趙明珠，楊 威，王耀華，魯健康，徐 亮，李 蘭，李興宇，姚琳潔

1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(北京) 非常規(guī)油氣科學技術研究院，北京 102249

我國陸相頁巖脆性礦物含量低、黏土礦物含量高[1-4]，有機質(zhì)以Ⅱ、Ⅲ型干酪根為主，熱演化程度差異大[5-7]；在復雜多變的沉積環(huán)境作用下，陸相頁巖儲層微觀非均質(zhì)性強，孔隙類型多樣，具有比海相頁巖更加復雜的孔隙連通關系[8-10]。

頁巖氣的開采主要依靠水平井和水力壓裂技術，但前人研究發(fā)現(xiàn)，陸相頁巖氣井產(chǎn)能低[11]，水平井的壓裂改造達不到預期效果，這主要是由于頁巖基質(zhì)的滲流能力較差，而基質(zhì)的滲流能力主要受復雜的孔隙連通關系的影響[12-13]。不同類型、不同尺度孔隙相互連通，直接決定了孔隙空間的有效性及連通性；良好的連通孔隙與壓裂縫組合使油氣順利到達井筒，采至地面并獲得最終產(chǎn)量。簡言之，孔隙連通性作為頁巖儲層關鍵特征之一，對孔隙空間的有效性、流體運移能力和產(chǎn)氣量等起著重要作用[14-15]。厘清陸相頁巖連通孔隙類型及其特征組合，分析陸相頁巖孔隙連通性的主控因素，對提高陸相頁巖氣井的產(chǎn)量和采收率具有重要作用[16]。

川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組三段頁巖為典型的陸相頁巖，是頁巖氣勘探開發(fā)的重點層位[5-6]。但須家河組在沉積過程中，水體升降旋回頻繁，導致該地區(qū)陸相頁巖孔隙結構非均質(zhì)性強[17]。本文以川西坳陷須家河組陸相頁巖為研究對象，通過X衍射礦物成分分析，研究其礦物組成特征；綜合運用場發(fā)射掃描電鏡觀察等直觀觀測與低溫氣體吸附、高壓壓汞與核磁共振凍融等間接實驗方法，明確研究區(qū)孔隙發(fā)育類型及特征；基于高壓壓汞與核磁共振凍融測量方法的差異，闡明研究區(qū)陸相頁巖孔隙連通關系及主要孔徑區(qū)間；再通過高分辨率場掃描電鏡觀察連通孔隙的基本特征，初步厘定影響陸相頁巖孔隙連通性的控制因素，并探索其潛在發(fā)育機制，為該區(qū)及相似地區(qū)陸相頁巖目標層位優(yōu)選和后期勘探開發(fā)提供理論基礎。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

川西坳陷位于四川盆地西部，面積3.1×104km2[6,18]，呈NE向展布，東、西方向分別受控于龍泉山斷裂帶和龍門山?jīng)_斷帶，南抵雅安—樂山一線，北臨米倉山—大巴山逆沖帶[10]，研究區(qū)位于川西坳陷中部(圖1)。本文研究的目的層為上三疊統(tǒng)須家河組三段陸相頁巖層系。須三段沉積時期湖平面上升，主要沉積了濱淺湖相的厚層深色碳質(zhì)泥頁巖，常夾煤層[1,10,17]，烴源巖品質(zhì)好、熱演化程度較高，因此其是須家河組最為重要的烴源巖層段之一[19-21]。

圖1 川西坳陷研究區(qū)區(qū)域位置及地層柱狀圖 [21]

2 樣品和實驗

2.1 樣品來源

本文中所有樣品均為四川盆地川西坳陷頁巖氣探井——LD1井上三疊統(tǒng)須家河組須三段的典型黑色泥頁巖巖心樣品。

2.2 實驗方法

2.2.1 X衍射礦物成分分析(XRD)

通過XRD全巖礦物分析可計算出礦物的相對含量。將樣品研磨成200～250目大小的粉末，分離出黏土礦物，使用X射線衍射儀照射研磨好的粉末，根據(jù)衍射峰的位置及強度得出相應的全巖、黏土類型及不同礦物組分的含量。

2.2.2 高分辨率場發(fā)射掃描電鏡觀察(FE-SEM)

頁巖礦物類型及孔隙類型等特征可以通過場發(fā)射掃描電鏡直觀觀察。觀察前，先將試驗樣品處理成邊長為5 mm的正方體塊樣，每塊樣品都使用氬離子拋光儀進行表面光滑處理；隨后使用FEI-Quanta Inspect掃描電鏡觀察樣品表面，觀察頁巖礦物類型、分布及孔隙類型、大小、形態(tài)等特征。

2.2.3 孔隙結構全孔徑表征

頁巖儲層孔隙結構表征方法多樣，但均有各自局限性，為此，本文利用CO2吸附法表征微孔(小于2 nm)，利用N2吸附法表征中孔(2～50 nm)，利用高壓壓汞法表征宏孔(>50 nm)，實現(xiàn)對須家河組陸相頁巖孔隙結構全孔徑的定量表征。

(1)低溫氣體吸附實驗分析

低溫N2吸附實驗首先將樣品進行真空脫氣處理；隨后在低溫環(huán)境下對完全脫氣的樣品通入超高純氮氣，通過頁巖樣品的吸附—解吸量獲得N2吸附/解吸曲線；最后運用DFT和BJH方程進一步計算得到中孔分布特征。

低溫CO2的吸附原理與N2吸附相同，但由于其具有比N2更小的分子結構，因此更利于擴散，在測量微孔方面有優(yōu)勢。根據(jù)DFT模型對吸附數(shù)據(jù)進行處理，得到微孔孔徑分布特征。

(2)高壓壓汞實驗分析(MIP)

高壓壓汞是頁巖儲層孔隙結構研究的重要手段，通過施加相對高的壓力，將汞注入頁巖樣品的連通孔隙中。并基于Washburn公式，根據(jù)某一注入壓力的進汞量確定對應孔隙半徑的孔體積大小，通過改變壓力得到頁巖孔隙體積分布規(guī)律；根據(jù)Young-Dupré方程，得到頁巖孔隙比表面積的分布規(guī)律[4]。由于過高的壓力將導致孔隙結構的改變，因此，高壓壓汞法更適用于表征宏孔孔徑分布特征。

2.2.4 核磁共振凍融分析(NMRC)

核磁共振凍融法是一種被廣泛應用于研究常規(guī)儲層及非常規(guī)致密儲層的快速、有效的表征微觀孔隙結構的方法[22]。核磁共振凍融實驗首先將巖樣在真空飽和裝置中飽和水24 h，隨后將真空飽和后的樣品放入凍融儀器中進行變溫操作，采用CPMG序列進行測試。Gibbs-Thomson方程是核磁共振凍融分析頁巖儲層孔隙特征的理論依據(jù)，該方程建立了孔隙內(nèi)物質(zhì)的相變溫度與孔徑間的關系，通過監(jiān)控樣品中水的相變就可以得到測試樣品的孔徑分布[23]。

2.2.5 基于核磁共振凍融法和高壓壓汞定性評價孔隙連通率的原理、方法

3 結果

3.1 礦物組成特征

根據(jù)XRD全巖礦物成分分析結果，取自川西坳陷LD1井須家河組的頁巖樣品全巖礦物組分變化不大(圖2a)，黏土礦物含量最高，在61.0%～75.6%，平均為70.36%，以伊蒙混層和伊利石為主(圖2b)，其中伊蒙混層含量在69%～76%，平均為73%，伊利石在9%～14%，平均為11.4%；其次為石英，為21.0%～33.9%，平均為25.68%；含有少量的斜長石和銳鈦礦。

圖2 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖礦物組分

3.2 微孔發(fā)育特征

由須家河組陸相頁巖巖心樣品的CO2吸附曲線(圖3a)可知，CO2吸附量隨相對壓力的升高逐漸增加。但LD-5樣品吸附量較其余4塊樣品小，說明LD-5樣品微孔發(fā)育相對較少。通過對須家河組陸相頁巖樣品的低溫CO2吸附曲線分析，用DFT模型解釋數(shù)據(jù)得到的孔體積和比表面積隨孔徑的變化率(圖3b)，二者均呈現(xiàn)三峰特征，峰值的孔徑分別介于0.3～0.4 nm、0.5～0.6 nm和0.8～0.85 nm之間，表明微孔的孔體積及比表面積主要在以上孔徑范圍內(nèi)變化。由此可知，介于0.3～0.4 nm、0.5～0.6 nm和0.8～0.85 nm之間的孔隙是須家河組陸相頁巖微孔孔體積及比表面積的主要提供者。

圖3 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖基于CO2吸附孔隙發(fā)育特征

3.3 中孔發(fā)育特征

由須家河組巖心樣品的N2吸附—脫附曲線可知(圖4a)，5塊樣品曲線形態(tài)大致相同。當P/P0小于0.5時，吸附—解吸曲線重合，巖心樣品N2的吸附量隨著相對壓力的增加呈緩慢均勻增加的趨勢；當0.5

圖4 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖基于N2吸附孔隙發(fā)育特征

基于低溫N2吸附測得的孔體積和比表面積隨孔徑的變化率曲線可知，整體上兩者呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，均呈現(xiàn)雙峰特征。1.5 nm左右出現(xiàn)第一個峰，隨后隨孔徑增大，孔體積和比表面變化率快速降低；4～10 nm左右出現(xiàn)第二個峰；大于50 nm時，曲線與坐標軸幾近重合。這表明直徑介于4～10 nm的孔隙貢獻了大部分中孔孔體積和比表面積，大孔徑對孔體積和比表面積的貢獻較少。

3.4 宏孔發(fā)育特征

通過川西坳陷須家河組典型頁巖樣品的進汞—退汞曲線(圖5a)可知，除LD-5頁巖樣品外，其余樣品曲線形態(tài)相似，主要發(fā)育2種孔隙類型。在壓力小于0.05 MPa時，由于進汞壓力逐漸增大，進汞量也隨之緩慢增加，說明該壓力范圍對應的孔隙較少發(fā)育；當壓力增加到0.05～10 MPa后，隨著注入壓力的增加，進汞曲線上升幅度較上一階段更為平緩，較上一階段進汞量增加速度減慢，表明該壓力范圍孔隙基本不發(fā)育；當壓力大于10 MPa時，進汞量迅速增加，說明孔徑小于73.5 nm的孔隙廣泛發(fā)育[27]。LD-5樣品的進汞—退汞曲線在形態(tài)上和上述4塊樣品存在差異，從曲線形態(tài)(圖5a)可以看出，LD-5樣品主要發(fā)育3種孔隙類型。在低壓部分(P<0.05 MPa)，曲線與其余4塊樣品重合；在0.05 MPa10 MPa，進汞量急劇增加，說明小于73.5 nm的孔隙廣泛發(fā)育。

基于高壓壓汞測得的孔體積和比表面積隨孔徑的變化率(圖5b,c)可以看出，整體上兩者具有相同的變化趨勢，起初隨著孔隙直徑的增加，孔體積變化率呈指數(shù)遞減，隨后趨于0。在7.2～50 nm范圍內(nèi)，頁巖的孔體積和比表面積隨孔徑增加快速減?。划斂讖酱笥?00 nm時，兩者的變化率幾乎為0，表明宏孔對孔體積和比表面積貢獻較小。

5.2 大連市內(nèi)四區(qū)商品住宅價格在空間布局上的集聚現(xiàn)象明顯。中山區(qū)、西崗區(qū)和沙河口區(qū)的住宅價格高高聚集為主；甘井子區(qū)的住宅價格低低聚集為主；中山區(qū)北部和甘井子區(qū)的住宅價格高低聚集為主。

圖5 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖基于高壓壓汞孔隙發(fā)育特征

3.5 孔隙結構全孔徑特征

綜合分析以上3種表征孔隙結構的最優(yōu)適用孔隙區(qū)間，最終選用DFT計算模型解釋的CO2吸附數(shù)據(jù)表征微孔，用DFT模型解釋的N2吸附數(shù)據(jù)表征中孔，選用高壓壓汞法表征宏孔，從而認識研究區(qū)陸相頁巖孔隙結構全孔徑特征。

由孔體積全孔徑分布(圖6a)可知，須家河組陸相頁巖孔體積主要由中孔提供，孔徑主要分布區(qū)間為4～50 nm，平均孔體積為0.063 3 mL/g，占總孔隙體積的87.33%(表1)；其次為微孔，平均孔體積為0.007 0 mL/g，占總孔隙體積的9.72%(表1)；宏孔僅貢獻少部分孔體積，平均孔體積為0.002 0 mL/g，占總孔隙體積的2.95%(表1)。

圖6 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖孔隙結構全孔徑分布

表1 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖孔體積統(tǒng)計

由比表面積全孔徑分布圖(圖6b)可知，須家河組陸相頁巖孔比表面積主要由中孔和微孔提供，微孔平均比表面積為21.263 3 m2/g，占總比表面積的50.38%(表2)；中孔平均比表面積為20.823 m2/g，占總比表面積的49.19%(表2)；宏孔對孔比表面積貢獻較小，平均比表面積為0.172 2 m2/g，占總比表面積的0.43%(表2)。

表2 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖比表面積統(tǒng)計

3.6 核磁共振凍融曲線特征

溫度T及對應的核磁共振信號強度是直接數(shù)據(jù)，首先對信號強度進行溫度修正處理，隨后根據(jù)信號質(zhì)量比將信號強度換算成水的體積V。利用公式(1)將溫度換算成孔徑(D)，如此便得到探針液體體積(V)對孔徑的變化V(D)[28]。

(1)

式中:KGT為經(jīng)驗常數(shù)，本文取水的KGT=58；D為孔徑，nm；ΔT為液體冰點變化值，K。

微分孔徑分布計算[28]如式(2)：

(2)

對數(shù)微分孔徑分布計算[28]如式(3)：

(3)

由核磁共振凍融法得到的孔體積隨孔徑的變化率(圖7)所示，兩塊樣品整體上均呈現(xiàn)多峰演化趨勢。第一個峰值出現(xiàn)在2～3nm孔徑范圍內(nèi)；第二個峰值出現(xiàn)在4～30 nm范圍內(nèi)；第三個峰值出現(xiàn)在60～100 nm范圍內(nèi)。4～50 nm范圍內(nèi)孔容占比較大，表明4～50 nm范圍內(nèi)的孔隙對頁巖總孔體積的貢獻較大。LD-3在2～3 nm范圍內(nèi)曲線幅度高于LD-5，表明LD-3孔徑為2～3 nm的孔隙略多于LD-5。兩塊樣品宏孔發(fā)育較差，以上結論與全孔徑表征結果一致。

圖7 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組 陸相頁巖基于核磁共振凍融法的孔體積變化率

4 討論

4.1 孔隙連通性特征

由圖8可知，兩塊樣品的NMRC孔徑分布曲線與MIP孔徑分布曲線具有相似的形態(tài)，但在孔徑小于20 nm范圍內(nèi)，MIP孔徑分布曲線幅度總體高于NMRC孔徑分布曲線幅度。一方面可能是由于存在較多的瓶頸孔和較低的核磁共振信號[14]；另一方面也可能是高的進汞壓力使原有的孔隙結構遭到破壞。LD-3樣品在20～50 nm范圍內(nèi)，兩曲線間幅度相差較小，表明20～50 nm范圍內(nèi)孔隙連通性較好；80～500 nm范圍內(nèi)，兩曲線振幅相差不大，表明該孔徑范圍內(nèi)孔隙連通性也較好，但由于樣品只發(fā)育少量宏孔，這一區(qū)間內(nèi)孔隙對連通性的貢獻較小(圖8a)。LD-5樣品在20～50 nm范圍內(nèi)，兩條孔徑分布曲線幅度相差也較小，表明LD-5樣品在20～50 nm范圍內(nèi)具有較好的孔隙連通性(圖8b)；孔徑大于50 nm范圍內(nèi)，兩曲線振幅相差較大，表明連通性較差。由全孔徑表征結果可知，4～50 nm的孔隙貢獻了大部分孔體積，是頁巖氣運移的主要流動空間。結合連通孔隙發(fā)育區(qū)間，認為20～50 nm范圍內(nèi)的孔隙是須家河組陸相頁巖主要的連通孔隙。

圖8 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖MIP和NMRC孔徑分布曲線對比

4.2 連通孔隙類型及其特征組合

孔隙類型、發(fā)育程度及其特征組合共同控制頁巖孔隙連通狀況[29]。不同類型孔隙內(nèi)部連通性因其形態(tài)、大小分布存在差異，因而對頁巖孔隙網(wǎng)絡連通性貢獻不同[13]。海相頁巖有機質(zhì)孔發(fā)育，通常出現(xiàn)“大孔套小孔”的情況，內(nèi)部連通性較好[30]。相較而言，陸相頁巖基本不發(fā)育有機質(zhì)孔，主要發(fā)育黏土礦物晶間孔。

掃描電鏡(FE-SEM)實驗結果表明，研究區(qū)須家河組頁巖主要發(fā)育黏土礦物晶間孔，零星發(fā)育粒內(nèi)溶孔，大多呈圓形；鮮見有機質(zhì)孔和黃鐵礦晶間孔 (圖9)。黏土礦物晶間孔呈層狀分布，內(nèi)部連通性較好，是頁巖氣的重要運移通道[8](圖9e,f)。粒內(nèi)溶孔大多孤立存在，內(nèi)部連通性差，對研究區(qū)頁巖儲層連通性貢獻較小(圖9b,d)。微裂縫發(fā)育，主要分布在脆性礦物內(nèi)部或黏土與脆性礦物交界處[13](圖9)。微裂縫延伸較長，可以連通各類各級孔隙，對陸相頁巖連通性具有重要作用[31]。

圖9 川西坳陷研究區(qū)三疊系須家河組陸相頁巖孔隙發(fā)育類型

除不同類型孔隙因其形態(tài)等方面的差異對頁巖連通性貢獻不同外，孔隙間的組合也能夠明顯增加頁巖儲層的孔隙連通性及連通路徑長度。各個類型孔隙通過某種方式相互連通構成頁巖內(nèi)流體流動的通道—縫網(wǎng)系統(tǒng)。由掃描電鏡照片可以觀察到，狹長的微裂縫溝通黏土礦物晶間孔構成的微裂縫—黏土礦物晶間孔組合是須家河組陸相頁巖最主要的連通孔隙組合類型(圖9e,f)。

4.3 微觀礦物組構對連通孔隙發(fā)育與分布的影響

礦物含量及排列方式控制連通孔隙發(fā)育與分布情況，進而影響頁巖儲層的孔隙連通性[32]。XRD分析結果表明，黏土礦物是研究區(qū)含量最高的礦物，其次為石英。

黏土礦物對陸相頁巖連通孔隙發(fā)育及分布起主要作用。一方面，黏土礦物發(fā)育大量層狀分布的晶間孔，具有較好的連通性；另一方面，黏土礦物與有機質(zhì)絡合形成有機—黏土復合體，有機質(zhì)充填在層狀黏土礦物晶間孔中，可以抵抗壓實作用對原生的黏土礦物晶間孔的破壞，黏土礦物晶間孔也為從有機孔中釋放出來的頁巖氣的運移提供了重要通道。對有機質(zhì)孔較為發(fā)育的頁巖層系，黏土礦物晶間孔與有機孔相連通，可大幅提高孔隙連通性[33]。

石英、長石等脆性礦物的存在，可以抵抗壓實，使黏土礦物晶間孔等原生孔隙得以較好保存[34]。此外，由于石英、長石等受壓易破裂且與黏土礦物存在形變差異，易在內(nèi)部及與黏土礦物交界處形成微裂縫。微裂縫連通各類各級孔隙，增加頁巖儲層連通性。

由圖9可知，黏土礦物與脆性礦物雜亂分布時，由于脆性礦物的支撐作用，黏土礦物晶間孔通常保存較好，且脆性礦物內(nèi)部及其與塑性黏土礦物接觸處形成的微裂縫溝通黏土礦物晶間孔，因此孔隙連通性較好(圖9b,d,e,f)。黏土礦物集合體內(nèi)部伴生的黃鐵礦碎屑可以形成顆粒支撐物，有利于原生黏土礦物晶間孔的保存，但黃鐵礦含量低，影響有限。因此，塑性黏土礦物由于缺少顆粒支撐，受壓實作用明顯，晶間孔不能很好保存，與黏土礦物—石英等脆性礦物基質(zhì)上發(fā)育的晶間孔相比，形態(tài)上通常呈針葉狀等孤立存在，孔徑明顯較小[35]，連通性一般(圖9a)。黏土礦物與有機質(zhì)絡合形成的黏土—有機質(zhì)復合體內(nèi)部，有機質(zhì)孔發(fā)育少且大部分孤立存在，有機孔與黏土礦物晶間孔不能較好地結合，因此有機孔—黏土礦物晶間孔組合連通性較差(圖9c)。

綜上，針對黏土礦物及石英等脆性礦物含量及排列方式等方面對陸相頁巖連通孔隙組合類型、分布樣式的影響，將陸相頁巖連通孔隙發(fā)育情況總結為以下3種潛在機制：

(1)黏土礦物與石英等脆性礦物共同發(fā)育的礦物基質(zhì)內(nèi)存在的層狀的黏土礦物晶間孔，其內(nèi)部連通性好，并與廣泛分布的微裂縫耦合，形成黏土礦物晶間孔—微裂縫的孔縫組合，是陸相頁巖主要的連通孔隙組合類型(圖10a)，連通性最好。

(2)黏土礦物集合體內(nèi)發(fā)育的黏土礦物晶間孔形狀不規(guī)則，連通性一般(圖10b)。

(3)有機質(zhì)—黏土復合體內(nèi)有機質(zhì)孔發(fā)育較少，且有機質(zhì)孔與黏土礦物晶間孔不能較好地連通孔隙網(wǎng)絡，因此該種復合體內(nèi)發(fā)育的有機孔—黏土礦物晶間孔組合連通性相對較差(圖10c)。

圖10 陸相頁巖連通孔隙系統(tǒng)潛在發(fā)育機制

5 結論

(1)川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組陸相頁巖孔隙發(fā)育類型多樣。中孔最為發(fā)育，貢獻了87.33%的孔體積和49.19%比表面積；微孔次之，貢獻了50.38%比表面積和9.72%孔體積；而宏孔較少發(fā)育，僅貢獻2.95%的孔體積和0.43%的比表面積。

(2)川西坳陷須家河組陸相頁巖孔隙連通性相對中等，20～50nm范圍內(nèi)的孔隙是須家河組陸相頁巖主要的連通孔隙。頁巖孔隙連通性特征是多尺度多類型的孔隙耦合的結果，其中黏土礦物晶間孔—微裂縫組合是須家河組陸相頁巖儲層主要的連通孔縫組合。

(3)陸相頁巖連通孔隙的分布和發(fā)育主要受黏土礦物和石英、長石等脆性礦物的影響，高含量的黏土礦物是發(fā)育層狀晶間孔的基礎，石英等脆性礦物的存在，抵抗壓實，使晶間孔等原生孔隙較好保存。黏土與石英等脆性礦物共同發(fā)育的礦物基質(zhì)形成的黏土礦物晶間孔—微裂縫組合連通性最好；黏土礦物集合體內(nèi)的黏土礦物晶間孔連通性次之；有機質(zhì)—黏土復合體內(nèi)的有機孔—黏土礦物晶間孔組合連通性較差。因此，石英等脆性礦物含量相對較高，并與黏土礦物無序分布的儲層是連通孔隙發(fā)育的優(yōu)質(zhì)層段。