川東南地區志留系龍馬溪組頁巖微觀孔隙結構特征

單中強，王 馨，王慶之

(中石化華東分公司石油勘探開發研究院，江蘇 南京 210011)

0 引言

頁巖氣是一種非常規天然氣，主體位于暗色泥頁巖或高炭泥頁巖中，以游離態儲存在頁巖孔隙和天然裂縫中，以吸附態存在于干酪根和黏土顆粒表面，或以溶解態存在于干酪根和瀝青質中，具有典型的自生自儲、近原地成藏富集的特點。由于川東南地區頁巖氣的勘探仍處于初期階段，頁巖氣資源評價的難度較大(張金川等，2004;蔣裕強等，2010;劉樹根等，2011;陳文玲等，2013;Curtis，2002)。因此，進一步研究并揭示龍馬溪組頁巖的孔隙結構特征，對評價川東南地區頁巖儲氣性能、揭示頁巖氣富集規律具有理論和實踐意義。

1 地質背景

川東南地區在大地構造上屬于揚子準地臺上揚子臺內坳陷構造單元，具有地層抬升較高、構造擠壓強烈、高陡構造發育等特點，該地區下古生界為連續沉積。區內下志留統龍馬溪組下部為富含筆石化石的黑色炭質頁巖，有機質類型多為I型，是良好的烴源巖，厚度可達150 m(左中航等，2012;王正和等，2013;周德華等，2013)。頁巖氣勘探開發潛力較大。

2 頁巖儲集空間類型及組合模式

2.1 頁巖儲集空間類型

巖石孔隙是儲存油氣的重要空間和確定游離氣含量的關鍵參數。據統計，有平均50%左右的頁巖氣存儲在頁巖基質孔隙中。頁巖儲集層為特低孔滲儲集層，以發育多類型微米甚至納米級孔隙為特征，孔隙大小一般小于 2 μm，具體可分為微孔(＜2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(＞50 nm)(Slatt et al，2011)，孔隙比表面積大，結構復雜，豐富的內表面積可以通過吸附方式儲存大量氣體。

運用氬離子拋光掃描電鏡技術對X井龍馬溪組泥頁巖巖芯樣品進行觀察，確定該層段主要發育微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、晶間孔、晶內孔、有機質孔隙和生物化石內孔隙等孔隙類型。其中，微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、晶間孔、晶內孔等屬于無機孔隙;有機質孔隙和生物化石內孔隙等孔隙屬于有機孔隙。

2.1.1 微裂縫 微裂縫寬度及延伸長度分布范圍較大，天然微裂縫中常充填有石英、方解石等礦物或有機質(瀝青)。這些微裂縫包括礦物結晶裂縫和構造作用形成的裂縫，在儲層的壓裂改造中優先開啟，可以作為頁巖氣運移的通道。圖1a顯示的是充填灰黑色塊狀有機質的裂縫。

2.1.2 微孔道 微孔道在泥巖基質中大致平行于層理面，寬度 ＜0.3 μm，延伸長度 ＜0.5 cm，延伸范圍不貫穿整個視域范圍。這些特征表明泥頁巖中的微孔道并非因壓力釋放而人為形成。目前，對泥頁巖中微孔道的成因還不確定，推測其可能是生物擾動和微層面及微波紋的殘余空間，這些微孔道可以為頁巖氣的保存以及運移提供儲集空間和運移通道(圖1b)。

圖1 龍馬溪組泥頁巖中儲集空間類型Fig.1 Types of reservoir space in the Longmaxi Formation mud shale

2.1.3 絮狀物孔隙 絮狀物孔隙在泥頁巖中廣泛存在，若相互連通并為頁巖氣運移提供通道，主要是存在于礦物顆粒之間的未被充填的空隙，該類型孔隙的主要成因是黏土礦物形成類似卡片支撐的絮狀物孔隙，這些絮狀物孔隙之間可能相互連通(圖1c)。絮狀物孔隙主要存在于黏土礦物之間，黏土礦物在泥頁巖儲層中含量相對較高，該類型孔隙在泥頁巖中廣泛存在，具有較好的連通性，為頁巖氣的富集提供了重要的儲集空間。

2.1.4 晶間孔 晶間孔包括結晶顆粒內孔隙、溶蝕孔隙和泥粉晶粒內孔隙，是一種存在于礦物顆粒或礦物集合體之間的孔隙空間。泥頁巖中最常見的晶間孔是霉球狀黃鐵礦顆粒內孔隙。圖1d為霉球狀黃鐵礦顆粒間孔隙。泥頁巖儲層中該類型孔隙數量不多，對孔隙度的貢獻有限。

2.1.5 晶內孔 晶內孔因結晶礦物顆粒內部的晶格缺陷而形成的一種存在于礦物顆粒或礦物集合體內的孔隙空間。該類型的孔隙對孔隙度的貢獻有限，而且其連通性也相對較差。圖1e為泥粉晶粒內孔隙。該泥粉晶為二次搬運沉積物。泥頁巖儲層中該類型孔隙數量不多，對孔隙度的貢獻有限。

2.1.6 有機質孔隙 有機質孔隙主要是頁巖有機質顆粒中的納米級孔隙，以有機質生烴作用形成的孔隙為主。有機質質量分數為7%的頁巖在生烴演化過程中，消耗35%的有機碳可使頁巖孔隙度增加4.9%，有機微孔的直徑一般為 0.01～1.00 μm(Javie et al，2007)。圖1f為有機質粒內孔，可以看到有機質孔隙相對比較發育，粒徑一般在納米級。因為有機質孔隙分布于有機質顆粒內部，因此有機質孔隙的大小直接受控于泥頁巖有機碳含量和熱演化程度。泥頁巖中有機碳質量分數一般在10%以下，有機質顆粒呈間斷性分布，單個有機質顆粒中的有機質孔隙連通性可能比較好，但整體上有機質孔隙連通性不好。

2.1.7 生物化石孔隙 生物化石內孔隙主要為生物遺體化石中未被礦物充填的孔隙，這一部分孔隙可以為頁巖氣的儲集提供空間。志留系龍馬溪組泥頁巖屬于海相沉積，筆石化石較發育，主要發育有直筆石、鋸筆石、尖筆石和耙筆石，但整體上看生物化石的數量相對有限，使得該類型孔隙對泥頁巖整體的孔隙度的貢獻也有限。圖1g、h分別為X井龍馬溪組泥頁巖巖石薄片觀察到的筆石生物化石、硅藻體腔孔(葉玥豪等，2012)。這些生物化石內孔隙在泥頁巖中呈分散狀態單個分布，連通性較差，對孔隙度的貢獻有限。

2.2 頁巖微觀孔隙組合模式

在對X井龍馬溪組泥頁巖樣品進行常規掃描電鏡和氬離子拋光掃描電鏡分析的基礎上，觀察并總結上述各類泥頁巖微觀孔隙的特點，并結合前人研究成果(Loucks et al，2009)，建立泥頁巖微觀孔隙組合模式(圖2)。在泥頁巖微觀孔隙組合模式中：(1)微裂縫垂直于水平面分布;(2)微孔道平行于水平面分布;(3)絮狀物孔隙在泥頁巖中大量分布;(4)粒內孔、有機質孔隙和生物化石孔隙在泥頁巖中分散分布;(5)泥頁巖儲層中微裂縫、微孔道和絮狀物孔隙等微觀孔隙相互連通性較好，構成了泥頁巖中的主要滲流運移通道，與部分粒內孔、有機質孔隙和生物化石孔隙相連通。

圖2 泥頁巖儲層中微觀孔隙分布組合模式Fig.2 Distribution and combination model of micropores in the mud shale reservoir

3 氮氣吸附實驗

泥巖的孔喉細小，儲層致密，作為重要的油氣儲集空間和初次運移通道，其孔隙的大小、類型等不僅會影響烴源巖的排烴效率，也會影響頁巖氣的賦存狀態和含氣量大小。為了較好地定量分析泥頁巖的孔隙，本次研究對X井選取了1個樣品進行了氮氣吸附－脫附實驗。吸附曲線起始部分呈上升并向上凸起的趨勢(圖3)，整體上看屬于Ⅱ類吸附曲線，吸附曲線末端未達到吸附飽和表明頁巖中發育有大孔徑孔隙。樣品的吸附曲線在飽和蒸汽壓附近很陡，脫附曲線在中等壓力處很陡，與IUPAC推薦的H3型曲線接近(劉輝等，2005)，兼有H4型曲線特征(介于H3—H4型)，所呈現的曲線是多個標準曲線的疊加，是樣品孔隙形態的綜合反映，表明龍馬溪組頁巖氣儲層的孔隙主要由納米孔組成，且結構具有一定的無規則(無定形)孔特征，顆粒內部孔結構具有平行壁的狹縫狀孔特征，且含有多形態的其他孔。脫附曲線與吸附曲線在相對壓力P/P0=0.9～0.5范圍內分離，從吸附曲線的形態可以看出頁巖中發育細頸瓶狀孔隙，孔徑分布曲線顯示了頁巖中小孔所占的空間比例比較大。

圖3 龍馬溪組頁巖吸附－脫附曲線及孔徑分布特征Fig.3 Adsorption-desorption curves and pore size distributions of the Longmaxi Formaiton shale

4 結論

(1)龍馬溪組頁巖儲層段主要發育有裂縫、微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、粒內孔、有機質孔隙和生物化石內孔隙等孔隙類型，其中以有機質孔隙為主。

(2)在泥頁巖微觀孔隙組合模式中，微裂縫垂直于水平面分布，微孔道平行于水平面分布，絮狀物孔隙在泥頁巖中大量分布，粒內孔、有機質孔隙和生物化石孔隙在泥頁巖中分散分布，泥頁巖儲層中微裂縫、微孔道和絮狀物孔隙等微觀孔隙相互連通性較好，構成了泥頁巖中的主要滲流運移通道，與部分粒內孔、有機質孔隙和生物化石孔隙相連通。

(3)X井的吸附曲線起始部分呈上升并向上凸起的趨勢，整體上看屬于Ⅱ類吸附曲線，表明龍馬溪組頁巖氣儲層的孔隙主要由納米孔組成，且結構具有一定的無規則(無定形)孔特征，顆粒內部孔結構具有平行壁的狹縫狀孔特征，且含有多形態的其他孔。

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