凤冈一区五峰组—龙马溪组富有机质页岩孔隙特征及含气性研究——以XX井为例

孙 宁

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

0 引言

页岩气是一种生成并储集于富有机质泥页岩层系内，以吸附态及游离态为主要赋存方式，源、储一体的非常规能源[1-2]。页岩之所以能够作为储层，是因为其中大量发育有纳米级-微米级的孔隙和裂缝系统。孔隙与孔隙之间、孔隙与裂缝之间以及裂缝与裂缝之间的相互联通共同控制着烃类气体在页岩储层中的富集和运移[3-4]。孔隙大小决定了气体存在的状态：在较大的孔隙中页岩气主要以游离态储集在孔隙裂缝中，而在较小的孔隙中页岩气通常以吸附状态为主[5]。前人的研究表明，页岩中发育有大量的纳米-微米级孔隙和微裂缝，且孔隙以2～50nm的中孔为主[6-8]。有机质丰度、有机质成熟度、黏土矿物的种类和含量影响着页岩孔隙的发育。高TOC含量促进了有机质孔隙的发育，而随有机质成熟度的增加有机质孔隙数量出现了先增加后降低的现象[9-11]。高黏土矿物含量增大了页岩的比表面积，但是不同种类的黏土矿物对页岩比表面积的贡献有所不同，如蒙脱石、伊蒙混层、绿泥石、高岭石和伊利石的比表面积逐渐降低，较多的孔隙数量和较大的比表面积有利于甲烷气体的富集。页岩储层作为一种非常规油气储集体，具有复杂的微观孔隙结构特征，因此对页岩储层的研究多借助实验分析技术。目前，通常利用电子显微镜、纳米CT扫描技术可以直观描述页岩的孔隙形态和结构。利用低温液氮吸附实验、高压压汞实验，核磁共振技术、常规孔隙度、渗透率实验可以定量表征页岩的比表面积、孔径分布、孔隙体积、孔隙度、渗透率等参数[12-14]。我国南方下古生界发育有多套富有机质页岩层，其中在五峰组—龙马系组页岩的勘探中取得了重大的突破，现已实现商业化开发。本文以凤冈一区XX井五峰组—龙马溪组富有机质页岩为例，利用氮气吸附实验、等温吸附实验及现场含气量测试等手段，结合有机地化数据和矿物组分数据，研究五峰组—龙马溪组页岩储层的孔隙结构特征及其控制因素，并讨论了不同参数对页岩吸附能力和含气性的影响。

1 样品采集与测试分析

1.1 实验样品采集

本次研究所用样品均采自凤冈一区XX井五峰组—龙马溪组下部富有机质页岩层系的岩心，按不同类型实验对样品规格(大小、尺寸)和重量等方面的要求，共计采集了14个页岩样品。

1.2 实验分析

1.2.1 有机地球化学与矿物组分测试

对14个富有机质页岩样品开展有机地球化学实验和全岩或X衍射矿物组分分析，主要得到了页岩有机质类型、有机质丰度(有机碳TOC%含量)、有机质成熟度(镜质体反射率Ro%)、岩石矿物组分及其含量等实验分析测试数据。

1.2.2 氮气吸附实验

氮气吸附实验是利用比表面和孔径分析仪对页岩的样品的孔隙结构进行定量的分析。在氮气吸附实验前，需将样品粉碎为1～2mm的颗粒，随即进行高温抽真空预处理，消除样品中残留的束缚水和毛细管水分。以纯度大于99.999%的氮气为吸附质，在低温(-196℃)、低压(小于0.127MPa)的条件下测量平衡蒸汽压下样品的吸附量和脱附量，从而获得吸附-脱附曲线。利用BET模型和BJH模型可以分别计算出页岩的比表面和孔径分布。

1.2.3 等温吸附实验

将页岩样品粉碎至粒径为0.18～0.25mm的颗粒，取100～150g空气干燥基样品，采用GAI-100型等温吸附仪进行测试分析。实验温度恒定为30℃，测试压力范围为0～23MPa，以99.99%的甲烷为吸附质，分别测试样品在8个不同压力点处的甲烷吸附量，每个压力点的吸附平衡时间一般大于12h。根据Langmuir单分子层吸附原理处理实验数据，计算兰氏体积和兰氏压力，并拟合得到等温吸附曲线。

1.2.4 现场含气量测试

页岩现场含气量测试采用USBM直接法，测试样品为全直径岩心，岩心高度约为30cm，测试仪器为页岩现场含气量测试装置。将装有样品并密封好的解吸罐迅速置于已达到储层温度的恒温装置中，进行自然解吸，收集解吸的气体，得到解吸气体积。待解吸实验完成后，取适量样品，粉碎至粉末状态，收集的气体为残余气。解吸气、残余气体积可以直接测量得到，损失气体积是由解吸气的初始数据推算得来的。

2 结果分析

2.1 页岩有机地球化学与岩石矿物学特征

2.1.1 页岩有机地球化学特征

根据XX井五峰组—龙马溪组下部海相富有机质页岩的TOC%含量、成熟度及矿物组分的测试结果(表1)。页岩有机质类型为Ⅰ型、Ⅱ1型，有机碳(TOC%)含量分布在0.27%～5.52%，镜质体反射率的值(Ro%)分布在1.65%～2.12%，表明该段页岩处于高成熟-过成熟状态。特别是表1中的YC-36、YC-37、YC-38、YC-39、YC-40等5个页岩样品，位于五峰组页岩的有机碳(TOC%)含量分布在2.52%～5.52%，平均值为3.904%。镜质体反射率的值(Ro%)范围在1.89%～2.12%，平均值为2.03%。由此可见，五峰组—龙马溪组下部海相富有机质页岩的有机质类型好(Ⅰ型、Ⅱ1型)、有机质丰度高(TOC值3.9%)、热演化程度适中(Ro%值2.03%)；XX井五峰组—龙马溪组下部海相富有机质页岩层段的有机地球化学特征与美国古生界海相商业性开采的页岩气的地球化学指标(TOC值>3.0%、Ro%值1.1%～2.5%)对比发现，该区五峰组—龙马溪组下部富有机质页岩层系具有良好的勘探开发前景。

表1 XX井五峰组—龙马溪组页岩有机地球化学特征参数与矿物组分表

2.1.2 页岩岩石矿物学特征

依据XX井五峰组—龙马溪组下部海相富有机质页岩页岩矿物组分化验测试分析结果(表1)，页岩的矿物成分主要为石英、长石、碳酸盐矿物及黏土矿物。其中，石英矿物质量分数为 25%～58%，长石(包括钾长石和斜长石)质量分数为11%～27%，碳酸盐矿物(方解石和白云石)质量分数为6%～46%，黏土矿物质量分数为18%～28%。页岩内黏土矿物主要为伊蒙混层、伊利石及绿泥石。五峰组的富有机质页岩层段的YC-36、YC-37、YC-38、YC-39、YC-40样品石英质量分数为25%～58%，平均值为42.8%；长石质量分数为11%～24%，平均值是17.2%；“石英+长石”的脆性矿物质量分数平均值高达60%，而黏土矿物质量分数为18%～25%，平均值为21.4%，这些反映出了该区块五峰组—龙马溪组下部富有机质页岩储层脆性好，有利于水力压裂改造。

2.2 氮气吸附-脱附曲线及孔隙结构特征

利用氮气吸附实验可以定性和定量地表征页岩微观孔隙的结构特征。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的分类，XX井14块页岩样品的氮气吸附-脱附曲线均属于Ⅳ型等温线(图1)，表明页岩中发育有从纳米级至相对无限大的连续完整的孔隙系统[7]。在相对压力较低(p/po=0～0.4)时，由于页岩孔隙表面存在较强的相互作用，页岩样品对氮气的吸附量较低，吸附曲线呈现平缓上凸的形状，曲线拐点处通常是单分子层吸附向多分子层吸附过渡点；当中-高相对压力(p/po=0.4～0.8)时，氮气的吸附量快速增加，并出现吸附-脱附回线，此阶段为多分子层吸附阶段；当相对压力p/po=0.8～1.0时，氮气的吸附量急剧增加，当达到饱和蒸汽压时未出现吸附饱和的现象，表明页岩样品在氮气吸附过程中毛细孔发生凝聚现象，毛细孔凝聚导致吸附量的增加，反映该类页岩孔径的复杂性和非均质性，除了存在几纳米的孔隙，几十纳米甚至几百微米的孔隙也发育较多。

图1 五峰组—龙马溪组页岩吸附-脱附曲线及孔径分布曲线

由于实际的页岩孔隙和裂缝形态复杂多样，实验所得到吸附-脱附曲线的形状反映的是页岩内部某类所占比例较高的孔隙类型。此外，一端封闭的不透气型孔隙，如一端封闭的圆筒状孔和一端封闭的平行板状孔或尖劈形孔，在发生毛细凝聚时的相对压力与发生毛细蒸发时的相对压力相同，吸附曲线与脱附曲线重合，不产生吸附-脱附回线[15]，因此，不能利用吸附-脱附回线判断该类孔隙是否存在。IUPAC将吸附-脱附曲线在德波尔提出的吸附-脱附曲线分类的基础上进行了重新归类，共划分为4类(图2)。14块页岩样品的孔隙类型主要包括：H2型、H3型和H4型(表2)。H2型吸附-脱附曲线的特点是在中等相对压力时脱附分支出现了一个急剧下降的拐点，反映的孔隙类型是细颈广体的“墨水瓶”型无定形孔隙，页岩内微孔较为发育，充当孔隙的“瓶颈”，这类孔隙有利于气体的储集，但不利于渗流作用。H3型吸附-脱附曲线的特点为在相对压力接近1.0时吸附量开始急剧增加，吸附-脱附回线较小，反映的是四周开放的平行板孔隙。H4型吸附-脱附回线的特点是曲线在整个实验过程中都较为平坦，吸附与脱附气量变化较小，吸附-脱附回线相对狭窄，反映的是狭缝型或楔形孔隙。14个页岩样品中H3型吸附-脱附曲线对应的样品数量较多，即页岩储层中平行板状孔较为发育。因此，孔隙系统的开放性较好，有利于流体的渗流作用。

图2 吸附-脱附曲线特征及对应孔隙类型

表2 XX井五峰组—龙马溪组页岩储层孔隙类型特征

由氮气吸附实验测得的相关孔隙结构参数如表3所示，BET比表面积分布在7.648～22.460m2/g，平均值14.212 m2/g。BJH孔隙体积分布在0.014 74～0.023 36cm3/g，平均值为0.019 91 cm3/g。从页岩样品的孔径分布图可以看出(图2)，孔径分布曲线包括两种类型：一种类型为只有1个主峰，孔径分布相对集中；另一种类型为孔径分布不仅只有1个主峰，还有1次峰。主峰孔径集中在3～5nm，表明这个范围内的孔隙出现的概率最大，在页岩内较为发育。样品的平均孔径分布范围为3.931～7.199nm，平均值为5.743nm，表明页岩主体孔径属于中孔范围内。此外，页岩内还发育了一定数量的大孔或裂缝，造成了孔径分布曲线中“拖尾”和较小次峰出现的现象。

表3 XX井五峰组—统龙马溪组页岩储层孔隙结构参数与含气量表

2.3 页岩含气量

通过等温吸附实验得到XX井五峰组—龙马溪组下部页岩样品的兰氏体积分布在0.920～2.127m3/t，平均值为1.342m3/t(表3)。现场含气量测试的结果显示，10个页岩样品的总含气量分布在0.03～2.16cm3/g，平均值为0.618cm3/g。其中，甲烷含量分布在0.03～2.11cm3/g，平均值为0.581cm3/g。值得特别注意的是: 表3中的YC-37、YC-38、YC-39、YC-40等4个页岩样品，位于五峰组的富有机质页岩层段的总含气量在0.86～2.16cm3/g，平均值为1.4cm3/g，甲烷含量分布在0.77～2.11cm3/g，平均值为1.35cm3/g。甲烷气占总含气量的96%，由以上数据可以看出，该井五峰组—龙马溪组下部富有机质页岩样品的含气性和吸附能力均属于较好的水平，而且已甲烷气为主，反映了该区页岩气的保存条件优越。

3 讨论

3.1 孔隙结构影响因素分析

图3显示了该井五峰组—龙马溪组下部富有机质页岩有机地球化学指标与页岩孔隙结构参数的关系。页岩的TOC含量与孔隙的比表面积呈正相关，与孔径呈负相关，而与孔隙体积的关系不明显，表明有机质丰度较高的页岩通常具有较高的比表面积和较小的孔径。页岩的Ro与孔隙的比表面积呈正相关，与孔径呈负相关。在消除一个干扰点后(图中红色点)，Ro与孔隙体积呈现较好的正相关关系。

图3 XX井五峰组—龙马溪组页岩TOC含量和Ro与孔隙结构参数的关系

Jarvie(2004)等通过实验分析认为有机碳含量为7.0%的页岩在生烃演化过程中，消耗了35%的有机质，可使页岩孔隙增加4.9%。有机质孔隙以及干酪根大分子聚合态结构间微孔隙普遍发育，可以为页岩贡献较大的比表面积[16-17]。因此，有机质的热演化能够增大页岩的比表面积和孔隙体积。由于有机质孔隙的平均孔径远小于无机孔隙的平均孔径[18]，当有机质孔隙较为发育时，会降低页岩储层的平均孔径。由此可以得出页岩的有机地化特征为页岩孔隙发育的主要控制因素之一。

页岩储层的矿物组分影响着孔隙结构，石英含量与黏土矿物含量与孔隙结构参数之间的关系如图4所示。石英含量与比表面积呈现正相关性，与孔径呈现负相关性，而与孔隙体积的相关性较差。区内五峰组富有机质页岩中可见大量的笔石化石，表明有机质主要来源与水中笔石或硅藻等微生物，页岩中的硅质以生物硅质为主。TOC含量随着石英含量的改变而改变，两者密切相关。因此，石英含量和TOC含量对孔隙结构的控制作用较为相似。

图4 XX井五峰组—龙马溪组页岩石英含量和黏土矿物含量与孔隙结构参数的关系

区内五峰组—龙马溪组下部富有机质页岩黏土矿物含量与孔隙体积呈正相关性，即黏土矿物含量较高的页岩具有较大的孔隙体积。然而，黏土矿物含量与比表面积、孔径的关系不是很明显。页岩气储层中黏土矿物具有较高的孔隙体积和较大的比表面积，黏土矿物含量的增加能够增大孔隙体积和比表面积[19]。然而，不同的黏土矿物所能提供的比表面积差异加大。研究表明黏土矿物中蒙脱石具有的比表面积最大，约为76.4m2/g。伊蒙混层具有的比表面积中等，约为30.8m2/g。高岭石、绿泥石及伊利石具有的比表面积最小，分别为15.3 m2/g，11.7 m2/g和7.1m2/g。页岩样品的黏土矿物中不含蒙脱石，而且伊利石和绿泥石的含量较高(占总量的49.14%)，所能提供的比表面积较为有限，因此黏土矿物对页岩样品比表面积的控制作用不明显[20]。

3.2 页岩含气性影响因素分析

现场解吸的甲烷气量和兰氏体积与各个参数之间的相关性较为一致(图5)，表明五峰组—龙马溪组下部页岩中吸附气含量所占比例较高。现场解吸的甲烷气量和兰氏体积与TOC含量、Ro及比表面积之间均呈现较好的正相关关系，尤其与TOC含量之间的关系系数达到了0.931，表明了有机质丰度、有机质成熟度及比表面积为页岩含气量的主要控制因素，其中有机质丰度对页岩的吸附能力起到了至关重要的作用。有机质本身就具有多孔性的结构，再加上热演化过程中产生大量的纳米级微小孔隙，能够为甲烷气体的吸附提供更多的比表面积[21]。现场解吸的甲烷气量和兰氏体积与孔径之间呈现负相性，而与孔隙体积无明显关系。由于微小孔隙具有更多的比表面积，因此孔径的增大会导致比表面积的降低，从而降低页岩的吸附能力和含气性。页岩内吸附气占主导地位，而孔隙体积对吸附气量的影响较小，使得孔隙体积对页岩的吸附能力和含气性的控制作用不明显。

图5 XX井五峰组—龙马溪组页岩有机地化指标和孔隙结构参数与含气量的关系

4 结论

1)XX井的岩心化验测试结果表明：区内五峰组—龙马溪组下部海相富有机质页岩的有机质类型好(Ⅰ型、Ⅱ1型)、有机质丰度高(TOC值3.9%)、热演化程度适中(Ro值2.03%)、脆性矿物含量高(60%)，黏土矿物含量低(21.4%)、总含气量平均值为1.4cm3/g，甲烷气占总含气量的96%。

2)与美国古生界海相页岩气商业性开采的页岩储层特征的指标TOC值>3.0%、Ro%值1.1%～2.5%、脆性矿物含量50%、含气量3～10 cm3/g对比分析，认为区内五峰组—龙马溪组下部富有机质页岩层系不仅优质、含气量较高、以甲烷气为主，而且页岩脆性好，有利于水力压裂改造，其完全具备工业性页岩气开采的基本条件，展现出了广阔的页岩气开发前景。

3)XX井五峰组—龙马溪组下部页岩储层中发育有大量的纳米级微观孔隙。主要的孔隙类型包括三类：“墨水瓶”型孔隙、平行板状型孔隙、狭缝型/楔形型孔隙；其中含气页岩储层中平行板状孔隙在页岩中较为发育，使得孔隙系统的开放性较好，有利于流体的渗流。页岩内主要发育中孔，孔径主要分布为3～5nm，平均孔径分布在3.931～7.199nm。此外，页岩中还发育了一定数量的大孔或裂缝，造成了孔径分布曲线中“拖尾”和较小次峰出现的现象。

4)XX井五峰组—龙马溪组下部页岩的TOC含量和Ro与孔隙的比表面积呈正相关，与孔径呈负相关。但TOC含量与孔隙体积的关系不明显，Ro则与孔隙体积呈现较好的正相关关系。表明页岩的有机地化特征为页岩孔隙发育的主要控制因素之一；石英含量与比表面积呈现正相关性，与孔径呈现负相关性，而与孔隙体积的相关性较差。由于样品中的石英主要为生物硅质，因此石英含量和TOC含量对孔隙结构的控制作用较为相似。黏土矿物含量与孔隙体积呈正相关性，与比表面积和孔径的关系不是很明显。

5)等温吸附实验和现场含气量测试的结果显示XX井五峰组—龙马溪组下部页岩含气性和吸附能力普遍较高，均属于较好的水平。甲烷气量和兰氏体积与各参数之间的相关性较为一致，表明吸附气含量所占比例较高。甲烷气量和兰氏体积与TOC含量、Ro及比表面积之间均呈现较好的正相关关系，表明了有机质丰度、有机质成熟度及比表面积为页岩含气量的主要控制因素，其中有机质丰度对页岩的吸附能力起到了至关重要的作用。