左如斯，楊 威，王乾右，姜振學(xué)，陳冬霞*

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引 言

中國陸相含油氣盆地面積高達(dá)3.1×106km2，陸相頁巖氣資源豐富，具有巨大的勘探開發(fā)潛力，可采資源量約為0.5×1012m3[1]，對中國石油工業(yè)的發(fā)展起到重要的作用[2]。目前，中國的陸相頁巖氣勘探已經(jīng)分別在鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組、四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組等取得一系列突破[3-4]，但是整體勘探程度依舊較低。前人研究表明，中國陸相頁巖沉積環(huán)境多變，沉積體系復(fù)雜[5]。在沉積古環(huán)境、古氣候條件、物源供給、水體水文條件、后生成巖作用等因素控制下，中國陸相頁巖氣的儲層發(fā)育特征具有多樣性，發(fā)育多種巖相類型頁巖儲層，不同巖相頁巖儲層微觀儲集特征非均質(zhì)性強(qiáng)，對陸相頁巖氣的賦存方式與富集具有顯著的影響，使得陸相頁巖氣的勘探開發(fā)和“甜點”評價難度增加[6]。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者基于頁巖的顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物組分、有機(jī)質(zhì)特征等方面進(jìn)行頁巖巖相劃分，通過巖相從宏觀和微觀角度分別進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，表征頁巖的基本地質(zhì)特征、儲層特征以及含氣性特征，對頁巖氣的勘探開發(fā)“甜點”評價具有重要的理論與生產(chǎn)意義[7-8]。但是，對于有利頁巖巖相的劃分缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且對不同巖相類型頁巖儲層微觀儲集特征的研究仍有不足。

針對以上問題，選取川西坳陷須家河組陸相頁巖作為研究對象，建立巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)并劃分須家河組頁巖巖相，通過高壓壓汞、氮氣吸附和二氧化碳吸附定量表征不同頁巖巖相的孔隙結(jié)構(gòu)特征，分析儲層微觀儲集特征。通過研究，建立陸相頁巖有利巖相的統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)，探討其對頁巖儲層發(fā)育特征的影響機(jī)理，明確陸相頁巖氣的富集條件，豐富針對陸相盆地頁巖氣的勘探評價理論體系，以指導(dǎo)陸相頁巖氣勘探、資源評價及產(chǎn)能建設(shè)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

川西坳陷位于四川盆地西部，發(fā)育于中三疊紀(jì)海相褶皺蓋層基底上，是晚三疊紀(jì)以來形成于深坳陷地帶的前陸盆地[9-10]。川西坳陷總面積約為4×104km2，平面上呈北東向展布，東以龍泉山斷褶構(gòu)造帶為界，南至雅安—樂山一線，西臨龍門山逆沖推覆帶，北抵米倉山—大巴山逆沖推覆帶[11](圖1)。川西坳陷經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅多期運動，在周緣山系多組、多期構(gòu)造運動綜合作用下，形成如今復(fù)雜的構(gòu)造格局，具體表現(xiàn)為“三隆兩凹一坡”，即龍門山前構(gòu)造帶、新場構(gòu)造帶、知新場構(gòu)造帶、成都凹陷、梓潼凹陷以及中江斜坡[12]。

晚三疊紀(jì)以來，川西坳陷經(jīng)歷多次沉積相變遷，自下而上發(fā)育有三疊系、侏羅系、白堊系、第三系以及第四系陸相地層，沉積厚度大、分布范圍廣，下伏的中三疊統(tǒng)雷口坡組碳酸鹽巖地層構(gòu)成了上述地層的基底[13]。研究層段須家河組厚度為700～1 800 m，主要為濱淺湖和三角洲前緣沉積[14]，平面展布穩(wěn)定。

圖1 川西坳陷構(gòu)造位置

2 實驗分析方法

2.1 場發(fā)射掃描電鏡

場發(fā)射掃描電鏡被廣泛應(yīng)用于表征頁巖孔隙形貌特征。首先將實驗樣品加工制備成邊長為5 mm的標(biāo)準(zhǔn)正方體塊樣，并對樣品垂直層理面進(jìn)行氬離子拋光，使其變得光滑平整。隨后通過FEI-Quanta Inspect掃描電鏡發(fā)射電子束掃描樣品表面，將樣品表面放大處理成像，分析頁巖表面孔隙的形狀、大小、分布等信息。

2.2 高壓壓汞實驗

高壓壓汞實驗是通過逐漸增大壓力，將非潤濕性的汞注入頁巖樣品，根據(jù)Washburn公式可以計算進(jìn)汞壓力所對應(yīng)的孔徑，并進(jìn)一步根據(jù)樣品的進(jìn)汞量及Young-Dupre方程，分析頁巖樣品的宏孔孔體積和比表面積分布狀態(tài)[15]。實驗所用儀器型號是Micromeritics Auto Pore IV 9520型壓汞儀。

2.3 低溫氣體吸附法

低溫氣體吸附法選取N2或CO2作為吸附質(zhì)，恒溫下緩慢增加氣體分壓，獲取頁巖樣品中N2或CO2的吸附量，根據(jù)不同的孔模型計算孔體積和比表面積分布特征。N2吸附法中，根據(jù)BJH方程分析中孔孔體積分布特征，BET計算模型分析中孔比表面積分布特征；根據(jù)DFT理論模型分析微孔孔體積和比表面積的分布特征[16]。實驗所用儀器型號為Micromeritics Instrument ASAP 2020。

3 結(jié)果與討論

3.1 頁巖基本地質(zhì)特征

3.1.1 有機(jī)地球化學(xué)特征

總有機(jī)碳含量測定實驗結(jié)果表明，川西坳陷須家河組陸相頁巖的TOC含量為0.28%～2.17%，平均為1.17%，其中，大部分頁巖樣品的TOC大于1.00%(表1)?；陉懴囗搸r氣儲層有機(jī)質(zhì)豐度低的特征，王慶波等[16-17]選取Barnett頁巖作為參考，將具有商業(yè)開采價值的陸相頁巖氣藏TOC下限定為1.00%。參考此標(biāo)準(zhǔn)可以推斷，須家河組頁巖富含有機(jī)質(zhì)。

表1 川西坳陷馬13井須家河組頁巖樣品特征

川西坳陷須家河組頁巖樣品的鏡質(zhì)體反射率測定結(jié)果表明，須家河組頁巖的Ro為1.81%～2.10%，平均為1.98%，整體處于高—過成熟階段。通過顯微鏡觀察可知，須家河組頁巖樣品的有機(jī)質(zhì)顯微組分中鏡質(zhì)組的含量最高，其次為腐泥組，殼質(zhì)組和惰質(zhì)組的含量極少。基于此計算頁巖樣品的干酪根類型指數(shù)(TI值)，須家河組頁巖TI值為-52.25～-2.50，表明有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主，須家河組頁巖的有機(jī)質(zhì)屬于腐殖型有機(jī)質(zhì)，主要來源于陸生高等植物，為生氣提供了良好保障。

3.1.2 礦物組成特征

泥頁巖的礦物組成特征對甲烷的吸附能力、微觀孔隙類型有重要影響。通過對選取的須家河組泥頁巖樣品進(jìn)行XRD全巖衍射分析可知，須家河組泥頁巖中主要礦物為黏土礦物，含量為27.1%～75.6%，平均為53.0%，黏土礦物的主要成分為伊蒙混層和伊利石，其次為石英和長石等組成的硅質(zhì)礦物，其中，石英的含量為21.0%～56.5%，平均為36.0%，而長石礦物含量為0.0～7.8%，平均為4.4%；碳酸鹽巖礦物含量較低，為0.0～12.1%，平均為6.7%(表1)。

3.2 頁巖巖相劃分

頁巖巖相可直接反映頁巖的顏色、結(jié)構(gòu)、礦物組成、有機(jī)碳含量等特征，是頁巖沉積環(huán)境的綜合反映，因此，通過研究頁巖巖相可有效評估頁巖的儲集性能。基于須家河組陸相頁巖的基本地質(zhì)特征，選取有機(jī)質(zhì)豐度和礦物組成來劃分頁巖巖相。

針對陸相頁巖氣儲層有機(jī)質(zhì)豐度低的特征，此次研究選取1.00%和2.00%作為分界，將頁巖巖相分為貧有機(jī)質(zhì)頁巖(TOC<1.00%)，含有機(jī)質(zhì)頁巖(1.00%≤TOC<2.00%)以及富有機(jī)質(zhì)頁巖(TOC≥2.00%)。針對陸相頁巖黏土礦物含量高的特征，根據(jù)頁巖礦物組分中硅質(zhì)礦物、鈣質(zhì)礦物和黏土礦物的含量，以50%作為分界進(jìn)行劃分，可將頁巖巖相分為硅質(zhì)頁巖(硅質(zhì)礦物含量不低于50%)、鈣質(zhì)頁巖(碳酸鹽巖礦物含量不低于50%)、黏土質(zhì)頁巖(黏土礦物含量不低于50%)以及混合質(zhì)頁巖(各類礦物含量小于50%)。基于以上頁巖巖相劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以確定12種頁巖巖相類型。

綜合TOC含量和礦物組分進(jìn)行頁巖巖相劃分，須家河組頁巖發(fā)育5種頁巖巖相(圖2、表1)，分別為富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、含有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、含有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖、貧有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖、貧有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖。

圖2 川西坳陷須家河組頁巖巖相劃分

3.3 微觀孔隙發(fā)育類型

利用場發(fā)射掃描電鏡觀察研究區(qū)須家河組頁巖樣品，發(fā)現(xiàn)須家河組頁巖中發(fā)育多種類型的微納米級別孔隙?；谖⒂^孔隙的成因和發(fā)育位置，須家河組頁巖主要發(fā)育的孔隙類型有黏土礦物晶間孔和粒內(nèi)溶孔，有機(jī)質(zhì)孔極少發(fā)育。

(1) 黏土礦物晶間孔。黏土礦物晶間孔是因為綠泥石和伊利石為主的黏土礦物脫水而轉(zhuǎn)化形成的層間孔隙。研究區(qū)內(nèi)須家河組頁巖中，黏土礦物晶間孔發(fā)育最為普遍，發(fā)育于黏土礦物顆粒之間。黏土礦物晶間孔形態(tài)受礦物晶體生長方向控制，多呈層狀，孔徑一般為30～80 nm，具有較好的連通性。

(2) 粒內(nèi)溶孔。受復(fù)雜地質(zhì)作用控制，頁巖中的石英、長石、方解石等礦物在酸性地層水或有機(jī)質(zhì)演化產(chǎn)生的有機(jī)酸的作用下發(fā)生溶蝕作用，形成粒內(nèi)溶孔。研究區(qū)須家河組各類巖相頁巖樣品的掃描電鏡圖像中，可觀測到較多粒內(nèi)溶孔，主要發(fā)育于碳酸鹽巖礦物顆粒表面，發(fā)育于石英、長石顆粒表面的粒內(nèi)溶孔較為少見。粒內(nèi)溶孔形態(tài)多為圓形和不規(guī)則多邊形，孔徑絕大多數(shù)小于80 nm。由于溶蝕作用有限，粒內(nèi)溶孔多呈孤立分布，孔隙連通性較差。

(3) 有機(jī)質(zhì)孔。有機(jī)質(zhì)孔是由于有機(jī)質(zhì)生烴而在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育的不規(guī)則橢圓形孔隙。以龍馬溪組海相頁巖為例，頁巖有機(jī)質(zhì)孔大量發(fā)育，是十分重要孔隙類型之一[18]。但須家河組頁巖中有機(jī)質(zhì)孔極少發(fā)育，僅在富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖的樣品中觀察到少量有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育，黃金亮等[19]的研究也證實了此觀點。這是由于有機(jī)質(zhì)孔不僅受控于有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度，也會受到有機(jī)質(zhì)類型的影響。曹濤濤等[20]研究發(fā)現(xiàn)，III型有機(jī)質(zhì)內(nèi)部很少發(fā)育孔隙。須家河組頁巖有機(jī)質(zhì)類型以III型為主，無法滿足有機(jī)質(zhì)孔大量發(fā)育的需求。

3.4 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

基于孔隙直徑大小，IUPAC將微觀孔隙分為微孔(孔徑不大于2.0 nm)、中孔(孔徑大于2.0 nm、且不大于50.0 nm)和宏孔(孔徑大于50.0 nm)[21]。通過高壓壓汞、N2和CO2吸附實驗，分析獲取須家河組陸相頁巖的全孔徑分布特征。研究表明，須家河組陸相頁巖的微孔、中孔以及宏孔均有發(fā)育。

圖3為川西坳陷須家河組頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征。由圖3a可知，須家河組頁巖樣品的孔體積全孔徑分布特征整體相似，均呈多峰特征。其中，微孔孔體積的峰值孔徑主要為0.4～0.6 nm，中孔孔體積的峰值孔徑主要為10.0～30.0 nm，而宏孔孔體積的主要峰值孔徑為50.0～100.0 nm。統(tǒng)計表明，須家河組頁巖的中孔和宏孔在總孔體積中占主導(dǎo)地位，其中，宏孔孔體積為0.005 16～0.020 17 mL/g，平均為0.119 00 mL/g；中孔的孔體積為0.019 04～0.07 239 mL/g，平均為0.038 01 mL/g；而微孔孔體積為0.002 21～0.008 25 mL/g，平均僅有0.004 61 mL/g。統(tǒng)計可知，中孔孔體積占比為69.73%，宏孔孔體積占比為21.82%，而微孔孔體積占比僅為8.45%。對比分析不同巖相頁巖樣品的孔體積全孔徑分布特征可知，富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖樣品和含有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖樣品的宏孔孔體積遠(yuǎn)大于其他巖相頁巖樣品，而這2類巖相頁巖樣品的中孔和微孔對孔體積的貢獻(xiàn)略大于其他巖相頁巖樣品。

圖3 川西坳陷須家河組頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征

由圖3b可知，須家河組頁巖樣品的比表面積全孔徑分布特征整體相似，呈多峰特征。其中，微孔比表面積的峰值孔徑主要為0.4～0.6 nm和0.8～0.9 nm，中孔比表面積的峰值孔徑主要為3.0～6.0 nm和10.0～30.0 nm，而宏孔比表面積的峰值孔徑主要為50.0～100.0 nm。統(tǒng)計表明，微孔和中孔在總比表面積中占主導(dǎo)地位，其中，微孔比表面積為7.23～24.46 m2/g，平均為14.34 m2/g；中孔比表面積為5.32～25.20 m2/g，平均為12.03 m2/g；而宏孔比表面積為0.28～0.97 m2/g，平均僅有0.60 m2/g。統(tǒng)計可知，微孔比表面積占總比表面積的53.17%，中孔比表面積占總比表面積的44.61%，而宏孔比表面積僅占總比表面積的2.22%。對比分析不同巖相頁巖樣品的比表面積全孔徑分布特征可知，富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖樣品和含有機(jī)質(zhì)黏土頁巖樣品中，不同尺度孔徑孔隙對比表面積的貢獻(xiàn)明顯大于其他類型巖相頁巖。

3.5 巖相對微觀儲集特征的控制

不同巖相頁巖樣品的全孔徑分布特征相似，但是孔體積和比表面積具有較大的差異，其中，富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、含有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、含有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖、貧有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖和貧有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖的總孔體積平均值分別為0.095 17、0.083 83、0.038 80、0.031 16、0.028 91 mL/g，總比表面積平均值則分別為50.48、43.02、18.69、15.62、13.08 m2/g。綜合對比可知，富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)最佳，含有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)次之。進(jìn)一步分析表明，頁巖巖相主要控制微孔和中孔隙結(jié)構(gòu)特征的發(fā)育，而對宏孔孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征的影響作用不強(qiáng)。

為明確頁巖巖相對孔隙結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理，進(jìn)一步分析了不同巖相頁巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)特征。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量增大時，頁巖的微孔對孔體積和比表面積的貢獻(xiàn)略有增長；當(dāng)頁巖樣品為黏土質(zhì)頁巖時，中孔對孔體積的貢獻(xiàn)以及中孔和微孔對比表面積的貢獻(xiàn)顯著增大，黏土質(zhì)頁巖的中孔孔體積平均值達(dá)到0.063 35 mL/g，中孔比表面積平均值達(dá)到21.67 m2/g，微孔比表面積平均值達(dá)到22.99 m2/g；而混合質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖的中孔孔體積平均值分別只有0.024 82、0.019 78 mL/g，中孔比表面積平均值分別僅有6.84、5.34 m2/g，微孔比表面積平均值分別僅有10.31、7.41 m2/g。由此可知，不同巖相頁巖儲層的TOC和黏土礦物含量特征是頁巖儲層中孔和微孔發(fā)育特征的主要控制因素。

川西坳陷須家河組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與TOC關(guān)系圖顯示(圖4a、b)，微孔與中孔孔體積之和與TOC具有較為良好的正相關(guān)關(guān)系，微孔與中孔比表面積之和與TOC呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。反映了有機(jī)質(zhì)對微孔和中孔的發(fā)育具有促進(jìn)作用。一方面，須家河組陸相頁巖中有少量有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育；另一方面，須家河組陸相頁巖整體熱演化程度相對較高，在有機(jī)質(zhì)熱演化生烴過程中，形成的有機(jī)酸溶蝕碳酸鹽巖礦物以及硅質(zhì)礦物，產(chǎn)生大量粒內(nèi)溶孔。因此，TOC是須家河組陸相頁巖微孔和中孔結(jié)構(gòu)特征的主要影響因素之一。

圖4 川西坳陷須家河組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)影響因素分析

川西坳陷須家河組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)與黏土礦物含量關(guān)系圖顯示(圖4c、d)，微孔與中孔孔體積之和與黏土礦物含量呈良好的正相關(guān)關(guān)系，微孔與中孔比表面積之和與黏土礦物含量具有非常明顯的正相關(guān)關(guān)系。反映了黏土礦物對微孔和中孔發(fā)育具有促進(jìn)作用。一方面，黏土礦物晶間孔是須家河組陸相頁巖發(fā)育的最主要的孔隙類型，須家河組頁巖發(fā)育大量黏土孔徑晶間孔；另一方面，黏土礦物具有吸附性，因此，黏土礦物含量越高，越有利于氣體的吸附，能夠提高頁巖的比表面積。因而黏土礦物含量是須家河組陸相頁巖的微孔和中孔結(jié)構(gòu)特征的另一個主要影響因素。

4 結(jié) 論

(1) 川西坳陷須家河組頁巖發(fā)育5類巖相：富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、含有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、含有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖、貧有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)和貧有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖。

(2) 川西坳陷須家河組頁巖主要發(fā)育孔隙類型為黏土礦物晶間孔和粒內(nèi)溶孔，有機(jī)質(zhì)孔極少發(fā)育。須家河組陸相頁巖的全孔徑分布均具有多峰特征，孔體積的主要峰值孔徑為0.4～0.6 nm、10.0～30.0 nm、50.0～100.0nm，比表面積的主要峰值孔徑為0.4～0.6 nm、0.8～0.9 nm、3.0～6.0 nm、10.0～30.0 nm、50.0～100.0 nm，孔體積主要由中孔和宏孔提供，比表面積主要由微孔和中孔提供。

(3) 不同巖相頁巖儲層微觀儲集特征具有非均質(zhì)性，其中，富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖孔體積和比表面積最大，是最有利的巖相，含有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖次之；TOC和黏土礦物含量是須家河組頁巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育特征的主要控制因素。