田 偉 志

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

頁巖氣儲層孔隙主要為各種類型微米級和納米級孔隙，具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)復雜的特點，是儲存頁巖氣的重要空間和確定含氣量的關鍵參數(shù)[1]，頁巖孔隙結(jié)構(gòu)研究在頁巖氣儲層開發(fā)中有著至關重要的作用。威遠構(gòu)造內(nèi)古生界龍馬溪組頁巖氣儲層是四川盆地勘探開發(fā)頁巖氣的主要地層之一，巖性以硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖、灰質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖為主[2]。本次研究采用氬離子拋光-掃描電鏡、液氮吸附、高壓壓汞等手段，對頁巖的孔隙類型、孔徑分布以及影響頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的主要因素進行歸納和分析，旨在加深對頁巖氣儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其與含氣性關系的認識，從而為預測頁巖氣藏地質(zhì)和工程甜點打下基礎，為頁巖氣開發(fā)設計方案調(diào)整提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地根據(jù)區(qū)域構(gòu)造特征，劃分為川東南構(gòu)造區(qū)、川中構(gòu)造區(qū)和川西北構(gòu)造區(qū)3個亞一級構(gòu)造單元，從西向東進一步劃分為川西坳陷帶、川中低緩褶皺帶、川西南低陡褶皺帶、川北低陡褶皺帶、川東高陡褶皺帶、川南低陡斷褶帶共6個二級構(gòu)造單元。

川西南低陡褶皺帶是四川盆地二級構(gòu)造單元，位于龍泉山以東，安岳、大足向斜以南，青嶺以西的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)主要有威遠背斜構(gòu)造、自流井凹陷。威遠背斜構(gòu)造走向以北東向、北北東向為主，并沿北東-南西方向逐漸下傾，在大片白堊系露頭分布區(qū)下傾幅度逐漸減弱；該構(gòu)造東及東北方向與安岳南江低褶皺帶相鄰，南接自流井凹陷構(gòu)造群，北西接金河向斜與龍泉山構(gòu)造帶。

W 202井區(qū)位于威遠背斜構(gòu)造中高部位，從地表至基底，地層層序依次為侏羅系、三疊系、二疊系、奧陶系、寒武系和震旦系，缺失石炭系、泥盆系地層。震旦系上統(tǒng)不整合于前震旦系花崗巖基底之上，震旦系與上覆寒武系筇竹寺組，二疊系陽新統(tǒng)與下伏志留系，三疊系雷口坡組與上覆須家河組均呈不整合接觸。

志留系龍馬溪組為本井區(qū)主要產(chǎn)氣儲層，為一套深水陸棚相碎屑巖，上部發(fā)育綠灰色頁巖及薄層粉砂質(zhì)頁巖，下部發(fā)育黑色碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖和灰質(zhì)頁巖。根據(jù)沉積旋回特征可分為龍一段、龍二段兩個次級反旋回[3]。該組由上至下頁巖顏色逐漸加深、砂質(zhì)減少、有機質(zhì)含量升高，優(yōu)質(zhì)頁巖段發(fā)育在龍馬溪組底部，厚度約30 m。

2 頁巖氣儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

本次研究主要采用W 202井鉆井取心地質(zhì)實驗數(shù)據(jù)，其取心層位為龍馬溪組，取心井段2 823.20～2 852.20 m，分析樣品1 628樣次，分析類別包括巖石礦物學分析、頁巖含氣量分析、巖石物性分析等。龍馬溪組頁巖孔隙度2.43%～15.72%，平均為4.83%；滲透率0.002 3～0.049 1 mD，平均為0.011 9 mD。

2.1 孔隙空間類型

頁巖為低孔低滲、源儲一體的致密儲層，儲集空間主要為孔隙和裂縫[4]。采用掃描電鏡結(jié)合氬離子拋光技術觀測得出，威遠構(gòu)造龍馬溪組頁巖孔隙類型主要包括微裂縫、無機質(zhì)孔隙、有機質(zhì)孔隙三種。

2.1.1 微裂縫

頁巖中的裂縫按照寬度或規(guī)模大小分為裂縫和微裂縫，寬度大于100 μm的稱為裂縫，小于100 μm的稱為微裂縫。有機質(zhì)顆粒、骨架礦物顆粒及黏土礦物都能發(fā)育微裂縫。W 202井區(qū)龍馬溪組石英含量高，頁巖脆性強，微裂縫以張裂縫為主，普遍被有機質(zhì)充填(圖1)。

圖1 筆石充填的微裂縫

2.1.2 無機質(zhì)孔隙

W 202井區(qū)龍馬溪組頁巖無機質(zhì)孔隙包括泥?？?、晶間孔、粒內(nèi)孔等類型。氯離子拋光面掃描電鏡下，泥粒孔孔徑多為1～5 μm，形狀不規(guī)則，分布不均勻，局部連通(圖2)。龍馬溪組頁巖中黏土礦物比例較大，且黏土礦物晶粒尺寸小，晶粒間存在大量納米級的微孔隙及片間縫隙(圖3)；另外，黃鐵礦集合體也較為發(fā)育，黃鐵礦單晶晶間也發(fā)育部分微孔隙。粒內(nèi)孔主要是碳酸鹽礦物(白云石、方解石)溶蝕孔(圖4)。

圖2 泥粒級顆粒及其泥粒孔

圖3 黏土晶粒及晶間縫隙

圖4 方解石表面溶蝕孔

2.1.3 有機質(zhì)孔隙

威遠構(gòu)造龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙包括瀝青球?？?、氣孔、鑄?？椎阮愋汀r青球?？仔纬捎诮到膺^程(生烴初期)，屬于原生孔隙，相互之間有一定的連通性(圖5)；氣孔以圓形為主，大小不等，孔壁圓滑，分布不均，有一定的方向性，自然斷面和拋光面樣品均可見(圖6)，但不是每個有機質(zhì)視域都可見；鑄?？字饕獮辄S鐵礦、石英顆粒掉落形成。

圖5 瀝青球?？?/p>

圖6 自然斷面有機質(zhì)發(fā)育的氣孔

2.2 孔徑分布特征

頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)可劃分為納米孔隙(<2 nm)、微孔隙(2～10 nm)、介孔隙(10～50 nm)和宏孔隙(>50 nm)[5]。目前，微孔隙和介孔隙的檢測主要靠低溫氮氣吸附法，對于宏孔隙則采用高壓壓汞法。

2.2.1 微孔隙孔徑分布特征

選取威遠構(gòu)造龍馬溪組9個具有代表性樣品點的低溫氮氣吸附實驗數(shù)據(jù)，分別繪制龍馬溪組部分頁巖樣品比表面積與孔徑分布圖、孔體積與孔徑分布圖。微孔隙分布曲線在3.90 nm左右出現(xiàn)波峰(圖7、圖8)，個別樣品點呈現(xiàn)雙峰特征，微孔隙發(fā)育主要集中在2.80～4.36 nm之間，對比表面積和孔體積(孔容)的貢獻最大；而在1.90～2.80 nm和4.36～10.00 nm這兩個區(qū)間內(nèi)，比表面積和孔體積均較小，曲線并無明顯的起伏，說明這兩個區(qū)間的微孔隙發(fā)育較少，但較為均勻。

圖7 氮氣吸附比表面積與孔徑分布

圖8 氮氣吸附孔體積與孔徑分布

2.2.2 介孔隙孔徑分布特征

通過低溫氮氣吸附實驗數(shù)據(jù)繪制威遠構(gòu)造龍馬溪組樣品比表面積與孔徑分布圖、孔體積與孔徑分布圖(圖8)可以看出，介孔隙在10.00～50.00 nm區(qū)間內(nèi)并無大的起伏，比表面積與孔體積值均較低，表明本井頁巖儲層介孔隙發(fā)育較少且分布比較均勻。

2.2.3 宏孔隙孔徑分布特征

通過對威遠構(gòu)造龍馬溪組頁巖巖心樣品的高壓壓汞數(shù)據(jù)進行分析，將不同孔徑對應的進汞量換算成與氮氣吸附實驗關系一致的孔體積，并繪制成孔體積與宏孔隙分布曲線圖(圖9)。從圖中可以看出，隨著進汞壓力的增加，樣品中的開孔會成為閉孔，對微孔隙和介孔隙的測量產(chǎn)生一定誤差，因此高壓壓汞能較好地反映宏孔隙的發(fā)育情況。宏孔隙分布曲線圖并未出現(xiàn)明顯的波峰，反映出宏孔隙發(fā)育一般，與低溫氮吸附得到的數(shù)據(jù)基本吻合。

圖9 高壓壓汞孔體積與孔徑分布

高壓壓汞孔體積與宏孔隙分布圖主要反映兩個特征：一是在20～50 nm區(qū)間內(nèi)，孔體積隨孔徑減小呈現(xiàn)出緩慢增長的特征，表明宏孔隙分布逐漸增多；二是在2 820～53 700 nm區(qū)間內(nèi)，曲線較為平直，宏孔隙體積較小，表明大于2 820 nm的宏孔隙欠發(fā)育。這主要是由于頁巖儲層埋深較大，孔徑越大越容易受到地層壓力壓實的作用，進而導致宏孔隙發(fā)育相對較差。

2.2.4 全尺度孔徑分布特征

通過低溫氮氣吸附和高壓壓汞實驗，分別得到了微孔隙、介孔隙和宏孔隙的分布特征，對數(shù)據(jù)進行分析可得到威遠構(gòu)造龍馬溪組頁巖的全尺度孔徑分布(圖10)[6]?？梢钥闯觯簝右园l(fā)育2.52～9.29 nm之

圖10 全尺度孔體積與孔徑分布

間的微孔隙為主，且在樣品孔隙中占比較大，對吸附氣的貢獻最大；10～50 nm之間的介孔隙發(fā)育一般，僅有個別樣品介孔隙較為發(fā)育；50 nm以上的宏孔隙也有一定程度的分布，但孔體積占比較低。部分樣品的宏孔隙發(fā)育相對較好，對游離氣的貢獻較大[7]。

3 孔隙結(jié)構(gòu)對含氣性的影響

威遠構(gòu)造龍馬溪組頁巖水平層理較為發(fā)育，具有典型的海相頁巖孔隙特征。有機質(zhì)孔隙形狀規(guī)則，以圓形-橢圓形為主。龍馬溪組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征總體表現(xiàn)為：比表面積和孔體積都較大，有利于頁巖氣的吸附；微孔隙的發(fā)育情況與比表面積和孔體積有較強的正相關性，而宏孔隙與孔體積的相關性較差；孔體積與比表面積的關系表現(xiàn)為，隨著比表面積的增大，孔體積也增大(圖11)。

圖11 比表面積與孔體積關系

龍馬溪組頁巖孔隙平均孔徑介于2.52～9.29 nm之間，孔隙主要為細頸瓶狀孔和開放透氣性孔。其中細頸瓶狀孔雖然有利于頁巖氣的吸附，但透氣性較差，不利于頁巖氣的解吸與擴散[8]。但當相對壓力降低到拐點所對應的壓力值以下時，瓶體內(nèi)的吸附氣會在瞬間快速解吸轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氣[9]。

頁巖有機質(zhì)豐度與孔隙發(fā)育密切相關，龍馬溪組頁巖的比表面積和孔體積與TOC含量呈現(xiàn)正相關，均隨著TOC的增大而增大(圖12)。有機質(zhì)中發(fā)育具有吸附能力的納米級孔隙，為氣體提供儲存場所[10]。

圖12 比表面積與TOC的關系

對龍馬溪組頁巖TOC含量進行分析發(fā)現(xiàn)， TOC含量、飽和吸附量縱向上呈現(xiàn)隨深度增加而增大的趨勢(表1)，說明龍馬溪組底部有機質(zhì)孔隙發(fā)育，頁巖吸附能力更強，含氣量也會更大。

表1 龍馬溪組TOC數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 分類評價標準

開展頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)分類評價，在科學可靠地優(yōu)選壓裂段簇位置同時，也可降低頁巖氣開發(fā)成本。結(jié)合威遠構(gòu)造龍馬溪組頁巖的地質(zhì)特征，選取頁巖生烴條件、儲集條件、物性條件、含氣性等幾個方面的評價參數(shù)進行孔隙結(jié)構(gòu)的分類，將龍馬溪組頁巖儲層劃分為Ⅰ類孔隙結(jié)構(gòu)、Ⅱ類孔隙結(jié)構(gòu)和Ⅲ類孔隙結(jié)構(gòu)(表2)。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)評價，W 202井區(qū)2 850.20～2 852.20 m井段頁巖儲層TOC 4.72 %，孔隙度1.3%～4.4%，滲透率平均0.035 mD，飽和吸附量平均4.63 m3/t，比表面積平均22.33 m2/g，孔體積18.8 mm3/g，孔隙以有機質(zhì)孔隙為主，形態(tài)以開放透氣性孔隙為主，判定為Ⅰ類儲層，其余層段為Ⅱ類儲層。

表2 龍馬溪組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)分類標準

5 結(jié) 論

(1)威遠構(gòu)造龍馬溪組頁巖氣儲層孔隙空間主要發(fā)育微裂縫、泥?？?、晶間孔、粒內(nèi)孔及有機質(zhì)孔隙等類型。頁巖脆性指數(shù)較高，易形成微裂縫網(wǎng)絡，從而成為頁巖中微觀尺度上油氣滲流的主要通道；黏土礦物含量及分布不均勻，局部晶間孔發(fā)育較好；有機質(zhì)發(fā)育，氣孔、鑄?？滋峁┐罅績臻g。

(2)頁巖儲層中微孔隙占比較大，孔徑主要集中在2.80～4.36 nm之間，成為吸附氣的主要儲集空間；介孔隙發(fā)育較少且分布比較均勻；部分樣品的宏孔隙發(fā)育相對較好，對游離氣的貢獻較大。儲層比表面積和孔體積都較大，與微孔隙的發(fā)育情況及TOC都具有較好的正相關性。

(3)頁巖微觀孔隙的有機質(zhì)孔、孔容、比表面積、孔徑分布均會影響頁巖儲集能力，造成不同層組含氣性的差異。龍馬溪組底部頁巖物性條件好，孔隙條件優(yōu)質(zhì)，有機碳含量高，頁巖吸附能力強，是頁巖氣儲層壓裂改造的優(yōu)選層位。