渝东南地区五峰—龙马溪组页岩纳米级孔隙特征及其成藏意义

渝东南地区五峰—龙马溪组页岩纳米级孔隙特征及其成藏意义
作者：游声刚等
来源：《科技创新与应用》2015年第26期
摘要：通过氮气吸附法可得到页岩比表面积、孔径分布、孔体积等参数，结果表明，渝东南地区五峰-龙马溪组段页岩样品比表面积为5.17～13.64m2/g；孔体积为3.02～8.89×10-
3ml/g；平均孔径为5.12～6.58nm。

对页岩各孔隙参数之间的相关性进行分析，结果表明，当孔径小于5nm时，随着孔径的增大，比表面积迅速减小，孔径大于5nm左右，随着孔径的增大，比表面积基本上保持不变；微孔的孔体积与孔径具有负相关关系，中孔和宏孔的孔体积与孔径呈明显的正相关关系。

分析影响页岩孔隙发育的因素，认为矿物组分、有机质成熟度、有机质含量是影响页岩纳米级孔隙发育的因素，但有机质含量对纳米级孔体积和比表面积的发育起绝对控制作用。

关键词：渝东南地区；页岩气；纳米孔；五峰-龙马溪组；影响因素；成藏意义
引言
页岩气主要以吸附态和游离态赋存于微孔隙、裂缝中，还有部分溶解在水和液态烃中，岩石孔隙是页岩气的主要储集空间，约有一半的页岩气存储于孔隙中，2011年我国首次在非常规油气储层中发现了纳米级孔隙，并认识到纳米级孔隙中的流体主要为非线性渗流，这一认识改变了微米级孔隙是油气储层唯一微观孔隙的传统认识[1]。

之后，我国学者针对页岩储层纳米级孔隙特征做了大量的研究工作，探讨了纳米级孔隙对孔隙体积、比表面积的影响，进一步论述了纳米级孔隙对页岩气成藏的意义，并分析了影响纳米级孔隙发育的主控因素。

1 纳米级孔隙特征
页岩中的纳米级孔隙规模及孔隙分布特征主要通过孔隙直径、孔隙比表面积及孔隙体积等来表征[2]。

页岩作为一种有孔性物质，其孔隙特征能用吸附与凝聚理论，通过氮气吸附实验得到[3]。

氮气吸附法运用BET公式和BJH方法[4]，可以得到页岩比表面积、孔径分布、孔体积、平均孔径等参数。

Loucks[5]等根据孔隙尺寸大小，将泥页岩中的微孔隙划分为纳米级孔隙（d750nm），而作为页岩中天然气主要的赋存场所，纳米级孔隙备受关注，根据纳米孔隙直径的大小，将纳米级孔隙划分为直径小于2nm的纳米级微孔隙、2～50nm的纳米级中孔隙及大于50nm的纳米级宏孔隙。

从四口参数井YC4井、YC6井、YC7井和YC8井经氮气吸附分析得到的平均孔径、比表面积、孔体积分布图看，五峰-龙马溪组段页岩样品比表面积为5.17～13.64m2/g，平均为
8.54m2/g，远远大于致密砂岩储层比表面积，这为页岩气吸附提供了非常有利的条件；四口井
的BJH总孔体积为3.02～8.89×10-3ml/g，平均为5.23×10-3ml/g；四口井的平均孔直径相差不大，为5.12～6.58nm，平均为5.75nm（图1），根据IUPAC的分类，页岩平均孔径在中孔范围内。

页岩的平均孔径和孔比表面积以及孔体积之间具有相关性，从平均孔径与比表面积的关系图可以看出（图2、图3），比表面积的大小与孔径的大小有很大的关系，孔径越小，比表面积越大。

当平均孔径小于5nm，随着孔径的增大，比表面积迅速减小，孔径在5nm左右，比表面积减小最到小值，之后，随着孔径的增大，比表面积基本上保持不变，说明微孔是页岩比表面积的主要贡献者，构成了页岩气体吸附的主要空间。

从图中可以看出，孔径在2nm左右，孔体积出现最小值，孔径小于2nm时，随着孔径的增大孔体积减小，即微孔的孔体积与孔径具有负相关关系，中孔和宏孔的孔体积与孔径呈现明显的正相关关系。

并且，页岩样品的埋深越大，孔体积越大。

2 影响纳米级孔隙体积及比表面积发育的因素
页岩中纳米孔发育的主要类型有：有机质纳米孔、粘土矿物粒间孔、粒内晶间孔、溶蚀孔和微裂缝[2，6-7]，影响页岩孔隙发育的主要因素有矿物组分、有机质成熟度、有机质含量，研究者认为页岩纳米级孔隙体积和比表面积可能同时受这些因素的影响[8]。

武景淑[9]等对渝东南渝页1井龙马溪组页岩样品的分析表明，石英含量和微孔体积、中孔体积呈负相关关系，和宏孔体积呈正相关关系，粘土矿物含量和微孔体积、中孔体积呈正相关关系，和宏孔体积呈负相关关系，而陈尚斌[10]等对川南龙马溪组页岩的研究表明粘土矿物与脆性矿物和页岩孔体积、比表面积的相关性不明显，因此，页岩矿物组分和孔体积及比表面积的关系暂时不清楚。

程鹏[11]等通过对富有机质开展热模拟实验，结果表明页岩孔体积随成熟度的增加而增大，在Ro小于3.5%时，页岩比表面积随成熟度的增加而增加，之后随成熟度的增加比表面积有变小的趋势。

推测可能是由于随着成熟度的增加，微孔占总孔的比例变小，中孔和宏孔所占的比例相对变大，而微孔能提供较大的比表面积，中孔和宏孔能提供较大的孔体积，因此，孔体积随成熟度的增加而增大，而比表面积在Ro在小于3.5%随成熟度增加而增加，之后变小。

孔体积及比表面积和有机质含量均具有很好的正相关关系。

富有机质页岩中黏土矿物含量高，粘土矿物具有较高的比表面积，蒙脱石比高岭石的比表面积大90多倍[12]，蒙脱石是页岩矿物比表面积的主要贡献者，吸附能力是比表面积最直观的体现，比表面积越大，吸附能力越强，由于有机质是一种成分复杂的混合物，比表面积无法直接测量，但是多位学者均证实[13]，在其他条件相近的情况下，页岩吸附能力和有机质含量呈正相关关系，张寒等[14]的实验也证实，有机质对甲烷的吸附能力是黏土矿物的11.3倍，因此，可推测有机质相对于其它矿物对页岩的比表面积起绝对的控制作用。

有机质同时也是控制孔体积发育的主要因素。

3 纳米级孔隙对页岩气成藏的意义
页岩气主要以吸附态赋存于页岩孔隙中，纳米级孔隙为低渗透页岩的重要储集空间。

页岩的总孔体积和比表面积具有较强的甲烷吸附能力，提供大量比表面积和孔体积的富有机质页岩能储集丰富的页岩气。

纳米孔由于具有极小的孔壁间距，孔壁对甲烷分子相互作用的势能是叠加的，因此，孔径较小的纳米孔的吸附能力更强[1，15]，渝东南龙马溪组页岩的平均孔径小于7nm，且纳米级孔及其发育，甲烷气体分子可以稳定的吸附在纳米孔的孔壁；我国页岩发育区经历多期次的构造运动，页岩成熟度高、裂缝发育，地层超压是实现页岩气商业化开发的一个重要参数[16]，而纳米级孔隙是超压形成的物质基础，纳米级孔隙的发育会在页岩层中形成超低含水饱和度现象，只有在超低含水饱和度的情况下才能形成超压页岩气藏[17]；并且，在经过压实作用后，纳米孔可以保持连通性，为页岩气提供更多的储集空间。

因此，纳米级孔隙无论对页岩的聚集成藏还是富集高产都具有重要的意义。

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