中国南方海相页岩孔隙结构特征

摘要

我国南方古生界页岩成熟度高，页岩储层孔隙、裂隙类型多样，微米— 纳米级孔隙发育。正确认识页岩孔隙特征是研究上述地区页岩气赋存状态，储层性质与流体间相互作用，页岩吸附性、渗透性、孔隙性和气体运移等的基础。为此，采用观察描述和物理测试两类方法对南方海相页岩孔隙特征进行了研究：前者通过手标本、光学显微镜、扫描电镜、核磁共振光谱学法、小角度X射线散射法等手段直观描述页岩孔隙的几何形态、连通性和充填情况，统计孔隙优势方向和密度，拍摄照片等，以确定页岩成因类型；后者通过He孔隙率测定、压汞实验、低温液氮吸附、低温CO2吸附等方法定量测试页岩孔容、孔径大小及其分布、孔隙结构、比表面积等，以评价页岩含气性。结果表明：该区古生界页岩储层中纳米级孔隙以干酪根纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主，喉道呈席状、弯曲片状，孔隙直径介于10～1000nm ，主体范围为30～100nm ，纳米级孔隙是致密储层连通性储集空间的主体；按孔径大小，将页岩储集空间分为5种类型：裂隙（孔径大于10000nm） 、大孔（孔径介于1000 ～10000nm） 、中孔（孔径介于100～1000nm） 、过渡孔（孔径介于10～100nm） 、微孔（孔径小于10nm）。

国外已广泛利用氩离子抛光‐SEM 、纳米CT、FIBSEM等先进研究手段来对页岩储层进行大量的微观观测与分析，页岩之所以能够作为储层，是因为其中大量发育纳米级— 微米级孔隙。页岩储层非均质性极强，渗透率极低，天然气赋存状态、渗流方式有别于常规储层，大大推进了页岩储层描述表征技术进步，实现了页岩从烃源岩到储层的革命性转变。已有的研究成果表明：气体（流体）活动的体积大小依赖于孔隙的大小且存在于孔隙的中心部位，这个部位分子与分子之间以及分子与孔隙壁之间相互作用力的影响最弱；在孔径小于2nm 的孔隙内，CH4分子通常在孔隙壁作用力场影响下处于吸附状态，由于孔隙壁效应使得超临界CH4以结构化方式存在；直到孔径达到50nm，气体的热力学状态发生改变，分子才在孔隙中产生运动。正是这种纳米级孔隙的大量存在，特别是与微米级孔隙相连接的纳米级孔隙网络共同控制了页岩气的赋存和运移机理，以及由此导致的气体热力学状态的复杂性，使得页岩气成藏特征难以用传统的达西流模型很好地进行表述。页岩气主要以3种状态存在于页岩储层中：①以物理或化学的形式吸附在干酪根和黏土颗粒表面上；②以游离气的形式存在于有机质分解或其他成岩、构造作用所形成的孔隙或裂缝中；③少量页岩气甚至可以在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。其中，以游离态和吸附态为主，而孔隙大小则是决定其存在状态的关键：在较大孔隙中页岩气主要以游离方式储集在孔隙裂缝中，而在较小孔隙中页岩气通常以吸附状态为主。由此可见，孔隙度大小直接控制着游离态天然气的含量，而渗透率则是判断页岩气藏是否具有开发经济价值的重要参数，二者构成了页岩储层研究中最重要的2个参数。

1 页岩孔隙结构实验分析技术
目前，国内对于页岩储集空间的研究还处于探索阶段，很多实验分析技术均源自常规砂岩储层和煤储层，尚缺乏对页岩储集空间的系统认识。在页岩气勘探初始阶段，最有效的研究方法还是常规手段。根据实验过程与手段的不同可分为观察描述法和物理测试法两大类型：前者采用手标本、光学显微镜、扫描电镜、核磁共振光谱学法、小角度X射线散射法等手段，直观描述孔隙的几何形态、连通性和充填情况，统计孔隙优势方向和密度，拍摄照片等，以确定页岩成因类型；后者通过He 孔隙率测定、压汞实验、低温液氮吸附、低温CO2吸附等方法定量测试孔容、孔径大小及其分布，孔隙结构，比表面积等，以评价页岩含气性。

1.1 观察描述法
观察描述法中，核磁共振光谱学法观察孔径下限为0.3nm ，小角度X射线散射法观察孔径下限为0.2nm左右，能详细研究页岩微孔隙结构，但费用较高；光学显微镜观察孔径下限为1000nm，无法精确观察中小微孔隙；氩离子抛光— 扫描电镜法，观察孔径下限为2nm ，能较好观察孔隙的结构、形态特征。

观察描述法虽然能直观描述孔隙的几何形态、连通性和充填情况、统计孔隙优势方向和密度、拍摄照片等，但是对页岩孔隙结构和分布特征缺乏相应的检测手段，不能全面展现页岩储层的储集空间特征。

1.2 物理测试法
物理测试法最为常用，能够提供系统的孔隙特征信息（如孔隙度、比表面积、孔径、孔隙结构、孔隙类型等）。压汞法、低温注氮法等均基于传统API原理，先求样品真密度和视密度，然后计算页岩孔隙度，再根据压汞实验进汞量确定不同孔裂隙体积，最后分析孔隙特征及分布规律。常见方法有压汞、低温氮注入、低温二氧化碳注入和氦气注入等，其中，压汞测试下限较大，为3.6nm，甚至更大，难以反映页岩中孔隙分布与组合关系。低温注氮、低温注二氧化碳和低温注氦气，能够测试孔径下限为0.26nm，可以获取较为翔实的孔隙资料。从甲烷分子直径、岩石与气体间的作用等因素考虑，低温注氮法优势较大：①测试孔径小，最新研究数据显示其测试孔径下限已降到0.6nm；②氮气与岩石作用较甲烷小，无需做吸附校正。至于氦气注入，尽管测试孔径下限较小，但由于其中包括部分无效孔隙，不能准确评价孔隙特征。

尽管物理测试法在一定程度上弥补了页岩样品观察法的不足，但是其在运用中也存在以下问题。
1）预热导致页岩结构的破坏问题。在页岩样品预热过程中，水分的损失，产生干燥裂隙，都可能造成部分原生孔裂隙结构的破坏。

 

2）高压导致页岩结构的破坏问题。有研究表明，页岩压汞实验中压力大于70MPa时，可能造成孔裂隙张开与收缩，孔裂隙结构破坏较大。

3）分子过滤问题。组成页岩的颗粒直径一般较小，也就导致孔喉较小，这样在2个相对较大的孔隙之间，由于孔喉较小，如果测试气体直径大于孔喉，就难以通过，也就是部分孔隙会成为死孔（图1） 。

图1 　分子筛作用示意图

4）吸附差异性问题。黑色页岩中，除有机质外，黏土矿物等也对气体有一定的吸附能力，导致由岩石特性与气体之间的作用而产生测试误差问题，尽管在试验过程中可以通过实验条件、样品内表面积、气体成分等进行校正，但精度会受到影响。

5）压缩率恢复问题。在实验室条件下，模拟地下储层的地质状况，以恢复样品原始状态，就页岩常规孔隙度实验室测试分析模拟而言，低渗透率和储层应力条件难以实现。

2 实验及其结果分析
2.1 压汞实验
实验采用美国MICROMERITICS INSTRUMENT公司9310型压汞微孔测定仪，仪器工作压力介于0.0035 ～206.843MPa ，分辨率为0.1mm ，粉末膨胀仪容积为5.1669cm3，测定孔径下限为7.2nm ，计算机呈控点式测量，其中高压段（0.1655MPa ≤ p ≤206.843MPa）选取压力点36个，每点稳定时间2s ，每个样品的测试量为3g左右。

手选纯净页岩，统一破碎至2mm左右。上机前将样品置于烘箱中，在70～80 ℃ 的条件下恒温干燥12h ，然后装入膨胀仪中抽真空至p＜6.67Pa时进行测试。

2.2 压汞实验结果分析
页岩中孔隙空间可以分为有效孔隙空间和孤立孔隙空间两个部分，前者为气、液体能进入的孔隙，后者则为全封闭性的“死孔”，孔隙测试对页岩含气性评价作用重大。按照孔隙直径大小，可将页岩孔隙分为大孔隙、中孔隙、过渡孔隙和微孔隙等4类。此次压汞实验测试孔径下限为3.75nm ，基本上能够反应孔径大于3.75nm的孔裂隙的孔容、孔隙类型与分布、孔径结构等特征，但无法实现对孔径小于3.75nm的孔隙的分析与描述。

孔隙度是确定游离气含量和评价页岩渗透性的重要参数。页岩气储层通常具有低孔隙度（小于10%） ，低渗透率（小0.001mD）的特征。泥页岩中通常同时存在原生孔隙和次生孔隙，原生孔隙系统由十分微细的孔隙组成，形成了大量的内表面积，从而提供了潜在的吸附位置，以存储大量气体，但原生孔隙系统渗透率很低。研究区内17个下志留统龙马溪组泥页岩样品的压汞实验结果表明：龙马溪组黑色页岩孔隙度介于1.71%～12.75%，平均为4.71%，其频度多分布在孔隙度超过4.0% 的范围，占41.2%。相对于美国五大含气页岩3%～14%的孔隙度而言，研究区龙马溪组页岩孔隙度属于中等偏高。

从垂向上样品的分析结果看，等-1 、等27-22 、等27-13 、等27-7 、等27-1和R13-1孔隙度均大于4%，据此判断，四川盆地南部露头区龙马溪组底部约有70m厚的页岩层其孔隙度大于4%，按孔隙度大小分类可归为好的页岩气储层（图2） 。

 

 

图2 　龙马溪组黑色页岩样品压汞孔隙度结果图

研究结果发现，下志留统龙马溪组页岩样品中大孔所占比例介于1.1%～12.9%，平均为5.7%；中孔所占比例介于3.5%～43.4%，平均为13.8%；过渡孔所占比例介于30.1%～83.9%，平均为57.68%；微孔所占比例介于3.9% ～46.7%，平均为22.82%。孔隙以过渡孔为主（图3），微孔次之，两种孔隙合计所占比例介于61.4%～90.4%，平均为7。

2.3 低温液氮实验及结果分析
为进一步研究四川盆地南部龙马溪组泥页岩的孔隙大小分布特征，开展了孔隙大小精确度可达到0.35nm 的低温液氮实验。实验采用的设备为Autosorb‐1型比表面积孔径测定仪，测试结果表明（表1）：龙马溪

图3 　龙马溪组黑色泥页岩孔隙度分布图

组具有很小的孔隙直径，平均仅为7.055nm；低温液氮吸附等温线均呈现“板状环”，也反映出龙马溪组孔隙以微孔为主（孔径小于50nm） 。

3 页岩储层纳米级孔隙类型与大小
针对南方海相页岩开展了氩离子抛光‐SEM 观察研究，取得了良好效果（图4.5） 。研究结果表明：页岩储层中纳米级孔隙以干酪根纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主，喉道呈席状、弯曲片状，孔隙直径介于10～1000nm，主体范围为30～100nm，纳米级孔是致密储层连通性储集空间的主体。同时开展了页岩矿物学方面的研究，发现富含有机质的暗色、黑色泥页岩为最为有利的岩性，岩石组成：一般含30%～50%的黏土矿物、15%～25% 的粉砂质（石英颗粒）和4%～30%的有机质，但各地区页岩矿物组成有所差异，脆性矿物（石英等）含量高，有利于裂缝发育。黏土矿物是页岩中最主要的成岩矿物，平均含量达58%左右。黏土矿物具有由黏土晶层形成的层间微孔隙，这些微孔隙不仅增加了页岩的比表面积，而且为天然气提供了吸附的场所。

图4 　我国南方海相页岩分布区Z104 井龙马溪组页岩的粒间纳米级孔隙图

 

图5 　我国南方海相页岩区Z104 井龙马溪组页岩的干酪根内部的纳米级孔隙图

页岩储集空间实际上就是指页岩中的孔隙和裂隙空间。传统观点认为：裂隙、大孔、中孔隙直径较大，主要作为流体渗流运移通道，其中气体以游离态或溶解态为主；过渡孔、微孔隙直径较小，比表面积较大，具有较强的吸附能力，其中天然气主要以吸附态为主。目前，国内针对页岩孔隙结构的研究相对较少，对于孔隙的划分及不同孔隙中气体赋存方式还没有达成统一的认识。国外页岩气文献中提出一种分类方案，大孔（孔径超过1000nm） 、中孔（孔径介于100～1000nm） 、过渡孔（孔径介于2～100nm） 、微孔（孔径小于2nm） 。这种分类方案有一定的优势，结合了页岩的颗粒和孔隙特征，对微孔隙考虑充分。但结合当前国内的主要测试手段来看，测试小于2nm孔径的孔隙难度较大，因而这种划分方案可行性较小。

借鉴煤层孔隙研究的成果，笔者按孔径大小，将页岩储集空间分为5种类型：裂隙（孔径超过10000nm） 、大孔（孔径介于1000～10000nm） 、中孔（孔径介于100～1000nm） 、过渡孔（孔径介于10～100nm） 、微孔（孔径小于10nm） 。

4 结论
1）在页岩气勘探初始阶段，最有效的研究方法还是常规手段，根据实验过程与手段的不同可分为观察描述法和物理测试法两大类型：前者通过手标本、光学显微镜、扫描电镜、核磁共振光谱学法、小角度X射线散射法等手段直观描述孔隙的几何形态、连通性和充填情况，统计孔隙优势方向和密度，拍摄照片等，以确定页岩成因类型；后者采用He孔隙率测定、压汞实验、低温液氮吸附、低温CO2吸附等方法定量测试孔容、孔径大小及其分布、孔隙结构比表面积等，以评价页岩含气性。

 

2）页岩储层中纳米级孔隙以干酪根纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主，喉道呈席状、弯曲片状，孔隙直径介于10～1000nm ，主体范围为30～100nm ，纳米级孔是致密储层连通性储集空间的主体。按孔径大小，将页岩储集空间分为5种类型：裂隙（孔径超过10000nm） 、大孔（孔径介于1000～10000nm） 、中孔（孔径介于100～1000nm） 、过渡孔（孔径介于10～100nm） 、微孔（孔径小于10nm） 。

 

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