四川盆地元壩地區(qū)自流井組頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

姜 濤，金之鈞，劉光祥，胡宗全，劉全有，劉忠寶，王鵬威，王濡岳，楊 滔，7，王冠平

(1.北京大學 造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，北京 100871； 2.北京大學 石油與天然氣研究中心，北京 100871；3.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100083； 4.中國石化 頁巖油氣重點實驗室，北京 100083； 5.中國地質(zhì)科學院，北京 100037； 6.北京大學 能源研究院，北京 100871； 7.中國石化 河南油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450046)

頁巖氣是主體賦存于暗色泥頁巖或者炭質(zhì)泥巖地層，以及頁巖層段內(nèi)部的砂巖、灰?guī)r等薄夾層中，主要以吸附、游離或溶解狀態(tài)賦存的天然氣聚集，有著資源豐度低、發(fā)育面積廣、“自生自儲”、需要先進的石油工程技術(shù)方可商業(yè)開采的特點[1-2]。21世紀以來，美國“頁巖氣革命”的成功，影響了世界能源格局[3]。中國富有機質(zhì)頁巖分布范圍廣，發(fā)育層位多，蘊含著巨大的頁巖氣資源[4-7]。目前，海相頁巖層段已在四川盆地及周緣地區(qū)取得重大突破[8-9]，陸相頁巖層段在鄂爾多斯盆地延長組、四川盆地元壩地區(qū)自流井組也獲得了很好的測試產(chǎn)能效果[8,10]，已成為中國重要的油氣勘探接替領(lǐng)域之一。

頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)影響著頁巖氣的賦存相態(tài)和儲集能力[11-12]，主要研究內(nèi)容圍繞著孔隙的類型、大小、形態(tài)、孔體積、比表面積、空間分布以及連通性等方面進行[12-16]。國內(nèi)外研究頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段有很多種，主要可分為兩大類，一類是利用光學顯微鏡、透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)等微區(qū)觀察技術(shù)對泥頁巖中的孔隙進行直接觀察，獲取圖像并進行分析，以獲得泥頁巖中孔隙信息的直接觀測法，這種方法觀察的區(qū)域較小，實驗結(jié)果的代表性具有一定限制，因而一般只用作定性分析[17-19]；另一類是利用氣體吸附、高壓壓汞和小角/超小角散射等試驗方法對頁巖樣品進行定量分析，獲取實驗數(shù)據(jù)并進行分析，以獲得泥頁巖中孔隙信息的間接測量法。前人研究表明，測量法中的高壓壓汞法在研究大孔與有效孔隙度測定方面具有一定的優(yōu)勢，而N2吸附在表征中孔方面具有一定的優(yōu)勢，CO2吸附則主要用來表征微孔，而小角/超小角中子散射解釋難度大，使用范圍有限[17,20-23]。各種方法在孔徑表征的范圍上有所差異，綜合使用才可以更有效地對頁巖樣品孔隙特征進行刻畫。

元壩地區(qū)已有多口鉆井測試獲得頁巖氣流，但不同井產(chǎn)量及儲層含氣性差異較大，已有大量研究證實，頁巖孔隙形態(tài)、大小及連通性等對頁巖氣富集具有重要影響[24]。為此，本文以元壩地區(qū)YL4井自流井組頁巖為例，采用總有機碳含量、全巖X衍射、N2吸附-高壓壓汞孔徑聯(lián)合實驗以及氬離子拋光-掃描電鏡等多種實驗技術(shù)方法對孔隙結(jié)構(gòu)進行定量表征，并研究其影響因素。

1 地質(zhì)背景

元壩地區(qū)位于四川盆地北部龍門山北段前緣，北鄰米倉山-大巴山前陸沖斷帶，南接川中低緩構(gòu)造帶[25-27]。研究區(qū)從基底形成到晚期造山成盆先后經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動。燕山期以來，受周緣構(gòu)造運動影響，形成了南部蒼溪-巴中低緩構(gòu)造帶、東部通江凹陷、東北部池溪凹陷、通南巴背斜和西北部九龍山背斜，構(gòu)造變形強度總體較弱[25,27](圖1)。

元壩地區(qū)自流井組(J1z)為一套三角洲-湖泊相沉積，巖性主要為砂巖、介殼灰?guī)r與泥頁巖的不等厚互層，自下而上分為珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段和大安寨段，富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育于東岳廟段與大安寨段[28-31](圖1c，d)。

圖1 四川盆地元壩地區(qū)主要鉆井平面位置及自流井組頁巖層段地層柱狀圖

2 樣品采集與測試

本次研究的13個樣品均采自元壩區(qū)塊南部元陸4井，1—6號為東岳廟段樣品，7—13號位大安寨段樣品。進行了有機地球化學及巖石礦物組分和儲層孔隙結(jié)構(gòu)等方面的實驗，具體包括總有機碳含量(TOC)、全巖X衍射(XRD)、N2吸附-高壓壓汞孔徑聯(lián)合實驗和氬離子拋光掃描電鏡(FE-SEM)分析。

總有機碳含量(TOC)依據(jù)GB/T 19145—2003沉積巖中總有機碳的測定標準，應用CS-200碳硫分析儀完成；全巖X衍射(XRD)依據(jù)SY/T 5163—2010沉積巖中粘土礦物和常見非粘土礦物X衍射分析方法在X衍射儀D8 Advance上完成；氬離子拋光掃描電鏡(FE-SEM)分析是依據(jù)SY/T 5162—2014巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法，應用聚焦離子束掃描電鏡Helios 650完成的；N2吸附-高壓壓汞孔徑聯(lián)合實驗依據(jù)NB/T 14008—2015頁巖全孔徑分布的測定壓汞-吸附聯(lián)合法，壓汞部分應用微孔結(jié)構(gòu)分析儀AUTO PORE IV 9520完成，吸附部分應用比表面及孔隙率儀JW-BK22完成，根據(jù)國標GB/T 19587—2004氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積的規(guī)定，頁巖樣品比表面積計算采用BET方程，在相對壓力介于0.05～0.35范圍內(nèi)作BET直線圖，求得樣品的BET比表面積，并采用BJH法計算孔容特征。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 TOC與礦物成分

總有機碳含量(TOC)與全巖X衍射(XRD)的實驗測試分析結(jié)果顯示，東岳廟段樣品TOC變化較大，大多數(shù)相對較小，低于0.8%，個別樣品TOC相對較高，總體介于0.35%～3.03%，平均為1.06%。大安寨段變化相對較小，總體介于0.70%～1.33%，平均為1.00%。礦物組成主要以粘土礦物和石英為主，石英含量介于26.0%～51.0%，平均為36.1%；樣品粘土礦物含量最高介于38.8%～67.3%，平均為52.8%。大安寨段樣品含有一定量的方解石，個別樣品方解石含量較高，最高可達21.3%。

如圖2所示，元壩地區(qū)孔隙度總體相對較高，大安寨段在0.95%～8.42%，平均3.21%；東岳廟段在1.01%～6.76%，平均3.10%，且大部分樣品分布在2%以上，占比達到73.7%和76.0%。由滲透率分布頻次圖可以看出，滲透率數(shù)值分布極不均衡，基質(zhì)滲透率值極低，顯示泥頁巖中油氣運移主要依賴于裂縫發(fā)育，大安寨段和東岳廟段滲透率大于0.1×10-3μm2的樣品分別占總數(shù)的25.7%和30.8%，則表明這兩個層段裂縫不甚發(fā)育，油氣運移相對困難。

圖2 四川盆地元壩地區(qū)自流井組頁巖樣品孔隙度(a)和滲透率(b)頻率分布

3.2 陸相頁巖儲層孔隙類型

氬離子拋光掃描電鏡觀察顯示，研究區(qū)陸相頁巖儲層孔隙空間主要可劃分為頁巖孔隙與夾層孔隙兩大類，頁巖孔隙又可以細分為有機質(zhì)孔、礦物基質(zhì)孔和微裂縫，夾層孔隙類型則更為多樣。

3.2.1 有機質(zhì)孔

有機質(zhì)孔是泥頁巖中有機質(zhì)在熱裂解生烴過程中形成的孔隙。國內(nèi)外研究普遍認為有機質(zhì)孔是頁巖儲層的主要孔隙類型，是頁巖氣富集的關(guān)鍵因素之一[20,32-33]。元壩地區(qū)自流井組陸相頁巖有機質(zhì)以鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體為主，其次為固體瀝青質(zhì)。氬離子拋光掃描電鏡結(jié)果表明，不同的顯微組分，生孔情況是不同的。由高等植物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)腐殖化作用和凝膠化作用而形成的鏡質(zhì)體及受絲炭化作用轉(zhuǎn)化形成的絲質(zhì)體內(nèi)不發(fā)育有機質(zhì)孔，而受微生物作用的富氫鏡質(zhì)體與固體瀝青內(nèi)均不同程度地發(fā)育有機質(zhì)孔(圖3a—c)。有機質(zhì)孔徑主要分布在0.002～2 μm，其中中孔所占比例較大，其對泥頁巖的比表面積和孔體積貢獻同樣較大，因此對頁巖氣的聚集起著較積極的作用。

3.2.2 礦物基質(zhì)孔

氬離子拋光掃描電鏡觀察顯示，研究區(qū)自流井組陸相頁巖發(fā)育的礦物基質(zhì)孔隙主要有粒間孔、粘土礦物間孔、黃鐵礦顆粒晶間孔和次生溶孔4類。

粒間孔是研究區(qū)頁巖中觀察到的主要孔隙類型之一，是石英、長石、碳酸鹽礦物及粘土礦物(伊利石、綠泥石等)顆粒排列堆積、成巖壓實后殘留的原生孔隙[19,34-36]。觀察分析顯示，研究區(qū)內(nèi)主要為礦物顆粒間、礦物顆粒與粘土礦物間發(fā)育的微孔隙(圖3d—f)，形態(tài)多呈三角形、多邊形、長條形和不規(guī)則狀等，孔徑范圍較大，納米級、微米級孔隙均有發(fā)育，以脆性顆粒和塑性顆粒接觸形成為主。由于早期較大孔徑的粒間孔隙多被瀝青充填，僅殘存部分相對較小孔徑粒間孔隙，由粘土礦物與剛性顆粒間或粘土礦物雜亂堆積形成一定抗壓支撐結(jié)構(gòu)而保存下來。

粘土礦物間孔主要為粘土礦物伊利石之間的微孔隙。當泥頁巖孔隙水偏堿性并且富含鉀離子時，隨著埋藏深度的增加，蒙脫石會向伊利石發(fā)生轉(zhuǎn)化，隨之體積減小，產(chǎn)生微裂(孔)隙[19,34-36]。研究區(qū)自流井組頁巖廣泛發(fā)育粘土礦物間微孔(圖3g—i)，主要發(fā)育于伊利石片層間、伊利石與云母片層間；另有長度及寬度大小不一的線狀孔隙，形態(tài)可以有狹縫形、三角形或者多邊形，受不同樣品有機碳含量多少及孔隙發(fā)育程度的控制，孔隙被瀝青全充填、半充填、部分充填及未充填均有。該類孔隙的形成是由于埋藏深度的不斷增加，早期粘土礦物孔隙度在強壓實作用下快速降低，是區(qū)內(nèi)最常見的一種孔隙類型。

次生溶孔是在地下水、粘土轉(zhuǎn)化生H+或有機質(zhì)脫羧后產(chǎn)生的酸性水作用下溶蝕長石及碳酸鹽等易溶礦物而產(chǎn)生的次生孔隙。這類孔隙又可分為粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔(圖3j，k)。粒內(nèi)溶孔孔徑相對較小，主要分布在0.05～4 μm；粒間溶孔孔徑相對較大，主要分布在1～4 μm，在灰質(zhì)介殼內(nèi)見大量溶蝕孔隙發(fā)育。

黃鐵礦顆粒間孔是環(huán)境穩(wěn)定和介質(zhì)條件適當?shù)那闆r下，礦物結(jié)晶形成的晶間微孔隙。陸相儲層中的黃鐵礦多以單晶出現(xiàn)，極少有“草莓狀”黃鐵礦形成，這一類孔隙發(fā)育相對較少(圖3l)。

圖3 四川盆地元壩地區(qū)元陸4井自流井組頁巖孔隙類型

3.2.3 微裂縫

泥頁巖儲層中發(fā)育的裂隙系統(tǒng)不僅有利于游離氣的富集，同時還是頁巖氣滲流運移的主要通道，對頁巖氣的開發(fā)起到關(guān)鍵性的作用[37]。根據(jù)裂縫的大小劃分為宏觀裂縫和微觀裂縫，其中能夠通過巖心觀察到的裂縫稱為宏觀裂縫，主要包括構(gòu)造裂縫和層間縫；而需借助掃描電鏡觀察到的裂縫統(tǒng)稱為微觀裂縫，主要包括微張裂縫與有機質(zhì)收縮縫等類型(圖4)。

圖4 四川盆地元壩地區(qū)元陸4井自流井組頁巖儲層微裂縫類型

通過掃描電鏡及巖心觀察分析進行統(tǒng)計，可以看出元壩地區(qū)陸相頁巖儲集空間類型主要是以礦物基質(zhì)孔隙為主，有機質(zhì)孔次之，微裂縫局部發(fā)育(圖5)。

圖5 四川盆地元壩地區(qū)自流井組頁巖各類孔隙發(fā)育頻次分布

3.3 陸相頁巖孔徑分布特征

受實驗手段限制，需要通過多種方法對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進行分段表征，再聯(lián)合才可以更準確地對陸相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進行表征[12,19,38]。因此本文通過N2吸附對微孔和中孔進行表征，應用高壓壓汞結(jié)果對宏孔進行表征，通過兩種實驗結(jié)果的綜合以提高陸相頁巖氣全孔徑表征的精度。

3.3.1 基于高壓壓汞實驗的陸相頁巖孔徑分布特征

高壓壓汞曲線可以很好地反映較大頁巖孔隙發(fā)育特征，通過元壩地區(qū)元陸4井樣品的進-退汞曲線可以看出，東岳廟段與大安寨段的壓汞曲線有著明顯不同(圖6)。大安寨段在低壓部分(p<0.2 MPa)，進汞量隨壓力增大而增大，當壓力達到0.2 MPa左右時，進汞量增加減緩，這一壓力范圍主要發(fā)育的是大于6 μm的孔隙；在壓力介于0.2～0.3 MPa時，進汞量較少，說明這一壓力范圍孔隙發(fā)育較少。在壓力大于0.3 MPa時，進汞量又開始隨著壓力的增加而增加，說明該層段頁巖中存在大量的中孔。在退汞階段可發(fā)現(xiàn)進退汞體積差很大，說明其內(nèi)開放性孔隙較少，孔隙連通性也相對較差。

圖6 四川盆地元壩地區(qū)自流井組頁巖壓汞曲線

東岳廟段在低壓部分(p<0.2 MPa)，進汞量隨壓力增大而增大，當壓力達到0.2 MPa左右時，進汞量增速減緩，這一壓力范圍主要發(fā)育的是大于6 μm的孔隙；在壓力介于0.2～14 MPa時，進汞量較少，說明在這一壓力范圍內(nèi)孔徑在95～6 000 nm的孔隙基本不發(fā)育。在壓力大于14 MPa時，進汞量出現(xiàn)增加的趨勢，達到110～170 MPa又出現(xiàn)少量進汞，孔徑在7～12 nm的孔隙也發(fā)育較少，隨后進汞量再次增加。在退汞階段，進退汞體積差相對較小，所以開放性孔隙也相對較多，連通性較好。總體上看，元壩地區(qū)陸相頁巖儲層存在一定量的宏孔發(fā)育。

依據(jù)高壓壓汞結(jié)果，可得到頁巖樣品的孔徑分布曲線，如圖7所示。樣品孔徑分布曲線存在多個峰值，主要峰值存在于3～30 nm，東岳廟段第二個峰值位于1～30 μm，大安寨段則是一直有峰值存在。這說明自流井組頁巖的孔體積主要是由3～30 nm范圍內(nèi)的中孔貢獻，其次是宏孔，大安寨段宏孔比東岳廟段更為發(fā)育，孔徑分布也更為均勻，對孔體積的貢獻也更大。

圖7 基于高壓壓汞法建立的四川盆地元壩地區(qū)自流井組頁巖孔徑分布曲線

3.3.2 基于N2吸附實驗的陸相頁巖孔徑分布特征

N2吸附實驗可以分析相對較小的頁巖孔隙特征。通過對樣品進行N2吸附實驗得到其吸附-脫附曲線。從圖8a中可以看出，頁巖樣品的N2吸附曲線在形態(tài)上略有差異，但整體上都呈現(xiàn)反“S”型。在相對壓力較低時(0

圖8 四川盆地元壩地區(qū)自流井組頁巖N2吸附曲線(a)與孔徑分布(b)

在相對壓力較高時(p/p0>0.3)，吸附等溫線和解吸等溫線發(fā)生分離，此時形成滯后回線。從滯后回線環(huán)狀的寬窄可以看出，大安寨段樣品明顯寬于東岳廟段樣品，說明孔徑尺寸分布越均勻且分布范圍也更寬。依據(jù)國際理論與應用化學聯(lián)合會的分類標準，自流井組樣品的滯后回線形態(tài)與H3型回線接近，兼有H4型特征。這種滯后回線表明頁巖樣品中主要發(fā)育平行板狀的狹縫型孔隙，同時含有少量的墨水瓶型孔。這種孔隙連通性較好，有利于頁巖氣的滲流和開發(fā)。

依據(jù)N2吸附實驗結(jié)果，得到頁巖樣品的孔徑分布曲線，如圖8b所示。孔體積變化率隨孔徑增大而下降，主要在3～30 nm范圍內(nèi)變化明顯，說明孔體積主要是由該范圍內(nèi)的孔隙所提供，與高壓壓汞法得出的結(jié)論相一致。

3.3.3 陸相頁巖全孔徑表征

N2吸附和高壓壓汞兩種方法的結(jié)果結(jié)合經(jīng)計算處理得到頁巖全孔徑分布特征(圖9)。東岳廟段中值孔徑介于3.70～9.70 nm，平均值為6.33 nm，孔體積介于0.006 65～0.012 55 cm3/g，平均值為0.009 23 cm3/g，比表面積介于3.497～8.780 m2/g，平均值為5.882 m2/g；大安寨段中值孔徑介于6.80～18.80 nm，平均值為11.94 nm，孔體積介于0.009 99～0.013 55 cm3/g，平均值為0.011 32 cm3/g，比表面積介于2.206～6.918 m2/g，平均值為3.987 m2/g。東岳廟段頁巖孔徑分布主要以中孔發(fā)育為主，平均占比最高50.0%～59.5%，主要為孔徑在10～50 nm的孔隙；其次是微孔，占比27.2%～31.2%，主要發(fā)育孔徑在1～2 nm的孔隙；宏孔發(fā)育較少，僅占比11.0%～20.4%。大安寨段孔徑分布表現(xiàn)出來的特征則是中孔為主，占比為48.9%～62.7%，發(fā)育范圍同樣以孔徑10～50 nm的孔隙為主；大孔其次，占比為23.2%～41.1%，主要發(fā)育孔徑在1～5 μm的孔隙；而微孔占比最少，僅為10.0%～14.4%。由此可見，研究區(qū)陸相頁巖的主要以中孔發(fā)育為主，大安寨段與東岳廟段相比，由于微孔比例偏低，宏孔比例偏高，所以中值孔徑與孔體積較大、比表面積相對較小。這可能與大安寨段內(nèi)方解石含量較高，易產(chǎn)生較大的次生溶蝕孔、縫提高了孔體積，以及伴隨生烴作用形成的可溶有機質(zhì)堵塞了相對較小的孔隙有關(guān)，這樣的孔徑分布類型較有益于游離氣的富集。

圖9 四川盆地元壩地區(qū)自流井組頁巖孔徑分布特征

3.4 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與TOC及礦物組成的關(guān)系

通過對研究區(qū)陸相頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔體積、比表面積)與TOC、脆性礦物和粘土礦物含量進行相關(guān)性分析(圖10)可知，兩層段孔體積和比表面積與TOC呈負相關(guān)或無關(guān)(圖10a，d)，這與海相頁巖儲層明顯不同。海相頁巖儲集空間主要以有機質(zhì)孔為主，Ⅰ型干酪跟，較高的TOC含量，適中的有機質(zhì)成熟度，這些良好的配置決定了有機質(zhì)孔的大量生成，所以海相頁巖的孔體積和比表面積與TOC呈很好的正相關(guān)關(guān)系[33]。而陸相頁巖儲集空間以礦物機質(zhì)孔隙為主，Ⅱ-Ⅲ型干酪根，TOC含量偏低，處于成熟階段，有機質(zhì)多為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，其內(nèi)不發(fā)育有機質(zhì)孔隙(圖3b)，以及低成熟度頁巖受演化生烴過程中生成的可溶有機質(zhì)占居孔隙及吸附位的影響[39-40]，造成了孔隙的降低，所以呈無關(guān)或負相關(guān)。

圖10 四川盆地元壩地區(qū)自流井組孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與TOC、礦物含量關(guān)系

與粘土礦物含量呈明顯的正相關(guān)(圖10b，e)，也證實了前文所述的陸相頁巖孔隙類型主要以粘土礦物間孔為主，大安寨段相關(guān)性比東岳廟段差，主要是由于碳酸鹽礦物和有機質(zhì)含量所影響，因此，東岳廟段的孔體積和比表面積主要由粘土礦物決定，而大安寨段則并不是受某種單一因素主控。兩個層段的孔體積和比表面積均與脆性礦物含量呈明顯的負相關(guān)(圖10c，f)，主要由于脆性礦物的增加降低了粘土礦物的含量，同時也使得孔體積和比表面積下降。

4 結(jié)論

1)四川盆地元壩地區(qū)自流井組富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育于東岳廟段和大安寨段，陸相頁巖儲層孔隙類型特點為礦物基質(zhì)孔為主，有機質(zhì)孔次之，微裂縫局部發(fā)育。

2)通過N2吸附和高壓壓汞兩種方法確定了兩層段陸相頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征，陸相頁巖的主要孔徑分布區(qū)間為10～50 nm的中孔，受有機碳含量與碳酸鹽礦物含量影響，與東岳廟段相比，大安寨段微孔比例偏低，宏孔比例偏高。這樣的孔徑分布類型較有利于游離氣的富集。

3)陸相頁巖孔體積和比表面積與TOC呈現(xiàn)負相關(guān)或無相關(guān)，這主要是由于陸相頁巖有機質(zhì)多為高等植物的木質(zhì)纖維組織經(jīng)演化形成的鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體，其內(nèi)不發(fā)育有機質(zhì)孔，只有富氫鏡質(zhì)體與固體瀝青內(nèi)發(fā)育有機質(zhì)孔，孔徑變化較大；與粘土礦物含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系證明了陸相頁巖儲層主要孔隙類型為粘土礦物間孔。粘土礦物決定了東岳廟段的孔隙結(jié)構(gòu)特征，而大安寨段則并不是受某種單一因素主要控制。