荆门探区深层页岩储层孔喉特征

陈宇杰，李小明，吝 文，马丽红，刘德勋,柳吉荣

(1.华北科技学院，北京 东燕郊，065201；2.中国石油勘探开发研究院 页岩气研究所，北京，100083)

0 引言

页岩气是以吸附态、游离态和溶解态赋存于低孔、低渗的泥页岩储层中的非常规天然气[1-4]，我国页岩气藏埋深为2300～4500 m，技术可采资源量居全球之首，高达36×1012m3，是常规天然气的1.6倍[5，6]。近年来，随着垂深3500 m以内的中浅层页岩气勘探开发进程的加深，四川盆地的涪陵、长宁、威远等国家级页岩气示范区开发重点区域逐渐向资源潜力巨大的深层页岩转移[7，8]。

鄂中荆门地区作为四川盆地的外延，下古生界五峰组-龙马溪组富有机质页岩具有厚度大、分布面积广、有机质丰度高、成熟度高、含气量大等特点，和四川盆地页岩气聚集条件相似，但由于其埋藏深，处于深水陆棚沉积边缘等特点，勘探开发风险较大[9，10]。前人对荆门探区页岩微观储层研究相对较少，仅从地质角度对储层进行研究。本文选择YT1井为研究对象，以微区图像观测分析和流体注入技术为核心，采用理论分析与测试分析相结合的研究方法探讨了深层富有机质页岩微—纳米级孔喉特征，以期为深层页岩气产量的准确预测和合理规划页岩气的开发奠定理论基础，降低页岩气开发的选区风险。

1 地质概况

图1 荆门探区YT1井五峰组—龙马溪组综合柱状图

2 研究资料与实验方法

本文系统收集YT1井的岩石矿物和地球化学等分析测试资料，样品来自YT1井3472～3506.05 m段页岩，共采集41个样品。从井段3495.14～3502.96 m选取9个样品进行流体注入实验，通过CO2-N2联测孔径，实验由中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院廊坊分院非常规油气重点实验室完成，依据标准SY/T 6154-1995[12]，采用Micromeritics ASAP2420比表面测定仪测试，测试条件：120℃，抽真空3 h，真空度1.0×10-3Pa。在上述9个样品的基础上，进行氩离子抛光，采用聚焦离子束扫描电镜(Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy，FIB-SEM)进行直接观测，得到样品的孔隙类型。

3 实验结果

3.1 深层页岩矿物组成

表1 荆门探区YT1井五峰组—龙马溪组样品矿物组成

图2 YT1井五峰组-龙马溪组矿物含量分布图

荆门探区深层页岩储层的TOC与矿物组成具有明显的相关性(图3)。TOC与黏土矿物含量成负相关(图3c)，与石英等硅质矿物和黄铁矿等碳酸盐含量正相关(图3a，图3b)，受沉积环境控制作用明显，黏土矿物不利于YT1井五峰组-龙马溪组有机质孔隙的发育。

图3 YT1井TOC含量与硅质、碳酸盐和黏土矿物的关系

3.2 深层页岩孔喉特征

3.2.1 页岩孔隙全孔径分布特征

根据国际理论和应用化学学会(International Union of Pure and AppliedChemisty，IUPAC)的孔隙分类方案[13，14]，孔径小于2 nm的孔隙为微孔，孔径在2～50 nm的孔隙为介孔，介孔可进一步划分，孔径在2～10 nm的为小介孔，孔径在10～50 nm的为大介孔，大于50 nm的孔隙为宏孔。YT1井3495.14～3502.96 m井段9个样品的流体注入实验结果表明，荆门探区深层页岩储层孔径分布形态呈分散型，具有两个主峰：分别在0.4～0.7 nm和1～2 nm之间，孔径以微孔为主，介孔和宏孔所占比例较少(图4)。

图4 YT1井深层页岩储层孔径分布图

依据IUPAC新的划分标准[15，16](图5)，页岩样品的吸附和解析曲线不重合；滞后环的特征对应于特定的孔隙结构。荆门探区YT1井五峰-龙马溪组页岩的吸附等温曲线类型以Ⅳ型为主，滞后环以H3-H4型为主(图6)，表明存在四周开放的平行壁狭缝状孔，从微孔-宏孔各个孔径段的孔隙都存在，有利于游离气和吸附气的储存；孔隙连通性较好，有利于页岩气的运移。图5和图6中P/Po为N2分压与饱和蒸汽压之比，无单位。

图5 IUPAC吸附等温线类型划分标准

图6 YT1井五峰-龙马溪组页岩N2吸附―脱附等温曲线

YT1井页岩样品的累计孔体积和累计比表面积与孔径的关系图显示(图7)，在孔径为0.4～10 nm时，累计孔体积曲线快速上升，而孔径大于10 nm曲线逐渐趋于平缓，表明孔体积主要由微孔提供，其次是小介孔，大介孔和宏孔贡献较少(图7a)。在孔径为0.1～2 nm时，累计比表面积曲线变化幅度大，孔径大于2 nm后曲线变化趋于平缓，表明比表面积主要由微孔提供，介孔、宏孔贡献极少(图7b)。在深度3498.36 m之上即龙马溪组时，孔体积和比表面积由顶至底有明显增大趋势，而在五峰组则表现出明显的降低趋势。在五峰与龙马溪组交界处，孔体积和比表面积最大。

图7 YT1井五峰-龙马溪组页岩累计孔体积变化率和累计比表面积变化率分布曲线

3.2.2 页岩孔隙类型

3.3 深层页岩孔隙发育主控因素

TOC，黏土矿物含量与孔体积和比表面积的关系如下图所示(图9)。容易发现，微孔的孔体积和比表面积主要受TOC控制，二者呈明显的正相关，其他孔径的孔隙与TOC相关性不明显(图9a，图9b)。大介孔的孔体积和比表面积受黏土矿物含量控制明显，微孔，小介孔和宏孔的比表面积受黏土矿物含量相关性差(图9c，图9d)。孔体积主要由微孔贡献，比表面积由微孔体积决定，与其他孔径的孔体积关系不明显。值得注意的是，在相近TOC范围石英和伊利石对孔体积和比表面积有明显影响。具体表现为，在相近TOC范围石英和伊利石含量的增大将使孔体积和比表面积减小(图10，图11)，其原因是石英的比表面积远小于有机质和黏土矿物的比表面积，石英含量的升高，会导致比表面积和孔体积的降低。伊利石充填于矿物粒间孔中，对孔隙起到了堵塞作用，随着热演化程度升高，伊蒙混层和蒙脱石含量降低，伊利石含量增高，孔体积和比表面积降低。综上所述，荆门探区五峰-龙马溪组深层页岩储层孔隙发育主要受到TOC和黏土矿物含量影响，TOC和黏土矿物含量分别决定微孔和大介孔的孔体积和比表面积，此外，当TOC含量相近时，孔体积和比表面积受到石英和伊利石含量的影响。

图9 YT1井TOC与黏土矿物含量和不同孔径孔隙的孔体积与比表面积关系

图10 相近TOC范围石英和伊利石对比表面积的影响

图11 相近TOC范围石英和伊利石对孔体积的影响

4 结论

(1) 荆门探区YT1井五峰-龙马溪组深层页岩储层微孔，介孔，宏孔都有发育，主要峰值孔径为0.4～0.7 nm和1～2 nm，以微孔为主，介孔和宏孔占比较少。微孔是比表面积的主要贡献者，微孔和小介孔提供了主要的孔体积。

(2) 荆门探区YT1井五峰-龙马溪组页岩储层以有机质孔为主，其次是黏土矿物层间孔，脆性矿物孔和构造缝占比最低，有机质孔是YT1井五峰-龙马溪组页岩储层主要的储集空间。

(3) TOC和黏土矿物含量是影响YT1井五峰-龙马溪组深层页岩孔隙发育的主要因素，YT1井五峰-龙马溪组深层页岩的微孔的孔体积和比表面积与TOC含量正相关，大介孔的孔体积和比表面积与黏土矿物含量正相关，当TOC范围一定时，孔体积和比表面积随石英和伊利石含量的升高而降低。