四川盆地须家河组泥（页）岩储层孔隙特征

陈文玲，周 文，邓虎成，邓 昆，王勃力，张烨毓，彭先锋

（油气藏地质及开发工程国家重点实验（成都理工大学），成都610059）

四川盆地上三叠统须家河组的富有机质泥（页）岩段主要为第一段、第三段、第五段（简称须一段、须三段、须五段）的黑色泥岩、页岩及薄煤层，为湖泊和三角洲沉积体系的产物［1，2］。须一、须三、须五段富有机质泥（页）岩有机碳的质量分数主要为0.5%～9.70%，平均为1.96%；有机质类型主要以Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根为主，为腐殖型；大部分地区烃源岩成熟度较低，Ro值为0.8%～1.5%［1，3，4］。须一段、须三段、须五段富有机质泥（页）岩段总的生气强度在川西地区普遍大于2×109m3／km2［5］。

目前已在多口井中测试发现了天然气流：磨溪气田磨119井在须五段测试获0.31×106m3／d的高产气流；遂南气田遂9井须三段测试获0.39×106m3／d的高产气流［5］；川西新场气田川鸭92井须一段（小塘子组）黑色粉砂质泥岩、碳质泥页岩与砂岩频繁互层，页岩气显示十分活跃［6］。以上资料显示四川盆地须家河组泥（页）岩储层具有较好的勘探开发前景。

泥页岩储层的孔隙体积决定了页岩气的储集空间大小，孔隙结构决定了页岩气的赋存状态。目前的研究认为，微孔和中孔的页岩气以吸附态存在，而大孔中页岩气以游离态存在［7］。国内主要的泥页岩层段，如四川盆地龙马溪组的孔隙均以微孔和中孔为主［8－12］。了解四川盆地须家河组泥（页）岩储层的孔隙体积和孔隙结构，研究其主控因素，对评价该套泥（页）岩储层有重要意义。本文使用场发射扫描电镜／能谱分析和比表面积及孔径测定仪等仪器，选用井下富有机质泥（页）岩段样品，研究孔隙类型、孔隙结构特征；结合该泥（页）岩储层的有机地化特征，探讨微孔隙特征以及形成机理。

1 样品基本信息

样品采自须家河组6口井下岩心，岩性为黑色富有机质泥（页）岩。根据X射线衍射矿物分析结果，须家河组泥岩的脆性矿物主要为石英，平均质量分数为54.5%；其次为长石，平均质量分数为5.5%。黏土矿物平均质量分数为38.5%，其中伊利石相对质量分数平均为60%，高岭石相对质量分数平均为10%，绿泥石相对质量分数平均为20%，伊蒙混层相对质量分数平均为10%，S的质量分数为15%。

根据实测有机碳质量分数（wTOC）、镜质体反射率（Ro）和生油岩热解分析结果，wTOC在0.75%～11.92%之间，平均为3.125%；Ro在0.8%～1.7%之间，平均为1.4%；最高热解峰温（tmax）在451～552℃之间，平均为507℃；生烃潜力在0.32‰～34.9‰之间，平均为4.26‰（表1）。

2 实验仪器与方法

本次实验中研究微观孔隙类型是使用成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室场发射扫描电镜／能谱分析仪。主要由场发射环境扫描电子显微镜（Quanta250FEG）和能谱仪（Oxford INCAx－max20）2部分组成，分辨率可达1.4nm。样品处理为顶底面平整的新鲜面（长、宽、高＜0.5cm），进行镀金（时间为100s）。

研究孔隙结构特征是使用成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室比表面积及孔径测定仪，为美国Quantachrome公司生产。该仪器的吸附－解吸相对压力（p／p0）范围为0.001～0.998，孔径测量范围为0.35～500nm。实验过程：样品放入特定的长管（耐高温和低温）中，在150℃真空环境下脱气4h后，放入液氮瓶中（不接触瓶壁），固定在仪器上开始测试。样品在液氮中进行等温物理吸附－解吸过程，得到等温条件下的吸附、解吸曲线和平均孔径数据；选用多点BET模型线性回归算出样品的比表面积；选用DFT模型计算得到孔喉直径分布、孔隙体积等参数。

3 实验结果

3.1 扫描电镜实验结果分析

泥页岩的储集空间由粒间孔隙（包括层间孔隙）和粒内孔隙组成。也有研究者把泥页岩中的孔隙分为有机孔隙和无机孔隙［13，14］。无机孔隙指基质孔隙（包括裂缝）、矿物间隙和无机矿物粒内孔隙。有机孔隙为有机质内部的孔隙，是由固体干酪根转化为烃类流体而在干酪根内部形成的孔隙［13－15］。孔隙按照孔径大小分为：微米级孔隙（孔径＞0.75μm）、纳米级孔隙（孔径＜0.75 μm）［16］。泥（页）岩储层纳米级孔隙又分为3类：大孔（＞50nm）、中孔（2～50nm）和微孔（＜2 nm）。对于非常规气藏或者页岩气而言，有效孔隙的下限取决于吸附／游离在内的气体分子大小［17］。

根据扫描电镜实验结果，须家河组泥（页）岩的孔隙类型主要有粒间微孔、粒缘微缝、有机质气孔、粒间溶孔、黏土矿物晶间隙以及微裂缝等。粒间微孔一般为原生孔，是颗粒之间的空间，在石英矿物颗粒之间、黏土矿物颗粒之间均可以形成（图1－A）；粒间溶孔主要存在于碳酸盐矿物和长石中，是一类重要孔隙，是原生的粒间微孔变大，在须家河组泥（页）岩储层中含量较少（图1－B）；有机质气孔存在于有机质聚集处，呈圆形或椭圆形，是有机质在生烃阶段形成的生烃孔（图1－C）；粒缘缝是须家河组泥（页）岩储层中常见的一类孔隙，是线接触的矿物颗粒之间的缝隙（图1－D）；黏土矿物晶间隙一般为伊利石片状矿物片理裂开后形成的晶间隙（图1－E），在须家河组泥（页）岩储层中含量较少；微裂缝的缝宽约0.2μm，多在脆性矿物之间存在，是良好的页岩气渗流通道（图1－F）。

表1 四川盆地须家河组泥（页）岩样品地球化学数据Table 1 Geochemical data on the mud shale samples from Xujiahe Formation in Sichuan Basin

图1 扫描电镜下的页岩样品孔隙类型Fig.1 Pore types of shale samples（SEM）

须家河组泥（页）岩的平均孔隙直径为0.366 μm，以纳米级大孔为主。少数粒间微孔、粒缘微缝和粒间溶孔的直径可以达到微米级（孔径＞0.75μm，图2）。

3.2 比表面积及孔径测定结果分析

图2 页岩样品不同孔隙类型孔隙直径分布图Fig.2 Pore diameter distribution of different pore types of shale samples

根据比表面积及孔径测试结果，须家河组泥（页）岩样品的等温吸附曲线形态各异，但总体为反“S”形。在一定的压力范围下（p／p0＝0～0.8，p0为77.35K温度下氮气的饱和蒸汽压），吸附等温线上升缓慢，近似直线性，液氮首先填充页岩微孔部分，从单分子层吸附逐渐向多分子层吸附。随着压力的继续升高，等温线急剧上升，氮气在页岩表面发生毛细孔凝聚。解吸曲线特征为在吸附相对压力最大处氮气开始解吸，曲线稳定下降，氮气解吸量小于同压力下的吸附量，在p／p0≈0.45时氮气解吸量突然增加，之后又缓慢降低（图3）。根据De Boer和国际纯化学与应用化学联合会（IUPAC）的 等 温吸 附 曲 线 分 类［18，19］，可 划 分 为De Boer分类法的B型、IUPAC分类法的H2型。该类曲线为中间类型，反映的孔隙类型较为复杂，包含墨水瓶孔等无定形孔隙和裂缝性孔，微孔较为发育，有利于页岩气的吸附聚集；微裂缝则有利于页岩气的解吸。

图3 页岩样品等温吸附－解吸曲线图Fig.3 Isothermal adsorption－desorption curves of shale samples

以多点BET法测定的须家河组泥（页）岩比表面积在2.5～13.4m2／g之间，平均值为8.0 m2／g；以每个样品的吸附相对压力最大时对应的吸附量作为总孔体积，须家河组泥（页）岩的总孔体积在 0.004～0.019mL／g之间，平均值为0.011mL／g；根据孔体积对孔径的微分曲线，须家河组泥（页）岩的主要孔径分布在0.895～19.907nm之间，平均为6.05nm。按照IUPAC的分类，须家河组泥（页）岩的页岩孔径包括微孔（＜2nm）、中孔（2～50nm）和大孔（＞50nm），以微孔为主。根据场发射－扫描电镜观察，中孔为主的页岩样品一般以无机孔隙的粒间微孔和粒缘微缝为主（图4）。

微孔的质量体积平均为0.003 6mL／g、中孔的质量体积平均为0.006 7mL／g、大孔的质量体积平均为0.000 93mL／g（表2）。须家河组泥（页）岩样品的微孔、中孔、大孔的孔体积所占比例分别为33%、59.5%和7.5%，微孔和中孔所占孔体积为93.5%（图5）。微孔和中孔提供了须家河组泥（页）岩的主要页岩气储集空间。

图4 页岩样品孔径分布曲线图Fig.4 Pore diameter distribution curve of shale samples

4 孔隙发育控制因素分析

泥（页）岩储层在形成过程中，岩石骨架由泥级（＜0.03mm）为主的碎屑颗粒、基质的片状黏土矿物颗粒、不均匀分布的不规则絮状残余有机质，以及原生孔隙中的自生矿物等组成。未被充填的空间里，形成了多种类型的微孔隙。微孔隙可见于碎屑颗粒间、碎屑颗粒内、基质的黏土矿物颗（晶）粒间，以及有机质在热演化过程中产生的存在于有机质与矿物颗粒间或者有机质内部的孔隙。微裂缝一般沿着片状矿物的片理发育，以片理缝最多，有机质会充填早期形成的微裂缝。

表2 页岩样品孔隙结构参数Table 2 Pore structure parameters of shale samples

图5 页岩样品不同孔径的孔体积分布直方图Fig.5 Pore volume distribution histogram of different pore diameters of shale samples

4.1 成岩演化的影响

页岩样品在不同深度下，微孔、中孔、大孔的孔体积表现出不一样的特征：微孔和中孔的孔体积随着深度的增加而明显降低，大孔的孔体积随着深度的增加而增加。成岩作用下，埋深增加，压实作用增强，矿物排列变紧密，从而造成泥（页）岩孔隙空间被压缩，降低了孔体积。根据扫描电镜测试可知，须家河组泥（页）岩样品的大孔主要是粒间孔、粒间溶孔和粒缘缝。在成岩演化过程中，溶蚀作用会形成粒间溶孔。黏土矿物受泥（页）岩储层压实作用，通过堆积作用、脱水作用和新生变形作用发生显著变化，黏土矿物的体积缩小，使泥（页）岩储层产生新的孔隙。压实作用也会使矿物脆性增加，粒缘缝和黏土矿物（伊利石）晶间缝会演变为微裂缝，增加大孔的孔体积（图6）。

4.2 有机质丰度和热演化的影响

通过总有机碳含量与比表面积和微孔、中孔、大孔的质量体积关系图可以看出，当总有机碳质量分数＜4%时，与比表面积（图7）、微孔和中孔的质量体积相关性较好，说明须家河组泥（页）岩的微孔、中孔发育与有机质有关（图8、图9、图10）。当总有机碳质量分数＞4%时，微孔减少，中孔和大孔增多。如Z6－1页岩样品的总有机碳质量分数为11.92%，其微孔隙为中孔和大孔，比表面积相对以微孔为主的页岩样品较少。美国典型页岩中大孔和中孔无论是粒间孔还是在有机质中，都没有定向性或是与纹层平行。有机质含量高的样品可看到较大的大孔与中孔相连［20］。说明总有机碳含量增加，在有机质热演化过程中页岩气生成量较多，形成的有机质孔隙也较多［21］。

图6 页岩样品不同深度的孔体积分布直方图Fig.6 Pore volume distribution histogram at different depth of shale samples

图7 TOC与比表面积的关系图Fig.7 Relationship between TOC and specific surface

图8 TOC与微孔质量体积的关系图Fig.8 Relationship between TOC and micropore volume

图9 TOC与中孔质量体积的关系图Fig.9 Relationship between TOC and mesopore volume

图10 TOC与大孔质量体积的关系图Fig.10 Relationship between TOC and macropore volume

Ro与比表面积无明显关系（图11），与微孔和中孔的质量体积有较弱的负相关性，与大孔的质量体积无相关性（图12、图13、图14）。随着有机质成熟度增加，越来越多的页岩气生成，新的有机孔也会生成，总有机碳含量是有机质孔发育的主控因素和物质基础，而有机质成熟度高，其埋藏也较深，因此有机质成熟度（Ro）与微孔和中孔的质量体积的负相关性反映了埋深压实对孔体积的影响。

图11 Ro与比表面积的关系图Fig.11 Relationship between Roand specific surface

图12 Ro与微孔体积的关系图Fig.12 Relationship between Roand micropore volume

图13 Ro与中孔体积的关系图Fig.13 Relationship between Roand mesopore volume

图14 Ro与大孔体积的关系图Fig.14 Relationship between Roand macropore volume

5 结论

a.页岩样品的测试结果表明，其TOC质量分数在0.75%～11.92%之间，平均为3.125%；Ro在0.8%～1.7%之间，平均为1.4%；最高热解峰温 （tmax）在 451℃ ～552℃ 之间，平均为507℃；生烃潜力在0.32‰～34.9‰之间，平均为4.26‰。脆性矿物主要为石英（平均质量分数为54.5%），其次为长石（平均质量分数为5.5%）；黏土矿物平均质量分数为38.5%，其中伊利石相对质量分数平均为60%，高岭石相对质量分数平均为10%，绿泥石相对质量分数平均为20%，伊蒙混层相对质量分数平均为10%；S的质量分数为15%。四川盆地须家河组泥（页）岩储层处于成岩阶段晚期，有机质热演化处于成熟阶段。

b.四川盆地须家河组泥（页）岩储层的主要孔隙类型为粒间孔、粒缘缝、气孔、粒间溶孔、黏土矿物晶间隙以及微裂缝等，其中粒间微孔、粒间溶孔和粒缘缝的孔径可达到微米级。

c.四川盆地须家河组泥（页）岩储层孔径大小主要为0.895～19.907nm，以微孔为主；微孔和中孔的体积占总体积的92.5%，是主要的页岩气储集空间。等温吸附－解吸曲线为中间类型，反映的孔隙类型较为复杂，包含墨水瓶孔等无定形孔隙和裂缝性孔，微孔发育有利于页岩气的吸附聚集，微裂缝有利于页岩气的解吸。

d.须家河组泥（页）岩储层微孔隙的发育控制因素包括埋深、矿物成分、含量，以及成岩作用不同阶段的矿物组合的变化、有机质成熟度、有机质丰度等。深度的增加会使微孔和中孔的体积降低；成岩不断演化，会形成新的无机矿物粒间孔和粒间溶孔，增大了大孔的体积。总有机碳含量是影响储层发育的主控因素，总有机碳含量与微孔和中孔的质量体积、比表面积以及微米级孔径正相关，当wTOC＞4%时，有机质气孔向大孔转变，以形成更大的储集空间。有机质成熟度对孔径和孔体积的控制作用较弱，有机质成熟度的增加使微孔和中孔的体积有所降低。

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