渝东南地区龙马溪组页岩储层特征与主控因素

孙梦迪，于炳松，李 娟，曹晓萌，夏 威

(地质过程与矿产资源国家重点实验室 中国地质大学，北京 100083)

引 言

页岩气是产自低孔、低渗、暗色富有机质页岩层系中，以吸附或游离态为主要赋存方式聚集的天然气。页岩气藏是以富有机质页岩为烃源岩、储层或盖层，在页岩地层中不间断供气、连续聚集而形成的一种非常规天然气藏[1－2]。美国Texas州Fort Worth盆地的Barnett页岩是典型的页岩气成功开采的例子[3]，类比Barnett页岩，四川盆地下志留统龙马溪组一般厚度为65～516 m，其有机质丰度高、演化程度高、生烃量大，是一套页岩气藏形成的最有利层位[4]。

1 区域背景

根据美国和加拿大对页岩气勘探开发基本认识及成藏特点，并结合四川盆地地质特点，国土资源部油气资源研究中心选定渝东南下志留统龙马溪组为页岩气资源战略调查先导试验区[5]。研究区位于重庆地区的东南部和四川盆地的东部，南与黔北交接，东与湘西为邻(图1)。该地区属于上扬子前陆盆地，位于川中隆起与黔中隆起之间，是上扬子板块的重要组成部分[6]。

图1 渝东南地区区域位置及采样点分布

2 样品采集与测试方法

本次研究主要以下志留统龙马溪组黑色页岩为对象，共采集页岩样品117块，综合岩性特征及剖面分布情况，最终选取了50块样品进行了黏土矿物及全岩X衍射分析，30块样品进行了比表面和孔径分析，24块样品进行了等温吸附测试(表1)。

3 测试结果

3.1 岩石矿物学特征

渝东南地区下志留统龙马溪组黑色页岩矿物成分主要为碎屑矿物和黏土矿物，还有少量的碳酸盐岩和黄铁矿。其中碎屑矿物含量为16% ～71%，平均为47.4%，成分主要为石英和少量的长石，石英的含量为10% ～62%，平均为38.6%;黏土矿物含量为27% ～62%，平均为45%，主要为伊利石和伊蒙混层矿物，但伊蒙混层矿物的间层比很低，几乎都是伊利石，因此黏土矿物中伊利石含量为73% ～98%，平均为85.9%，其余的黏土矿物为绿泥石，含量为2% ～27%，平均为16%。

表1 测试实验明细

3.2 岩石物性特征

对渝东南地区下志留统龙马溪组黑色页岩样品分析结果表明:样品孔隙度为0.77% ～8.30%，平均为3.7%，孔隙度非常低;渗透率为0.0024×10－3～0.2734 ×10－3μm2，平均为 0.0294 ×10－3μm2，渗透率也极低。

3.3 有机质丰度特征

渝东南地区下志留统龙马溪组页岩的TOC含量为0.02% ～5.56%，平均为1.18%，变化较大。

3.4 孔隙特征

根据国际理论和应用化学协会(IUPAC)的孔隙分类[7]，将孔隙直径小于2 nm的称为微孔隙，2～50 nm的为中孔隙，大于50 nm的为宏孔隙。

渝东南地区下志留统龙马溪组页岩的微孔体积为0.0001～0.0018 mL/g，平均为0.00097 mL/g;中孔体积为0.0004～0.0204 mL/g，平均为0.0092 mL/g;宏孔体积为0.0000～0.0059 mL/g，平均为0.0028 mL/g;总孔体积为0.0005 ～0.023 mL/g，平均为 0.013 mL/g。BET比表面积为 1.596～19.200 m2/g，平均为11.27 m2/g，变化范围较大;平均孔隙直径为0.8～7.4 nm，平均为4.6 nm。

3.5 等温吸附特征

渝东南地区下志留统龙马溪组页岩样品饱和吸附量为1.5～3.6 m3/t，平均为2.22 m3/t;Langmuir压力常数为0.21～2.57 MPa，平均为1.40 MPa。

4 页岩储集物性主控因素

4.1 有机碳含量与孔隙体积的关系

Dubinin认为页岩中的微孔隙含量与TOC含量呈正相关，相对周围岩石组分相似的大孔隙而言，小于2 nm的微孔隙拥有更大的内表面积和更强的甲烷吸附能力，是多孔介质的一个至关重要的组成部分。对Fort Worth盆地Barnett页岩的研究表明，大多数纳米级的有机质孔隙形成是有机质(即干酪根)转化和热成熟的结果，在低成熟样品的有机质颗粒中缺乏纳米级孔隙，在较成熟样品中纳米级孔隙较富集[8]。

如图2所示，TOC与孔隙结构关系密切，微孔、中孔和宏孔均与TOC呈良好的正相关性，在一定程度上说明TOC控制显微孔隙的发育。

曾秋楠和于炳松[9]对鄂尔多斯盆地东南延长组低成熟度页岩(Ro小于1.0%)研究发现，TOC含量与孔隙体积之间没有明显关系。龙马溪组高—过成熟度页岩(Ro大于1.0%)[10]的 TOC含量与孔隙体积的正相关性恰恰是由于生烃过程中有机质(即干酪根)转化和热成熟的结果。

图2 页岩中不同孔隙与TOC含量之间的关系

4.2 矿物组分与孔隙体积的关系

研究表明，在有机质贫乏、铝硅酸盐富集的Fort Simpson组页岩中显微孔隙与有机成分的关系不大，其显微孔隙结构主要受黏土矿物成分的影响[11]。因此，在一定的TOC范围内，不同矿物成分对于不同孔隙类型的影响程度不同。

如图3所示，在一定的TOC下，随着碎屑矿物含量的增加，页岩的微孔体积和中孔体积均有一定程度的下降，宏孔体积有一定程度的增加，特别是在TOC小于1.0%时，关系较为明显。当TOC大于1.0%，孔隙体积主要受TOC的控制。

图3 碎屑矿物与各孔隙体积之间的关系

如图4所示，在一定程度的TOC下，尤其是在TOC小于1.0%时，随着黏土矿物含量的增加，微孔体积和中孔体积在一定程度上增加，宏孔体积关系不明显。

当TOC含量大于1.0%时，孔隙体积主要受TOC含量的控制。

图4 黏土矿物与各孔隙体积之间的关系

5 页岩吸附性能的主控因素

5.1 吸附能力与TOC的关系

随着有机碳含量的增加，饱和吸附量也随之增大，二者呈良好的正相关关系，这与前人的研究相一致。究其原因主要有2方面一方面是有机质内部发育的纳米级孔隙，使其对流体产生了强大的黏滞力和分子作用力，增强了对油气的吸附能力;另一方面是有机碳表面的亲油性会对气态烃有较强的吸附能力，无定形和无结构的基质沥青体也对气态烃有一定的溶解作用[12]。

5.2 吸附能力与矿物成分的关系

在TOC相对较低的情况下，随着碎屑矿物的增加，饱和吸附量出现了一定程度的下降，但在黏土矿物中由于数据过少现象不明显。随着TOC含量的增加，页岩的吸附能力逐渐由TOC所控制，矿物组成的影响力逐渐减小。如当TOC在3.0%左右时，尽管碎屑矿物含量差别很大，但其饱和吸附量却很接近，说明TOC在控制吸附量中起到了主导作用。

6 结论

(1)渝东南地区下志留统龙马溪组黑色页岩孔隙度为0.77% ～8.30%，平均为3.7%;渗透率为 0.0024 ×10－3～0.2734 ×10－3μm2，平均为0.0294×10－3μm2，具有低孔致密的储层特征。页岩的TOC为0.02% ～5.56%，平均为1.18%，变化较大。其中碎屑矿物含量为16% ～71%，平均为47.4%，成分主要为石英和少量的长石，黏土矿物含量为27% ～62%，平均为45%。

(2)孔隙体积受到多重因素控制，TOC与微孔体积、中孔体积和宏孔体积均呈正相关。当TOC大于1.0%时，TOC是孔隙体积的主控因素。当在相对较低的TOC，特别是在TOC小于1.0%时，碎屑矿物含量与页岩的微孔体积和中孔体积均呈负相关，与宏孔体积呈一定程度的正相关;黏土矿物则相反，与微孔体积和中孔体积呈一定程度的正相关，与宏孔体积关系不明显。

(3)饱和吸附量与TOC二者呈良好的正相关关系。一方面是有机质内部发育的纳米级孔隙，使其对流体产生了强大的黏滞力和分子作用力，增强了对油气的吸附能力;另一方面是有机碳表面的亲油性会对气态烃有较强的吸附能力，无定形和无结构的基质沥青体也对气态烃有一定的溶解作用。

(4)TOC在控制吸附量中起到了很大的作用，矿物成分只能在一定程度上影响饱和吸附量，在TOC相对较低的情况下，随着碎屑矿物的增加，饱和吸附量出现了一定程度的下降。

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