貴州遵義五峰組—龍馬溪組頁巖微觀孔隙特征及其對含氣性控制
——以安頁1井為例

葛明娜，龐 飛，包書景

(中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100083)

近年來，隨著頁巖氣勘查開發，頁巖儲層微觀特征研究逐漸受到重視[1-7]。頁巖氣主要以吸附態賦存于有機質和黏土礦物表面，以游離態賦存于有機質泥頁巖微—納米孔隙中，是典型的源儲一體、連續分布的非常規天然氣[8-11]。含氣泥頁巖孔隙度通常小于5%，滲透率低于0.1×10-3μm2，屬于典型的特低孔、特低滲儲層[12]。研究表明，北美和我國南方海相頁巖的有機質微孔隙是其富集、高產的重要因素[13]，微觀孔隙特征研究對認識頁巖的含氣性具有重要意義[14]。目前研究泥頁巖等致密儲層微觀孔隙特征的方法主要有：①氬離子拋光掃描電鏡；②場發射掃描電鏡；③聚焦離子束雙束—掃描電鏡；④納米CT；⑤N2(CO)吸脫附實驗；⑥壓汞孔喉分析技術等[15-18]。①～④主要用來分析微觀孔隙類型，其中③、④可進行三維重構，更直觀、全面地進行孔隙立體展示和連通性分析；⑤、⑥針對孔喉結構進行研究，主要包含比表面積、孔隙結構及孔徑等。頁巖儲層空間可以分為孔隙和裂縫2大類，又將孔隙分為有機質納米孔隙、顆粒內納米孔隙[19]。亦有國外學者分為粒間孔、基質晶間孔和有機質孔[20]；粒間孔、粒內孔和有機孔[21]；微孔、介孔和宏孔[22]。

通過對安頁1井目的層鉆井和野外剖面觀測及測試分析等工作，從微觀孔隙類型、孔隙結構以及含氣性影響因素等方面，對上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組(簡稱五峰—龍馬溪組)頁巖層系的儲層特征進行了研究，認為五峰—龍馬溪組的頁巖孔隙類型主要是有機孔和微裂縫，孔滲能力較弱且孔徑小，有機碳含量是影響頁巖吸附量的主要因素。基于此認識，開展了安頁1井和焦石壩五峰—龍馬溪組頁巖氣藏儲層微觀孔隙特征差異的討論。

1 地質背景

黔北安場向斜五峰—龍馬溪組是一套以淺水陸棚—深水陸棚相沉積的黑色碳質頁巖，富有機質頁巖厚度在16～25 m，安場向斜內共發育3條斷層，無區域性大斷層。安頁1井位于武陵山褶皺帶西南端安場向斜西翼，井深2 900.17 m，完鉆層位為寒武系婁山關組，是一口頁巖氣參數井。本文研究對象為五峰—龍馬溪組頁巖，主要包括上奧陶統五峰組碳質頁巖、觀音橋組泥質生物灰巖和下志留統龍馬溪組碳質頁巖，厚度19.5 m；下部與寶塔組整合接觸，上部與新灘組整合接觸(圖1)。龍馬溪組頁巖水平紋層極為發育，普遍含呈結核狀、星散狀分布的黃鐵礦，含大量以營漂浮生活的筆石化石，屬深水陸棚相沉積，是頁巖氣研究的重點層系。

圖1 貴州遵義安頁1井位置及其地層柱狀圖

安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖干酪根類型主要為腐殖腐泥型，顯微組分以腐泥無定型體為主，不含殼質組，鏡質組主要為正常鏡質體，惰質組見少量絲質體，類型指數52～72，干酪根類型主要為Ⅱ1型。TOC含量介于1.07%～5.95%，平均2.65%，優質頁巖段部分樣品TOC大于4%，具有較好的生烴潛力；縱向上，龍馬溪組TOC含量下部整體高于上部，五峰組總體小于龍馬溪組(圖1)。安場向斜頁巖Ro在1.92%～2.19%，安頁1井頁巖Ro在2.41%～3.08%(表1)，處于過成熟早期演化階段。

2 頁巖微觀孔隙特征

頁巖為低孔、低滲透致密儲層，微孔隙的大量發育為頁巖氣提供儲集空間[23]，尤其在北美海相泥盆系頁巖和我國南方龍馬溪組頁巖中的有機質孔隙是頁巖氣賦存的主要空間[24]。

2.1 頁巖孔隙類型與形態

國內外對微觀孔隙的分類多樣，有些差別較大。國外代表有LOUCKS微觀孔隙分類法[21]，即北美海相頁巖微孔隙經典三分法：粒間孔、粒內孔及有機孔，其將微裂縫納入孔隙分類中；國內一些學者傾向于將微觀孔隙與裂縫分開，直接分為5種或7種，甚至更多的孔隙類型。本文主要依據LOUCKS分類法并結合國內分類情況，將安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖微觀儲集空間分為有機質孔、粒內孔、粒間孔與微裂縫，又可細分為生烴殘留孔、黏土礦物層間孔、晶間孔、邊緣縫、內部縫5種亞孔隙類型，其中生烴殘留有機孔和微裂縫為最主要儲集空間。

2.1.1 有機孔

按成因，泥頁巖中有機質孔隙可分為2種：生烴殘留孔隙和有機質內部孔隙；按接觸介質，可分為3種：純有機質內孔隙、有機質與黏土礦物內復合孔隙以及有機質與基質粒間孔隙。

本文有機質孔按成因分類，生烴殘留孔隙通常是在熱演化程度相對較高的情況下，有機質生烴過程中形成的微孔隙，孔徑分布80 nm～1.5 μm。安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖熱演化程度較高，屬于此類孔隙。這些有機孔孔徑幾到幾百納米，平面上通常為似蜂窩狀不規則橢圓形，龍馬溪組以此孔隙為主(圖2a-c)；五峰組此類孔隙欠發育且孔徑通常不超過50 nm(圖2d)。由于有機質內部孔隙為有機質原生孔隙，通常是在熱演化程度較低的情況下，有機質團塊內部保留下來的微孔隙，此類孔隙可見于陸相或海陸交互相泥頁巖中，本文對此類孔隙不作考慮。

2.1.2 粒內孔

該類孔隙具有體積小、吸附性較強、數量多、連通性差、呈星點狀分布的特點，其發育與頁巖中礦物的數量和種類密切相關，通常黏土礦物越多，黏土礦物間孔越發育，頁巖吸附天然氣的能力越強[25]。五峰—龍馬溪組粒間孔為黏土礦物層間孔，孔隙呈長條狀，孔徑多在100 nm以上，常與邊緣縫、有機質孔伴生發育(圖2e,f)。

2.1.3 粒間孔

安頁1井較為常見的粒間孔是晶間孔，這種孔隙是缺氧環境下形成的草莓狀黃鐵礦晶粒間的孔隙，部分孔隙被溶蝕擴大形成鑄模孔，孔徑介于1.7～150 nm(圖2g)，另見少量白云石重結晶形成的晶內微孔。

2.1.4 微裂縫

安頁1井微裂縫分為2種：一為礦物或有機質內部裂縫(圖2h-j)；一為礦物或有機質邊緣裂縫(圖2k,l)。粒間微縫一般較平直，粒緣縫有輕微的彎曲，部分裂縫為微米級且被方解石充填(圖2i)。微裂縫主要發育在五峰組，與有機質伴生；龍馬溪組微裂縫欠發育，可見礦物內部縫。 裂縫寬主要介于0.01～2.1μm，縫長非均質性較強，幾到幾百微米。裂縫長度一般與片狀礦物長度有關，通常巖石脆性礦物含量越高，越易形成微裂縫。

表1 貴州遵義地區安頁1井樣品信息

圖2 貴州遵義安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖微觀孔隙

2.2 頁巖孔隙結構特征

頁巖氣具有自生自儲的特性，頁巖孔隙中蘊藏著豐富的油氣資源，孔隙結構對頁巖儲層的儲集性能、滲流能力和頁巖氣產能具有十分重要的影響[26]，是頁巖儲層評價的核心內容。

2.2.1 N2吸附—脫附曲線特征

對安頁1井五峰—龍馬溪組6塊頁巖樣品進行了N2吸附—脫附實驗。圖3中1～5號樣品吸脫附曲線形態相似，呈“S”型，吸附等溫線屬于IUPAC吸附等溫線中的Ⅳ型，H4滯后環，具有平板結構的狹縫孔[27]。這種孔在開始凝聚時，由于氣液界面是大平面，只有當壓力接近飽和蒸汽壓時才發生毛細凝聚，吸附等溫線類似Ⅱ型[28]。圖3中6號樣品吸附等溫線屬于IUPAC吸附等溫線中的Ⅴ型，H3滯后環，具有平板結構的狹縫孔。這種曲線反映了吸附質與吸附劑之間作用微弱的Ⅲ型等溫線特點。

從相對壓力變化分析，在低相對壓力(P/Po)區(0.05～0.09)，圖3中1～5號樣品出現第一個拐點，此壓力區間為單分子吸附態，曲線上凸說明頁巖中吸附劑(有機質或黏土礦物)與N2發生較強的吸附作用，6號樣品此段平坦，吸附作用較弱；中壓段P/Po(0.09～0.8)為N2在孔隙中的冷凝積聚，發生了多分子層吸附，利用BJH法基于此段進行介孔分析，此區間吸附線接近線性；高壓段P/Po(0.8～0.99)曲線上揚，氮氣在大孔上吸附，1～2號樣品呈微上揚，3～5號樣品曲線上揚趨勢明顯，6號樣品曲線快速上揚，說明從龍馬溪組到五峰組大孔逐漸增加，6號樣品大孔最發育。此外，吸附曲線形態可以分析孔分布，1～5號樣品吸附線整體平緩，說明樣品孔分布較寬；6號樣品吸附線高壓段較陡，說明其孔徑分布較窄。

2.2.2 孔隙結構參數及孔徑分布

表征頁巖孔隙結構的參數有比表面積、孔容和平均孔徑。安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖比表面積為0.68～14.83 m2/g，其中，龍馬溪組為13.25～14.83 m2/g，五峰組為0.68～8.70 m2/g；頁巖樣品的孔容為0.001～0.005 mL/g，其中，龍馬溪組為0.004～0.005 mL/g，五峰組為0.001～0.003 mL/g；平均孔徑為2.56～7.45 nm，其中，龍馬溪組為2.56～2.71 nm，五峰組為2.61～7.45 nm，五峰組大于龍馬溪組(圖4a)。

安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖孔徑為1.7～262 nm，集中分布在2～5 nm，以介孔為主。從比表面積貢獻率分析，介孔貢獻率56.3%～88.6%，宏孔貢獻率0.6%～9.5%；從孔容貢獻率分析，介孔貢獻67.7%～75.3%，宏孔為9.7%～38.8%，整體介孔對比表面積和孔容的貢獻遠大于宏孔。由6號樣品的吸脫附曲線可知，6號樣品的宏孔較其他樣品發育，故6號樣品宏孔對孔容影響較大(圖4b)。

圖3 貴州遵義安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖樣品低壓氮氣吸/脫附實驗

圖4 貴州遵義安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖樣品孔隙結構參數分布

3 頁巖含氣性影響因素

由頁巖氣的賦存狀態可知，影響吸附氣量的因素主要有TOC含量、黏土礦物含量和比表面積，影響游離氣的因素主要為裂縫和礦物微孔隙。

3.1 微觀孔隙對含氣性的控制

3.1.1 微觀孔隙類型

龍馬溪組以有機質孔隙為主，五峰組以裂縫為主，有機質孔隙較少，其他孔隙在2個層系無明顯規律。頁巖的微觀孔隙類型決定了安頁1井龍馬溪組頁巖中的天然氣主要以吸附態賦存在有機質孔內，少量以游離態賦存在其他礦物質孔內；五峰組頁巖中的天然氣主要以游離態賦存在微裂縫中，少量以吸附態賦存在有機質或其他礦物質孔中。

孔隙類型的不同間接決定了頁巖含氣量的差異。安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖含氣量與吸附氣量具有良好的線性正相關關系，相關系數0.81(圖5a)，說明安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖吸附性能越好，含氣性越好。縱向上，龍馬溪組含氣量均大于五峰組，這與龍馬溪組頁巖吸附氣量大于五峰組有關，是由龍馬溪組頁巖中天然氣的賦存狀態決定的。

3.1.2 微觀孔隙結構參數

比表面積是表征頁巖吸附能力的直接參數，與吸附氣量密切相關，進而影響頁巖總含氣量。孔容主要為頁巖中游離氣提供儲集空間，其大小直接影響頁巖含氣量。不同的孔徑分布對吸附氣及游離氣含量影響不同，當孔徑在2～10 nm之間時，吸附氣含量大于游離氣含量；隨著孔徑的增加，吸附氣量逐漸降低，游離氣量逐漸增加。

安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖含氣量與比表面積、孔容均高度線性正相關，相關系數為0.81和0.82(圖5a)；吸附氣量與比表面積高度線性正相關，相關系數0.99(圖5b)，因此，安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖的比表面積可直接表征頁巖吸附氣量。縱向上，龍馬溪組頁巖比表面積和孔容均大于五峰組，與龍馬溪組含氣量大于五峰組的結論相一致。由圖4a可知，龍馬溪組平均孔徑小于五峰組，這是由2個層系的孔隙類型決定的。由于五峰組孔容小于龍馬溪組，而平均孔徑大于龍馬溪組，故其比表面積小于龍馬溪組。安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖的比表面積與平均孔徑呈線性負相關，相關系數0.64(圖5b)，這一線性關系也佐證了這一結論。

3.2 其他因素

除微觀孔隙對含氣性影響，研究分析了TOC、Ro、脆性礦物及黏土礦物與含氣量的關系。研究表明，安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖吸附氣量與TOC含量和脆性礦物線性正相關，相關系數為0.65和0.55(圖5c)；比表面積與TOC含量線性正相關，相關系數0.67，TOC含量與脆性礦物高度線性正相關，相關系數0.92(圖5d)。含氣量與黏土礦物相關性不顯著，可能受脆性礦物中的生物硅因素干擾，與Ro無明顯相關性。

圖5 貴州遵義安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖樣品含氣性影響參數相關性分析

參數地區沉積相埋深/m頁巖厚度/mw(TOC)/%Ro/%石英/%孔隙度/%滲透率/10-3 μm2平均孔徑/nm含氣量/(m3·t-1)安頁1井深水陸棚2 311.5～2 33119.52.652.41～3.0832～651.018～1.3010.000 2～0.005 72～51.63焦石壩地區深水陸棚2 100.0～3 50035～90>22.6>604.870.252～302.14

涪陵焦石壩五峰—龍馬溪組頁巖氣勘查開發已取得重大突破。通過安頁1井與焦石壩五峰—龍馬溪組頁巖差異對比分析，認為安頁1井頁巖厚度較小，孔隙度、滲透率小，孔滲性較差，孔喉直徑較小，這些是制約安頁1井含氣性的關鍵因素(表2)。

4 結論

(1)貴州遵義地區安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖發育4類微觀儲集空間：有機質孔、粒間孔、粒內孔與微裂縫。其中，有機質孔中的生烴殘留孔隙為龍馬溪組頁巖的主要孔隙類型，微裂縫為五峰組的主要孔隙類型。

(2)安頁1井五峰—龍馬溪組頁巖吸脫附等溫線有2種類型：一是Ⅳ型吸附等溫線，H4滯后環；一是Ⅴ型吸附等溫線，H3滯后環，均為平板結構的狹縫孔。龍馬溪組的比表面積和孔容均大于五峰組，平均孔徑小于五峰組。

(3)龍馬溪組頁巖含氣量大于五峰組。五峰—龍馬溪組頁巖含氣性主要受頁巖的比表面積和孔容控制，受微觀孔隙類型、脆性礦物含量及平均孔徑間接影響。尋找厚度更大、孔滲更好的富有機質頁巖層段是安場向斜五峰—龍馬溪組下一步勘探的有利目標。