页岩孔缝结构及海相与陆相储层特征差异研究

张洪李靖郑庆龙支林杜巍

1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室；2.中石油华北油田公司采油工程研究院；3.中石化西南油气分公司石油工程监督中心；4.中石油华北油田公司勘探开发研究院

页岩孔缝结构及海相与陆相储层特征差异研究

张洪1李靖1郑庆龙2支林3杜巍4

1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室；2.中石油华北油田公司采油工程研究院；3.中石化西南油气分公司石油工程监督中心；4.中石油华北油田公司勘探开发研究院

为了深入分析海、陆相页岩微观孔隙的特征差异和含气潜力，采用FEI Quanta 200F场发射环境扫描电镜对页岩岩样进行了高真空扫描，建立了微观储层孔隙结构体系。以扫描电镜观测的微观孔隙孔径大小、形态及连通性结果为基础，参考前人对页岩吸附气、游离气研究成果及吸附气、游离气特征差异，对不同孔隙的储气能力和对页岩气的渗滤扩散的控制作用进行了研究，将陆相页岩和海相页岩的微观孔隙进行对比分析，总结海、陆相页岩微观孔隙的特征差异和含气潜力。研究结果表明，页岩气6类储层孔隙中，有机质纳米孔、黏土矿物粒间孔富集海、陆相页岩吸附气，古生物化石孔、岩石骨架矿物孔、黄铁矿晶间溶蚀孔、微裂缝富集游离气，改造后的岩石骨架矿物孔和微裂缝在页岩气的渗滤扩散方面起到主要作用。海相页岩中有机质和有机质纳米孔的含量远高于陆相页岩，而纳米孔富集吸附气；海相包含较多石英、长石及碳酸盐岩矿物，使海相页岩脆性矿物的含量高于陆相页岩，更易压裂，以上两个因素导致海相页岩的开发潜力大于陆相。

页岩储层；微观结构；富集机理；海相页岩；陆相页岩；差异性

页岩孔隙是页岩气藏中气体的储存空间，页岩储层的结构与孔隙特性不仅影响页岩气的储集和吸附，而且还影响其运移和渗流能力，研究页岩气微观孔隙结构对于页岩气的勘探、开发、开采都有很重要的意义。中外学者借助聚焦离子束扫描电镜（FIB/ SEM），结合透射电镜、原子力显微镜、X射线衍射、压汞实验、核磁共振、扫描CT、气体吸附实验等对页岩微观孔隙系统开展了大量研究工作，发现页岩孔隙主要存在于有机质和黏土基质中，有机质以纳米孔隙为主，而黏土基质则以微米孔隙为主。有机质中大量分布几纳米至几百纳米的孔隙，但以小于100 nm的纳米级孔隙为主，总孔隙度可占有机质含量的50%，其巨大的内表面积构成了页岩孔隙的主体，同时也成为页岩气中吸附气赋存的主要场所［1-4］。国内学者研究了以川南龙马溪组为代表的页岩样品，认为纳米主孔主要存在于有机质中，介于2～40 nm，占孔隙总体积的88.39%，占比表面积的98.85%，纳米孔提供了主要孔隙空间和比表面积，且其吸附力极强，构成吸附气存在的主要场所［5-8］。前人研究工作重点集中在孔隙的特点、孔径及分布上，对其吸附、存储及渗滤天然气的具体作用研究则略显不足。笔者在对海、陆相页岩孔隙结构扫描电镜研究基础上，结合前人认识，阐述了页岩储层中不同孔隙和裂缝特点及对页岩气富集的控制作用，并对比了海、陆相页岩不同储层结构的差异及对开发潜力的影响。

1 研究区地质背景

Geological setting of the study area

选用6组页岩岩样，3组海相，3组陆相。岩样QQ-1和QQ-11取自四川盆地东部的黔浅1井，YQ1-11取自重庆东南部的酉浅1井，属于典型海相沉积环境，页岩气赋存层位为志留系龙马溪组（图1a）。YY33-2、YY34-2和YY34-5取自鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部的延页34井，赋存层位为延长组7段，是典型的陆相沉积环境（图1b）。

图1 页岩样品钻井位置Fig. 1 Drilling location of shale samples

对6组岩样的表面进行了氩离子抛光处理，使得岩样平滑易于观察，然后采用FEI Quanta 200F场发射环境扫描电子显微镜的高真空扫描，分别对其微观形貌和结构特征进行观察，了解海相、陆相页岩中孔隙类型和矿物含量等的异同。

2 页岩孔隙体系

Pore systems in shale

根据孔隙发育位置、形态特征及成因分析，将页岩储层的孔隙划分为有机质纳米孔隙、黏土矿物粒间孔、岩石骨架矿物孔、古生物化石孔、微裂缝和黄铁矿晶间溶蚀孔这6类孔隙类型。

2.1 有机质纳米孔

Nanopore in organic matter

有机质纳米孔是有机质受到溶蚀或在热成熟阶段烃类气体排出，在有机质内形成的纳米孔隙。页岩气赋存于黑色及暗色富含有机质泥页岩中，而有机质纳米孔隙主要分布在这些有机质内部，或者在与黄铁矿颗粒周围接触的有机质边缘，呈圆形、椭圆形、不规则形状及蜂窝状，但大多以不规则的状态分布，且在海相样品中较为常见（图2）。孔径大小介于8～950 nm之间，主要为150 nm左右。

图2 海相页岩岩样有机质纳米孔电镜照片Fig. 2 SEM photo of organic nanopores in marine shale samples

以扫描电镜成果为依据，综合中外学者观点，对这种孔隙认识如下：（1）有机质纳米孔直径很小，以纳米孔为主；（2）孔隙众多，且具有很大的内表面积，吸附能力极强；（3）有机质本身所具有的亲油性，使其吸附甲烷气［10-11］；（4）海相页岩中，有机质孔拥有最大孔隙度［12］；（5）吸附气在有机质（干酪根）和黏土颗粒表面， 游离气在粒间孔隙和天然裂隙中［13］。综上所述，海相有机质纳米孔是海相页岩吸附气主要赋存场所。

2.2 黏土矿物粒间孔

Intergranular pore in clay mineral

黏土矿物粒间孔是泥岩沉积过程中形成，成岩作用后期的改造或者颗粒间胶结的不完全都会产生此类孔隙。黏土矿物多呈现不规则溶蚀状（图3a），孔隙直径较大，属于微米级，其在海相和陆相样品黏土矿物中皆有分布，但在陆相中更加普遍（图3b）。黏土矿物对甲烷的吸附能力也很强，成为吸附气赋存的另一个重要储集空间，陆相样品中黏土含量高而有机质含量低，吸附气主要集中在黏土孔隙中［13］，因此，黏土矿物粒间孔在陆相页岩吸附气的富集方面起到了关键的作用。

图3 黏土矿物粒间孔电镜照片Fig. 3 SEM photo of intergranular pores in clay minerals

2.3 岩石骨架矿物孔

Mineral pore in rock skeleton

石英和长石等矿物颗粒的溶蚀所形成的孔隙为岩石骨架矿物孔，孔隙直径较大，大多为微米级孔隙，分布比较零散，连通性极差（图4a），可储集游离气，但对页岩气的渗滤扩散起到的作用不明显。在岩石骨架石英、长石等脆性矿物含量高时，受到周围压力的挤压作用，脆性矿物破裂，易形成天然裂缝（图4b），或者通过人工改造（如压裂等）可使其形成诱导裂缝，改变和提高其渗流能力，从而改善页岩气的渗滤扩散能力。该类孔隙在海、陆相页岩中都有分布。

图4 岩石骨架矿物孔电镜照片Fig. 4 SEM photo of mineral pores in rock skeletons

2.4 古生物化石孔

Pore in paleontologic fossil

由于生物活动的影响，岩样中会存在古生物化石，这些化石都是小型微化石，选择性溶蚀作用导致在这些动物骨架中或体腔内形成孔隙。微孔的形状及大小受微化石结构的影响，孔隙形状各异，孔隙较大，有助于游离气的储集；生物骨架孔隙数量较多并且相互关联，良好的孔隙连通性对于页岩气的渗滤扩散能起到很好的作用。但这样的微化石数量较少，所以很少考虑古生物化石孔对于页岩气的富集作用。

2.5 微裂缝

Microfracture

海相页岩和陆相页岩的微裂缝均广泛分布，一种在颗粒内部（图5a），另一种在矿物与有机物之间（图5b）形成，微裂缝长度属于微米级，宽度为纳米级。矿物内部的微裂缝一般比较平滑且比较直，这样的裂缝一般是由于岩石受到外力作用，当外力大于矿物所能承受的力时，矿物内部薄弱结构面或矿物的解理面等发生断裂，产生颗粒内的微裂缝。矿物与有机物之间的裂缝，其形状和大小都受到边界条件控制，形成的原因可能有2种：一是其受到强烈的外力时，矿物与有机质交界处便成为薄弱面，有机质与矿物沿此薄弱面分离，形成了微裂缝，该类裂缝边缘细腻（图5c），另一种可能是由于酸液侵蚀，在有机质与矿物交界处发生溶蚀，产生了微裂缝，该类裂缝边缘粗糙（图5d）。

扫描电镜观察结果显示海相页岩和陆相页岩的微裂缝有显著差异，海相页岩的微裂缝通常不规则，成群成带出现，不受矿物界线控制，可切穿矿物，形成过程中构造力起了决定性作用，属于外生裂隙（图5a，b，c）。陆相页岩的微裂缝则多在颗粒内部或是颗粒交界处，受矿物边界限制，形态规则，多为成岩收缩缝或是方解石解理缝，属于内生裂隙（图5d，e）［11］。

微裂缝不仅是最常见的一种储集空间类型，也是重要的渗流通道。裂缝达到微米级别，孔隙较大，对于游离气的赋存起到关键作用。同时由于页岩气储层具有基质渗透率小、渗流阻力大的特点，微裂缝的作用更体现在页岩气的渗滤扩散方面，处于碎屑颗粒间的微裂缝，使颗粒内部的小孔隙与微裂缝连接，形成了纳米孔和微米孔间的联络，形成了大的孔隙网络，小孔中的气通过孔隙网络到达裂缝，有利于页岩气开发。因此，微裂缝不仅在油气赋存方面有作用，而且降低了运移阻力，在页岩气的渗滤扩散方面起到了很大的作用。

2.6 黄铁矿晶间溶蚀孔

Intercrystalline dissolved pores in pyrite

黄铁矿内部晶体颗粒间由于溶蚀作用形成了很多微米级孔隙，而且所含孔隙数量大，形状规则（图6a、b）。黄铁矿晶体间孔隙成因可能有2种，一是晶体本身遭到溶蚀形成孔隙，二是中间填充的矿物质或有机物等被溶蚀形成孔隙，所以黄铁矿内部的孔隙数量和尺寸与填充在其内部物质有关。该类孔隙多出现在陆相页岩中，对于游离气的富集能起到很大的作用。

图5 微裂缝电镜照片Fig. 5 SEM photo of microfractures

图6 和孔隙相连的微裂缝电镜照片（海相，岩样YQ-1）Fig. 6 SEM photo of microfractures connected with pores (sample YQ-1, marine)

图7 黄铁矿晶间溶蚀孔电镜照片（陆相，岩样YY33-2）Fig. 7 SEM photo of intercrystalline dissolved pores in pyrite (sample YY33-2, continental)

3 海相和陆相页岩储层特征的差异分析

Characteristic differences between marine and continental shale reservoirs

3.1 矿物含量差别

Differences of mineral content

前人对研究区海相页岩岩样矿物成分分析结果表明［12］，脆性矿物为主要矿物成分，其次为黏土矿物。石英、长石、白云石等脆性较大的矿物含量介于36.8%～86.7%之间，总含量超过60%，平均66.62%，其中石英含量最高，平均值超过40%，长石次之，平均值14.5%左右，主要以斜长石为主，白云石和方解石为碳酸盐岩的主要矿物组成成分。黏土矿物含量介于12.1%～56.5%之间，平均值29%左右。

前人对研究区陆相页岩岩样矿物成分分析结果表明［13］，主要矿物为黏土矿物和石英，脆性矿物含量不高，石英成分含量介于18%～40%之间，平均值29.7%，碳酸盐岩矿物和长石的含量较少；黏土矿物的含量介于20%～66%之间，平均含量46.1%［13］。陆相页岩中还包括部分黄铁矿，含量不高，但在本次研究的3块陆相样品中都存在该矿物，说明其在陆相页岩中广泛分布。

海相页岩矿物中脆性矿物的含量较高，先期容易形成天然裂缝，对于页岩气的储集存在一定的影响，但在后期的改造中易形成诱导裂缝，对于页岩气的渗滤扩散有益。陆相页岩矿物中脆性矿物较少，不容易形成裂缝，先期对于页岩气的储存有一定的益处，但是后期开采页岩气时，对页岩气的渗滤扩散不利。陆相黏土矿物含量较高，造成其具有更多的黏土矿物粒间孔，大量的吸附气可以赋存其中。

3.2 孔隙差别

Differences of pores

结合上述研究成果和前人论述，海陆相孔隙差别表现在：（1）类型不同，海相页岩有机质纳米孔提供了最大孔隙度，因此有机质孔成为其主要孔隙；陆相页岩则以黏土矿物粒间孔和方解石晶间孔等无机孔为主。（2）大小和容量不同，海相页岩孔径更为微小，多为纳米级别，但数量众多，内表面积和孔容巨大，可以容纳更多吸附气体；陆相孔隙，如黏土矿物粒间孔和方解石晶间孔多为微米级，孔容有限，吸附能力不及海相。（3）微裂缝不同，海相页岩通常受到多期构造作用，发育较多构造裂缝；中国陆相页岩，如鄂尔多斯盆地页岩，构造作用较弱，发育成岩收缩缝和方解石解理缝等内生裂缝［11］。

3.3 勘探开发潜力的差别

Differences of exploration and development potential

从宏观来说，我国海相页岩气具有分布面积广、层位稳定、厚度大、有机碳含量高的特点，对于勘探、开发及开采来说，具有的条件较优越；我国陆相页岩气具有厚度大、时代新、热成熟度低和生排烃历史简单等特点，同时具有分布局限、埋藏普遍较深、脆性矿物含量低、黏土含量高等特点，成藏机理和成藏条件特殊不利于后期改造。

从微观来说，海相有机质含量较高，有机质中纳米孔隙含量也高，孔隙的发育比较好，对于游离气和吸附气的赋存都提供了良好的空间，陆相页岩有机质含量少，孔隙含量也少，所能存储的吸附气含量会相对较少，其吸附气主要储集在黏土矿物中，而黏土矿物粒间孔储集吸附气的能力不及有机质。考虑页岩气的渗滤方面，海相中脆性矿物含量较高，成岩过程中由于深海压力大，容易造成天然裂缝，后天的改造可以形成诱导裂缝，导致裂缝较为发育，为页岩气的渗滤扩散即运移创造了有利条件，陆相页岩脆性矿物含量较低，后天压裂改造有难度。

因此，不论从宏观还是微观来说，海相页岩气的开发潜力明显大于陆相页岩气。

4 结论

Conclusions

（1）页岩6类微观孔隙中，有机质纳米孔隙与黏土矿物粒间孔富集吸附气，岩石骨架矿物孔、古生物化石孔及黄铁矿晶间孔富集游离气，微裂缝既富集游离气，同时也是连接纳米孔隙与微米孔隙的桥梁，控制页岩气的渗滤扩散。

（2）海相页岩中有机质含量高，有机质中纳米孔隙数量多，而纳米孔具有大的孔容和内表面积，加上有机质特有亲油性，海相页岩中吸附气主要富集在有机质纳米孔中。陆相页岩中有机质含量少，有机质纳米孔隙数量更少，黏土含量高造成其含有更多的黏土矿物粒间孔，吸附气主要富集在黏土矿物粒间孔中。

（3）海相页岩孔隙特点是以有机孔为主，孔径微小而吸附能力强，多为构造裂隙；陆相页岩孔隙特点是以无机孔为主，孔径较大但吸附力较弱，多为内生裂隙。

（4）海相页岩中有机质和有机质纳米孔隙的含量远大于陆相页岩，其包含吸附气的含量大于陆相页岩；海相中石英、长石及碳酸盐岩矿物的含量高于陆相页岩，这样其脆性矿物的含量大于陆相，使得海相页岩更容易压裂，导致其对页岩气的渗滤扩散作用优于陆相，这两个因素决定了海相页岩的开发潜力明显大于陆相。

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（修改稿收到日期 2016-12-12）

〔编辑 朱 伟〕

Studies on the structures of pores and fractures in shale reservoirs and the characteristic differences between marine and continental shale reservoirs

ZHANG Hong1, LI Jing1, ZHENG Qinglong2, ZHI Lin3, DU Wei4

1. Key Laboratory of Petroleum Engineering Education Ministry, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 2. Petroleum Production Engineering Research Institute, CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, Hebei, China; 3. Petroleum Engineering Supervision Center, SINOPEC Southwest Oil & Gas Company, Deyang 61800, Sichuan, China; 4. Exploration and Development Research Institute, CNPC Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, Hebei, China

In order to analyze deeply the characteristic differences and gas bearing potential of microscopic pores in marine and continental shale, high vacuum scanning was carried out on shale samples by using FEI Quanta 200F field emission environmental scanning electron microscope (FE-ESEM), and the structural systems of microscopic reservoirs pores were established. Then, the gas storage capacity of different pores and the their controlling effect on the seepage and diffusion of shale gas were investigated based on the size, morphology and connectivity of microscopic pores observed through SEM, combined with the former research results of shale adsorbed gas and free gas and the characteristic differences between adsorbed gas and free gas. The microscopic pores in marine and continental shale were compared. And finally, the characteristic differences and gas bearing potential of microscopic pores in marine and continen-tal shale were summarized. It is indicated that among 6 types of pores in shale gas reservoirs, adsorbed gas is enriched in the organic nanopores and the intergranular pores in clay minerals, and free gas is enriched in the pores in paleontologic fossils, mineral pores in rock skeletons, the intercrystalline dissolved pores in pyrite and the microfractures. The reworked mineral pores in rock skeletons and microfractures play an important role in the seepage and diffusion of shale gas. The content of organic matters and organic nanopores in marine shale is much higher than that in continental shale, and nanopores are enriched with adsorbed gas. There is more quartz, feldspar and carbonate minerals in marine shale, so the content of fragile minerals in marine shale is higher than in continental shale, and consequently marine shale can be fractured easily. Based on above-mentioned two factors, therefore, the development potential of marine shale is higher than that of continental shale.

shale reservoir; microscopic structure; enrichment mechanism; marine shale; continental shale; difference

张洪，李靖，郑庆龙，支林，杜巍.页岩孔缝结构及海相与陆相储层特征差异研究［J］ .石油钻采工艺，2017，39（1）：1-6.

P618.13

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0001 – 06

10.13639/j.odpt.2017.01.001

: ZHANG Hong, LI Jing, ZHENG Qinglong, ZHI Lin, DU Wei. Studies on the structures of pores and fractures in shale reservoirs and the characteristic differences between marine and continental shale reservoirs［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 1-6.

国家自然科学基金重大项目“页岩油气高效开发基础理论”（编号：51490654）。

张洪（1970-），2002年毕业于中国地质大学（北京）能源系，获博士学位，现从事非常规油气勘探开发、三次采油等教学和科研工作，讲师。通讯地址：（102249）北京市昌平区府学路18号中国石油大学（北京）石油工程学院。E-mail: zhang_ho_2002@ sina.com