构造变形对页岩孔隙结构及吸附性的影响

章新文，李吉君，卢双舫，黄开展，阴建新

(1.中国石化河南油田分公司，河南 郑州 450000；2.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

0 引 言

页岩气作为非常规油气的重要类型之一，在中国的油气勘探中日益受到重视[1-4]。页岩气是一种自生自储式的非常规天然气，以吸附态和游离态存在于页岩孔隙内部[5-8]。应用低温N2吸附实验，对川东北地区页岩储层的微观孔隙结构特征进行系统的研究，并尝试探讨影响页岩储气能力的主要因素，以期对中国四川盆地页岩气的高效勘探开发提供有效和必要的帮助。

1 样品采集

此次研究所采集的页岩样品来自川东北地区城口县修齐镇、城口县龙田乡田坝村附近。选取了符合条件的7块页岩样品，构造变形程度差异较大，皆取自下寒武统鲁家坪组。

2 页岩变形特征

已有研究表明：页岩在较弱的构造作用下易产生张性裂缝，且裂隙垂直于层理发育，或与层理呈锐角相交，如四川盆地东缘重庆綦江地区；EICHHUBL[9]等在加利福利亚黑金刚石矿发现断裂附近页岩较易发生强烈变形，并且发生尖灭的构造现象；YAN[10]等在四川盆地东缘构造观察到薄层泥灰岩在挤压作用下形成大型褶皱，黄犊山发现尖顶背斜与箱形向斜等组合构造。

研究区城口县修齐镇页岩样品XQ-2、XQ-3、XQ-4取自构造较发育的紧闭连续褶皱处，其取样点分别在褶皱的翼部(A点，距核部较远，约为2.0 m的距离)、褶皱翼部(B点，距核部较近，约为0.5 m的距离)、褶皱的核部(C点)，以此从宏观剖面尺度上判别页岩样品的变形强弱依次为XQ-4、 XQ-3、 XQ-2(图1)。城口县龙田乡页岩样品LT-2、LT-3、LT-4、LT-6分别取自小型褶皱的核部(D点)、较大的微型褶皱(E点)、灰岩之下的夹层(F点)、页岩层底部(G点)。从宏观剖面尺度上对龙田乡的4个样品进行变形强弱对比，变形强弱依次为LT-2、 LT-3、 LT-4、 LT-6(图2)。

图1修齐镇页岩样品取样点

从页岩样品上可直观看到，构造变形形态主要表现为裂隙、褶皱、揉皱等，且不同变形程度的页岩样品表现出的变形或变形组合有所差异。NEEDHAM[11]在研究苏格兰Moffat滑脱构造引起的天然变形页岩中观察到，发育强烈揉皱现象的页岩，裂隙并不发育；ERICKSON等[12]在页岩-碳酸盐岩滑脱层中发现强烈不协调褶皱现象。

图2龙田乡页岩样品取样点

3 页岩微纳米孔隙结构特征

低温N2吸附实验显示，城口县修齐镇和龙田乡页岩小于10.0 nm的微介孔孔隙较发育，其中主峰在1 nm左右，城口县修齐镇的页岩样品小于2.0 nm的微孔发育由强到弱依次为：XQ-3、 XQ-4、XQ-2；而城口县龙田乡的页岩样品的小于2.0 nm的微孔发育情况为LT-4微孔发育程度最低，LT-2、LT-3和LT-6的微孔发育情况相差不大(图3)。需要注意的是，由于张力强度效应(TSE)的存在，低温N2解吸时会出现吸附质滞留现象，在解吸曲线上出现明显的滞后环，存在明显的假峰，其存在会对孔径分布的准确性产生影响。

图3 页岩样品孔径分布

4 构造变形作用对页岩微纳米孔隙发育的控制作用

页岩微纳米孔隙发育的影响因素有很多，该文在考虑页岩物质成分影响的同时，也考虑到了后期构造演化作用的影响。在复杂的地质环境中，岩石不仅受到热演化作用，还会受到后期构造作用的影响。页岩所受构造变形作用的差异，会在宏观和微观孔隙结构特征上体现。随变形程度由弱到强，宏观上裂隙发育情况变化较大，由多组裂隙发育到逐渐消失；微观上，产生大量的微纳米孔隙，孔隙比表面积逐渐增加[13-15]。

此次研究中，XQ-2与XQ-3矿物组成相似，TOC分别为5.8%、2.2%。前人认为总有机碳含量是有机孔发育的主要控制因素，与微纳米孔隙体积、比表面积呈正相关性[16]，XQ-2微纳米孔体积尤其是比表面积本应大于XQ-3，但实验测量结果却相反，XQ-2与XQ-4之间同样存在上述现象(表1)，反映了构造变形作用的影响。即构造变形程度与微纳米孔隙体积、比表面积呈正相关，同样，龙田乡页岩样品LT-2与LT-4也存在相同的规律，LT-2与LT-4有机质类型、成熟度、黏土矿物含量等因素相似(表1)，但TOC含量相差较大,分别为1.6%、8.6%，LT-4号样品孔体积、比表面积本应大于LT-2，但却相近甚至小于LT-2，这与LT-2变形程度大于LT-4有关；LT-2与LT-3、LT-3与LT-4之间也存在这样的规律；LT-6号样品由于发育页理、顺层裂隙孔隙，孔隙发育程度较高，比表面积异常大。构造变形对孔隙结构的影响可能是由于构造运动影响页岩纳米级孔隙的变形，随着变形程度的增大，页岩内部各碳网及基本结构单元间排列的秩理化程度明显增强[17-19]。

表1 页岩样品地球化学特征及孔隙结构特征

5 构造变形作用对页岩吸附气量的影响

通过等温吸附模拟法获取页岩吸附气含量。研究发现，城口县修齐镇样品XQ-3的变形程度从宏观和微观角度分析均大于XQ-2。图4为页岩样品对甲烷的等温吸附曲线。由图4可知，样品XQ-2的吸附气量小于XQ-3。XQ-2、XQ-3样品的有机质类型(均为Ⅲ型)、成熟度和黏土矿物含量等因素均比较相似，但是2块样品的TOC含量相差较大，分别为5.8%(XQ-2)、2.2%(XQ-3)。结果显示，XQ-2吸附气含量反而小于XQ-3，这应与XQ-3构造变形程度大于XQ-2有关，变形程度越大，气体吸附能力越强，上述研究也揭示了构造变形作用对孔隙结构的影响，构造变形程度与微纳米孔隙体积、比表面积呈正相关，XQ-2与XQ-4之间同样存在上述现象(图4)。

龙田乡LT-2、LT-4号页岩样品同样存在上述规律，在机质类型、成熟度、黏土矿物含量等因素相似，两者的TOC含量相差较大，分别为1.6%(LT-2)、8.6%(LT-4)，而图4中显示LT-2的吸附曲线反而略高于LT-4，这就是由于LT-2的构造变形程度大于LT-4。 LT-2与LT-3、LT-3与LT-4之间也存在上述现象(图4)。因此，页岩样品的构造变形程度越大，其微纳米孔隙越发育，比表面积越大，提供了更多的吸附位，吸附能力从而增加[14-15,20-21]。

图4研究区页岩样品兰格缪尔模型对等温吸附曲线的拟合

6 结 论

(1) 分别从宏观、微观尺度判别分析了城口县修齐镇、龙田乡页岩样品的构造变形强弱；川东北地区页岩样品构造变形形态主要表现为裂隙、褶皱、揉皱等，且不同变形程度的页岩样品表现出的变形或变形组合有所差异。

(2) 研究区页岩样品孔径主要为纳米级，孔径大小主要分布在0.5～10.0 nm。

(3) 随变形程度的增强，宏观上裂隙发育情况变化较大，由多组裂隙发育到逐渐消失；微观上，产生大量的微纳米孔隙，孔比表面积逐渐增加，促进了页岩微孔发育，进而造成页岩吸附气含量增高。

[1] 张金川，聂海宽，徐波，等. 四川盆地页岩气成藏地质条件[J]. 天然气工业，2008，28(2):151-156.

[2] 张大伟. 加速我国页岩气资源调查和勘探开发战略构想[J]. 石油与天然气地质，2010，31(2):135-139.

[3] 邹才能，朱如凯，白斌，等. 中国油气储层中纳米孔首次发现及其科学价值[J]. 岩石学报，2011，27(6):1857-1864.

[4] 马永生，冯建辉，牟泽辉，等. 中国石化非常规油气资源潜力及勘探进展[J]. 中国工程科学，2012，14(6):22-30.

[5] 魏祥峰,李宇平,魏志红,等.保存条件对四川盆地及周缘海相页岩气富集高产的影响机制[J].石油实验地质,2017,39(2):147-153.

[6] ZHANG J, JIN Z,YUAN M. Reservoiring mechanism of shale gas and its distribution [J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(7):15-18.

[7] 董清源，田建华，冉琦，等.湖南永顺区块牛蹄塘组页岩气勘探前景及选区评价[J].东北石油大学学报，2016，40(3)：61-69.

[8] 张培先.黔中隆起及邻区下寒武统页岩气成藏特殊性分析[J].石油实验地质,2017, 39(2):162-168.

[9] HIPPLER.Deformation microstructures and diagenesis in sandstone adjacent to an extensional fault: Implications for the flow and entrapment of hydrocarbons[J]. AAPG Bulletin, 1993, 77(4):625-637.

[10] YAN D P,ZHANG B,ZHOU M F, et al. Constraints on the depth, geometry and kinematics of blind detachment faults provided by fault-propagation folds: An example from the Mesozoic fold belt of South China[J]. Journal of Structural Geology, 2009, 31(2):150-162.

[11] NEEDHAM D T. Deformation in Moffat Shale detachment zones in the western part of the Scottish Southern Uplands[J]. Geological Magazine, 2004, 141(4):441-453.

[12] ERICKSON S G. Deformation of shale and dolomite in the Lewis thrust fault zone, nort. [J]. Canadian Journal of Earth Sciences, 1994, 31(9):1440-1448.

[13] 张文静, 琚宜文, 孔祥文, 等. 沁水盆地南部高煤级变形煤结构组成特征及其对吸附/解吸的影响[J]. 中国科学院大学学报, 2014, 31(1): 98-107.

[14] 张文静, 琚宜文, 卫明明, 等. 不同变质变形煤储层吸附/解吸特征及机理研究进展[J]. 地学前缘, 2015, 22(2): 232-242.

[15] 岳长涛,李术元,李林玥,等.荆门地区页岩储层吸附特征及吸附势理论应用[J].石油实验地质,2016,38(3):346-353.

[16] 武瑾, 梁峰, 吝文, 等. 渝东北地区龙马溪组页岩储层微观孔隙结构特征[J]. 成都理工大学学报(自科版), 2016, 43(3): 308-319.

[17] 祁攀文，姜呈馥，刘刚，等.鄂尔多斯盆地三叠系陆相页岩含气性及页岩气赋存状态[J].东北石油大学学报，2016，40(2)：11-18.

[18] 王怡, 徐江, 梅春桂,等.含裂缝的硬脆性页岩理化及力学特性研究[J].石油天然气学报,2011,33(6):104-108.

[19] 姚峰. 页岩组构、理化性能和井壁稳定性关系研究[D]. 成都：西南石油大学, 1997.

[20] 琚宜文, 姜波, 侯泉林, 等. 华北南部构造煤纳米级孔隙结构演化特征及作用机理[J]. 地质学报, 2005, 79(2): 269-285.

[21] 秦修培, 邹艳, 汪吉林. 构造变形对煤孔隙发育特征影响的研究[J]. 煤炭科学技术, 2017, 45(4):155-159.