何陳誠，何 生，郭旭升，易積正，魏志紅，舒志國，彭女佳[.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 40074；.中國石化 勘探分公司，四川 成都 6004； .中國石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 44]

四川盆地涪陵、長寧和威遠等地區(qū)自2012年以來陸續(xù)建成了若干具有商業(yè)開發(fā)價值的頁巖氣田，開啟了我國頁巖氣勘探開發(fā)的新階段。近年來針對涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊五峰組-龍馬溪組海相頁巖的構(gòu)造背景和沉積環(huán)境，頁巖氣儲層特征、保存條件、賦存狀態(tài)以及富集機理等多方面都開展了大量的研究工作[1-8]。頁巖氣儲層孔隙特征是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點研究領(lǐng)域，關(guān)于不同時代頁巖孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)等方面已有較多的研究[9-14]。焦石壩五峰組-龍馬溪組頁巖中存在大量的有機質(zhì)熱裂解氣態(tài)烴形成的孔隙，發(fā)育在有機質(zhì)顆粒內(nèi)，多為納米級孔隙，是頁巖中存在的最廣泛和最重要的孔隙類型之一，被認為是含氣頁巖孔隙系統(tǒng)中的重要組成部分[15-20]。Loucks等對美國德克薩斯Fort Worth盆地密西西比系Barnett硅質(zhì)頁巖中的納米級孔隙形態(tài)、成因和分布開展了系統(tǒng)研究，提出了含氣頁巖中納米級有機孔隙是主要的孔隙類型[9]。Bernard等研究推斷頁巖中多孔焦瀝青的形成可能主要與頁巖孔隙中瀝青化合物的二次裂解生氣有關(guān)[21]。頁巖有機孔是游離氣賦存的主要儲集空間且局部具有一定的連通性，有機孔隙的內(nèi)表面對頁巖氣吸附能力強，頁巖有機孔隙直接影響著頁巖氣的儲存和微流動[20,22]。

焦石壩區(qū)塊即焦石壩背斜區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組一段為海相高硅富有機質(zhì)黑色富氣頁巖，主力產(chǎn)氣層段為五峰組至龍馬溪組一段下部頁巖，有機碳含量(TOC)一般在3.0%～6.0%，為優(yōu)質(zhì)頁巖段，頁巖中的納米有機孔隙十分發(fā)育。但是，五峰組、龍馬溪組一段下部和龍馬溪組一段上部(次優(yōu)質(zhì)頁巖段)頁巖有機孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。本文針對焦石壩區(qū)塊20塊頁巖巖心樣品，通過頁巖樣品氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡照片觀察和有機孔隙數(shù)量、形態(tài)、孔徑分布統(tǒng)計以及有機質(zhì)面孔率計算，結(jié)合9塊頁巖巖心樣品的N2吸附和5塊頁巖巖心樣品的CO2吸附孔徑測定，重點研究了五峰組和龍馬溪組一段頁巖氣儲層納米有機孔隙發(fā)育程度和孔隙結(jié)構(gòu)的差異性，初步討論了有機孔隙結(jié)構(gòu)差異性的可能原因。

1 地質(zhì)背景

焦石壩區(qū)塊為涪陵頁巖氣田主體區(qū)的焦石壩背斜構(gòu)造。該區(qū)塊位于重慶市涪陵區(qū)東部，構(gòu)造位置靠近四川盆地東部邊界斷裂——齊岳山斷裂西界，屬川東隔擋式褶皺帶南段石柱復(fù)向斜、方斗山復(fù)背斜和萬縣復(fù)向斜等多個構(gòu)造單元的結(jié)合部(圖1a)。本文所指的焦石壩區(qū)塊為北東走向的寬緩背斜，背斜頂部地層傾角平緩，變形較弱，斷層不發(fā)育，表現(xiàn)為似箱狀背斜形態(tài)。背斜構(gòu)造兩翼產(chǎn)狀較陡(30°左右)，邊緣被吊水巖、天臺場、石門和大耳山西等兩組NE向和近SN向逆斷層夾持圍限，以斷隆、斷凹與齊岳山斷裂相隔[1-2,20,23](圖1b)。

焦石壩區(qū)塊鉆井揭示的地層由老至新為上奧陶統(tǒng)澗草溝組至下三疊統(tǒng)嘉陵江組，缺失泥盆系，局部缺失石炭系。上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣產(chǎn)層現(xiàn)今埋藏深度約2 400～2 600 m，現(xiàn)今地溫梯度為30.8 ℃/km，原始氣藏壓力系數(shù)為1.35～1.55，為高含氣飽和度的超壓頁巖氣藏。根據(jù)焦石壩地區(qū)多口鉆井資料，五峰組-龍馬溪組一段巖性以富筆石、高硅和高有機碳含量的黑色頁巖為主，連續(xù)厚度介于80～120 m，可分為優(yōu)質(zhì)頁巖段和次優(yōu)質(zhì)頁巖段(龍馬溪組一段上部)。優(yōu)質(zhì)頁巖段即主力富氣頁巖段為五峰組和龍馬溪組一段下部，屬深水陸棚相沉積，厚度在38～45 m，TOC含量主要在3.0%～6.0%，熱演化程度Ro達2.5%～3.0%，孔隙度介于2.8%～7.1%，脆性礦物含量高。五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段頁巖氣化學(xué)組成以甲烷為主，甲烷含量在97.22%～98.47%，甲烷穩(wěn)定碳同位素δ13C1(PDB)約-29‰～-30‰，頁巖氣成因主要為原油裂解氣的貢獻[1-2,24]。

2 頁巖樣品與測試方法

2.1 頁巖樣品

頁巖樣品主要選自焦石壩背斜JY-A井的五峰組和龍馬溪組一段，厚度為89 m，其中優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度38 m，包括五峰組頁巖厚6 m，劃分為①和②小層；龍馬溪組一段下部頁巖厚32 m，劃分為③，④和⑤小層；龍馬溪組一段上部次優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度51 m，劃分為⑥至⑨小層。JY-A井五峰組和龍馬溪組一段頁巖的TOC含量和氦氣孔隙度值隨深度的變化見圖2和表1。

本次場發(fā)射掃描電鏡照片觀察選用焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁巖樣品，共20塊。其中，JY-A井頁巖巖心樣品16塊，樣品位置見圖2。選用JY-B井和JY-C井各2塊頁巖巖心樣品。對JY-A井9塊頁巖樣品進行了氮氣吸附測試，其中5塊樣品開展了二氧化碳吸附測試。

2.2 測試和統(tǒng)計方法

本次采用氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片觀察、ImageJ統(tǒng)計軟件參數(shù)分析以及低溫氣體吸附測試等相結(jié)合的方法開展了焦石壩區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁巖氣儲層有機孔隙結(jié)構(gòu)差異性研究。

2.2.1 氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡法

為使頁巖氣儲層孔隙成像更加清晰，通常利用氬離子拋光技術(shù)制作頁巖超光滑表面，通過極高分辨率場發(fā)射掃描電鏡觀察其納米級有機孔隙形貌及結(jié)構(gòu)。

本次使用HITACHI IM4000 氬離子拋光儀進行頁巖拋光處理。拋光前先將頁巖制作成10 mm(長)×5 mm(寬)×3 mm(厚)的小矩形，然后把小矩形狀頁巖加載到氬離子拋光儀器中，離子束從垂直方向濺射，堅固的擋板遮擋樣品的非目標區(qū)域，有效地遮蔽下半部分的離子束，創(chuàng)造出一個側(cè)切割平面，去除樣品表面的一層薄膜，即在10 mm×3 mm的橫截面上留下一個淺層拋光的300 μm(長)×110 μm(寬)超光滑圓弧狀截面，該弧狀截面范圍為場發(fā)射掃描電鏡觀察的區(qū)域。

本次利用分辨率極高的美國FEI公司Helios NanoLab 660型場發(fā)射掃描電鏡，將經(jīng)過氬離子拋光后的頁巖樣品直接進行觀察，場發(fā)射掃描電鏡的優(yōu)化工作狀態(tài)加速電壓為低電壓(2 kV)，放大倍數(shù)在(20～30)×103倍，可較清晰地觀察到孔徑大于10 nm的頁巖納米有機孔隙；放大倍數(shù)在(30～100)×103倍，可觀察到部分孔徑在5～10 nm的有機孔隙和少部分孔徑在2～5 nm的有機孔隙。

2.2.2 有機孔隙統(tǒng)計分析法

利用ImageJ軟件結(jié)合人工追蹤有機質(zhì)顆粒內(nèi)的有機孔隙行跡，可統(tǒng)計和分析計算有機孔隙數(shù)量、截面積、孔徑大小和有機質(zhì)面孔率等。有機孔隙的孔徑是將頁巖樣品FE-SEM圖像照片中有機孔隙截面積等效為同等圓形的截面積計算出的孔隙直徑，也可稱為等效圓孔徑或等效孔徑。本次采用ImageJ軟件的圖像處理方法，對頁巖有機孔隙高分辨率掃描電鏡圖像照片進行二值化處理，識別和統(tǒng)計圖像中的頁巖有機孔隙。頁巖有機孔隙灰度構(gòu)成較復(fù)雜，且圖像灰度閾值的選取對有機質(zhì)面孔率計算影響較大。若灰度閾值選取較小，部分有機孔則不能被識別，對有機孔總面積的計算有很大影響，故而需要觀察圖像有機孔隙的灰度值范圍，初步選出灰度值，然后對灰度閾值微調(diào)，直到實現(xiàn)最佳效果。對某些確實無法識別的圖像區(qū)域，則需用手動微調(diào)、追蹤識別有機孔隙。

2.2.3 氣體吸附法

低溫氮氣吸附法對頁巖中孔定量分析方面具有優(yōu)勢，能較好的表征中孔和部分大孔的孔隙結(jié)構(gòu)。本次測試儀器采用ASAP2020比表面積及孔徑分析儀，測試樣品粉碎為60～80目(粒徑為0.18～0.25 mm)，放置烘箱中在100 ℃溫度下烘干8 h，去除樣品中的水分和揮發(fā)性物質(zhì)。頁巖樣品上機測試流程為：將樣品進行5 h高溫(300 ℃)抽真空處理，以純度大于99.99%的氮氣為吸附質(zhì)，在液氮溫度(77.3 K)下進行氮氣吸附測試，吸附過程的相對壓力范圍為0.020～0.995(32個壓力點)，脫附過程相對壓力范圍為0.995～0.140(24個壓力點)。在此測試條件下，孔徑測量范圍為2～230 nm，測得平衡蒸汽壓下的樣品的氮氣吸附量和脫附量，選用BJH模型計算孔徑分布及孔隙體積。

圖2 焦石壩區(qū)塊JY-A井五峰組和龍馬溪組一段地層綜合柱狀圖[1]Fig.2 Column of the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member of Well JY-A,Jiaoshiba Block[1]

表1 焦石壩區(qū)塊JY-A井五峰組和龍馬溪組一段頁巖巖心樣品的TOC和氦氣孔隙度數(shù)據(jù)Table 1 TOC and helium porosity of shale samples from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’sfirst Member,Jiaoshiba Block

低溫二氧化碳吸附測試儀器采用Quantachrome NOVA比表面積和孔隙分析儀。低溫二氧化碳吸附測試原理與流程和氮吸附類似，不同的是以二氧化碳為吸附質(zhì)，在273.15 K(冰水浴)溫度下測定不同相對壓力下的二氧化碳吸附量，吸附過程時的相對壓力范圍為0～0.03(40個壓力點)。由于CO2氣體可以進入0.35 nm的孔隙，進而通過DFT理論模型可以計算微孔分布，測量范圍在0.3～1.5 nm。

3 五峰組和龍馬溪組一段頁巖氣儲層有機孔隙結(jié)構(gòu)及差異性

通過在焦石壩區(qū)塊選用的五峰組和龍馬溪組一段頁巖巖心樣品，利用氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡觀察二次電子(SE2)圖像，每塊樣品統(tǒng)計照片5～9張，共132張，有機孔隙統(tǒng)計數(shù)量61 444個(表2)。對頁巖樣品電鏡圖像照片觀察發(fā)現(xiàn)，頁巖發(fā)育的納米級孔隙類型除粘土礦物孔隙、脆性礦物晶間孔隙和溶蝕孔隙等無機孔隙外，頁巖有機質(zhì)顆粒內(nèi)、有機粘土礦物復(fù)合體中和草莓狀黃鐵礦晶間有機質(zhì)內(nèi)發(fā)育大量的有機孔隙(圖3a—c)。有機孔隙的發(fā)育程度、幾何形狀、孔徑分布和有機質(zhì)面孔率可通過氬離子拋光的頁巖FE-SEM圖像照片采用ImageJ軟件對頁巖有機孔加以觀察識別和參數(shù)統(tǒng)計，并給出統(tǒng)計和分析結(jié)果。

表2 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁巖巖心樣品FE-SEM二次電子圖像照片和有機孔隙統(tǒng)計數(shù)量Table 2 FE-SEM secondary electron images and quantity oforganic pores in the selected shale samples from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member,Jiaoshiba Block

注：五峰組頁巖3個樣品中，2個選自JY-A井，1個選自JY-C井；龍馬溪組一段下部7個樣品中，6個選自JY-A井，1個選自JY-B井；龍馬溪組一段上部頁巖10個樣品中，8個選自JY-A井，1個選自JY-B井，1個選自JY-C井。頁巖樣品深度和TOC等相關(guān)信息詳見表4。

3.1 FE-SEM觀察有機孔隙發(fā)育程度和孔隙形狀

根據(jù)對焦石壩區(qū)塊JY-A,JY-B和JY-C等3口井的20塊頁巖樣品FE-SEM圖像照片觀察識別，有機孔隙常見于有機質(zhì)顆粒中，部分有機孔隙發(fā)育在與粘土礦物和草莓狀黃鐵礦伴生的有機質(zhì)中(圖3a—c)。五峰組與龍馬溪組一段下部和上部頁巖有機孔隙形狀和發(fā)育程度存在明顯的差異性，五峰組頁巖有機孔隙十分發(fā)育，孔隙形狀大多不規(guī)則，孔隙多呈棱角形，也有少數(shù)呈橢圓形，孔徑總體相對較小，孔隙密度大，分布比較均勻(圖3j—l)；龍馬溪組一段下部優(yōu)質(zhì)段頁巖有機孔隙同樣十分發(fā)育，但孔隙形狀多呈橢圓形和近圓形，孔徑總體相對較大，宏孔相對較多，偶見微米級有機孔隙，孔徑差別較大(圖3g—i)；龍馬溪組一段上部次優(yōu)質(zhì)段頁巖有機孔隙發(fā)育程度相對較差，孔隙形態(tài)多呈橢圓形和近圓形，也有少數(shù)呈不規(guī)則形狀，有機孔隙密度較稀疏，相對于五峰組頁巖樣品而言其孔徑總體較大(圖3d—f)。

3.2 FE-SEM觀察統(tǒng)計有機孔徑分布和計算有機質(zhì)面孔率

焦石壩區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁巖典型的FE-SEM有機孔隙結(jié)構(gòu)圖像照片如圖4所示，利用ImageJ統(tǒng)計軟件，結(jié)合人工追蹤對五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁巖有機孔隙數(shù)量、孔徑分布及有機質(zhì)面孔率進行了統(tǒng)計分析。有機質(zhì)面孔率是指全部有機孔隙的總橫截面積與相應(yīng)有機質(zhì)顆粒橫截面積之比。

本次研究利用FE-SEM觀察到的有機孔隙的孔徑分布在2～900 nm，但利用FE-SEM觀察識別的小于10 nm孔徑的有機孔隙數(shù)量與實際相比應(yīng)該少的多，所以在利用FE-SEM觀察和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析時，孔徑在2～10 nm的這部分有機孔隙的數(shù)量和面孔率占比很小。

圖5顯示了所選20塊頁巖巖心樣品中觀察和統(tǒng)計的61400余個有機孔隙的孔徑分布直方圖。從圖中可知，通過極高分辨率的FE-SEM觀察識別到的孔徑在2～5 nm的有機孔隙很少，孔徑在5～10 nm的有機孔隙數(shù)量觀察識別的也不完全，較為可靠的納米級有機孔隙觀察識別和數(shù)量統(tǒng)計主要是孔徑分布在10～900 nm的有機孔隙。圖5中五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁巖樣品中孔徑在10～900 nm的有機孔隙數(shù)量分布總體上隨著孔徑的減小而明顯增加。

圖3 焦石壩區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁巖樣品有機孔隙FE-SEM觀察照片F(xiàn)ig.3 FE-SEM images of the shale organic pores from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member,Jiaoshiba Blocka，b，g.JY-B井，埋深2 349.17 m，龍馬溪組一段下部，TOC為4.98%；c，j.JY-C井，埋深2 618.18 m，五峰組，TOC為4.59%；d.JY-C井，埋深2 556.00 m，龍馬溪組一段上部，TOC為1.92%；e，f.JY-B井，埋深2 288.06 m，龍馬溪組一段上部，TOC為1.43%；h，i.JY-A井，埋深2 405.87 m，龍馬溪組一段下 部，TOC為4.59%；k，l.JY-A井，埋深2 413.53 m，五峰組，TOC為4.70%

表3展示了孔徑在10～900 nm的有機孔隙中，五峰組、龍馬溪組一段下部和上部3套頁巖的樣品中分別按孔徑在10～50,50～300和300～900 nm區(qū)間的有機孔隙數(shù)量占比和有機孔隙面積占比的統(tǒng)計結(jié)果?？傮w上，3套頁巖樣品中孔徑在10～50 nm的有機介孔數(shù)量均占比最高，平均為85.04%，50～900 nm的有機宏孔數(shù)量相對占比都較小，平均為14.96%；3套頁巖樣品中孔徑在10～50 nm的有機孔隙面積平均占24.30%，孔徑在50～300 nm的有機孔隙面積平均占58.74%，300～900 nm的有機孔隙面積平均占16.96%。具體到3個層位的頁巖樣品來看，從有機孔隙數(shù)量占比，五峰組頁巖樣品孔徑在10～50 nm的有機介孔數(shù)量相對最多，其次是龍馬溪組一段上部。而龍馬溪組一段下部頁巖樣品孔徑在50～900 nm的有機宏孔數(shù)量相對最多，其次也是龍馬溪組一段上部。從有機孔隙面積占比來看，孔徑在10～50 nm區(qū)間的有機孔隙面積，五峰組頁巖樣品占比相對最大為40.75%，其次是龍馬溪組一段上部頁巖樣品；孔徑在50～300 nm區(qū)間的有機孔隙面積，龍馬溪組一段上部頁巖樣品占比相對最大為65.50%，其次是五峰組和龍馬溪組一段下部頁巖樣品；孔徑在300～900 nm區(qū)間的有機孔隙面積，龍馬溪組一段下部頁巖樣品占比相對最大為32.13%，其次是龍馬溪組一段上部頁巖樣品。

圖4 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁巖樣品單顆粒有機質(zhì)中有機孔隙統(tǒng)計Fig.4 Quantity of organic pores in a single OM grain from the sample shales of the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member,Jiaoshiba Blocka1，b1，c1為原圖，a2，b2，c2為統(tǒng)計圖；a1,a2.龍馬溪組一段上部頁巖，埋深2 288.06 m，TOC為1.43%，有機質(zhì)面孔率為8.94%；b1,b2.龍馬溪組一段下部頁巖，埋深2 349.17 m，TOC為4.98%，有機質(zhì)面孔率為34.25%；c1,c2：五峰組頁巖，埋深2 618.18 m，TOC為4.59%，有機質(zhì)面孔率 為32.75%

表4給出了所選20塊頁巖巖心樣品的有機質(zhì)顆粒內(nèi)的61 400余個有機孔隙(其中小于10 nm的有機孔隙約9 994個)，孔徑主要在10～900 nm的有機孔隙面積上統(tǒng)計獲取的單顆粒有機質(zhì)面孔率范圍和有機質(zhì)面孔率平均值。從表4可知，五峰組頁巖樣品的平均有機質(zhì)面孔率變化在14.73%～18.82%，單顆粒有機質(zhì)面孔率上限可達約25%～33%，對應(yīng)的TOC含量為4.01%～4.70%；龍馬溪組一段下部頁巖巖心樣品的平均有機質(zhì)面孔率變化在9.62%～24.77%，單顆粒有機質(zhì)面孔率上限可達約19%～37%，對應(yīng)的TOC含量為2.94%～4.98%，第③小層頁巖樣品有機質(zhì)面孔率相對較大；龍馬溪組一段上部頁巖巖心樣品的平均有機質(zhì)面孔率變化在2.56%～14.28%，單顆粒有機質(zhì)面孔率上限可達約4.5%～33%，對應(yīng)的TOC含量為0.78%～2.68%，第⑧小層中-下部頁巖樣品有機質(zhì)面孔率相對較大；另外，第⑧和第⑨小層氦氣孔隙度較大(圖2；表4)，可能說明其無機孔隙較發(fā)育。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，繪制了五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁巖巖心樣品平均有機質(zhì)面孔率與有機碳含量關(guān)系圖(圖6)。從圖6中可看出，頁巖平均有機質(zhì)面孔率與有機碳含量大體呈粗略的正相關(guān)性，當有機碳含量接近時，五峰組頁巖樣品的平均有機質(zhì)面孔率相對略偏小。

圖5 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁巖樣品有機孔隙直徑分布直方圖Fig.5 Histogram of organic pore diameters of the sampled shales from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member,Jiaoshiba Block

表3 焦石壩區(qū)塊頁巖樣品3種有機孔徑范圍的有機孔數(shù)量占比和有機孔隙面積占比統(tǒng)計Table 3 Statistics of pore populations within three pore-sizeranges of the sampled organic shale pores and proportion oforganic pore area in the Jiaoshiba Block

注：括號內(nèi)數(shù)字為該有機孔徑范圍的有機孔隙面積占總有機孔隙面積的百分比,%。

有機質(zhì)面孔率計算結(jié)果可能存在一定的誤差，其原因主要有：①極高分辨率的FE-SEM也不能清晰和完全地觀察到孔徑小于10 nm的有機孔隙。比如孔徑在0.3～2 nm的有機孔隙基本觀察不到，孔徑在2～5 nm的有機孔隙絕大部分觀察不到，孔徑在5～10 nm也觀察不到；②由于觀察手段、樣品數(shù)量和代表性以及相關(guān)各類參數(shù)統(tǒng)計量的限制，通過統(tǒng)計方法獲得的有機質(zhì)面孔率的計算結(jié)果也會出現(xiàn)誤差；③樣品選擇、觀察過程和統(tǒng)計計算中的誤差也具有偶然性和隨機性。頁巖樣品觀察數(shù)量和參數(shù)統(tǒng)計量越大，誤差可能會越小、越接近客觀實際，獲得更接近客觀實際認識所需的樣品觀察數(shù)量和有機孔隙統(tǒng)計量還需要更多的實踐和研究。

表4 焦石壩區(qū)塊所選頁巖巖心樣品有機質(zhì)面孔率范圍和面孔率平均值統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistical results showing the range and average of OM surface pore rate for shale core samples in the Jiaoshiba Block

圖6 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁巖巖心樣品有機面孔率與有機碳含量關(guān)系Fig.6 Relationship between surface pore rate and TOC content of the shale core samples in the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation Member 1,Jiaoshiba Block

3.3 氣體吸附法分析納米孔隙孔徑分布

二氧化碳吸附測試可測得頁巖樣品的孔徑范圍為0.3～1.5 nm，氮氣吸附測試可測得頁巖樣品的平均孔徑范圍為2～230 nm。本次選取JY-A井五峰組、龍馬溪組一段下部和上部不同有機碳含量的9塊頁巖巖心樣品開展了N2吸附測試，其中5塊樣品開展了CO2吸附測試。CO2和N2吸附測試獲得的頁巖樣品比孔容(相當于孔隙體積)與平均孔徑關(guān)系分別如圖7所示，通過圖7可分析頁巖樣品的平均孔徑范圍相對發(fā)育的程度。

由圖7a可知，五峰組、龍馬溪組一段下部優(yōu)質(zhì)段和上部次優(yōu)質(zhì)段3者頁巖樣品平均孔徑分布具有一致性，比孔容與有機碳含量有一定的正相關(guān)性。由圖7b可知，五峰組、龍馬溪組一段下部優(yōu)質(zhì)段和上部次優(yōu)質(zhì)段3者頁巖樣品平均孔徑分布存在明顯差異。平均孔徑在2～230 nm范圍內(nèi)大致存在4個比孔容高值范圍，分別為2～3，3～10,10～100和100～230 nm。五峰組、龍馬溪組一段頁巖平均孔徑在2～3 nm和3～10 nm的比孔容變化隨有機碳含量的增加而明顯增加，五峰組頁巖相對于龍馬溪組一段頁巖在平均孔徑小于10 nm的納米孔隙更為發(fā)育；而五峰組與龍馬溪組一段頁巖孔隙在10～230 nm平均孔徑范圍，除其比孔容變化出現(xiàn)明顯差別外，平均孔徑分布也出現(xiàn)明顯差別。五峰組頁巖平均孔徑分布對應(yīng)的高比孔容的主要范圍在10～100 nm，而龍馬溪組一段無論是優(yōu)質(zhì)頁巖還是次優(yōu)質(zhì)頁巖均表現(xiàn)出相似的特征，頁巖平均孔徑分布在10～100 nm和100～230 nm的較寬范圍，但由于有機碳含量的差別，龍馬溪組一段上部次優(yōu)質(zhì)頁巖的孔隙發(fā)育程度較差即比孔容較小?？傮w上講，五峰組頁巖樣品中平均孔徑大于50 nm的大孔隙的數(shù)量較少，而相對五峰組頁巖，龍馬溪組一段下部優(yōu)質(zhì)段和上部次優(yōu)質(zhì)段頁巖樣品中平均孔徑大于50 nm的大孔隙數(shù)量較多。

圖7 焦石壩區(qū)塊JY-A井五峰組和龍馬溪組一段頁巖氣體吸附測試的比孔容與平均孔徑關(guān)系Fig.7 Relationship between specific pore volume and average pore size based on shale gas adsorption tests of the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member of Well JY-A,Jiaoshiba Blocka.CO2吸附測試；b.N2吸附測試

利用CO2吸附測試獲取的不同有機碳含量的5塊樣品(圖8),在孔徑為0.3～1.5 nm時，孔隙累計比孔容(即孔隙體積)與有機碳含量呈線性正相關(guān)關(guān)系；利用N2吸附測試獲取的不同有機碳含量的9塊樣品，在孔徑為2～230 nm(包括孔徑在2～10 nm)時，孔隙累計比孔容與有機碳含量的關(guān)系具明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，說明孔徑在0.3～1.5 nm和2～10 nm范圍，納米孔隙中的有機孔隙對孔隙體積的貢獻非常重要。此外，CO2和N2吸附測試得到的頁巖樣品孔徑在0.3～1.5 nm和2～10 nm時，孔隙累計比孔容隨有機碳含量增加而增加的趨勢不同?？讖皆?.3～1.5 nm范圍的孔隙累計比孔容隨有機碳含量呈相對緩慢增加的趨勢，而孔徑在2～10 nm范圍的孔隙累計比孔容隨有機碳含量的增加呈相對較快增加的趨勢。這說明焦石壩區(qū)塊頁巖樣品孔徑在0.3～1.5 nm微孔范圍的孔隙中，隨有機碳含量的增加有機孔隙體積增加的比例小；而孔徑在2～10 nm范圍的孔隙中，隨有機碳含量的增加有機孔隙體積增加的比例相對大的多。

圖8 焦石壩區(qū)塊五峰組和龍馬溪組一段頁巖樣品CO2和N2吸附測試的累計比孔容與有機碳含量關(guān)系Fig.8 Relationship between TOC content and cumulative specific pore volume based on CO2 and N2 adsorption tests of shale samples from the Wufeng Formation and the Longmaxi Formation’s first Member of Well JY-A,Jiaoshiba Block

4 有機孔隙結(jié)構(gòu)差異性原因分析

焦石壩背斜五峰組和龍馬溪組一段頁巖納米級有機孔隙是最重要的孔隙類型，尤其是五峰組和龍馬溪組一段下部優(yōu)質(zhì)段頁巖有機孔隙更為發(fā)育。然而無論是用FE-SEM直接觀察，還是通過氣體吸附測試分析，均可看出研究區(qū)五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁巖納米有機孔隙結(jié)構(gòu)包括有機孔隙的孔徑分布、孔隙形狀、發(fā)育程度及有機質(zhì)面孔率等存在明顯差異。這種差異性的原因有多種，一方面反映與五峰組和龍馬溪組一段頁巖有機質(zhì)豐度兼或有機質(zhì)性質(zhì)的差異性有關(guān)，另一方面還與五峰組頁巖層段處于擠壓滑脫層底部的構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。

頁巖中高演化過成熟的生烴母質(zhì)(干酪根)和分散瀝青是有機孔隙發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。從圖5中可看出，五峰組、龍馬溪組一段下部和龍馬溪組一段上部頁巖不同孔徑的納米有機孔隙的孔徑總體分布趨勢大體相當，而龍馬溪組一段下部和上部頁巖相對與五峰組頁巖中較大的納米有機孔隙數(shù)量更加發(fā)育，其原因可能主要是有機質(zhì)豐度(殘余干酪根和滯留液態(tài)烴)、超壓作用以及構(gòu)造作用等。在熱演化程度和成巖作用特征近似的焦石壩背斜區(qū)塊，五峰組和龍馬溪組一段下部高有機碳含量(約3.0%～6.0%)的優(yōu)質(zhì)段頁巖相對于龍馬溪組一段上部較低有機碳含量(約0.6%～2.5%)的次優(yōu)質(zhì)段頁巖中的有機孔隙更加發(fā)育。根據(jù)表4中頁巖樣品有機質(zhì)面孔率平均值與TOC含量平均值可知，隨著頁巖有機碳含量的增加，頁巖樣品的平均有機質(zhì)面孔率在統(tǒng)計意義上也隨之增加。如五峰組頁巖樣品有機質(zhì)面孔率平均值為17.08%，相應(yīng)的TOC含量平均值為4.43%；龍馬溪組一段下部有機質(zhì)面孔率平均值為16.09%，相應(yīng)的TOC含量平均值為3.67%；龍馬溪組一段上部有機質(zhì)面孔率平均值為9.28%，相應(yīng)的TOC含量平均值為1.75%。這可能主要與在埋深增加和熱演化成巖過程中形成有機質(zhì)豐度較高的頁巖殘余有機質(zhì)較多有關(guān)，尤其是頁巖基質(zhì)孔隙中滯留的液態(tài)烴越多，越有利于生成更多的熱裂解氣，進而形成更多的與熱裂解成因氣有關(guān)的焦瀝青中的有機孔隙，使得頁巖有機質(zhì)面孔率隨有機碳含量的增加而增大，從而導(dǎo)致頁巖中的有機孔發(fā)育程度出現(xiàn)差異。

五峰組頁巖樣品中多數(shù)有機孔隙形狀呈不規(guī)則的棱角形，這與上覆的龍馬溪組一段垂直或平行層面的頁巖樣品有機孔隙形狀多為橢圓形和近圓形形成明顯的區(qū)別，這種現(xiàn)象說明在燕山期—喜馬拉雅期構(gòu)造抬升剝蝕過程中，垂向負荷壓實作用可能不是五峰組頁巖有機孔隙變形的主要原因。值得注意的是，對焦石壩背斜區(qū)塊多口井的頁巖巖心觀察發(fā)現(xiàn)，五峰組比龍馬溪組一段發(fā)育更多的構(gòu)造裂縫以及充填于裂縫中的方解石和石英脈體，同時可觀察到五峰組中-下部也發(fā)育擠壓破碎層和反映分層擠壓滑脫的構(gòu)造現(xiàn)象(如次級滑脫面擦痕、微型滑脫褶皺和疊瓦狀構(gòu)造等)；這可能表明在區(qū)域擠壓推覆的構(gòu)造應(yīng)力背景下，五峰組處在其下伏碳酸鹽巖堅硬巖層之上的五峰組-龍馬溪組頁巖軟弱層系底部，五峰組頁巖底部為主滑脫面，因而使得五峰組頁巖相對于龍馬溪組一段頁巖經(jīng)歷了更明顯的構(gòu)造擠壓分層滑脫改造作用并引起某種程度的超壓釋放，造成五峰組頁巖中有機孔隙形態(tài)遭受側(cè)向應(yīng)力擠壓變形和壓縮，這可能是導(dǎo)致五峰組頁巖樣品中多數(shù)有機孔隙形狀呈不規(guī)則的棱角形的主要原因，同樣也是在相近的有機碳含量條件下，五峰組頁巖的有機質(zhì)面孔率小于龍馬溪組一段下部頁巖的有機質(zhì)面孔率的主要原因。焦石壩背斜區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部和龍馬溪組一段上部頁巖的有機孔隙結(jié)構(gòu)包括有機孔隙數(shù)量、形狀、孔徑分布及發(fā)育程度的差別對頁巖含氣性以及頁巖氣的賦存狀態(tài)(即游離氣和吸附氣的含量)可能產(chǎn)生較為重要的影響。

5 結(jié)論

1) 五峰組、龍馬溪組一段下部和上部頁巖氣儲層中有機孔隙十分發(fā)育，其形狀主要呈近圓形、橢圓形、不規(guī)則的棱角形等，孔徑小于50 nm的有機孔隙數(shù)量最多，孔徑在50～300 nm范圍內(nèi)的有機孔隙面積占比最大。

2) 焦石壩背斜區(qū)塊五峰組與龍馬溪組一段下部和上部3者的頁巖巖心樣品納米有機孔隙結(jié)構(gòu)存在明顯差別，五峰組頁巖有機孔隙形狀多為不規(guī)則的棱角形，整體上孔徑相對較小且有機孔隙密度大，孔徑在10～50 nm的有機孔隙數(shù)量相對最多；龍馬溪組一段頁巖有機孔隙形狀多為近圓形和橢圓形，龍馬溪組一段下部優(yōu)質(zhì)段頁巖(一般TOC>3.0%)整體上有機孔隙的孔徑相對較大，孔徑大于50 nm的有機孔隙數(shù)量相對較多；龍馬溪組一段上部次優(yōu)質(zhì)段頁巖有機孔隙數(shù)量相對較少，發(fā)育較多孔徑在10～300 nm的有機孔隙。頁巖有機質(zhì)面孔率與頁巖有機質(zhì)豐度呈粗略的正相關(guān)關(guān)系，進一步推斷應(yīng)與頁巖基質(zhì)孔隙中固體焦瀝青的含量大體呈正相關(guān)關(guān)系。

3) 導(dǎo)致焦石壩背斜區(qū)塊五峰組、龍馬溪組一段下部、龍馬溪組一段上部頁巖氣儲層有機孔隙結(jié)構(gòu)差異性的主要原因與頁巖有機質(zhì)豐度的差異性和五峰組頁巖相對于龍馬溪組一段頁巖可能經(jīng)歷了更顯著的燕山期-喜馬拉雅期構(gòu)造推覆與分層擠壓滑脫以及造成一定程度的超壓釋放使得有機孔隙遭受側(cè)向壓縮變形改造等因素有關(guān)。這3個層位的頁巖有機孔隙結(jié)構(gòu)的差異性對頁巖含氣性和頁巖氣的賦存狀態(tài)可能有著較重要的影響。

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