黔南坳陷九门冲组富有机质页岩无机孔隙定量评价

曾辉 （中石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏 南京210011）

全球常规油气资源供需矛盾日益突出，北美页岩气的成功商业化开发推进了人们对非常规油气勘探的力度。据不完全统计［1～3］，全球页岩气资源量为456．2×1012m3，勘探也表明我国页岩气资源潜力巨大［4～9］。然而对页岩这类孔渗超低且富有机质的特殊储层而言，如何定量评价其孔隙度是目前国内外重要的研究内容之一。

泥页岩孔隙可分为有机孔隙和无机孔隙两大类，其微孔隙和微裂隙是页岩气重要的存储空间与流通通道，泥页岩孔隙及其结构的发育程度直接关系到页岩储集性能的好坏、油气开采的难易程度和勘探开发价值［10］，对泥页岩储层孔隙展开详细的论述与刻画意义重大，只有准确了解了其孔隙特征才能制定出指导生产的勘探开发方案。但是超低孔渗的泥页岩储层内部页岩气赋存方式特殊等特性又加大了页岩孔隙研究的难度。

目前，对泥页岩孔隙的研究，国外多采用CT重构技术，这一方法精度虽大，但费用高、耗时长、技术难度大，而国内也暂无较成熟的技术，仍是定性描述多、定量研究少。考虑到页岩中的无机孔隙多是微米、纳米级的，常规孔隙研究方法如高压压汞法由于测量精度的欠缺会增大测量结果的不可信度，相比之下，扫描电子显微技术的分辨率高 （1nm左右），样品制备方便、费用低，能刻画毫米级以下中小孔隙，可测得孔径范围主要为0．01～1μm，因而能对页岩储层无机孔隙的微观结构进行较直观的观察，再结合图像分析技术能较好地定量评价页岩无机孔隙［11～13］。笔者主要借助扫描电子显微镜和图像处理法来定量评价黔南坳陷下寒武统九门冲组 （∈1j）泥页岩的无机孔隙。

1 工区概况

黔南坳陷位于贵州省南部，是贵州高原的一部分，大致介于北纬25°05′～27°10′，东经105°30′～108°40′，东西长约220km，南北宽约120km，呈北宽南窄的三角形，面积约3×104km2（图1）。沉积地层总体呈现出早期沉降晚期抬升的构造发育特征，晚三叠世后坳陷东北部黄平凸起的地层遭受强烈剥蚀，仅剩寒武系地层，其中，∈1j泥页岩属于海相沉积，由下至上可以划分为半深海盆地相、深水陆棚相和半深水－浅水陆棚相3类沉积相态。

2011年3月，中石化在黔南坳陷黄平向斜北东翼钻探一口参数井， 在 ∈1j 取 得65．03m 的 页 岩 岩 心，并在∈1j页岩层段获得日产480m3的页岩气，显示黔南坳陷寒武系具有良好的页岩气勘探前景。鉴于此，笔者期望通过借助扫描电子显微镜、成像测井和岩石薄片等技术和方法，从微观角度对黔南坳陷∈1j泥页岩储层的无机孔隙展开定量评价研究，以期为页岩气资源和储层开发评价以及油田的高效开发提供帮助。

图1 滇黔桂盆地二级构造单元划分图

2 无机孔隙特征

孔隙是油气储集的主要空间，其体积和结构决定了页岩储气能力的大小和天然气的赋存形态。页岩中孔隙的发育主要受到石英和黏土等矿物的体积分数及其成岩作用、总有机碳质量分数及其成熟度以及构造活动强度、时期等的影响，研究页岩储层的孔隙特征是勘探和开采页岩气、保证和提高页岩气储量的重要前提［14，15］。研究中挑选了31块黔南坳陷∈1j泥页岩岩样进行扫描电镜试验，并结合相应的成像测井和薄片分析技术，主要对∈1j泥页岩无机孔隙的全貌、类型、大小等方面进行了研究。

2．1 孔隙全貌

孔隙全貌是孔隙结构的整体概况，而孔隙结构又与油气储量、油气井产能和最终采收率密切相关。挑选具有代表性的样品在扫描电镜低倍镜下观察其整体形貌特征、孔隙分布情况、孔隙间连通状况和均一性等 （图2），结果表明黔南坳陷∈1j泥页岩岩样普遍致密，多呈层片状结构，微孔隙直径均小于10μm。光学显微镜下的观察现象与这一结论相呼应 （图3）。

2．2 孔隙类型

依据研究区的储层特征，采用以孔隙产状为主并兼顾孔隙成因的方案划分孔隙类型。电镜下，∈1j泥页岩无机孔隙主要呈现为椭圆形、三角形和蛇形等不规则状，孔隙分布具非均质性；孔隙间的联通性一般，多是封闭、半封闭孔和双向连通孔；主要发育絮状物粒间孔隙、微通道、微裂缝等无机孔隙，也有少量结晶颗粒内孔隙，各类型孔隙在整个研究范围内的不同部位所占的相对比例有差异 （图4）。此外，岩心样品、岩石薄片和成像测井资料都表明了∈1j地层的顶底及中间均发育有较多的微裂缝，主要以构造裂缝为主，也有层间页理缝，裂缝主要是被白色的方解石所充填。

1）絮状物粒间孔隙 絮状物粒间孔隙是由泥页岩基质形成的网格状孔隙，是多个单独的孔隙复合而成的，在泥页岩中广泛存在，孔隙直径主要介于1～10μm范围内。Roger等［16］认为泥页岩中絮状物所形成网格状孔隙广泛发育，经历数百个百万年的埋藏和成岩作用仍然存在，其孔隙喉道直径大于0．38nm。∈1j泥页岩层段岩心样品扫描电镜照片显示絮状物粒间孔隙相对比较发育 （图4（a）），是无机孔隙的主要组成部分，这类孔隙可以成为游离气和吸附气的赋存空间，若相互连通则可能成为页岩气运移的有利通道。

图2 黔南坳陷∈1j泥页岩扫描电镜全貌观察

图3 黔南坳陷∈1j泥页岩光学显微镜观察

2）微通道 微通道在泥岩基质中大致与层理面平行，宽度小于0．3μm，延伸长度小于0．5cm，延伸范围不贯穿整个视域范围，这些特征表明∈1j泥页岩中的微通道不是因为压力释放而人为形成的，但具体是什么成因还不确定，推测其可能是生物扰动和微层面及微波纹的残余空间。这些微通道可以为页岩气的保存及运移提供储集空间和运移通道 （图4（b））。

3）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、方解石等矿物或者有机质 （沥青）。这些微裂缝包括矿物结晶裂缝和构造裂缝，在储层的压裂改造中能优先开启作为页岩气运移的通道。在扫描电镜下能够观察到黄铁矿结晶裂缝、碳酸钡镁矿结晶裂缝、天然裂缝尾端、充填灰黑色块状有机质的裂缝、充填部分被溶解的石盐晶体的裂缝和充填石英脉的裂缝等，表明目的层段中微裂缝相对比较发育 （图4（c））。

4）结晶颗粒内孔隙 结晶颗粒内孔隙是矿物颗粒或矿物集合体内存在的孔隙空间，∈1j泥页岩中此类孔隙主要存在于霉球状黄铁矿、灰白色闪锌矿和灰白色碳酸钡镁矿等颗粒内 （图4（d））。由于黄铁矿等矿物含量相对较少且分布不均，该类孔隙对孔隙度的贡献有限，并且连通性也相对较差。

图4 黔南坳陷∈1j泥页岩主要无机孔隙类型

2．3 孔隙大小

镜下观察时，视域中能识别的孔径范围会因选取的放大倍数不同而不同，孔隙的大小可以根据每张电镜照片底部附有的标尺直接测量获取［17］。

挑选出∈1j泥页岩样品32张视域较好并具有代表性的共15个深度点／段的扫描电镜照片，用图像处理软件分析其无机孔隙大小，将深度点和放大倍数接近的样品点进行对比 （图5），可知：①∈1j无机孔隙的孔径分布范围为0．25～4．0μm，主要在0．25～1．0μm区间内。②孔径频率分布图的形态特征可归为2类：一类是孔径分布只有一个主峰，分布较集中 （图5（a）、（c））；另一类是孔径分布不止一个主峰，分布较分散 （图5（b）、（d）），孔隙分布不均匀会增大储层非均质性，可能导致储层渗透率参数变化大。③电镜放大倍数不同，识别的无机孔隙的直径峰值不同，整体上表现出随着放大倍数增大无机孔隙的直径峰值呈现减小的趋势，意味着∈1j泥页岩中微孔隙相对比较发育。

3 泥页岩无机孔隙的定量评价

泥页岩中的无机孔隙指的是存在于页岩非有机成分中的孔隙，如矿物间隙、无机矿物粒内孔隙以及包括裂缝在内的基质孔隙等，多是微米级别的，而纳米级的有机孔隙是由有机质的演化而在有机质内部形成的，扫描电镜视域中该部分的面积可以忽略，因此，扫描电镜能较好地反映泥页岩中的无机孔隙。McCreesh等［18］通过研究发现薄片面孔率近似等同于岩石孔隙度，因此通过求取显微镜下的无机孔隙面积与视域面积的百分比即薄片无机面孔率即可近似推导出泥页岩的无机孔隙度，对其进行定量评价。

图5 黔南坳陷∈1j泥页岩无机孔隙直径频率分布对比图

扫描电镜照片中不同的物质灰度不同，孔隙的灰度一般要比其他物质的大，能够依据灰度区分孔隙与非孔隙。依据上述原理，以假设泥页岩无机部分中的无机孔隙均匀分布为前提，借助图像分析软件识别出扫描电镜照片中的无机孔隙并作好标记，如图6所示。再统计无机孔隙面积即可计算出无机面孔率，进而获得无机孔隙度。最终结果表明：①黔南坳陷∈1j泥页岩层段无机孔隙度分布范围为1．71%～3．86%，平均值为2．67%，孔隙度值低；②由下至上，∈1j半深海盆地相、深水陆棚相和半深水－浅水陆棚相的泥页岩无机孔隙度范围分别为2．81%～2．84%、1．71%～3．86%和2．61%～2．95%，平均值分别为2．83%、2．56%和2．75%。

对比研究中扫描电镜图像法和液体法测得的孔隙度值 （图7）：两种方测得的孔隙度范围和平均值分别为1．71%～3．86%，2．71%和1．70%～3．68%，2．41%，二者孔隙度值分布范围和平均值几乎一致，局部有差异，但整体上孔隙度值的变化趋势一致，正相关性较好。这一结果也表明扫描电镜图像法测页岩无机孔隙度的可信度较高，能基本反映储层物性，可用于研究页岩无机孔隙，这与前人研究结果中扫描电镜与图像分析法获得的面孔率与岩心分析法得到的孔隙度有较好的正相关性，即扫描电镜测定的面孔率越高，储层物性越好［19］。

图6 黔南坳陷∈1j泥页岩无机孔隙的识别 （深度2382m）

4 结论

1）黔南坳陷∈1j泥页岩样品普遍致密，主要发育絮状物粒间孔隙、微通道和微裂缝3类无机孔隙。

2）∈1j泥页岩无机孔隙直径均小于5μm，主要分布在0．25～1．0μm，无机孔隙度 范 围 为 1．71% ～3．86%， 平 均 值 为2．67%。

图7 黔南坳陷∈1j泥页岩孔隙度对比

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