页岩气储层类型和特征研究——以四川盆地及其周缘下古生界为例

聂海宽，张金川

(1.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083)

页岩气是一种连续聚集的非常规天然气藏，位于油气成藏和分布序列的“源端元”，具有多种成因类型和多种赋存方式，集烃源体、输导体和圈闭体等所有关键的成藏体系要素于同一套页岩层的天然气聚集。国内外学者在页岩气界定[1-3]、成藏机理[3-4]、气体成因[1,5-6]、天然气赋存方式及比例[1-2]、聚集条件及主控因素[7-14]、分布规律[1,5,14]、页岩气发育有利区预测[3,7-8,15-17]、资源评价[1,18-21]等方面进行了深入的研究。本文在对四川盆地及其周缘下寒武统和上奥陶统—下志留统41块样品野外观察、显微薄片、扫描电镜及X衍射等实验分析基础之上，对页岩储层特征进行研究。页岩储层和砂岩、灰岩储层有较大的差异，不仅在孔隙大小上，而且在孔隙类型、特征和孔径分布上均有较大差别。孔隙和裂缝决定着页岩的储能和产能，系统研究页岩的孔隙和裂缝特征对页岩气藏的勘探开发至关重要。

1 裂缝特征

1.1 裂缝分类

裂缝的发育程度和规模是影响页岩含气量和页岩气聚集的主要因素，决定着页岩渗透率的大小，控制着页岩的连通程度，进一步控制着气体的流动速度、气藏的产能。裂缝还决定着页岩气藏的保存条件，裂缝比较发育的地区，页岩气藏的保存条件可能差些，天然气易散失、难聚集、难形成页岩气藏；反之，则有利于页岩气藏的形成。根据不同的划分标准，裂缝有很多分类：根据成因可划分为张性、剪性和压性3种；根据充填情况可划分为完全充填、部分充填和无充填3种；根据角度可划分为高、中、低3种倾角类型。本文综合考虑裂缝的性质和对页岩气聚集的控制作用，按发育规模将裂缝分为5类(表1)。

(1)巨型裂缝(图1a)：主要指宽度大于1 mm，长度大于10 m的裂缝，包括垂直页岩层理面和顺层理面两类，垂直层理面的裂缝能同时穿过碳质页岩、硅质页岩等薄层，前者主要为构造成因，后者为沉积成因。

表1 页岩气储层分类及气体赋存、运移方式Table 1 Shale gas reservoir classification as well as gas occurrence and migration

图1 四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩裂缝类型Fig.1 Fracture types of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

(2)大型裂缝(图1b)：主要指宽度为毫米级，长度介于1～10 m之间的裂缝，该类裂缝局限于碳质页岩或硅质页岩单层内部，不能穿层，亦主要为构造成因。

(3)中型裂缝(图1c)：主要指宽度为0.1～1 mm，个别宽度可达毫米级，长度介于0.1～1 m之间的裂缝，该类裂缝可能为构造成因或泥岩的生烃膨胀力导致。

(4)小型裂缝(图1d)：主要指宽度为0.01～0.1 mm，长度介于0.01～0.1 m，为肉眼可见的最小裂缝。

(5)微型裂缝(图1e)：指宽度一般小于0.01 mm，长度小于0.01 m，一般为几十微米。

1.2 裂缝发育的影响因素

不同学者对裂缝发育的影响因素进行过很多研究，普遍认为在相同的力学背景下，有机碳含量、石英含量等是影响裂缝发育的重要因素[22]。阿巴拉契亚盆地的钻井表明，滑脱及其相关的伸展和收缩裂缝带更倾向于在富含干酪根的黑色页岩中发育，而不是在夹层的灰色页岩和粉砂岩中发育，黑色页岩通常比其附近的灰色页岩裂缝发育程度较高，裂缝频率也较高、间距也较小，并且裂缝通常在岩性界面终止。薄层的黑色页岩比厚层的有机碳含量高，裂缝发育程度也较高，因此，裂缝发育程度随着页岩层厚度的增加而降低。石英含量的高低也是影响裂缝发育的重要因素，富含石英的黑色页岩段脆性较强，裂缝的发育程度比富含方解石塑性较强的灰色页岩强烈。Nelson[23]认为除石英之外，长石和白云石也是黑色页岩段中的易脆组分。因此，在相同的构造背景下，能否准确分析页岩的岩性、颜色、厚度和矿物成分等是准确判断裂缝发育规模和程度的关键。野外观测表明：有机碳含量高的黑色碳质页岩较软，裂缝较发育，易风化，而石英含量高的硅质页岩，质地较硬，裂缝欠发育，难风化。如四川汉源永利丁子沟大山顶上奥陶统—下志留统剖面(图2)，底部为碳质页岩(泥岩)，有机碳含量较高，裂缝发育，易风化，图中凹进部位即为该剖面下部的碳质页岩，向上过渡为粉砂质页岩、硅质页岩，有机碳含量降低，硅质含量升高，裂缝欠发育，耐风化。云南昭通巧家金塘下寒武统剖面，底部为碳质页岩，中部为硅质页岩，顶部为砂泥互层，同样表现为此种风化现象，下部碳质页岩较软，裂缝较发育，易风化，中部硅质页岩，较脆，裂缝欠发育，耐风化，顶部砂泥互层表现为泥岩发育裂缝，砂岩裂缝发育程度弱(图3)。

1.3 裂缝对页岩气聚集的控制作用

巨型裂缝和大型裂缝的垂直缝多为构造成因(其中的水平缝为沉积成因)，是页岩受构造应力作用而产生的，一般表现为边缘平直、延伸长度大、穿过不同岩性的岩层、具有一定方向，与构造形变有紧密联系。巨型裂缝和大型裂缝发育的区域，在页岩气勘探中应重点分析，研究裂缝的活动时期，是否封闭等。这类裂缝一般是页岩(烃源岩)排烃的通道，发育该类裂缝的区域，有利于页岩的排烃，页岩中残留的烃较少，不利于页岩气聚集。而此类裂缝欠发育或不发育的区域，页岩的排烃受阻，排烃较少，页岩中残留的烃较多，有利于页岩气聚集，是页岩气发育的有利位置。如在美国页岩气产量最高的福特沃斯盆地Barnett页岩气藏，在高裂缝发育区井的产能往往最差[2]，例如：在构造高点、局部断层或者与喀斯特有关的塌陷包围的井，裂缝比较发育，但是井的生产能力比其它地区要差，尤其是位于断层附近的井，常常表现为比非构造部位的页岩气井生产能力下降和含水提高，因为这些部位裂缝发育，水力压裂的水会沿着裂缝进入其下的Viola和(或)Ellenburger灰岩层，不能在Barnett页岩中获得良好的、有利于页岩气生产的裂缝。笔者经过分析认为：由于晚白垩世盆地抬升，高裂缝发育地区不利于超压的保持，压力较低，气体过早地从吸附态解析出来变成游离态，导致游离态气体含量多，吸附态含量少，并造成了绝对意义上的天然气减少(和裂缝不发育地区相比)，游离态赋存的天然气很容易散失，而吸附态气体含量少直接导致井稳产时间不长；而裂缝欠发育或不发育的地区，保持了轻微的超压，由于压力较大，气体被压缩在裂缝或孔隙中，以吸附态赋存的天然气也被压缩在吸附剂的表面，未能解析出来，有较大的含气量。因此，最理想的钻井位置就是没有断裂和裂缝存在的地方，这些区域的含气量比较高(吸附气量也高)，在进行压裂后，能获得很好的产能。

图2 四川省汉源县丁子沟大山志留系黑色页岩露头Fig.2 Black shale outcrops of Silurian in Dingzigou Mountain, Hanyuan County, Sichuan

图3 云南省巧家县金塘乡下寒武统黑色碳质页岩和硅质页岩露头Fig.3 Black carbonaceous shale and siliceous shale outcrops of Lower Cambrian in Jintang, Qiaojia County, Yunnan

中型裂缝、小型裂缝和微型裂缝多为非构造裂缝，是由非构造应力作用形成的裂缝，主要是封闭在泥岩中的粘土矿物脱水收缩和烃类受热增压作用形成的，其中超压裂缝是该类裂缝的主要类型。这类裂缝的规模一般较小，有研究称，最小宽度可为3～10 nm[24]。泥页岩的可塑性较强，需要较高的过剩压力才能破裂，由于页岩中有机质的生烃作用，当页岩层中的异常孔隙流体压力达到上覆静岩压力的0.7～0.9倍时(相当于静水压力的1.6～2倍)，页岩中就可以产生张性微裂隙[24]。当流体排出、压力释放后微裂隙闭合，不易观察到微裂隙。微型裂隙一般比微孔隙要大，而且曲折度小、比较平直。该类裂缝只有在扫描电镜下可见，是页岩气藏中以吸附态赋存的天然气解析到游离态的主要通道。这类裂缝只发育在某一页岩段内部，在页岩未达到排烃之前，裂缝的规模较小，不足以达到排烃的程度，天然气就聚集在页岩段内部。由前述裂缝发育特征可知，碳质泥岩段比硅质泥岩段易发育裂缝，且碳质页岩段是主要的生气层段，因此，在一套页岩中，碳质页岩段比硅质页岩段有利于页岩气藏的发育。

2 孔隙特征

2.1 孔隙分类

本文主要采用物理测试和扫描电镜观察相结合的方法对黑色页岩的孔隙类型进行研究，物理测试可以直接得出孔隙的大小，而扫描电镜不但解决了物理测试无法直接观察孔隙的问题，同时也弥补了光学显微镜焦深小、分辨能力低的不足，可以直接观察孔隙的类型、大小和结构等。页岩的孔隙按演化历史可以分为原生孔隙和次生孔隙；按大小可以分为微型孔隙(孔径<0.1 μm)、小型孔隙(孔径<1 μm)、中型孔隙(孔径<10 μm)和大型孔隙(孔径>10 μm)。鉴于孔隙种类对页岩储集类型、含气特征、聚气特征和气体产出等有重要影响，因此，本文按孔隙类型进行划分，分为有机质(沥青)孔和/或干酪根网络、矿物质孔(矿物比表面、晶内孔、晶间孔、溶蚀孔和杂基孔隙等)以及有机质和各种矿物之间的孔隙等3类(表1)，这些孔隙是主要的储集空间，赋存了大量的天然气，孔隙度大小直接控制着天然气的含量。

2.1.1 有机质(沥青)孔和/或干酪根网络

该类孔隙的孔径一般为纳米级，表现为吸收孔隙，是吸附态赋存的天然气主要储集空间。生油层中的有机质并非呈分散状，主要是沿微层理面分布，进一步证实，生油岩中还存在三维的干酪根网络。微层理面可以理解为层内的沉积间断面，其本身有相对较好的渗透性，再加上相对富集的有机质可使其具有亲油性，若再有干酪根的相连，那么在大量生气阶段，易形成相互连通的、不受毛细管阻力的亲油网络[24]，是页岩中天然气富集的重要孔隙类型之一。微孔直径一般小于2 nm，中孔直径在2～50 nm，大孔隙直径一般大于50 nm；随孔隙度的增加，孔隙结构发生变化(微孔变成中孔，甚至大孔隙)，孔隙内表面积也增大[25]。另外，这些分散有机质的表面是一种活性非常强的吸附剂，也能极大提高页岩的吸附能力，并且伴随着成熟度的增加，有机质热生烃演化还会形成一些微孔隙。黑色页岩中残留的沥青也属于该类孔隙，天然气主要以吸附态甚至溶解态赋存在沥青中(图4)。

2.1.2 矿物质孔

主要包括矿物比表面、晶间(颗粒间)孔、晶内(颗粒内)孔、溶蚀孔和杂基孔隙等。比表面主要是一些粘土矿物的表面，具有吸附天然气的能力。晶间孔是指晶粒之间的微孔隙，主要发育于晶形比较好、晶体粗大的矿物集合体中，孔径一般几微米，个别可达十几微米，甚至毫米级。常见的晶间孔较发育的矿物有伊利石、高岭石、蒙脱石、方解石、石英等，晶孔的大小、形状、数量取决于矿物晶粒是原生还是次生，取决于矿物的形成时间。如伊利石在扫描电镜下呈弯曲的薄片状、不规则板条状、集合体呈蜂窝状、丝缕状等，可根据伊利石的结晶度判断早古生代海相页岩的成熟度，是页岩高热演化条件下的产物，含量相对较高，伊利石的晶间孔隙和颗粒表面是页岩储层的主要孔隙类型之一(图5)。本次观察到溶蚀孔主要是充填在裂缝/孔隙中方解石的溶蚀。

图4 四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩有机质孔Fig.4 Organic pores in black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

图5 四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩矿物质孔类型Fig.5 Mineral pore types in black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

2.1.3 有机质和矿物质之间的孔隙

主要指有机质和矿物之间的各种孔隙，该类孔隙只占页岩孔隙的一小部分，但却意义重大。该类孔隙连通了有机质(沥青)孔和/或干酪根网络和矿物质孔，把两类孔隙连接起来，使得有机质中生成的天然气能够运移至矿物质孔赋存，某种程度上有微裂缝的作用，对页岩气的聚集和产出至关重要。

2.2 孔隙和孔喉分布

通过对四川盆地及其周缘下寒武统和上奥陶统—下志留统41块样品的实验分析，孔隙度分布在0.8%～15.1%之间；孔隙度小于2%的占15.8%， 2%～7%的占52.6%， 7%～10%的占15.8%，大于10%的占15.8%(这部分数据可能和样品严重风化有关)(图6a)。渗透率主要分布在(0.001 3～0.058)×10-3μm2之间；渗透率小于0.005×10-3μm2的占总样品的43.8%，(0.005～0.01)×10-3μm2之间的占25%，(0.01～0.05)×10-3μm2之间的占18.8%，(0.05～0.1)×10-3μm2之间的占12.5 %，没有大于0.1×10-3μm2的样品(图6b)。孔隙度和渗透率呈正相关关系，随孔隙度的增大，渗透率也是增大的，且随裂缝的发育渗透率快速增加，图7中的2个异常点可理解为由于裂缝发育导致渗透率增加。由以上分析可知，页岩的孔隙度主要分布在2%～7%之间，渗透率主要分布在小于0.01×10-3μm2的范围。

图6 四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩孔隙度、渗透率分布Fig.6 Porosity and permeability of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

图7 四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩孔隙度和渗透率关系Fig.7 Relationship between porosity and permeability of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

根据对页岩的压汞曲线分析，可知研究区黑色页岩压汞曲线大多位于含汞饱和度(SHg)—毛管力(Pc)半对数直角坐标系的右上方，几乎没有平台，说明孔喉分布偏细，分选中等(图8)。

研究区黑色页岩的孔喉半径主要分布在0.00～0.10 μm之间，下寒武统和上奥陶统—下志留统样品在此区间的频率分别为89.8%和87.3%；其次分布在0.10～0.16 μm之间的，频率分别为2.2%和3.2%；在0.16～0.25 μm之间的分布频率分别为1.4%和2.1%；在0.25～0.40 μm之间的分布频率分别为1.1%和1.3%；孔喉半径大于0.40 μm的样品很少，分布频率分别为4.2%和4.6%(图9)。

2.3 孔隙度大小的影响因素

影响孔隙度大小的因素很多，包括沉积环境、沉积相、演化历史、成岩作用阶段、有机碳含量、矿物组成和密度等。本文主要讨论矿物组成和密度对孔隙度大小的影响。矿物组成主要包括石英含量、粘土矿物含量、碳酸盐含量等，其中石英含量和孔隙度呈正相关关系(图10a)，粘土矿物含量和孔隙度关系不大，碳酸盐含量和孔隙度呈负相关关系(图10b)。由于页岩在原始沉积的时候，孔隙度非常大，在后期的埋藏压实、成岩等作用过程中，孔隙度不断减小，而石英为刚性矿物，抗压实能力比较强，因此，随着石英含量的增加，抗压实能力也增强，相应的孔隙度也就较大。碳酸盐矿物主要是页岩沉积后演化过程中形成的，主要以方解石的形式充填在原生孔隙或裂缝中，因此，方解石(碳酸盐矿物)的存在导致孔隙度降低。密度和孔隙度呈负相关关系，随密度增大，孔隙度减小。

图8 云南昆阳梅树村下寒武统筇竹寺组黑色页岩压汞法毛管压力曲线Fig.8 Capillary pressure curves using mercury injection method, black shale of Qiongzhusi Formation of Lower Cambrian, Meishu, Kunyang, Yunnan

图9 四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩孔喉半径分布Fig.9 Pore throat radius distribution frequency of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

图10 四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩石英、碳酸盐含量和孔隙度的关系Fig.10 Relationship between quartz, carbonate contents and porosity of black shale from Lower Paleozoic in and around Sichuan Basin

3 结论

1)根据页岩气聚集特征和储集特征将页岩储集类型分为裂缝和孔隙两大类，前者根据裂缝对页岩气聚集的作用可以分为巨型裂缝、大型裂缝、中型裂缝、小型裂缝和微型裂缝等5类；后者根据孔隙类型将孔隙分为有机质(沥青)孔和/或干酪根网络、矿物质孔(矿物比表面、晶内孔、晶间孔、溶蚀孔和杂基孔隙等)以及有机质和各种矿物之间的孔隙，共计2大类9小类。

2)不同类型的页岩裂缝发育差别较大，有机碳含量和矿物组成是控制裂缝发育的主要因素；不同的裂缝规模对页岩气聚集的作用不同。不同的孔隙类型，储气特征不同，有机质(沥青)孔和/或干酪根网络主要是生气的母源并且赋存一部分天然气；矿物质孔主要以储气为主；而有机质和各种矿物质孔之间的孔隙连通前两者，某种程度上有微裂缝的作用，对页岩气的聚集和产出至关重要。

致谢：感谢龙鹏宇、张培先、林拓等同志在样品采集和整理方面所做的工作。

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