1、东北石油大学学报第 卷第期 年月 收稿日期：；编辑：朱秀杰基金项目：国家自然科学基金联合基金项目（）作者简介：王子涵（），男，硕士研究生，主要从事矿产普查与勘探、油气地球化学方面的研究。通信作者：高平，：川东地区五峰龙马溪组超深层页岩孔隙结构特征及主控因素王子涵，高平，冯越，刘若冰，袁桃（中国地质大学（北京）能源学院，北京 ；中国石化勘探分公司，四川 成都 ）摘要：利用低压 和吸附实验，研究川东地区五峰龙马溪组超深层页岩的孔隙结构特征及主控因素，对比周缘地区五峰龙马溪组中浅层和深层页岩样品，分析压实作用对页岩孔隙结构特征的影响。结果表明：川东地区五峰龙马溪组超深层页岩孔隙类型以有机质孔为主，孔
2、隙形态主要为墨水瓶孔（细颈和广体孔），介孔和微孔约占总孔体积的。其中，微孔孔径峰值分布于、和 ，非微孔孔径主要分布于 。超深层页岩孔隙结构受控于总有机碳质量分数，石英对孔隙的形成与保存也有一定控制作用，黏土矿物的自身强延展性易受压实作用影响，不利于颗粒间孔隙的发育与保存。相较于中浅层和深层页岩，超深层页岩的介孔微孔体积比明显较低，压实作用影响超深层页岩的孔隙结构特征，使介孔和较大微孔受较强压实作用影响而演化为孔径更小的微孔，导致超深层页岩孔径缩小。该结果为四川盆地超深层页岩气勘探与开发提供指导。关键词：四川盆地东部；五峰龙马溪组；超深层；页岩；有机质孔；孔隙结构；气体吸附；主控因素中图分类号：
3、；文献标识码：文章编号：（）引言近年来，四川盆地五峰龙马溪组页岩气勘探与开发取得突破，建成威远、涪陵、昭通和长宁个大规模页岩气田，探明的页岩气地质储量达到 ，其中 年的页岩气总产量为 。目前勘探开发主要集中于中浅层（埋深小于）页岩气，中浅层页岩气的勘探开发技术日臻成熟，页岩气的勘探开发逐步向深层推进。四川盆地五峰龙马溪组海相页岩气中有三分之二面积的埋深大于；埋深为 以浅的页岩气资源量为 ，埋深为 以深的页岩气资源量为 ，占比达。深层（埋深为）页岩气的勘探取得进展，建成威远荣县、东溪、荣昌永川和丁山等深层页岩气田，深层页岩气成为中国天然气增储上产的重要增长点。为获取更多页岩气资源，页岩气勘探逐渐
4、向 以深的超深层进行探索。在川东地区部署常规风险探井（井），对埋深超过 的五峰龙马溪组超深层页岩气储层进行测试，平均孔隙度可达，平均总含气量可达，表明超深层页岩气具有巨大的勘探潜力。页岩孔隙空间既是页岩气的主要赋存场所，也是流体运移的重要通道，孔隙结构特征影响页岩气的赋存状态及含气性 ，也控制页岩气的渗流、解吸等过程，研究页岩孔隙结构特征对页岩气的勘探开发具有重要意义。页岩储层孔隙表征方法较多，如流体注入法（气体吸附法、氦孔隙度法和压汞法等）、非流体注入法（小角度散射和核磁共振等）及 观察法等 ，不同方法适用范围不同，表征的孔隙范围也不相同。目前，五峰龙马溪组页岩储层的孔隙结构表征研究主要侧重
5、于中浅层和深层页岩。中浅层页岩的孔隙类型较为多样，包括有机质孔、无机孔（粒间孔、粒内孔、溶蚀孔、晶间孔）和微裂缝。川东焦石坝地区五峰龙马溪组中浅层页岩主要发育有机质孔和黏土矿物孔，主要为 的介孔 。深层页岩的孔隙类型较为单一，以有机质孔为主，发育较多溶蚀孔，孔隙度和渗透率等孔隙结构特征参数受高温、高压环境影响 。由于目前超深层探井较少，与超深层页岩孔隙结构特征有关的研究也较少。以川东地区 井为研究对象，利用低压、吸附实验和扫描电镜（）观察，研究五峰龙马溪组超深层页岩的孔隙结构特征及主控因素，对比超深层页岩与中浅层、深层页岩孔隙结构的差异，分析压实作用对页岩孔隙结构特征的影响，为四川盆地超深层页
6、岩气勘探与开发提供指导。区域地质概况早奥陶世志留纪，受华夏板块和扬子板块汇聚影响，四川盆地受挤压而形成挤压坳陷盆地，盆地周缘地区不断隆起，形成川中古隆起、黔中古隆起和江南古隆起（见图（）。古隆起周缘沉积浅水陆棚相粉砂质泥岩和粉砂岩，远离古隆起的盆地内部沉积缺氧、低能的深水陆棚相黑色笔石相页岩，为优质页岩沉积的主要范围 。五峰龙马溪组的沉积与早奥陶世晚志留世发生的全球海侵发生于同一时期 。研究区 井位于四川盆地东部，五峰龙马溪组为半深水陆棚相沉积（见图）。五峰组由厚度为的黑色笔石钙质页岩组成，上部被观音桥组覆盖，观音桥组由厚度为 的富壳泥质白云岩组成，反映与冰期对应的海平面短暂快速下降。上覆的龙
7、马溪组由厚度为 的黑色页岩和泥岩组成，夹层为粉砂质泥岩和泥质白云岩。龙马溪组下部（）主要为富含有机质、硅质和笔石的黑色页岩，自然伽马（）可达 ；龙马溪组上部（）主要由深灰色泥岩和粉砂质泥岩组成，约为 （见图（）。图四川盆地地质构造及 井岩性分析（据文献 修改）（）实验样品与方法实验样品实验样品取自川东地区 井，井位于重庆市垫江县，为海相页岩气常规风险探井。研究目的东北石油大学学报第 卷 年层为五峰组（）和龙马溪组（）。采集岩心样品 件，其中五峰组黑色页岩件，龙马溪组黑色页岩 件，取样深度介于 ，为超深层页岩。将采集的岩心样品制备两种规格：（）柱体岩心样品 件，进行抛光处理用于扫描电镜观察；（）
8、粉末样品份，用于低压 、吸附实验。实验样品信息见表，其中总有机碳和矿物组成质量分数参考文献 。实验方法 观察首先对柱体岩心样品进行机械抛光，然后利用 氩离子抛光仪对抛光面进一步抛光，从而获得高度光滑的表面。使用 高分辨率冷场发射扫描电镜对氩离子抛光面进行微观形貌观察，采用二次离子模式和背散射模式获得高分辨率的 图像。低压 和 吸附实验首先，将页岩样品研磨至 目，在温度为 的真空烘箱中干燥，脱去水分和挥发性物质；然后，将页岩粉末样品置于 热力学温度、真空（）环境中脱气，脱去样品中吸附的物质；最后，使用美国 公司 全自动比表面积和孔径分布分析仪进行低压 和吸附实验。根据孔隙分类方案，微孔孔径小于，
9、介孔孔径为 ，宏孔孔径大于 。低压实验中，常用 在热力学温度为 条件下的等温吸附过程表征微孔分布，用在热力学温度为 条件下的等温吸附过程表征介孔和宏孔分布。使用 模型对 吸附曲线进行分析，获得微孔孔体积；使用 模型对吸附曲线进行分析，获得介孔和宏孔孔体积；使用多孔 模型计算介孔和宏孔的比表面积。此外，使用 模型和 模型计算微孔、介孔和宏孔的孔径分布曲线。孔隙结构特征有机质丰度与矿物组成特征 井五峰龙马溪组页岩的（）介于 ，平均为（见表）。页岩气远景区页岩的（）普遍大于；核心勘探区页岩的（）最好，为 。井五峰龙马溪组页岩具有较高的页岩气勘探潜力。表 井五峰龙马溪组页岩样品总有机碳和矿物组成质量分
10、数 编号层位埋深（）（矿物）石英长石黏土矿物方解石白云石黄铁矿 井五峰龙马溪组页岩主要由石英和黏土矿物组成，含有少量长石（斜长石和钾长石）、碳酸盐岩矿物（白云石和方解石）和黄铁矿等矿物（见表）。页岩中石英质量分数最高，介于 ，平第期王子涵等：川东地区五峰龙马溪组超深层页岩孔隙结构特征及主控因素均为；黏土矿物质量分数介于 ，平均为；碳酸盐岩质量分数介于，平均为，主要为白云石；长石质量分数较低，介于，平均为，主要为斜长石；黄铁矿质量分数介于，平均为（见表）。孔隙类型 井五峰龙马溪组超深层页岩样品孔隙类型以有机质孔为主（见图）。在页岩样品中有大量微晶石英和纳米级石英颗粒，有机质充填于石英颗粒缝隙。有
11、机质中发育大量有机质孔（见图（）。多孔有机质充填于片状黏土矿物和草莓状黄铁矿颗粒间（见图（）。无机孔主要为黏土矿物孔和溶蚀孔（见图（、）。受黏土矿物强延展性和压实作用影响，片状黏土矿物间形成大量的黏土矿物孔且多被有机质充填（见图（）。溶蚀孔主要发育于碳酸盐岩矿物颗粒（白云石）（见图（）。此外，沿层理面或矿物颗粒间常见微裂缝发育（见图（），微裂缝一般因黏土矿物受收缩作用而形成，或在取心过程中抬升至地表导致围压降低而形成。图 井五峰龙马溪组页岩孔隙 图像 图 井五峰龙马溪组页岩低压 吸附曲线 低压 和 吸附特征吸附曲线 井五峰龙马溪组页岩低压 吸附曲线见图，与文献 型等温吸附曲线相近，表明页岩样品
12、中有微孔。当相对压力达到最大（）时，吸附量达到峰值，最大吸附量介于 。一般最大吸附量越高，样品中微孔越多。井五峰龙马溪组 个页岩样品的低压 吸附脱附曲线相似，典型样品 的低压 吸附脱附曲线见图，具有类似 型的迟滞环，表明页岩样品主要发育墨水瓶孔（细颈和广体孔），兼具介孔和宏孔。所有样品的低压 吸附曲线与文献 东北石油大学学报第 卷 年型等温吸附曲线相近见图，随相对压力的增大，在孔隙中依次经过微孔充填、单层吸附、多层吸附和毛细管凝聚个过程；当相对压力 时，气体吸附量急剧升高；当相对压力趋近于 时，吸附曲线未趋近于饱和，表明页岩样品中有宏孔未被充填。图 井典型页岩样品（）低压 吸附脱附曲线 （）图
13、 井五峰龙马溪组页岩低压吸附曲线 孔体积和比表面积 井五峰龙马溪组 个页岩样品的微孔孔体积介于 ，介孔孔体积介于 ，宏孔孔体积介于 （见表）。其中，微孔孔体积占比为 ，介孔孔体积占比为 ，宏孔孔体积占比为（见图）。研究区页岩样品的孔隙主要为微孔和介孔，约占总孔体积的。井五峰龙马溪组页岩的比表面积（）介于 （见表）。表 井五峰龙马溪组页岩样品比表面积和孔体积 样品编号 （）模型 （）模型 （）（）（）注：样品 、和 的数据参考文献 ；为微孔孔体积；为介孔孔体积；为宏孔孔体积；为总孔体积。第期王子涵等：川东地区五峰龙马溪组超深层页岩孔隙结构特征及主控因素孔径分布特征 井五峰龙马溪组页岩微孔孔径分布
14、见图。由图可知，页岩样品的微孔孔径分布形态类似，呈三峰特征，主峰依次出现于、和 处，表明页岩样品的微孔孔径也主要分布于此。井五峰龙马溪组页岩非微孔孔径分布曲线见图。由图可知，随孔径的增加，页岩样品的（）呈减小趋势，在介孔范围内，孔径越大，孔体积越小。（）主要集中在孔径小于 的介孔中，表明页岩样品主要发育孔径小于 的介孔。图 井五峰龙马溪组页岩孔隙分布 图 井五峰龙马溪组页岩微孔孔径分布曲线 孔隙结构主控因素四川盆地五峰龙马溪组海相页岩孔隙结构受有机质特征、矿物组分和压实作用等因素控制，压实作用是影响四川盆地超深层页岩孔隙结构的主要因素之一。对比四川盆地东部中浅层、深层和超深层页岩储层，压实作用
15、对不同孔径孔隙的影响不同，微孔更易受压实作用的影响 。刘树根等 认为，随埋深增加，地层压力也变大，导致页岩中微孔的比表面积和孔体积“均一化”，但超压环境对微孔的发育和保存有利，可以改变微孔比表面积和孔体积减少趋势；介孔的比表面积和孔体积受压实作用和矿物组成等因素的影响更显著。焦堃等 研究四川盆地 井筇竹寺组、五峰组和龙马溪组超深层页岩，超深层页岩的介孔微孔体积比数量级高于其他非超深层泥页岩的，压实作用将微孔压缩至低压 吸附实验测量范围外甚至消失。有机质与矿物组分五峰龙马溪组超深层页岩的微孔孔体积与总有机碳质量分数呈较好的正相关关系（见图），表明超深层页岩微孔主要发育于有机质，可能与有机质生烃过
16、程密切相关。微孔孔体积与石英质量分数呈较弱的正相关关系（见图（），表明在超深层高温、高压条件下，石英颗粒组成的刚性骨架对孔隙具有一定的保护作用，。微孔孔体积与黏土矿物质量分数呈较弱的负相关关系（见图（），表明黏土矿物的孔隙在深埋条件下受强压实作用影响，孔隙空间被严重压实甚至消失。石英和黏土矿物对超深层页岩微孔的形成与保存具有一定的控制作用，弱于总有机碳质量分数的控制作用。页岩样品的介孔孔体积与（）呈较好的正相关关系（见图（），表明有机质中发育较多介孔；宏孔孔体积与（）呈较弱的负相关关系（见图（），表明有机质中宏孔发育相对较少。相较于其他控制因素，（）对宏孔发育的控制作用较弱。与微孔和介孔不同，页岩中宏孔多发育在矿物颗粒之间，矿物组成和压实作用等因素对其发育影响更大，总有机碳质量分数的影响相对较小。东北石油大学学报第 卷 年图 井五峰龙马溪组页岩非微孔孔径分布曲线 图 井五峰龙马溪组页岩微孔孔体积与总有机碳质量分数关系 （）图 井五峰龙马溪组页岩微孔孔体积与石英、黏土矿物质量分数关系 井五峰龙马溪组页岩的比表面积与（）表现为很好的正相关关系（见图（），与黏土矿物质量分数表现为一定的负相关