滇东北龙马溪组页岩储层微观孔隙特征1

滇东北龙马溪组页岩储层微观孔隙特征1

秦宇

云南煤层气资源勘查开发有限公司 云南曲靖 655000

摘要：为查明滇东北龙马溪组页岩储层微观孔隙特征，应用扫描电镜、氮气吸附实验、高压压汞实验等，从定性定量两方面研究页岩样品的孔隙类型、微孔形态、连通性、孔径分布及比表面积。结果表明：龙马溪组页岩储层主要发育有机质生烃孔、粒内孔、粒间孔及微裂缝等5种孔隙类型，其中有机质生烃孔和矿物粒间孔最为发育；孔隙结构以两端都开放的圆柱形孔和平板孔等开放透气孔为主，含少量不透气孔影响页岩气的渗流；孔径主要集中在过渡孔和微孔，贡献了大部分的孔比表面积，为页岩储层的主要孔隙类型。

关键词：滇东北；龙马溪组；孔隙结构；扫描电镜；氮气吸附；高压压汞

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的微观孔隙特征，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的勘探和开发工作。

1 区域地质背景及样品采集

近年来，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]，整个滇东北页岩气研究进入快速勘探开发阶段。目前，滇东北龙马溪组已成为全省页岩气勘探开发的主战场，本次样品采集主要来自于昭通永善和大关地区。

研究区地处云岭高原与四川盆地的结合部，位于滇东北冲断褶皱带内，有利于页岩气的保存（图1）。区内下志留统龙马溪组页岩厚度在15-50m之间，最大可达80m，埋藏深度主要在1000～2500 m变化。早志留世龙马溪期，区内逐渐形成一个闭塞的海湾环境，沉积一套厚度较大含钙质、粉砂质碳质页岩，是目前最具商业开发潜力的页岩层位。

图1 滇东北龙马溪组页岩沉积地层分布图

2 页岩孔隙类型及特征

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，在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2-10nm，部分大型有机质孔在50～200nm。

从氩离子抛光扫描电镜的图像中可以看出（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，有机质孔之间不具连通性，储集性能较差。

（2）粒内孔

粒内孔是矿物颗粒内发育的孔隙，孔径一般在200nm以内，其中粘土矿物层间粒内孔和粒内溶蚀孔最为发育^[10]。区内龙马溪组页岩的粘土矿物组成中伊蒙混层含量最高，其次为伊利石，在其中发现有较多的粒内孔（图2d），这可能是蒙脱石在沉积埋藏过程中转化为伊利石时而形成的孔隙。龙马溪组页岩溶蚀孔发育较好，种类较多，常见于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，孔径集中分布在20～300nm范围内。粒内孔既可以为甲烷气体提供较大的赋存空间，也可以与粒间孔和微裂隙一起形成连通的孔隙网络，极大的提高页岩的渗流能力。

图2 龙马溪组页岩储层微观孔隙特征

（3）粒间孔

粒间孔是矿物颗粒之间相互支撑形成的孔隙，在龙马溪组页岩中十分发育，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5～300nm不等，连通性较好，是游离气的最主要储集空间，同时也可作为页岩气良好的运移通道。

（4）微裂缝

微裂缝既可作为页岩气的储集空间又可作为页岩气的运移通道，水力压裂过程中微裂缝的发育程度直接影响生产井的产量。页岩中的微裂缝与沉积构造和成岩作用造成的应力变化相关，龙马溪组页岩中不规则微裂缝较发育，缝宽约0.189～3.399μm，连通性较好，不同程度被方解石、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，孔隙结构复杂，以有机质生烃孔和矿物粒间孔最为发育，鉴于扫描电镜只能定性描述页岩的孔隙形态和类型，利用氮气吸附实验和高压压汞实验可以准确定量的表征页岩微观孔隙结构特征^[11-13]。

3.1 氮气吸附-解吸等温线

氮气吸附等温线可以很好的表征页岩中微观孔隙结构，从图3中可以看出，随着相对压力（P/Po）的增加，页岩样品的吸附曲线在形态上稍有差别，但整体都呈反S型，属于典型的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的上方。在相对压力较小（P/Po<0.4）时，龙马溪组页岩的吸附曲线和解吸曲线均稳定上升，解吸曲线在P/Po约为0.4~0.5范围内出现一个较大的拐点；在P/Po接近1.0时，吸附量开始迅速增加，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。这就表明，滇东北龙马溪组页岩孔隙多为开放型孔隙，而且以两端都开放的圆柱形孔和平板孔等开放型孔隙为主，这与扫描电镜下观察到的孔隙以圆柱形为主的有机质生烃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

3.2 孔隙孔体积、比表面积和孔径分布

龙马溪组页岩样品的压汞孔体积在0.0073~0.0554cm³/g之间，平均为0.0291cm³/g，页岩的孔隙度为1.6226%~10.8169%，平均为5.9059%，其中孔隙度大于4%的孔隙占总数的57.1%。利用BET模型求得页岩比表面积为6.479~17.329m²/g，平均11.425m²/g。页岩孔径主要集中在过渡孔和微孔，可占总孔体积的56%左右，说明页岩储层中微孔和过渡孔最为发育，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以反映页岩的孔隙连通性特征^[16]。从图4中可以看出，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]。

图4 龙马溪组页岩压汞曲线图

3.3 页岩孔隙特征

滇东北龙马溪组页岩孔隙中发现了有机质生烃孔、粒间孔、粒内溶蚀孔等孔隙类型，与川南地区龙马溪组页岩的储层孔隙类型一致。页岩的压汞孔体积、孔隙度及比表面积均处于前人研究的测试值范围内，孔径主要集中在过渡孔和微孔，具有从微孔到中孔等一系列连续性孔径。

4　结论

（1）滇东北龙马溪组页岩储层中孔隙类型多样，孔隙结构复杂，以有机质生烃孔、粒内孔、粒间孔及微裂缝为主，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。

（2）页岩氮气吸附等温线呈反S型，属于典型的IV型等温线，孔隙多为开放型孔隙，而且以两端都开放的圆柱形孔和平板孔等开放型孔隙为主。

（3）页岩压汞孔体积为0.0073~0.0554cm³/g之间，孔隙度为1.6226%~10.8169%，其中孔隙度大于4%的孔隙占总数的57.1%，页岩比表面积为6.479~17.329m²/g。孔径主要集中在过渡孔和微孔，是页岩比表面积的主要贡献者，提供了大量的吸附空间。

参考文献

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