陶金雨，申寶劍，胡宗全，潘安陽

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫 214126；2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，江蘇無錫 214126；3.國家能源頁巖油研發(fā)中心，江蘇無錫 214126；4.中國石化油氣成藏重點實驗室，江蘇無錫 214126；5.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，受到世界范圍的廣泛關(guān)注[1-3]。頁巖儲層評價和孔隙結(jié)構(gòu)評價一直是頁巖氣地質(zhì)評價選區(qū)、“甜點區(qū)”及建產(chǎn)核心區(qū)優(yōu)選的關(guān)鍵，對于實現(xiàn)頁巖氣高效開發(fā)具有重要意義[4-8]。頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)包括孔隙的孔徑、體積、比表面積、連通性等，影響著頁巖氣的富集[9-10]。中國廣西南盤江及桂中地區(qū)上古生界頁巖氣資源量巨大，約12.34×1012m3[11-13]，具有頁巖氣勘探開發(fā)的巨大潛力[14]。目前，桂中地區(qū)的非常規(guī)頁巖氣儲層研究多集中在宏觀的地質(zhì)條件評價及勘探前景[10-12,14]，儲集孔隙精細(xì)表征的研究尚處于空白狀態(tài)，對頁巖氣儲層的儲集孔隙評價很少。為了進一步推進桂中地區(qū)上古生界的頁巖氣勘探工作，通過巖心和野外樣品的觀察、全巖X 衍射、有機碳測定、孔隙度測試及低溫氮氣吸附等實驗手段，從野外采樣、巖心觀察、薄片鑒定及氬離子拋光掃描電鏡不同尺度上，明確研究區(qū)鹿寨組優(yōu)質(zhì)頁巖的物質(zhì)組成與儲集孔隙類型，對桂中地區(qū)鹿寨組頁巖氣儲集孔隙進行精細(xì)表征與評價，以期為今后的頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

桂中地區(qū)位于滇黔桂盆地東北部，地理位置上處于廣西中—北部，主體上處于揚子準(zhǔn)地臺南緣與華南加里東褶皺帶的結(jié)合部位[13-15]（圖1）。海西期由于古特提斯洋張開，桂中坳陷拉張下沉開始接受沉積，經(jīng)歷了多期裂陷和擠壓作用的演化，在中泥盆世—早石炭世裂陷階段，坳陷北部形成了河池—宜州裂陷槽。研究區(qū)位于桂中坳陷北部地區(qū)河池—宜州斷裂附近，地層出露下石炭統(tǒng)鹿寨組（C1lz），地層厚度37 ～ 550 m[12]。鹿寨組沉積的海相頁巖層系為主要的頁巖氣勘探開發(fā)層位，優(yōu)質(zhì)頁巖位于鹿寨組二段（圖2）。鹿寨組時期，該地區(qū)的主要巖性為灰黑色—黑色硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖，局部灰質(zhì)含量高，為一套較深水環(huán)境的沉積產(chǎn)物[11]（圖3）。

圖1 桂中坳陷北部位置與下石炭統(tǒng)鹿寨組綜合柱狀圖Fig.1 Location of northern part of middle Guangxi Depression and comprehensive histogram of Lower Carboniferous Luzhai Formation

圖2 桂中坳陷典型井鹿二段綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of C1lz2 in a typical well in middle Guangxi Depression

圖3 桂中坳陷北部不同尺度的鹿寨組頁巖照片F(xiàn)ig.3 Photos of shale at different scales of C1lz in northern part of middle Guangxi Depression

2 頁巖儲層的物質(zhì)組成

2.1 巖石學(xué)礦物學(xué)特征

桂北地區(qū)頁巖受控于獨特的“臺-槽-丘-盆”沉積體系，主要為淺水的碳酸鹽臺地與較深水的槽盆相間的沉積格局，屬于還原環(huán)境。研究區(qū)頁巖巖性多樣，以深灰—灰黑色薄層泥頁巖、硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖、碳質(zhì)頁巖為主，夾深灰色砂屑灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和粉砂巖，黃鐵礦富集。

通過全巖X 衍射測定實驗，研究區(qū)鹿寨組頁巖礦物組成以石英和黏土礦物為主，分別占46.36 %和33.49 %，其次為方解石、黃鐵礦、石膏、菱鐵礦及重晶石（圖4）。其中，石英礦物含量主要分布在30.8 % ～ 75.8 %，平均50.0 %；黏土含量主要分布在6.0% ～ 50.2%，平均26.4%；其次為方解石，平均含量19.7%。其他礦物成分占比均小于5%。通過鹿寨組頁巖Al-Fe-Mn 元素含量特征分析，結(jié)合掃描電鏡的觀察表明，桂中坳陷北部地區(qū)鹿寨組頁巖中的石英一部分來自陸源碎屑，一部分來源于生物作用（圖5）。研究區(qū)鹿寨組頁巖的脆性礦物含量較高，有利于頁巖氣的壓裂開發(fā)。

圖4 桂中坳陷北部鹿寨組頁巖礦物組分Fig.4 Mineral constituent of C1lz shale in northern part of middle Guangxi Depression

圖5 鹿寨組頁巖Al-Fe-Mn三角圖解Fig.5 Al-Fe-Mn triangular diagram of shale in C1lz

2.2 地球化學(xué)特征

根據(jù)研究區(qū)鉆井巖心鹿寨組底部頁巖的地球化學(xué)測試結(jié)果顯示，有機質(zhì)類型以腐泥組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，屬于II1型—II2型，總有機碳含量（TOC）分布為0.4%～6.6%，平均值2.5%，有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率（RO）分布在1.7 % ～ 3.9 %，平均值達到2.9 %，處于高成熟—過成熟的熱演化階段。

3 頁巖儲層微觀孔隙

頁巖的孔隙可分為大孔（直徑大于50 nm）、介孔（直徑介于2 ～ 50 nm）、微孔（直徑小于2 nm）[16]。通過普通巖石薄片和氬離子拋光掃描電鏡的觀察，桂北地區(qū)鹿寨組海相頁巖的儲層孔隙空間發(fā)育殘余粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)溶孔、黏土礦物層間孔和有機孔5種儲集孔隙類型（圖6）。

3.1 殘余粒間孔

由于成巖壓實與膠結(jié)作用的改造，下石炭統(tǒng)鹿寨組優(yōu)質(zhì)頁巖中發(fā)育粒間孔隙。但是多數(shù)粒間孔被瀝青充填，僅殘余少量粒間孔。殘余粒間孔一般分布于石英顆粒之間，而且大部分為生物成因的硅質(zhì)，而不是陸源的石英碎屑。殘余粒間孔的孔徑一般在60 ～ 500 nm，屬于納米級大孔，形態(tài)呈棱角狀，近三角形、多邊形，部分粒間孔壓實強烈，成狹長的條形分布（圖6a）。

3.2 粒內(nèi)溶孔

粒內(nèi)溶孔是在地下酸性水作用下，溶蝕長石及碳酸鹽等易溶礦物而產(chǎn)生的次生孔隙，主要分布在碳酸鹽顆粒內(nèi)部[17]。通過掃描電鏡的觀察，研究區(qū)鹿寨組優(yōu)質(zhì)頁巖中的粒內(nèi)溶孔的孔徑一般為50～130 nm，屬于納米級大孔，形態(tài)呈圓形和橢圓形，方解石中的溶蝕孔隙通常沿著解理發(fā)育（圖6b）。

圖6 桂中坳陷北部下石炭統(tǒng)鹿寨組頁巖SEM微觀孔隙Fig.6 SEM micropores of shale in C1lz of northern part of middle Guangxi Depression

3.3 黏土礦物層間孔

當(dāng)頁巖孔隙水呈堿性時，隨著埋深增加，蒙脫石在向伊利石轉(zhuǎn)化的過程中體積減小，從而產(chǎn)生微裂（孔）隙[18]。研究區(qū)鹿寨組優(yōu)質(zhì)頁巖廣泛發(fā)育黏土礦物層間孔，常平行于伊利石或者云母片層間，也有一些黏土礦物與黃鐵礦、石英或方解石顆粒雜亂堆積后，形成了支撐結(jié)構(gòu)從而有利于層間孔的保存。黏土礦物的層間孔呈線狀分布，寬度大小不一，主要分布在15 ～ 120 nm，也可見一些微米級大孔（圖6c）。部分層間孔被瀝青全充填、半充填，在充填的瀝青中同樣可見有機孔。

3.4 有機孔

通過本次樣品的觀察研究，發(fā)現(xiàn)桂中坳陷下石炭統(tǒng)鹿寨組優(yōu)質(zhì)頁巖層段發(fā)育有大量的有機孔，且其成因有兩種：遷移有機質(zhì)內(nèi)孔隙和原地有機質(zhì)內(nèi)孔隙（圖6d）。遷移有機質(zhì)（即瀝青）內(nèi)的有機孔，是指在石油充注階段的無機礦物孔隙（主要為粒間孔）被瀝青充填后，瀝青內(nèi)部發(fā)育的孔隙；原地有機質(zhì)內(nèi)的有機孔，是指成烴生物在演化過程中，其內(nèi)部沿著骨架支撐形成的孔隙[19-20]。研究區(qū)頁巖內(nèi)有機孔以遷移有機質(zhì)內(nèi)孔隙為主，原地有機質(zhì)內(nèi)孔隙少見。有機孔的孔徑分布范圍很廣，在8～2 400 nm，常見百納米級大孔，且孔隙內(nèi)連通性好。因為遷移有機質(zhì)內(nèi)的有機孔沒有無機礦物充填，也缺少地層水和無機礦物的膠結(jié)，因此，可為頁巖氣提供大量的儲集空間；而原地有機孔在演化過程中繼承了原始生物體組構(gòu)，孔隙多具有一定定向性，而且常伴隨無機礦物發(fā)育，因此，孔徑、孔隙分布與連通性均不如前者。

3.5 黃鐵礦晶間孔

鹿寨組海相頁巖富集大量的黃鐵礦，礦物含量最高可達18%。鏡下常見莓狀黃鐵礦集合體，直徑大多在3～10 μm，且晶間常被有機質(zhì)充填。研究區(qū)黃鐵礦晶間孔分布在22～ 544 nm，100 nm 左右的晶間孔最為常見（圖6e）。成巖早期的黃鐵礦內(nèi)晶間孔較大，伴隨成巖作用與熱演化過程，黃鐵礦晶粒不斷生長、成巖壓實不斷加劇，導(dǎo)致晶間孔減小。在油氣充注階段，當(dāng)瀝青進入黃鐵礦集合體后，黃鐵礦晶間也可見部分有機孔（圖6f）。

4 頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙評價

4.1 物性

桂中北部地區(qū)鹿寨組優(yōu)質(zhì)泥頁巖段（TOC＞2%）具有高石英、低黏土、低碳酸鹽礦物的組成特征。北美地區(qū)頁巖氣儲層孔隙度大部分分布在1%～10%，主要產(chǎn)層為2%～6%，滲透率一般小于0.1×10-3μm2。YY 井鹿寨組下段部分泥頁巖樣品破碎嚴(yán)重，碳質(zhì)含量高，本次研究采用無錫所自主研發(fā)的巖石樣品總體積測定系統(tǒng)，測定不規(guī)則頁巖樣品的孔隙度數(shù)據(jù)。結(jié)合前人發(fā)表的研究成果（表1）可知，研究區(qū)下石炭統(tǒng)優(yōu)質(zhì)頁巖的鉆井統(tǒng)計平均孔隙度在0.36 % ～5.83%，平均為2.91%，滲透率介于（0.000 38～0.134）×10-3μm2，平均為0.007 9×10-3μm2。部分樣品由于裂縫發(fā)育導(dǎo)致滲透率超過15×10-3μm2，突破壓力為12.51～47.90 MPa[21]。

表1 桂中坳陷北部下石炭統(tǒng)頁巖儲層物性數(shù)據(jù)平均值Table 1 Average values of physical properties of shale reservoirs in lower Carboniferous of northern part of middle Guangxi Depression

桂中坳陷北部地區(qū)具有低孔隙度、特低滲透率以及中等—好突破壓力的特點。可見桂中坳陷北緣下石炭統(tǒng)頁巖具有較好的儲集物性。

YY 井與GLD 井樣品測得的孔隙度范圍分別為0.5%～3.6%和0.9%～2.2%，明顯低于文獻值中該地區(qū)其他井位和剖面樣品的孔隙度。據(jù)推測，本次研究中樣品孔隙度偏低，可能是研究區(qū)位于宜山斷裂帶附近，局部地區(qū)的熱演化程度很高，導(dǎo)致有機質(zhì)炭化，基本不發(fā)育有機孔（圖3d）；在GLD井中常見多組硅質(zhì)巖脈和后期構(gòu)造改造所形成的構(gòu)造裂縫（圖7），裂縫均為全充填，過強的構(gòu)造運動破壞了原始的儲層結(jié)構(gòu)，使得頁巖內(nèi)孔隙連通性變差。

圖7 硅質(zhì)巖脈（GLD井C1lz，1 936.05 m）Fig.7 Siliceous vein（Well-GLD,C1lz,1 936.05 m）

4.2 儲層孔隙結(jié)構(gòu)

氮氣吸附實驗可以定量分析相對較小的頁巖孔隙特征[17]。通過N2吸附試驗可知（圖8），鹿寨組頁巖的具有一定的吸附能力，最大吸附量介于2.750 ～7.623 mL/g，平均5.763 mL/g。隨著總有機質(zhì)含量的增加，樣品的初始和最大吸附量明顯減小，滯后回環(huán)幅度明顯降低。大部分樣品的回環(huán)形態(tài)為H3 型，表明發(fā)育狹長形孔隙；樣品GLD46 的回環(huán)形態(tài)為H4型，表明樣品中多為微—介孔。結(jié)合氬離子拋光掃描電鏡的觀察，認(rèn)為鹿寨組頁巖孔隙空間的主要貢獻來自于黏土礦物層間孔和有機孔，局部發(fā)育黃鐵礦晶間孔。

圖8 桂中坳陷北部鹿寨組頁巖氮氣等溫吸附曲線Fig.8 Adsorption isotherm of shale in C1lz of northern part of middle Guangxi Depression

研究區(qū)鹿寨組頁巖微孔的孔體積平均為0.003 2 mL/g，約占總孔體積的32 %（表2）。介孔的孔體積所占比例最大，約44%，平均為0.004 5 mL/g；大孔的孔體積相對較小，平均為0.002 2 mL/g，約占總孔體積的24%。由此可見，鹿寨組頁巖儲層主要發(fā)育介孔，其次是微孔，大孔的貢獻率最低。根據(jù)IUPAC（國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會）分類的孔寬分布統(tǒng)計，鹿寨組頁巖樣品的孔徑集中在17 ～ 65 nm，以小于50 nm 的微孔和介孔為主，滲透率分布介于（0.38～1.15）×10-6μm2，孔隙連通性較差。

表2 桂中坳陷北部鹿寨組頁巖孔隙體積與比表面積統(tǒng)計Table 2 Statistics of pore volume and surface area of shale in C1lz of northern part of middle Guangxi Depression

頁巖中的吸附氣主要吸附在有機質(zhì)和礦物表面，吸附氣量主要與頁巖的比表面積有關(guān)（圖9）[26]。從氮氣吸附實驗的結(jié)果來看，鹿寨組頁巖樣品的吸附量較低，而且總有機碳含量越高，吸附量越低，比表面積越小，這與龍馬溪組頁巖明顯不同[19]?？傆袡C碳含量高的樣品多來自硅質(zhì)頁巖，大部分有機孔為介孔和微孔，孔隙的比表面積較小，吸附氣量較低。而總有機碳含量低的樣品大多為碳酸鹽礦物含量較高的鈣質(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，且樣品的熱成熟度很高，有機孔由于成巖壓實或有機質(zhì)裂解消耗而閉合，所以主要的孔隙貢獻來自于黏土礦物層間孔，多為線性分布的狹長形孔隙，而且局部發(fā)育微米級大孔，導(dǎo)致其孔隙比表面積大于有機孔，因此，吸附氣量反而大。

圖9 桂中坳陷北部鹿寨組頁巖氮氣最大吸附量與孔隙比表面積呈正相關(guān)關(guān)系Fig.9 Positive correlation between the maximum N2 adsorption and pores surface area of shale in C1lz of northern part of middle Guangxi Depression

4.3 儲層孔隙評價

桂中坳陷下石炭統(tǒng)鹿寨組頁巖儲層中，主要的儲集孔隙類型有殘余粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)溶孔、黏土礦物層間孔和有機孔5種。結(jié)合頁巖礦物成分、地球化學(xué)特征、孔隙的氬離子拋光掃描電鏡圖像分析、物性數(shù)據(jù)和氮氣低溫吸附實驗結(jié)果可知，主要貢獻者為黏土礦物層間孔、有機孔和黃鐵礦晶間孔。

黏土礦物層間孔受控于顆粒間填隙物、自生黏土礦物的類型和分布。在氮氣吸附實驗結(jié)果中，樣品YY3和YY28的比表面積和總孔容相對較高，但層間孔之間的連通性較差，與掃描電鏡觀測結(jié)果相對應(yīng)，滲透率介于（0.79～134.00）×10-6μm2，一些樣品的滲透率可以達到15.5×10-3μm2，說明在黏土層間孔中微裂縫發(fā)育。結(jié)合頁巖樣品的地球化學(xué)特征，這些樣品普遍具有熱演化程度高的特點，RO達到3.83%～4.05%，在掃描電鏡中還可觀察到一些收縮縫。隨著熱演化程度的增加，有機酸為伊利石化提供了大量鉀離子，使伊/蒙混層礦物轉(zhuǎn)化為伊利石[27]，在伊/蒙混層礦物中形成了納米級微孔—介孔。

鹿寨組頁巖儲層中的黃鐵礦晶間孔常與有機質(zhì)伴生，多被有機質(zhì)充填，內(nèi)部孔隙具有一定的連通性。高有機質(zhì)含量往往有利于頁巖儲層中有機孔和溶蝕孔的發(fā)育[28]。桂北地區(qū)鹿寨組頁巖的有機質(zhì)以腐泥組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，結(jié)合SEM 圖像可知，GLD 井頁巖樣品有機孔以遷移有機質(zhì)孔隙為主，原地有機質(zhì)內(nèi)部缺乏有機孔。氮氣吸附實驗中樣品GLD46 以微孔—介孔為主，具有較高的TOC，有機質(zhì)演化為高成熟晚期，一定程度上反映了有機孔的發(fā)育。但滲透率較低，平均不到1.0×10-6μm2，說明有機孔的連通性較差。

殘余粒間孔和粒內(nèi)溶孔在鹿寨組頁巖儲層中占比較少，受控于機械壓實、固體瀝青充填、化學(xué)充填、膠結(jié)等破壞性成巖作用。鹿寨組頁巖樣品普遍熱演化程度高，且埋深在1 800 ～ 3 100 m，隨著有機質(zhì)熱演化達到過成熟，有機質(zhì)被逐漸消耗，同時礦物的應(yīng)力擠壓作用進一步增強，孔隙多發(fā)生變形和閉合。此外，頁巖中硅質(zhì)膠結(jié)物主要來自礦物轉(zhuǎn)化作用，礦物的伊利石化等多個過程可以產(chǎn)生微晶石英，陸源石英常見自生或次生的加大邊，均可造成了儲層的進一步致密化[28]。

5 結(jié)論

1）桂中坳陷下石炭統(tǒng)鹿寨組頁巖主要為深灰—灰黑色薄層泥頁巖、硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖、碳質(zhì)頁巖，礦物組成由硅質(zhì)、黏土和碳酸鹽3種礦物組成，石英礦物含量平均為50.0 %，可識別出陸源石英和生物成因硅質(zhì)，黏土礦物含量平均為26.4%，其次為方解石，平均含量為19.7%。整體脆性礦物含量較高，具備良好的可壓裂性。

2）下石炭統(tǒng)鹿寨組頁巖儲層的儲集孔隙發(fā)育殘余粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)溶孔、黏土礦物層間孔和有機孔5種類型，其中主要的貢獻者為黏土礦物層間孔、有機孔和黃鐵礦晶間孔。鹿寨組頁巖中的有機孔以遷移有機質(zhì)孔隙為主，原地有機質(zhì)內(nèi)部缺乏有機孔。

3）下石炭統(tǒng)鹿寨組頁巖儲層的孔隙度分布在0.36%～5.83%，滲透率為（0.000 38～0.134）×10-3μm2，屬于低孔—特低滲—較好突破壓力的頁巖氣儲層。該套頁巖具有一定的吸附能力，介孔對頁巖儲層的貢獻最大，孔徑為17 ～ 65 nm，局部孔隙內(nèi)部具有一定的連通性。