川东南地区志留系龙马溪组页岩微观孔隙结构特征

单中强，王 馨，王庆之

(中石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏 南京 210011)

0 引言

页岩气是一种非常规天然气，主体位于暗色泥页岩或高炭泥页岩中，以游离态储存在页岩孔隙和天然裂缝中，以吸附态存在于干酪根和黏土颗粒表面，或以溶解态存在于干酪根和沥青质中，具有典型的自生自储、近原地成藏富集的特点。由于川东南地区页岩气的勘探仍处于初期阶段，页岩气资源评价的难度较大(张金川等，2004;蒋裕强等，2010;刘树根等，2011;陈文玲等，2013;Curtis，2002)。因此，进一步研究并揭示龙马溪组页岩的孔隙结构特征，对评价川东南地区页岩储气性能、揭示页岩气富集规律具有理论和实践意义。

1 地质背景

川东南地区在大地构造上属于扬子准地台上扬子台内坳陷构造单元，具有地层抬升较高、构造挤压强烈、高陡构造发育等特点，该地区下古生界为连续沉积。区内下志留统龙马溪组下部为富含笔石化石的黑色炭质页岩，有机质类型多为I型，是良好的烃源岩，厚度可达150 m(左中航等，2012;王正和等，2013;周德华等，2013)。页岩气勘探开发潜力较大。

2 页岩储集空间类型及组合模式

2.1 页岩储集空间类型

岩石孔隙是储存油气的重要空间和确定游离气含量的关键参数。据统计，有平均50%左右的页岩气存储在页岩基质孔隙中。页岩储集层为特低孔渗储集层，以发育多类型微米甚至纳米级孔隙为特征，孔隙大小一般小于 2 μm，具体可分为微孔(＜2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(＞50 nm)(Slatt et al，2011)，孔隙比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体。

运用氩离子抛光扫描电镜技术对X井龙马溪组泥页岩岩芯样品进行观察，确定该层段主要发育微裂缝、微孔道、絮状物孔隙、晶间孔、晶内孔、有机质孔隙和生物化石内孔隙等孔隙类型。其中，微裂缝、微孔道、絮状物孔隙、晶间孔、晶内孔等属于无机孔隙;有机质孔隙和生物化石内孔隙等孔隙属于有机孔隙。

2.1.1 微裂缝 微裂缝宽度及延伸长度分布范围较大，天然微裂缝中常充填有石英、方解石等矿物或有机质(沥青)。这些微裂缝包括矿物结晶裂缝和构造作用形成的裂缝，在储层的压裂改造中优先开启，可以作为页岩气运移的通道。图1a显示的是充填灰黑色块状有机质的裂缝。

2.1.2 微孔道 微孔道在泥岩基质中大致平行于层理面，宽度 ＜0.3 μm，延伸长度 ＜0.5 cm，延伸范围不贯穿整个视域范围。这些特征表明泥页岩中的微孔道并非因压力释放而人为形成。目前，对泥页岩中微孔道的成因还不确定，推测其可能是生物扰动和微层面及微波纹的残余空间，这些微孔道可以为页岩气的保存以及运移提供储集空间和运移通道(图1b)。

图1 龙马溪组泥页岩中储集空间类型Fig.1 Types of reservoir space in the Longmaxi Formation mud shale

2.1.3 絮状物孔隙 絮状物孔隙在泥页岩中广泛存在，若相互连通并为页岩气运移提供通道，主要是存在于矿物颗粒之间的未被充填的空隙，该类型孔隙的主要成因是黏土矿物形成类似卡片支撑的絮状物孔隙，这些絮状物孔隙之间可能相互连通(图1c)。絮状物孔隙主要存在于黏土矿物之间，黏土矿物在泥页岩储层中含量相对较高，该类型孔隙在泥页岩中广泛存在，具有较好的连通性，为页岩气的富集提供了重要的储集空间。

2.1.4 晶间孔 晶间孔包括结晶颗粒内孔隙、溶蚀孔隙和泥粉晶粒内孔隙，是一种存在于矿物颗粒或矿物集合体之间的孔隙空间。泥页岩中最常见的晶间孔是霉球状黄铁矿颗粒内孔隙。图1d为霉球状黄铁矿颗粒间孔隙。泥页岩储层中该类型孔隙数量不多，对孔隙度的贡献有限。

2.1.5 晶内孔 晶内孔因结晶矿物颗粒内部的晶格缺陷而形成的一种存在于矿物颗粒或矿物集合体内的孔隙空间。该类型的孔隙对孔隙度的贡献有限，而且其连通性也相对较差。图1e为泥粉晶粒内孔隙。该泥粉晶为二次搬运沉积物。泥页岩储层中该类型孔隙数量不多，对孔隙度的贡献有限。

2.1.6 有机质孔隙 有机质孔隙主要是页岩有机质颗粒中的纳米级孔隙，以有机质生烃作用形成的孔隙为主。有机质质量分数为7%的页岩在生烃演化过程中，消耗35%的有机碳可使页岩孔隙度增加4.9%，有机微孔的直径一般为 0.01～1.00 μm(Javie et al，2007)。图1f为有机质粒内孔，可以看到有机质孔隙相对比较发育，粒径一般在纳米级。因为有机质孔隙分布于有机质颗粒内部，因此有机质孔隙的大小直接受控于泥页岩有机碳含量和热演化程度。泥页岩中有机碳质量分数一般在10%以下，有机质颗粒呈间断性分布，单个有机质颗粒中的有机质孔隙连通性可能比较好，但整体上有机质孔隙连通性不好。

2.1.7 生物化石孔隙 生物化石内孔隙主要为生物遗体化石中未被矿物充填的孔隙，这一部分孔隙可以为页岩气的储集提供空间。志留系龙马溪组泥页岩属于海相沉积，笔石化石较发育，主要发育有直笔石、锯笔石、尖笔石和耙笔石，但整体上看生物化石的数量相对有限，使得该类型孔隙对泥页岩整体的孔隙度的贡献也有限。图1g、h分别为X井龙马溪组泥页岩岩石薄片观察到的笔石生物化石、硅藻体腔孔(叶玥豪等，2012)。这些生物化石内孔隙在泥页岩中呈分散状态单个分布，连通性较差，对孔隙度的贡献有限。

2.2 页岩微观孔隙组合模式

在对X井龙马溪组泥页岩样品进行常规扫描电镜和氩离子抛光扫描电镜分析的基础上，观察并总结上述各类泥页岩微观孔隙的特点，并结合前人研究成果(Loucks et al，2009)，建立泥页岩微观孔隙组合模式(图2)。在泥页岩微观孔隙组合模式中：(1)微裂缝垂直于水平面分布;(2)微孔道平行于水平面分布;(3)絮状物孔隙在泥页岩中大量分布;(4)粒内孔、有机质孔隙和生物化石孔隙在泥页岩中分散分布;(5)泥页岩储层中微裂缝、微孔道和絮状物孔隙等微观孔隙相互连通性较好，构成了泥页岩中的主要渗流运移通道，与部分粒内孔、有机质孔隙和生物化石孔隙相连通。

图2 泥页岩储层中微观孔隙分布组合模式Fig.2 Distribution and combination model of micropores in the mud shale reservoir

3 氮气吸附实验

泥岩的孔喉细小，储层致密，作为重要的油气储集空间和初次运移通道，其孔隙的大小、类型等不仅会影响烃源岩的排烃效率，也会影响页岩气的赋存状态和含气量大小。为了较好地定量分析泥页岩的孔隙，本次研究对X井选取了1个样品进行了氮气吸附－脱附实验。吸附曲线起始部分呈上升并向上凸起的趋势(图3)，整体上看属于Ⅱ类吸附曲线，吸附曲线末端未达到吸附饱和表明页岩中发育有大孔径孔隙。样品的吸附曲线在饱和蒸汽压附近很陡，脱附曲线在中等压力处很陡，与IUPAC推荐的H3型曲线接近(刘辉等，2005)，兼有H4型曲线特征(介于H3—H4型)，所呈现的曲线是多个标准曲线的叠加，是样品孔隙形态的综合反映，表明龙马溪组页岩气储层的孔隙主要由纳米孔组成，且结构具有一定的无规则(无定形)孔特征，颗粒内部孔结构具有平行壁的狭缝状孔特征，且含有多形态的其他孔。脱附曲线与吸附曲线在相对压力P/P0=0.9～0.5范围内分离，从吸附曲线的形态可以看出页岩中发育细颈瓶状孔隙，孔径分布曲线显示了页岩中小孔所占的空间比例比较大。

图3 龙马溪组页岩吸附－脱附曲线及孔径分布特征Fig.3 Adsorption-desorption curves and pore size distributions of the Longmaxi Formaiton shale

4 结论

(1)龙马溪组页岩储层段主要发育有裂缝、微裂缝、微孔道、絮状物孔隙、粒内孔、有机质孔隙和生物化石内孔隙等孔隙类型，其中以有机质孔隙为主。

(2)在泥页岩微观孔隙组合模式中，微裂缝垂直于水平面分布，微孔道平行于水平面分布，絮状物孔隙在泥页岩中大量分布，粒内孔、有机质孔隙和生物化石孔隙在泥页岩中分散分布，泥页岩储层中微裂缝、微孔道和絮状物孔隙等微观孔隙相互连通性较好，构成了泥页岩中的主要渗流运移通道，与部分粒内孔、有机质孔隙和生物化石孔隙相连通。

(3)X井的吸附曲线起始部分呈上升并向上凸起的趋势，整体上看属于Ⅱ类吸附曲线，表明龙马溪组页岩气储层的孔隙主要由纳米孔组成，且结构具有一定的无规则(无定形)孔特征，颗粒内部孔结构具有平行壁的狭缝状孔特征，且含有多形态的其他孔。

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