页岩有机质热演化过程中孔隙结构特征研究

彭钰洁，刘 鹏，吴佩津

(1.贵州建设职业技术学院，贵州 贵阳 551400；2.中国石油东方地球物理勘探有限责任公司，四川 成都 610051)

0 引 言

页岩气储层一直是国内外学者的研究热点，中国南方扬子地区海相富有机质页岩研究较多[1-2]，并在焦石坝地区已取得稳定工业气流[3]。在场发射扫描电子显微镜下观察到的纳米级孔隙[4-5]，如有机质纳米孔、颗粒内纳米孔及微裂缝等对页岩气储层性质具有特殊意义[6-7]，不仅是页岩气藏储层中典型孔隙类型和基本特征，也是高演化状态下游离气和吸附气赋存的主要载体[8-10]。海相富有机质泥页岩是中国页岩气富集的主体层位，分析其在有机质热演化过程中储层空间的变化具有显著意义。中国华北地区元古界至下古生界海相有机质沉积相对富集的沉积层段，但成熟度普遍偏低[11-12]，张家口下花园地区下马岭组页岩的有机质含量可达4%，类镜质组(Rb)约为0.6%，是系统研究有机质热演化特征的理想模拟实验样品[12-13]。前人的热模拟实验多针对页岩生烃模式和地球化学特征进行探究，但对于有机质热演化过程中的储层空间变化研究甚少，而孔隙结构的变化会直接影响到页岩气的赋存形式。因此，通过热演化模式实验结合页岩孔隙结构分析，探究有机质热演化过程中的孔隙结构特征及其对页岩气赋存的影响十分必要。

1 样品及实验

研究样品采用张家口-怀来地区下马岭组低成熟度富有机质泥页岩。原始样品TOC为4.23%，干酪根类型为Ⅰ型，Ro为0.62%，处于生物化学生气阶段晚期或热催化生油气阶段早期[14-15]。

为了模拟泥页岩有机质演化的整个过程，实验采用高压催化热模拟实验装置，仪器由高压釜、压力传感器、温度控制器等几部分组成，其中，高温釜由釜体和釜塞组成。实验设置模拟温度为350、400、450、500、550、600 ℃。实验步骤：①将原始样品切割成长约40 mm，宽约30 mm，高约25 mm的块样；②升温速率设置为20 ℃/h，将样品放入反应加热加压釜中，在6个模拟温度下分别恒温加热72 h，并在每一个温度点依次取出1个样品，直至温度到达600 ℃，得到6块不同成熟度的模拟样品；③将原始样品及6个模拟后的样品分别进行研磨破碎，进行有机质成熟度、高温压汞、低温液氮等多项孔隙实验，分析各样品不同成熟状态下孔隙结构特征。

2 实验结果分析

2.1 孔隙度特征

经过6个模拟温度，页岩Ro达到了1.04%、1.83%、2.04%、2.46%、2.84%、3.12%，干酪根热演化经历了热催化生油气阶段、热裂解生凝析气阶段和深部高温生气等多个阶段，并由低成熟阶段进入成熟阶段直至高过成熟阶段。随着干酪根热演化的进行，其内部孔隙数量显著增多，孔隙度随有机质演化过程呈线性升高(表1)。

表1 热模拟样品阶段特征

2.2 孔径分布特征

压汞实验反映了页岩孔径为3 nm以上的孔隙特征(图1)。由图1可知：有机质热成熟演化过程中，页岩孔径分布整体具有“两边高中间低”的特征，且该过程主要影响了“两边高”的孔径分布特征；介孔的发育程度与有机质成熟度呈明显的正相关，X-6样品孔径小于50 nm的孔隙孔容可达X-0样品的8.79倍，表明有机质热演化过程整体有利于介孔的发育；宏孔的发育程度与有机质成熟度表现为先升高后降低的趋势，孔径大于10 000 nm的孔隙表现更明显，样品X-0到X-1宏孔增加，X-1到X-6宏孔呈显著下降趋势，表明有机质热演化在一定程度有利于宏孔的发育，后期由于持续的热演化以及地层压力的作用导致孔隙骨架的坍塌，而不利于宏孔发育。

图1 压汞实验孔径分布

页岩气主要储集空间为有机质纳米孔[16]，为更好地刻画页岩储层纳米孔隙在有机质热演化过程中的变化过程，针对小于50 nm的微孔和介孔增加了低温液氮吸附实验。实验结果表明，随着成熟度的增加，微孔不断增加，尤其是在进入干气高峰阶段(500 ℃)后，大量气体的释放对页岩的微孔剧烈增长有巨大贡献，有机质的热演化对介孔发育的影响程度具有差异性，但整体表现为正相关，且孔径为30～50 nm时更为显著。

2.3 孔隙形态及连通性特征

滞后环形态可作为反映吸附剂中孔隙形态及连通性特征的依据[17-21]。不同成熟度阶段实验样品氮气吸附脱附曲线反映了3种孔隙形态(图2)，而其进退汞曲线则反映了不同阶段样品连通性特征(图3)。由图2、3可知：低成熟阶段X-0、X-1样品，其液氮吸附脱附曲线为典型的H3型滞后回线，滞后环较小，以四周开放的平行板孔为主，但其退汞效率高，反映了较差的连通性；处于成熟到高成熟阶段的X-2、X-3和X-4样品液氮吸附脱附曲线，反映了H2型和H3型滞后回线的特点，以无定形孔隙与定形孔隙结合的孔隙形态，样品退汞效率较上一阶段样品明显降低，孔隙连通性较好；X-5、X-6样品处于高过成熟阶段，其液氮吸附脱附曲线有明显的H2型滞后回线特征，吸附曲线稳定上升，但在中等相对压力处，解吸曲线远比吸附曲线陡峭，形成宽大的滞回环，反映的孔隙类型是细颈广体的墨水瓶孔等无定形孔隙，微孔较为发育，有可能充当孔隙“瓶颈”，如X-5退汞效率较X-4高，滞后环变窄，孔隙连通性变差，但随着成熟度的升高，样品X-6退汞效率进一步降低，呈现宽大的滞后环，反映良好的孔隙连通性，表明在该阶段墨水瓶孔隙形态可能发生变化，其“瓶颈”变得宽大，进而有利于孔隙的连通。可见，随着有机质演化程度不断加深，富有机质页岩作为页岩气储存空间，其孔隙连通性、扩散性以及渗流性都将有所提升。

图2 模拟样品氮气吸附脱附曲线

图3 模拟样品压汞曲线形态

3 页岩赋存空间变化

甲烷分子与孔壁距离不大于2 nm时，孔壁与甲烷分子间表现为较强的相互作用力，而当距离大于2 nm时，甲烷分子与孔壁间相互作用力迅速减小，甲烷分子呈游离状态[22]。以不同成熟度页岩液氮实测数据为基础，依据球体模型[22]计算不同尺度孔隙吸附气及游离气的赋存空间(图4)。计算结果表明，不同成熟度阶段的富有机质页岩，其吸附气随孔径增大而呈先增大后逐渐平稳的趋势，游离气则呈随孔径增大而升高的趋势，并在不同孔径阶段呈现不同的增加速率。

由图4可知：在孔径小于2 nm时，页岩孔隙中的甲烷气体主要是以吸附形式赋存，并随着孔径增大吸附气含量快速增加，而游离状态的气体含量较少；在页岩孔隙孔径达到2～50 nm时，页岩孔隙中的天然气为吸附和游离2种赋存状态，吸附气含量增加速率减缓，而游离气含量在该期间迅速增长；在孔隙大于50 nm阶段，游离气含量仍持续快速增长，而吸附气含量几乎不再变化。这从页岩孔隙结构的建构过程中解释了页岩气从纳米孔中的形成随热演化加深气体由吸附状态逐渐大量析出，游离至大孔空间中的赋存转变过程。

图4热模拟样品吸附游离状态

4 实践指导

纳米孔隙网络控制了泥页岩中油气的赋存和富集成藏。有机质生烃演化是一个复杂的过程，模拟不同生烃阶段是实践过程的关键，模拟过程中温度的变化速率将直接影响有机质生烃过程中孔隙结构的变化。因此，在模拟过程中，采用升温速率为20 ℃/h模拟了受构造活动影响，有机质受热温度升高，用恒温模拟构造稳定情况下，有机质生烃停止的过程。鉴于地质历史时期有机质生烃演化的复杂性，不同实验条件可能会导致后期孔隙实验结果的差异性，但不同成熟度的孔隙特征变化趋势仍具有重要意义，指示出页岩孔隙结构的逐渐建构，为页岩气的形成和赋存研究提供重要的参考依据，同时也需不断地完善。

5 结 论

(1) 页岩有机质在热演化过程中，随着有机质成熟度升高，其孔隙度呈线性增长，微孔和介孔明显增多，孔径为30～50 nm的介孔孔隙增加更为显著，而孔径大于10 000 nm的宏孔逐渐减少。这与有机质热演化导致的有机质孔大量生成以及孔隙富集导致的骨架坍塌有关，且随热演化过程加深孔隙连通性逐渐变好。

(2) 有机质热演化过程直接影响了页岩气赋存空间，吸附气与游离气赋存空间均有随孔隙孔径增大而升高的趋势，但呈现不同的增加速率，指示页岩气从纳米孔中的形成随热演化加深气体由吸附状态逐渐大量析出，游离至大孔空间中的赋存转变过程。

(3) 有机质演化是一个复杂的地质演变过程，高压催化热模拟结果是研究页岩气形成及赋存的重要参考依据。