川南ZX向斜五峰组—龙马溪组页岩孔隙特征及差异性

张喜淳，胡晨林，田继军，吝文，张介辉，杨斌

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；3.中国石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310023；4.中石化经纬有限公司，山东 青岛 266075）

0 引言

随着非常规油气资源越来越受到重视，我国南方海相页岩气勘探开发取得了重大突破。长宁-威远、昭通、涪陵页岩气示范区的建立，为我国未来页岩气工业的发展打下了基础［1］。钻探结果表明，四川盆地南缘昭通示范区ZX向斜五峰组—龙马溪组富有机质黑色页岩具有良好的页岩气开发前景［2］，虽然具有生产潜力，但是页岩储层一般具有很强的非均质性［3］。

前人以野外露头和钻井资料为基础，结合地球化学、岩石矿物等沉积要素研究认为，五峰组—龙马溪组的页岩储层特征在垂向上存在很大差异，优质页岩主要位于地层底部，占比8%～20%［4-5］。郭旭升等［6-7］通过岩心、露头、测井和地球化学参数等数据分析，识别并建立了上扬子地区五峰组—龙马溪组下段黑色页岩层序地层的垂向演化模式。在五峰组—龙马溪组下段时期，海平面变化整体为快速上升—迅速下降—再次上升—逐渐下降，沉积环境由厌氧—贫氧—富氧逐渐过渡，这导致五峰组—龙马溪组下段的页岩储层具有多方面的非均质性，从而增加了优质页岩储层预测和资源评价的难度。很多学者从储层物性特征、有机地球化学特征等方面对五峰组—龙马溪组下段页岩进行了非均质性研究［8-11］，但目前关于储层参数的变化对孔隙结构的影响及原因仍存在不同观点，尚需继续研究和探讨。为了准确表征页岩纳米孔隙发育特征，本文以ZX向斜五峰组—龙马溪组下段页岩样品为研究对象，通过比表面积、孔体积和孔径等参数计算分形维数，并结合矿物组分、有机地化资料，研究页岩纳米孔隙特征及差异性，以期为后续勘探开发提供参考。

1 区域地质背景

四川盆地位于中国西南部，面积1.81×105km2，是中国构造较稳定的沉积盆地之一。滇黔北坳陷位于云南、贵州和四川三省交会处，面积约3.55×104km2，其中部为威信凹陷，北部与四川盆地相接，南部与滇东-黔中隆起相邻，东、西分别为雪峰隆起和昭通凹陷［12］。ZX向斜位于四川盆地川南低陡褶皱带南缘与滇黔北威信凹陷北缘结合地带（见图1），面积约3.513×102km2，经历印支期以来多期次的陆内造山构造运动叠加改造，具有强改造和走滑压扭的构造背景。早奥陶世晚期—志留世早期，扬子板块与华夏板块碰撞挤压产生汇聚作用，整个上扬子地台处于挤压应力环境，克拉通边缘受挤压抬升形成半闭塞、滞留海盆环境［13-15］。由于构造挤压和等效海侵的影响，使得地台形成了受限的沉积格局。

本文数据取自研究区6口页岩气井，气井位于ZX向斜北部（见图1a），主要勘探层位为五峰组—龙马溪组。本文研究的层位龙马溪组一段分为龙一1亚段（S1l11亚段）和龙一2亚段（S1l12亚段），其中重点研究的S1l11亚段又细分为S1l11-1，S1l11-2，S1l11-3，S1l11-44个小层（见图1b）。在贫氧/缺氧深水陆棚环境下，龙一段主要沉积了一套富含黄铁矿、碳质、生物硅的黑色页岩，龙二段主要为灰质泥岩、石灰岩、灰质页岩、泥质灰岩夹钙质粉砂岩［16-17］。五峰组—S1l11亚段主要岩相为黏土质硅质混合页岩相和钙质硅质混合页岩相，S1l12亚段主要岩相为黏土质为主的混合页岩相。

图1 ZX向斜构造位置及ZX3井地层综合柱状图

2 储层纳米孔隙特征

2.1 气体吸附、脱附曲线特征

本文选取ZX向斜ZX5井龙马溪组总有机碳质量分数（TOC）有梯度变化的样品进行CO2吸附和N2吸附-脱附实验（见图2）。CO2吸附实验结果表明：在相对压力（p/p0，p为平衡压力，p0为饱和蒸汽压力）小于0.01时，CO2吸附量增加较快，曲线呈上凸形，表明页岩内部含有较多微孔；当p/p0≥0.01时，CO2吸附量增加速度相对减缓，吸附曲线呈近似线形增长（见图2a）。结合样品CO2最终吸附量来看，龙二段样品19的TOC最低（0.49%），CO2最终吸附量也最低，仅为0.48 cm3/g，龙一段样品62的TOC最高（6.25%），CO2最终吸附量也最高（2.39 cm3/g）。因此，TOC越高的样品，微孔发育程度越高，CO2最终吸附量也越大。这表明TOC对页岩纳米孔隙发育有积极影响［18］。

ZX5井页岩样品的N2吸附-脱附曲线具明显分段特征，整体呈反“S”形（见图2b。图中实心圆曲线为吸附曲线，空心圆曲线为脱附曲线）。当p/p0＜0.05时，样品N2吸附量增速较快，曲线呈上凸形，表明液氮在微孔中充填或在单分子层吸附。当0.05≤p/p0＜0.80时，N2吸附曲线近似直线，吸附量上升较为缓慢，表明样品内部发育介孔和宏孔，在其表面发生单分子层及多分子层吸附；当p/p0≥0.80时，N2吸附曲线呈下凹形，尤其在p/p0≥0.90时，N2吸附量骤增，表明页岩样品中发育大量宏孔，且液氮分子在宏孔内发生毛细凝聚现象。而毛细凝聚现象导致了页岩样品的N2脱附曲线滞后于吸附曲线，在p/p0=0.45处出现滞后环。根据滞后环的形状可以大致判断页岩孔隙类型，其差异性表明纳米孔隙的复杂特征。根据国际理论与应用化学联合会（IUPAC）标准分类，ZX5井页岩样品的滞后环主要为H4型［19］，表明ZX向斜页岩主要发育狭缝型纳米孔隙。五峰组—S1l11亚段（样品49，55，62）脱附曲线滞后环比S1l12亚段（样品25，37）更明显，S1l12亚段脱附曲线又比龙二段（样品19）更明显，表明随着埋深增加，页岩纳米孔隙发育更多、更复杂。

进一步分析发现，N2，CO2吸附实验类似，TOC高的样品N2吸附量相对较高。由图2b可知：ZX5井龙一段样品62的TOC最高（6.25%），N2吸附量也最高（20.68 cm3/g）；ZX5井龙二段样品19的TOC最低（0.49%），N2吸附量最高仅为11.05 cm3/g。这再次印证了TOC是页岩气吸附能力的主要影响因素。ZX向斜页岩TOC随埋深增加而增加，吸附能力也随之增加，表明该地区五峰组—S1l11亚段地层的勘探开发相对有利。

图2 ZX5井五峰组—龙马溪组部分页岩样品CO2吸附、N2吸附-脱附曲线

2.2 纳米孔隙结构特征

ZX1井五峰组—S1l11亚段纳米孔隙较发育。比表面积（S）峰值位于微孔（孔径小于2 nm）、介孔（孔径介于2～50 nm），表明比表面积主要受控于微孔和介孔（见图3a）。孔体积（V）峰值位于介孔、宏孔（孔径大于50 nm），表明孔体积主要受控于介孔和宏孔（见图3b）。

图3 ZX1井五峰组—S1l11亚段页岩样品孔径分布特征

五峰组—S1l11亚段页岩样品的比表面积介于19.96～39.06 m2/g，S1l11亚段比表面积均值为25.58 m2/g，五峰组比表面积均值为31.23 m2/g，五峰组页岩样品的比表面积大于S1l11亚段。而五峰组页岩样品的平均孔径为7.67 nm，S1l11亚段页岩样品的平均孔径为8.93 nm，表明随着埋深增加，页岩样品孔径减小，微孔占比提高，比表面积随之增加。五峰组—S1l11亚段页岩样品的孔体积介于0.023 0～0.046 0 cm3/g，S1l11亚段孔体积均值为0.037 2 cm3/g，五峰组孔体积均值为0.036 9 cm3/g，S1l11亚段页岩样品的孔体积略大于五峰组，表明S1l11亚段介孔、宏孔占比提高。S1l11亚段、五峰组页岩样品的TOC均值分别为3.34%，5.26%，孔隙度均值分别为4.78%，7.44%。随着埋深增加，TOC增加，有机质孔占比提高，对孔隙度增加有促进影响。纳米级有机质孔占比提高是页岩孔隙比表面积增加、孔体积小幅减少、平均孔径降低的主要影响因素。

3 纳米孔隙发育的差异性分析

3.1 储层参数对孔隙结构参数的影响

有机质内发育大量的纳米级有机质孔，有机质孔表面比较粗糙，内部结构复杂，形态多样，这种复杂的结构大大增加了孔隙的比表面积和孔体积［8，20］。ZX向斜页岩TOC与孔隙的比表面积、孔体积有良好的正相关性（见图4a，4b）。因此，富有机质页岩中孔隙的比表面积和孔体积大部分来源于有机质所形成的纳米孔隙。前人成果表明，无机矿物形成的孔隙平均孔径一般大于有机质孔的平均孔径［21］。随着埋深增加，TOC有增加的趋势，且伴有较高的地层压力，地层压力增大，平均孔径趋于减小，微孔发育占比增加。由此可以得出，在其他条件相近时，TOC是页岩纳米孔隙发育出现差异性的主要影响因素之一。

郭旭升等［8］研究表明，有机质在热解生烃的过程中，随着热演化程度增加，有机质微孔和介孔数量将增多，即页岩热演化程度在一定范围（镜质组反射率Ro介于0.7%～3.5%）时，会对纳米孔隙发育起积极作用。而梁兴等［22］研究表明，热演化程度过高会对孔隙发育产生一定的负面影响。例如：下寒武统筇竹寺组页岩Ro均值大于3.0%，龙马溪组页岩Ro相对较低，Ro均值小于3.0%；而筇竹寺组页岩气富集程度不及龙马溪组，因此得出热演化程度通过控制黏土矿物的类型和质量分数间接控制矿物间纳米孔隙的发育，且过高的热演化程度制约了纳米孔隙发育的结论。ZX向斜五峰组—S1l11亚段Ro均值为2.35%，整体处于高—过成熟阶段，为纳米孔隙大量发育时期［8，22］。当Ro≤3.0%时，页岩Ro与纳米孔隙的比表面积、孔体积呈正相关性；当Ro＞3.0%时，页岩Ro与比表面积呈较明显的负相关性，与孔体积呈较弱的负相关性（见图4c，4d）。这表明当Ro≤3.0%时，热演化程度对纳米孔隙发育有积极影响，当Ro＞3.0%时，热演化程度对纳米孔隙发育有一定的制约性，这与前人的研究结果相吻合。因此，热演化程度是页岩纳米孔隙发育出现差异性的主要影响因素之一。

图4 ZX向斜页岩孔隙结构参数与TOC，R o的关系

3.2 分形维数与孔隙结构参数的关系

本文选用FHH（Frenkel-Halsey-Hill）模型对研究区五峰组—S1l11亚段页岩样品的分形维数（D）进行计算。一般来说，D介于2～3。D越接近2，表明孔隙结构的复杂性或孔隙表面的非均质性越弱；D越接近3，表明孔隙结构的复杂性或孔隙表面的非均质性越强［23］。页岩样品N2吸附-脱附曲线在p/p0≥0.45时会出现滞后环。因此，p/p0≥0.45时的吸附机制与p/p0＜0.45时的吸附机制不同。根据前人研究，一般将p/p0＜0.45时的分形维数记为D1，反映范德华力作用；p/p0≥0.45时的分形维数记为D2，反映毛细凝聚作用［24］。

ZX向斜五峰组—S1l11亚段的D2介于2.680 1～2.842 5，平均2.763 1；D1介于2.583 5～2.721 1，平均2.661 6。当D2＞D1时，表明在N2吸附-脱附曲线p/p0≥0.45阶段，页岩中大量宏孔内部的结构复杂程度大于微孔和介孔。不同岩相的页岩，其分形维数存在差别。黏土质硅质混合页岩的D2均值为2.744 1，D1均值为2.656 9，钙质硅质混合页岩的D2均值为2.782 4，D1均值为2.680 8。黏土矿物提供了大量的层间孔/缝、粒间孔和粒内孔。肖磊等［24］研究表明，D1，D2与黏土矿物质量分数有一定的负相关性，黏土矿物在受压实作用时，其内部的排列更为紧密，孔隙更加规则，从而分形维数偏小。

ZX向斜龙马溪组下段页岩为海相页岩，其中的硅质大部分为生物成因，石英比黏土矿物具有更高的脆性，在压实过程中更易形成不规则孔隙，且能够提供更多内部复杂的有机质孔。因此，钙质硅质混合页岩相具有更大的分形维数，表明此类页岩孔隙表面更粗糙，内部结构更复杂。

ZX向斜五峰组—S1l11亚段页岩比表面积与分形维数的关系见图5。D1和D2均与比表面积呈正相关性，D1相关性较弱，R2为0.436 2（见图5a）；D2相关性较强，R2为0.669 7（见图5b）。分形维数与比表面积呈正相关性，D2与比表面积的相关性优于D1，且D2更接近3。这表明比表面积越大的页岩纳米孔隙的分形维数越大，表面更粗糙，内部更复杂［25］。在N2吸附曲线p/p0≥0.45宏孔占比增加的阶段，这种相关性更加明显。总之，通过计算分形维数可以在一定程度上反映页岩孔隙结构参数的规律，分析不同层位、不同岩相的纳米孔隙发育的差异性。

图5 ZX向斜五峰组—S1l11亚段页岩比表面积与分形维数的关系

4 结论

1）ZX向斜五峰组—龙一段页岩样品内部主要发育微孔、介孔和宏孔，吸附能力的主要影响因素是TOC。TOC随埋深增加而加大，页岩吸附能力增强，尤其是五峰组—S1l11亚段TOC整体高于S1l12亚段，页岩吸附能力更强，保存气体更多。因此，五峰组—S1l11亚段的勘探开发相对有利。页岩孔隙的比表面积主要受控于微孔和介孔，孔体积主要受控于介孔和宏孔。

2）五峰组—S1l11亚段页岩TOC和Ro的变化是导致纳米孔隙发育出现差异性的主要影响因素。钙质硅质混合页岩的分形维数相对更大，孔隙表面更粗糙，结构更复杂。