陳宇杰，李小明，吝 文，馬麗紅，劉德勛,柳吉榮

(1.華北科技學院，北京 東燕郊，065201；2.中國石油勘探開發(fā)研究院 頁巖氣研究所，北京，100083)

0 引言

頁巖氣是以吸附態(tài)、游離態(tài)和溶解態(tài)賦存于低孔、低滲的泥頁巖儲層中的非常規(guī)天然氣[1-4]，我國頁巖氣藏埋深為2300～4500 m，技術可采資源量居全球之首，高達36×1012m3，是常規(guī)天然氣的1.6倍[5，6]。近年來，隨著垂深3500 m以內的中淺層頁巖氣勘探開發(fā)進程的加深，四川盆地的涪陵、長寧、威遠等國家級頁巖氣示范區(qū)開發(fā)重點區(qū)域逐漸向資源潛力巨大的深層頁巖轉移[7，8]。

鄂中荊門地區(qū)作為四川盆地的外延，下古生界五峰組-龍馬溪組富有機質頁巖具有厚度大、分布面積廣、有機質豐度高、成熟度高、含氣量大等特點，和四川盆地頁巖氣聚集條件相似，但由于其埋藏深，處于深水陸棚沉積邊緣等特點，勘探開發(fā)風險較大[9，10]。前人對荊門探區(qū)頁巖微觀儲層研究相對較少，僅從地質角度對儲層進行研究。本文選擇YT1井為研究對象，以微區(qū)圖像觀測分析和流體注入技術為核心，采用理論分析與測試分析相結合的研究方法探討了深層富有機質頁巖微—納米級孔喉特征，以期為深層頁巖氣產(chǎn)量的準確預測和合理規(guī)劃頁巖氣的開發(fā)奠定理論基礎，降低頁巖氣開發(fā)的選區(qū)風險。

1 地質概況

圖1 荊門探區(qū)YT1井五峰組—龍馬溪組綜合柱狀圖

2 研究資料與實驗方法

本文系統(tǒng)收集YT1井的巖石礦物和地球化學等分析測試資料，樣品來自YT1井3472～3506.05 m段頁巖，共采集41個樣品。從井段3495.14～3502.96 m選取9個樣品進行流體注入實驗，通過CO2-N2聯(lián)測孔徑，實驗由中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院廊坊分院非常規(guī)油氣重點實驗室完成，依據(jù)標準SY/T 6154-1995[12]，采用Micromeritics ASAP2420比表面測定儀測試，測試條件：120℃，抽真空3 h，真空度1.0×10-3Pa。在上述9個樣品的基礎上，進行氬離子拋光，采用聚焦離子束掃描電鏡(Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy，F(xiàn)IB-SEM)進行直接觀測，得到樣品的孔隙類型。

3 實驗結果

3.1 深層頁巖礦物組成

表1 荊門探區(qū)YT1井五峰組—龍馬溪組樣品礦物組成

圖2 YT1井五峰組-龍馬溪組礦物含量分布圖

荊門探區(qū)深層頁巖儲層的TOC與礦物組成具有明顯的相關性(圖3)。TOC與黏土礦物含量成負相關(圖3c)，與石英等硅質礦物和黃鐵礦等碳酸鹽含量正相關(圖3a，圖3b)，受沉積環(huán)境控制作用明顯，黏土礦物不利于YT1井五峰組-龍馬溪組有機質孔隙的發(fā)育。

圖3 YT1井TOC含量與硅質、碳酸鹽和黏土礦物的關系

3.2 深層頁巖孔喉特征

3.2.1 頁巖孔隙全孔徑分布特征

根據(jù)國際理論和應用化學學會(International Union of Pure and AppliedChemisty，IUPAC)的孔隙分類方案[13，14]，孔徑小于2 nm的孔隙為微孔，孔徑在2～50 nm的孔隙為介孔，介孔可進一步劃分，孔徑在2～10 nm的為小介孔，孔徑在10～50 nm的為大介孔，大于50 nm的孔隙為宏孔。YT1井3495.14～3502.96 m井段9個樣品的流體注入實驗結果表明，荊門探區(qū)深層頁巖儲層孔徑分布形態(tài)呈分散型，具有兩個主峰：分別在0.4～0.7 nm和1～2 nm之間，孔徑以微孔為主，介孔和宏孔所占比例較少(圖4)。

圖4 YT1井深層頁巖儲層孔徑分布圖

依據(jù)IUPAC新的劃分標準[15，16](圖5)，頁巖樣品的吸附和解析曲線不重合；滯后環(huán)的特征對應于特定的孔隙結構。荊門探區(qū)YT1井五峰-龍馬溪組頁巖的吸附等溫曲線類型以Ⅳ型為主，滯后環(huán)以H3-H4型為主(圖6)，表明存在四周開放的平行壁狹縫狀孔，從微孔-宏孔各個孔徑段的孔隙都存在，有利于游離氣和吸附氣的儲存；孔隙連通性較好，有利于頁巖氣的運移。圖5和圖6中P/Po為N2分壓與飽和蒸汽壓之比，無單位。

圖5 IUPAC吸附等溫線類型劃分標準

圖6 YT1井五峰-龍馬溪組頁巖N2吸附―脫附等溫曲線

YT1井頁巖樣品的累計孔體積和累計比表面積與孔徑的關系圖顯示(圖7)，在孔徑為0.4～10 nm時，累計孔體積曲線快速上升，而孔徑大于10 nm曲線逐漸趨于平緩，表明孔體積主要由微孔提供，其次是小介孔，大介孔和宏孔貢獻較少(圖7a)。在孔徑為0.1～2 nm時，累計比表面積曲線變化幅度大，孔徑大于2 nm后曲線變化趨于平緩，表明比表面積主要由微孔提供，介孔、宏孔貢獻極少(圖7b)。在深度3498.36 m之上即龍馬溪組時，孔體積和比表面積由頂至底有明顯增大趨勢，而在五峰組則表現(xiàn)出明顯的降低趨勢。在五峰與龍馬溪組交界處，孔體積和比表面積最大。

圖7 YT1井五峰-龍馬溪組頁巖累計孔體積變化率和累計比表面積變化率分布曲線

3.2.2 頁巖孔隙類型

3.3 深層頁巖孔隙發(fā)育主控因素

TOC，黏土礦物含量與孔體積和比表面積的關系如下圖所示(圖9)。容易發(fā)現(xiàn)，微孔的孔體積和比表面積主要受TOC控制，二者呈明顯的正相關，其他孔徑的孔隙與TOC相關性不明顯(圖9a，圖9b)。大介孔的孔體積和比表面積受黏土礦物含量控制明顯，微孔，小介孔和宏孔的比表面積受黏土礦物含量相關性差(圖9c，圖9d)。孔體積主要由微孔貢獻，比表面積由微孔體積決定，與其他孔徑的孔體積關系不明顯。值得注意的是，在相近TOC范圍石英和伊利石對孔體積和比表面積有明顯影響。具體表現(xiàn)為，在相近TOC范圍石英和伊利石含量的增大將使孔體積和比表面積減小(圖10，圖11)，其原因是石英的比表面積遠小于有機質和黏土礦物的比表面積，石英含量的升高，會導致比表面積和孔體積的降低。伊利石充填于礦物粒間孔中，對孔隙起到了堵塞作用，隨著熱演化程度升高，伊蒙混層和蒙脫石含量降低，伊利石含量增高，孔體積和比表面積降低。綜上所述，荊門探區(qū)五峰-龍馬溪組深層頁巖儲層孔隙發(fā)育主要受到TOC和黏土礦物含量影響，TOC和黏土礦物含量分別決定微孔和大介孔的孔體積和比表面積，此外，當TOC含量相近時，孔體積和比表面積受到石英和伊利石含量的影響。

圖9 YT1井TOC與黏土礦物含量和不同孔徑孔隙的孔體積與比表面積關系

圖10 相近TOC范圍石英和伊利石對比表面積的影響

圖11 相近TOC范圍石英和伊利石對孔體積的影響

4 結論

(1) 荊門探區(qū)YT1井五峰-龍馬溪組深層頁巖儲層微孔，介孔，宏孔都有發(fā)育，主要峰值孔徑為0.4～0.7 nm和1～2 nm，以微孔為主，介孔和宏孔占比較少。微孔是比表面積的主要貢獻者，微孔和小介孔提供了主要的孔體積。

(2) 荊門探區(qū)YT1井五峰-龍馬溪組頁巖儲層以有機質孔為主，其次是黏土礦物層間孔，脆性礦物孔和構造縫占比最低，有機質孔是YT1井五峰-龍馬溪組頁巖儲層主要的儲集空間。

(3) TOC和黏土礦物含量是影響YT1井五峰-龍馬溪組深層頁巖孔隙發(fā)育的主要因素，YT1井五峰-龍馬溪組深層頁巖的微孔的孔體積和比表面積與TOC含量正相關，大介孔的孔體積和比表面積與黏土礦物含量正相關，當TOC范圍一定時，孔體積和比表面積隨石英和伊利石含量的升高而降低。