基于构造差异的页岩孔隙结构与吸附能力表征

于雯汀，吴亚红

（1.中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300451；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

0 引言

近年来，页岩气引领了非常规能源革命，四川盆地下志留统龙马溪组页岩作为海相页岩的代表，已取得规模化的开采利用，形成了长宁、威远和焦石坝等标志性页岩气藏生产区块[1-2]。黔北地区优质页岩厚度为20～35 m，具有良好的勘探开发前景。前人已经对甜点区储层页岩的孔隙特征、物性参数、沉积岩相进行了大量研究和表征工作，发现它与涪陵、焦石坝等优质区块相似。目前，黔北地区页岩储层尚未取得重大工业化开采，五峰组—龙马溪组页岩具有低孔、低渗的物性特征，形成于深水陆棚环境，并且构造保存、地质应力条件十分复杂[3-5]。但是，目前基于构造条件对页岩储层物性特征和吸附能力的研究较少，而且富含有机质页岩的孔隙结构控制因素和机理尚未得到广泛讨论。

与砂岩和碳酸盐岩储层中的微米级孔隙相比，页岩气储层中的孔径通常小于1 μm，尤其是有机质中的孔径在几到几百纳米之间[6]。因此，在页岩开发评价中，确定孔隙结构参数（例如孔径、孔隙体积和比表面积），对于理解孔隙特征及其储气能力非常重要[7-11]。为了阐明页岩的复杂孔隙系统在不同应力条件下的结构演化，本文以黔北地区不同构造区的页岩样品为研究对象，运用场发射扫描电镜（FE-SEM）和N2/CO2等温吸附方法来表征孔隙的类型、比表面积和孔径分布，结合甲烷等温吸附实验评价页岩储层的吸附能力，系统分析了构造差异对储层孔隙特征的影响，为黔北地区页岩气的勘探和开发提供理论和数据支撑。

1 区域地质背景

黔北地区位于黔中古隆起与四川盆地东南缘构造交合部位，大地构造位置处于扬子地台中部（见图1）。该区经历了多期构造运动，包括加里东期（寒武纪—志留纪）、海西期（泥盆纪—二叠纪）、印支期（三叠纪）、燕山期（侏罗纪—晚白垩纪）、喜山期（古近纪—第四纪）[12-14]。 受加里东期造山运动的影响，该区缺失泥盆系和石炭系。在区域分布上，受黔中古隆起和江南雪峰古隆起的影响，黔南地区缺失龙马溪组页岩，仅在黔北地区出露。

图1 黔北地区沉积相分布

另外，龙马溪组页岩在区域展布的沉积厚度由南向北逐渐增厚[16]。区域内自四川盆地东南缘起，向黔中古隆起以隔挡式褶皱过渡。其中：靠近四川盆地东南缘的区域，受构造抬升和挤压作用较为剧烈，龙马溪组倾角以30°～40°为主，发育较多高角度裂缝；而其他区域以10°～15°低倾角地层为主，储层裂缝多为层理缝。根据区域内钻井和野外地质勘探资料，五峰组—龙马溪组总有机碳质量分数（TOC）高的储层厚度为20～35 m，并且上覆地层为石牛栏组致密巨厚石灰岩，整体储层埋藏深度较浅。本次采样以黔北地区高陡构造区和低缓构造区为主，对不同构造区页岩孔隙特征和吸附特征的差异性展开研究。

2 沉积相特征与矿物组构

2.1 沉积相特征

以观音桥组为标志层，通过对黔北地区五峰组—龙马溪组进行野外观察描述及矿物分析，结合区域构造特征和前人已有资料，认为区域上沉积相主要分为浅水陆棚相和深水陆棚相[17]。其中：浅水陆棚相沉积以细粒碎屑物质为主，由于广泛位于风暴浪基面上部，水体扰动显著，形成了以粉砂质泥岩和泥质灰岩为主的沉积体，并且发育波状层理；而深水陆棚相多为风暴浪基面下部浅海区，水体能量较低，主要沉积黑色泥页岩、碳质泥页岩及含粉砂页岩。本次研究所采集的样品为观音桥组（五峰组—龙马溪组分界地层，区域厚度1～3 m的凝灰岩标志层）上覆和下伏岩石样品，属深水陆棚相。

2.2 矿物组构

根据研究区内五峰组—龙马溪组出露地层采集的20个样品及钻井岩心数据，发现页岩矿物组分稳定，脆性矿物以石英、长石为主，其余为方解石、白云石和黄铁矿等（见表1，其中CS代表高陡构造区，SP代表低缓构造区）。

表1 黔北地区五峰组—龙马溪组页岩矿物组分

由于沉积环境差异，矿物组分非均质性显著。石英质量分数为21.7%～69.1%，平均40.4%，长石平均质量分数为5.3%。而黏土矿物质量分数为16.8%～63.1%，平均38.3%，基本无蒙皂石，以伊利石和少量绿泥石为主。此外，黄铁矿集中发育于储层优质含气段的黑色碳质页岩之中，而在上部的灰黑色粉砂质泥岩或泥灰岩中较少发育。总体上，石英和黄铁矿质量分数与TOC具有显著相关性，指示石英为生物物源成因，以及深水陆棚沉积体系的还原环境对有机质具有保存作用[18]。

通过对比观音桥组上覆和下伏岩石样品，矿物组分质量分数呈现区域分异的特点。越靠近四川盆地东南缘的高陡构造带，石英质量分数越低，而黏土矿物质量分数越高，指示复杂构造活动下，地层隆升破碎所引起的构造变动对黏土矿物物源输入具有促进作用。FE-SEM图像也可佐证，相较于低缓构造区，高陡构造区样品矿物组构表现出多期次应力状态，黏土矿物无显著定向性，在石英、黄铁矿等刚性颗粒周围呈环状分布；而低缓构造区黏土矿物呈较强的带状定向分布，指示沉积为较简单的上覆应力状态，仅受1～2组主控应力影响。

3 储层孔隙特征

3.1 孔隙类型

通过FE-SEM观察，对高陡构造区和低缓构造区五峰组—龙马溪组页岩的孔隙类型进行了分析。孔隙可分为有机质孔隙、粒内孔隙、粒间孔隙3类（见图2，红色为ImageJ软件识别的孔隙），其体积分数分别为78%，9%，13%。有机质孔隙包括刚性矿物（石英、莓状黄铁矿）格架内的有机质孔隙（体积分数71%）、狭长微裂隙有机质孔隙（9%），以及与黏土矿物紧密结合的有机质孔隙（20%）；粒内孔隙包括黏土矿物内部孔隙、石英的自生孔隙、碳酸盐矿物的溶蚀孔隙；粒间孔隙主要为刚性矿物周围未被黏土矿物挤压充填的次生孔隙。

图2 不同构造区的页岩孔隙类型

对于TOC和矿物组分相近的五峰组—龙马溪组页岩样品，其中内部矿物组构呈现强烈的构造控制特征。对刚性矿物格架内的有机质孔隙而言，高陡构造区和低缓构造区样品无显著差异，孔隙多呈大面积片状分布，分布宽度为2～5 μm，是页岩有机质孔隙的主要贡献类型。但对于微裂隙和与黏土矿物紧密结合的有机质孔隙，高陡构造区基本趋于闭合，仅为低缓构造区的21%。由于四川盆地东南缘多期次的构造抬升，样品经受复杂应力，无刚性矿物格架支撑的有机质孔隙在构造挤压下消失，损失了部分有机质孔隙，同时也代表相较于低缓构造区，自身烃源岩储气空间的减少。对石英和碳酸盐矿物的粒内孔隙而言，高陡构造区和低缓构造区样品无明显差别；而对于黏土矿物粒内孔隙，高陡构造区样品显著降低。另外，对于黏土矿物粒间孔隙，高陡构造区基本趋于闭合，而低缓构造区可见部分分布于刚性矿物周围以及有机质内部的黏土矿物粒间孔隙。

3.2 等温吸附曲线

N2/CO2等温吸附曲线可用于表征内部孔隙特征，目前已形成完善的技术分析体系。以N2等温吸附曲线为例，其原理是通过多孔介质表面上N2吸附量和压力的函数关系来计算样品孔径、比表面积和孔隙体积[19]。在吸附过程中，多孔介质表面随压力增加逐渐发生单层至多层吸附，直至形成液膜，随后由于毛细凝聚现象，在孔隙内形成弯月面，可用Kelvin方程描述毛细凝聚时孔径和相对压力的关系；因此，从实测样品中得到N2吸附量和相对压力的数据，即可计算相邻数据之间因液膜厚度变化引起的液膜体积变化量，进而得出具体孔径参数[20]。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的划分，孔隙主要分为柱状孔、板状、墨水瓶状和圆孔[21]。对页岩而言，其孔隙类型并非单一类型，而是多种孔隙的组合。

基于等温吸附实验结果（见图3），五峰组—龙马溪组页岩均不同程度地出现了吸附回滞现象。将相对压力为0.5时所对应的N2吸附量差值定义为Vδ，用于表征吸附回滞现象的程度。Vδ越大，其内部孔隙结构越复杂，微孔越发育。线性拟合结果表明，Vδ与TOC呈正相关（R2=0.85）。另外，高陡构造区的Vδ要小于低缓构造区，但利用线性拟合关系将TOC标准化后（TOC=1%），Vδ数值差异并不显著，表明高TOC的微纳米孔隙是毛细凝聚的主要原因。

图3 五峰组—龙马溪组页岩低温N2等温吸附实验结果

3.3 孔径分布特征

孔径分布特征可以采用累积、增量或微分曲线表示，本文选用dV/dlg D（其中，V为孔隙体积，D为孔径）可更为直接地表示不同孔径对孔隙体积的贡献能力。根据IUPAC分类，孔径小于2 nm为微孔，2～50 nm为中孔，大于50 nm为大孔。

结合图4、表2可以看出：所有样品中，1～10 nm孔径对孔隙体积的贡献能力随TOC增加而递增，表明有机质孔隙以微孔、2～10 nm中孔为主；而10～100 nm孔径与TOC无明显关联，孔径分布表现出构造分异现象。对于高陡构造区，样品以单峰分布为主，峰值集中于1～10 nm；而低缓构造区样品呈双峰分布，峰值集中于1～10 nm和50～100 nm。

图4 不同构造区孔径分布特征

表2 N2/CO2等温吸附实验的比表面积与孔隙体积

低缓构造区微孔、中孔、大孔的平均体积分别为4.685×10-3，22.884×10-3，7.966×10-3cm3/g， 分别是高陡构造区的154%，141%，207%，表明低缓构造区具有更大的孔隙空间和游离气储存能力。低缓构造区的大孔体积显著高于高陡构造区，且二者微孔体积占比无明显差异，表明构造条件对刚性矿物格架内的有机质微孔并无显著影响，而100 nm以上的大孔，由于低缓构造区相对简单的应力状态，保留了更多的粒间孔隙和粒内孔隙。

3.4 页岩孔隙发育的影响因素

对页岩储层而言，孔隙发育的主要影响因素包括外部构造条件和内部烃源岩物性（TOC、矿物组构）2个方面。

微孔和2～10 nm中孔主要由有机质孔隙组成，其发育特征主要与有机质生烃转换过程中生成的孔隙有关，TOC是其发育的主控因素，并且dV/dlg D峰值与脆性矿物质量分数呈正相关，与黏土矿物质量分数呈负相关。这表明赋存于脆性矿物刚性格架内的有机质微孔更易保存，并且由于页岩基质的低渗透率[22]，微孔作为页岩的主要储气空间，持续的生烃过程导致孔隙压力较高，有助于抵抗构造应力导致的微孔闭合。

10～50 nm中孔及大孔主要由无机孔隙（粒间孔隙和粒内孔隙）组成，受构造应力和矿物组构控制显著。随黏土矿物和脆性矿物质量分数的增加，孔隙体积均呈先增加后递减的趋势，表明矿物组构对孔隙体积具有控制作用（见图5）。黏土矿物质量分数的增加，为页岩基质提供了更多的孔隙空间，但随着黏土矿物质量分数达到25%～35%，基质内起支撑作用的脆性矿物质量分数相应减少，黏土矿物进一步受挤压损失孔隙。故对页岩孔隙而言，脆性矿物与黏土矿物质量分数的动态平衡是保证孔隙发育的前提。

图5 页岩孔隙体积与矿物组分质量分数的关系

总体上，在TOC和矿物组分接近的前提下，页岩低缓构造区的孔隙体积要大于高陡构造区，高孔隙体积代表了更大的甲烷吸附能力。

4 甲烷吸附能力

二元Langmuir模型常用于描述页岩等温吸附能力，其方程[23]为

式中：V为等温吸附平衡吸附量，cm3/g；pb为吸附平衡压力，MPa；pL为兰氏压力，MPa。

页岩的甲烷绝对吸附量主要取决于外因和内因2个方面。

外因主要包括地层温度、压力。一方面，前人所进行的等温吸附实验表明，由于温度抑制吸附过程，甲烷绝对吸附量随地层温度升高而显著降低，当温度由20℃升至 60 ℃，甲烷吸附能力下降了 40%～50%[24-26]。 另一方面，较大的地层压力会使得甲烷吸附相密度提高，继而提高吸附量，并且在相对低压区（1～5 MPa），甲烷绝对吸附量可达最大吸附量的50%～60%，而压力大于10 MPa后，绝对吸附量趋于平稳（见图6）。这表明低温及相对低压的储层条件有利于甲烷绝对吸附量的提高。目前黔北地区页岩储层埋深普遍介于1 000～2 000 m，为中浅层页岩气。相较于涪陵、焦石坝等中深层页岩气藏，较浅的埋藏深度所具有的储层温压条件，保证了页岩具有较高的绝对吸附能力。

图6 不同构造区甲烷等温吸附结果（吸附温度30℃）

内因主要包括TOC、储层含水率。水分子会占据部分吸附空间，导致含水率增至10.2%时，页岩吸附能力下降约30%～40%[15]。除此之外，TOC提供的高微孔体积仍是页岩吸附能力的主控因素[27]。由表2可知，随着TOC增加，比表面积和VL均呈增加趋势。比表面积代表样品中可提供的配位吸附点数量，而比表面积和VL与微孔、中孔的显著正相关也印证了1～50 nm的微孔、中孔是页岩的主要吸附赋存空间[28]。另外，TOC标准化后（TOC=1%），低缓构造区样品的甲烷吸附能力与高陡构造区并无显著差异。因此，对甲烷吸附能力而言，构造差异并无显著影响，只有大孔表现出显著的应力敏感性。

5 结论

1）黔北地区页岩矿物组分非均质性显著，石英质量分数为21.7%～69.1%，黏土矿物质量分数为16.8%～63.1%。越靠近四川盆地东南缘的高陡构造带，石英质量分数越低，而黏土矿物质量分数越高。这指示复杂构造活动下，地层隆升破碎所引起的构造变动对黏土矿物物源输入具有促进作用。在矿物结构中，高陡构造区以刚性矿物格架内的有机质孔隙为主，而低缓构造区还发育较多的微裂隙有机质孔隙、与黏土矿物紧密结合的有机质孔隙以及粒间孔隙，孔隙空间更为发育。

2）根据N2/CO2等温吸附实验结果，高陡构造区孔径以单峰分布为主，而低缓构造区孔径以双峰分布为主。这表明构造差异对刚性矿物格架内的微孔孔隙演化无显著影响，主要与TOC密切相关。而大孔表现出显著的应力敏感性，低缓构造区的大孔体积要大于高陡构造区。甲烷等温吸附实验表明，在TOC标准化（1%）后，不同构造区的甲烷吸附能力无明显差异。微孔体积是甲烷吸附能力的重要因素，基本不受构造条件制约。