微觀孔隙結構對頁巖氣賦存方式的影響

龔月 邵林 胡微雪

(1.中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開發研究院 江蘇揚州 225000；2.華東石油技師學院 江蘇揚州 225129)

頁巖氣主要以吸附態和游離態形式存在。目前，對頁巖氣賦存方式的研究，國內外的學者主要借助等溫吸附、數值模擬等方法計算求得，文中主要借助現場含氣量測試數據并根據頁巖巖心的自然解吸規律來確定頁巖含氣量中游離氣和吸附氣的含量，分析氣體的賦存方式。低壓氮氣吸附法在測定納米級孔隙的分布方面應用較為廣泛，文中用該方法研究頁巖的微觀孔隙結構及其控制因素，并探討微觀孔隙對頁巖賦存方式的影響。

1 樣品與實驗方法

1.1 樣品

分別選取川東南地區彭水區塊PY1井龍馬溪組、彭水區塊道真-湄潭構造LQ1井龍馬溪組、渝東南地區黔江區塊ZY1井龍馬溪組-五峰組、川西南坳陷壽保場-金石構造JS1井九老洞組、川西地區新場構造XC1井和XC2井須家河組頁巖為研究對象，樣品具體信息見表1。

1.2 實驗方法

頁巖氣含氣量測試參照SY/T 6940-2013《頁巖含氣量測定方法》，新鮮巖心先后在鉆井液循環溫度和地層溫度下解吸。解吸完成后繪制解吸速率曲線，發現在頁巖氣解吸初期，解吸速率先升高后降低的，在二階升溫后慢慢平穩降低，解吸過程中出現2個拐點，第二個拐點的出現是由于二階升溫造成的，第一個拐點與頁巖本身性質有關，該拐點前的含氣量以游離氣為主，拐點后的含氣量以吸附氣為主，從而計算出頁巖中吸附氣含量和游離氣含量。

樣品的微觀孔隙測試使用美國麥克儀器公司ASAP2020型全自動比表面分析儀，吸附氣體為純度大于99.999%的高純氮氣，實驗時通過向系統增加氣體量測定不同壓力下的吸附量，從而繪制出樣品在液氮溫度（77.5K）下的以相對壓力p/p0為橫坐標，單位質量樣品的吸附量V為縱坐標的吸附脫附等溫線。

表1 樣品信息

圖1 吸脫附等溫線

2 結果與討論

2.1 頁巖氣賦存方式

根據表1，PY1井、LQ1井和ZY1井吸附氣含量較高，高于其游離氣含量，這三口井頁巖氣以吸附氣為主，JS1井、XC1井、XC2井游離氣含量高于吸附氣含量，其頁巖氣以游離氣為主。

2.2 吸脫附等溫線

圖2 納米孔隙與TOC關系圖

圖3 納米孔隙粘土礦物關系圖

圖1為6口井頁巖樣品典型的吸附脫附等溫線。由圖可見，樣品的吸附等溫線均呈反“S”形且都存在回滯環，說明樣品的孔隙從微孔到大孔均有分布，具有相對連續完整的孔隙系統。低相對壓力時吸附量迅速上升，氮氣分子在巖樣表面發生單分子層吸附或者孔填充；在0.05＜p/p0＜0.35的相對壓力范圍時，吸附等溫線近似為一條直線，此時氮氣分子在頁巖樣品表面發生多分子層吸附；在p/p0＞0.4的高相對壓力范圍時，吸附曲線與脫附曲線不重合，形成回滯環，各井的回滯環形態略有不同：PY1井、LQ1井和ZY1井的滯后回線在相對壓力0.4～0.8時，解吸曲線比吸附曲線更為陡峭，形成較寬的滯后環；當相對壓力為0.8～1.0時，吸附曲線急劇上升，即使接近飽和蒸汽壓時也未達到飽和吸附，表明巖樣中的大孔發生了毛細管凝聚現象，樣品的孔隙類型主要為墨水瓶形孔，中孔微孔較為發育，微孔充當孔隙瓶頸，利于氣體的吸附聚集，這與PY1井、LQ1井和ZY1井頁巖氣以吸附氣為主要賦存方式不謀而合。JS1井、XC1井、XC2井的回滯環在相對壓力為0.4～0.8時，吸附曲線上升迅速較慢，呈線性關系；在相對壓力接近1.0時，吸附曲線急劇上升，在接近飽和蒸汽壓時也未達到飽和吸附，滯后環很小，反映了孔隙類型為四面開口的平板型孔，這類樣品孔徑范圍很廣，從微孔到大孔都有發育，特別是中孔和大孔，孔隙連通性好，利于氣體的滲流擴散，這與JS1井、XC1井、XC2井頁巖氣以游離氣為主要賦存方式的結果一致。

2.3 比表面積

進一步研究孔徑分布與比表面積的相關性，發現微孔含量與比表面積呈正相關關系。以吸附氣為主的PY1井、LQ1井和ZY1井，其比表面積遠遠大于以游離氣為主的JS1井、XC1井和XC2井的比表面積，說明大的比表面積利于氣體在頁巖上的吸附。

2.4 頁巖孔隙發育的影響因素

鑒于頁巖樣品中中孔普遍比較發育，含量基本高于50%，文中主要分析TOC（總有機碳）、粘土礦物、脆性礦物與微孔、大孔含量的相關性，分析發現TOC、粘土礦物含量均隨著微孔含量的增加而增加（圖2、圖3），特別是TOC與微孔含量的相關性較好，說明TOC是微孔含量的主控因素；脆性礦物含量與大孔含量呈正相關，說明頁巖中大孔的發育與脆性礦物有關，頁巖作為超低孔低滲儲集層，大孔隙利于氣體的滲流，使氣體以游離的方式賦存。

3 結語

（1）以吸附氣為主要賦存方式的頁巖氣井，孔隙類型為墨水瓶形孔等無定形孔，微孔中孔較發育；以游離氣為主要賦存方式的頁巖氣井，孔隙類型為四面開口的平板型孔，孔徑范圍從微孔到大孔都有發育，特別是中孔大孔較為發育。

（2）以吸附氣為主要賦存方式的頁巖氣井比表面積一般遠大于以游離氣為主要賦存方式的頁巖氣井。

（3）TOC、粘土礦物含量與微孔含量均成正相關， TOC是微孔含量的主控因素；脆性礦物含量與大孔含量成正相關，頁巖大孔的發育與脆性礦物有關。