李 磊，李平平*，張正辰，郝景宇，肖繼林，鄒華耀

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249；2.中國石油化工股份有限公司勘探分公司,成都 610041)

頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)是影響頁巖氣賦存狀態(tài)的重要因素[1-3]。眾所周知,富有機質(zhì)頁巖中主要發(fā)育納米級別的有機孔隙系統(tǒng)[4-18],這些孔隙按直徑可分為微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)[19]。頁巖氣中的甲烷分子主要以吸附、游離、部分溶解的狀態(tài)賦存于頁巖孔隙之中[20],由于氣體分子與孔隙表面的范德華力,頁巖中存在臨界孔隙直徑(6～8 nm)[21],在小于該值的孔隙中甲烷分子以吸附態(tài)存在,而在大于該值的孔隙中甲烷分子主要呈游離態(tài)。因此,對頁巖孔隙組成與孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征是對頁巖氣的賦存與富集規(guī)律的重要條件。

近年來中外發(fā)展了多種對頁巖孔隙的定性和定量表征技術(shù)[22-25]。常用的定性表征技術(shù)是利用場發(fā)射掃描電鏡等,對頁巖中的納米孔隙進行直接觀察,但由于場發(fā)射掃描電鏡圖像的分辨率約5 nm[22],導(dǎo)致對部分中-微孔的觀察難以實現(xiàn)。目前常用的頁巖孔隙定量表征的技術(shù)主要有高壓壓汞與氣體吸附等[23-25],其中低溫氣體吸附技術(shù)可獲取頁巖中0.35～300 nm的孔隙的孔徑展布[22],但不能表征宏孔展布；高壓壓汞技術(shù)可獲取頁巖中3 nm～123 μm的孔隙的孔徑展布[22],但對中-微孔的表征存在困難。因此,通常聯(lián)合采用高壓壓汞表征宏孔與低溫氣體吸附技術(shù),來表征頁巖的全孔徑分布特征[23]。

圖1 元壩地區(qū)的構(gòu)造位置、大安寨段巖性組合特征及大安寨段沉積相分布圖Fig.1 The tectonic position of the Yuanba area, the lithologic association and sedimentary facies of the Da’anzhai member

元壩地區(qū)有多口鉆井在侏羅系自流井組大安寨段獲得中高產(chǎn)工業(yè)氣流[26],證明了研究區(qū)良好的陸相頁巖氣成藏條件與勘探潛力[27-29]。前期研究基本查明了該區(qū)大安寨段頁巖的孔隙類型主要包括有機質(zhì)孔隙、無機質(zhì)孔隙和多種微裂縫[27],而且認為頁巖孔隙中的有機質(zhì)孔隙偏低(約24%)以及無機黏土礦物孔隙偏高(約67%)[29],但是沒有系統(tǒng)開展該區(qū)大安寨段頁巖的孔隙類型以及孔徑分布的定量表征研究,制約了對該區(qū)頁巖氣的賦存狀態(tài)與富集規(guī)律的認識。因此,本文采用場發(fā)射掃描電鏡、高壓壓汞、氮氣吸附等測試手段,定量研究了元壩地區(qū)大安寨段頁巖的孔隙類型與孔徑分布,并分析了頁巖氣的賦存狀態(tài),以期對研究區(qū)頁巖氣的勘探開發(fā)提供借鑒作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于四川盆地北部的蒼溪—巴中一帶的元壩地區(qū)[圖1(a)],北鄰米倉山,西北為龍門山,東北為大巴山,構(gòu)造上處于川中平緩構(gòu)造帶與川西低緩褶皺帶交界上。研究區(qū)歷經(jīng)加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動和喜山運動,其中受印支運動晚幕以來的周緣造山帶推覆的影響,四川盆地沉積了三疊系到侏羅系的沉積地層；受燕山和喜山構(gòu)造運動的影響,盆緣以及盆內(nèi)的大量褶皺和斷裂[30]。

侏羅系自流井組主要發(fā)育湖泊相碎屑巖沉積,自下而上依次可分為珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段與大安寨段,上覆地層為中侏羅統(tǒng)千佛崖組。大安寨段為70～125 m,自下而上可分為大三亞段(5～20 m)、大二亞段(24～65 m)和大一亞段(40～63 m),其中大三亞段和大一亞段均為厚層灰?guī)r夾薄層頁巖,大二亞段為頁巖夾薄層灰?guī)r[圖1(b)]。元壩地區(qū)大安寨段自南向北由淺湖-半深湖相向濱湖相環(huán)帶過渡[圖1(c)]。

元壩地區(qū)大安寨段頁巖的殘余有機碳(TOC)含量為0.30%～3.64%,平均1.06%[28]。頁巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)在1.44%～1.83%,平均1.67%,處于高成熟階段[28]。頁巖的干酪根碳同位素(δ13C)為-23.1‰～-25.9‰,平均-24.5‰(圖2),根據(jù)高-過成熟階段的有機質(zhì)類型劃分標(biāo)準[31],元壩地區(qū)大安寨段頁巖的有機質(zhì)類型主要是Ⅲ型(73%),其次為Ⅱ型(27%)。此外,大安寨段頁巖的黏土礦物含量為30%～68.2%,平均51.2%,石英、長石和碳酸鹽類等脆性礦物含量為30.1%～68.4%,平均47.4%[28]。

圖2 元壩地區(qū)大安寨段頁巖的有機質(zhì)的類型Fig.2 Types of organic matter in shale of the Da’anzhai member in Yuanba area

2 樣品與實驗

研究采集了元壩地區(qū)的50塊大安寨段頁巖樣品,典型采樣井分布見[圖1(c)],進行了掃描電鏡實驗,對其中8塊樣品進行了有機質(zhì)孔隙、無機質(zhì)孔隙與微裂縫的定量統(tǒng)計,并且對其中4塊頁巖樣品進行了高壓壓汞與氮氣吸附實驗。

2.1 掃描電鏡制樣、觀察與圖像定量統(tǒng)計

掃描電鏡樣品采用垂直層理方向制樣,規(guī)格為5 mm×5 mm×2 mm,作鍍金處理。樣品在中國石油大學(xué)(北京)能源材料微結(jié)構(gòu)實驗室進行,儀器型號為日立SU8010冷場發(fā)射掃描電鏡,極限分辨率約1 nm。采用式(1)統(tǒng)計頁巖的總面孔率[9,15]。

φ=φom+φm+φf

(1)

式(1)中：φom為有機質(zhì)孔隙面孔率,%，由掃描電鏡下統(tǒng)計的有機質(zhì)面孔率均值與視域中有機質(zhì)體積百分比相乘求得，其中有機質(zhì)體積百分比為有機質(zhì)質(zhì)量百分比(TOC)換算而成；φm表示無機質(zhì)孔隙面孔率,%；φf表示微裂縫面孔率,%；詳細統(tǒng)計方法見文獻[9]。

2.2 高壓壓汞、氮氣吸附與全孔徑的獲取

高壓壓汞樣品使用線切割技術(shù)制成圓柱狀,在江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)測試中心進行測試,儀器型號為Micromeritics AutoPore IV9505,并采用Washburn方程分析孔徑分布。

低溫氮氣吸附實驗在中國石油大學(xué)(北京)石油地質(zhì)實驗室進行,儀器型號為Quantachrome Autosorb iQ,樣品磨制篩選至60～80目,稱取樣品6～8 g,于150 ℃真空脫氣8 h,數(shù)據(jù)采用密度函數(shù)理論和非定域密度函數(shù)理論(NLDFT)模型解釋頁巖孔徑分布。

孔隙直徑2 nm以下采用低溫氮氣吸附數(shù)據(jù),孔隙直徑2 nm以上采用高壓壓汞數(shù)據(jù),以孔隙直徑為X軸,孔隙體積為Y軸,通過Excel將數(shù)據(jù)拼合,并使用SUMIF函數(shù)對不同的孔徑區(qū)間的孔容進行統(tǒng)計,獲取頁巖中0.8 nm以上孔隙體積的全孔徑展布[23]。

3 實驗結(jié)果

3.1 頁巖的孔隙類型與定量統(tǒng)計

頁巖中納米孔隙類型的劃分主要采用描述性分類[11-14],如表1所示,根據(jù)物質(zhì)載體的不同可分為有機質(zhì)孔隙、無機質(zhì)孔隙與微裂縫三大類。其中有機質(zhì)孔隙根據(jù)形貌可細分為氣泡狀有機質(zhì)孔隙與蜂窩狀有機質(zhì)孔隙；無機質(zhì)孔隙根據(jù)形貌與礦物組成可分為黏土礦物孔隙與脆性礦物孔隙[12],微裂縫根據(jù)形貌與成因可分為構(gòu)造微裂縫、黏土礦物成巖收縮縫、有機質(zhì)邊緣收縮縫與介殼內(nèi)微裂縫等類型。

表1 頁巖孔隙劃分方案

3.1.1 有機質(zhì)孔隙

有機質(zhì)孔隙是頁巖中的有機質(zhì)生烴演化的結(jié)果與證據(jù)[16-17],根據(jù)巖相學(xué)的特征可將頁巖中的有機質(zhì)劃分為干酪根與運移有機質(zhì)[18]。元壩地區(qū)大安寨段頁巖中的有機質(zhì)主要是干酪根[圖3(e)],少量以運移有機質(zhì)的形式存在[圖3(a)～圖3(d)]。在干酪根中孔隙發(fā)育程度普遍較低,常見孔隙不發(fā)育的高等植物碎片[圖3(e)],其中孔隙不發(fā)育,也偶見少量發(fā)育密集蜂窩狀孔隙的干酪根[圖3(f)],本段頁巖中有機質(zhì)的孔隙發(fā)育程度比典型的海相頁巖明顯要低[16-17]。運移有機質(zhì)填充在礦物孔隙間[圖3(a)～圖3(d)]。運移有機質(zhì)中的孔隙形態(tài)主要為孤立分布的氣泡狀[圖3(a)]與密集分布的蜂窩狀[圖3(b)、圖3(d)]兩種。此外,運移有機質(zhì)中可見自生礦物,如自生黏土礦物[圖3(c)、圖3(d)]和自生黃鐵礦晶體[圖3(d)],反映這些有機質(zhì)為孔隙中自生礦物形成以后運移到此處。有機質(zhì)孔隙最小費雷直徑主要集中在3～60 nm。

3.1.2 無機質(zhì)孔隙

根據(jù)對50個頁巖樣品的掃描電鏡觀察,元壩地區(qū)大安寨段頁巖的無機質(zhì)孔隙主要是黏土礦物孔隙,其次是脆性礦物孔隙,這與文獻[28-29]報道的大安寨段頁巖的無機質(zhì)孔隙類型相吻合。

黏土礦物孔隙:電鏡下黏土礦物孔隙較發(fā)育,常見伊利石解理孔隙,孔隙呈層片狀、線狀[圖4(a)],并可見孔隙由于壓實作用而扭曲變形[圖4(c)],以及可見無機質(zhì)孔隙中發(fā)育自生黏土礦物,發(fā)育殘余的三角形狀孔隙[圖4(b)],孔隙最小費雷直徑集中在3～400 nm。

脆性礦物孔隙:頁巖中的石英、長石等脆性礦物發(fā)育脆性礦物孔隙,常見石英等脆性礦物顆粒邊緣發(fā)育的粒緣孔[圖4(d)]及部分粒內(nèi)孔,如在板狀長石中發(fā)育大量密集的溶蝕孔隙[圖4(e)],頁巖中常見自生莓狀黃鐵礦,晶粒間常發(fā)育晶間孔[圖4(f)],孔隙最小費雷直徑大多集中在10～2 000 nm。

3.1.3 微裂縫

元壩地區(qū)大安寨段頁巖中的微裂縫具有狹長的外形,按照成因與發(fā)育位置可分為構(gòu)造微裂縫、黏土礦物成巖收縮縫、有機質(zhì)邊緣收縮縫、介殼內(nèi)微裂縫,其中構(gòu)造微裂縫在頁巖中最為發(fā)育,利于游離氣的儲集與運移,影響到頁巖氣的富集高產(chǎn)[28]。

構(gòu)造微裂縫:構(gòu)造微裂縫的縫面呈鋸齒彎曲狀,順層狀延伸較長,完全開啟[圖5(a)、圖5(b)],可作為烴類運移的通道,可見順層構(gòu)造微裂縫的邊緣被有機質(zhì)浸染[圖5(a)],微裂縫的縫寬集中在100～1 000 nm。

黏土礦物收縮縫:在蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中,巖石由于脫水、收縮和相變導(dǎo)致體積減小而形成的狹長形的微裂縫孔隙[圖5(d)],微裂縫邊緣較光滑平直,延伸長度較短,數(shù)量較多,縫寬較窄(30～500 nm)。

有機質(zhì)邊緣收縮縫:或稱為有機質(zhì)邊緣收縮孔,在有機質(zhì)與礦物相交處由于收縮而產(chǎn)生[圖5(c)],具有一定的儲集性,縫寬主要分布在50～1 000 nm。

礦物顆粒內(nèi)部的微裂縫:在頁巖中常見一些剛性碎屑顆粒,如介殼[圖5(f)]與石英[圖5(e)],在應(yīng)力的作用下,礦物顆粒的內(nèi)部產(chǎn)生一些裂紋縫,完全開啟,縫寬不一。

3.1.4 掃描電鏡下孔隙定量統(tǒng)計

根據(jù)對掃描電鏡圖像揭示的不同孔隙類型的定量統(tǒng)計(圖6),元壩大安寨頁巖的孔隙主要為無機質(zhì)孔隙、微裂縫與有機質(zhì)孔隙。其中,有機質(zhì)孔隙面孔率0.13%～0.41%(平均0.27%),占比9.17%；無機質(zhì)孔隙面孔率1.72%～2.92%(平均2.23%),占比76.92%；微裂縫面孔率0.18%～0.55%(平均0.40%),占比13.91%。這與前人報道的元壩地區(qū)大安寨段頁巖孔隙以無機質(zhì)孔隙為主的認識相吻合[28-29]。

3.2 頁巖的孔徑分布特征

3.2.1 低溫氮氣吸附NLDFT模型孔徑分布

根據(jù)IUPAC分類,元壩地區(qū)大安寨段頁巖的吸附脫附等溫曲線屬于IV型[19],滯后環(huán)類似于H3、H2[圖7(a)],具有片狀黏土孔隙與墨水瓶狀喉道的特征,具有微孔填充、單分子層吸附、多層吸附、毛細管凝聚多個過程,反映了微孔、中孔的存在,最后未出現(xiàn)平臺,顯示了大孔的存在。頁巖平均連通孔隙度為1.25～1.80 cm3/g,平均1.59 cm3/g,平均連通孔隙半徑為3.95 nm,孔徑分布集中在1～10 nm[圖7(b)]。

圖7 頁巖的低溫氮氣吸附-脫附曲線與NLDFT孔徑分布Fig.7 Low temperature nitrogen adsorption-desorption curve and NLDFT pore size distribution of shales

3.2.2 高壓壓汞Washburn模型孔徑分布

元壩地區(qū)大安寨段頁巖的進汞曲線大致呈兩段式[圖8(a)]:第一段曲線斜率較高,顯示隨著進汞壓力的對數(shù)式急劇增大,累計飽和度呈線性緩慢增大；當(dāng)進汞壓力超過一定范圍后(10～100 MPa),進入第二段曲線,此時曲線斜率較低,顯示隨著進汞壓力的對數(shù)式緩慢增大,累計飽和度呈線性迅速增大。頁巖的退汞效率較低,僅55%～75%[圖8(a)],說明頁巖孔喉復(fù)雜。頁巖的平均連通孔隙半徑121.4 nm,從孔徑分布來看,頁巖孔徑主要集中分布于1～20 nm[圖8(b)]。

圖8 頁巖的高壓壓汞進汞-退汞曲線與孔徑分布Fig.8 High-pressure mercury intrusion mercury injection-ejection curve and pore size distribution of shales

3.2.3 頁巖孔隙的全孔徑分布特征

元壩地區(qū)大安寨段頁巖的孔隙全孔徑分布顯示[圖9(a)],頁巖中發(fā)育納米-微米多個尺度的孔隙,具有0～1 nm、1～10 nm、10～100 nm、100～1 000 nm和1 000～10 000 nm多個峰值,以1～10 nm與10～100 nm為主。全孔徑孔容1.21～1.77 cm3/g,其中微孔的比例為0.50%～10.67%,平均6.76%,中孔的比例為70.46%～83.24%,平均76.92%,宏孔的比例為13.46%～18.86%,平均16.30%[圖9(b)]。

圖9 頁巖的孔隙全孔徑分布與比例Fig.9 The whole-aperture pore distribution and proportion of shales

4 討論

4.1 頁巖孔隙空間構(gòu)成與發(fā)育機理探討

頁巖中不同孔隙類型的發(fā)育程度與其相對應(yīng)的礦物含量有關(guān)[12]。有學(xué)者利用三層巖石物理模型[29],認為元壩地區(qū)大安寨段頁巖的有機質(zhì)中孔隙發(fā)育程度為0.131 cm3/g,黏土礦物中孔隙發(fā)育程度為0.012 cm3/g[29],即1份質(zhì)量有機質(zhì)與10.9份質(zhì)量黏土礦物中的孔隙量相當(dāng),而元壩地區(qū)大安寨段頁巖黏土礦物與有機質(zhì)的質(zhì)量百分比約48%,高含量的黏土礦物使黏土礦物孔隙占據(jù)主導(dǎo)(67%),黏土礦物孔隙、有機質(zhì)孔隙與脆性礦物孔隙平均分別為67%、24%和9%[29]。本次系統(tǒng)研究得出的大安寨頁巖的有機質(zhì)孔隙與無機質(zhì)孔隙(包含黏土礦物孔隙與脆性礦物孔隙)平均分別為9.17%和76.92%(圖6),該認識與前人研究高度吻合,進一步證明了該區(qū)頁巖中主要為黏土礦物孔隙等無機孔隙,有機質(zhì)孔隙相對欠發(fā)育的特征。

頁巖中的黏土礦物孔隙包括原生與次生兩種成因。原生的黏土礦物孔隙最初在實驗室與美國大鹽湖的更新世黏土巖中的絮凝物中被發(fā)現(xiàn)[7],在頁巖沉積初期,原始片狀黏土顆粒通過靜電聚集形成“絮凝體”結(jié)構(gòu),相互堆疊形成孔隙發(fā)育的“紙房屋”構(gòu)造。由于黏土礦物為塑性礦物,抗壓能力差,其中的原生孔隙經(jīng)過壓實作用后將大量減少。頁巖中脆性礦物骨架可以起到一定的抗壓實的作用,其存在有利于塑性的原生黏土礦物孔隙的保存[32-33]。元壩地區(qū)大安寨段頁巖中較高含量的非黏土的脆性礦物[圖4(d)]的存在將有利于頁巖中塑性黏土礦物孔隙的保存。

黏土礦物的成巖轉(zhuǎn)化是黏土礦物孔隙發(fā)育的主要因素[34]。在頁巖的埋藏成巖演化過程中,存在蒙脫石向伊蒙混層(80～100 ℃)及伊蒙混層向伊利石(130～180 ℃)的轉(zhuǎn)化,由于礦物晶格的單位構(gòu)造高度減小而塌陷,從而在礦物晶間產(chǎn)生大量微孔縫[圖4(a)、圖4(c)]。此外。本區(qū)頁巖處于高熟的生烴階段,生烴會產(chǎn)生大量的烴類氣體,儲存到黏土礦物孔隙中,該過程產(chǎn)生的超壓可以減緩壓實作用下頁巖孔隙體積的降低[35]。頁巖中次生黏土礦物孔隙的發(fā)育和保持,是元壩地區(qū)大安寨段頁巖歷經(jīng)較強的壓實作用后,仍能保持較高孔隙度的重要原因。

4.2 頁巖中有機質(zhì)孔隙欠發(fā)育的原因

頁巖中的有機質(zhì)可分為干酪根與運移有機質(zhì),其中干酪根是沉積形成的原地有機質(zhì),運移有機質(zhì)是頁巖層段中發(fā)生了短距離運移的有機質(zhì)[36]。干酪根中的孔隙發(fā)育程度不一,本質(zhì)上受到其生烴潛力差異的影響[36],腐泥組和殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組隨著生烴潛力的減弱孔隙發(fā)育程度也逐漸變差。頁巖中運移有機質(zhì)的孔隙發(fā)育程度受到其熱演化程度的影響,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)處于石油裂解階段的運移有機質(zhì)相較處于干酪根裂解階段中的孔隙會更加發(fā)育[36]。

元壩地區(qū)大安寨段頁巖中的運移有機質(zhì)中普遍發(fā)育蜂窩狀的有機質(zhì)孔隙[圖3(b)、圖3(d)],這與頁巖中的有機質(zhì)處于凝析油-濕氣的高成熟階段有關(guān),頁巖中的滯留烴類普遍熱裂解產(chǎn)生有機質(zhì)孔隙。干酪根中僅可見零星孤立分布的孔隙或者不發(fā)育,由于頁巖的顯微組分以腐殖質(zhì)為主[28],干酪根的生烴潛力較弱而無法發(fā)育大量的有機質(zhì)孔隙,這與海相腐泥組頁巖的干酪根中也發(fā)育大量孔隙存在明顯區(qū)別[15-17]。

元壩地區(qū)大安寨段頁巖的有機質(zhì)類型主要是Ⅲ型(圖2)。Ⅰ型干酪根的生烴方式屬于解聚型,先生成大分子的中間產(chǎn)物,再分解為油和氣,屬于相繼反應(yīng)機制[37-38]。Ⅲ型干酪根的生烴方式屬于官能團脫除型,不同官能團根據(jù)鍵的強弱逐次脫除,最終形成惰性炭質(zhì)骨架,屬于獨立依次反應(yīng)機制[37-38]。Ⅱ型干酪根則介于兩者之間[37-38]。雖然運移有機質(zhì)中孔隙發(fā)育,但研究區(qū)頁巖干酪根類型不利于運移有機質(zhì)的形成。因此,研究區(qū)頁巖以III型有機質(zhì)為主的特點,從機理上限制了有機質(zhì)孔隙的發(fā)育。此外,研究區(qū)頁巖的總有機碳(TOC)含量相對較低(約1.06%),從總量上限制了有機質(zhì)孔隙的發(fā)育,使得有機質(zhì)孔隙僅占頁巖孔隙的24%[29]。有機質(zhì)孔隙為海相富有機質(zhì)頁巖最為重要的孔隙類型,元壩地區(qū)大安寨段頁巖中有機質(zhì)孔隙欠發(fā)育的特點顯示了研究區(qū)頁巖與海相頁巖的有機質(zhì)類型、生烴演化方式與生烴潛力的區(qū)別,為研究區(qū)陸相頁巖氣的可持續(xù)勘探與開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。

4.3 頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)與儲層環(huán)境對頁巖氣賦存狀態(tài)的影響

頁巖氣在地層下的賦存狀態(tài)受到溫壓條件、有機質(zhì)特性、無機礦物組成、含水量以及頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)的共同影響[20]。頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)是影響頁巖氣賦存狀態(tài)最直接的內(nèi)部因素[1-3],通過Lennard-Jones勢能函數(shù)模擬,游離氣存在臨界孔隙直徑,當(dāng)甲烷分子與孔壁分子間距離小于該值時,甲烷分子由于范德華力被巖石吸附,而大于該值時,甲烷分子則處于游離狀態(tài),有學(xué)者計算該臨界孔隙直徑為6～8 nm[21]。由于元壩地區(qū)大安寨段頁巖主要發(fā)育中-宏孔(93.22%),其中直徑在8 nm以上的宏孔占總孔的66.85%(圖9),頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)有利于對游離氣的賦存。此外,研究區(qū)頁巖中有機質(zhì)孔隙欠發(fā)育而對頁巖氣的儲集能力有限。對于頁巖中的黏土礦物無機孔隙與微裂縫,雖然地層下其表面微孔隙部分會被水分子占據(jù),但是其中-宏孔卻是游離氣的有效儲集空間,因此頁巖的孔隙類型也有利于對游離氣的賦存。

儲層的溫壓條件是影響頁巖氣賦存狀態(tài)的最重要的外部因素[20-21],對于埋深過大的高過成熟階段的頁巖,儲層處于高溫高壓的狀態(tài),頁巖氣主要以游離狀態(tài)賦存,其中游離氣帶大致處于2 000 m以下[21]。元壩地區(qū)大安寨段埋深可達3 500～4 200 m,且頁巖儲層普遍發(fā)育超壓,壓力系數(shù)在1.30～2.07,地層壓力為40～78 MPa[39],高壓有利于游離氣在頁巖孔隙中的賦存。該地區(qū)的地溫梯度為1.95～2.08 ℃/100 m,頁巖儲層溫度介于92～100 ℃,高溫有利于頁巖中的吸附氣解析為游離氣。根據(jù)甲烷等溫吸附數(shù)據(jù)利用外推的朗格繆爾(Langmuir)模型預(yù)測元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲層下的吸附氣含量,根據(jù)真實氣體狀態(tài)方程與頁巖的孔隙度預(yù)測游離氣含量,表明元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲層下,平均含氣量2.16 m3/t,游離氣平均含量為80%,吸附氣平均含量為20%。這與前人發(fā)現(xiàn)的頁巖含氣量與巖心實測氦氣孔隙度正相關(guān)的現(xiàn)象相符合,另外元壩地區(qū)大安寨段巖心現(xiàn)場解析顯示,頁巖氣中主要為損失氣(45.8%～70.9%,平均64.4%),并且元壩地區(qū)大安寨段低豐度有機質(zhì)的頁巖背景下多口直井產(chǎn)工業(yè)氣流,均可證實元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲層中游離氣為最有利的賦存形式。元壩地區(qū)大安寨段頁巖氣的賦存狀態(tài)以游離氣為主,主要儲存在頁巖中-宏孔尺度的無機黏土礦物孔隙與微裂縫中,這一賦存特點決定了該區(qū)在頁巖氣勘探中容易獲得高產(chǎn),但是頁巖氣的長期穩(wěn)產(chǎn)可能會面臨著一定的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

(1)元壩地區(qū)大安寨段頁巖總體有機質(zhì)孔隙欠發(fā)育,其無機質(zhì)孔隙、有機質(zhì)孔隙與微裂縫分別占總孔隙的76.92%、9.17%與13.91%。由于埋藏過程中蒙脫石向伊利石的成巖轉(zhuǎn)化,頁巖中黏土礦物孔隙發(fā)育并成為頁巖的主要孔隙空間。

(2)元壩地區(qū)大安寨段頁巖的有機質(zhì)孔隙欠發(fā)育的原因主要與有機質(zhì)類型和TOC有關(guān)。頁巖以III型有機質(zhì)為主,生烴能力弱，而且運移有機質(zhì)含量低,不利于有機質(zhì)孔隙的發(fā)育；頁巖的TOC含量低,控制了頁巖中能發(fā)育的有機質(zhì)孔隙總量較低。

(3)元壩地區(qū)大安寨段頁巖以無機質(zhì)孔隙為主,而且主要發(fā)育中-宏孔,以及儲層高溫高壓的特點共同控制了該區(qū)頁巖氣的賦存方式以游離氣為主,主要賦存在頁巖中-宏孔尺度的無機黏土礦物孔隙與微裂縫中,該特點決定了研究區(qū)在頁巖氣勘探中容易獲得高產(chǎn),但長期穩(wěn)產(chǎn)可能會面臨著一定的挑戰(zhàn)。