頁巖孔隙形態對天然氣富集的影響
——以六盤水地區為例*

張佳霖，黃宇琪，葉旅秀，孫小飛，龔麗花，何小慶

（六盤水師范學院礦業與土木工程學院，貴州 六盤水 553000）

頁巖氣以吸附態與游離態為主要賦存狀態，主體賦存于頁巖層系中的天然氣[1-4]。在“碳中和”能源結構改革的背景下，未來30年內，天然氣作為一種較為綠色環保的化石能源，在國家能源結構中占比將逐漸增大，逐步取代煤炭及石油，成為國家能源支柱。近年來，中國頁巖氣資源研究不斷推進，在四川盆地等地區已經實現工業開采，成為中國天然氣儲量和產量的重要增長點之一。頁巖是頁巖氣資源的主要儲層，是一種十分致密的巖石，孔隙度小，滲透率低，與傳統砂巖儲層性質完具有重大差異。隨著學者對頁巖儲層性質的研究逐漸深入，孔隙形態對頁巖中天然氣富集狀態的影響逐漸被認識。

貴州地處四川盆地外緣，具有重大頁巖氣資源潛力，目前正安縣等地區已實現了勘探突破。六盤水地區龍潭組含煤頁巖層系是中國西南地區傳統的重要煤炭產層，也是目前中國南方重要的海陸過渡相潛質頁巖層系，目前的勘探研究已經揭示該層系具有重大頁巖氣資源潛力，是省內下一個有望實現突破的重點勘探區之一。六盤水地區龍潭組頁巖有機地化條件良好，具有較好的生烴潛力，其儲層精細化研究成為實現勘探突破的重要研究領域，而孔隙形態特征研究則是開展精細化儲層研究的基礎。

中國各地區頁巖氣地質資源量如圖1 所示。

圖1 中國各地區頁巖氣地質資源量

1 地質概況

六盤水地區位于貴州省西部烏蒙山區，構造以北向東斷裂和背斜為主，構造帶附近的巖體中可見節理發育，地貌以高中山為主。區內主要發育石炭系、二疊系、三疊系等地層，其中二疊系龍潭組為潮坪—泄湖相含煤頁巖層系，巖性相對較為復雜，夾層較多，相變較快，具有海陸過渡相的典型特征。在貴州省內主要分布于正安—興仁一線以西，六盤水地區為其主要分布區之一，總厚23～356 m，整體厚度大，埋深基本介于300～2000 m，保存條件良好。分析統計六盤水地區及周緣地區的200 個龍潭組泥頁巖巖芯及露頭樣品的地球化學測試數據，結果顯示六盤水地區龍潭組頁巖總體的有機質含量相對較高，處在過成熟早期生干氣階段，生氣條件較好[4]。

晚二疊世龍潭期巖相古地理圖如圖2 所示。

圖2 晚二疊世龍潭期巖相古地理圖[5]

2 頁巖孔隙形態

頁巖孔隙形態研究對象主要包括孔隙大小和孔隙形狀。孔隙根據形狀和發育位置可劃分為粒間孔、粒內孔、有機質孔和微裂縫4 類。其中由于黏土礦物晶體形態以絲狀、片狀等為主，黏土礦物粒內孔為無機孔中形態較為復雜的一種，孔徑也相對較小，是吸附氣賦存的重要儲集空間之一，石英、黃鐵礦、長石、碳酸鹽巖礦物等晶體之間的粒間孔及晶體內發育的溶蝕孔相對孔徑較大，多屬于中～大孔，是游離氣賦存的重要儲集空間。而有機質孔是富有機質頁巖與砂巖不同的特征性儲集空間，其形態受到有機質成熟度等多種因素影響，形態多樣。常見形狀有凹坑狀、蜂窩狀、橢球狀等，孔徑變化較大，結構復雜、連通性從好到差的孔均可觀察到，是頁巖儲集空間的重要組成部分。常見的微裂縫有構造縫、收縮縫等，構造縫常見于石英、長石、碳酸鹽巖顆粒等脆性礦物顆粒中，收縮縫常發育于顆粒邊緣，多與成巖作用有關，裂縫的發育對提升孔隙連通性、提高儲層滲流性具有重要意義[2，4]。

孔隙形態對于頁巖儲氣能力和滲流能力均有重要影響，孔隙度和孔徑分布相似的頁巖氣儲層也會因為孔隙形態的差別而使其儲氣能力和滲流能力有很大不同。因此，研究頁巖孔隙形態在精確表征頁巖儲層特征有著極大的作用。

3 六盤水地區龍潭組頁巖孔隙形態

針對六盤水地區龍潭組孔隙形態開展了定性研究和定量研究，主要通過氬離子拋光-掃描電鏡對孔隙形狀進行了觀察，并通過氮氣吸附實驗對其孔徑、形態等進行了定量研究。由于區內鉆井資料較少，且龍潭組在貴州地區地質條件類似，因此本次研究結合了周緣地區的鉆井、露頭樣品研究成果。

氬離子拋光-場發射掃描電鏡觀察顯示：龍潭組頁巖無機粒間孔、無機粒內孔、微裂縫及有機質孔4 大類孔隙均有發育。其中，黏土礦物粒間孔及黏土礦物粒內孔比較發育，并可見聚莓狀黃鐵礦內部晶間孔，偶見石英、方解石表面溶蝕孔；有機質孔發育情況良好，可見聚莓狀黃鐵礦晶間充填有機質，并在其中發育有機質孔，該部分有機質孔在黃鐵礦晶體形成的骨架保護下，多形態完整，結構清晰，由于研究區有機質成熟度適中，并未大規模達到過成熟中～晚期階段，因此，有機質孔多為橢球狀，少見凹坑狀，僅在部分與聚莓狀黃鐵礦伴生的有機質內部可見蜂窩狀，整體多為獨立發育，連通性不佳；有機質及黏土礦物顆粒邊緣收縮縫較為發育，巖石整體脆性礦物含量偏低，因此構造微裂縫相對偏少。

通過對區內龍潭組頁巖樣品進行氮氣吸附實驗，根據其吸附、脫附數據得到吸附曲線和脫附曲線圖，結合IUPAC 對標準吸附等溫線類型的劃分，結果顯示試驗樣品滯后環形態主要為H2 型和H4 型，反映龍潭組孔隙形態以細頸廣體的墨水瓶孔和狹縫型孔為主。運用BJH 理論分析龍潭組煤系泥頁巖樣品的孔徑分布特征，結果顯示孔徑分布峰值主要集中1.5～9.0 nm，頁巖的平均孔徑為3.04～18.10 nm，以中孔為主。運用BET 方程獲得頁巖比表面積及總孔體積，結果表明比表面積介于1.20～23.00 m2/g ，其平均值是12.03 m2/g，孔隙比表面積較大，其總孔體積是0.005438 ～0.035502 m3/g，平均值是0.017379 m3/g，龍潭組頁巖大量發育的微～中孔，及結構復雜的有機質孔和黏土礦物晶間孔，在孔隙度相似的條件下能大大提高頁巖的比表面積，從而提高巖石對吸附氣的儲集能力[3]。龍潭組泥頁巖孔隙類型如圖3 所示。

圖3 龍潭組泥頁巖孔隙類型

4 孔隙形態對頁巖氣富集的影響

根據上文中研究成果可知，六盤水地區龍潭組頁巖孔隙形態具有以墨水瓶狀、狹縫狀為主，中～微孔比例較大，比表面積較大等特點。因為微孔的孔道和孔壁間距特別小，甲烷等烴類分子與表面之間存在很強烈的相互作用[6]，加之比表面積較大，有利于吸附態天然氣在孔隙表面賦存，而有利于游離態天然氣聚集的大孔和微裂縫則占比較低，這一特征是導致實測數據中反映出的不壓裂情況下解吸氣量僅占總含氣量比例20%左右現象的重要因素之一。同時，六盤水地區龍潭組頁巖孔徑偏小，有機質孔占有一定比例，脆性礦物含量低，黏土礦物含量高，整體孔隙形態復雜，連通性相對較差，天然氣自然解吸并被采出的比例較低，資源的天然產能偏低，需要進行人工壓裂造縫，提高孔隙度及孔隙連通性，促進吸附態天然氣解吸，并通過裂縫系統被開采，從而提高整體資源采收率。

5 結論

六盤水地區龍潭組頁巖總厚23～356 m，埋深基本介于300～2000 m。分析統計六盤水地區及周緣地區的200 個龍潭組泥頁巖巖芯及露頭樣品的地球化學測試結果，結果顯示六盤水地區龍潭組頁巖總體有機質含量相對較高，處在過成熟早期生干氣階段，生氣條件較好。

針對六盤水地區龍潭組孔隙形態開展了定性研究和定量研究。研究表明：龍潭組頁巖無機粒間孔、無機粒內孔、微裂縫及有機質孔4 大類孔隙均有發育，其中以有機質孔和黏土礦物晶間孔為主。孔隙形態以墨水瓶狀、狹縫狀為主，龍潭組頁巖大量發育微～中孔，孔隙結構復雜，在孔隙度相近的條件下能大大提高頁巖的比表面積，從而提高巖石對吸附態天然氣的儲集能力。

六盤水地區龍潭組頁巖孔隙形態特點有利于吸附態天然氣在孔隙表面賦存，而大孔和微裂縫在總孔隙中占比較低，導致游離態天然氣聚集場所有限，實測數據也證明這樣的孔隙形態特征使得吸附氣在龍潭組總含氣量中占比相對較大。同時，孔隙形態復雜，孔隙連通性相對較差的整體特點也而導致資源的天然產能偏低，需要進行針對性的壓裂作業，提高開采效率。