巖孔喉直徑主要分布在0～0.10 μm之間，以微孔為主，喉道直徑均值在0.04～0.05 μm之間，平均為0.047 μm，平均排驅壓力為9.3 MPa，排驅壓力較高，喉道均質系數較低，在0.43～0.51之間，分選系數較小，在0.06～0.10之間，表明孔喉分選性較差，喉道較小且分布不均勻，細微型，連通性較差。

利用Ultrapore-200A氦孔隙儀和ULTRA-PERMTM200滲透率儀對山西組泥頁巖巖芯孔隙度和滲透率進行測試，孔隙度在0.4%～1.5%之間，孔隙度平均值僅為0.77%；滲透率在0.0066～0.2416 mD之間，平均為0.04 mD。與北美Barnett頁巖氣藏的同類數據(頁巖孔隙度一般4%～5%之間，滲透率小于0.01 mD[21-24])相比，鄂爾多斯盆地南部山西組孔隙度偏小，但裂縫較為發育，滲透率較高。

4 孔隙發育主要影響因素

影響孔隙大小的因素很多，包括沉積相、沉積環境、礦物組成、有機碳含量、熱演化程度和成巖作用等[17,25-27]，本文主要討論礦物組成、有機碳含量、熱演化程度以及成巖作用對孔隙的影響。

山西組泥頁巖X射線衍射、孔隙度、有機碳和鏡質體測試結果顯示，有機碳含量與孔隙度呈正相關關系(圖5)，這是因為有機碳含量高，有機質孔數量相應增加，孔隙度變大。山西組泥頁巖鏡質體反射率分析測試結果顯示，鏡質體反射率Ro介于1.76～3.72之間，有機質熱演化達到了高成熟階段，孔隙度與Ro有正相關關系(圖5)，隨著熱演化程度的提高，在有機質生烴轉化和生氣膨脹的作用下，有機質孔增多，孔隙度變大。孔隙度與脆性礦物含量沒有明顯相關性。孔隙度與黏土礦物含量相關性較弱，略呈正相關趨勢(圖6)。與石英和長石等脆性礦物相比，黏土礦物具有較多的微孔隙，在脫水轉化過程中產出大量層間水，形成微裂縫，同時伊利石轉化過程中也會產生大量微孔隙。

成巖作用會導致巖石礦物成分和內部孔隙結構發生改變，并產生很多的自生礦物，使得巖石的孔隙度發生重大改變，因而決定著孔隙發育的優劣。

壓實作用是孔隙減小的最主要因素。在壓實作用下，顆粒會緊密嵌擠堆積，使得儲層原始孔隙度減小，連通性變差。顯微鏡下觀察表明，山西組儲層普遍存在壓實作用且較強烈，表現為顆粒間線狀-鋸齒狀接觸(圖7(a))。

圖4 研究區YY101井和YY103井山西組泥頁巖壓汞曲線

圖5 山西組泥頁巖TOC含量、鏡質體反射率(Ro)與孔隙關系圖

圖6 山西組泥頁巖脆性礦物和黏土礦物與孔隙關系圖

圖7 山西組壓實、膠結和溶蝕特征

山西組儲層膠結作用以硅質膠結和黏土礦物膠結為主，硅質膠結作用是山西組儲層的主要膠結類型，在顯微鏡下觀察發現，加大后的石英鑲嵌緊密使石英顆粒間呈凹凸接觸(圖7(b))，粒間孔隙逐漸被次生加大石英充填到粒間孔隙之中，導致儲層孔隙度減少。山西組儲層自生黏土礦物膠結物有高嶺石和伊利石等(圖7(c))，它們對孔隙的影響具有雙面性，一方面自生黏土礦物會擠占有效孔隙空間，使孔隙變小，另一方面高嶺石可形成晶間孔。綠泥石膜對后續膠結作用有抑制性，可以保護殘余粒間孔，對孔隙發育有建設性作用。

山西組儲層溶蝕作用較為強烈，主要表現為碎屑顆粒的溶蝕，包括長石溶蝕和巖屑溶蝕等，膠結物的溶蝕現象較為少見。碎屑顆粒內長石蝕變為高嶺石和伊利石等黏土礦物并且保存了長石彎曲變形和解理特征，但是整個長石的外形仍然清晰可辨(圖7(d))，溶蝕作用形成的次生孔隙，是山西組儲層主要的孔隙類型之一，屬于建設性的成巖作用。

5 結 論

鄂爾多斯盆地延長探區古生界山西組是陸相頁巖氣的重要儲層，儲層礦物主要為黏土礦物和石英。與北美頁巖相比，山西組泥頁巖礦物黏土礦物含量相對較高，石英和長石含量相對較低，儲層孔隙與裂縫發育。同時有機顯微組分發育大量的微裂隙和微孔隙，主要分布在鏡質體和絲質體中，這些縫隙構易形成相互連通的網狀結構網絡，既可以為頁巖氣提供儲存空間，又可以作為頁巖氣滲流的主要通道。

高壓汞測試結果顯示，儲層喉道屬細微型，孔喉分選性較差，排驅壓力較高，喉道較小且分布不均勻。核磁共振測試結果顯示，樣品信號主要呈連續雙峰分布模式，反映出大部分樣品發育有大小不同的孔隙，并具有一定的連通性，孔隙以小孔為主，孔徑大的孔隙數量少。

有機碳含量高，有機質孔數量會相應增加。熱演化程度升高，有機質在生烴轉化和生氣膨脹的作用下可增多有機質孔，同時黏土礦物在脫水轉化過程中可形成微裂縫，伊利石轉化過程中也會產生大量微孔隙，它們均對孔隙發育具有促進作用。壓實作用是孔隙減小的主要原因，儲層自生黏土礦物膠結物會擠占有效孔隙空間，使孔隙變小。另一方面，高嶺石可形成晶間孔，綠泥石膜可以保護殘余粒間孔。研究區儲層溶蝕作用強烈，以碎屑顆粒溶蝕為主，溶蝕作用形成的次生孔隙，是主要的孔隙類型之一。