页岩不同类型孔隙的含气性差异——以四川盆地焦石坝地区五峰组—龙马溪组为例

魏志红 魏祥峰

中国石化勘探南方分公司

2012年底，中国石化在四川盆地涪陵焦石坝发现了第一个具备商业性开发价值的大型整装页岩气田［1－3］，极大地推动了中国页岩气行业的发展。

传统油气地质理论中，对富有机质泥页岩的早期研究主要侧重于将其作为常规油气的烃源层和盖层对待，而没有将其作为具有油气开采价值的储层。20世纪80年代以来，室内试验分析技术的进步，非常规地质理论的创新，加深了地质学者对页岩沉积成岩过程、储层精细刻画、气体赋存形式及原始含气量变化的理解［4－9］，同时并利用场发射扫描电镜，结合氩离子抛光等技术观测到了丰富的纳米级孔隙，认为纳米孔在页岩气的聚集、成藏中起重要作用。相关学者对储集空间的类型及特征、孔隙结构等方面进行了相对深入的研究［10－13］，但对不同孔隙类型含气性的研究相对较少。因此，笔者以涪陵页岩气田上奥陶统五峰组—龙马溪组为例，在研究泥页岩孔隙类型及特征的基础上，探讨不同类型孔隙的含气性差异，以期分析不同储集空间对页岩气富集的作用，从而为国内页岩气研究的发展起到积极的推动作用。

1 孔隙类型及其特征

1.1 孔隙类型

利用氩离子束抛光扫描电子显微镜技术对焦石坝五峰组—龙马溪组泥页岩的纳米级孔隙进行研究，共识别出有机质孔、黏土矿物间孔、晶间孔、次生溶蚀孔等孔隙类型（详见本期郭旭升等的文章），如图1所示。

1.2 孔隙构成

页岩基质孔隙按有机质、矿物的类型又可划分为脆性矿物微孔隙、有机质孔隙以及黏土矿物间孔隙，这是海相泥页岩储集空间定量表征的重要依据。

王道富等（2013）提出了孔隙度计算的岩石物理模型计算［14］，用于定量刻画每种类型孔隙对页岩孔隙的贡献大小。本次将借用该模型定量描述焦石坝五峰组—龙马溪组泥页岩中基质孔隙的构成，这里引述该模型的孔隙度计算公式：

φ＝ρABriVBri＋ρAclayVclay＋ρATocVToc

式中φ为页岩孔隙度，%；ρ为页岩岩石密度，t／m3；ABri、Aclay、AToc分别为脆性矿物、黏土和有机质的质量百分含量；VBri、Vclay、VToc分别为脆性矿物、黏土和有机质的单位质量内微孔隙体积，m3／t，即3种物质单位质量对孔隙的贡献。

应用孔隙度数学模型求取了JY4井龙马溪组页岩脆性矿物、黏土和有机质内孔隙的孔容分别为0.003 8 m3／t、0.036 7m3／t和0.33m3／t。在此基础上，根据各测点TOC和矿物成分含量对各类孔隙所占比例进行了测算，结果表明（见本期郭旭升文章表2），有机质孔和黏土矿物间孔对孔隙度的贡献最大，两者总共占了90%左右，脆性矿物孔仅占10%左右。并且自上到下随TOC增大、黏土矿物含量减少，具有有机质孔比例逐渐增大、黏土矿物间孔比例逐渐减少的趋势。

图1 焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩孔隙特征图

2 不同孔隙类型含气性特征

2.1 泥页岩TRA特征

为了研究页岩岩石密度、含气孔隙度、含气饱和度、有效连通总孔隙度和压力衰减渗透率等参数的特点，针对焦石坝地区JY4井五峰组—龙马溪组页岩在斯伦贝谢公司进行了5个页岩蜡封样品的TRA（Tight Rock Analysis）分析。

JY4井五峰组—龙马溪组页岩样品TRA结果显示（表1），页岩TOC总体较高，介于1.82%～4.09%；黏土矿物含量较低，介于14.3%～28.4%；有效孔隙度较大，压力衰减渗透率极低，孔隙度介于2.43%～6.55%，渗透率介于0.000 111～0.000 343mD；有效含气饱和度高，介于71.55%～90.25%。以上现象总体显示出焦石坝五峰组—龙马溪组泥页岩具有高TOC、高脆性矿物、高孔隙度、高含气饱和度等“四高”的特征，总体为优质的页岩气储层。

另外，研究发现各参数在纵向上表现出规律性地变化（图2），从上到下具有以下特点：①TOC量逐渐增大、黏土矿物含量逐渐减少；②有效孔隙度逐渐增大；③有效含气饱和度逐渐增大、含水饱和度逐渐减小；④黏土束缚水和结构水含量逐渐减少。

表1 焦石坝地区JY4井五峰组—龙马溪组页岩TRA结果统计表

图2 JY4井五峰组—龙马溪组页岩TRA测试参数变化特征图

2.2 孔隙含气性探讨

前面叙述的孔隙构成结果表明，龙马溪组页岩以有机质孔和黏土矿物间孔为主，并具有随TOC增大、黏土矿物含量减少，有机质孔比例逐渐增大、黏土矿物间孔比例逐渐减少的趋势。而上述5个页岩样品自上而下同样表现出TOC增大、黏土矿物含量减少的特点，因此，从上到下也具有有机质孔比例逐渐增大、黏土矿物间孔比例逐渐减少的趋势。

研究发现，有效含气饱和度与TOC呈明显的线性正相关，含水饱和度则与黏土矿物含量呈明显的线性正相关（图3），该现象反映了TOC越高，有机质孔隙越发育，有效含气饱和度越高，而黏土矿物含量越高，黏土矿物间孔越发育，有效含水饱和度越高，这说明了有机质孔隙具有更好的含气性，是页岩气最重要的储集空间。

图3 JY4井五峰组—龙马溪组页岩饱和度与TOC、黏土矿物含量关系图

分析造成上述现象的原因有：一是有机质孔隙具有明显的亲油性，该特点决定了有机质孔往往相对于黏土矿物间孔等无机孔隙，能够优先促使甲烷在其内吸附和储存；另外，TOC与有效孔隙度呈明显的正线性相关（图4），反映了有机质孔隙为泥页岩提供了更多的储集空间，有利于页岩气更大量的储集。而黏土矿物则由于其亲水性，造成黏土矿物含量与有效含水饱和度、黏土束缚水和结构水总量呈较明显的正线性关系（图3－b、图5）。因此相对于有机质孔，总体不利于页岩气的吸附和储集。

图4 有效孔隙度与TOC相关关系图

3 结论

1）五峰组—龙马溪组页岩的纳米级孔隙主要包含了有机质孔、黏土矿物间孔以及脆性矿物孔（晶间孔、次生溶蚀孔等）等孔隙类型；纳米级孔隙以有机质孔隙和黏土矿物间孔为主，占总孔隙比例的90%左右。

2）高TOC与高孔隙度、高有效含气饱和度成良好的耦合关系，表明有机质孔隙利于页岩气的吸附和储集，含气性好，为页岩气最重要的储集空间；黏土矿物间孔隙由于具有亲水性，表现出黏土矿物含量与含水饱和度呈明显的正相关关系，其含气性较差。

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