川西坳陷须家河组陆相页岩岩相控制下的微观储集特征

左如斯，杨 威，王乾右，姜振学，陈冬霞*

(1.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京)，北京 102249)

0 引 言

中国陆相含油气盆地面积高达3.1×106km2，陆相页岩气资源丰富，具有巨大的勘探开发潜力，可采资源量约为0.5×1012m3[1]，对中国石油工业的发展起到重要的作用[2]。目前，中国的陆相页岩气勘探已经分别在鄂尔多斯盆地上三叠统延长组、四川盆地上三叠统须家河组等取得一系列突破[3-4]，但是整体勘探程度依旧较低。前人研究表明，中国陆相页岩沉积环境多变，沉积体系复杂[5]。在沉积古环境、古气候条件、物源供给、水体水文条件、后生成岩作用等因素控制下，中国陆相页岩气的储层发育特征具有多样性，发育多种岩相类型页岩储层，不同岩相页岩储层微观储集特征非均质性强，对陆相页岩气的赋存方式与富集具有显著的影响，使得陆相页岩气的勘探开发和“甜点”评价难度增加[6]。

当前，国内外学者基于页岩的颜色、结构、构造、矿物组分、有机质特征等方面进行页岩岩相划分，通过岩相从宏观和微观角度分别进行技术攻关，表征页岩的基本地质特征、储层特征以及含气性特征，对页岩气的勘探开发“甜点”评价具有重要的理论与生产意义[7-8]。但是，对于有利页岩岩相的划分缺少统一标准，且对不同岩相类型页岩储层微观储集特征的研究仍有不足。

针对以上问题，选取川西坳陷须家河组陆相页岩作为研究对象，建立岩相划分标准并划分须家河组页岩岩相，通过高压压汞、氮气吸附和二氧化碳吸附定量表征不同页岩岩相的孔隙结构特征，分析储层微观储集特征。通过研究，建立陆相页岩有利岩相的统一划分标准，探讨其对页岩储层发育特征的影响机理，明确陆相页岩气的富集条件，丰富针对陆相盆地页岩气的勘探评价理论体系，以指导陆相页岩气勘探、资源评价及产能建设。

1 研究区地质概况

川西坳陷位于四川盆地西部，发育于中三叠纪海相褶皱盖层基底上，是晚三叠纪以来形成于深坳陷地带的前陆盆地[9-10]。川西坳陷总面积约为4×104km2，平面上呈北东向展布，东以龙泉山断褶构造带为界，南至雅安—乐山一线，西临龙门山逆冲推覆带，北抵米仓山—大巴山逆冲推覆带[11](图1)。川西坳陷经历了印支、燕山和喜马拉雅多期运动，在周缘山系多组、多期构造运动综合作用下，形成如今复杂的构造格局，具体表现为“三隆两凹一坡”，即龙门山前构造带、新场构造带、知新场构造带、成都凹陷、梓潼凹陷以及中江斜坡[12]。

晚三叠纪以来，川西坳陷经历多次沉积相变迁，自下而上发育有三叠系、侏罗系、白垩系、第三系以及第四系陆相地层，沉积厚度大、分布范围广，下伏的中三叠统雷口坡组碳酸盐岩地层构成了上述地层的基底[13]。研究层段须家河组厚度为700～1 800 m，主要为滨浅湖和三角洲前缘沉积[14]，平面展布稳定。

图1 川西坳陷构造位置

2 实验分析方法

2.1 场发射扫描电镜

场发射扫描电镜被广泛应用于表征页岩孔隙形貌特征。首先将实验样品加工制备成边长为5 mm的标准正方体块样，并对样品垂直层理面进行氩离子抛光，使其变得光滑平整。随后通过FEI-Quanta Inspect扫描电镜发射电子束扫描样品表面，将样品表面放大处理成像，分析页岩表面孔隙的形状、大小、分布等信息。

2.2 高压压汞实验

高压压汞实验是通过逐渐增大压力，将非润湿性的汞注入页岩样品，根据Washburn公式可以计算进汞压力所对应的孔径，并进一步根据样品的进汞量及Young-Dupre方程，分析页岩样品的宏孔孔体积和比表面积分布状态[15]。实验所用仪器型号是Micromeritics Auto Pore IV 9520型压汞仪。

2.3 低温气体吸附法

低温气体吸附法选取N2或CO2作为吸附质，恒温下缓慢增加气体分压，获取页岩样品中N2或CO2的吸附量，根据不同的孔模型计算孔体积和比表面积分布特征。N2吸附法中，根据BJH方程分析中孔孔体积分布特征，BET计算模型分析中孔比表面积分布特征；根据DFT理论模型分析微孔孔体积和比表面积的分布特征[16]。实验所用仪器型号为Micromeritics Instrument ASAP 2020。

3 结果与讨论

3.1 页岩基本地质特征

3.1.1 有机地球化学特征

总有机碳含量测定实验结果表明，川西坳陷须家河组陆相页岩的TOC含量为0.28%～2.17%，平均为1.17%，其中，大部分页岩样品的TOC大于1.00%(表1)。基于陆相页岩气储层有机质丰度低的特征，王庆波等[16-17]选取Barnett页岩作为参考，将具有商业开采价值的陆相页岩气藏TOC下限定为1.00%。参考此标准可以推断，须家河组页岩富含有机质。

表1 川西坳陷马13井须家河组页岩样品特征

川西坳陷须家河组页岩样品的镜质体反射率测定结果表明，须家河组页岩的Ro为1.81%～2.10%，平均为1.98%，整体处于高—过成熟阶段。通过显微镜观察可知，须家河组页岩样品的有机质显微组分中镜质组的含量最高，其次为腐泥组，壳质组和惰质组的含量极少。基于此计算页岩样品的干酪根类型指数(TI值)，须家河组页岩TI值为-52.25～-2.50，表明有机质类型以Ⅲ型干酪根为主，须家河组页岩的有机质属于腐殖型有机质，主要来源于陆生高等植物，为生气提供了良好保障。

3.1.2 矿物组成特征

泥页岩的矿物组成特征对甲烷的吸附能力、微观孔隙类型有重要影响。通过对选取的须家河组泥页岩样品进行XRD全岩衍射分析可知，须家河组泥页岩中主要矿物为黏土矿物，含量为27.1%～75.6%，平均为53.0%，黏土矿物的主要成分为伊蒙混层和伊利石，其次为石英和长石等组成的硅质矿物，其中，石英的含量为21.0%～56.5%，平均为36.0%，而长石矿物含量为0.0～7.8%，平均为4.4%；碳酸盐岩矿物含量较低，为0.0～12.1%，平均为6.7%(表1)。

3.2 页岩岩相划分

页岩岩相可直接反映页岩的颜色、结构、矿物组成、有机碳含量等特征，是页岩沉积环境的综合反映，因此，通过研究页岩岩相可有效评估页岩的储集性能。基于须家河组陆相页岩的基本地质特征，选取有机质丰度和矿物组成来划分页岩岩相。

针对陆相页岩气储层有机质丰度低的特征，此次研究选取1.00%和2.00%作为分界，将页岩岩相分为贫有机质页岩(TOC<1.00%)，含有机质页岩(1.00%≤TOC<2.00%)以及富有机质页岩(TOC≥2.00%)。针对陆相页岩黏土矿物含量高的特征，根据页岩矿物组分中硅质矿物、钙质矿物和黏土矿物的含量，以50%作为分界进行划分，可将页岩岩相分为硅质页岩(硅质矿物含量不低于50%)、钙质页岩(碳酸盐岩矿物含量不低于50%)、黏土质页岩(黏土矿物含量不低于50%)以及混合质页岩(各类矿物含量小于50%)。基于以上页岩岩相划分标准，可以确定12种页岩岩相类型。

综合TOC含量和矿物组分进行页岩岩相划分，须家河组页岩发育5种页岩岩相(图2、表1)，分别为富有机质黏土质页岩、含有机质黏土质页岩、含有机质混合质页岩、贫有机质混合质页岩、贫有机质硅质页岩。

图2 川西坳陷须家河组页岩岩相划分

3.3 微观孔隙发育类型

利用场发射扫描电镜观察研究区须家河组页岩样品，发现须家河组页岩中发育多种类型的微纳米级别孔隙。基于微观孔隙的成因和发育位置，须家河组页岩主要发育的孔隙类型有黏土矿物晶间孔和粒内溶孔，有机质孔极少发育。

(1) 黏土矿物晶间孔。黏土矿物晶间孔是因为绿泥石和伊利石为主的黏土矿物脱水而转化形成的层间孔隙。研究区内须家河组页岩中，黏土矿物晶间孔发育最为普遍，发育于黏土矿物颗粒之间。黏土矿物晶间孔形态受矿物晶体生长方向控制，多呈层状，孔径一般为30～80 nm，具有较好的连通性。

(2) 粒内溶孔。受复杂地质作用控制，页岩中的石英、长石、方解石等矿物在酸性地层水或有机质演化产生的有机酸的作用下发生溶蚀作用，形成粒内溶孔。研究区须家河组各类岩相页岩样品的扫描电镜图像中，可观测到较多粒内溶孔，主要发育于碳酸盐岩矿物颗粒表面，发育于石英、长石颗粒表面的粒内溶孔较为少见。粒内溶孔形态多为圆形和不规则多边形，孔径绝大多数小于80 nm。由于溶蚀作用有限，粒内溶孔多呈孤立分布，孔隙连通性较差。

(3) 有机质孔。有机质孔是由于有机质生烃而在有机质内部发育的不规则椭圆形孔隙。以龙马溪组海相页岩为例，页岩有机质孔大量发育，是十分重要孔隙类型之一[18]。但须家河组页岩中有机质孔极少发育，仅在富有机质黏土质页岩的样品中观察到少量有机质孔发育，黄金亮等[19]的研究也证实了此观点。这是由于有机质孔不仅受控于有机质丰度和成熟度，也会受到有机质类型的影响。曹涛涛等[20]研究发现，III型有机质内部很少发育孔隙。须家河组页岩有机质类型以III型为主，无法满足有机质孔大量发育的需求。

3.4 微观孔隙结构特征

基于孔隙直径大小，IUPAC将微观孔隙分为微孔(孔径不大于2.0 nm)、中孔(孔径大于2.0 nm、且不大于50.0 nm)和宏孔(孔径大于50.0 nm)[21]。通过高压压汞、N2和CO2吸附实验，分析获取须家河组陆相页岩的全孔径分布特征。研究表明，须家河组陆相页岩的微孔、中孔以及宏孔均有发育。

图3为川西坳陷须家河组页岩储层孔隙结构特征。由图3a可知，须家河组页岩样品的孔体积全孔径分布特征整体相似，均呈多峰特征。其中，微孔孔体积的峰值孔径主要为0.4～0.6 nm，中孔孔体积的峰值孔径主要为10.0～30.0 nm，而宏孔孔体积的主要峰值孔径为50.0～100.0 nm。统计表明，须家河组页岩的中孔和宏孔在总孔体积中占主导地位，其中，宏孔孔体积为0.005 16～0.020 17 mL/g，平均为0.119 00 mL/g；中孔的孔体积为0.019 04～0.07 239 mL/g，平均为0.038 01 mL/g；而微孔孔体积为0.002 21～0.008 25 mL/g，平均仅有0.004 61 mL/g。统计可知，中孔孔体积占比为69.73%，宏孔孔体积占比为21.82%，而微孔孔体积占比仅为8.45%。对比分析不同岩相页岩样品的孔体积全孔径分布特征可知，富有机质黏土质页岩样品和含有机质黏土质页岩样品的宏孔孔体积远大于其他岩相页岩样品，而这2类岩相页岩样品的中孔和微孔对孔体积的贡献略大于其他岩相页岩样品。

图3 川西坳陷须家河组页岩储层孔隙结构特征

由图3b可知，须家河组页岩样品的比表面积全孔径分布特征整体相似，呈多峰特征。其中，微孔比表面积的峰值孔径主要为0.4～0.6 nm和0.8～0.9 nm，中孔比表面积的峰值孔径主要为3.0～6.0 nm和10.0～30.0 nm，而宏孔比表面积的峰值孔径主要为50.0～100.0 nm。统计表明，微孔和中孔在总比表面积中占主导地位，其中，微孔比表面积为7.23～24.46 m2/g，平均为14.34 m2/g；中孔比表面积为5.32～25.20 m2/g，平均为12.03 m2/g；而宏孔比表面积为0.28～0.97 m2/g，平均仅有0.60 m2/g。统计可知，微孔比表面积占总比表面积的53.17%，中孔比表面积占总比表面积的44.61%，而宏孔比表面积仅占总比表面积的2.22%。对比分析不同岩相页岩样品的比表面积全孔径分布特征可知，富有机质黏土质页岩样品和含有机质黏土页岩样品中，不同尺度孔径孔隙对比表面积的贡献明显大于其他类型岩相页岩。

3.5 岩相对微观储集特征的控制

不同岩相页岩样品的全孔径分布特征相似，但是孔体积和比表面积具有较大的差异，其中，富有机质黏土质页岩、含有机质黏土质页岩、含有机质混合质页岩、贫有机质混合质页岩和贫有机质硅质页岩的总孔体积平均值分别为0.095 17、0.083 83、0.038 80、0.031 16、0.028 91 mL/g，总比表面积平均值则分别为50.48、43.02、18.69、15.62、13.08 m2/g。综合对比可知，富有机质黏土质页岩样品的孔隙结构参数最佳，含有机质黏土质页岩样品的孔隙结构参数次之。进一步分析表明，页岩岩相主要控制微孔和中孔隙结构特征的发育，而对宏孔孔隙结构发育特征的影响作用不强。

为明确页岩岩相对孔隙结构的影响机理，进一步分析了不同岩相页岩样品的孔隙结构参数特征。当有机质含量增大时，页岩的微孔对孔体积和比表面积的贡献略有增长；当页岩样品为黏土质页岩时，中孔对孔体积的贡献以及中孔和微孔对比表面积的贡献显著增大，黏土质页岩的中孔孔体积平均值达到0.063 35 mL/g，中孔比表面积平均值达到21.67 m2/g，微孔比表面积平均值达到22.99 m2/g；而混合质页岩和硅质页岩的中孔孔体积平均值分别只有0.024 82、0.019 78 mL/g，中孔比表面积平均值分别仅有6.84、5.34 m2/g，微孔比表面积平均值分别仅有10.31、7.41 m2/g。由此可知，不同岩相页岩储层的TOC和黏土矿物含量特征是页岩储层中孔和微孔发育特征的主要控制因素。

川西坳陷须家河组页岩的孔隙结构参数与TOC关系图显示(图4a、b)，微孔与中孔孔体积之和与TOC具有较为良好的正相关关系，微孔与中孔比表面积之和与TOC呈明显的正相关关系。反映了有机质对微孔和中孔的发育具有促进作用。一方面，须家河组陆相页岩中有少量有机质孔发育；另一方面，须家河组陆相页岩整体热演化程度相对较高，在有机质热演化生烃过程中，形成的有机酸溶蚀碳酸盐岩矿物以及硅质矿物，产生大量粒内溶孔。因此，TOC是须家河组陆相页岩微孔和中孔结构特征的主要影响因素之一。

图4 川西坳陷须家河组页岩孔隙结构影响因素分析

川西坳陷须家河组页岩的孔隙结构参数与黏土矿物含量关系图显示(图4c、d)，微孔与中孔孔体积之和与黏土矿物含量呈良好的正相关关系，微孔与中孔比表面积之和与黏土矿物含量具有非常明显的正相关关系。反映了黏土矿物对微孔和中孔发育具有促进作用。一方面，黏土矿物晶间孔是须家河组陆相页岩发育的最主要的孔隙类型，须家河组页岩发育大量黏土孔径晶间孔；另一方面，黏土矿物具有吸附性，因此，黏土矿物含量越高，越有利于气体的吸附，能够提高页岩的比表面积。因而黏土矿物含量是须家河组陆相页岩的微孔和中孔结构特征的另一个主要影响因素。

4 结 论

(1) 川西坳陷须家河组页岩发育5类岩相：富有机质黏土质页岩、含有机质黏土质页岩、含有机质混合质页岩、贫有机质混合质和贫有机质硅质页岩。

(2) 川西坳陷须家河组页岩主要发育孔隙类型为黏土矿物晶间孔和粒内溶孔，有机质孔极少发育。须家河组陆相页岩的全孔径分布均具有多峰特征，孔体积的主要峰值孔径为0.4～0.6 nm、10.0～30.0 nm、50.0～100.0nm，比表面积的主要峰值孔径为0.4～0.6 nm、0.8～0.9 nm、3.0～6.0 nm、10.0～30.0 nm、50.0～100.0 nm，孔体积主要由中孔和宏孔提供，比表面积主要由微孔和中孔提供。

(3) 不同岩相页岩储层微观储集特征具有非均质性，其中，富有机质黏土质页岩孔体积和比表面积最大，是最有利的岩相，含有机质黏土质页岩次之；TOC和黏土矿物含量是须家河组页岩微观孔隙结构发育特征的主要控制因素。