張瀛涵，李 卓，劉冬冬，高鳳琳，姜振學(xué)，梁志凱，楊東旭，于海龍

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)天然氣研究院，北京 102249)

近年來，在海相沉積地層的頁巖氣勘探開發(fā)工作取得了重大突破，發(fā)現(xiàn)了大量工業(yè)性氣藏，我國的頁巖氣勘探取得了重大進(jìn)步[1]。我國主要含油氣盆地中的頁巖氣以賦存于陸相沉積巖中為基本特點(diǎn)，因此陸相層系也是頁巖氣勘探開發(fā)新的重要領(lǐng)域[2]。中國發(fā)育陸相含油氣盆地頁巖：渤海灣盆地古近紀(jì)、松遼盆地白堊紀(jì)、鄂爾多斯盆地三疊紀(jì)、四川盆地侏羅紀(jì)、塔里木盆地三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)、準(zhǔn)噶爾盆地侏羅紀(jì)均為大型湖盆沉積，在湖盆擴(kuò)張期形成了分布廣泛且厚度大的湖相頁巖，有機(jī)質(zhì)十分豐富[3]。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)頁巖巖相展開研究，從不同方面對(duì)其進(jìn)行劃分。不同巖相的開發(fā)潛力不同，因此，找尋有利的頁巖巖相段是頁巖系統(tǒng)尋找主要勘探開發(fā)目的層的關(guān)鍵所在[4]。但是，對(duì)于頁巖孔隙類型特征，尤其是不同頁巖儲(chǔ)層中孔隙結(jié)構(gòu)缺乏定量分析[5]。

筆者以松遼盆地長嶺地區(qū)下白堊統(tǒng)沙河子組頁巖為研究對(duì)象，建立了巖相劃分方案，在此基礎(chǔ)上通過掃描電鏡、CO2和N2吸附以及壓汞實(shí)驗(yàn)來對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析，以明確陸相頁巖巖相特征及其對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的控制。

1 頁巖巖相

1.1 巖相劃分方案

前人對(duì)不同頁巖巖相的空間分布進(jìn)行了充分研究，著重于頁巖巖相的分類以及有利巖相的優(yōu)選[6-9]。有學(xué)者曾在四川盆地涪陵氣田五峰—龍馬溪組利用測井?dāng)?shù)據(jù)和礦物成分來劃分有利巖相[10]。巖相作為頁巖孔隙結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)氣能力的反映，是識(shí)別有利目標(biāo)區(qū)的有效方法[11-12]。筆者依據(jù)研究區(qū)頁巖特征，以“有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)+礦物組分”作為巖相劃分方案，根據(jù)頁巖有機(jī)碳含量，將頁巖劃分為富有機(jī)質(zhì)頁巖(TOC大于2%)、含有機(jī)質(zhì)頁巖(TOC介于1%～2%)和貧有機(jī)質(zhì)頁巖(TOC小于1%)；又根據(jù)礦物組成，將黏土礦物、脆性礦物(石英、長石)和碳酸鹽礦物(方解石、白云石、菱鐵礦)作為三端元，以各自含量50%為界，最終確立了巖相劃分方案，包括12種巖相類型(表1)。

1.2 頁巖巖相類型

根據(jù)上述劃分方案，將長嶺斷陷下白堊統(tǒng)沙河子組頁巖樣品X射線衍射和TOC實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理后發(fā)現(xiàn)研究區(qū)主要發(fā)育黏土質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖和混合質(zhì)頁巖3大類，共計(jì)7種巖相(表2)。研究區(qū)沙河子組頁巖富含黏土礦物和脆性礦物，鈣質(zhì)礦物含量低。富有機(jī)質(zhì)頁巖暗色富含有機(jī)質(zhì)紋層與隱晶和粉晶硅質(zhì)紋層呈韻律交替；含有機(jī)質(zhì)頁巖黏土質(zhì)、硅質(zhì)及少量碳酸鹽礦物呈隱晶結(jié)構(gòu)均勻相混，呈層狀或塊狀構(gòu)造；貧有機(jī)質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)含量低，巖心樣品色淺，各種層理均可見。

表1 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組頁巖巖相劃分方案

表2 松遼盆地長嶺斷陷下白堊統(tǒng)沙河子組頁巖巖相特征

2 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.1 頁巖孔隙類型

頁巖顆粒粒度細(xì)小，多發(fā)育納米級(jí)孔隙，普通光學(xué)顯微鏡已經(jīng)無法滿足研究需求[13-14]。筆者采用氬離子拋光樣品，利用場發(fā)射掃描電鏡，對(duì)頁巖的微觀孔隙類型進(jìn)行定性描述。與低溫氣體吸附和高壓壓汞實(shí)驗(yàn)不同的是，場發(fā)射掃描電鏡可以清楚直接地觀測到頁巖樣品的孔隙類型和特征。采用LOUCKS等[15]對(duì)孔隙類型的劃分方案，即分有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔和粒內(nèi)孔3大類進(jìn)行觀測。

2.1.1 有機(jī)質(zhì)孔

有機(jī)質(zhì)孔是頁巖中的有機(jī)質(zhì)在生烴演化過程中，烴類生成和排出后殘留在有機(jī)質(zhì)中的孔隙。通過對(duì)沙河子組不同巖相樣品氬離子拋光后進(jìn)行掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，頁巖有機(jī)孔在黏土質(zhì)頁巖中最發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育方式多樣，大多數(shù)與黏土礦物共生，呈連片或蜂窩狀分布，孔徑比較均一(圖1a，b，c)；其次為硅質(zhì)頁巖，有機(jī)質(zhì)孔隙零星發(fā)育，孔徑大小不等(圖1d，e)；而在混合質(zhì)頁巖中，有機(jī)質(zhì)孔隙基本不發(fā)育(圖1f)。有機(jī)質(zhì)孔在頁巖孔隙中占主導(dǎo)地位，大量有機(jī)質(zhì)孔不僅可以作為氣體儲(chǔ)存的空間，還能作為一種連接其他孔隙的途徑，控制吸附氣和游離氣的分布[16-18]。

2.1.2 粒間孔

粒間孔是孔隙顆粒堆積時(shí)，由顆粒相互支撐構(gòu)成的孔隙空間。粒間孔隙發(fā)育程度與顆粒含量、粒度、分選性和充填物含量等因素密切相關(guān)。研究區(qū)頁巖粒間孔孔徑較大，可達(dá)微米級(jí)，大多數(shù)的粒間孔為黏土片間孔和顆粒邊緣孔(圖2)。黃鐵礦結(jié)核晶間孔不發(fā)育，可能與研究區(qū)黃鐵礦含量少有關(guān)?？紫缎螤畈灰?guī)則，呈扁平狀或狹縫狀。粒間孔在黏土質(zhì)頁巖中最發(fā)育，包含無機(jī)礦物粒間微裂縫、無機(jī)黏土礦物板片間孔隙、無機(jī)礦物粒緣孔隙和黏土礦物集合體間孔隙等(圖2a，b，c)。其次是混合質(zhì)頁巖，發(fā)育無機(jī)礦物粒間縫和黏土礦物間孔隙(圖2d)。在硅質(zhì)頁巖中，無機(jī)礦物粒間孔隙弱發(fā)育,孔徑相對(duì)較小(圖2e，d)。粒間孔相對(duì)于有機(jī)質(zhì)孔來說，孔徑較大，故而能提供較多的孔體積，是游離氣賦存的主要場所。

圖1 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組頁巖有機(jī)質(zhì)孔SEM圖

圖2 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組頁巖粒間孔SEM圖

2.1.3 粒內(nèi)孔

粒內(nèi)孔是由碳酸鹽、長石或其他可溶部分溶解而形成的。可溶部分可以是碎屑顆粒、自生礦物膠結(jié)物或者交代礦物。研究區(qū)溶蝕孔多為孤立發(fā)育，形狀為圓形和橢圓形，形狀較為規(guī)則；個(gè)別連通發(fā)育的，形狀為不規(guī)則的多邊形。粒內(nèi)孔在硅質(zhì)頁巖中最發(fā)育，多數(shù)為球粒內(nèi)孔和鑄?？?圖3a，d，e)；其次是為混合質(zhì)頁巖，但也是發(fā)育在硅質(zhì)礦物中(圖3b，c)。黏土質(zhì)頁巖中由于硅質(zhì)含量比較少，粒內(nèi)孔不發(fā)育(圖3e)。與粒間孔對(duì)比，粒內(nèi)孔孔徑普遍較小，約為20～300 nm，分布較為分散。

2.2 頁巖孔徑分布

氣體吸附法是確定頁巖孔隙分布和儲(chǔ)存能力的有效方法。目前最廣泛使用N2吸附和CO2吸附，前者主要用于研究中孔結(jié)構(gòu)，后者主要用于研究微孔結(jié)構(gòu)。N2吸附的準(zhǔn)確測量間隔為2～50 nm，CO2吸附的間隔為0～2 nm。因此筆者主要采用低溫二氧化碳、氮?dú)馕椒ê蛪汗▽?duì)研究區(qū)頁巖微—中孔孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征。分析測試在北京市理化分析測試中心進(jìn)行，采用美國康塔公司的Autosorb iQ比表面和孔徑分布分析儀完成。N2吸附法所得的比表面積和孔隙體積分別是基于BET理論[19-20]和BJH方法[21]得到。CO2吸附數(shù)據(jù)采用DFT方法確定基本微孔尺寸分布[22]。高壓壓汞的最高壓力可達(dá)50 MPa，但過高的壓力容易產(chǎn)生裂縫，因此，高壓壓汞法能夠表征的孔徑超過30 nm[23]。

2.2.1 CO2吸附法定量分析

沙河子組頁巖微孔孔體積和比表面積分布曲線(圖4)十分相似，呈現(xiàn)出“三峰特征”，峰值孔徑分別為0.5，0.6，0.8nm，其中0.5～0.6nm峰值最高，可以得到0.5～0.6 nm左右的孔隙發(fā)育的數(shù)量最多；其次是0.8 nm，且孔隙數(shù)量分布相似。富有機(jī)質(zhì)黏土頁巖由于有機(jī)質(zhì)含量高且有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育，CO2吸附實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了其微孔孔體積和比表面積相對(duì)于其他巖相頁巖具有更高的貢獻(xiàn)率。混合質(zhì)頁巖微孔發(fā)育相對(duì)來說較差。

圖3 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組頁巖粒內(nèi)孔SEM圖

圖4 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組頁巖CO2吸附孔體積和比表面積隨孔徑變化率分布

2.2.2 N2吸附法定量分析

沙河子組泥頁巖孔體積分布曲線與比表面積分布曲線相似，各樣品均為小于10 nm的孔隙數(shù)量最多；小于10 nm的孔隙占據(jù)著最多的孔比表面積。有機(jī)質(zhì)含量增大，比表面和孔體積的峰值越靠左，說明有機(jī)質(zhì)孔隙占比越多。其中CL-05由于碳酸鹽含量較高，無機(jī)礦物晶間孔隙特別發(fā)育，小于10 nm和大于10 nm的中孔對(duì)孔體積的貢獻(xiàn)都相對(duì)較大(圖5)。

樣品的中孔孔體積隨孔徑變化均呈現(xiàn)多峰特征，有機(jī)質(zhì)含量升高，孔徑峰值趨向孔徑減小方向偏移，總孔體積有減小趨勢。混合質(zhì)頁巖孔體積峰值較高，且隨著碳酸鹽含量升高，孔體積峰值有增高趨勢。富有機(jī)質(zhì)頁巖中存在大量的有機(jī)質(zhì)孔隙，孔徑相對(duì)較小，卻可以提供相當(dāng)大的比表面積。富有機(jī)質(zhì)頁巖巖相在孔徑相對(duì)較小時(shí)，有較高的孔體積和比表面積；隨著孔徑的增大，有機(jī)質(zhì)孔有減少趨勢，隨之粒間孔和粒內(nèi)孔的比例逐漸上升?；旌腺|(zhì)頁巖巖相粒間孔和粒內(nèi)孔都相對(duì)發(fā)育，因此在此區(qū)間有較高的孔體積和比表面積貢獻(xiàn)。

2.2.3 壓汞法定量分析

針對(duì)研究區(qū)不同巖相的7個(gè)樣品開展高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，并作出孔體積隨孔徑的關(guān)系圖(圖6)。所有樣品的孔徑分布峰值主要在10～20 μm和40～100 μm。其中黏土質(zhì)頁巖在孔徑10～20 μm范圍內(nèi)孔隙發(fā)育；混合質(zhì)頁巖發(fā)育孔徑40～100 μm范圍的孔隙。總體來看，含有機(jī)質(zhì)頁巖巖相的宏孔發(fā)育情況要優(yōu)于富有機(jī)質(zhì)頁巖，貧有機(jī)質(zhì)頁巖巖相發(fā)育最差。

在查明頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，定量評(píng)價(jià)不同巖相中各孔徑微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)和宏孔(>50nm)對(duì)孔體積和比表面積的貢獻(xiàn)比例(表3)。中孔和宏孔是孔體積的主要貢獻(xiàn)者，比例超過80%，且中孔在其中所占比例更大，平均可達(dá)49.21%。

圖5 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組頁巖N2吸附孔體積和比表面積隨孔徑變化率分布

圖6 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組頁巖壓汞法孔體積隨孔徑變化分布

樣品編號(hào)有機(jī)碳含量/ %巖相類型孔比表面積比例/%微孔中孔宏孔比表面積/(m2·g-1)孔體積比例/%微孔中孔宏孔孔體積/(cm3·g-1)CL-012.52富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖78.2621.650.0921.3928.6031.7739.620.020CL-022.16富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖62.7137.200.0918.6323.4451.3725.190.017CL-032.85富有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖54.2645.27 0.47 14.776.8034.6458.560.039CL-041.51含有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖66.35 33.51 0.14 21.5321.2652.3926.350.022CL-051.44含有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖61.87 37.89 0.24 27.4816.9374.868.210.031CL-060.93貧有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖64.81 35.01 0.18 17.0823.8156.6919.510.017CL-070.84貧有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖60.47 39.21 0.33 16.5410.5842.7446.680.032

微孔和中孔貢獻(xiàn)了超過99%的比表面積，微孔對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)起著決定性作用，平均所占比例也達(dá)到了64.1%。初步認(rèn)為沙河子組頁巖中孔是孔體積的主要貢獻(xiàn)者，微孔是比表面的主要貢獻(xiàn)者。粒內(nèi)孔連通性差，這些孤立孔隙對(duì)頁巖氣的工業(yè)生產(chǎn)沒有好處。富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖粒內(nèi)孔不發(fā)育，且存在大量有機(jī)質(zhì)孔，微孔占較大比例，提供了巨大的比表面積和更好的連通性。

3 頁巖巖相對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的控制

根據(jù)研究區(qū)不同巖相孔隙結(jié)構(gòu)特征定量表征，初步得出沙河子組頁巖巖相對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的控制機(jī)理。微孔的孔體積和比表面積都與黏土礦物有較好的正相關(guān)關(guān)系(圖7a,b)，與沙河子組頁巖有機(jī)質(zhì)孔主要發(fā)育在黏土質(zhì)頁巖中有關(guān)。前人研究表明，微孔比表面積和孔體積與有機(jī)碳含量成正相關(guān)[24]。沙河子組頁巖有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)偏低，其對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響不強(qiáng)。因此沙河子組頁巖微孔的發(fā)育主要受黏土礦物控制。微孔發(fā)育的有利巖相為富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖。中孔的孔體積和比表面積與碳酸鹽礦物含量有正相關(guān)關(guān)系(圖7c,d)，當(dāng)碳酸鹽礦物含量升高時(shí)，頁巖中的粒間孔隙大量發(fā)育，因此混合質(zhì)頁巖對(duì)中孔的發(fā)育起著關(guān)鍵作用，但沙河子組頁巖中的碳酸鹽含量普遍較低，個(gè)別含量較高，對(duì)整體的影響作用不明顯。宏孔的比表面積受碳酸鹽礦物的影響，孔體積與硅質(zhì)礦物含量有正相關(guān)關(guān)系(圖7e,f)，宏孔比表面積所占比例相對(duì)很小，因此硅質(zhì)頁巖對(duì)宏孔的發(fā)育有較好的關(guān)系，但宏孔比表面積和孔體積受到黏土礦物含量的抑制，有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)基于頁巖有機(jī)質(zhì)含量和礦物組成，研究區(qū)發(fā)育富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖、富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、富有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖、含有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、含有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖、貧有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖和貧有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖共計(jì)7種巖相。

圖7 松遼盆地長嶺斷陷沙河子組頁巖孔隙影響因素分析

(2)沙河子組頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)孔隙普遍存在，孔隙形狀多樣。以巖相類型來分，黏土質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)礦物粒間孔均發(fā)育，硅質(zhì)頁巖無機(jī)孔最發(fā)育，混合質(zhì)頁巖介于兩者之間。

(3)沙河子組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)多樣，小于10 nm的孔隙數(shù)量最多，孔體積和比表面積值較大，中孔是孔體積的主要貢獻(xiàn)者，微孔是比表面積的主要提供者。

(4)黏土礦物含量是沙河子組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育的主要控制因素，富有機(jī)質(zhì)黏土質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育，比表面積最大，且黏土礦物有利于氣體的吸附，是最有利的頁巖巖相類型。