孫夢(mèng)迪，于炳松，李 娟，曹曉萌，夏 威

(地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

引 言

頁(yè)巖氣是產(chǎn)自低孔、低滲、暗色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系中，以吸附或游離態(tài)為主要賦存方式聚集的天然氣。頁(yè)巖氣藏是以富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為烴源巖、儲(chǔ)層或蓋層，在頁(yè)巖地層中不間斷供氣、連續(xù)聚集而形成的一種非常規(guī)天然氣藏[1－2]。美國(guó)Texas州Fort Worth盆地的Barnett頁(yè)巖是典型的頁(yè)巖氣成功開(kāi)采的例子[3]，類(lèi)比Barnett頁(yè)巖，四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組一般厚度為65～516 m，其有機(jī)質(zhì)豐度高、演化程度高、生烴量大，是一套頁(yè)巖氣藏形成的最有利層位[4]。

1 區(qū)域背景

根據(jù)美國(guó)和加拿大對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)基本認(rèn)識(shí)及成藏特點(diǎn)，并結(jié)合四川盆地地質(zhì)特點(diǎn)，國(guó)土資源部油氣資源研究中心選定渝東南下志留統(tǒng)龍馬溪組為頁(yè)巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)[5]。研究區(qū)位于重慶地區(qū)的東南部和四川盆地的東部，南與黔北交接，東與湘西為鄰(圖1)。該地區(qū)屬于上揚(yáng)子前陸盆地，位于川中隆起與黔中隆起之間，是上揚(yáng)子板塊的重要組成部分[6]。

圖1 渝東南地區(qū)區(qū)域位置及采樣點(diǎn)分布

2 樣品采集與測(cè)試方法

本次研究主要以下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖為對(duì)象，共采集頁(yè)巖樣品117塊，綜合巖性特征及剖面分布情況，最終選取了50塊樣品進(jìn)行了黏土礦物及全巖X衍射分析，30塊樣品進(jìn)行了比表面和孔徑分析，24塊樣品進(jìn)行了等溫吸附測(cè)試(表1)。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 巖石礦物學(xué)特征

渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖礦物成分主要為碎屑礦物和黏土礦物，還有少量的碳酸鹽巖和黃鐵礦。其中碎屑礦物含量為16% ～71%，平均為47.4%，成分主要為石英和少量的長(zhǎng)石，石英的含量為10% ～62%，平均為38.6%;黏土礦物含量為27% ～62%，平均為45%，主要為伊利石和伊蒙混層礦物，但伊蒙混層礦物的間層比很低，幾乎都是伊利石，因此黏土礦物中伊利石含量為73% ～98%，平均為85.9%，其余的黏土礦物為綠泥石，含量為2% ～27%，平均為16%。

表1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)明細(xì)

3.2 巖石物性特征

對(duì)渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖樣品分析結(jié)果表明:樣品孔隙度為0.77% ～8.30%，平均為3.7%，孔隙度非常低;滲透率為0.0024×10－3～0.2734 ×10－3μm2，平均為 0.0294 ×10－3μm2，滲透率也極低。

3.3 有機(jī)質(zhì)豐度特征

渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖的TOC含量為0.02% ～5.56%，平均為1.18%，變化較大。

3.4 孔隙特征

根據(jù)國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)的孔隙分類(lèi)[7]，將孔隙直徑小于2 nm的稱為微孔隙，2～50 nm的為中孔隙，大于50 nm的為宏孔隙。

渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖的微孔體積為0.0001～0.0018 mL/g，平均為0.00097 mL/g;中孔體積為0.0004～0.0204 mL/g，平均為0.0092 mL/g;宏孔體積為0.0000～0.0059 mL/g，平均為0.0028 mL/g;總孔體積為0.0005 ～0.023 mL/g，平均為 0.013 mL/g。BET比表面積為 1.596～19.200 m2/g，平均為11.27 m2/g，變化范圍較大;平均孔隙直徑為0.8～7.4 nm，平均為4.6 nm。

3.5 等溫吸附特征

渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖樣品飽和吸附量為1.5～3.6 m3/t，平均為2.22 m3/t;Langmuir壓力常數(shù)為0.21～2.57 MPa，平均為1.40 MPa。

4 頁(yè)巖儲(chǔ)集物性主控因素

4.1 有機(jī)碳含量與孔隙體積的關(guān)系

Dubinin認(rèn)為頁(yè)巖中的微孔隙含量與TOC含量呈正相關(guān)，相對(duì)周?chē)鷰r石組分相似的大孔隙而言，小于2 nm的微孔隙擁有更大的內(nèi)表面積和更強(qiáng)的甲烷吸附能力，是多孔介質(zhì)的一個(gè)至關(guān)重要的組成部分。對(duì)Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖的研究表明，大多數(shù)納米級(jí)的有機(jī)質(zhì)孔隙形成是有機(jī)質(zhì)(即干酪根)轉(zhuǎn)化和熱成熟的結(jié)果，在低成熟樣品的有機(jī)質(zhì)顆粒中缺乏納米級(jí)孔隙，在較成熟樣品中納米級(jí)孔隙較富集[8]。

如圖2所示，TOC與孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，微孔、中孔和宏孔均與TOC呈良好的正相關(guān)性，在一定程度上說(shuō)明TOC控制顯微孔隙的發(fā)育。

曾秋楠和于炳松[9]對(duì)鄂爾多斯盆地東南延長(zhǎng)組低成熟度頁(yè)巖(Ro小于1.0%)研究發(fā)現(xiàn)，TOC含量與孔隙體積之間沒(méi)有明顯關(guān)系。龍馬溪組高—過(guò)成熟度頁(yè)巖(Ro大于1.0%)[10]的 TOC含量與孔隙體積的正相關(guān)性恰恰是由于生烴過(guò)程中有機(jī)質(zhì)(即干酪根)轉(zhuǎn)化和熱成熟的結(jié)果。

圖2 頁(yè)巖中不同孔隙與TOC含量之間的關(guān)系

4.2 礦物組分與孔隙體積的關(guān)系

研究表明，在有機(jī)質(zhì)貧乏、鋁硅酸鹽富集的Fort Simpson組頁(yè)巖中顯微孔隙與有機(jī)成分的關(guān)系不大，其顯微孔隙結(jié)構(gòu)主要受黏土礦物成分的影響[11]。因此，在一定的TOC范圍內(nèi)，不同礦物成分對(duì)于不同孔隙類(lèi)型的影響程度不同。

如圖3所示，在一定的TOC下，隨著碎屑礦物含量的增加，頁(yè)巖的微孔體積和中孔體積均有一定程度的下降，宏孔體積有一定程度的增加，特別是在TOC小于1.0%時(shí)，關(guān)系較為明顯。當(dāng)TOC大于1.0%，孔隙體積主要受TOC的控制。

圖3 碎屑礦物與各孔隙體積之間的關(guān)系

如圖4所示，在一定程度的TOC下，尤其是在TOC小于1.0%時(shí)，隨著黏土礦物含量的增加，微孔體積和中孔體積在一定程度上增加，宏孔體積關(guān)系不明顯。

當(dāng)TOC含量大于1.0%時(shí)，孔隙體積主要受TOC含量的控制。

圖4 黏土礦物與各孔隙體積之間的關(guān)系

5 頁(yè)巖吸附性能的主控因素

5.1 吸附能力與TOC的關(guān)系

隨著有機(jī)碳含量的增加，飽和吸附量也隨之增大，二者呈良好的正相關(guān)關(guān)系，這與前人的研究相一致。究其原因主要有2方面一方面是有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育的納米級(jí)孔隙，使其對(duì)流體產(chǎn)生了強(qiáng)大的黏滯力和分子作用力，增強(qiáng)了對(duì)油氣的吸附能力;另一方面是有機(jī)碳表面的親油性會(huì)對(duì)氣態(tài)烴有較強(qiáng)的吸附能力，無(wú)定形和無(wú)結(jié)構(gòu)的基質(zhì)瀝青體也對(duì)氣態(tài)烴有一定的溶解作用[12]。

5.2 吸附能力與礦物成分的關(guān)系

在TOC相對(duì)較低的情況下，隨著碎屑礦物的增加，飽和吸附量出現(xiàn)了一定程度的下降，但在黏土礦物中由于數(shù)據(jù)過(guò)少現(xiàn)象不明顯。隨著TOC含量的增加，頁(yè)巖的吸附能力逐漸由TOC所控制，礦物組成的影響力逐漸減小。如當(dāng)TOC在3.0%左右時(shí)，盡管碎屑礦物含量差別很大，但其飽和吸附量卻很接近，說(shuō)明TOC在控制吸附量中起到了主導(dǎo)作用。

6 結(jié)論

(1)渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖孔隙度為0.77% ～8.30%，平均為3.7%;滲透率為 0.0024 ×10－3～0.2734 ×10－3μm2，平均為0.0294×10－3μm2，具有低孔致密的儲(chǔ)層特征。頁(yè)巖的TOC為0.02% ～5.56%，平均為1.18%，變化較大。其中碎屑礦物含量為16% ～71%，平均為47.4%，成分主要為石英和少量的長(zhǎng)石，黏土礦物含量為27% ～62%，平均為45%。

(2)孔隙體積受到多重因素控制，TOC與微孔體積、中孔體積和宏孔體積均呈正相關(guān)。當(dāng)TOC大于1.0%時(shí)，TOC是孔隙體積的主控因素。當(dāng)在相對(duì)較低的TOC，特別是在TOC小于1.0%時(shí)，碎屑礦物含量與頁(yè)巖的微孔體積和中孔體積均呈負(fù)相關(guān)，與宏孔體積呈一定程度的正相關(guān);黏土礦物則相反，與微孔體積和中孔體積呈一定程度的正相關(guān)，與宏孔體積關(guān)系不明顯。

(3)飽和吸附量與TOC二者呈良好的正相關(guān)關(guān)系。一方面是有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育的納米級(jí)孔隙，使其對(duì)流體產(chǎn)生了強(qiáng)大的黏滯力和分子作用力，增強(qiáng)了對(duì)油氣的吸附能力;另一方面是有機(jī)碳表面的親油性會(huì)對(duì)氣態(tài)烴有較強(qiáng)的吸附能力，無(wú)定形和無(wú)結(jié)構(gòu)的基質(zhì)瀝青體也對(duì)氣態(tài)烴有一定的溶解作用。

(4)TOC在控制吸附量中起到了很大的作用，礦物成分只能在一定程度上影響飽和吸附量，在TOC相對(duì)較低的情況下，隨著碎屑礦物的增加，飽和吸附量出現(xiàn)了一定程度的下降。

[1]陳更生，黃玉珍，等.中國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)研究進(jìn)展[M].北京:石油工業(yè)出版社，2011:1－32.

[2]張金川，金之鈞，袁明生.頁(yè)巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè)，2004，24(2):15 －18.

[3]Pollastro R M，Jarvie D M，Hill R J，et al.Geologic framework of the mississipPIan barnett－paleozoic total petroleum system，bend arch－Fort Worth Basin，Texas[J].AAPG Bulletin，2007，91(4):405－436.

[4]李娟，于炳松，劉策，等.渝東南地區(qū)黑色頁(yè)巖中黏土礦物特性兼論其對(duì)儲(chǔ)存物性的影響——以彭水縣鹿角剖面為例[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2012，26(3):732－741.

[5]武景淑，于炳松，李玉.渝東南渝頁(yè)1井頁(yè)巖氣吸附能力及其主控因素[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(4):40－49.

[6]嚴(yán)德天，王清晨，陳代釗，等.揚(yáng)子及周緣地區(qū)上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)烴源巖發(fā)育環(huán)境及其控制因素[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，82(3):321 －327.

[7]Rouquerol J，Avnir D，F(xiàn)airbridge C W，et al.Recommendations for the characterization of porous solids，International Union of Pure and Applied Chemistry[J].Pure Appl.Chem.，1994，68(2):1739–1758.

[8]陳振林，王華，何發(fā)崎，等.頁(yè)巖氣形成機(jī)理、賦存狀態(tài)及研究評(píng)價(jià)方法[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2011:8－16.

[9]曾秋楠，于炳松，李昱霏.鄂爾多斯盆地東南部延長(zhǎng)組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及控制因素[J].特種油氣藏，2013，20(1):23－28.

[10]陳文玲，周文，羅平，等.四川盆地長(zhǎng)芯1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征研究[J].巖石學(xué)報(bào)，2013，29(3):1073－1087.

[11]Daniel J K，Ross D J K，Bustin R M.The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs[J].Marine and Petroleum Geology，2009，26(4):916–927.

[12]張林曄，李政，朱日房.頁(yè)巖氣的形成與開(kāi)發(fā)[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1):124 －128.