肖佃師，趙仁文，楊 瀟，房大志，李 勃，孫星星

[1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580； 2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司 研究院，陜西 西安 710075； 3.中國石化 華東油氣分公司 南川頁巖氣項(xiàng)目部，重慶 408400]

涪陵頁巖氣田的成功開發(fā)[1-2]，揭示我國高-過成熟海相頁巖氣藏具備良好的勘探開發(fā)潛質(zhì)。頁巖氣儲層通常具有孔隙度低、孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣體賦存形式多樣以及滲流能力差等特點(diǎn)[3-4]，準(zhǔn)確刻畫其微觀孔隙結(jié)構(gòu)(大小分布、連通性等)，是進(jìn)行頁巖氣儲層表征及含氣量評價(jià)的關(guān)鍵。

隨著非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的深入，孔隙結(jié)構(gòu)表征手段由定性觀察向定量表征過渡，由單一手段到多方法聯(lián)合發(fā)展[4-5]。對于頁巖氣儲層，常用實(shí)驗(yàn)方法包括低溫氮?dú)馕?LTNA)、二氧化碳等溫吸附(LTCA)、核磁共振(NMR)以及高壓壓汞(MIP)等，各種實(shí)驗(yàn)測量原理不同，在刻畫頁巖孔隙結(jié)構(gòu)上均有缺陷[5]。LTNA依據(jù)臨界狀態(tài)下氮?dú)獾拿?xì)管凝聚估算孔徑分布，會低估較大介孔和宏孔(>50 nm)的含量[6]，但能給出較準(zhǔn)確的比表面積和微孔含量；在臨界狀態(tài)下CO2能探測到更小孔隙，但測量過程中CO2相對壓力值最大僅為0.03，LTCA只能測量微孔及比表面積值；壓汞屬于侵入法，根據(jù)進(jìn)汞量隨壓力的變化，計(jì)算孔喉分布，表征范圍受最大進(jìn)汞壓力限制，盡管目前可達(dá)400 MPa(對應(yīng)3 nm)，但高壓會破壞頁巖孔隙結(jié)構(gòu)[6]；低場核磁共振能夠快速、無損測量孔隙中氫核的弛豫時(shí)間，進(jìn)而全面揭示孔隙分布[7]，但需要進(jìn)行合理標(biāo)定。為此，針對頁巖氣儲層，開展多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，建立有效的全孔徑表征方法非常關(guān)鍵。

本文以我國川東南五峰組-龍馬溪組海相頁巖為靶區(qū)，開展多種孔隙結(jié)構(gòu)表征實(shí)驗(yàn)對比，分析不同實(shí)驗(yàn)方法在刻畫頁巖孔隙結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，建立全孔徑分布表征方法，并分析該方法在中低成熟度頁巖的適用性；借助分形理論進(jìn)行孔隙分區(qū)，進(jìn)而揭示不同類型孔隙的發(fā)育特征，及其對頁巖氣賦存與滲流能力的貢獻(xiàn)。

1 樣品特征

所選樣品均來自四川盆地東南緣彭頁1、隆頁1井和焦頁194-3井，三口井分別位于桑拓坪向斜、武隆向斜和平橋背斜，主要產(chǎn)氣層均為五峰組-龍馬溪組下段的富有機(jī)質(zhì)頁巖(厚度約25～30 m)[8]。在五峰組-龍馬溪組中共優(yōu)選13塊樣品(以井號加序號命名)，分別開展地化特征、礦物組成和氣測孔隙度測試(表1)。樣品有機(jī)碳含量(TOC)的變化范圍為1.20%～6.46%，氣測孔隙度范圍為1.8%～6.3%，與TOC呈明顯正相關(guān)，指示有機(jī)孔是頁巖孔隙的重要組成部分。樣品中長石、碳酸鹽巖和黃鐵礦等較少，以石英和粘土礦物為主，兩者總含量多大于80%，呈現(xiàn)“此消彼漲”趨勢，粘土礦物類型以伊蒙互層、伊利石和綠泥石為主；石英含量與TOC呈明顯正相關(guān)，指示自生硅質(zhì)在石英中占一定比例[8]。

對樣品開展微觀孔隙表征實(shí)驗(yàn)，包括場發(fā)射掃描電鏡、氦離子掃描電鏡、低溫氮?dú)馕?、低溫二氧化碳吸附、高壓壓汞和低場核磁共振。首先鉆取規(guī)則柱樣2塊(長度分別為2.5 cm和1.5 cm)，分別用于核磁共振和高壓壓汞測量。利用紐邁公司MicroMR23-060H-1型核磁共振分析儀，分別對烘干和飽和油狀態(tài)下頁巖進(jìn)行核磁共振測試，采用相同測量參數(shù)：回波間隔TE為0.1 ms，等待時(shí)間TW為3 s和標(biāo)準(zhǔn)CPMG脈沖序列。在測量NMR之前，樣品在110 ℃下真空烘干24 h，以脫去樣品中粘土束縛水等，測量完干樣的NMR后，樣品被加壓飽和在正十二烷中，直至樣品質(zhì)量不再發(fā)生變化，得到飽和油頁巖樣品。利用PoreMaster PM33-13型壓汞儀測量樣品的進(jìn)汞和退汞曲線，根據(jù)Washburn理論[9]，基于進(jìn)汞曲線得到孔喉大小分布。剩余樣品進(jìn)行低溫氮?dú)馕綔y試，樣品被粉碎為60～80目，優(yōu)選5 g碎樣在150 ℃下真空烘干12 h，除去多余水分和雜質(zhì)氣體，通過ASAP2460比表面積測試儀在臨界溫度下測量氮?dú)獾奈搅亢兔摳搅浚贐ET模型[10]和DFT模型分別得到比表面積和孔徑分布；測定完氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)后，優(yōu)選部分樣品在臨界溫度(0 ℃)下開展CO2等溫吸附測試，基于DA模型和NLDFT模型計(jì)算微孔體積和孔徑分布。

表1 四川盆地彭水地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣樣品基本信息Table 1 The geological information of shale gas samples from the Wufeng-Longmaxi Formations in the Pengshui area,Sichuan Basin

2 孔隙類型及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

2.1 孔隙類型

基于掃描電鏡(SEM)圖像，將頁巖孔隙劃分為有機(jī)孔和無機(jī)孔兩類，無機(jī)孔又識別出粘土孔、粒間孔、晶間孔和粒內(nèi)溶蝕孔等。有機(jī)孔是頁巖氣儲層最重要的孔隙類型，其伴隨著干酪根的生烴過程而產(chǎn)生，形態(tài)多為近圓形或橢圓形(圖1a)，局部可見狹長型孔(圖1b)；He離子SEM發(fā)現(xiàn)，有機(jī)孔孔徑分布范圍寬，從幾個(gè)nm至100 nm均有發(fā)育(圖1a—c)，較大有機(jī)孔通常發(fā)育蜂窩狀或?qū)Ч軤?“大孔套小孔”)的連通網(wǎng)絡(luò)，但隨孔徑變小，有機(jī)孔多孤立，連通性變差；較大有機(jī)孔表面通常粗糙(圖1a)，在表面上可形成大量類似微孔的儲氣空間，為頁巖提供了一定的比表面積。

粘土孔是頁巖儲層另一類主要的儲集類型，由大到小可分為粘土層間縫、晶間孔和粘土晶內(nèi)孔三個(gè)尺度孔隙[11]；受強(qiáng)烈壓實(shí)影響，粘土礦物趨于定向排列(圖1d)，晶間孔和晶內(nèi)孔變小，很難利用掃描電鏡識別。粘土層間縫是粘土礦物聚合體之間的孔隙，多呈狹長縫狀(圖1d)，寬度多小于100 nm，延伸長度可達(dá)10 μm。粒間孔通常發(fā)育在石英、長石等礦物顆粒之間或顆粒與有機(jī)質(zhì)的交接處，形狀呈不規(guī)則多邊形、狹長形等(圖1e)，孔徑多大于100 nm，但數(shù)量少、分布零散；在碳酸鹽巖礦物內(nèi)因晶格缺陷局部發(fā)育晶間孔(圖1e，f)，形狀近多邊形，孔徑小于100 nm。此外，局部可見碳酸鹽巖顆粒被溶蝕而形成的粒內(nèi)溶蝕孔(圖1f)，形態(tài)近圓形、多呈孤立分布，與晶間孔區(qū)別明顯。

2.2 低溫氣體吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)IUPAC(國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會)分類[12]，所有樣品的低溫氮?dú)馕角€均屬于Ⅳ型(圖2a)：在較低相對壓力(p/p0，p0為飽和蒸汽壓)時(shí)具有一定吸附量(對應(yīng)單分子層和多分子層吸附)；中等p/p0時(shí)吸附和脫附曲線間出現(xiàn)明顯滯后環(huán)(對應(yīng)介孔的毛細(xì)管凝聚)；而當(dāng)P/P0接近于1時(shí)，吸附曲線仍未達(dá)到平直段(對應(yīng)宏孔充填)，說明頁巖孔隙由微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)構(gòu)成。TOC控制著吸附曲線形態(tài)，隨TOC增加，初始和最大吸附量均明顯增大、滯后回環(huán)幅度明顯增加，回環(huán)形態(tài)也由H3型明顯過渡為H2型(圖2a)，意味著狹長型縫逐漸過渡為墨水瓶型孔[13]，這與低TOC樣品具有較高粘土含量、粘土層間縫發(fā)育，而高TOC樣品具有較低粘土含量、導(dǎo)管狀有機(jī)孔發(fā)育等較為吻合。

圖1 四川盆地彭水地區(qū)龍馬溪組頁巖樣品孔隙掃描電鏡特征Fig.1 The characterization of shale sample pores by SEM images from the Wufeng-Longmaxi Formations in the Pengshui area,Sichuan Basina.蜂窩狀有機(jī)孔，LY1-4；b.狹長型有機(jī)孔，PY1-22；c.孤立狀有機(jī)孔，PY1-2；d.粘土層間縫，JY194-3-10；e.粒間孔及晶間孔，PY1-22；f.粒內(nèi)溶蝕孔及晶間孔，PY1-22

圖2 四川盆地彭水地區(qū)典型樣品的低溫氮?dú)馕健⒍趸嘉?、高壓壓汞?shí)驗(yàn)結(jié)果及微孔計(jì)算值對比Fig.2 The results of the LTNA,LTCA and high pressure MIP on the typical shale samples from the Pengshui area,Sichuan Basin,and comparison of calculated micropore volume of these samplesa.低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果；b.低溫二氧化碳吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果；c.高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果；d.低溫氮?dú)馕胶投趸嘉接?jì)算微孔體積對比

二氧化碳低溫吸附曲線均呈Ⅰ型(圖2b)，表明頁巖氣樣品中均發(fā)育微孔；在最大相對壓力時(shí)(0.03)，測得二氧化碳最大吸附量變化范圍為0.60～2.52 cm3/g，與樣品TOC值呈明顯正相關(guān)，揭示有機(jī)質(zhì)對樣品中微孔發(fā)育起主要控制作用。

2.3 高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

頁巖樣品具有相似的壓汞曲線特征(圖2c)，整體表現(xiàn)出驅(qū)替壓力大、無平臺段和退汞效率高。驅(qū)替壓力值均大于13.7 MPa(對應(yīng)孔喉直徑100 nm)，說明頁巖樣品孔喉直徑多小于100 nm；進(jìn)汞量與壓力間呈線性增加，缺少明顯平臺段(即在較窄壓力范圍內(nèi)進(jìn)汞量快速增大)，退汞效率均大于70%，這些現(xiàn)象說明頁巖儲層中不發(fā)育如致密砂巖類似的“大孔-細(xì)喉型”孔隙結(jié)構(gòu)[6]，主要以樹形孔隙[14]或孔喉比較小的導(dǎo)管狀孔隙網(wǎng)絡(luò)為主。隨TOC增加，最大進(jìn)汞量增大，退汞效率有所降低(圖2b)，說明有機(jī)孔局部呈墨水瓶形，具有較低的退汞效率。

2.4 核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果

烘干樣品中仍可檢測到氫信號(背景信號)(圖3a)，且信號強(qiáng)度與粘土礦物含量呈明顯正相關(guān)(圖3b)，而與TOC關(guān)系弱(圖3c)，反映該信號主要對應(yīng)粘土結(jié)合水，說明在110 ℃下烘干樣品很難完全除去粘土結(jié)合水，但溫度過高會破壞頁巖孔隙結(jié)構(gòu)[15]。為降低粘土結(jié)合水的影響，在飽和油狀態(tài)馳豫信號中扣掉背景信號，重新反演即可得到飽和油狀態(tài)下頁巖T2譜(圖4)。頁巖樣品T2分布呈明顯左峰，主峰位于短馳豫時(shí)間內(nèi)(<10 ms)，在較長馳豫時(shí)間 (>10 ms)

圖3 四川盆地彭水地區(qū)烘干樣品的核磁共振信號及其與粘土含量和TOC間關(guān)系Fig.3 The NMR signal of dried samples and its correlation with clay content and TOC in the Pengshui area,Sichuan Basina.烘干和飽和油狀態(tài)下核磁共振信號對比；b.烘干樣品核磁共振信號量與粘土含量間關(guān)系；c.烘干樣品核磁共振信號與TOC間關(guān)系

圖4 四川盆地彭水地區(qū)頁巖氣樣品核磁共振T2分布對比(去除烘干樣品信號)Fig.4 The comparison of T2 distribution of shale gas samples from the Pengshui area,Sichuan Basin (the dried sample signal is removed)

內(nèi)存在多個(gè)較弱的次峰，說明頁巖孔隙分布范圍寬(0.01～500 ms)，但主要以較小孔(<10 ms)為主。

隨TOC增加，T2譜主峰逐漸向較長馳豫時(shí)間偏移，且幅度也逐漸增加，說明高TOC頁巖的核磁信號明顯強(qiáng)于低TOC頁巖，不同頁巖T2分布主峰對應(yīng)弛豫時(shí)間的差距可達(dá)10倍。通過SEM可知，對于高和低TOC頁巖(如PY1-2和PY1-22)，兩者孔徑差異并不明顯(圖1b，c)，高壓壓汞也揭示兩者具有相似的孔喉分布區(qū)間(圖2c)，T2譜差異主要由頁巖對氫核弛豫率的不同引起，隨TOC降低，粘土含量增多，綠泥石等鐵磁性礦物含量增多，導(dǎo)致頁巖對氫核的弛豫率增加[16]。因此，需要對T2分布進(jìn)行合理標(biāo)定，才能有效反映孔徑。

3 頁巖全孔徑表征及評價(jià)

3.1 不同實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果對比

不同實(shí)驗(yàn)手段測得孔體積具有明顯差異(表2)，以氦測孔體積值最高，其次為低溫氮?dú)馕胶秃舜殴舱?，壓汞法測量值最小。氦氣為惰性分子，在頁巖中不發(fā)生吸附，且常溫下能進(jìn)入大部分相互連通孔隙，測量值最接近頁巖的實(shí)際連通孔體積；低溫氮?dú)馕綔y量值是氦測值的55%～91%，平均為75%，將近25%的孔體積被低溫氮?dú)馕降凸?。核磁共振測量值是氦測值的54%～85%，均值為73%，接近27%孔體積無法被核磁共振探測到，一方面因?yàn)檎榉肿又睆酱笥诤猓M(jìn)入較小孔隙時(shí)的難度比較大，另外粘土結(jié)合水的存在，會降低頁巖的實(shí)際孔體積[15]。相比而言，壓汞法結(jié)果與氦測值差異最大，平均比值為40%，將近60%的孔體積無法被汞探測，這主要受最大進(jìn)汞壓力(200MPa)的限制，汞無法進(jìn)入直徑小于7.2nm喉道及其溝通的孔隙中。低溫二氧化碳吸附只能反映微孔體積，應(yīng)用DA模型計(jì)算的微孔體積稍大于氮?dú)馕?應(yīng)用DFT模型)計(jì)算微孔值(圖2d)，但兩者分布范圍基本一致，表明LTNA和LTCA均能有效刻畫微孔，但相比之下，LTNA還能刻畫介孔分布(圖5a,d)，在全孔徑表征中優(yōu)勢更明顯。

圖5為不同實(shí)驗(yàn)得到孔徑分布的對比，其中核磁共振采用線性方式轉(zhuǎn)換[7]，依據(jù)T2譜與LTNA孔徑分布間相關(guān)性，來確定轉(zhuǎn)換系數(shù)C(表1)。根據(jù)各類實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果的相對關(guān)系，將孔徑劃分為三個(gè)區(qū)間：區(qū)間 Ⅰ 對應(yīng)孔徑基本小于10 nm，LTNA在表征該區(qū)間孔隙分布上優(yōu)勢明顯；區(qū)間Ⅱ基本小于100nm，核磁共振的優(yōu)勢明顯，隨TOC增大、粘土含量降低(由PY1-22至LY1-5樣品)，壓汞孔喉分布逐漸偏離核磁共振，這因?yàn)閴汗y量的是連通孔喉分布，孔喉分布和孔隙分布的差異受孔喉比影響，孔喉比越大、兩者差異越明顯[17]，導(dǎo)管狀有機(jī)孔的孔喉比要稍大，導(dǎo)致壓汞孔喉分布與核磁共振孔隙分布的差異隨TOC增加而變大；而隨TOC降低，氮?dú)馕奖碚鞯目紫斗植紩饾u偏離核磁共振，表明氮?dú)馕浇Y(jié)果受孔隙非均質(zhì)性的影響，尤其對于介質(zhì)中存在極性物質(zhì)(如干酪根)時(shí)；區(qū)間Ⅲ對應(yīng)孔徑大于100 nm，這類孔隙通常需要喉道溝通，核磁共振明顯高于壓汞孔喉分布。綜上，低溫氮?dú)馕皆诳坍媴^(qū)間Ⅰ這類較小孔隙優(yōu)勢明顯，而核磁共振在刻畫區(qū)間Ⅱ和Ⅲ這類較大孔隙上效果較好。

表2 四川盆地彭水地區(qū)不同實(shí)驗(yàn)方法測量孔體積對比Table 2 The comparison of measured pore volumes obtained by different experimental methods on the samples from the Pengshui area,Sichuan Basin

注：骨架密度均采用2.55 g/cm3。

圖5 四川盆地彭水地區(qū)典型頁巖氣樣品不同實(shí)驗(yàn)方法測量孔徑分布對比Fig.5 The comparison of pore size distribution revealed by different experimental methods on the typical shale samples from the Pengshui area,Sichuan Basina. LY1-5；b. PY1-2;c. JY194-3-10;d. PY1-22

3.2 全孔徑表征方法

基于上述分析，聯(lián)合低溫氮?dú)馕胶秃舜殴舱窨蓪?shí)現(xiàn)頁巖氣孔隙全面表征。具體思路為：首先在dV/dD與直徑D坐標(biāo)系下，找出這兩類實(shí)驗(yàn)孔徑分布的交點(diǎn)K，然后在K左側(cè)和右側(cè)分別選用低溫氮?dú)馕胶秃舜殴舱窠Y(jié)果，拼接后得到全孔徑分布(圖6)。全孔徑計(jì)算孔體積與氦測法基本吻合(表2)，明顯高于核磁共振、低溫氮?dú)馕降葐我槐碚鞣椒ā?/p>

通過全孔徑表征(圖6)，可得到頁巖氣樣品的孔隙分布具有以下特征：分布范圍寬，可橫跨4～5個(gè)數(shù)量級，但大于100 nm的孔隙含量均小于10%，70%的孔體積分布在孔徑小于25 nm的孔隙中，表明頁巖氣樣品仍以較小孔為主，盡管大孔也發(fā)育，但數(shù)量少，這與頁巖樣品粒度細(xì)、成熟度高，普遍經(jīng)歷強(qiáng)烈壓實(shí)減孔等成巖作用密切相關(guān)[11]；另外，在孔徑小于100 nm范圍內(nèi)，孔隙分布呈明顯繼承性，表現(xiàn)為主峰位置和幅度變化的一致性，隨TOC增大，主峰位置的孔徑有所變小，但幅度明顯增加，指示有機(jī)孔在頁巖氣儲集空間中的重要地位。

為分析該方法的適用性，在東營凹陷利頁1井的沙河街組三段，選取一塊頁巖油樣品(埋深3 672.86 m)開展實(shí)驗(yàn)對比。該樣品成熟度為0.62%，TOC值為4.84%，屬于富有機(jī)質(zhì)紋層狀灰質(zhì)泥巖。低成熟度頁巖樣品的孔隙以粒間孔(石英、碳酸鹽巖)、粘土層間縫、溶蝕孔和有機(jī)質(zhì)孔隙為主(圖7)，SEM圖像顯示，孔隙多分布在幾十個(gè)nm至幾百個(gè)nm范圍，明顯大于高成熟度頁巖氣樣品，說明頁巖油樣品經(jīng)歷了相對弱的壓實(shí)減孔和膠結(jié)作用，以及明顯的溶蝕增孔，孔隙得以較好保存。對比低溫氮?dú)馕健⒑舜殴舱窈蛪汗y量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)低溫氮?dú)馕胶蚑2譜形態(tài)一致(圖7)，可利用氮?dú)馕浇Y(jié)果標(biāo)定T2譜(轉(zhuǎn)換系數(shù)為8)，在區(qū)間Ⅰ內(nèi)，低溫氮?dú)馕奖碚骺讖缴源笥诤舜殴舱?，而在區(qū)間Ⅱ內(nèi)，核磁共振表征孔徑分布優(yōu)勢明顯，壓汞法得到孔喉分布明顯偏低，這與頁巖氣樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比基本一致，表明結(jié)合低溫氮?dú)馕胶蚑2譜建立的全孔徑表征方法能適用于低成熟度頁巖樣品中。

圖6 四川盆地彭水地區(qū)頁巖氣樣品全孔徑表征結(jié)果Fig.6 The characterization of the full range pore size on shale gas samples from the Pengshui area,Sichuan Basin

圖7 東營凹陷低成熟度頁巖樣品孔徑對比及孔隙類型(利頁1井，埋深3 672.86 m)Fig.7 The comparison of pore sizes revealed by different experimental methods and the pore types for the shale samples with lower maturity in the Dongying Sag (Well LY1,3 672.86 m)a. 3種孔隙結(jié)構(gòu)表征方法對比；b，c. SEM圖像，分別展示粒間孔和有機(jī)孔

4 孔隙發(fā)育特征及貢獻(xiàn)分析

4.1 孔隙分區(qū)

對于頁巖的孔隙劃分，目前普遍采用IUPAC建立的分類標(biāo)準(zhǔn)[12]，但其是針對化學(xué)材料制定的，能否適用于頁巖氣值得商榷；盧雙舫等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)IUPAC分類并不適用于頁巖油儲層，借助于壓汞曲線拐點(diǎn)，將含油頁巖孔隙劃分為微孔(<25 nm)、小孔(25～100 nm)、中孔(100～1 000 nm)和大孔(>1 000 nm)；但該方法并不完全適用于更為致密的頁巖氣儲層，因?yàn)槲闹袠悠返膲汗€拐點(diǎn)基本重合(圖2c)。分形是研究孔隙自相似性的重要手段，不同類型孔隙的自相似性存在差異，可指導(dǎo)頁巖氣儲層孔隙劃分。利用低溫氮?dú)馕胶蛪汗瘜?shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行分形研究，以指導(dǎo)孔隙劃分，其中低溫氮?dú)馕浇Y(jié)果分形利用FHH模型[19]，而壓汞法分形則采用Friesen等建立的進(jìn)汞體積與壓力的雙對數(shù)方程[20]。

分形結(jié)果顯示，低溫氮?dú)馕胶蛪汗瘮?shù)據(jù)均呈現(xiàn)三段分形特征(圖7)，各段擬合精度均在97%以上(圖8)，前者分形拐點(diǎn)位于相對壓力(P/P0)為0.54和0.92，對應(yīng)孔隙直徑為4.6 nm和25.6 nm，后者拐點(diǎn)位于進(jìn)汞壓力(Pc)為13.77 MPa和62.02 MPa，對應(yīng)孔喉直徑106 nm和23.7 nm。綜合后認(rèn)為5，25和100 nm可作為分界點(diǎn)，將頁巖氣孔隙劃分為微孔(<5 nm)、小孔(5～25 nm)、中孔(25～00 nm)和大孔(>100 nm)。

4.2 孔隙發(fā)育特征

基于全孔徑表征結(jié)果，根據(jù)不同區(qū)間孔含量與頁巖物質(zhì)組成間關(guān)系，分析其發(fā)育特征。

微孔(<5 nm)和小孔(5～25 nm)含量均與TOC呈明顯正相關(guān)(圖9a)，高TOC(>3%)數(shù)據(jù)點(diǎn)的趨勢明顯過原點(diǎn)，揭示有機(jī)孔的主導(dǎo)地位，同時(shí)低TOC數(shù)據(jù)點(diǎn)位于過原點(diǎn)線段上方，意味著微孔和小孔還受其他類型孔隙影響?？紫逗颗cTOC之比在一定程度上可消除TOC的影響，當(dāng)粘土含量>30%時(shí)，該比值隨粘土含量增多而快速增大(圖9c)，表明粘土有關(guān)孔也是微孔和小孔的重要組成部分。低溫氮?dú)馕椒中尉S數(shù)DN1(對應(yīng)微孔區(qū)間)的變化范圍為2.6～2.67，隨TOC增大先變大然后再減小(圖10a)，說明高TOC時(shí)，微孔以有機(jī)孔為主，孔隙自相似性好，而隨著TOC降低，粘土有關(guān)孔和有機(jī)孔共同決定微孔含量，導(dǎo)致自相似性變?nèi)?。分形維數(shù)DN2(對應(yīng)小孔區(qū)間)的變化趨勢與DN1基本相似(圖10b)。

與小孔相比，中孔(25～100 nm)含量與TOC間正相關(guān)性變?nèi)?圖9b)，分形維數(shù)DN3(對應(yīng)中孔區(qū)間)隨TOC增加而逐漸增大(圖10c)，表明盡管有機(jī)孔對中孔起貢獻(xiàn)，但其主導(dǎo)地位降低；當(dāng)粘土含量大于30%時(shí)，中孔含量與TOC之比和粘土含量間呈較弱正相關(guān)性(圖9d)，說明除粘土有關(guān)孔貢獻(xiàn)外，還受其他類型孔隙影響。消除有機(jī)孔和粘土有關(guān)孔的影響(選取TOC小于4%，且粘土含量小于30%數(shù)據(jù)點(diǎn))，發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖含量與中孔呈較明顯正相關(guān)(圖9e)，說明粒內(nèi)溶蝕孔也對中孔起貢獻(xiàn)。大孔與TOC間相關(guān)性最弱(圖9b)，僅TOC大于4%時(shí)，呈現(xiàn)一定正相關(guān)，說明有機(jī)孔對大孔貢獻(xiàn)有限，粘土含量和大孔/TOC的關(guān)系與中孔類似(圖9d)，且石英含量與大孔呈一定正相關(guān)(圖9f)，表明粘土有關(guān)孔和粒間孔是大孔的主要組成部分。

綜上可知，頁巖氣儲層微孔和小孔主要由有機(jī)孔和粘土孔構(gòu)成，中孔由有機(jī)孔、粘土層間縫和粒內(nèi)溶蝕孔共同貢獻(xiàn)，而大孔主要由粒間孔和粘土層間縫構(gòu)成；隨TOC增大，有機(jī)孔在微孔、小孔、中孔中的主導(dǎo)地位逐漸變減弱。

4.3 對含氣量及滲流能力的貢獻(xiàn)

4.3.1 對頁巖氣賦存特征的影響

頁巖氣的賦存形式包括吸附態(tài)和游離態(tài)，其中吸附氣主要分布在吸附質(zhì)的表面，其含量與介質(zhì)的比表面積和吸附能力等有關(guān)[4]。研究發(fā)現(xiàn)，微孔(<5 nm)與BET比表面積的關(guān)系最好(相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98)，截距為1.8 m2/g,這遠(yuǎn)小于樣品的比表面積均值(圖11)，表明大部分比表面積由微孔貢獻(xiàn)，且微孔是由有機(jī)孔和粘土孔組成，有機(jī)質(zhì)和粘土礦物對甲烷吸附能力較強(qiáng)，所以微孔為吸附氣提供了主要的賦存空間；另外，小孔(5～25 nm)與比表面積關(guān)系中等，但明顯好于中、大孔，說明小孔也為吸附氣提供部分場所。但對于游離氣而言，微孔的貢獻(xiàn)有限，小孔提供主要的儲集空間，中-大孔也是游離氣儲集的重要場所。

圖8 四川盆地彭水地區(qū)低溫氮?dú)馕胶蛪汗瘜?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分形特征(以LY1-16樣品為例)Fig.8 The Fractal characteristics of LTNA and MIP experimental data (take samples from Well LY1-16 as an example)

圖9 四川盆地彭水地區(qū)不同區(qū)間孔隙含量與頁巖物質(zhì)組成關(guān)系Fig.9 The correlation between different pore volume intervals and shale compositiona. TOC與微孔和小孔含量間關(guān)系；b. TOC與中孔和大孔含量間關(guān)系；c.粘土含量與微孔和小孔含量/TOC間關(guān)系；d.粘土含量與中孔和大孔含量/TOC間關(guān)系；e.碳酸鹽巖含量與中孔含量間關(guān)系；f.石英含量與大孔含量間關(guān)系

圖10 四川盆地彭水地區(qū)低溫氮?dú)夥中尉S數(shù)與TOC間關(guān)系Fig.10 The relationship between fractal dimensions by LTNA and TOC in the Pengshui area,Sichuan Basin

4.3.2 對頁巖氣滲流的貢獻(xiàn)

地下頁巖氣必須通過基質(zhì)孔隙網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)移至人工裂縫中才能被有效產(chǎn)出，因此基質(zhì)滲流能力仍然決定著頁巖氣井的產(chǎn)出效率。汞為非潤濕相流體，退汞相當(dāng)于潤濕相驅(qū)替非潤濕相，汞從小孔進(jìn)入較大孔，能反映流體退出時(shí)所經(jīng)歷的孔隙網(wǎng)絡(luò)和路徑。將進(jìn)汞和退汞曲線首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(除以最大進(jìn)汞飽和度)，計(jì)算相鄰壓力點(diǎn)之間的進(jìn)汞或退汞增量，從小孔到大孔逐級累加，得到累計(jì)進(jìn)汞增量和累計(jì)退汞增量兩條曲線,進(jìn)而揭示孔隙連通性。以PY1-2樣品為例(圖12)進(jìn)行說明，在小孔范圍內(nèi)，累計(jì)進(jìn)汞增量達(dá)到62%，而累計(jì)退汞增量僅為25%，汞滯留原因主要有兩個(gè)：一是滯留在窄小喉道溝通的大孔隙體中，但對于總體退汞效率高的頁巖樣品基本不成立，另一個(gè)是該類孔隙沒有直接與外界溝通；在中孔范圍內(nèi)，累計(jì)進(jìn)汞增量達(dá)到79%，變化幅度為17%，累計(jì)退汞增量快速增大為59%，變化幅度為34%，大于進(jìn)汞變化幅度，這說明小孔范圍內(nèi)的滯留汞被排出，指示中孔和小孔相互溝通形成了相對連續(xù)的滲流路徑。在大孔范圍內(nèi)進(jìn)汞變化幅度與退汞變化幅度差異較小，對連續(xù)滲流路徑影響不大。由此可見，中孔和小孔相互溝通形成滲流路徑，控制著頁巖氣的滲流。LY1井四塊樣品進(jìn)行了現(xiàn)場解析氣測試，在相同解析溫度下，由LY1-16至LY1-4樣品，解析氣變化率(解析量對時(shí)間導(dǎo)數(shù))逐漸增加(圖13)，這與樣品的中孔和小孔含量增加趨勢一致(圖6)，揭示了中孔和小孔對頁巖氣滲流的控制。

圖11 四川盆地彭水地區(qū)比表面積和不同區(qū)間孔隙含量的關(guān)系Fig.11 The relationship between specific surface area and different pore volume intervals in the Pengshui area,Sichuan Basin

圖12 四川盆地彭水地區(qū)累加進(jìn)汞增量和退汞增量對比(PY1-2樣品)Fig.12 The comparison of cumulative mercury intrusion and extrusion increments in the Pengshui area,Sichuan Basin (samples taken from Well PY1-2)

圖13 四川盆地彭水地區(qū)頁巖氣樣品現(xiàn)場解析速率變化Fig.13 The on-site desorption rate variation of shale gas samples from the Pengshui area,Sichuan Basin

5 結(jié)論

1) 對于頁巖氣儲層，氦測孔體積值最高，其次為低溫氮?dú)馕胶秃舜殴舱瘢瑝汗y量值最低；聯(lián)合低溫氮?dú)馕胶秃舜殴舱裨谳^小孔和大孔方面的表征優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)頁巖全孔徑表征。

2) 基于分形特征，將頁巖孔隙劃分為微孔(<5 nm)、小孔(5～25 nm)、中孔(25～100 nm)和大孔(>100 nm)四類，微孔和小孔占頁巖總體積的70%以上；隨孔徑增加，有機(jī)孔的貢獻(xiàn)逐漸減弱，粘土孔對四類孔隙均有貢獻(xiàn)，粒內(nèi)溶蝕孔和粒間孔分別對中孔和大孔有貢獻(xiàn)。

3) 微孔與比表面積呈明顯正相關(guān)，是吸附氣的主要場所，而小孔是游離氣的主要場所；小孔和中孔相互連接形成頁巖氣在基質(zhì)中的滲流通道，其含量控制著頁巖氣的解析速率。