库车拗陷依奇克里克构造带侏罗系泥页岩孔隙特征及影响因素

任泽樱，刘洛夫，高小跃，肖 飞，王 英，吴康军，肖正阳

（1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 2.中国石油大学（北京）盆地与油藏研究中心，北京 102249）

0 引言

页岩气是在泥页岩纳米级孔隙中连续聚集的烃类气体［1-2］，赋存状态多样，除少量以溶解态存在于干酪根和沥青质中，大部分以吸附状态赋存于岩石颗粒和有机质表面，或以游离状态赋存于孔隙和裂缝中［2-3］.与常规油气藏相比，页岩气藏具有分布面积广、开发周期长、产量稳定等特点.

孔隙特征是表征页岩气含气性和储量计算的重要参数［4］，主要包括孔隙规模、孔隙类型等宏观孔隙特征，以及比表面积、比孔容和孔径分布等微观孔隙特征.泥页岩属于低孔超低渗储层，孔隙小，孔隙结构复杂.目前，扫描电镜、低温液氮吸附和高压压汞等方法是研究泥页岩孔隙规模和微观孔隙特征的常用手段.北美典型海相含气页岩孔隙度多介于2%～14%之间，平均为4.22%～6.51%，渗透率一般小于0.1×10-3μm2，平均吼道半径小于5μm［5］；孔隙类型主要包括粒间孔、矿物基质孔、有机质孔、化石孔和微裂缝［6］；孔隙规模以纳米—微米级为主.孔隙微观特征对于页岩气赋存状态具有重要影响［7］，即页岩气主要以吸附态赋存于较小孔隙中，在较大孔隙和微裂缝中以游离态为主［5］.

库车拗陷是塔里木盆地重要的油气富集区［8］，依奇克里克构造带作为库车拗陷油气资源最为丰富的构造单元之一，现已探明依南2、吐孜2等油气藏，侏罗系陆相泥页岩是研究区重要的烃源岩层位.目前，库车拗陷侏罗系页岩气研究尚处于地质评价初级阶段.张琴等对库车拗陷侏罗系—三叠系页岩气聚集条件和勘探前景进行分析，认为依奇克里克构造带是有利的页岩气聚集区［9］；李未蓝通过钻井和地球化学资料对比分析，认为库车拗陷中生界泥页岩与北美典型产气页岩具有良好的对比性，具有良好的页岩气资源前景［10］.

现有研究主要以库车拗陷侏罗系页岩气资源潜力和有利区预测等为主，针对泥页岩孔隙特征的研究尚未开展.因此，笔者综合运用扫描电镜、氩离子抛光扫描电镜和液氮吸附法，观察并描述孔隙的几何形态与分布，以及孔隙比孔容、孔径大小及比表面积等微观特征，分析库车拗陷依奇克里克构造带侏罗系泥页岩的孔隙特征及影响因素，对于研究页岩气赋存机理和含气性具有指导意义.

1 区域地质概况

库车拗陷位于塔里木盆地北缘，是中新生代前陆拗陷.依奇克里克构造带位于库车拗陷的东部，南与秋里塔格构造带和阳霞凹陷相接，西为克拉苏构造带，总体上为一近东西向展布的逆冲推覆构造带［11-12］.早中侏罗世构造运动平缓，气候潮湿，出现广泛的沼泽环境，以辫状河—冲积平原—滨浅湖—半深湖沉积相组合为特征，是研究区主要的成煤期；晚侏罗世南天山造山运动加强，侧向挤压作用加强，沉积中心向南迁移，气候干旱，湖泊面积扩大，水体变浅形成氧化宽浅湖［13-15］.

富有机质泥页岩主要发育在中下侏罗统，包括恰克马克组的湖相源岩和克孜勒努尔组、阳霞组的煤系源岩.库车拗陷侏罗系泥页岩厚度受构造作用和沉积作用的影响，表现为沉积中心厚度较大，两侧逐渐减薄，总体上呈现北厚南薄的特点，厚度多介于100～500m之间，其中最大厚度可达到700m，埋藏深度多大于3 000m［7］.干酪根类型以Ⅲ型为主，有机碳质量分数多介于0.05%～5.90%之间，镜质体反射率Ro为0.56%～1.70%，总体上为一套较好的泥质烃源岩.

2 实验样品与方法

为研究依奇克里克构造带侏罗系泥页岩的孔隙特征及影响因素，选取9口钻井共采集20个泥页岩岩心样品进行比表面积和孔径分析，并进行有机碳质量分数、X线衍射全岩矿物和黏土矿物质量分数分析等测试，区域构造和采样位置见图1.

利用扫描电子显微镜分析方法观察泥页岩样品孔隙形态和分布：首先进行传统磨片，再应用氩离子抛光技术对样品表面进行刻蚀；然后在样品表面镀一薄层金膜.抛光处理后样品表面光滑平整，避免机械抛光对岩样表面的破坏，保留样品表面的真实孔隙形态.比表面积和孔径分析的检测依据是GB／T 19587-2004，采用Quadrasorb SI型比表面测定仪，仪器编号为HBY2000-22，利用等温物理吸附的静态容积法［16］进行检测.测试样品X线衍射全岩矿物和黏土矿物质量分数分析仪器为D8DISCOVER型X线衍射仪，检测标准为SY／T 5163-2010.

3 孔隙类型

按照成因类型，库车拗陷依奇克里克构造带侏罗系泥页岩的孔隙类型可分为原生孔隙和次生孔隙.此外，研究区内还发育有微裂隙.

3.1 原生孔隙

依奇克里克构造带泥页岩储层发育的原生孔隙主要为原生残余粒间孔，矿物颗粒间的孔隙构成连通的体系，这种孔隙可以存在于黏土矿物骨架中，也可以存在于较大的矿物晶体堆积体中［17］（见图2）.扫描电镜下观察到的泥页岩样品中片状、板状黏土矿物之间包裹许多的粒状或不规则状碎屑颗粒，如石英、长石等，使得碎屑颗粒与周围黏土矿物之间形成孔隙（见图2（a））.这类孔隙的直径相对较大，可达几个微米，抗压实能力较弱，受压实作用的影响减孔较明显.

3.2 次生孔隙

研究区次生孔隙的类型较复杂，有溶蚀孔、晶间孔、有机质孔等.溶蚀孔隙主要是指泥页岩中长石、方解石和磷灰石在溶蚀性流体作用下产生的孔隙［17］.依奇克里克构造带侏罗系泥页岩中可观察到由长石、黏土矿物等溶蚀产生的孔隙（见图2（b））.晶间孔通常是指黏土矿物及其集合体、胶结物晶体及大岩屑颗粒之间的孔隙［18］.扫描电镜观察黏土矿物经重结晶作用后形成较好的晶形，呈板片状，晶体间形成孔隙空间（见图2（c））.结晶程度较好的黄铁矿、石膏等自生矿物晶体间孔隙发育.填充于黏土矿物缝隙中的球状黄铁矿晶体间形成明显的孔隙，孔径多介于300～500nm之间（见图2（d））.有机质孔主要是指有机质团块内部或有机质生烃后内部残留的孔隙.有机质孔的形成、分布与有机质丰度、类型和成熟度密切相关［17］.依奇克里克构造带侏罗系泥页岩样品有机质丰度总体偏低，干酪根类型以Ⅲ型为主，有机质孔发育较少，多呈条带状或不规则形状，孔隙直径多介于20～100nm之间（见图2（e））.

3.3 微裂隙

微裂缝的发育有利于页岩气的渗流，是连接微观孔隙与宏观裂缝的桥梁.岩石脆性较高的区域，易形成微裂缝，成为页岩中微观尺度上油气渗流的主要通道［13，19］.扫描电镜下观察依奇克里克构造带泥页岩中发育的微裂缝，以纳米—微米级为主，解理缝较发育，缝长约几个微米到十几微米，缝宽多小于5μm，少量达1～2μm（见图2（f））.

4 孔隙特征分析

4.1 吸附回线及孔隙结构

压力升高，氮气在毛细管凝聚，当达到最大孔半径时，吸附和凝聚结束；之后，减小气体的压力，吸附气开始解吸，当压力减小至与某一半径相对应的值时，发生毛细孔蒸发.若凝聚与蒸发时的相对压力相同，吸附等温线的吸附曲线与脱附曲线重叠；若不同，吸附曲线与脱附曲线分开，形成吸附回线［20］.吸附曲线与解吸曲线不重合的部分形成滞后环.吸附回线的类型能够反映一定的孔隙结构.IUPAC（国际理论和应用化学联合会）按形状将滞后环分为4类，即H1、H2、H3、H4［21］.本次研究泥页岩样品的吸附回线，其形状与IUPAC划分的H3、H4型相似，但也有所不同，根据形态特征将研究区泥页岩吸附回线划分为4种类型.

（1）Ⅰ型吸附回线.在相对压力较低时吸附曲线与脱附曲线重合或平行，无吸附回线或吸附回线较小，表明在较小的孔径范围内主要为一端封闭的不透气性孔.在较高相对压力处出现吸附回线，吸附和脱附曲线呈明显上升趋势且形态相近（见图3（a）、（b）），反映泥页岩样品在较大孔径范围内存在部分开放性孔.

（2）Ⅱ型吸附回线.吸附曲线随相对压力增大，吸附曲线与脱附曲线逐渐上升，吸附回线出现在相对压力较高时（p／p0＝0.5～1.0）；在相对压力接近1.0时，吸附曲线与脱附曲线急剧上升；在相对压力为0.5时，脱附曲线出现一个急剧下降的拐点（见图3（c））.此类型的吸附回线反映泥页岩孔隙主要为平板状的狭缝型孔隙.

（3）Ⅲ型吸附回线.吸附曲线随相对压力的增大而上升，脱附曲线在相对压力开始降低时缓慢下降，在相对压力降低至0.5时急剧下降（见图3（d））.此类型的吸附回线反映泥页岩样品主要为墨水瓶形孔.与Ⅱ型吸附回线不同，在较高的相对压力处，脱附曲线急剧下降前缓慢下降，这是受到墨水瓶孔孔径处解吸的影响，当瓶颈处的液体蒸发完时，相对压力远低于瓶体半径所要求解吸的相对压力［20］.

（4）Ⅳ型吸附回线.吸附曲线在相对压力较低时上升缓慢，在压力接近p0时迅速上升，发生吸附和解吸的相对压力接近，吸附曲线和脱附曲线重叠或接近重叠，基本无吸附回线（见图3（e））.此类型的吸附回线反映泥页岩中的孔隙以封闭型孔隙为主.

依奇克里克构造带侏罗系泥页岩样品总体以Ⅰ型吸附回线为主，其次为Ⅱ型和Ⅳ型，Ⅲ型吸附回线较少，表明泥页岩中的孔隙以一端封闭的微孔隙为主，部分为平板状狭长微孔隙和开放型孔隙.

4.2 孔径、比表面积和孔隙体积

根据孔径的大小，IUPAC将孔隙划分为微孔（孔径小于2nm）、中孔（孔径为2～50nm）和大孔（孔径大于50nm）［22］.液氮吸附实验结果表明，依奇克里克构造带侏罗系样品的平均孔径多介于3.9～33.0nm之间，其中中孔最为发育.采用BET模型计算比表面积，研究区泥页岩样品的BET比表面积介于0.023～5.580m2／g之间，平均为0.940m2／g.用BJH法计算总孔体积，泥页岩样品的总孔体积介于8.73×10-4～1.67×10-2mL／g之间，其中，微孔体积多介于3×10-6～1×10-3mL／g之间，占总孔隙体积的0.03%～14.00%；中孔体积为0.5～12.0μL／g，占总孔体积的43.0%～90.3%；大孔体积多为16×10-9～22×10-3mL／g，占总孔体积的10.0%～50.0%.可见，中孔对于岩石内部孔隙空间的贡献最大，占总孔体积的70.8%，是页岩气赋存的主体；其次为大孔，所占体积为24.0%；微孔体积最小，占5.2%.比表面积与总孔体积、平均孔径的相关性见图4.由图4可以看出，比表面积与总孔体积呈正相关关系，平均孔径与比表面有一定的负相关关系，说明孔径较小的孔隙比表面积较大.

5 孔隙发育的影响因素

泥页岩孔隙是泥质沉积物在埋藏后，经历成岩作用和成岩期后一系列变化的综合产物.泥页岩原生孔隙的形成与不同沉积环境下泥页岩的物质组成密切相关，次生孔隙的产生和孔隙演变主要受泥岩成岩作用和成岩期后的多种因素影响［23］.

5.1 物质组成

研究区泥页岩样品的有机碳质量分数ω（TOC）变化较大，介于0.05%～13.50%之间.其中，有13个样品的ω（TOC）＜0.82%，占样品总数的65%；有6个样品的ω（TOC）介于3.50%～5.86%之间，占样品总数的30%，总体上有机碳质量分数偏低.有机质孔的形成与有机碳质量分数密切相关，高丰度的泥页岩在热演化程度较高时，大量生烃可以发育大量有机质孔［24-25］.受有机碳质量分数和热演化限制，研究区泥页岩中的有机质孔对孔隙体积贡献较少，各级别孔隙体积与ω（TOC）的相关性不明显.

矿物成分控制着泥页岩孔隙空间的发育，矿物成分的变化对泥页岩的孔隙特征有重要影响.X线衍射测试结果显示，依奇克里克构造带侏罗系泥页岩矿物成分以黏土矿物和石英为主.黏土矿物质量分数介于30%～67%之间，平均为48.2%，以伊利石和伊／蒙混层为主，质量分数分别介于16%～35%和28%～65%之间.石英质量分数为18%～62%，平均为40.6%；长石质量分数较低，为1%～13%；少数样品发育碳酸盐矿物，质量分数高达49%；脆性矿物总质量分数介于33%～68%之间，平均为48.7%.黏土矿物质量分数与微孔、中孔和宏孔体积呈一定的负相关关系，特别是宏孔和中孔随着黏土矿物质量分数的增加而迅速减小（见图5），主要是由于细粒的黏土矿物充填孔隙，堵塞孔喉，减少孔隙空间.微孔体积虽然减少，但减小的幅度比中孔和宏孔要小，表明黏土矿物主要赋存充填于宏孔、中孔中.

脆性矿物质量分数与各级别孔隙都呈现一定的正相关关系，与宏孔相关性最好（见图6）.脆性岩矿物中石英对岩石脆性有较大贡献［26］，岩石脆性高，在应力作用下易形成天然裂隙和诱导裂隙.微裂隙的形成为泥页岩提供较大的储集空间，有利于页岩气的渗流.此外，碳酸盐矿物对孔隙也有一定的影响.若处于开放的环境，当碳酸盐富集发生溶蚀作用时，可发育较多次生孔隙，泥页岩物性也将发生较大的改变［23］.

5.2 成岩演化

现今塔里木盆地侏罗系泥页岩多处于中成岩阶段A期，仅部分埋藏深度较大的泥页岩达到中成岩阶段B期甚至是晚成岩期，压实作用是最主要的成岩作用［27］.在埋藏过程中，随着泥页岩埋藏深度的增大，沉积物压实作用逐渐增强，原生孔隙逐渐减少，但有机质开始大规模生排烃，次生孔隙逐渐发育.伴随着成岩演化，孔隙特征发生较大的变化，对泥页岩的含气性产生重要影响.

伴随着依奇克里克构造带侏罗系泥页岩有机质的成熟演化，镜质体反射率逐渐加大.现今Ro多介于0.56%～1.70%之间，平均为1.10%，远低于四川盆地下志留统海相页岩（平均Ro为2.11%）［28］.尽管在有机质热演化过程中泥页岩形成部分次生孔隙，但数量相对较少，总体以原生孔隙为主，孔隙体积与成熟度呈一定负相关关系（见图7），即随着Ro的增大，各级别孔隙体积减小，反映在埋藏成岩过程中压实作用对于孔隙发育的控制作用，即随着埋藏深度的增大，压实作用增强，孔隙颗粒间体积不断减少［19］.Selley R C研究多个盆地泥岩孔隙与埋藏深度的关系，指出泥岩的孔隙度随着埋藏深度的增加而明显降低［29］.研究区侏罗系泥页岩的孔隙演化具有类似规律，各级别孔隙体积随埋藏深度增加而减小（见图8），由于较大的孔隙空间受压实作用影响明显，因此宏孔体积的减小更为迅速.

不同埋藏深度的泥页岩对应吸附回线类型在一定程度上也能反映孔隙演化的特征.依奇克里克构造带侏罗系6个泥页岩样品的吸附回线见图9.由于封闭性孔（一端封闭的圆筒形孔、一端封闭的平行板孔和一端封闭的圆锥形孔）不能产生吸附回线，开放性孔（两端开口的圆筒孔及四边开放的平行板孔）能产生吸附回线［30］，可以看出孔隙的开放程度与吸附回线的形态有一定的关系.对比依奇克里克构造带侏罗系6个泥页岩样品所对应的吸附回线类型，样品在垂向上具有一定的规律，由浅到深，孔隙开放程度变差，与4.1结论一致.

库车拗陷侏罗系主要为稳定、大范围、持续沉降的盆地动力学背景，依奇克里克构造带断层的主要活动时期为新近纪至第四纪［11］.研究区泥页岩孔隙以原生孔隙为主，压实作用是最主要的减孔因素，侏罗系断裂较不发育.尽管理论上后期燕山—喜马拉雅运动导致的构造变动产生的微裂缝能够增大孔隙空间、改善孔隙连通关系，但在研究区表现相对较弱.

研究区埋藏深度较浅的泥页岩孔隙体积较大，孔隙发育较好.研究区明南1井和吐西1井孔隙发育较好，其中明南1井泥页岩比表面积为5.777m2／g，总孔体积为16.7μL／g；吐西1井泥页岩比表面积为2.000m2／g，总孔体积为12.0μL／g.明南1井位于明南构造带的高点上，目的层埋藏深度较浅［31］，受机械压实作用影响较小，有利于原生孔隙保存.此外，明南1井受地表水渗滤影响比较明显［8］，碳酸盐矿物质量分数高易发生溶蚀作用发育大量溶蚀孔，使得明南1井孔隙发育较好.与明南地区相比，依南地区压实作用较为强烈，孔隙发育规模相对较小，但南北也有差异.依南4井泥页岩比表面积为0.510m2／g，总孔体积为5.0μL／g.由于依南2井埋藏深度比依深4井的大，压实作用更为强烈，孔隙发育规模较小，比表面积为0.200m2／g，总孔体积为1.0μL／g.研究区明南地区侏罗系泥页岩孔隙发育较好，是依奇克里克构造带泥页岩孔隙发育的有利区.

6 结论

（1）依奇克里克构造带侏罗系泥页岩发育原生残余粒间孔、溶蚀孔、晶间孔、有机质孔和微裂缝等类型孔隙.其中，原生粒间孔发育较为广泛，有利于吸附气的赋存，游离气主要赋存于微裂缝中.

（2）依奇克里克构造带侏罗系泥页岩样品的孔隙主要为一端封闭的微孔隙，部分为平板状狭长微孔隙和开放型孔隙.泥页岩孔径多介于2～20nm之间，中孔最为发育并提供主要的孔隙体积和比表面积，是气体赋存的主要场所.

（3）脆性矿物质量分数与微孔体积、中孔体积和宏孔体积呈正相关关系，尤其是宏孔体积增加的更为显著.黏土矿物充填孔隙，减少孔隙空间，与各级别孔隙体积呈负相关关系.依奇克里克构造带侏罗系泥页岩有机质丰度较低、总体成熟度不高，对孔隙发育影响不大.随着埋藏深度的增大，减孔显著，机械压实作用是最主要的影响因素.

（4）由于研究区明南地区埋藏浅、压实作用较弱，有利于泥页岩孔隙的保存.依南地区压实作用较为强烈，孔隙发育规模相对较小.

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