云南曲靖地区筇竹寺组泥页岩储层发育特征与影响因素

2022-09-07薛晓辉自杰能

高校地质学报 2022年4期

胡琳，薛晓辉，杜伟，成鹏，自杰能

1. 云南省煤炭产品质量检验站，曲靖 655000；

2. 云南煤层气资源勘查开发有限公司，曲靖 655000；

3. 云南省煤炭地质勘查院，昆明 650218

页岩气是重要的非常规油气资源之一，作为清洁型的接替能源受到越来越多国家的重视（Law et al., 2002； Bowker, 2007；张金川等，2009；廖志伟等，2016）。页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，中国页岩气潜力巨大，开发页岩气具有重要的现实意义和能源战略意义。云南省页岩气资源较为丰富（蒋天国等，2016），但页岩气基础地质研究较为薄弱，随着页岩气开发技术的进步，探究页岩储层微观储集空间的发育特征可以为了解页岩气的储集、渗流、运移特征提供基础依据，同时对了解页岩气储层的成岩—生烃演化过程具有参考意义（杨峰等， 2013a，b；崔景伟等，2012；胡海燕，2013）。

目前对页岩储层的微观储集特征研究，主要集中在页岩孔隙分类和孔隙结构的表征上。Wang和Reed（2009）通过高分辨率扫描电镜（SEM）发现页岩储层有四种不同类型的孔隙结构,即有机质孔隙、基质孔隙、天然裂缝和人工裂缝； Curtis等（2002）通过FIB/SEM等技术认识到页岩的微观结构十分复杂，页岩的干酪根中含有大量有机孔隙；Curtis等（2012）运用STEM技术观察了Barnett、Woodford、Horn River和Haynesville页岩岩样的纳米孔，研究了页岩孔隙的影响因素；杨峰等（2013a,b）利用压汞和液氮技术定量表征了孔隙结构参数；Clarkson 等（2013）利用气体吸附法研究北美页岩储层发现氮气吸附与二氧化碳吸附的孔径分布在重复孔径段相似度高，且联合应用氮气吸附与二氧化碳吸附有效表征了100 nm 以下孔隙。本文以云南曲靖地区筇竹寺组泥页岩为例，利用氩离子抛光-场发射扫描电镜技术实现对泥页岩微观储集空间的观测，使观测级别可以达到纳米级别，同时结合高压压汞进行微观储集空间的定量研究，综合揭示泥页岩微观储集空间的发育类型与基本特征。

1 实验样品与测试方法

云南曲靖地处扬子陆块南部边缘曲靖—水城褶冲带，西临小江断裂带，向南靠近弥勒—师宗断裂，受特提斯构造域与环太平洋构造域共同影响，本区地质构造较为复杂，以NE—SW向逆断层为主，局部有小的褶曲，节理较为发育。区内主要发育下寒武统筇竹寺组和上志留统玉龙寺组两个页岩地层，筇竹寺组主要由深灰色、灰绿色泥质页岩夹薄层粉砂岩组成，底部有厚度不等的黑色粉砂岩或黑色页岩，上部夹少量薄层至中厚层状细砂岩，局部夹白云岩及灰岩，厚237~363 m，其中富含有机质页岩主要发育于筇竹寺组底部层段。

选区曲靖地区筇竹寺组泥页岩样品18块，样品的矿物组分和有机地化特征见表1。筇竹寺组黑色页岩测试样品TOC含量介于0.52%~5.23%之间，平均为2.90%，页岩的矿物组分以石英为主，含量52.2%~84.7%，平均为71.81%，其次为黏土矿物含量7.2%~44.4%，平均为19.66%。长石、方解石含量较少，一般不超过10%。

表1 筇竹寺组泥页岩样品的矿物组分和有机地化特征Table 1 Mineral compositions and organic geochemistry of Qiongzhusi Formation shale

结合电镜观测与压汞实验，从定性、定量两个角度综合探究筇竹寺组黑色页岩微纳米级微观储集空间的发育类型与特征。

氩离子抛光技术在页岩气研究中的应用使页岩纳米级储集空间的观测得以实现，极大的促进了页岩气地质理论的研究（崔景伟等，2012；张盼盼等，2014；王哲等，2016）。对页岩样品进行氩离子抛光处理，获得无损伤、品质极高的页岩表面，进而应用场发射扫描电镜进行观测。测试仪器为美国FEI公司的Helios Nanolab 600i聚焦离子电子双束显微镜和日本日立高新S-4700冷场发射扫描电子显微镜，分辨率最高达3 nm。

高压压汞实验于中国矿业大学煤层气国家重点实验室完成，采用仪器为MICROMERITICS INSTRUMENT公司AutoPore IV 9500 V1.09压汞测试仪，孔径测定下限为6 nm,计算机程控点式测量。测试前对样品进行统一处理，并将样品于烘烤箱中烘干24 h，可以测量6 nm至100000 nm孔径的有效孔隙，而无效于缺乏连通性的封闭孔隙，其测试范围以下更小的孔隙无法表征。

2 实验结果与分析

2.1 页岩微观储集空间类型

Loucks等（2009）在大量场发射电镜观测图像的基础上提出了页岩气储层孔隙的分类分案，该方案将孔隙与其所发育的物质成分结合在一起，使每类孔隙都可以放在孔隙系统内进行评价。采用这种基于物质成分的分类方案，将页岩储层微观储集空间分为有机质孔隙、粘土矿物孔隙、颗粒矿物孔隙和微裂隙四个大类。

筇竹寺组页岩储层的有机质生烃孔隙发育程度极高（图1a），常常密集分布，孔隙多为微米或纳米级，孔隙孔径介于10 nm~1 μm之间，有机质周缘孔隙也较为常见，是页岩气存储中贡献最大的孔隙；页岩在成岩过程中，形成了许多矿物粒间孔，主要分散于黏土矿物粒间孔（图1b）和粉砂质脆性矿物边缘（图1c），由于压实作用，有效连通孔隙较少；在矿物颗粒内部，也发育了许多粒内孔（图1d），包括脆性矿物和黏土矿物粒内孔，镜下呈散点状分布，孔径在十几到几百纳米之间，可以为页岩气储存提供很好的空间。

观测显示，黏土矿物粒间孔呈片状或弯片状，张开间距纳米级—微米级不等，黏土矿物对应力响应显著，粘土矿物多定向、变形，使孔隙也发生形貌变化；页岩中的脆性矿物石英，可以形成刚性构架，周缘往往发育孔隙，而长石是易溶蚀组分，可以形成溶蚀孔隙。此外，微裂隙（图1e）也是页岩储层的重要储集空间类型，延伸长度可以达到几十微米，张开宽度常为纳米—微米级别，对页岩储层渗流能力的增强有重要作用。

图1 筇竹寺组黑色页岩镜下孔隙类型Fig. 1 SEM images showing the pore types of Qiongzhusi Formation shale

2.2 页岩储层孔隙度发育特征

利用高压压汞定量研究筇竹寺组页岩储层储集空间发育特征。结果显示，筇竹寺组页岩储层微观储集空间发育程度较好，孔隙度为1.59%~11.33%，平均为5.0%，这与国内外页岩气开发主力层段基本一致，储层孔隙性良好。进汞退汞曲线不重合（图2），说明页岩储集空间内小孔径孔隙有一定发育程度，使侵入的汞液不能完全退出；但进汞退汞曲线呈现两个水平：第一类储层的Q-12、Q-14样品（压汞滞后环宽大，连通性好），孔隙度较大，平均为10.71%；第二类储层的样品（压汞滞后环窄小，连通性差），孔隙度较小平均为2.15%。这种差别与压汞曲线形态表现出来的连通性一致（表2）。

表2 页岩高压压汞测试结果Table 2 High pressure mercury injection data of Qiongzhusi Formation shale

图2 筇竹寺组页岩进汞、退汞曲线Fig. 2 Mercury injection and withdrawal curves of Qiongzhusi Formation shale

本区筇竹寺组页岩微观储集空间中，各阶段孔隙均有发育但发育程度不一（图3），孔径分布以小孔、微孔、中孔和超大孔为主，它们分别贡献了总孔容的34.2%、22.3%、17.2%和16.8%；大孔相对较少。电镜观测所显示的微米级孔隙为主，纳米级孔隙有所发育的结果与之相符。

图3 筇竹寺组页岩孔容分布特征Fig. 3 Pore volume distribution of Qiongzhusi Formation shale

3 页岩微观储集空间影响因素

通过对云南曲靖地区筇竹寺组页岩基质孔隙类型研究，结合页岩地化条件分析，认为控制筇竹寺组页岩孔隙发育的因素主要有TOC、矿物组分和成岩作用三个方面。

（1）页岩孔隙度与总有机碳含量TOC呈正相关关系。有机质在高过成熟阶段可产生大量孔隙，在富有机质页岩总孔隙度中占比一般可以达到6%~33%，在优质页岩总孔隙中占比则更高。对筇竹寺组页岩孔隙度与总有机碳含量进行关系分析，图4表明，孔隙度与TOC呈现较为显著的正线性关系（R2为0.7178），页岩孔隙度随着TOC含量增大而增大，在富含有机质页岩段尤其明显。

（2）页岩中的矿物组分对储集空间类型与大小有直接影响。Ross和Bustin（2009）认为页岩储层中粘土矿物具有较高的微孔隙体积和较大的比表面积，对页岩气中的甲烷有较强的吸附性；Ambrose等（2012）认为分散、细粒的多孔性有机质通常嵌入在无机基质之中，有机质中的微孔隙及其特征长度小于100 nm的毛细管两者组成了主要的气体孔隙体积。对筇竹寺组页岩孔隙度与主要矿物成分（粘土矿物和脆性矿物（包括石英、长石和方解石））进行关系分析（图4），孔隙度与粘土矿物含量和脆性矿物含量之间没有显著的相关关系，但是孔隙类型的形成与发育情况由特定矿物的发育特征决定，例如黄铁矿晶间孔、石盐晶间孔、粘土矿物粒间孔等；裂缝的发育情况与脆性矿物含量直接相关，脆性矿物含量同时直接影响泥页岩储层的后期可改造性；此外，长石、碳酸盐岩矿物等成分的含量是岩石中次生溶蚀孔隙形成的必要条件之一。

图4 页岩储层孔隙度与主要矿物组分和TOC含量的关系Fig. 4 Relationship between main minerals, TOC and porosity of Qiongzhusi Formation shale

（3）成岩演化作用对页岩储层微观孔隙结构有较大影响作用。曲靖筇竹寺组页岩粘土矿物含量较低，X衍射粘土分析结果表明，粘土中以伊蒙混层为主，伊利石次之，含少量绿泥石及绿蒙混层，微量高岭石及蒙皂石，处于中成岩晚期。成岩作用强，导致粘土矿物中大孔隙减少，页岩内连通性孔隙体积少，进而导致基质孔隙度降低。另一方面，成岩作用受热演化程度控制，随着演化程度不断增高，成岩作用加强，粘土矿物组成发生转化，首先具有很大比表面积的蒙脱石相继转化为间层矿物，随着演化程度的增加间层矿物含量逐渐减少最终全部转化为比表面积和孔体积均较小的伊利石或绿泥石（陈尚斌等，2012；赵迪斐等2021）。从实验数据来看，该区筇竹寺组粘土矿物中伊蒙混层含量仍相对较高，为粘土矿物微孔隙提供了较大的比表面积，也提高了页岩的比表面积和孔体积。

综合来看，TOC是影响该区筇竹寺组页岩储层纳米级孔隙发育的主控因素，当然，粘土矿物和脆性矿物可能提供了其他孔径尺度的孔隙体积，特别是脆性矿物对于尺度较大的微裂隙的贡献更大，这些均提供页岩气主要储存空间。