曾輝 （中石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇 南京210011）

全球常規(guī)油氣資源供需矛盾日益突出，北美頁巖氣的成功商業(yè)化開發(fā)推進(jìn)了人們對非常規(guī)油氣勘探的力度。據(jù)不完全統(tǒng)計［1～3］，全球頁巖氣資源量為456．2×1012m3，勘探也表明我國頁巖氣資源潛力巨大［4～9］。然而對頁巖這類孔滲超低且富有機(jī)質(zhì)的特殊儲層而言，如何定量評價其孔隙度是目前國內(nèi)外重要的研究內(nèi)容之一。

泥頁巖孔隙可分為有機(jī)孔隙和無機(jī)孔隙兩大類，其微孔隙和微裂隙是頁巖氣重要的存儲空間與流通通道，泥頁巖孔隙及其結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度直接關(guān)系到頁巖儲集性能的好壞、油氣開采的難易程度和勘探開發(fā)價值［10］，對泥頁巖儲層孔隙展開詳細(xì)的論述與刻畫意義重大，只有準(zhǔn)確了解了其孔隙特征才能制定出指導(dǎo)生產(chǎn)的勘探開發(fā)方案。但是超低孔滲的泥頁巖儲層內(nèi)部頁巖氣賦存方式特殊等特性又加大了頁巖孔隙研究的難度。

目前，對泥頁巖孔隙的研究，國外多采用CT重構(gòu)技術(shù)，這一方法精度雖大，但費(fèi)用高、耗時長、技術(shù)難度大，而國內(nèi)也暫無較成熟的技術(shù)，仍是定性描述多、定量研究少?？紤]到頁巖中的無機(jī)孔隙多是微米、納米級的，常規(guī)孔隙研究方法如高壓壓汞法由于測量精度的欠缺會增大測量結(jié)果的不可信度，相比之下，掃描電子顯微技術(shù)的分辨率高 （1nm左右），樣品制備方便、費(fèi)用低，能刻畫毫米級以下中小孔隙，可測得孔徑范圍主要為0．01～1μm，因而能對頁巖儲層無機(jī)孔隙的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行較直觀的觀察，再結(jié)合圖像分析技術(shù)能較好地定量評價頁巖無機(jī)孔隙［11～13］。筆者主要借助掃描電子顯微鏡和圖像處理法來定量評價黔南坳陷下寒武統(tǒng)九門沖組 （∈1j）泥頁巖的無機(jī)孔隙。

1 工區(qū)概況

黔南坳陷位于貴州省南部，是貴州高原的一部分，大致介于北緯25°05′～27°10′，東經(jīng)105°30′～108°40′，東西長約220km，南北寬約120km，呈北寬南窄的三角形，面積約3×104km2（圖1）。沉積地層總體呈現(xiàn)出早期沉降晚期抬升的構(gòu)造發(fā)育特征，晚三疊世后坳陷東北部黃平凸起的地層遭受強(qiáng)烈剝蝕，僅剩寒武系地層，其中，∈1j泥頁巖屬于海相沉積，由下至上可以劃分為半深海盆地相、深水陸棚相和半深水－淺水陸棚相3類沉積相態(tài)。

2011年3月，中石化在黔南坳陷黃平向斜北東翼鉆探一口參數(shù)井， 在 ∈1j 取 得65．03m 的 頁 巖 巖 心，并在∈1j頁巖層段獲得日產(chǎn)480m3的頁巖氣，顯示黔南坳陷寒武系具有良好的頁巖氣勘探前景。鑒于此，筆者期望通過借助掃描電子顯微鏡、成像測井和巖石薄片等技術(shù)和方法，從微觀角度對黔南坳陷∈1j泥頁巖儲層的無機(jī)孔隙展開定量評價研究，以期為頁巖氣資源和儲層開發(fā)評價以及油田的高效開發(fā)提供幫助。

圖1 滇黔桂盆地二級構(gòu)造單元劃分圖

2 無機(jī)孔隙特征

孔隙是油氣儲集的主要空間，其體積和結(jié)構(gòu)決定了頁巖儲氣能力的大小和天然氣的賦存形態(tài)。頁巖中孔隙的發(fā)育主要受到石英和黏土等礦物的體積分?jǐn)?shù)及其成巖作用、總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其成熟度以及構(gòu)造活動強(qiáng)度、時期等的影響，研究頁巖儲層的孔隙特征是勘探和開采頁巖氣、保證和提高頁巖氣儲量的重要前提［14，15］。研究中挑選了31塊黔南坳陷∈1j泥頁巖巖樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，并結(jié)合相應(yīng)的成像測井和薄片分析技術(shù)，主要對∈1j泥頁巖無機(jī)孔隙的全貌、類型、大小等方面進(jìn)行了研究。

2．1 孔隙全貌

孔隙全貌是孔隙結(jié)構(gòu)的整體概況，而孔隙結(jié)構(gòu)又與油氣儲量、油氣井產(chǎn)能和最終采收率密切相關(guān)。挑選具有代表性的樣品在掃描電鏡低倍鏡下觀察其整體形貌特征、孔隙分布情況、孔隙間連通狀況和均一性等 （圖2），結(jié)果表明黔南坳陷∈1j泥頁巖巖樣普遍致密，多呈層片狀結(jié)構(gòu)，微孔隙直徑均小于10μm。光學(xué)顯微鏡下的觀察現(xiàn)象與這一結(jié)論相呼應(yīng) （圖3）。

2．2 孔隙類型

依據(jù)研究區(qū)的儲層特征，采用以孔隙產(chǎn)狀為主并兼顧孔隙成因的方案劃分孔隙類型。電鏡下，∈1j泥頁巖無機(jī)孔隙主要呈現(xiàn)為橢圓形、三角形和蛇形等不規(guī)則狀，孔隙分布具非均質(zhì)性；孔隙間的聯(lián)通性一般，多是封閉、半封閉孔和雙向連通孔；主要發(fā)育絮狀物粒間孔隙、微通道、微裂縫等無機(jī)孔隙，也有少量結(jié)晶顆粒內(nèi)孔隙，各類型孔隙在整個研究范圍內(nèi)的不同部位所占的相對比例有差異 （圖4）。此外，巖心樣品、巖石薄片和成像測井資料都表明了∈1j地層的頂?shù)准爸虚g均發(fā)育有較多的微裂縫，主要以構(gòu)造裂縫為主，也有層間頁理縫，裂縫主要是被白色的方解石所充填。

1）絮狀物粒間孔隙 絮狀物粒間孔隙是由泥頁巖基質(zhì)形成的網(wǎng)格狀孔隙，是多個單獨(dú)的孔隙復(fù)合而成的，在泥頁巖中廣泛存在，孔隙直徑主要介于1～10μm范圍內(nèi)。Roger等［16］認(rèn)為泥頁巖中絮狀物所形成網(wǎng)格狀孔隙廣泛發(fā)育，經(jīng)歷數(shù)百個百萬年的埋藏和成巖作用仍然存在，其孔隙喉道直徑大于0．38nm。∈1j泥頁巖層段巖心樣品掃描電鏡照片顯示絮狀物粒間孔隙相對比較發(fā)育 （圖4（a）），是無機(jī)孔隙的主要組成部分，這類孔隙可以成為游離氣和吸附氣的賦存空間，若相互連通則可能成為頁巖氣運(yùn)移的有利通道。

圖2 黔南坳陷∈1j泥頁巖掃描電鏡全貌觀察

圖3 黔南坳陷∈1j泥頁巖光學(xué)顯微鏡觀察

2）微通道 微通道在泥巖基質(zhì)中大致與層理面平行，寬度小于0．3μm，延伸長度小于0．5cm，延伸范圍不貫穿整個視域范圍，這些特征表明∈1j泥頁巖中的微通道不是因?yàn)閴毫︶尫哦藶樾纬傻模唧w是什么成因還不確定，推測其可能是生物擾動和微層面及微波紋的殘余空間。這些微通道可以為頁巖氣的保存及運(yùn)移提供儲集空間和運(yùn)移通道 （圖4（b））。

3）微裂縫 微裂縫寬度及延伸長度分布范圍較大，天然微裂縫中常充填有石英、方解石等礦物或者有機(jī)質(zhì) （瀝青）。這些微裂縫包括礦物結(jié)晶裂縫和構(gòu)造裂縫，在儲層的壓裂改造中能優(yōu)先開啟作為頁巖氣運(yùn)移的通道。在掃描電鏡下能夠觀察到黃鐵礦結(jié)晶裂縫、碳酸鋇鎂礦結(jié)晶裂縫、天然裂縫尾端、充填灰黑色塊狀有機(jī)質(zhì)的裂縫、充填部分被溶解的石鹽晶體的裂縫和充填石英脈的裂縫等，表明目的層段中微裂縫相對比較發(fā)育 （圖4（c））。

4）結(jié)晶顆粒內(nèi)孔隙 結(jié)晶顆粒內(nèi)孔隙是礦物顆?；虻V物集合體內(nèi)存在的孔隙空間，∈1j泥頁巖中此類孔隙主要存在于霉球狀黃鐵礦、灰白色閃鋅礦和灰白色碳酸鋇鎂礦等顆粒內(nèi) （圖4（d））。由于黃鐵礦等礦物含量相對較少且分布不均，該類孔隙對孔隙度的貢獻(xiàn)有限，并且連通性也相對較差。

圖4 黔南坳陷∈1j泥頁巖主要無機(jī)孔隙類型

2．3 孔隙大小

鏡下觀察時，視域中能識別的孔徑范圍會因選取的放大倍數(shù)不同而不同，孔隙的大小可以根據(jù)每張電鏡照片底部附有的標(biāo)尺直接測量獲?。?7］。

挑選出∈1j泥頁巖樣品32張視域較好并具有代表性的共15個深度點(diǎn)／段的掃描電鏡照片，用圖像處理軟件分析其無機(jī)孔隙大小，將深度點(diǎn)和放大倍數(shù)接近的樣品點(diǎn)進(jìn)行對比 （圖5），可知：①∈1j無機(jī)孔隙的孔徑分布范圍為0．25～4．0μm，主要在0．25～1．0μm區(qū)間內(nèi)。②孔徑頻率分布圖的形態(tài)特征可歸為2類：一類是孔徑分布只有一個主峰，分布較集中 （圖5（a）、（c））；另一類是孔徑分布不止一個主峰，分布較分散 （圖5（b）、（d）），孔隙分布不均勻會增大儲層非均質(zhì)性，可能導(dǎo)致儲層滲透率參數(shù)變化大。③電鏡放大倍數(shù)不同，識別的無機(jī)孔隙的直徑峰值不同，整體上表現(xiàn)出隨著放大倍數(shù)增大無機(jī)孔隙的直徑峰值呈現(xiàn)減小的趨勢，意味著∈1j泥頁巖中微孔隙相對比較發(fā)育。

3 泥頁巖無機(jī)孔隙的定量評價

泥頁巖中的無機(jī)孔隙指的是存在于頁巖非有機(jī)成分中的孔隙，如礦物間隙、無機(jī)礦物粒內(nèi)孔隙以及包括裂縫在內(nèi)的基質(zhì)孔隙等，多是微米級別的，而納米級的有機(jī)孔隙是由有機(jī)質(zhì)的演化而在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部形成的，掃描電鏡視域中該部分的面積可以忽略，因此，掃描電鏡能較好地反映泥頁巖中的無機(jī)孔隙。McCreesh等［18］通過研究發(fā)現(xiàn)薄片面孔率近似等同于巖石孔隙度，因此通過求取顯微鏡下的無機(jī)孔隙面積與視域面積的百分比即薄片無機(jī)面孔率即可近似推導(dǎo)出泥頁巖的無機(jī)孔隙度，對其進(jìn)行定量評價。

圖5 黔南坳陷∈1j泥頁巖無機(jī)孔隙直徑頻率分布對比圖

掃描電鏡照片中不同的物質(zhì)灰度不同，孔隙的灰度一般要比其他物質(zhì)的大，能夠依據(jù)灰度區(qū)分孔隙與非孔隙。依據(jù)上述原理，以假設(shè)泥頁巖無機(jī)部分中的無機(jī)孔隙均勻分布為前提，借助圖像分析軟件識別出掃描電鏡照片中的無機(jī)孔隙并作好標(biāo)記，如圖6所示。再統(tǒng)計無機(jī)孔隙面積即可計算出無機(jī)面孔率，進(jìn)而獲得無機(jī)孔隙度。最終結(jié)果表明：①黔南坳陷∈1j泥頁巖層段無機(jī)孔隙度分布范圍為1．71%～3．86%，平均值為2．67%，孔隙度值低；②由下至上，∈1j半深海盆地相、深水陸棚相和半深水－淺水陸棚相的泥頁巖無機(jī)孔隙度范圍分別為2．81%～2．84%、1．71%～3．86%和2．61%～2．95%，平均值分別為2．83%、2．56%和2．75%。

對比研究中掃描電鏡圖像法和液體法測得的孔隙度值 （圖7）：兩種方測得的孔隙度范圍和平均值分別為1．71%～3．86%，2．71%和1．70%～3．68%，2．41%，二者孔隙度值分布范圍和平均值幾乎一致，局部有差異，但整體上孔隙度值的變化趨勢一致，正相關(guān)性較好。這一結(jié)果也表明掃描電鏡圖像法測頁巖無機(jī)孔隙度的可信度較高，能基本反映儲層物性，可用于研究頁巖無機(jī)孔隙，這與前人研究結(jié)果中掃描電鏡與圖像分析法獲得的面孔率與巖心分析法得到的孔隙度有較好的正相關(guān)性，即掃描電鏡測定的面孔率越高，儲層物性越好［19］。

圖6 黔南坳陷∈1j泥頁巖無機(jī)孔隙的識別 （深度2382m）

4 結(jié)論

1）黔南坳陷∈1j泥頁巖樣品普遍致密，主要發(fā)育絮狀物粒間孔隙、微通道和微裂縫3類無機(jī)孔隙。

2）∈1j泥頁巖無機(jī)孔隙直徑均小于5μm，主要分布在0．25～1．0μm，無機(jī)孔隙度 范 圍 為 1．71% ～3．86%， 平 均 值 為2．67%。

圖7 黔南坳陷∈1j泥頁巖孔隙度對比

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