海陆过渡相页岩气储层孔隙特征及主控因素分析——以鄂尔多斯盆地上古生界为例

赵可英，郭少斌

(中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083)

相对于常规油气储层，泥页岩储层评价工作更为复杂，前人对泥页岩储层评价参数做出了探索［1-4］。对于泥页岩储层而言，其重点的研究内容包括孔隙类型、孔隙结构、发育特征及影响因素等。

泥页岩中存在大量的微米级和纳米级孔隙，是页岩气赋存和运移的主要空间，但二者性质和作用差别很大，本文根据孔隙的特征对其主控因素进行分析。微裂缝在形态和尺度上与孔隙差别很大，是游离气的重要储渗空间。本文基于面孔率和孔径的统计数据，运用扫描电镜、氩离子抛光场发射电子扫描显微成像与核磁共振测试技术，分别对鄂尔多斯上古生界泥页岩的纳米级、微米级孔隙和微裂缝3个层面进行定量表征，探讨泥页岩不同储集空间发育的主控因素，有别于前人对孔隙度数值的影响因素探讨。

1 泥页岩储集空间发育特征

扫描电镜和氩离子抛光场发射扫描电镜图像显示，鄂尔多斯盆地上古生界泥页岩储层发育微米级、纳米级孔隙和微裂缝3种储集空间类型(图1)。孔隙度(氦气法)分布于1.68% ～5.82%，平均值为3.42%，其中小于3%的样品约占23.81%，孔隙度集中于3% ～4%，占61.9%左右，大于4%者占14.29%。

1.1 泥页岩储集空间特征

1.1.1 纳米级孔隙

有机质微孔隙是泥页岩储集空间的重要组成部分，主要是指有机质团块内部或有机质生烃后由于体积缩小而形成的孔隙［5］。北美页岩气研究表明，有机质颗粒内的纳米级孔隙主要是由于生成的液体或气体聚积成气泡而成的，其富集和形成与有机质的成熟生烃相关［6］。Jarvie等认为，泥页岩中的孔隙以有机质生烃形成的孔隙为主［7］，有机质含量为7.0%的页岩，有机质在体积上占14%［8］。假设在热裂解过程中损失35%的有机质，能净增4.9%的有效孔隙度［9］，只有在Ro达到0.6%或更高时才有可能发育有机质孔隙。鄂尔多斯盆地上古生界有机质成熟度在2.5%以上，有利于有机质孔隙的生成。研究发现在泥页岩的孔隙中，有机质内纳米级微孔隙占据主导，其他孔隙类型数量很少。

研究有机质微孔隙(＜1 μm)最好的方法是，在经过氩离子抛光的岩样表面上进行高分辨率的场发射电子扫描显微成像(FESEM)［10］。通过FESEM(放大倍数5 000～30 000)图像，对平均孔径和面孔率进行识别并统计［11］。以Y94-2号样品部分图像为例，应用ImageJ2x软件识别孔隙并进行二值化处理，对纳米级孔隙面孔率进行统计(图2，表1)。平均孔径分布范围17.13～67.65 nm，平均面孔率分布于5.75% ～9.37%(表2)。

1.1.2 微米级孔隙

通过扫描电镜观察可见，微米级孔隙通常包括碎屑矿物部分粒内、粒间孔隙(图1a，c)和部分黏土矿物晶间孔隙(图1b)。从成因上看，残余的原生孔隙主要是分散于片状黏土中的粉砂质颗粒间的孔隙，与常规储层孔隙类似，随着埋藏深度增加而迅速减少［2］。伊利石化产生的微孔隙是黏土矿物微孔隙的重要组成部分。随着埋深增加，当孔隙水偏碱性、富钾离子时，蒙皂石向伊利石转化，体积减小而产生微孔隙［2］。次生溶蚀孔隙主要是方解石、长石等碳酸盐和硅铝酸盐矿物在页岩有机质生烃产生的有机酸溶蚀作用下形成的微孔隙［5］。

图1 鄂尔多斯盆地上古生界泥页岩储层孔隙类型a.Y94-3 井，2 359.96 m，碎屑粒间孔隙，1 ～4 μm，×2 000(SEM);b.Y88-6 井，2 455.08 m，黏土矿物晶间孔隙，0.3 ～3.7 μm，×1 500(SEM);c.Y88-5井，2 496.7 m，微裂缝，0.5×23 μm，×1 500(SEM);d.Y88-5-2 井，2 496.7 m，粒间孔缝组合，微孔隙1.7～6.4 μm，缝长40～50 μm，×1 000(SEM);e.Y88-6-8井，2455.08 m，有机质孔隙，最大孔径890 nm，最小孔径19.3 nm，×14 000(FESEM);f.Y88-5-9井，2 496.7 m，有机质生烃微裂缝，长12.9 μm，宽85.7 nm，黄铁矿晶体充填，×10 000(FESEM)Fig.1 Pore types of gas shale reservoir in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

通过扫描电镜(放大倍数1 500～4 000)图像识别微米级孔隙(1～1 000 μm)，并统计平均孔径和面孔率。为了与纳米级孔隙做比较，同样以Y94-2号样品部分图像为例，应用ImageJ2x软件识别孔隙，并进行二值化处理，对面孔率进行统计(图3，表3)。微米级孔隙孔径平均值分布范围3.17～5.61 μm，平均面孔率分布范围10.2% ～19.32%(表2)。

图2 鄂尔多斯盆地Y94-2号样品部分有机质孔隙孔径及面孔率统计Fig.2 Aperture and surface porosity of organic matter pore from sample Y94-2 in Ordos Basin

表1 鄂尔多斯盆地Y94－2号样品部分有机质孔隙孔径及面孔率统计Table 1 Aperture and surface porosity of organic matter pore from sample Y94－2 in Ordos Basin

1.1.3 微裂缝

微裂缝是页岩气储层重要的储集空间，同时也是甲烷分子的渗流通道，所以在含气泥页岩孔隙研究中具有重要应用价值［12］。微裂缝是连接宏观裂缝和微观孔隙的桥梁，在页岩气渗流中具有重要作用。有机质颗粒、脆性矿物和黏土矿物都可以发育微裂缝，这些较大规模的微裂缝与其他孔隙相连，可以组成裂缝网络—孔隙系统，为滞留在泥页岩中的部分油气提供了有效的储存空间［5］。微裂缝通常包括充填缝、溶蚀缝黏土矿物层间缝、矿物颗粒边缘缝及有机质生烃微裂缝等［5］。核磁共振测试为泥页岩储层提供了裂缝/微裂缝百分数(表4)。

微裂缝的成因多种多样，主要有以下几个方面:(1)在成岩过程中，矿物相的变化会形成微裂隙，如黏土矿物的脱水作用［13］;(2)随地层埋深加大而增加的压实作用会导致颗粒压裂形成破裂缝［14］;(3)碳酸盐填隙物会易被溶蚀而形成溶蚀缝;(4)生烃过程中，随着烃类生成量的增加，当达到突破压力后，会形成大量的微裂隙［15］;(5)构造应力可在大量片状黏土矿物与碎屑颗粒间产生微裂缝;(6)碎屑颗粒内部和颗粒之间在受到外力作用下也可形成微裂缝。

表2 鄂尔多斯盆地上古生界泥页岩孔隙发育尺度特征Table 2 Pore development scale features of shale in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地Y94-2号样品部分微米级孔隙孔径及面孔率统计Fig.3 Aperture and surface porosity of micron-size pore from sample Y94-2 in Ordos Basin

表3 鄂尔多斯盆地Y94－2号样品部分微米级孔隙孔径及面孔率统计Table 3 Aperture and surface porosity of micron-size pore from sample Y94－2 in Ordos Basin

表4 鄂尔多斯盆地Y88井泥页岩样品核磁共振测试结果Table 4 NMR test results of shale samples from Well Y88 in Ordos Basin

2 储集空间发育的主控因素分析

泥页岩中的孔隙非常复杂，微观下孔隙可以分为纳米级和微米级，而泥页岩孔隙的演化受机械压实、黏土矿物含量和热演化作用等控制，受到不同因素的影响［16］。对于页岩气储层储集空间发育的主控因素，本文分3个层面进行分析:纳米级孔隙、微米级孔隙和裂缝/微裂缝。在探讨储集空间发育特征与主控因素的相关关系中，尽可能保持在其他因素基本相同的条件下进行，去掉部分数据点，以确保结论客观准确，避免其他因素的干扰。

2.1 有机质孔隙主控因素

本文研究只针对有机质孔隙发育程度(面孔率和孔径)，而没有涉及孔隙的总量。有机质孔隙发育主要受有机碳含量、有机质类型、有机质成熟度和黏土矿物组分的控制［17］。关于有机质类型，Robert研究表明，Ⅱ型干酪根比Ⅲ型干酪根更易于发育有机质微孔隙［18］。本文样品干酪根检测个别样品为Ⅱ2型，以Ⅲ型干酪根为主，类型指数比较低，与有机质纳米级孔隙发育相关关系不明显。

2.1.1 有机碳含量

有机碳含量TOC与有机质孔隙平均孔径和面孔率均呈现正相关关系(图4a，b)。纳米级孔隙主要是在有机质演化过程中形成的，集中发育在有机质富集的区域，因此有机碳含量是纳米级孔隙发育的主控因素。

图4 鄂尔多斯盆地上古生界泥页岩有机质孔隙与主控因素相关关系Fig.4 Correlation between organic matter pore and its controlling factors of shale in Upper Paleozoic of Ordos Basin

2.1.2 有机质成熟度

有机质成熟度Ro与有机质孔隙平均孔径和面孔率均呈现正相关关系(图4c，d)。有机质颗粒内纳米级孔隙主要是由于生成的液体或气体聚积成气泡而成，其富集和形成与有机质的成熟生烃相关［19］。在成岩过程中，有机质碎屑随着成熟度的增高，发生脱氢、生气反应，从而引起微观孔隙含量的升高。Jarvie研究发现如果页岩有机质质量百分数为7%，则体积百分数为14%，若这些有机质有35%发生转化，则会使岩石增加4.9%的孔隙空间［6，8］。

2.1.3 伊蒙混层含量

伊蒙混层含量与有机质孔隙平均孔径和面孔率呈现正相关关系(图4e，f)。有机质生烃过程正好与蒙脱石向伊利石转化过程同步，蒙脱石在向伊利石转化过程中，会析出大量的层间水。蒙脱石向伊利石转化是烃源岩催化活性剂的主要来源，形成的过渡态伊蒙混层矿物有很强的催化活性，为有机质生烃反应提供了最好的条件［20］。伊蒙混层对甾烷和三萜烷的异构化反应有很强的催化作用。在有伊蒙混层存在时，有利于重排甾烷的形成，对有机质生烃极为有利［21］。

2.1.4 方解石含量

方解石含量与有机质孔隙平均孔径和面孔率均呈负相关关系(图4g，h)。方解石有阻滞甾烷和三萜烷的各种异构化作用，对有机质生烃有抑制作用［21］。Baruch研究认为，沉积岩中热成熟度地球化学指标的变化与伴生矿物有关，方解石对甾烷的异构起抑制作用［22］。

2.2 微米级孔隙主控因素

2.2.1 石英含量

石英含量与微米级孔隙平均孔径和面孔率均呈现正相关关系(图5a，b)。由于石英属于脆性矿物(多为页岩沉积时的同沉积矿物)，石英能够保证在压实过程中孔隙得到保存，所以石英含量越高，能够使岩石整体上孔隙度比较高［23］。

2.2.2 伊利石含量

伊利石含量与微米级孔隙面孔率呈现正相关关系(图5c)。伊利石化是泥页岩成岩过程中重要的成岩变化。当孔隙水富钾离子、偏碱性时，随着埋深增加，蒙脱石向伊利石转化，体积减小而产生大量微孔隙［2］。

图5 鄂尔多斯盆地上古生界泥页岩微米级孔隙与主控因素相关关系Fig.5 Correlation between micron-size pore and its controlling factors of shale in Upper Paleozoic of Ordos Basin

2.2.3 碳酸盐含量

碳酸盐含量与微米级孔隙平均孔径呈现负相关关系(图5d)，成岩矿物沉淀会对岩石的孔隙结构造成严重影响，碳酸盐具有很强的化学胶结作用，扫描电镜下常见其充填原生孔隙。碳酸盐会在成岩作用下形成溶蚀孔隙，所以其含量与面孔率关系不显著。但总体上，碳酸盐对微米级孔隙发育有抑制作用。

2.2.4 泥页岩埋藏深度

微米级孔隙孔径平均值和面孔率随埋深增加会出现下降趋势(图5e，f)，随着埋藏深度的加大，可塑性强的黏土矿物体积会迅速减小，微米级孔隙空间随着压实作用的增大而减少。在从刚被埋藏到埋藏深度达到几千米这段时间，粒间孔隙和粒内孔隙会被压实，孔隙的体积会大幅度减少。泥页岩地层的孔隙度—深度关系曲线表明，在埋深达到2.5 km时，孔隙度会降至不足10%，即50% ～70%的孔隙度或83%～88%的孔隙体积因成岩和压实作用而损失［24］。

2.3 微裂缝主控因素

2.3.1 石英含量

石英含量与裂缝/微裂缝百分数呈正相关关系(图6a)。石英主要成分是二氧化硅，从岩石破裂机理来看，石英颗粒受到应力时边缘易产生裂缝，有利于改善泥页岩的孔渗条件。硅质含量越高，泥页岩脆性越大，越有利于形成裂缝［19］。

2.3.2 有机质成熟度

有机质成熟度Ro与裂缝/微裂缝百分数呈正相关关系(图6b)。在成熟度较低的有机质生烃早期，黏土矿物是泥页岩脆性的主要影响因素，微裂缝略有发育;随着成熟度的增加，生排烃强度的增大使微裂缝更加发育。唐颖等［25］研究发现，当1.3% ＜Ro＜2.0%时，泥页岩处于成岩阶段B期，主要发育微裂缝和溶蚀孔;当2.0% ＜Ro＜4.0%时，泥页岩处于晚成岩阶段，孔隙发育以微裂缝为主;当Ro＞4.0%时，泥页岩达到过成熟阶段，裂缝最为发育。

2.3.3 总有机碳含量

总有机碳含量与裂缝/微裂缝百分数呈正相关关系(图6c)。在相同的地球动力学背景和岩石力学性质条件下，影响泥页岩裂缝发育的重要因素是有机碳含量。有机碳含量越高，泥页岩的脆性越大，抗张强度就越低，容易在外力作用下形成天然裂缝和诱导裂缝，有利于页岩气的渗流及成藏。

2.3.4 碳酸盐含量

碳酸盐含量与裂缝/微裂缝百分数呈负相关关系(图6d)。在成岩作用过程中，碳酸盐矿物容易发生胶结作用和重结晶作用，充填裂缝/微裂缝。Barnett页岩气生产实践证实，断层附近的微裂缝密度很高，但基本上都被碳酸盐所封堵［26］。同时，白云石含量高的页岩破裂强度很大，具有较低的杨氏弹性模量和较高的泊松比，脆性较低，不容易形成微裂缝。

3 结论

(1)目前泥页岩孔隙类型划分标准不一，分析测试手段也有所不同。本文运用扫描电镜、氩离子抛光与核磁共振测试等技术手段，对泥页岩的有机质纳米级孔隙、微米级孔隙和裂缝/微裂缝进行3个层面的定量表征，并对泥页岩储层孔隙发育的主控因素进行了分析。

图6 鄂尔多斯盆地上古生界泥页岩微裂缝与主控因素相关关系Fig.6 Correlation between micro-fracture and its controlling factors of shale in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

(2)泥页岩不同层面的孔隙主控因素有所不同，分析认为泥页岩中有机碳含量、有机质成熟度和伊蒙混层含量对有机质纳米级孔隙发育有促进作用，而方解石含量对有机质纳米级孔隙具有抑制作用;石英含量和伊利石含量对微米级孔隙发育有促进作用，碳酸盐含量和埋藏深度对微米级孔隙发育具有抑制作用;石英含量、有机质成熟度和总有机碳含量对微裂缝发育有促进作用，碳酸盐含量对微裂缝发育则具有抑制作用。

(3)由于分析化验数据所限，使部分主控因素研究受到影响，如有机质类型;在分析特定因素的同时，考虑排除其他因素的影响，使数据点减少，文中相关系数可以作为参考，还有待于完善。

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(编辑 黄 娟)