楊桂林，任戰(zhàn)利，張圓圓,任文波，楊 燕

(西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710069)

低孔、低滲及致密是美國(guó)頁巖儲(chǔ)層較明顯的特征，其孔隙度變化范圍從2%～10%不等，2%～4%是最集中的區(qū)域。Ross等進(jìn)行大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在一定的范圍之內(nèi)，游離態(tài)氣體體積與孔隙度呈正相關(guān)的關(guān)系[1-11]。頁巖中吸附氣的含量與孔徑小于100 nm的有機(jī)質(zhì)豐度、微小孔隙及黏土礦物有著密切的關(guān)系，而對(duì)于微裂縫、溶孔等大孔徑孔隙，它們不僅可以賦存游離氣，也可以作為天然氣的運(yùn)移通道[12-13]。

海相頁巖是我國(guó)頁巖氣研究的重點(diǎn)，而儲(chǔ)層孔縫、頁巖厚度、地化特征、含氣量及保存條件都較好的鄂爾多斯盆地對(duì)頁巖氣的儲(chǔ)集和開采也很有利，這與前人對(duì)泥頁巖資源量評(píng)估參數(shù)研究薄弱等問題發(fā)生了矛盾，所以我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)這一系列問題的深入研究。本次研究區(qū)為鄂爾多斯盆地志丹(ZD)地區(qū)，該區(qū)位于延長(zhǎng)期湖盆中心區(qū)，延長(zhǎng)組有機(jī)質(zhì)豐度高，成熟度較高，處于高成熟生油階段，頁巖氣發(fā)育條件良好，僅長(zhǎng)7段頁巖的厚度最高就可達(dá)80 m以上[2-13]。本文對(duì)研究區(qū)延長(zhǎng)組泥頁巖的巖性、物性及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究[14]，深入研究延長(zhǎng)組頁巖氣儲(chǔ)層特征對(duì)認(rèn)識(shí)鄂爾多斯全盆地延長(zhǎng)組頁巖氣富集規(guī)律有重要意義。

1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

1.1 礦物特征

儲(chǔ)層的孔隙類型以及其中的頁巖氣賦集狀態(tài)都與暗色泥巖礦物的組成有關(guān)，地層的脆性也受其影響。本次在薄片分析和巖心觀察的基礎(chǔ)上對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)7段巖性及礦物特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)長(zhǎng)7段有著豐富的泥頁巖類型，這些泥頁巖的粒度也都比較小，顏色多為暗灰色，具有紋層狀(圖1)。

對(duì)泥頁巖進(jìn)行全巖分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)石、黏土礦物和石英是其主要礦物組成，其中長(zhǎng)石包括鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了黃鐵礦、白云石等。通過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)此類泥頁巖的主要結(jié)構(gòu)是泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，并夾雜粉砂質(zhì)層理。石英等礦物顆粒沿著紋層定向排列，并有裂縫顯示(圖1)。研究區(qū)泥頁巖石英含量最高平均為30.9%，其次是黏土礦物平均為29.0%。長(zhǎng)石含量最低，其中斜長(zhǎng)石含量較鉀長(zhǎng)石高，平均為19.3%，鉀長(zhǎng)石平均為6.9%(圖2)。

圖1 研究區(qū)泥頁巖巖石特征Fig.1 Characteristics of shale rocks in the study areaa.紋層狀泥巖(Z134井，2145.30 m，長(zhǎng)7)；b.泥質(zhì)呈條帶狀分布(Z4134井，2033.36 m，長(zhǎng)7)；c.紋層狀粉砂質(zhì)泥巖(Z1510井，1549.04 m，長(zhǎng)7)；d.有機(jī)質(zhì)中鑲嵌石英顆粒(Z1井，2087.40 m，長(zhǎng)7)

圖2 研究區(qū)泥頁巖巖石礦物分布組成Fig.2 The mineral distribution of shale rocks in the study area

研究可知，研究區(qū)長(zhǎng)7頁巖儲(chǔ)層中脆性礦物含量平均為64.5%，與Barnett頁巖脆性礦物含量(一般為40%～60%)相當(dāng)，脆性礦物的含量越高，裂縫越易產(chǎn)生；黏土礦物含量平均為29.0%，黏土礦物對(duì)頁巖氣有著吸附作用。綜上分析，黏土礦物和脆性礦物對(duì)于頁巖氣藏的形成以及后期的開發(fā)利用有著積極的影響。

1.2 黏土礦物特征

泥頁巖中表面積較大的黏土礦物廣泛分布，有利于頁巖氣的吸附和賦存，但含量過高的黏土礦物顆粒會(huì)對(duì)氣體的滲流通道造成堵塞，對(duì)后期的儲(chǔ)層改造也會(huì)造成影響。

吉利明等的研究認(rèn)為微孔是影響孔隙內(nèi)表面積的主要因素，氣體通常賦集在小于20 nm的孔隙中[15]。各種黏土礦物組分對(duì)于甲烷吸附能力的排序?yàn)槊擅撌?伊/蒙混層>高嶺石>綠泥石>伊利石>粉砂巖>石英巖。而綠泥石、伊/蒙混層、伊利石是本區(qū)主要的黏土礦物，高嶺石含量較小基本不發(fā)育。其中伊利石含量平均為37.0%，伊/蒙混層含量平均為34.0%，綠泥石含量平均為27.9%。(圖3)。

綜上分析可知，研究區(qū)黏土礦物中多含伊利石、伊/蒙混層和綠泥石，為孔隙發(fā)育和氣體發(fā)育提供了可靠的物質(zhì)保障。

圖3 研究區(qū)泥頁巖黏土礦物組成分布Fig.3 Distribution map of mineral composition of shale clay in the study area

1.3 脆性礦物特征

作為頁巖的主要礦物成分，賦存于黏土礦物之上的脆性礦物顆粒(長(zhǎng)石、石英等)在成巖演化的過程中，這兩種礦物在失水的情況下會(huì)使得孔縫的發(fā)育增多。低孔低滲、致密是泥頁巖儲(chǔ)層的主要特征，從開發(fā)的角度來說壓裂對(duì)這類儲(chǔ)層是必不可少的環(huán)節(jié)，這勢(shì)必會(huì)影響脆性礦物的比重。儲(chǔ)層是否適合開發(fā)、是否適合壓裂通常通過脆性指數(shù)來分析，脆性指數(shù)=(石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽) /(石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽+黏土礦物)[16]。

研究發(fā)現(xiàn)，本區(qū)脆性礦物含量處于45%～65%之間，平均是58.5%，其含量比較高，有利于本區(qū)儲(chǔ)集層孔縫的發(fā)育；0.47～0.85是脆性指數(shù)主要分布范圍(圖4)，平均值是0.68，這對(duì)后期的開發(fā)有著積極的作用。

圖4 研究區(qū)泥頁巖脆性指數(shù)分布Fig.4 Distribution of shale brittleness index in the study area

2 儲(chǔ)層物性特征

泥頁巖儲(chǔ)層的有效孔隙度小于10%，基質(zhì)滲透率小于0.1 mD，喉道半徑小于0.005 μm[17]。區(qū)別于常規(guī)儲(chǔ)層，已生成的頁巖氣的賦存方式多樣化，既可以溶解于瀝青、孔隙殘留水中，也可以吸附在黏土礦物和有機(jī)質(zhì)表面，或以游離態(tài)處于孔隙之中。而本區(qū)的頁巖氣主要存在方式是游離態(tài)和吸附態(tài)。

通過對(duì)長(zhǎng)7段69塊巖心樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，該段泥頁巖儲(chǔ)層的孔隙度主要集中在0.4%～7.0%之間(圖5)，平均為2.79%，占比最高的孔隙度集中于3%～4%，約占31.0%(如圖5)；本區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖的滲透率值主要分布范圍為0.001～0.01 mD(圖6)，滲透率值低于0.01 mD的樣品約占63.55%。

圖5 研究區(qū)孔隙度分布直方圖Fig.5 The porosity distribution histogram in the study area

圖6 研究區(qū)滲透率分布直方圖Fig.6 The permeability distribution histogram in the study area

通過作孔隙度和滲透率交會(huì)圖進(jìn)行相關(guān)性分析(圖7)可以看出，研究區(qū)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的相關(guān)性較差，分析認(rèn)為造成這種結(jié)果的原因有兩點(diǎn)，其一是裂縫大量發(fā)育于長(zhǎng)7段儲(chǔ)層中，孔隙度整體較低，但對(duì)滲透率影響比較大。另一原因，長(zhǎng)7段儲(chǔ)層不僅僅受沉積相控制，孔喉配置以及孔喉連通性等因素也會(huì)對(duì)儲(chǔ)層的孔滲相關(guān)性造成影響。

圖7 研究區(qū)孔隙度和滲透率分布關(guān)系Fig.7 The relationship between porosity and permeability distribution in the study area

3 儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)特征

評(píng)價(jià)頁巖類儲(chǔ)層與孔隙類型、形態(tài)及孔徑大小有很大的關(guān)系，它們從不同方面影響著頁巖氣的產(chǎn)儲(chǔ)性能?？紫蹲鳛榇鎯?chǔ)空間影響著頁巖氣的儲(chǔ)能；決定頁巖氣產(chǎn)能的則是裂縫，因?yàn)榱芽p是其滲流通道[18]。所以說在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，孔隙和裂縫的形態(tài)及發(fā)育程度就顯得特別關(guān)鍵。楊峰等在掃描電鏡的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)頁巖的主要孔隙類型是黏土礦物粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔[19-21]。提供比表面積的主要是小于50 nm的中孔和微孔，主要滲流通道則是微裂縫。

本次借助Helios Nano Lab650型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)頁巖微觀孔隙進(jìn)行了研究。通過對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖的孔隙形態(tài)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)粒間微孔和晶間微孔、粒內(nèi)微孔和粒緣微裂縫、粒內(nèi)微裂縫是最主要的孔隙空間類型，所占比例分別為27.5%、13.4%、11.4%；層間縫和“張家灘”油頁巖段的有機(jī)質(zhì)氣孔含量較少，分別為5.2%和1.9%(圖8)。泥頁巖的孔隙形態(tài)及孔徑所占比例[20](圖10、表1)如下。

圖8 研究區(qū)主要孔隙類型Fig.8 The main pore types in the study area

本次研究基于鄒才能等的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(納米孔：小于1 μm，微米級(jí)孔：1～1000 μm)對(duì)研究區(qū)Z1井的長(zhǎng)7段孔隙類型進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)中孔和宏孔為該段儲(chǔ)層主要孔隙類型，微孔幾乎不發(fā)育。所占總孔體積分別為宏孔57%，中孔30%，微孔幾乎不見為1%(圖10)，平均孔隙直徑為120 nm。研究區(qū)頁巖樣品孔徑主要分布于35～280 nm，屬于中孔—宏孔。

通過掃描電鏡觀測(cè)，可將孔隙類型大致分為粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔、微裂縫。

(1)粒間孔。沉積物發(fā)生沉積構(gòu)造時(shí)，成巖演化作用及顆粒的不完全膠結(jié)會(huì)有形態(tài)不同的粒間孔形成[21]。發(fā)育粒間孔的沉積物主要特征是沉積時(shí)間相對(duì)較短或埋藏比較淺，有利于連通性較好的孔隙網(wǎng)的形成。有機(jī)質(zhì)粒間孔、黏土礦物粒間孔等是研究區(qū)的主要粒間孔。宏孔占比較大，孔徑從40 nm到微米級(jí)別不等(圖11)。

圖9 研究區(qū)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡巖心照片F(xiàn)ig.9 Core photographs of field emission scanning electron microscopy in the study areaa,b.暗灰色砂質(zhì)泥巖，Z1井，長(zhǎng)7，2075.4 m；c,d.暗灰色泥巖，ZD1091井，1680.4 m

圖10 研究區(qū)頁巖孔隙半徑分布Fig.10 Distribution of shale pore radius in the study area

(2)粒內(nèi)孔。由成巖后期改造而成的孔稱為粒內(nèi)孔，也有原生粒內(nèi)孔存在。黃鐵礦晶間孔、顆粒溶解形成的孔隙、黏土礦物層間孔、化石內(nèi)部的保留孔是本區(qū)的主要粒內(nèi)孔。本次研究是在掃描電鏡的基礎(chǔ)上，分析得出表面溶蝕孔和伊利石層間孔是研究區(qū)分布最多的粒內(nèi)孔，孔徑從12 nm到2 μm不等(圖12)。

表1 研究區(qū)孔隙形態(tài)及半徑分布(據(jù)馬文強(qiáng))[21]Table 1 Distribution of pore morphology and radius in the study area[21]

(3)有機(jī)質(zhì)孔。機(jī)質(zhì)中發(fā)育的孔隙稱為有機(jī)質(zhì)孔，多以球狀體呈現(xiàn)，而且有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育很大程度上影響有機(jī)質(zhì)的成熟度。有機(jī)質(zhì)孔大量發(fā)育時(shí)，有機(jī)質(zhì)成熟度通常大于0.6%；當(dāng)有機(jī)質(zhì)成熟度小于0.6%時(shí)，有機(jī)質(zhì)孔一般不發(fā)育[22]。

前文分析觀測(cè)Z1井樣品可知，微裂縫發(fā)育于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，中孔、微孔是其主要孔徑類型，大多數(shù)孔徑小于90 nm。經(jīng)掃描電鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，本區(qū)頁巖喉道半徑主要分布范圍為10～35 nm(圖13)。與常規(guī)儲(chǔ)層相比，雖然頁巖儲(chǔ)層的孔喉分布不均勻，但其孔喉比小，易于滲流，這是與常規(guī)儲(chǔ)層的不同之處。

圖11 研究區(qū)頁巖粒間孔Fig.11 Shale intergranular pore in the study areaa.有機(jī)質(zhì)與顆粒之間孔隙，Z1井，長(zhǎng)7，SEM，×20000；b.黏土礦物粒間孔，Z1井，長(zhǎng)7，SEM，×35000；c.黏土礦物薄片之間孔隙，Z1井，長(zhǎng)7，SEM，×15000

圖12 研究區(qū)頁巖粒內(nèi)孔Fig.12 Shale inner pore in the study areaa.礦物表面溶蝕孔，ZD1091井，長(zhǎng)7，SEM，×50000；b.黃鐵礦晶間孔，Z1井，長(zhǎng)7，SEM，×6500；c.黏土礦物層間孔，Z1井，長(zhǎng)7，SEM，×25000

圖13 研究區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)孔Fig.13 Pore of organic matter in shale in the study areaa.有機(jī)質(zhì)孔，ZD1091井，長(zhǎng)7，SEM，×35000；b.有機(jī)質(zhì)孔，Z1井，長(zhǎng)7，SEM，×8000

(4)裂縫。頁巖氣的保存與裂縫的發(fā)育有著很大的關(guān)系，裂縫發(fā)育的規(guī)模越大，越不利于頁巖氣的保存，與此相反，裂縫發(fā)育越少對(duì)頁巖氣的保存越有利。經(jīng)試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)順層面微裂縫、有機(jī)質(zhì)中的微裂縫、顆粒邊緣微裂縫等是研究區(qū)主要的裂縫類型，它們既可以發(fā)育于有機(jī)質(zhì)中，也可以發(fā)育于礦物顆粒邊緣位置。這些裂縫長(zhǎng)度可達(dá)微米級(jí)，而縫間距一般比較小，從10 nm到150 nm不等(圖14)。

4 結(jié)論

(1)石英和黏土礦物是研究區(qū)泥頁巖的主要組成礦物。石英平均含量為30.9%，伊利石、綠泥石和伊/蒙混層是黏土礦物的主要組成成分，平均含量為29.0%。計(jì)算可知脆性指數(shù)范圍是0.47～0.85。

(2)研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖儲(chǔ)層的孔隙度分布范圍是0.4%～7.0%，平均值為2.79%；滲透率值多低于0.01 mD。

圖14 研究區(qū)頁巖裂縫Fig.14 Shale fractures in the study areaa.順層面裂縫，ZD1091井，長(zhǎng)7，SEM，×20000；b.有機(jī)質(zhì)中的微裂縫,Z1井；c.顆粒邊緣裂縫，Z1井，長(zhǎng)7，SEM，×15000

(3)通過場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)本區(qū)泥頁巖主要發(fā)育中孔和宏孔，孔徑主要分布范圍是35～280 nm，微孔基本不發(fā)育。頁巖喉道半徑主要分布在10～35 nm之間，為納米級(jí)孔喉，孔滲性較差。

(4)通過對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)7儲(chǔ)層雖然致密，但其裂縫發(fā)育非均質(zhì)性較弱，這與常規(guī)儲(chǔ)層相比更利于頁巖氣的滲流和儲(chǔ)集，為后期有利區(qū)的判定提供了重要的幫助。