川東北地區下侏羅統自流井組陸相頁巖儲層孔隙結構特征

付小平，楊 滔

(1.中國石化 勘探分公司，成都 610041；2.中國石化 河南油田分公司 勘探開發研究院，鄭州 450046)

美國的“頁巖氣革命”引發了全世界對頁巖氣的關注[1-3]。在我國，隨著焦石壩等一系列頁巖氣田的發現，針對海相頁巖的勘探開發與研究也已取得一系列的突破[4-6]。近來年，針對陸相頁巖氣的勘探實踐也取得了較大進展。中國石化在川東北地區有14口井在陸相頁巖層系測試獲得工業油氣流，其中YB21井在下侏羅統自流井組大安寨段測試獲得日產50.7×104m3的高產工業氣流；中國石油的J111井在自流井組東岳廟段壓裂后獲得4 000 m3/d天然氣[7]。這些勘探成果表明，陸相頁巖層系同樣具有實現頁巖氣工業開發的潛力。頁巖儲層中的孔隙對頁巖氣富集和成藏意義重大[8-10]，歷來受到眾多地質學家的關注。郭旭升等[11]認為影響頁巖氣藏儲集能力和開采效果的主要因素是孔隙結構，但是目前針對陸相頁巖儲層孔隙結構的研究卻相對較少，亟需加強。

本文以川東北地區下侏羅統自流井組東岳廟段和大安寨段陸相頁巖儲層為研究對象，利用多種分析測試手段對其孔隙結構特征進行了研究，并討論了影響頁巖孔隙結構特征的因素，以期對陸相頁巖氣下一步的勘探開發提供指導。

1 樣品與分析

川東北地區處在多個大地構造單元的交接部位，構造地理位置特殊，區域內構造情況復雜，主要由宣漢—達縣斷褶帶、通江—平昌構造帶、川中平緩構造帶、大巴山前緣推覆帶、米蒼山前緣沖斷帶等5個構造單元構成(圖1)。燕山運動時期，松潘甘孜海和西部海在侏羅紀時消失，四川盆地進一步演變成了內陸湖泊。受深部地幔物質蠕動的影響，川東北地區陸相頁巖在下侏羅統沉積較厚，下侏羅統自流井組東岳廟段和大安寨段普遍發育富有機質灰黑色頁巖夾灰綠色粉砂巖或灰色介殼灰巖。

圖1 川東北地區構造及采樣位置

本次研究的36塊樣品選自川東北地區內FY1、XL101、YL30和YL4井下侏羅統自流井組東岳廟段和大安寨段(圖2)。其中，東岳廟段的暗色頁巖在研究區西北部的沉積背景是碎屑巖淺湖和湖灣沉積，常見粉砂巖條帶；在研究區的東南部為碳酸鹽巖淺湖和半深湖沉積，常見介屑灰巖條帶；大安寨段暗色頁巖的沉積背景在整個研究區均為碳酸鹽巖淺湖和半深湖沉積，常見介屑灰巖條帶。

圖2 川東北地區采樣井綜合柱狀圖

本次研究主要采用了薄片觀察、氬離子拋光掃描電子顯微鏡分析、物性測試、壓汞—N2吸附聯合、X衍射全巖分析以及X衍射黏土礦物分析等實驗分析手段。其中，氬離子拋光掃描電子顯微鏡檢測依據為《油氣儲層砂巖樣品掃描電子顯微鏡分析方法：GB/T18295—2001》和《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法：SY/T5162—2014》；壓汞—N2吸附聯合測定使用了高壓壓汞法、低溫N2吸附法，檢測依據為《頁巖全孔徑分布的測定壓汞—吸附聯合法：NB/T 14008—2015》；X衍射全巖分析和X衍射黏土礦物分析檢測依據為《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X衍射分析方法：SY/T 5163—2010》。

2 實驗結果

2.1 有機碳含量、礦物組分與孔隙度

測試分析(表1)表明，研究區樣品整體的有機碳(TOC)含量分布在0.35%～1.97%之間，平均值為1.12%；頁巖整體上黏土礦物含量最高，其次為石英和方解石，黏土礦物的平均含量達到了50.6%，石英的平均含量為31.3%，方解石的平均含量為10.0%；孔隙度分布在0.57%～6.34%之間，平均值為3.66%。與海相頁巖(如四川盆地及周緣上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖)和海陸過渡相頁巖(如湘中坳陷二疊系大隆組—龍潭組頁巖)相比[12-13]，TOC含量低，黏土礦物含量高。

表1 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖TOC、礦物組分與孔隙度統計

測試分析表明，研究區頁巖中黏土礦物主要包括伊—蒙混層、伊利石、綠泥石和高嶺石(表2)。其中，伊—蒙混層含量最高，占黏土礦物的72.44%，占全巖的30.65%；伊利石、綠泥石、高嶺石含量較少，分別占黏土礦物的15.56%，6.44%，5.56%，占全巖的6.43%，3.08%，2.47%。

表2 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖黏土礦物含量統計

2.2 孔隙形狀特征

N2吸附—脫附曲線可以反映孔隙的形態[14]。根據國際理論和應用化學聯合會(IUPAC)提出的回滯環劃分方案[15-16]，研究區樣品N2吸附的回滯環特征明顯，可以觀察到H3和H4型曲線的特征(圖3c，f，i，l)，部分樣品可觀察到H2型曲線的特征(圖3l)；孔隙形態主要為平行板狀孔和狹縫狀孔，部分樣品中也發育墨水瓶狀孔。

東岳廟段的孔隙形狀在研究區的西北部(YL4樣品點)和東南部(FY1和XL101樣品點)有很大的不同：西北部樣品的N2吸附曲線類型以H4型為主，偶爾可見H2型的特征，孔隙形態以狹縫狀孔為主，其次為墨水瓶狀孔；東南部樣品的N2吸附曲線類型以H3和H4型為主，孔隙形態主要為平行板狀孔和狹縫狀孔。大安寨段樣品的N2吸附曲線類型均以H3和H4型為主，孔隙形態以平行板狀孔和狹縫狀孔為主。氬離子拋光掃描電鏡下的觀察也支持上述結論，可以觀察到，在大部分樣品中，孔隙的主要類型就是平行板狀孔和狹縫狀孔(圖3a，b，d，e，g，h，k)，只在YL4東岳廟段的樣品中觀察到了以墨水瓶狀孔為主的樣品(圖3j)。

圖3 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖孔隙形態及其對應的N2吸附—脫附曲線

2.3 孔隙結構定量表征

測試分析表明，研究區樣品比表面積在0.693～9.717 m2/g，平均4.031 m2/g，總孔體積在(30.3～198.1)×10-4mL/g，平均93.88 ×10-4mL/g；微孔(< 2 nm)孔體積平均占總孔體積的18.6%，介孔(2～50 nm)孔體積平均占56.9%，大孔(> 50 nm)孔體積平均占24.5%，樣品中的微孔隙以介孔(2～50 nm)為主(表3,圖4)。前人研究表明，重慶地區龍馬溪組海相頁巖比表面積平均8.196 m2/g，總孔體積平均58.12 ×10-4mL/g，微孔平均占總孔體積的32.3%[17]；陸相頁巖的總孔體積高于重慶地區龍馬溪組海相頁巖，但是微孔占比和比表面積均低于重慶地區龍馬溪組海相頁巖。

表3 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖壓汞—N2吸附聯合試分析數據

圖4 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖不同體積孔容占比及比表面積

就具體層段而言，碎屑巖沉積背景下的西北部東岳廟段樣品(YL4樣品點)比表面積平均5.882 m2/g，總孔體積平均92.35 ×10-4mL/g；微孔孔體積平均占總孔體積的29.3%，介孔孔體積平均占56.5%，大孔孔體積平均占14.2%(圖4b)。碳酸鹽巖沉積背景下的東南部東岳廟段樣品(FY1和XL101樣品點)比表面積平均1.961 m2/g，總孔體積平均76.91 ×10-4mL/g；微孔孔體積平均占總孔體積的9.2%，介孔孔體積占58.0%，大孔孔體積平均占32.8%(圖4b)。同為碳酸鹽巖沉積背景下的大安寨段樣品比表面積平均4.279 m2/g，總孔體積平均100.47×10-4mL/g；微孔孔體積平均占總孔體積的18.6%，介孔孔體積平均占56.6%，大孔孔體積平均占24.8%(圖4d)。碎屑巖沉積背景下的東岳廟段樣品的微孔孔體積在總孔體積中占比以及比表面積，明顯高于碳酸鹽巖沉積背景下的大安寨段和研究區東南部的東岳廟段。

3 討論

3.1 頁巖比表面積與孔體積分布的關系

通過將比表面積與孔體積分布進行相關性分析表明，樣品的比表面積與微孔孔體積和介孔孔體積呈正相關關系，相關系數(R2)分別為0.98和0.40，比表面積與大孔孔體積不存在相關性(圖5)。前人研究也表明[18]，微孔提供的比表面積最大，占比平均超過75%，其次是介孔，而大孔則幾乎不提供比表面積。因此，研究區頁巖的比表面積主要與微孔孔體積相關，其次是介孔。

圖5 川東北地區下侏羅統自流井組 頁巖孔體積與比表面積的關系

3.2 頁巖礦物組成與孔隙結構參數的關系

將頁巖礦物組成與孔隙結構參數進行相關性分析表明(圖6)，頁巖礦物組成中主要是黏土礦物的含量與頁巖的微孔孔體積和比表面積存在相關性，頁巖的介孔孔體積會受到頁巖中黏土礦物含量的影響，但是影響較小，頁巖的大孔孔體積基本不受頁巖礦物組成的影響。

圖6 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖不同黏土礦物與孔體積及比表面積的關系

研究區樣品的黏土礦物主要由伊—蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石組成。

分析表明，頁巖微孔孔體積與伊—蒙混層、高嶺石和綠泥石含量均呈正相關關系(圖6a,b)，相關系數分別為0.77，0.39，0.84，微孔孔體積主要受伊—蒙混層和綠泥石含量的影響，其次是高嶺石含量的影響，伊利石對微孔孔體積的影響不大。形成這種現象的原因是伊—蒙混層、綠泥石和高嶺石中微孔的孔體積遠高于伊利石，也遠高于其他礦物[19]，頁巖的微孔主要存在于這3種礦物中。

上文研究表明比表面積主要由微孔提供，因此，黏土礦物含量對比表面積的影響與對頁巖微孔孔體積的影響類似。相關性分析也表明，頁巖比表面積也與伊—蒙混層、高嶺石、綠泥石均具有正相關關系(圖6c，d)，相關系數分別為0.59，0.35，0.89，頁巖比表面積主要受伊—蒙混層和綠泥石的影響，其次是高嶺石含量的影響，伊利石對比表面積的影響不大。

頁巖的介孔孔體積可能受到伊—蒙混層含量的影響，但相關性不明顯(圖6e)，隨著伊—蒙混層含量提高，頁巖中介孔只是有升高的趨勢。形成這種現象的原因是伊—蒙混層雖然與陸相頁巖的其他礦物組分相比具有較豐富的介孔，但是其他礦物組分中介孔的量依然相當可觀。

3.3 TOC含量與孔隙結構參數的關系

通過將TOC含量與孔隙結構參數進行相關性分析表明，TOC與大孔孔體積具有一定的正相關性，與比表面積具有明顯的負相關性(圖7)，與介孔孔體積和微孔孔體積無明顯相關性，這與海相頁巖不同。主要原因在于川東北地區陸相頁巖TOC含量低，干酪根類型以Ⅱ型為主，少量為Ⅲ型，成熟度較低，低成熟度頁巖的有機孔孔容主要來自于較大的孔隙[20]。氬離子拋光掃描電鏡下觀察(圖8)也表明，頁巖有機質孔普遍體積較大，以大孔(>50nm)為主，因而TOC含量與大孔孔體積相關，對頁巖的介孔孔體積和微孔孔體積影響較小，也無法有效提供比表面積。同時，干酪根生烴過程中產生的可溶有機質在巖石中大量占據微孔隙和吸附位[21-23]，從而隨著頁巖TOC含量的升高，頁巖中的微孔有減少的趨勢，導致比表面積降低。

圖7 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖TOC含量與比表面積及大孔孔體積的關系

圖8 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖有機質孔氬離子拋光顯微鏡下照片

3.4 不同層段頁巖孔隙結構特征差異的原因

大安寨段的頁巖孔隙結構特征整體近似，東岳廟段依據頁巖孔隙結構特征的差異可分為西北部和東南部兩塊；東南部的東岳廟段與大安寨段相似，而西北部東岳廟段則與其東南部及大安寨段差異明顯。只有在研究區西北部東岳廟段的樣品中觀察到了墨水瓶狀孔，且其微孔占比高，比表面積更大。

形成上述現象的原因是研究區西北部東岳廟段(碎屑巖沉積背景)與大安寨段及研究區東南部的東岳廟段(碳酸鹽巖沉積背景)相比，其黏土礦物更富集，粉砂質更多。在普通顯微鏡、FIB-SEM觀察(圖9)和礦物組分分析(表1)中也可以看到，前者的樣品中往往具有更多的黏土礦物、更多的粉砂質以及較少的碳酸鹽礦物。一方面，碳酸鹽礦物不但不能有效提高頁巖的比表面積，還會以膠結物的形式填充微孔隙或微裂縫，降低頁巖中微孔的占比和比表面積[24]；另一方面，前文分析表明，陸相頁巖的微孔主要發育在伊—蒙混層、高嶺石和綠泥石等礦物中，比表面積主要由這3種礦物提供，黏土礦物含量的增加可以有效提高頁巖樣品的微孔占比和比表面積。同時，粉砂質含量的增加可以使頁巖中的墨水瓶狀孔大量增加。研究區大安寨段的微孔占比和比表面積高于東南部的東岳廟段(同為碳酸鹽巖沉積背景)，是因為YL30井在大安寨段沉積時期靠近物源，碳酸鹽礦物含量較低(圖9，表1)。

圖9 川東北地區下侏羅統自流井組頁巖顯微鏡下觀察

4 結論

(1)川東北地區自流井組陸相頁巖的孔隙形態主要為平行板狀孔和狹縫狀孔，部分樣品中也發育墨水瓶狀孔。頁巖比表面積平均4.031 m2/g，總孔體積平均93.88 ×10-4mL/g，微孔隙以介孔(2～50 nm)為主。研究區西北部東岳廟段頁巖(YL4樣品)的微孔孔體積在總孔體積中占比以及比表面積較高。

(2)在頁巖的孔隙結構參數中，比表面積與微孔孔體積存在明顯的正相關性，介孔與大孔無相關性；黏土礦物中，伊—蒙混層和綠泥石與頁巖比表面積和微孔孔體積呈正相關。陸相頁巖TOC含量主要會對大孔孔體積產生影響，與其呈一定程度的正相關。

(3)大安寨段的頁巖孔隙結構特征整體近似，東岳廟段依據頁巖孔隙結構特征的差異可分為西北部和東南部兩塊，東南部的東岳廟段與大安寨段相似。形成上述現象的原因是研究區西北部東岳廟段頁巖(YL4井樣品)含有更少的碳酸鹽礦物，更多的黏土礦物和粉砂質。