贵州遵义五峰组—龙马溪组页岩微观孔隙特征及其对含气性控制——以安页1井为例

葛明娜，庞 飞，包书景

(中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100083)

近年来，随着页岩气勘查开发，页岩储层微观特征研究逐渐受到重视[1-7]。页岩气主要以吸附态赋存于有机质和黏土矿物表面，以游离态赋存于有机质泥页岩微—纳米孔隙中，是典型的源储一体、连续分布的非常规天然气[8-11]。含气泥页岩孔隙度通常小于5%，渗透率低于0.1×10-3μm2，属于典型的特低孔、特低渗储层[12]。研究表明，北美和我国南方海相页岩的有机质微孔隙是其富集、高产的重要因素[13]，微观孔隙特征研究对认识页岩的含气性具有重要意义[14]。目前研究泥页岩等致密储层微观孔隙特征的方法主要有：①氩离子抛光扫描电镜；②场发射扫描电镜；③聚焦离子束双束—扫描电镜；④纳米CT；⑤N2(CO)吸脱附实验；⑥压汞孔喉分析技术等[15-18]。①～④主要用来分析微观孔隙类型，其中③、④可进行三维重构，更直观、全面地进行孔隙立体展示和连通性分析；⑤、⑥针对孔喉结构进行研究，主要包含比表面积、孔隙结构及孔径等。页岩储层空间可以分为孔隙和裂缝2大类，又将孔隙分为有机质纳米孔隙、颗粒内纳米孔隙[19]。亦有国外学者分为粒间孔、基质晶间孔和有机质孔[20]；粒间孔、粒内孔和有机孔[21]；微孔、介孔和宏孔[22]。

通过对安页1井目的层钻井和野外剖面观测及测试分析等工作，从微观孔隙类型、孔隙结构以及含气性影响因素等方面，对上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组(简称五峰—龙马溪组)页岩层系的储层特征进行了研究，认为五峰—龙马溪组的页岩孔隙类型主要是有机孔和微裂缝，孔渗能力较弱且孔径小，有机碳含量是影响页岩吸附量的主要因素。基于此认识，开展了安页1井和焦石坝五峰—龙马溪组页岩气藏储层微观孔隙特征差异的讨论。

1 地质背景

黔北安场向斜五峰—龙马溪组是一套以浅水陆棚—深水陆棚相沉积的黑色碳质页岩，富有机质页岩厚度在16～25 m，安场向斜内共发育3条断层，无区域性大断层。安页1井位于武陵山褶皱带西南端安场向斜西翼，井深2 900.17 m，完钻层位为寒武系娄山关组，是一口页岩气参数井。本文研究对象为五峰—龙马溪组页岩，主要包括上奥陶统五峰组碳质页岩、观音桥组泥质生物灰岩和下志留统龙马溪组碳质页岩，厚度19.5 m；下部与宝塔组整合接触，上部与新滩组整合接触(图1)。龙马溪组页岩水平纹层极为发育，普遍含呈结核状、星散状分布的黄铁矿，含大量以营漂浮生活的笔石化石，属深水陆棚相沉积，是页岩气研究的重点层系。

图1 贵州遵义安页1井位置及其地层柱状图

安页1井五峰—龙马溪组页岩干酪根类型主要为腐殖腐泥型，显微组分以腐泥无定型体为主，不含壳质组，镜质组主要为正常镜质体，惰质组见少量丝质体，类型指数52～72，干酪根类型主要为Ⅱ1型。TOC含量介于1.07%～5.95%，平均2.65%，优质页岩段部分样品TOC大于4%，具有较好的生烃潜力；纵向上，龙马溪组TOC含量下部整体高于上部，五峰组总体小于龙马溪组(图1)。安场向斜页岩Ro在1.92%～2.19%，安页1井页岩Ro在2.41%～3.08%(表1)，处于过成熟早期演化阶段。

2 页岩微观孔隙特征

页岩为低孔、低渗透致密储层，微孔隙的大量发育为页岩气提供储集空间[23]，尤其在北美海相泥盆系页岩和我国南方龙马溪组页岩中的有机质孔隙是页岩气赋存的主要空间[24]。

2.1 页岩孔隙类型与形态

国内外对微观孔隙的分类多样，有些差别较大。国外代表有LOUCKS微观孔隙分类法[21]，即北美海相页岩微孔隙经典三分法：粒间孔、粒内孔及有机孔，其将微裂缝纳入孔隙分类中；国内一些学者倾向于将微观孔隙与裂缝分开，直接分为5种或7种，甚至更多的孔隙类型。本文主要依据LOUCKS分类法并结合国内分类情况，将安页1井五峰—龙马溪组页岩微观储集空间分为有机质孔、粒内孔、粒间孔与微裂缝，又可细分为生烃残留孔、黏土矿物层间孔、晶间孔、边缘缝、内部缝5种亚孔隙类型，其中生烃残留有机孔和微裂缝为最主要储集空间。

2.1.1 有机孔

按成因，泥页岩中有机质孔隙可分为2种：生烃残留孔隙和有机质内部孔隙；按接触介质，可分为3种：纯有机质内孔隙、有机质与黏土矿物内复合孔隙以及有机质与基质粒间孔隙。

本文有机质孔按成因分类，生烃残留孔隙通常是在热演化程度相对较高的情况下，有机质生烃过程中形成的微孔隙，孔径分布80 nm～1.5 μm。安页1井五峰—龙马溪组页岩热演化程度较高，属于此类孔隙。这些有机孔孔径几到几百纳米，平面上通常为似蜂窝状不规则椭圆形，龙马溪组以此孔隙为主(图2a-c)；五峰组此类孔隙欠发育且孔径通常不超过50 nm(图2d)。由于有机质内部孔隙为有机质原生孔隙，通常是在热演化程度较低的情况下，有机质团块内部保留下来的微孔隙，此类孔隙可见于陆相或海陆交互相泥页岩中，本文对此类孔隙不作考虑。

2.1.2 粒内孔

该类孔隙具有体积小、吸附性较强、数量多、连通性差、呈星点状分布的特点，其发育与页岩中矿物的数量和种类密切相关，通常黏土矿物越多，黏土矿物间孔越发育，页岩吸附天然气的能力越强[25]。五峰—龙马溪组粒间孔为黏土矿物层间孔，孔隙呈长条状，孔径多在100 nm以上，常与边缘缝、有机质孔伴生发育(图2e,f)。

2.1.3 粒间孔

安页1井较为常见的粒间孔是晶间孔，这种孔隙是缺氧环境下形成的草莓状黄铁矿晶粒间的孔隙，部分孔隙被溶蚀扩大形成铸模孔，孔径介于1.7～150 nm(图2g)，另见少量白云石重结晶形成的晶内微孔。

2.1.4 微裂缝

安页1井微裂缝分为2种：一为矿物或有机质内部裂缝(图2h-j)；一为矿物或有机质边缘裂缝(图2k,l)。粒间微缝一般较平直，粒缘缝有轻微的弯曲，部分裂缝为微米级且被方解石充填(图2i)。微裂缝主要发育在五峰组，与有机质伴生；龙马溪组微裂缝欠发育，可见矿物内部缝。 裂缝宽主要介于0.01～2.1μm，缝长非均质性较强，几到几百微米。裂缝长度一般与片状矿物长度有关，通常岩石脆性矿物含量越高，越易形成微裂缝。

表1 贵州遵义地区安页1井样品信息

图2 贵州遵义安页1井五峰—龙马溪组页岩微观孔隙

2.2 页岩孔隙结构特征

页岩气具有自生自储的特性，页岩孔隙中蕴藏着丰富的油气资源，孔隙结构对页岩储层的储集性能、渗流能力和页岩气产能具有十分重要的影响[26]，是页岩储层评价的核心内容。

2.2.1 N2吸附—脱附曲线特征

对安页1井五峰—龙马溪组6块页岩样品进行了N2吸附—脱附实验。图3中1～5号样品吸脱附曲线形态相似，呈“S”型，吸附等温线属于IUPAC吸附等温线中的Ⅳ型，H4滞后环，具有平板结构的狭缝孔[27]。这种孔在开始凝聚时，由于气液界面是大平面，只有当压力接近饱和蒸汽压时才发生毛细凝聚，吸附等温线类似Ⅱ型[28]。图3中6号样品吸附等温线属于IUPAC吸附等温线中的Ⅴ型，H3滞后环，具有平板结构的狭缝孔。这种曲线反映了吸附质与吸附剂之间作用微弱的Ⅲ型等温线特点。

从相对压力变化分析，在低相对压力(P/Po)区(0.05～0.09)，图3中1～5号样品出现第一个拐点，此压力区间为单分子吸附态，曲线上凸说明页岩中吸附剂(有机质或黏土矿物)与N2发生较强的吸附作用，6号样品此段平坦，吸附作用较弱；中压段P/Po(0.09～0.8)为N2在孔隙中的冷凝积聚，发生了多分子层吸附，利用BJH法基于此段进行介孔分析，此区间吸附线接近线性；高压段P/Po(0.8～0.99)曲线上扬，氮气在大孔上吸附，1～2号样品呈微上扬，3～5号样品曲线上扬趋势明显，6号样品曲线快速上扬，说明从龙马溪组到五峰组大孔逐渐增加，6号样品大孔最发育。此外，吸附曲线形态可以分析孔分布，1～5号样品吸附线整体平缓，说明样品孔分布较宽；6号样品吸附线高压段较陡，说明其孔径分布较窄。

2.2.2 孔隙结构参数及孔径分布

表征页岩孔隙结构的参数有比表面积、孔容和平均孔径。安页1井五峰—龙马溪组页岩比表面积为0.68～14.83 m2/g，其中，龙马溪组为13.25～14.83 m2/g，五峰组为0.68～8.70 m2/g；页岩样品的孔容为0.001～0.005 mL/g，其中，龙马溪组为0.004～0.005 mL/g，五峰组为0.001～0.003 mL/g；平均孔径为2.56～7.45 nm，其中，龙马溪组为2.56～2.71 nm，五峰组为2.61～7.45 nm，五峰组大于龙马溪组(图4a)。

安页1井五峰—龙马溪组页岩孔径为1.7～262 nm，集中分布在2～5 nm，以介孔为主。从比表面积贡献率分析，介孔贡献率56.3%～88.6%，宏孔贡献率0.6%～9.5%；从孔容贡献率分析，介孔贡献67.7%～75.3%，宏孔为9.7%～38.8%，整体介孔对比表面积和孔容的贡献远大于宏孔。由6号样品的吸脱附曲线可知，6号样品的宏孔较其他样品发育，故6号样品宏孔对孔容影响较大(图4b)。

图3 贵州遵义安页1井五峰—龙马溪组页岩样品低压氮气吸/脱附实验

图4 贵州遵义安页1井五峰—龙马溪组页岩样品孔隙结构参数分布

3 页岩含气性影响因素

由页岩气的赋存状态可知，影响吸附气量的因素主要有TOC含量、黏土矿物含量和比表面积，影响游离气的因素主要为裂缝和矿物微孔隙。

3.1 微观孔隙对含气性的控制

3.1.1 微观孔隙类型

龙马溪组以有机质孔隙为主，五峰组以裂缝为主，有机质孔隙较少，其他孔隙在2个层系无明显规律。页岩的微观孔隙类型决定了安页1井龙马溪组页岩中的天然气主要以吸附态赋存在有机质孔内，少量以游离态赋存在其他矿物质孔内；五峰组页岩中的天然气主要以游离态赋存在微裂缝中，少量以吸附态赋存在有机质或其他矿物质孔中。

孔隙类型的不同间接决定了页岩含气量的差异。安页1井五峰—龙马溪组页岩含气量与吸附气量具有良好的线性正相关关系，相关系数0.81(图5a)，说明安页1井五峰—龙马溪组页岩吸附性能越好，含气性越好。纵向上，龙马溪组含气量均大于五峰组，这与龙马溪组页岩吸附气量大于五峰组有关，是由龙马溪组页岩中天然气的赋存状态决定的。

3.1.2 微观孔隙结构参数

比表面积是表征页岩吸附能力的直接参数，与吸附气量密切相关，进而影响页岩总含气量。孔容主要为页岩中游离气提供储集空间，其大小直接影响页岩含气量。不同的孔径分布对吸附气及游离气含量影响不同，当孔径在2～10 nm之间时，吸附气含量大于游离气含量；随着孔径的增加，吸附气量逐渐降低，游离气量逐渐增加。

安页1井五峰—龙马溪组页岩含气量与比表面积、孔容均高度线性正相关，相关系数为0.81和0.82(图5a)；吸附气量与比表面积高度线性正相关，相关系数0.99(图5b)，因此，安页1井五峰—龙马溪组页岩的比表面积可直接表征页岩吸附气量。纵向上，龙马溪组页岩比表面积和孔容均大于五峰组，与龙马溪组含气量大于五峰组的结论相一致。由图4a可知，龙马溪组平均孔径小于五峰组，这是由2个层系的孔隙类型决定的。由于五峰组孔容小于龙马溪组，而平均孔径大于龙马溪组，故其比表面积小于龙马溪组。安页1井五峰—龙马溪组页岩的比表面积与平均孔径呈线性负相关，相关系数0.64(图5b)，这一线性关系也佐证了这一结论。

3.2 其他因素

除微观孔隙对含气性影响，研究分析了TOC、Ro、脆性矿物及黏土矿物与含气量的关系。研究表明，安页1井五峰—龙马溪组页岩吸附气量与TOC含量和脆性矿物线性正相关，相关系数为0.65和0.55(图5c)；比表面积与TOC含量线性正相关，相关系数0.67，TOC含量与脆性矿物高度线性正相关，相关系数0.92(图5d)。含气量与黏土矿物相关性不显著，可能受脆性矿物中的生物硅因素干扰，与Ro无明显相关性。

图5 贵州遵义安页1井五峰—龙马溪组页岩样品含气性影响参数相关性分析

参数地区沉积相埋深/m页岩厚度/mw(TOC)/%Ro/%石英/%孔隙度/%渗透率/10-3 μm2平均孔径/nm含气量/(m3·t-1)安页1井深水陆棚2 311.5～2 33119.52.652.41～3.0832～651.018～1.3010.000 2～0.005 72～51.63焦石坝地区深水陆棚2 100.0～3 50035～90>22.6>604.870.252～302.14

涪陵焦石坝五峰—龙马溪组页岩气勘查开发已取得重大突破。通过安页1井与焦石坝五峰—龙马溪组页岩差异对比分析，认为安页1井页岩厚度较小，孔隙度、渗透率小，孔渗性较差，孔喉直径较小，这些是制约安页1井含气性的关键因素(表2)。

4 结论

(1)贵州遵义地区安页1井五峰—龙马溪组页岩发育4类微观储集空间：有机质孔、粒间孔、粒内孔与微裂缝。其中，有机质孔中的生烃残留孔隙为龙马溪组页岩的主要孔隙类型，微裂缝为五峰组的主要孔隙类型。

(2)安页1井五峰—龙马溪组页岩吸脱附等温线有2种类型：一是Ⅳ型吸附等温线，H4滞后环；一是Ⅴ型吸附等温线，H3滞后环，均为平板结构的狭缝孔。龙马溪组的比表面积和孔容均大于五峰组，平均孔径小于五峰组。

(3)龙马溪组页岩含气量大于五峰组。五峰—龙马溪组页岩含气性主要受页岩的比表面积和孔容控制，受微观孔隙类型、脆性矿物含量及平均孔径间接影响。寻找厚度更大、孔渗更好的富有机质页岩层段是安场向斜五峰—龙马溪组下一步勘探的有利目标。