海相页岩气储层特征研究进展与发展动态

张鹏辉，梁 杰，陈建文，Lee Yong Il ，袁 勇，龚建明，董 刚，王文娟，张玉玺，姜昆鸟鹏，黄晓伟

海相页岩气储层特征研究进展与发展动态

张鹏辉1，2，梁 杰2，陈建文2，Lee Yong Il3，袁 勇2，龚建明2，董 刚2，王文娟2，张玉玺4，姜昆鸟鹏5，黄晓伟6

（1河海大学海洋学院；2国土资源部油气资源和环境地质重点实验室，中国地质调查局青岛海洋地质研究所）（3 School of Earth and Environmental Sciences,Seoul National University；4中国地质大学（武汉)资源学院）（5中国地质调查局油气资源调查中心；6中国地质大学（北京）能源学院）

富有机质泥页岩复杂的沉积成岩过程、细粒特征，以及远小于常规储层的以微米—纳米级为主的孔隙空间，给海相页岩气储层特征研究带来了极大的挑战。近年来借助多项先进技术方法的推广运用，在海相页岩气储层的多个方面形成了重要认识，页岩有机质与其成熟度关系密切，岩石矿物组分判定方法向定量化发展，岩相预测与建模技术得以应用，但成岩作用对储层的影响尚有待进一步探知，物性变化趋势的认识尚存在不同见解，孔隙结构实现了从定性到定量表征的跨越，页岩力学性质的解析能够有效指导压裂改造。通过进一步分析海相页岩气储层研究的发展动态，就页岩气储层孔隙结构系统表征、区域尺度上成岩与岩相变化的时空配置关系、成岩演化—岩相—孔隙系统—有机质丰度潜在的多元关系等研究方向作出了展望，以期推进储层特征研究在深度和广度上向前发展。

海相；页岩气；储层特征；研究进展

页岩气是主要以吸附和游离状态赋存于泥页岩中的非常规天然气［1-5］，具有分布广、潜力大、自生自储的特点。据美国能源信息署（EIA）资源量评估①，世界上页岩气技术可采资源量最多的前十个国家分别是中国、阿根廷、安哥拉、美国、加拿大、墨西哥、澳大利亚、南非、俄罗斯和巴西。中国页岩气资源总体较丰富，以海相的页岩气资源为主，海陆过渡相及陆相的页岩气资源相对较少，全国页岩气地质资源量达（80.5~144.5）×1012m3［6］。自2010年中国第一口页岩气勘探评价井（威201井）在上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩中获得工业气流开始，中国在南方古生界寒武系—志留系、四川盆地三叠系—侏罗系、鄂尔多斯盆地三叠系等层系均发现了页岩气［6-7］。我国最具页岩气勘探开采潜力的海相泥页岩主要位于扬子地块，泥页岩的发育层位主要位于下寒武统、下志留统及二叠系，具有多层系含气的特点。虽然扬子地块海相泥页岩原始地质条件优越，但与北美海相页岩相比，它的有机质热演化程度高且后期改造强［8-10］，这给页岩气前景分析和勘探提出了新的问题和挑战。

泥页岩储层特征是影响页岩气富集和资源丰度的关键因素之一［2，11-14］。富有机质泥页岩的非均质特征，特别是其复杂的沉积成岩过程、细粒特征以及远小于常规储层的孔隙特征，给海相页岩气储层特征研究工作带来了极大的挑战。泥页岩的孔隙空间以微米—纳米级为主，比常规砂岩和碳酸盐岩储层中的孔隙小一个数量级［15］。富有机质泥页岩以微米—纳米级为主的基质孔隙空间以及相邻的自然裂缝，构成了页岩气的储存和运移系统［16-17］。同时，泥页岩中孔隙在纳米尺度下的类型、尺寸及分布可以在很大程度上影响页岩气的储存和封盖能力［5，18］。透射电子显微镜（TEM）、聚焦离子束双束扫描电镜（FIBSEM）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、原子力显微镜（AFM）、N2/CO2吸附、核磁共振（NMR）、中子小角散射（SANS）、基于同步辐射的X射线扫描透射显微镜（STXM）、计算机断层扫描（CT）等技术方法的推广运用，在页岩气资源调查中实现了多尺度的定性与定量的精细描述。开展海相页岩气储层特征的研究，有助于深入认识相对优质泥页岩的形成条件，揭示页岩气的富集机理，为海相页岩气资源评价和气藏勘探开发提供可靠的地质依据。

本文围绕页岩气储层有机质特征、岩石学特征、岩相与成岩作用、物性特征、孔隙结构表征、力学性质等内容，系统总结了页岩气储层特征研究领域的最新认识，并重点讨论了目前尚存在的问题和未来的研究趋势。

1 有机质特征

有机质含量决定了页岩的生烃能力、吸附能力和储集空间，它是对页岩气是否具有开采价值进行评估的一个重要指标。总有机碳（TOC）在烃源岩中包括三种基本组分：（1）烃类中残留的有机碳（CHC，organic carbon in retained hydrocarbons）［2，19］；（2） 可转化为烃类的有机碳（CC,convertible carbon）［20］，也称可转换碳、活性碳和不稳定碳；（3）碳质有机残渣（CR,residual organic carbon），也称惰性碳或死碳，因缺乏足够的氢而不具备生烃能力［20-21］。随着有机质进一步成熟，CC转化为烃，以及CR的产生，导致在烃类排出运移中TOC减少，因而目前实验测定的TOC是CHC。TOC是页岩气评价的重要参数，其值越高越利于页岩气富集。较高的初始生产力和水体缺氧的保存条件被认为是海相烃源岩TOC富集的关键因素［22-25］。

Bernard等［26］对美国Fort Worth盆地Barnett页岩中不同成熟度的页岩样品进行TEM和STXM等纳米尺度的实验分析，Barnett页岩中干酪根的分子结构会随热成熟度的增加而呈规律性变化，由最初的富含脂肪族组分及氧、硫官能团的未成熟干酪根逐渐演变为以芳香族结构为主的过成熟干酪根，这一变化能够在X射线吸收近边结构（C-XANES谱）中得以反映，X射线吸收特征在285.0 eV与285.3 eV，286.4 eV与286.7 eV，287.7 eV与288.0 eV，288.5 eV分别对应于芳香族、酮（或酚）、脂肪族、羧基结构（图1）；而沥青的存在可能源于干酪根热降解，焦沥青的形成则可能由于干酪根的二次裂解生成气态烃。Kennedy等［27］在对Woodford泥盆系泥页岩TOC与矿物表面积的相关性研究中发现二者存在很强的相关性，伴随着埋藏和热演化程度的增加以及伊利石化作用 （蒙脱石向伊利石转化）的进行，这一相关性仍然存在，且当伊利石化作用发生时矿物表面积逐渐减少，使得TOC与矿物表面积的比值增加，并导致有机碳的重组。通过等温吸附实验分析，泥页岩TOC与其总解析气量被认为存在较为明显的相关关系，其吸附能力与TOC和Ro密切相关，随TOC及Ro的升高，泥页岩的吸附能力会相应增加［1，11，28］。

图1 美国Fort Worth盆地Barnett页岩不同成熟度干酪根、沥青及焦沥青的C-XANES谱特征（据文献［26］）

2 岩石学特征、岩相与成岩作用

2.1 岩石矿物组分及矿物模型模拟

矿物组分在不同成熟度的泥页岩中可显示出较大的分异，因而在岩性上呈现出较强的非均质性。下扬子巢湖—泾县地区上二叠统大隆组泥页岩岩石类型主要为黑色—灰黑色碳质、硅质页岩和硅质岩，泥页岩表现为高SiO2、低Al2O3及低CaO的特征，脆性矿物（石英+长石+碳酸盐矿物）含量达65%~93%，对后期的压裂改造形成裂缝较为有利［29］。在X射线衍射（XRD，X-ray diffraction）分析结果及测井资料等的基础上，运用岩石物理软件相应模块（如Senergy公司Interactive Petrophysics软件Mineral Solver模块等）可确定每一种矿物的端点测井参数，进而建立目的层矿物模型［30］，矿物模型模拟结果与XRD分析结果进行对比可检验模型的准确性［31］，并能够进一步预测泥质含量、孔隙度及含水饱和度。

2.2 泥页岩岩相识别、预测与建模

泥页岩岩相与矿物组分及有机质密切相关，并能够影响孔隙空间和有机质的分布［32-37］。对于泥页岩岩相的研究，目前主要集中在基于岩心和野外露头观察的岩相分类及描述［32-33，36-37］，而基于岩石物理和（或）地球物理数据的岩相预测、泥页岩三维岩相建模的相关研究很少。由于泥页岩岩相可视为具有相近的矿物组分、岩石特征及TOC的相对连续的区带，因而开展三维岩相建模可以实现区域尺度下的岩相预测（图2）。三维岩相建模方法需要综合考虑岩心、测井、地震等数据，确认测井数据特征与岩相的对应关系，利用合适的建模算法（如序贯指示模拟方法等）来构建三维岩相模型，得到的相应模型的准确性和适用性可以用生产数据（如平均产气率）进行验证，最终的模型结果有助于优化水平井轨迹设计以及制定水力压裂策略［34，38］。这种三维岩相建模方法可以方便地提取每一种岩相在盆地内的分布特征，更好地分析有机质发育和保存的影响因素，有助于从单井到盆地尺度域确定富有机质、高脆性的区带。

图2 海相富有机质泥岩页三维岩相建模流程PNS脉冲中子能谱测井；XRD X射线衍射

2.3 泥页岩成岩作用研究

泥页岩在埋藏过程中经历了复杂的成岩改造，但对成岩作用的研究报道较少。在偏光显微镜、扫描电镜、X射线衍射等实验分析基础上，有研究者对上扬子地区泥页岩成岩作用开展了初步研究，认为泥页岩在埋藏过程中其成岩阶段主要处于中成岩B期—晚成岩阶段，成岩作用经历了有机作用和无机作用的共同改造和相互影响［39-40］，其中无机成岩作用主要包括压实作用、胶结作用（碳酸盐胶结、硅质胶结、黄铁矿胶结等）、溶蚀作用和交代作用等，有机成岩作用主要为有机质的热成熟作用。在细粒沉积岩中，储层质量往往受岩性变化、沉积相类型及成岩变化的影响［41-43］，但这些因素在泥页岩储层中是否均起了重要作用仍有待商榷。Aplin等［44］指出泥页岩许多重要的物理化学特征与矿物组分、粒度及成岩作用密切相关。Milliken等［41］通过对Barnett页岩的研究，则提出了不同的认识，他们认为这类页岩发生了强烈的压实和胶结作用，从而使得粒间孔隙空间大量减少，进而导致储层质量不受颗粒粒度和分选性的控制。

3 物性特征

泥页岩总孔隙度中，有效孔隙度是指泥页岩中相互连通的孔隙体积与岩石总体积的比值，而孤立孔隙则需借助N2/CO2吸附等方法来测定［45-46］。泥页岩因岩石致密，其渗透率远低于常规储层，其中基质渗透率多在（10-9~10-5）×10-3μm2［47］。 随着热成熟度的增加，泥页岩储层中孔隙度及总孔隙空间会发生相应的变化。孔隙度随热成熟度的变化在很大程度上可以反映出有机质中孔隙的变化［45，48-51］。 Mastalerz等［45］通过对美国Illinois盆地不同成熟度New Albany页岩样品的研究揭示，孔隙度的变化并非单一的趋势，总孔隙度主要经历了两次降低和两次增加的过程（图3）：低成熟期，埋藏压实作用使得基质孔隙空间减少，从而引起总孔隙度降低；早期成熟阶段，初次裂解会引起孔隙度增加；晚期成熟阶段，孔隙度的减少主要是由烃类充注或沥青形成所致；在Ro介于1.15%~1.41%时，因二次裂解，孔隙度会出现较大幅度的增加，气体吸附实验发现大于50nm的孔隙在这一阶段大量出现。然而，富有机质泥页岩储层孔隙度与TOC的关系并不明确。部分学者认为二者之间具较为明显的正相关关系［39，41，52］， 但近几年部分学者发现孔隙度、孔隙体积与TOC之间关系并不明显［45，53-54］。应用测井技术可进行储层参数、气源参数的评价研究［55-56］，富有机质泥页岩孔缝发育带（或异常高压带）对应高声波时差、低电阻率等测井响应［57］。

图3 美国Illinois盆地New Albany页岩不同成熟度及烃类生成对应的页岩气储层潜在孔隙变化趋势（据文献［45］修改）

4 孔隙结构表征

4.1 孔隙结构类型

富有机质泥岩页以微米—纳米级孔隙为主的孔隙系统是页岩气的主要储集空间，其孔隙结构的变化直接影响了页岩气的赋存规律，孔隙结构分类及实验观测技术手段等方面的研究日渐成熟。泥页岩中绝大部分基质孔隙都小于1μm，基于孔隙大小在结构上可分为三类：微孔隙（＜2nm）、中孔隙或介孔隙（2~50nm）、宏孔隙（＞50nm）［16，58-59］。 随着热成熟度的增加，孔隙体积的变化往往伴随着孔隙大小的重新组合。由低成熟阶段向晚期成熟阶段过渡时，泥岩页的微孔隙相对更为富集，随着成熟度进一步增加至过成熟阶段，会有一定数量的中孔隙形成［45］（图3）。尽管使用FIB-SEM所能观测的区域有限［16，45，53，60-63］，但重要的是，这一实验手段能够真实地还原泥页岩中的三维孔隙结构，并证实了页岩气储层中纳米级孔隙结构的存在。

在对Barnett和Woodford页岩孔隙类型观察分析的基础上，Slatt等［17］共划分出颗粒内孔隙、有机孔隙、黏土絮体间孔隙、化石碎屑内孔隙、粪球粒内孔隙和微孔隙通道共六种孔隙类型。虽然泥页岩基质孔隙成因、尺寸及形态各异，但在电镜尺度下均可归为三类：粒间孔隙、粒内孔隙和有机质内孔［16，51］（图4a—4c），前两类孔隙类型与矿物基质有关（图4d），第三类发育在有机质内部（图4e），这一基于孔隙产状的分类方案也被视为目前最为主流的泥页岩孔隙分类依据。于炳松［46］综合考虑了泥页岩孔隙定性观察和定量测定的信息，在前人分类的基础上进行了整合，提出了产状—结构综合分类方案，他将泥页岩储层的孔隙类型划分为与岩石颗粒发育有关的和与岩石颗粒发育无关的这两个大类。

4.2 孔隙结构定量表征

图4 页岩气储层孔隙结构特征

富有机质泥页岩的孔隙结构定量表征有助于更好地揭示孔隙发育规律、孔隙有效性及其对页岩气聚集的影响，但这也是页岩气储层研究的难点，目前国内外针对此领域均进行了初步探索。他们在表征复杂的孔隙系统时引入了概率熵、形状系数、分形维数等统计参数［64］，其中概率熵能够反映孔隙的定向性，形状系数可用于表征孔隙的圆润/粗糙程度，分形维数可以揭示复杂形体的不规则性。高压压汞、CO2吸附和N2吸附的联合实验，利用各测试手段对不同孔径段（宏孔隙、中孔隙、微孔隙）的识别优势，可实现对泥页岩全尺度孔径分布的定量表征［45，48，65］。通过低压N2吸附和压汞实验研究，曹涛涛等［66］发现，下扬子地区昌参1井二叠系页岩样品中，TOC含量与比表面积存在较好的正相关关系，认为有机质是比表面积的主要载体，能够为页岩吸附气提供主要的吸附位点。中子小角散射（SANS）能够很好地反映孔隙大小分布（图4f），有研究者利用SANS和压汞实验综合分析，确定出泥页岩中的孔喉比几乎为一个常量，它们与孔隙大小无关［67］，这一认识与碎屑岩储层存在很大差异。页岩气储层基质孔隙连通性对油气分子在页岩微纳米孔隙中的运移具有重要影响，自发渗吸法及高压压汞法可用于页岩基质孔隙连通性的定量评价［68］。基质孔隙连通性好的泥页岩自发渗吸曲线斜率为0.5［69］，而高压压汞法可进行孔隙曲折度的估算，其中，孔隙曲折度越小，则孔隙连通性越好［70］。FIB-SEM能够反映孔喉连通性［5，54］（图4g—4i），有助于分析各类型孔隙的空间分布。

5 力学性质

泥页岩的岩石力学性质可通过杨氏模量、泊松比等岩石力学参数来刻画。杨氏模量越高、泊松比越低，表明泥页岩脆性越大，在钻井或压裂过程中越易产生裂隙，从而有利于页岩气开采［13，57］。据不完全统计，北美主要产气页岩的杨氏模量为15~44GPa、泊松比范围为0.11~0.35［71-72］。对四川盆地典型气田上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气产层部分页岩样品的单轴压缩及变形实验结果统计：威远页岩气田的杨氏模量为13~21GPa、泊松比为0.18~0.21；黄金坝气田的杨氏模量为10.7~26.9GPa、泊松比为0.18~0.25；长宁气田的杨氏模量为20.7~25GPa、泊松比为0.19~0.22；涪陵气田的杨氏模量为25~40 GPa、泊松比为0.2~0.3［10］，整体呈高杨氏模量及低泊松比的特点，利于进行人工压裂造缝。

6 存在问题与发展动态分析

国内外海相页岩气储层研究取得了一系列重要进展，但在深度和广度上仍需要开展进一步的工作。

（1）页岩气储层孔隙结构表征缺乏系统性，对微米—纳米级不同类型孔隙的分布、连通性、含气性及定量化的认识不足。尽管页岩孔隙结构的研究催生出多种纳米观测手段，但在观测范围、三维成像精度、仪器设计等方面仍存在一定的缺陷和局限性，如FIB-SEM三维图像处理时的灰度阈值选取、离子束切割时存在竖条纹假象等［53-54］，因而提升成像精度、改进实验技术、完成仪器升级改造、加强对孔隙系统的认识，有助于分析孔隙发育的影响因素和推进海相页岩气储层的精细评价。

（2）页岩气储层成岩作用及岩相划分研究较为单薄，缺乏区域上规律性的认识。目前已有岩相与层序地层及测井对应关系的初步研究［34-35，38］，但大尺度范围内页岩的成岩与岩相变化的时空配置关系并不明确，在沉积相/层序地层框架下预测页岩气储层成岩演化和岩相分布或将成为一种全新的研究思路，并结合含气性、气藏可开采性等来为有利区的优选服务。

（3）海相页岩气储层特征研究工作往往忽视了成岩演化、岩相、孔隙系统和有机质特征等因素之间可能存在的紧密联系，因而不利于页岩气赋存及渗流规律的探讨。富有机质泥页岩强烈的非均质性，表明其沉积成岩过程中孔隙系统和有机质富集特征存在明显差异，有必要进行系统认识和总结。随着海相页岩气储层特征研究工作的深入，不同岩相类型中成岩演化及孔隙发育的特征，以及不同岩相类型中孔隙发育与有机质赋存的关系的研究，将会成为重要的研究内容和研究方向。

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编辑：董 庸

Zhang Penghui：PhD,Lecturer.Add:College of Oceanography,Hohai University,No.1 Xikang Rd.,Nanjing,201198,China

Reservoir Characteristics of Marine Gas Shales:Advances and Trends

Zhang Penghui,Liang Jie,Chen Jianwen,Lee Yong Il,Yuan Yong,Gong Jianming,Dong Gang,Wang Wenjuan,Zhang Yuxi,Jiang Kunpeng,Huang Xiaowei

The marine shale gas reservoirs bring great challenges in reservoir characterization due to complex depositional and diagenetic processes,and fine grain and much smaller pore size(from nanometer to micrometer).Reservoir characteristics of marine gas shales are considered as a key factor affecting the enrichment and resource abundance of shale gas.Recently,significant understanding have been achieved in organic matter characteristics,petrology,lithofacies,diagenesis,porosity and permeability,pore structure characterization and mechanical properties with the application of advanced techniques.Organic matter in shales is considered to be closely related to its maturity.The determination model of rock mineral components has been attempted to build quantitatively.The lithofacies prediction and 3D modeling techniques can be applied in shales.The diagenetic effects on shale reservoirs are required to be further explored.The understanding of the trend of porosity and permeability is still a challenge to be identified.The pore structure has recently allowed better characterization from qualitative to quantitative.The analysis of the mechanical properties of shales will help to guide the hydraulic fracturing strategies.Furthermore,the research trends and the development directions should be closely combined with the systematic characterization of pore architecture and networks in gas shales,and with the temporal and spatial configuration of diagenesis and lithofacies in regional scale,together with the intrinsic connections among diagenetic evolution,lithofacies,pore system,and organic matter abundances.

Marine;Shale gas;Reservoir characteristics;Research advances

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2017.04.009

1672-9854(2017)-04-0069-08

2016-07-13；改回日期：2017-07-05

本文由国家自然科学基金青年基金项目“下扬子地区下寒武统深水陆棚相富有机质泥页岩差异性成岩演化过程及其对孔隙发育的控制作用”（编号：41702162）、山东省自然科学基金博士基金项目“松辽盆地南部下白垩统辫状三角洲致密气砂岩储层差异性成岩演化过程对储层储集性能的影响”（编号：ZR2017BD034）、油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金“下扬子地区海陆过渡相泥页岩成岩作用及储层特征研究”（编号：PLC201712）、中国地质调查局“海域油气资源调查”工程项目（编号：DD20160512）、国家专项项目“南黄海崂山隆起和滩海区海相地层油气资源战略选区”（编号：2009GYXQ10）联合资助

张鹏辉：1986年生，2015年毕业，北京师范大学与首尔大学联合培养博士，讲师，主要从事沉积学、储层地质学与石油地质学方面的研究工作。通讯地址：210098江苏省南京市西康路1号河海大学海洋学院；E-mail:zph010@163.com

① EIA.Annual Energy Outlook 2013［R］.2013