構造變形對頁巖孔隙結構及吸附性的影響

章新文，李吉君，盧雙舫，黃開展，陰建新

(1.中國石化河南油田分公司，河南 鄭州 450000；2.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

0 引 言

頁巖氣作為非常規油氣的重要類型之一，在中國的油氣勘探中日益受到重視[1-4]。頁巖氣是一種自生自儲式的非常規天然氣，以吸附態和游離態存在于頁巖孔隙內部[5-8]。應用低溫N2吸附實驗，對川東北地區頁巖儲層的微觀孔隙結構特征進行系統的研究，并嘗試探討影響頁巖儲氣能力的主要因素，以期對中國四川盆地頁巖氣的高效勘探開發提供有效和必要的幫助。

1 樣品采集

此次研究所采集的頁巖樣品來自川東北地區城口縣修齊鎮、城口縣龍田鄉田壩村附近。選取了符合條件的7塊頁巖樣品，構造變形程度差異較大，皆取自下寒武統魯家坪組。

2 頁巖變形特征

已有研究表明：頁巖在較弱的構造作用下易產生張性裂縫，且裂隙垂直于層理發育，或與層理呈銳角相交，如四川盆地東緣重慶綦江地區；EICHHUBL[9]等在加利福利亞黑金剛石礦發現斷裂附近頁巖較易發生強烈變形，并且發生尖滅的構造現象；YAN[10]等在四川盆地東緣構造觀察到薄層泥灰巖在擠壓作用下形成大型褶皺，黃犢山發現尖頂背斜與箱形向斜等組合構造。

研究區城口縣修齊鎮頁巖樣品XQ-2、XQ-3、XQ-4取自構造較發育的緊閉連續褶皺處，其取樣點分別在褶皺的翼部(A點，距核部較遠，約為2.0 m的距離)、褶皺翼部(B點，距核部較近，約為0.5 m的距離)、褶皺的核部(C點)，以此從宏觀剖面尺度上判別頁巖樣品的變形強弱依次為XQ-4、 XQ-3、 XQ-2(圖1)。城口縣龍田鄉頁巖樣品LT-2、LT-3、LT-4、LT-6分別取自小型褶皺的核部(D點)、較大的微型褶皺(E點)、灰巖之下的夾層(F點)、頁巖層底部(G點)。從宏觀剖面尺度上對龍田鄉的4個樣品進行變形強弱對比，變形強弱依次為LT-2、 LT-3、 LT-4、 LT-6(圖2)。

圖1修齊鎮頁巖樣品取樣點

從頁巖樣品上可直觀看到，構造變形形態主要表現為裂隙、褶皺、揉皺等，且不同變形程度的頁巖樣品表現出的變形或變形組合有所差異。NEEDHAM[11]在研究蘇格蘭Moffat滑脫構造引起的天然變形頁巖中觀察到，發育強烈揉皺現象的頁巖，裂隙并不發育；ERICKSON等[12]在頁巖-碳酸鹽巖滑脫層中發現強烈不協調褶皺現象。

圖2龍田鄉頁巖樣品取樣點

3 頁巖微納米孔隙結構特征

低溫N2吸附實驗顯示，城口縣修齊鎮和龍田鄉頁巖小于10.0 nm的微介孔孔隙較發育，其中主峰在1 nm左右，城口縣修齊鎮的頁巖樣品小于2.0 nm的微孔發育由強到弱依次為：XQ-3、 XQ-4、XQ-2；而城口縣龍田鄉的頁巖樣品的小于2.0 nm的微孔發育情況為LT-4微孔發育程度最低，LT-2、LT-3和LT-6的微孔發育情況相差不大(圖3)。需要注意的是，由于張力強度效應(TSE)的存在，低溫N2解吸時會出現吸附質滯留現象，在解吸曲線上出現明顯的滯后環，存在明顯的假峰，其存在會對孔徑分布的準確性產生影響。

圖3 頁巖樣品孔徑分布

4 構造變形作用對頁巖微納米孔隙發育的控制作用

頁巖微納米孔隙發育的影響因素有很多，該文在考慮頁巖物質成分影響的同時，也考慮到了后期構造演化作用的影響。在復雜的地質環境中，巖石不僅受到熱演化作用，還會受到后期構造作用的影響。頁巖所受構造變形作用的差異，會在宏觀和微觀孔隙結構特征上體現。隨變形程度由弱到強，宏觀上裂隙發育情況變化較大，由多組裂隙發育到逐漸消失；微觀上，產生大量的微納米孔隙，孔隙比表面積逐漸增加[13-15]。

此次研究中，XQ-2與XQ-3礦物組成相似，TOC分別為5.8%、2.2%。前人認為總有機碳含量是有機孔發育的主要控制因素，與微納米孔隙體積、比表面積呈正相關性[16]，XQ-2微納米孔體積尤其是比表面積本應大于XQ-3，但實驗測量結果卻相反，XQ-2與XQ-4之間同樣存在上述現象(表1)，反映了構造變形作用的影響。即構造變形程度與微納米孔隙體積、比表面積呈正相關，同樣，龍田鄉頁巖樣品LT-2與LT-4也存在相同的規律，LT-2與LT-4有機質類型、成熟度、黏土礦物含量等因素相似(表1)，但TOC含量相差較大,分別為1.6%、8.6%，LT-4號樣品孔體積、比表面積本應大于LT-2，但卻相近甚至小于LT-2，這與LT-2變形程度大于LT-4有關；LT-2與LT-3、LT-3與LT-4之間也存在這樣的規律；LT-6號樣品由于發育頁理、順層裂隙孔隙，孔隙發育程度較高，比表面積異常大。構造變形對孔隙結構的影響可能是由于構造運動影響頁巖納米級孔隙的變形，隨著變形程度的增大，頁巖內部各碳網及基本結構單元間排列的秩理化程度明顯增強[17-19]。

表1 頁巖樣品地球化學特征及孔隙結構特征

5 構造變形作用對頁巖吸附氣量的影響

通過等溫吸附模擬法獲取頁巖吸附氣含量。研究發現，城口縣修齊鎮樣品XQ-3的變形程度從宏觀和微觀角度分析均大于XQ-2。圖4為頁巖樣品對甲烷的等溫吸附曲線。由圖4可知，樣品XQ-2的吸附氣量小于XQ-3。XQ-2、XQ-3樣品的有機質類型(均為Ⅲ型)、成熟度和黏土礦物含量等因素均比較相似，但是2塊樣品的TOC含量相差較大，分別為5.8%(XQ-2)、2.2%(XQ-3)。結果顯示，XQ-2吸附氣含量反而小于XQ-3，這應與XQ-3構造變形程度大于XQ-2有關，變形程度越大，氣體吸附能力越強，上述研究也揭示了構造變形作用對孔隙結構的影響，構造變形程度與微納米孔隙體積、比表面積呈正相關，XQ-2與XQ-4之間同樣存在上述現象(圖4)。

龍田鄉LT-2、LT-4號頁巖樣品同樣存在上述規律，在機質類型、成熟度、黏土礦物含量等因素相似，兩者的TOC含量相差較大，分別為1.6%(LT-2)、8.6%(LT-4)，而圖4中顯示LT-2的吸附曲線反而略高于LT-4，這就是由于LT-2的構造變形程度大于LT-4。 LT-2與LT-3、LT-3與LT-4之間也存在上述現象(圖4)。因此，頁巖樣品的構造變形程度越大，其微納米孔隙越發育，比表面積越大，提供了更多的吸附位，吸附能力從而增加[14-15,20-21]。

圖4研究區頁巖樣品蘭格繆爾模型對等溫吸附曲線的擬合

6 結 論

(1) 分別從宏觀、微觀尺度判別分析了城口縣修齊鎮、龍田鄉頁巖樣品的構造變形強弱；川東北地區頁巖樣品構造變形形態主要表現為裂隙、褶皺、揉皺等，且不同變形程度的頁巖樣品表現出的變形或變形組合有所差異。

(2) 研究區頁巖樣品孔徑主要為納米級，孔徑大小主要分布在0.5～10.0 nm。

(3) 隨變形程度的增強，宏觀上裂隙發育情況變化較大，由多組裂隙發育到逐漸消失；微觀上，產生大量的微納米孔隙，孔比表面積逐漸增加，促進了頁巖微孔發育，進而造成頁巖吸附氣含量增高。

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