滇东北龙马溪组页岩储层微观孔隙特征研究

2024-01-18毛雨薛晓辉李遇自杰能

云南地质 2023年4期

毛雨，薛晓辉，李遇，自杰能

(1.云南煤层气资源勘查开发有限公司云南昆明 650000；2.云南省煤炭地质勘查院云南昆明 650218)

页岩作为非常规油气页岩气的储集体，具有低孔、低渗的特点，页岩储集条件是页岩气富集的主控因素之一，其孔隙特征研究一直受到国内外学者的广泛关注[1-4]。为深入研究滇东北龙马溪组页岩微观孔隙特征，本文运用扫描电镜、氮气吸附实验、高压压汞实验等，定性描述页岩孔隙类型和孔隙形态，定量表征孔径、孔体积及孔比表面积，对孔隙类型和特征进行分类和成因分析，探讨页岩微观孔隙对页岩气储集的影响，以指导滇东北地区页岩气下一步勘探和开发工作。

1 区域地质背景及样品采集

研究区地处云岭高原与四川盆地结合部的滇东北冲断褶皱带内，有利于页岩气的保存。下志留统龙马溪组(S1l)页岩厚度15m～50m，最大80m，埋藏深度1000m～2500m。早志留世龙马溪期，区内逐渐形成一个闭塞的海湾环境，沉积了厚度较大的含钙质、粉砂质碳质页岩。

随着昭通-镇雄页岩气示范区页岩气勘探取得突破性进展[5-6]，滇东北页岩气进入快速勘探开发阶段。目前，滇东北龙马溪组已成为页岩气勘探开发的主战场，本次测试样品来自昭通市永善县团结乡龙马溪组剖面(图1)。

2 页岩孔隙类型及特征

本次选用氩离子剖光扫描电子显微镜技术，遵照岩石样品扫描电子显微镜分析方法(SY/T 5162-2021)，将页岩样品制成约1cm×1cm×1cm的规则方块，并对观察面进行氩离子抛光处理，通过收集电子束轰击到样品后激发的各种物理信号显象。运用氩离子扫描电子显微镜技术发现龙马溪组页岩中存在多种类型的微-纳米级孔缝[7-8]，以有机质生烃孔、粒内孔、粒间孔及微裂缝为主，其中，有机质生烃孔、粘土矿物层间孔、颗粒粒间孔发育较好，为页岩气提供了良好的储集空间。

(1)有机质生烃孔：有机质孔分布在有机质内部，龙马溪组页岩中普遍存在，对页岩气的富集具有极为重要的控制作用[9]。区内龙马溪组页岩有机质含量较高，在有机质内部及富有机质黏土中形成了“蜂窝状”有机质孔隙，孔径多在2 nm～10nm，部分大型有机质孔在50nm～200nm。

从氩离子抛光扫描电镜图像看出(图2a、2b、2c)，有机物质大多以分散状分布在矿物颗粒中或包裹在矿物颗粒周围，分散的固体有机质呈黑色长条状分布，在图像所占比例越高，页岩有机碳含量就高。页岩有机孔呈蜂窝状、线状、串珠状及复杂网状等，有机质孔间不具连通性，储集性能较差。

图2 龙马溪组页岩储层微观孔隙特征Fig 2. Microscopic Pore Characteristics of Shale Reservoirs in The Longmaxi Formation

(2)粒内孔：粒内孔是矿物颗粒内发育的孔隙，孔径在200nm以内，其中粘土矿物层间粒内孔和粒内溶蚀孔最发育[10]。区内龙马溪组页岩中粘土矿物以伊蒙混层含量最高，其次伊利石，有较多粒内孔(图2d)，可能是蒙脱石在沉积埋藏中转化为伊利石时形成的孔隙。溶蚀孔发育较好，种类较多，常见方解石颗粒和石英颗粒发育的溶蚀孔(图2e、2f)，孔隙形态多样，孔径集中在20nm～300nm。粒内孔可为甲烷气体提供较大赋存空间，也可与粒间孔和微裂隙形成连通孔隙网络，极大的提高页岩渗流能力。

(3)粒间孔：粒间孔是矿物颗粒之间相互支撑形成的孔隙，龙马溪组页岩中主要以片状粘土矿物之间的粒间孔、粘土矿物与石英和长石颗粒之间的粒间孔、黄铁矿颗粒之间的晶间孔(图2g、2h、2i)，孔径5nm～300nm，连通性较好，是游离气的最主要储集空间，也可作页岩气良好的运移通道。

(4)微裂缝：既是页岩气储集空间又为运移通道，水力压裂过程中微裂缝发育程度直接影响生产井产量。页岩中微裂缝与沉积构造和成岩作用造成的应力变化相关，页岩中不规则微裂缝发育，缝宽约0.189μm～3.399μm，连通性较好，不同程度方解石、黄铁矿或有机质等充填，或未充填(图2j、2k、2l)。

3 页岩孔隙结构表征

滇东北龙马溪组页岩储层孔隙类型多样，结构复杂，以有机质生烃孔和矿物粒间孔最发育，鉴于扫描电镜仅定性描述页岩孔隙形态和类型，利用氮气吸附实验和高压压汞实验可准确定量的表征页岩微观孔隙结构特征[11-13]。其中，压汞法属物理测量，原理是将页岩样品浸泡在汞中，通过施加压力来压缩汞，使汞进入页岩孔隙中。通过测量压缩汞体积变化，计算页岩孔隙度和孔径分布；气体吸附法属化学测量，原理是将页岩暴露在一定压力下的气体环境中，通过测量气体吸附量变化来计算页岩样品的孔隙度和孔径分布。本次参照《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度》(GB/T 21650-2008)执行。

3.1 氮气吸附-解吸等温线

氮气吸附等温线可很好的表征页岩中微观孔隙结构，图3看出，随相对压力(P/Po)的增加，页岩样品的吸附曲线在形态上稍有差别，但整体呈反S型，属典型的IV型等温线，页岩的吸附曲线和解吸曲线不重合，解吸等温线位于吸附等温线上方。在相对压力较小(P/Po<0.4)时，页岩的吸附曲线和解吸曲线均稳定上升，解吸曲线在P/Po约0.4～0.5范围出现较大的拐点；在P/Po接近1.0时，吸附量迅速增加，吸附曲线与解吸曲线趋于重合，滞后环逐渐闭合，形成滞后回线。表明页岩孔隙多为开放型孔隙，以两端开放的圆柱形孔和平板孔等开放型孔隙为主，与扫描电镜下以有机质生烃圆柱形孔和平行孔为主的粒间孔一致[14-15]。

图3 龙马溪组页岩氮气吸附等温线Fig 3. Nitrogen Adsorption Isotherm of Longmaxi Formation Shale

3.2 孔隙孔体积、比表面积和孔径分布

页岩样品压汞孔体积0.0073cm3/g～0.0554cm3/g，平均0.0291cm3/g，孔隙度1.6226%～10.8169%，平均5.9059%，孔隙度大于4%的孔隙占总数57.1%。BET模型求得页岩比表面积6.479m2/g～17.329m2/g，平均11.425m2/g。孔径主要集中在过渡孔和微孔，占总孔体积56%，说明页岩储层中微孔和过渡孔最发育，是页岩比表面积的主要贡献者，提供了大量的吸附空间，中孔和大孔较不发育。

高压压汞曲线形态可反映页岩的孔隙连通性特征[16]。图4中页岩压汞曲线孔隙滞后环较宽，进汞和退汞体积差较大，表明在压汞所测的孔径范围内开放孔隙较多，孔隙连通性较好[17-18]。