微观孔隙结构对页岩气赋存方式的影响

龚月 邵林 胡微雪

(1.中国石油化工股份有限公司华东油气分公司勘探开发研究院 江苏扬州 225000；2.华东石油技师学院 江苏扬州 225129)

页岩气主要以吸附态和游离态形式存在。目前，对页岩气赋存方式的研究，国内外的学者主要借助等温吸附、数值模拟等方法计算求得，文中主要借助现场含气量测试数据并根据页岩岩心的自然解吸规律来确定页岩含气量中游离气和吸附气的含量，分析气体的赋存方式。低压氮气吸附法在测定纳米级孔隙的分布方面应用较为广泛，文中用该方法研究页岩的微观孔隙结构及其控制因素，并探讨微观孔隙对页岩赋存方式的影响。

1 样品与实验方法

1.1 样品

分别选取川东南地区彭水区块PY1井龙马溪组、彭水区块道真-湄潭构造LQ1井龙马溪组、渝东南地区黔江区块ZY1井龙马溪组-五峰组、川西南坳陷寿保场-金石构造JS1井九老洞组、川西地区新场构造XC1井和XC2井须家河组页岩为研究对象，样品具体信息见表1。

1.2 实验方法

页岩气含气量测试参照SY/T 6940-2013《页岩含气量测定方法》，新鲜岩心先后在钻井液循环温度和地层温度下解吸。解吸完成后绘制解吸速率曲线，发现在页岩气解吸初期，解吸速率先升高后降低的，在二阶升温后慢慢平稳降低，解吸过程中出现2个拐点，第二个拐点的出现是由于二阶升温造成的，第一个拐点与页岩本身性质有关，该拐点前的含气量以游离气为主，拐点后的含气量以吸附气为主，从而计算出页岩中吸附气含量和游离气含量。

样品的微观孔隙测试使用美国麦克仪器公司ASAP2020型全自动比表面分析仪，吸附气体为纯度大于99.999%的高纯氮气，实验时通过向系统增加气体量测定不同压力下的吸附量，从而绘制出样品在液氮温度（77.5K）下的以相对压力p/p0为横坐标，单位质量样品的吸附量V为纵坐标的吸附脱附等温线。

表1 样品信息

图1 吸脱附等温线

2 结果与讨论

2.1 页岩气赋存方式

根据表1，PY1井、LQ1井和ZY1井吸附气含量较高，高于其游离气含量，这三口井页岩气以吸附气为主，JS1井、XC1井、XC2井游离气含量高于吸附气含量，其页岩气以游离气为主。

2.2 吸脱附等温线

图2 纳米孔隙与TOC关系图

图3 纳米孔隙粘土矿物关系图

图1为6口井页岩样品典型的吸附脱附等温线。由图可见，样品的吸附等温线均呈反“S”形且都存在回滞环，说明样品的孔隙从微孔到大孔均有分布，具有相对连续完整的孔隙系统。低相对压力时吸附量迅速上升，氮气分子在岩样表面发生单分子层吸附或者孔填充；在0.05＜p/p0＜0.35的相对压力范围时，吸附等温线近似为一条直线，此时氮气分子在页岩样品表面发生多分子层吸附；在p/p0＞0.4的高相对压力范围时，吸附曲线与脱附曲线不重合，形成回滞环，各井的回滞环形态略有不同：PY1井、LQ1井和ZY1井的滞后回线在相对压力0.4～0.8时，解吸曲线比吸附曲线更为陡峭，形成较宽的滞后环；当相对压力为0.8～1.0时，吸附曲线急剧上升，即使接近饱和蒸汽压时也未达到饱和吸附，表明岩样中的大孔发生了毛细管凝聚现象，样品的孔隙类型主要为墨水瓶形孔，中孔微孔较为发育，微孔充当孔隙瓶颈，利于气体的吸附聚集，这与PY1井、LQ1井和ZY1井页岩气以吸附气为主要赋存方式不谋而合。JS1井、XC1井、XC2井的回滞环在相对压力为0.4～0.8时，吸附曲线上升迅速较慢，呈线性关系；在相对压力接近1.0时，吸附曲线急剧上升，在接近饱和蒸汽压时也未达到饱和吸附，滞后环很小，反映了孔隙类型为四面开口的平板型孔，这类样品孔径范围很广，从微孔到大孔都有发育，特别是中孔和大孔，孔隙连通性好，利于气体的渗流扩散，这与JS1井、XC1井、XC2井页岩气以游离气为主要赋存方式的结果一致。

2.3 比表面积

进一步研究孔径分布与比表面积的相关性，发现微孔含量与比表面积呈正相关关系。以吸附气为主的PY1井、LQ1井和ZY1井，其比表面积远远大于以游离气为主的JS1井、XC1井和XC2井的比表面积，说明大的比表面积利于气体在页岩上的吸附。

2.4 页岩孔隙发育的影响因素

鉴于页岩样品中中孔普遍比较发育，含量基本高于50%，文中主要分析TOC（总有机碳）、粘土矿物、脆性矿物与微孔、大孔含量的相关性，分析发现TOC、粘土矿物含量均随着微孔含量的增加而增加（图2、图3），特别是TOC与微孔含量的相关性较好，说明TOC是微孔含量的主控因素；脆性矿物含量与大孔含量呈正相关，说明页岩中大孔的发育与脆性矿物有关，页岩作为超低孔低渗储集层，大孔隙利于气体的渗流，使气体以游离的方式赋存。

3 结语

（1）以吸附气为主要赋存方式的页岩气井，孔隙类型为墨水瓶形孔等无定形孔，微孔中孔较发育；以游离气为主要赋存方式的页岩气井，孔隙类型为四面开口的平板型孔，孔径范围从微孔到大孔都有发育，特别是中孔大孔较为发育。

（2）以吸附气为主要赋存方式的页岩气井比表面积一般远大于以游离气为主要赋存方式的页岩气井。

（3）TOC、粘土矿物含量与微孔含量均成正相关， TOC是微孔含量的主控因素；脆性矿物含量与大孔含量成正相关，页岩大孔的发育与脆性矿物有关。