基于孔隙结构的页岩渗透率研究

田 军 赵瑾浩 赵 磊 金佳旭 史高科 郑 旭 陈天宇

（1.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁沈阳 110819；2.辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新123000）

页岩气作为一种“自生自储”的优质烃源岩，已逐步成为常规不可再生能源的重要补充，北美地区页岩气的成功开采引起了世界各国的关注。中国的页岩气资源量为25×1012m3［1-2］。近年来，中国四川盆地周缘页岩气勘探和开发工作取得了重大突破，龙马溪组层位有将近250多口页岩气井获得了稳定的产气量。然而，牛蹄塘组多数页岩气井却表现出产气量低和产气持续时间短等问题，在四川盆地周缘地区仅有几口井微见气［3-7］。页岩储层孔隙结构控制着页岩气的赋存空间和流体运移能力，储层、区块地质成因差异引起的含气页岩孔隙结构差异是影响渗透率和页岩气产量的重要因素。

富有机质页岩孔隙结构复杂，非均质性显著，孔隙度低［8-11］。不同类型的微纳米孔隙对页岩气的储集和运移作用不同，根据IUPAC分类，可将孔隙分为微孔（直径＜2 nm）、中孔（直径2～50 nm）、大孔（直径＞2 nm）［12-13］。富有机质页岩孔隙由微孔和中孔主导，大孔发育及孔隙连通性较差［14］。总有机碳含量（TOC）、矿物组分与页岩的孔隙结构特征密切相关。LOUCKS等［9，15］将页岩中主要储集空间分为无机质孔隙、有机质孔隙和微裂缝，认为有机质孔隙为页岩气赋存提供了主要空间。大量研究表明：有机质孔隙不仅能够为页岩气提供重要的存储场所，还控制着开采后期气体的解吸和扩散，最终影响页岩气的长期稳产产量，而页岩中有机孔隙的发育取决于页岩中的总有机质含量。脆性矿物和黏土矿物含量也是影响页岩孔隙发育的重要因素，脆性矿物是游离气体的主要赋存空间，是影响气体开采前期高产的主要因素；黏土矿物是储层中吸附态页岩气重要的赋存场所，影响开采后期吸附气体的解吸和产量［16］。

基于高压压汞法或者压汞法和氮气吸附法联合应用来表征页岩孔隙结构特征的试验研究已经较为常见，页岩地质参数的变化在页岩微观孔隙结构特征的评价中扮演着重要角色［17-19］。然而孔隙结构特征只能从侧面反映页岩的渗流能力，为了分析页岩孔隙结构对产量影响的内在机理，以我国具备开发潜力的四川龙马溪组与湖南湘西牛蹄塘组页岩为研究对象，将富有机质页岩储层的相关地质参数、高压压汞法和低温氮气吸附法联合测定的孔隙结构及渗透率结合起来，分析页岩孔隙结构特征对页岩渗透率的影响。利用高压压汞方法测定页岩的中孔结构特征和渗透率，利用低温氮气吸附测定页岩微孔分布特征，分析总有机碳含量（TOC）和矿物成分含量对页岩孔隙结构和渗透率的影响，探讨地质参数对于页岩气储层中流体运移的影响。

1 样品描述及试验方法

1.1 样品及地化参数测定

四川盆地在地质构造上属于上扬子地台区东南部，在早古生代和晚古生代时期，扬子板块经历了几次大规模海侵事件，构成了以下寒武纪、上奥陶统—下志留统、下二叠统、上二叠统等为代表的黑色页岩［20-21］。本研究选取的龙马溪组页岩分布于四川盆地东南边缘，形成于晚奥陶统至志留系早期的地质时期，属于浅水陆棚相。本研究选取的寒武统时期的湖南湘西牛蹄塘组页岩的沉积相以浅水—深水陆棚沉积为主［22-24］。龙马溪组和牛蹄塘组页岩储层厚度大，分布范围广，盖层深度大，热成熟度、有机质含量及硅质矿物含量较高，两者都被认为是优质的烃源岩［25-28］。

首先对所选样品进行TOC含量和矿物成分含量测定。TOC含量测定采用LECO CS-230碳硫分析仪，测试步骤严格按照《沉积岩中总有机碳的测定标准》（GB/T 19145—2003）执行。利用X射线衍射仪对页岩样品进行了全岩矿物成分测定，包括脆性矿物（石英、方解石、长石等），黄铁矿以及黏土矿物（蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石、伊蒙混层、绿蒙混层和蒙皂石类）含量的测定。

1.2 孔隙结构及渗透率试验方法

页岩孔隙结构特征分析常用的手段包括高压压汞和低温氮气吸附［14，29-33］。由于毛细管压力的存在，汞难以进入纳米级孔隙，若进汞压力过大易损伤试样。低温氮气吸附法可以弥补压汞法的不足，氮气吸附法的探测下限可以达到0.35 nm，压汞法和氮气吸附法的联合测定能够探测到页岩储层微—纳米级孔隙结构［34-36］。

首先，利用美国康塔公司Poremaster PM-33-13压汞仪测试和分析页岩样品的中孔和大孔分布。在进行压汞试验前将5块页岩样品放置于温度为105℃的干燥箱内烘干24 h至恒重，然后自然冷却至室温。最大的进汞压力设定为200 MPa，汞与页岩样品的接触角为θ=140°，通过改变注入压力获得毛管压力曲线和孔隙分布曲线。为了能够全面表征页岩储层的孔隙结构特征，对页岩样品进行低温氮气吸附试验，以研究页岩纳米级孔隙的分布特征。在氮气吸附试验开始前，需要将所有页岩样品放置于110℃真空条件下进行干燥脱气处理8 h。然后在低温环境（-196.15℃）下测定页岩样品的等温吸附—解吸曲线。低温氮气吸附试验后，采用BJH的方法来确定样品的孔隙体积和孔隙分布等孔隙结构特征参数。最后，利用美国岩心公司的113型氦孔隙度仪、112型空气渗透率仪分别测定5块页岩样品的孔隙度和相应的渗透率，以分析孔隙分布对页岩储层渗透率的贡献与影响。

2 地质参数对页岩孔隙结构的影响

2.1 TOC含量对页岩孔隙与渗透率的影响

储层中的有机质在热演化过程中会发生裂解产生气体，并在有机质内部形成大量有机质孔隙。本研究采用的四川龙马溪组和湖南牛蹄塘组页岩样品的TOC含量见表1。由表1可知：龙马溪组页岩样品的TOC含量为2.19%～4.54%，平均含量为3.065%，牛蹄塘组页岩样品的TOC含量达到8.06%，均属于有开发潜力的页岩气藏［21］。

TOC含量与页岩孔隙度和渗透率的关系如图1所示。由图1可知：TOC含量与样品孔隙度呈正相关，页岩样品孔隙度随着TOC含量的增加而增加，说明有机碳含量的增加使得页岩储层中的纳米级孔隙大量发育。然而，TOC含量与渗透率没有明显的相关性，表明尽管TOC含量是生烃和孔隙发育的关键性因素，但并不代表较高的TOC含量可以改善孔隙的连通程度。尽管本研究页岩样品中牛蹄塘组页岩的孔隙度最大，其渗透率却相对较低，说明除了孔隙度外，渗透率还受孔隙迂曲度、有机质的热成熟度等因素影响，这可能是牛蹄塘组页岩气开发未能取得很好效果的原因。

2.2 矿物成分对页岩孔隙及渗透率的影响

本研究龙马溪组和牛蹄塘组页岩样品的矿物成分见表2。分析表2可知：龙马溪组页岩样品中石英含量为33.2%～59.25%，脆性矿物总含量（包括石英、方解石、长石、黄铁矿等）为71.8%～87.1%；牛蹄塘组页岩样品的石英含量达到了65%，脆性矿物总含量为77.3%。

图2所示龙马溪组页岩样品中脆性矿物的含量与孔隙度和渗透率呈负相关关系。分析可知：脆性矿物表面较为致密，孔隙不发育，较多的脆性矿物含量不利于页岩有效渗流网络的形成。

富有机质页岩的黏土矿物包括伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石、绿蒙混层、伊蒙混层和蒙皂石类等，黏土矿物含量是页岩气藏开采的重要参数［37］。龙马溪组页岩样品的黏土矿物含量为12.9%～28.2%，平均含量为19.63%，牛蹄塘组页岩的黏土矿物含量为22.7%。其中龙马溪组页岩样品的伊利石和伊蒙混层占黏土矿物的比重最大，而牛蹄塘组页岩样品的黏土矿物组成成分中几乎只含有伊利石。蒙脱石有着较好的吸附性能和较多的孔隙数量，在地质演化过程中蒙脱石会经过脱水之后转化成伊利石，伊蒙混层含量的比重越大，黏土矿物对于页岩孔隙的贡献程度越大，且整理连通性较好。而伊利石中纳米级孔隙几乎不发育，连通性较差［28，38］。由图3可知：黏土矿物含量与孔隙度的相关性不明显，但黏土矿物含量对于样品渗透率的影响较大，随着黏土矿物含量的增加渗透率呈现上升的趋势。产生这一现象的原因在于黏土矿物多呈成层状沉积，其内部发育的狭长纳米层间裂隙为页岩内部气体流动提供了优势通道。

2.3 页岩中孔隙对渗透率的影响

高压压汞试验获得的页岩样品的孔隙度、渗透率、进汞饱和度和退汞率等参数见表3。由表3可知：5块样品的进汞饱和度为39.47%～82.32%，进汞饱和度的大小说明了汞进入岩样的难易程度，进汞饱和度越大表明储层孔隙之间的连通性越好。页岩样品的退汞率与进汞饱和度成反比，本研究页岩样品的退汞率为19.44%～71.62%，龙马溪组页岩样品的进汞饱和度与岩样的渗透率呈正相关关系，与岩样的孔隙度无明显的相关性。同时发现黏土矿物含量与退汞率成反比，这和已有研究结论相一致［39］。TOC含量与压汞试验中的进汞饱和度和退汞率无明显关系，也进一步证明了相比于TOC含量，黏土矿物含量对储层渗透率的影响更加明显。

本研究获得的页岩试样毛管压力曲线如图4所示，从图4中可以看出本研究选用的页岩样品进退汞过程毛细管压力曲线均存在滞后现象，表明页岩样品中存在狭窄孔喉连接孔隙结构（即存在墨水瓶形孔隙），储层中连接墨水瓶形孔隙的孔喉尺寸通常在中孔或者微孔的范围内。龙马溪组其余页岩样品的退汞率均较低，也证明了页岩中瓶形孔隙的存在，这种孔隙结构能够为页岩气提供很大的赋集空间，但是却不利于流体的流通和运移。牛蹄塘组NTT页岩样品的退汞效率最低，表明牛蹄塘组页岩样品中瓶形孔隙存在的数量比龙马溪组页岩多，且孔隙连通性最差，如此较差的孔隙结构不利于储层基质中气体的渗流，也解释了孔隙度最大的牛蹄塘组页岩样品具有较小渗透率的原因。在进汞压力较小的条件下5块试样的进汞曲线基本重合，进汞量较小，说明本研究选取的页岩样品几乎不存在大孔。

富有机质页岩样品的孔喉分布频率以及不同孔径的孔隙对于样品渗透率的影响如图5所示。分析图5可知：四川龙马溪组页岩样品与湖北牛蹄塘组页岩样品孔喉主要分布在中孔范围内，孔喉直径大于50 nm的孔隙几乎不存在，由于测量手段的局限性，孔喉直径小于2 nm的孔隙未被测量出来。5块页岩试样孔喉直径为4～40 nm，LMX-3岩样孔径在25～40 nm范围的孔隙大量发育，且孔径尺寸为40 nm左右的孔隙数量是5块岩样中最多的。孔径尺寸较大的孔隙承担了气体分子在孔隙之间流动的大部分任务，从前文获得的LMX-3具有最大的渗透率也能够得到证明。从孔径分布对渗透率的贡献结果来看，5块页岩样品在测量范围内孔径尺寸最大孔隙的渗透率贡献程度是最高的，其数值均超过了60%。

2.4 页岩微孔对渗透率的影响

低温氮气吸附是一种常用于分析多孔结构的孔隙体积和分布的试验手段，当相对压力逐渐增大时，微孔将会被氮气充填，然后氮气会进入到中孔内，最终吸附性气体会将大孔填满。本研究选用的页岩样品等温吸附—解吸曲线见图6。由图6可知：氮气吸附曲线和解吸曲线不重合，出现滞后回线。根据IUPAC分类标准可将氮气等温吸附—解吸曲线分为4种类型，H2类型的滞后回线常伴随着瓶形孔隙结构出现，曲线有明显的拐点。H3类型的滞后回线吸附和解吸曲线几乎平行，拐点不明显，对应着裂隙状孔隙［12］。根据试验结果来看，龙马溪组页岩样品的滞后回线与H2类型的滞后回线相似，在相对压力为0.5附近出现了拐点，说明龙马溪组页岩样品中发育着瓶形孔隙结构。牛蹄塘组页岩样品的滞后回线与H3类型的滞后回线较为相似，拐点并不明显，表明页岩样品中出现了狭窄的裂隙状孔隙。

采用低温氮气吸附孔径分布方法中的BJH法获得的孔径分布见图7。分析可知：本研究页岩样品孔径主要分布于2～50 nm区间，属于中孔范围，孔径大于50 nm的孔隙较少。低温液氮测试结果表明，本研究选取的页岩中孔和微孔发育良好，大孔几乎不发育，这种孔径分布峰趋势与高压压汞法试验结果一致。龙马溪组页岩样品在孔径4 nm左右呈单峰分布，牛蹄塘组页岩样品孔径在4 nm左右和7 nm左右出现了两个明显的峰值，但是牛蹄塘组岩样的孔径分布曲线的峰值要明显低于龙马溪组岩样，说明牛蹄塘组页岩的孔隙发育程度较差。

本研究页岩孔隙表面积、孔隙体积与有机碳含量和黏土矿物含量的关系见表4，可以发现LMX-3试样的孔隙表面积和孔隙体积都是最大的。尽管牛蹄塘试样的孔隙表面积是最小的，仅为3.567 m²/g，但是其孔隙体积达到了0.013 17 cc/g。随着TOC含量的增加，龙马溪组页岩样品孔隙表面积和孔隙体积也随之增加，说明有机质孔隙在页岩孔隙结构中占有很大的比重，TOC的含量是纳米级孔隙发育的主要控制因素，黏土矿物含量对于页岩孔隙表面积和体积的影响没有TOC含量的控制作用明显。尽管牛蹄塘组页岩试样有机碳含量很大，其孔隙表面积却是最小的，原因可能在于有机质在生烃过程中经历了复杂的地质运动，致使部分有机质孔隙坍塌，产生了大量封闭死孔隙，使得孔隙结构发生变化。孔隙表面积、孔隙体积与页岩样品的孔隙度成正比关系，与渗透率不存在明显的相关关系。

3 结 论

（1）富有机质页岩TOC为页岩提供了大量的有机质孔隙，页岩TOC含量与孔隙度呈正相关，然而TOC含量与页岩储层的渗透率无明显相关性。脆性矿物含量与孔隙度和渗透率呈负相关关系，表明脆性矿物的孔隙不发育、连通性较差。黏土矿物多呈成层状沉积，黏土矿物与孔隙度的相关性不明显，但随着黏土矿物含量的增加页岩渗透率呈现上升的趋势，其内部发育的狭长纳米层间裂隙为页岩内部气体流动提供了优势通道。

（2）页岩样品的进汞饱和度与岩样的渗透率呈正相关关系，与岩样的孔隙度无明显的相关性。页岩样品孔隙中分布着墨水瓶形孔隙结构，孔隙之间连通性差。龙马溪组和牛蹄塘组页岩样品的孔径分布于4～40 nm区间，属于中孔范围。孔径尺寸与孔隙对页岩渗透率的贡献率成正比。分布于10～25 nm区间的孔隙对于页岩渗透率的贡献率均超过了60%，中孔主要承担着流体的赋存和运移任务。

（3）龙马溪组页岩样品在孔径为4 nm左右呈单峰分布，牛蹄塘组页岩样品在孔径为4 nm和7 nm左右呈双峰分布，且牛蹄塘组页岩样品纳米级孔隙的数量明显少于龙马溪组页岩样品。相比于黏土矿物含量，TOC含量的变化对于页岩储层孔隙表面积和体积的影响更为明显，但是孔隙表面积和孔隙体积大小与页岩样品的渗透率没有明显的相关性，暗示着孔隙形态与连通程度对页岩渗透率有着更为重要的影响。