姜秉仁，鄧恩德，楊通保，韓明輝，馬子杰

1.貴州省煤層氣頁(yè)巖氣工程技術(shù)研究中心，貴陽(yáng) 550016；2.貴州盤江煤電集團(tuán)技術(shù)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081；3.貴州省煤田地質(zhì)局，貴陽(yáng) 550081

頁(yè)巖氣是一種主要以吸附態(tài)、游離態(tài)等方式賦存于暗色泥頁(yè)巖中的非常規(guī)天然氣[1-2]，相較于石油和煤等化石燃料，頁(yè)巖氣具有能量密度大、熱值較高和燃燒產(chǎn)物清潔等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種清潔能源[3-4]。自2009年實(shí)施第一口頁(yè)巖氣參數(shù)井以來，我國(guó)頁(yè)巖氣逐步進(jìn)入實(shí)質(zhì)性勘探開發(fā)階段，上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖氣在重慶涪陵、四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)等地區(qū)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)，上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組陸相頁(yè)巖氣在鄂爾多斯盆地實(shí)施的多口鉆井中獲得工業(yè)氣流[5-6]。貴州地區(qū)震旦系至三疊系發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系，目前開展的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)研究工作層系主要為志留系龍馬溪組和二疊系龍?zhí)督M[7-8]，在黔北正安頁(yè)巖氣區(qū)塊獲得海相龍馬溪組頁(yè)巖氣工業(yè)氣流突破，在黔北金沙和黔西盤縣等地區(qū)獲得海陸過渡相龍?zhí)督M良好含氣顯示。

石炭系舊司組作為貴州省頁(yè)巖氣賦存的主要層系之一，在黔西地區(qū)廣泛發(fā)育，資源潛力較大[9]。六盤水市鐘山區(qū)水頁(yè)1井在鉆至舊司組時(shí)見到良好的頁(yè)巖氣顯示，對(duì)含氣異常層段進(jìn)行試氣，日產(chǎn)氣量高達(dá)20 000 m3；六盤水市高新區(qū)黔水地1井在未經(jīng)壓裂改造的情況下獲得了穩(wěn)定頁(yè)巖氣流[10]，均顯示出該地區(qū)石炭系具有良好的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)潛力。目前針對(duì)石炭系舊司組頁(yè)巖氣賦存機(jī)理及成藏特征開展研究工作較少，主要圍繞舊司組沉積環(huán)境、有機(jī)地化特征、有利區(qū)優(yōu)選及勘探潛力等方面進(jìn)行了少量研究工作[11-12]，缺少對(duì)舊司組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育特征、含氣特點(diǎn)及含氣性影響因素方面的系統(tǒng)研究。本文以黔西地區(qū)石炭系舊司組鉆井巖心樣品及野外露頭樣品為研究對(duì)象，基于有機(jī)地球化學(xué)、X-射線衍射(XRD)、覆壓孔滲、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、液氮吸附、含氣量現(xiàn)場(chǎng)解吸和高壓等溫吸附等實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段，獲取頁(yè)巖氣發(fā)育地質(zhì)特征參數(shù)，分析頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)特征，并探討泥頁(yè)巖含氣性影響因素，以期豐富石炭系頁(yè)巖氣發(fā)育地質(zhì)理論，為研究區(qū)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

黔西地區(qū)地處揚(yáng)子板塊西南緣，構(gòu)造上褶皺和斷裂較為發(fā)育，褶皺主要為隔擋式褶皺，展布方向以北西向?yàn)橹?，斷裂展布方向主要為北東向和北西向[13]。舊司組主要分布于貴州省西部地區(qū)，沉積環(huán)境在面上呈現(xiàn)出過渡變化的特點(diǎn)，沿北西方向至南東方向由陸相、海陸過渡相轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｏ?，主要表現(xiàn)為5種沉積相，分別為潟湖相、沼澤相、濱岸相、淺水陸棚相和深水陸棚相[14-15]。在此沉積環(huán)境下，廣泛發(fā)育了一套厚度變化較大的地層，厚度主要介于0～992 m；地層巖性多樣，主要為碳質(zhì)頁(yè)巖、深灰色頁(yè)巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，偶夾硅質(zhì)頁(yè)巖及煤層/煤線，巖性在縱向上呈現(xiàn)出“碳質(zhì)頁(yè)巖、泥頁(yè)巖、砂巖”頻繁交替出現(xiàn)的特征，儲(chǔ)層縱向上表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性，黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖較為發(fā)育，累計(jì)厚度變化較大，主體介于30～100 m之間(圖1)。

圖1 黔西地區(qū)研究區(qū)石炭系舊司組頁(yè)巖厚度等值線及采樣位置

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

此次研究的實(shí)驗(yàn)樣品采集于研究區(qū)內(nèi)實(shí)施的頁(yè)巖氣參數(shù)井SY1井、LY1井、QY2井的巖心及少量的野外地質(zhì)調(diào)查露頭樣品，巖性主要為黑色、灰黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。

干酪根顯微組分鑒定和鏡質(zhì)體反射率均使用Scope.A1型顯微光度計(jì)，有機(jī)碳含量的測(cè)定使用CS230型碳硫分析儀和YQ-VII油氣顯示評(píng)價(jià)儀，礦物組成分析使用X'Pert Powder型X-射線衍射儀，孔隙度滲透率測(cè)試使用POWER-PDP-200型覆壓孔隙度滲透率測(cè)量?jī)x，場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)實(shí)驗(yàn)使用ZEISS公司的MERLIN COMPACT型場(chǎng)發(fā)射掃面電鏡，液氮吸附實(shí)驗(yàn)使用TriStar3020型低溫氮吸附儀，高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)使用GAI-100型高壓氣體等溫吸附儀，所有測(cè)試分析工作均是依照相關(guān)國(guó)標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成的。

3 頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)特征

3.1 有機(jī)地球化學(xué)

泥頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)主要包括有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)。頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)既是頁(yè)巖氣的物質(zhì)來源，又是吸附態(tài)烴類氣體的重要吸附介質(zhì)，其類型影響生烴強(qiáng)度和烴類狀態(tài)。有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖生烴潛力重要指標(biāo)，有機(jī)碳含量越高生烴潛力越強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)成熟階段與烴類的狀態(tài)和產(chǎn)量密切相關(guān)[16]。

干酪根顯微組分鑒定結(jié)果顯示，顯微組分以殼質(zhì)組為主，含量大于50%，其次為腐泥組和鏡質(zhì)組，及少量的惰質(zhì)組；干酪根類型指數(shù)(TI)計(jì)算方法結(jié)果顯示，TI介于-10～86之間，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，并有少量Ⅰ型和Ⅲ型，表明有機(jī)質(zhì)母質(zhì)主要來源于海相的低等生物。當(dāng)TOC含量大于1.00%時(shí)，頁(yè)巖氣具備聚集成藏的條件[17]。對(duì)舊司組泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量測(cè)試，結(jié)果顯示，TOC含量介于0.76%～4.16%之間，平均為1.86%，主體上介于1%～4%之間，其中TOC含量大于1%的樣品數(shù)占樣品總數(shù)的88.46%，TOC含量大于2%的樣品數(shù)占樣品總數(shù)的57.69%；LY1井縱向上隨深度的增加TOC呈增大的趨勢(shì)(圖2)，整體而言舊司組TOC含量較高，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段位于下部，具備良好的頁(yè)巖氣發(fā)育條件。通過測(cè)定有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Ro)來反映有機(jī)質(zhì)成熟度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Ro介于1.69%～3.16%之間，平均為2.36%，主體上在2.00%～3.00%范圍內(nèi)，處于過成熟早期階段，Ⅱ型干酪根在過成熟階段進(jìn)入生干氣高峰期[18]，表明舊司組生成氣態(tài)烴的能力較強(qiáng)。

圖2 黔西地區(qū)LY1井TOC含量隨深度變化特征

3.2 礦物組成

通過X-射線衍射實(shí)驗(yàn)分析泥頁(yè)巖樣品礦物組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，泥頁(yè)巖礦物成分主要為石英和黏土礦物，少量的長(zhǎng)石、方解石和黃鐵礦(圖3a)。其中石英含量最高，介于22.11%～67.00%之間，平均為50.62%；黏土礦物含量介于26.00%～54.53%之間，平均為39.20%；長(zhǎng)石含量介于0～16.82%之間，平均為4.49%；方解石含量介于0～22.43%，平均為3.96%；黃鐵礦含量介于0～5.00%，平均為1.73%。整體而言，泥頁(yè)巖礦物組成中脆性礦物含量較高，有利于頁(yè)巖氣開發(fā)過程中的壓裂改造。

黏土礦物成分中伊利石含量最高，其次為蒙脫石和綠泥石，及一定量的高嶺石和伊/蒙混層(圖3b)。其中伊利石含量介于12.90%～67.00%，平均為40.79%；蒙脫石含量介于0～55.56%，平均為20.33%；綠泥石含量介于0～47.83%，平均為19.73%；高嶺石含量介于0～43.48%，平均為10.96%，伊/蒙混層含量介于0～34.00%，平均為8.19 %。蒙脫石在堿性和高溫條件下向伊利石和綠泥石轉(zhuǎn)化，伊利石為富含K+的水介質(zhì)環(huán)境、綠泥石為富含F(xiàn)e2+和Mg2+的水介質(zhì)環(huán)境，表明舊司組沉積時(shí)期及埋藏成巖過程中總體上為堿性高溫環(huán)境，有利于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的富集和保存[19-20]。

圖3 黔西地區(qū)研究區(qū)石炭系舊司組礦物成分特征

脆性指數(shù)是反映頁(yè)巖可壓裂性的一個(gè)直觀指標(biāo)，泥頁(yè)巖礦物成分中的石英、長(zhǎng)石、方解石等脆性礦物在外力作用下極易產(chǎn)生裂縫，有利于頁(yè)巖氣的開發(fā)。參考中國(guó)海相頁(yè)巖氣礦物組分脆性指數(shù)方法[21]計(jì)算舊司組泥頁(yè)巖樣品的脆性指數(shù)，公式如下：

式中:BRIT為脆性指數(shù)；V石英為石英含量；V長(zhǎng)石為長(zhǎng)石含量；V碳酸鹽礦物為方解石、白云石等碳酸鹽礦物含量；V全部礦物為所有礦物含量之和。通過上述脆性指數(shù)公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)樣品脆性指數(shù)，結(jié)果顯示舊司組泥頁(yè)巖樣品脆性指數(shù)介于44.52%～71.00%之間，平均為59.07%，脆性指數(shù)整體較高，有利于頁(yè)巖氣開發(fā)時(shí)進(jìn)行壓裂改造。

3.3 儲(chǔ)集物性

3.3.1 孔隙度和滲透率

使用覆壓孔滲方法測(cè)試舊司組頁(yè)巖的孔隙度和滲透率，測(cè)試的樣品均取自參數(shù)井富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，頁(yè)巖有效孔隙度介于0.96%～4.21%之間，平均為2.15%，滲透率介于(0.002 18～0.190 01)×10-3μm2之間，平均為0.099 87×10-3μm2，頁(yè)巖的孔隙度和滲透率均非常低，表現(xiàn)為特低孔、特低滲儲(chǔ)層，有機(jī)質(zhì)生成的烴類氣體較難運(yùn)移，有利于頁(yè)巖氣的富集與保存。

3.3.2 微觀孔隙類型

泥頁(yè)巖的微觀孔隙不僅能為烴類氣體提供大量的儲(chǔ)集空間，而且對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能有重要影響[22]。近年來，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙類型進(jìn)行了研究，對(duì)孔隙類型的劃分及成因進(jìn)行分析探討，其中孔隙分類方案最具代表性的有SLATT和O'BRIEN六分法[23-25]。為研究黔西地區(qū)石炭系舊司組泥頁(yè)巖微觀孔隙類型，筆者采用氬離子拋光儀對(duì)樣品進(jìn)行處理，使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡定性分析泥頁(yè)巖微觀孔隙特征。在結(jié)合前人研究成果的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)泥頁(yè)巖微觀孔隙劃分為4類：粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫(圖4)。

粒間孔和粒內(nèi)孔在石炭系舊司組泥頁(yè)巖中最為發(fā)育。粒間孔通常發(fā)育在礦物顆粒與礦物顆粒接觸的位置，主要有脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、方解石等)之間的孔隙(圖4a,c,e)、脆性礦物與黏土礦物間的孔隙(圖4b)、黏土礦物絮狀物間產(chǎn)生的孔隙(圖4b)，微觀孔隙形態(tài)各異。粒內(nèi)孔通常形成于礦物顆粒內(nèi)部，在成巖過程和后期構(gòu)造作用均能產(chǎn)生粒內(nèi)孔，在鏡下可觀察到礦物內(nèi)部產(chǎn)生的粒內(nèi)孔(圖4a,b,d)、草莓狀黃鐵礦晶體形成過程產(chǎn)生的粒內(nèi)孔(圖4c)、礦物的溶蝕作用下產(chǎn)生的溶蝕孔(圖4f)。

有機(jī)質(zhì)在生成烴類氣體的過程中會(huì)在有機(jī)質(zhì)表面產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)氣泡孔，鏡下可觀察到大量的有機(jī)質(zhì)氣泡孔(圖4d,e)，表明石炭系舊司組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖具有較強(qiáng)的生烴潛力，同時(shí)，有機(jī)質(zhì)孔的大量發(fā)育也為烴類氣體賦存提供充足的空間。此外，在成巖和后期改造過程中會(huì)產(chǎn)生大量的微裂縫，鏡下可觀察到微裂縫較為發(fā)育(圖4a,e,f)，微裂縫的發(fā)育能夠?yàn)橛蜌馓峁┐鎯?chǔ)空間及運(yùn)移通道，同時(shí)有利于頁(yè)巖氣的成藏及后期壓裂改造。

圖4 黔西地區(qū)舊司組泥頁(yè)巖樣品場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下微觀孔隙類型及特征

3.3.3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)

泥頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括比表面積、總孔體積及平均孔徑等，通過液氮吸附實(shí)驗(yàn)研究舊司組泥頁(yè)巖樣品的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。頁(yè)巖的比表面積和總孔體積分別采用BET方程、BJH法計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，舊司組泥頁(yè)巖的平均孔徑介于3.15～7.68 nm之間，平均為4.88 nm，以中孔為主；BET比表面積介于10.853～30.287 m2/g之間，平均為19.251 m2/g，孔體積介于0.007 8～0.031 3 m3/g之間，平均為0.0204m3/g(表1)，可以看出，泥頁(yè)巖的比表面積較大，能夠?yàn)槲綒獾馁x存提供大量的場(chǎng)所。

表1 黔西地區(qū)舊司組泥頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.4 泥頁(yè)巖含氣性

泥頁(yè)巖含氣性能是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏潛力大小的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)、有利區(qū)優(yōu)選、資源量預(yù)測(cè)及計(jì)算至關(guān)重要[26-27]。泥頁(yè)巖含氣性參數(shù)主要通過現(xiàn)場(chǎng)解吸、等溫吸附等方法獲取?，F(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得鉆井巖心樣品的總含氣量，是評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖含氣性最為直觀的一個(gè)參數(shù)，總含氣量由解吸氣量、損失氣量及殘余氣量三部分組成[28]。等溫吸附實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行Х从衬囗?yè)巖的吸附性能，通過飽和吸附氣量來予以度量，飽和吸附氣量越大吸附性能越好。

3.4.1 現(xiàn)場(chǎng)解吸

現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)的泥頁(yè)巖樣品均取自參數(shù)井巖心，樣品到達(dá)地面及時(shí)裝罐，減少在空氣中暴露的時(shí)間。解吸氣量均是在鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用儀器測(cè)得，泥頁(yè)巖樣品裝罐后開始解吸，解吸初期定以5 min間隔記錄解吸氣量，隨著解吸氣量減少逐步延長(zhǎng)記錄時(shí)間的間隔，連續(xù)解吸8 h后可根據(jù)解吸氣量的大小適當(dāng)調(diào)整時(shí)間間隔，當(dāng)解吸氣量變化很細(xì)微的時(shí)候，結(jié)束解吸，獲取解吸氣量；通過USBM法直線趨勢(shì)擬合法獲取損失氣量；最后將樣品送至實(shí)驗(yàn)室獲取殘余氣量(圖5)。對(duì)研究區(qū)內(nèi)實(shí)施的SY1井、LY1井、QY2井3口頁(yè)巖氣參數(shù)井巖心樣品開展含氣量現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，舊司組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)解吸總含氣量介于1.37～2.94 m3/t之間，平均為1.95 m3/t(表2)，整體顯示出較高的含氣量，達(dá)到頁(yè)巖氣工業(yè)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)[29]。

表2 黔西地區(qū)石炭系舊司組泥頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)解吸總含氣量

圖5 泥頁(yè)巖含氣量現(xiàn)場(chǎng)解吸測(cè)試流程

3.4.2 等溫吸附

通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)分析舊司組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的吸附能力大小，一定程度上模擬泥頁(yè)巖樣品對(duì)甲烷氣體的吸附能力[30]。此次等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度為30 ℃，共測(cè)試8個(gè)平衡點(diǎn)，最大壓力為13 MPa，吸附介質(zhì)為甲烷氣體。通過實(shí)驗(yàn)獲取每個(gè)壓力對(duì)應(yīng)的吸附氣量數(shù)據(jù)，將壓力和吸附氣量使用Langmuir方程曲線擬合(圖6)，獲得飽和吸附氣量。結(jié)果顯示，舊司組泥頁(yè)巖的飽和吸附氣量介于1.58～4.52 m3/t之間，平均為3.10 m3/t，Langmuir壓力介于1.76～2.55 MPa之間，平均為1.99 MPa，吸附氣量總體上較高。從實(shí)驗(yàn)樣品的等溫吸附和有機(jī)碳含量測(cè)試結(jié)果可以看出(圖6)，TOC含量越高，吸附氣量越大。如樣品JS-7至JS-12，隨著TOC含量降低，吸附氣量呈變小的趨勢(shì)，表現(xiàn)出舊司組泥頁(yè)巖對(duì)烴類氣體具備較強(qiáng)的吸附能力，且與TOC含量呈良好的正相關(guān)性。

圖6 黔西地區(qū)舊司組泥頁(yè)巖樣品等溫吸附曲線

4 泥頁(yè)巖含氣性影響因素

泥頁(yè)巖的含氣性影響因素較多，主要包括有機(jī)地化特征、礦物成分、儲(chǔ)集物性、孔隙結(jié)構(gòu)等[31-32]。此次研究通過分析有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、黏土礦物和石英、孔隙度、平均孔徑、比表面積、總孔體積等參數(shù)與泥頁(yè)巖飽和吸附氣量之間的關(guān)系，探討泥頁(yè)巖含氣性的影響因素。

4.1 有機(jī)碳含量

泥頁(yè)巖中有機(jī)碳含量對(duì)泥頁(yè)巖吸附氣量具有直接的影響，同時(shí)也是影響總含氣量最主要的因素，兩者表現(xiàn)出很好的正相關(guān)性[31-32]。通過對(duì)舊司組泥頁(yè)巖樣品測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明(圖7)，飽和吸附氣量隨著TOC含量的增加呈增大的趨勢(shì)，兩者具有良好的正相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)R2達(dá)0.909 1；同時(shí)，結(jié)合表2中現(xiàn)場(chǎng)解吸總含氣量數(shù)據(jù)分析與TOC含量的關(guān)系，可以看出隨著TOC含量增加，泥頁(yè)巖的總含氣量表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且兩者正相關(guān)性較好(圖7)。整體而言，TOC含量對(duì)舊司組泥頁(yè)巖含氣性具有重要影響，同時(shí)有部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)未遵循上述遞增規(guī)律?？梢?，TOC含量并不是唯一影響因素，還存在其他因素對(duì)泥頁(yè)巖含氣性產(chǎn)生影響。圖7中兩條擬合曲線交叉點(diǎn)處TOC含量約為2.5%，TOC含量大于2.5%的區(qū)間，泥頁(yè)巖總含氣量約大于2 m3/t、飽和吸附氣量約大于3 m3/t；TOC含量小于2.5%的區(qū)間，總含氣量和飽和吸附氣量相對(duì)偏低。總體而言，TOC含量為2.5%可以作為預(yù)測(cè)研究區(qū)舊司組頁(yè)巖氣勘探開發(fā)甜點(diǎn)層段的界限值。

圖7 黔西地區(qū)舊司組泥頁(yè)巖TOC含量與飽和吸附氣量、總含氣量關(guān)系

4.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)對(duì)吸附氣量大小同樣存在一定的影響，但看法不一。有研究認(rèn)為，隨著Ro的增加，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)熱演化生烴從而產(chǎn)生大量納米級(jí)孔隙，導(dǎo)致比表面積增加，吸附能力也隨之增加[32-33]。通過舊司組泥頁(yè)巖TOC含量、Ro與吸附氣量關(guān)系圖(圖8)分析可知，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)Ro與吸附氣量表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，可能是由于有機(jī)質(zhì)生成烴類氣體時(shí)產(chǎn)生了大量的納米級(jí)孔隙，提供更多的吸附介質(zhì)；但是，可以觀察到一些數(shù)據(jù)點(diǎn)Ro雖高但吸附氣量較低，結(jié)合TOC數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮，發(fā)現(xiàn)隨著Ro的增加，TOC含量逐步降低，這可能是由于有機(jī)質(zhì)成熟度的增加只形成了少量的有機(jī)質(zhì)孔隙，并未改善有機(jī)質(zhì)的吸附能力，而TOC的下降卻使得泥頁(yè)巖的吸附能力快速降低，從而使一些實(shí)驗(yàn)樣品表現(xiàn)出高Ro、低TOC含量、低吸附氣量的特征。

圖8 黔西地區(qū)舊司組泥頁(yè)巖TOC含量、Ro與吸附氣量關(guān)系

4.3 礦物成分

礦物成分是影響泥頁(yè)巖吸附氣量的另一個(gè)重要因素，礦物成分對(duì)泥頁(yè)巖吸附氣量的影響主要體現(xiàn)在黏土礦物含量的影響。通過黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸附氣量的關(guān)系(圖9)可以看出，泥頁(yè)巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小與泥頁(yè)巖吸附氣量大小呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)性，整體上表現(xiàn)為黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，吸附氣量越大。石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸附氣量大小呈現(xiàn)出較低的負(fù)相關(guān)性，隨著石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，吸附氣量呈減小的趨勢(shì)，但相關(guān)性不是很明顯，說明石英含量對(duì)吸附氣量大小影響較小。通過對(duì)舊司組泥頁(yè)巖石英含量與TOC含量相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者無(wú)明顯相關(guān)性(圖9b)，說明該樣品中的石英來源以陸源碎屑為主[34]。等溫吸附實(shí)驗(yàn)的泥頁(yè)巖樣品礦物組成中脆性礦物含量較高，脆性指數(shù)介于53.00%～69.00%之間，平均為60.50%，反映舊司組泥頁(yè)巖脆性較好，有利于后期壓裂改造。

圖9 黔西地區(qū)石炭系舊司組泥頁(yè)巖黏土礦物、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸附氣量關(guān)系

4.4 孔隙度

泥頁(yè)巖的孔隙度不僅影響泥頁(yè)巖的總含氣量，而且對(duì)吸附氣量也存在一定的影響。通過孔隙度與吸附氣量的關(guān)系(圖10)可以看出，隨著孔隙度的增大，泥頁(yè)巖吸附氣量呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，兩者表現(xiàn)出較好的正相關(guān)性，可能是由于泥頁(yè)巖孔徑主要分布在5 nm以內(nèi)的中孔，孔隙度增加說明了巖石比表面積隨之增加，可為吸附氣提供更多的吸附表面。

圖10 黔西地區(qū)石炭系舊司組泥頁(yè)巖孔隙度與吸附氣量關(guān)系

4.5 孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

泥頁(yè)巖的微觀孔隙既能為頁(yè)巖氣提供大量的存儲(chǔ)空間，又能增強(qiáng)泥頁(yè)巖對(duì)烴類氣體的吸附能力。從平均孔徑、比表面積、總孔體積與吸附氣量關(guān)系圖(圖11)中可以看出，泥頁(yè)巖平均孔徑與比表面積呈負(fù)相關(guān)性，平均孔徑越小，比表面積越大，大量發(fā)育的納米級(jí)孔隙能夠提供更大的比表面積；平均孔徑與吸附氣量呈負(fù)相關(guān)性，說明孔徑越小越有利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集；泥頁(yè)巖比表面積、總孔體積與吸附氣量呈正相關(guān)性，表明泥頁(yè)巖的比表面積和總孔體積越大，能夠?yàn)槲綒馓峁└蟮馁x存空間，泥頁(yè)巖的吸附氣量越高。

圖11 黔西地區(qū)石炭系舊司組泥頁(yè)巖孔徑結(jié)構(gòu)參數(shù)與吸附氣量關(guān)系

5 結(jié)論

(1)黔西地區(qū)石炭系舊司組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，有機(jī)碳含量較高(TOC含量主體上介于1.00%～4.00%之間)，有機(jī)質(zhì)處于過成熟早期階段，頁(yè)巖氣發(fā)育潛力較大；礦物成分以石英和黏土礦物為主，脆性礦物含量高，有利于后期的壓裂改造。

(2)研究區(qū)石炭系舊司組為特低孔、特低滲儲(chǔ)層，微觀孔隙類型包括粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫4類，微觀孔隙以中孔為主；比表面積和總孔體積較大，平均孔徑較小，有利于頁(yè)巖氣的富集與保存。

(3)泥頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)解吸總含氣量較高，介于1.37～2.94 m3/t之間，平均為1.95 m3/t，均達(dá)到工業(yè)開發(fā)的最低標(biāo)準(zhǔn)；等溫吸附實(shí)驗(yàn)揭示泥頁(yè)巖吸附能力較強(qiáng)，吸附氣量介于1.58～4.52 m3/t之間，平均為3.10 m3/t，總體上顯示出良好的含氣性。

(4)泥頁(yè)巖吸附氣量與有機(jī)碳含量及黏土礦物含量呈良好的正相關(guān)。泥頁(yè)巖孔隙度越大，泥頁(yè)巖吸附氣量越大；泥頁(yè)巖的吸附氣量與泥頁(yè)巖比表面積、總孔體積呈正相關(guān)，比表面積和總孔體積越大，吸附氣量越高；泥頁(yè)巖吸附氣量與平均孔徑呈負(fù)相關(guān)，說明孔徑越小的納米級(jí)孔隙越有利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集。

(5)研究區(qū)石炭系舊司組下部層段泥頁(yè)巖具有TOC含量較高、現(xiàn)場(chǎng)解吸總含氣量和飽和吸附氣量較大、脆性較好的特點(diǎn)，是舊司組頁(yè)巖氣勘探開發(fā)潛在的優(yōu)質(zhì)甜點(diǎn)層段。