田 偉 志

(中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙主要為各種類(lèi)型微米級(jí)和納米級(jí)孔隙，具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，是儲(chǔ)存頁(yè)巖氣的重要空間和確定含氣量的關(guān)鍵參數(shù)[1]，頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)研究在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)中有著至關(guān)重要的作用。威遠(yuǎn)構(gòu)造內(nèi)古生界龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層是四川盆地勘探開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣的主要地層之一，巖性以硅質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖和粉砂質(zhì)頁(yè)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(duì)頁(yè)巖的孔隙類(lèi)型、孔徑分布以及影響頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的主要因素進(jìn)行歸納和分析，旨在加深對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及其與含氣性關(guān)系的認(rèn)識(shí)，從而為預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣藏地質(zhì)和工程甜點(diǎn)打下基礎(chǔ)，為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(gè)亞一級(jí)構(gòu)造單元，從西向東進(jìn)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(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。

川西南低陡褶皺帶是四川盆地二級(jí)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(yuǎn)背斜構(gòu)造、自流井凹陷。威遠(yuǎn)背斜構(gòu)造走向以北東向、北北東向?yàn)橹?，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(yuǎn)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(yáng)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(chǔ)層，為一套深水陸棚相碎屑巖，上部發(fā)育綠灰色頁(yè)巖及薄層粉砂質(zhì)頁(yè)巖，下部發(fā)育黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖和灰質(zhì)頁(yè)巖。根據(jù)沉積旋回特征可分為龍一段、龍二段兩個(gè)次級(jí)反旋回[3]。該組由上至下頁(yè)巖顏色逐漸加深、砂質(zhì)減少、有機(jī)質(zhì)含量升高，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段發(fā)育在龍馬溪組底部，厚度約30 m。

2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)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(lèi)別包括巖石礦物學(xué)分析、頁(yè)巖含氣量分析、巖石物性分析等。龍馬溪組頁(yè)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(lèi)型

頁(yè)巖為低孔低滲、源儲(chǔ)一體的致密儲(chǔ)層，儲(chǔ)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(shù)觀測(cè)得出，威遠(yuǎn)構(gòu)造龍馬溪組頁(yè)巖孔隙類(lèi)型主要包括微裂縫、無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙三種。

2.1.1 微裂縫

頁(yè)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(chēng)為裂縫，小于100 μm的稱(chēng)為微裂縫。有機(jī)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(yè)巖脆性強(qiáng)，微裂縫以張裂縫為主，普遍被有機(jī)質(zhì)充填(圖1)。

圖1 筆石充填的微裂縫

2.1.2 無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙

W 202井區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖無(wú)機(jī)質(zhì)孔隙包括泥粒孔、晶間孔、粒內(nèi)孔等類(lèi)型。氯離子拋光面掃描電鏡下，泥?？卓讖蕉酁?～5 μm，形狀不規(guī)則，分布不均勻，局部連通(圖2)。龍馬溪組頁(yè)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(jí)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(jí)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(jī)質(zhì)孔隙

威遠(yuǎn)構(gòu)造龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙包括瀝青球?？住饪?、鑄模孔等類(lèi)型。瀝青球?？仔纬捎诮到膺^(guò)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(jiàn)(圖6)，但不是每個(gè)有機(jī)質(zhì)視域都可見(jiàn)；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(jī)質(zhì)發(fā)育的氣孔

2.2 孔徑分布特征

頁(yè)巖儲(chǔ)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(cè)主要靠低溫氮?dú)馕椒?，?duì)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(yuǎn)構(gòu)造龍馬溪組9個(gè)具有代表性樣品點(diǎn)的低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別繪制龍馬溪組部分頁(yè)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(gè)別樣品點(diǎn)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(duì)比表面積和孔體積(孔容)的貢獻(xiàn)最大；而在1.90～2.80 nm和4.36～10.00 nm這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，比表面積和孔體積均較小，曲線并無(wú)明顯的起伏，說(shuō)明這兩個(gè)區(qū)間的微孔隙發(fā)育較少，但較為均勻。

圖7 氮?dú)馕奖缺砻娣e與孔徑分布

圖8 氮?dú)馕娇左w積與孔徑分布

2.2.2 介孔隙孔徑分布特征

通過(guò)低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制威遠(yuǎn)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(wú)大的起伏，比表面積與孔體積值均較低，表明本井頁(yè)巖儲(chǔ)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(guò)對(duì)威遠(yuǎn)構(gòu)造龍馬溪組頁(yè)巖巖心樣品的高壓壓汞數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將不同孔徑對(duì)應(yīng)的進(jìn)汞量換算成與氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)關(guān)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(jìn)汞壓力的增加，樣品中的開(kāi)孔會(huì)成為閉孔，對(duì)微孔隙和介孔隙的測(cè)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(gè)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(zhǎng)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(yè)巖儲(chǔ)層埋深較大，孔徑越大越容易受到地層壓力壓實(shí)的作用，進(jìn)而導(dǎo)致宏孔隙發(fā)育相對(duì)較差。

2.2.4 全尺度孔徑分布特征

通過(guò)低溫氮?dú)馕胶透邏簤汗瘜?shí)驗(yàn)，分別得到了微孔隙、介孔隙和宏孔隙的分布特征，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得到威遠(yuǎn)構(gòu)造龍馬溪組頁(yè)巖的全尺度孔徑分布(圖10)[6]?？梢钥闯觯簝?chǔ)層以發(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(duì)吸附氣的貢獻(xiàn)最大；10～50 nm之間的介孔隙發(fā)育一般，僅有個(gè)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(duì)較好，對(duì)游離氣的貢獻(xiàn)較大[7]。

3 孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)含氣性的影響

威遠(yuǎn)構(gòu)造龍馬溪組頁(yè)巖水平層理較為發(fā)育，具有典型的海相頁(yè)巖孔隙特征。有機(jī)質(zhì)孔隙形狀規(guī)則，以圓形-橢圓形為主。龍馬溪組頁(yè)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(yè)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(qiáng)的正相關(guān)性，而宏孔隙與孔體積的相關(guān)性較差；孔體積與比表面積的關(guān)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(guān)系

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

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

圖12 比表面積與TOC的關(guān)系

對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖TOC含量進(jìn)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(shì)(表1)，說(shuō)明龍馬溪組底部有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育，頁(yè)巖吸附能力更強(qiáng)，含氣量也會(huì)更大。

表1 龍馬溪組TOC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 分類(lèi)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

開(kāi)展頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)評(píng)價(jià)，在科學(xué)可靠地優(yōu)選壓裂段簇位置同時(shí)，也可降低頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成本。結(jié)合威遠(yuǎn)構(gòu)造龍馬溪組頁(yè)巖的地質(zhì)特征，選取頁(yè)巖生烴條件、儲(chǔ)集條件、物性條件、含氣性等幾個(gè)方面的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)的分類(lèi)，將龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層劃分為Ⅰ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)、Ⅱ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)和Ⅲ類(lèi)孔隙結(jié)構(gòu)(表2)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，W 202井區(qū)2 850.20～2 852.20 m井段頁(yè)巖儲(chǔ)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(jī)質(zhì)孔隙為主，形態(tài)以開(kāi)放透氣性孔隙為主，判定為Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層，其余層段為Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層。

表2 龍馬溪組頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié) 論

(1)威遠(yuǎn)構(gòu)造龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙空間主要發(fā)育微裂縫、泥粒孔、晶間孔、粒內(nèi)孔及有機(jī)質(zhì)孔隙等類(lèi)型。頁(yè)巖脆性指數(shù)較高，易形成微裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而成為頁(yè)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(jī)質(zhì)發(fā)育，氣孔、鑄?？滋峁┐罅?jī)?chǔ)集空間。

(2)頁(yè)巖儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)較好，對(duì)游離氣的貢獻(xiàn)較大。儲(chǔ)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(guān)性。

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