白通， 趙衛(wèi)衛(wèi)*， 慕尚超， 席家輝， 段逸飛， 楊天祥， 李富康

(1.西安石油大學地球科學與工程學院， 西安 710065； 2.西安石油大學陜西省油氣成藏地質學重點實驗室， 西安 710065)

頁巖氣在世界能源組構中占有舉足輕重的地位，因其引發(fā)的頁巖氣革命延長了世界石油工業(yè)生命周期、影響著世界各國的能源戰(zhàn)略格局[1-2]。作為北美之外最大的頁巖氣生產國，中國頁巖氣產量在2020年突破了200×108m3[3]，展現出良好的發(fā)展前景。隨著頁巖氣資源勘探的深入，頁巖孔隙結構特征分析成為了研究熱點[4-6]，與此同時，肖磊等[6]研究發(fā)現不同頁巖巖相中頁巖氣含氣量存在明顯差異，因此分析對比不同頁巖巖相的微觀孔隙結構特征對頁巖氣的勘探開發(fā)具有重要的指導作用。

延安地區(qū)西南部三疊系延長組長7段頁巖沉積厚度大，分布廣，有機碳含量高，是鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣勘探開發(fā)的有利目標區(qū)[7]。徐紅衛(wèi)等[8]利用掃描電鏡、高壓壓汞、氣體吸附等分析測試方法對該地區(qū)頁巖的孔隙結構進行了表征；王香增等[9]在有機碳含量等測試方法、測井解釋等分析方法基礎上，對該地區(qū)頁巖孔隙結構的非均質性進行了研究，然而總結前人的研究成果發(fā)現該地區(qū)的頁巖研究中缺少了巖相方面的研究，這制約了該地區(qū)長7段頁巖儲層孔隙空間的認識和該地區(qū)頁巖氣的勘探開發(fā)，基于此，結合前人研究成果創(chuàng)新性的以全巖礦物組分和有機碳含量為根據對該地區(qū)的頁巖巖相劃分方案進行確立，并以該方案為依據對研究區(qū)頁巖樣品的巖相類型進行劃分，同時利用氬離子拋光掃描電鏡、高壓壓汞、氣體吸附等孔隙測試方法，對劃分出的不同巖相的微觀孔隙結構進行全尺度定性、定量表征以提高對該地區(qū)長7段頁巖儲層孔隙空間的認識，為該地區(qū)頁巖氣的甜點勘探提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地是一個經歷了古生代穩(wěn)定沉降、中生代坳陷遷移、新生代周邊扭動、斷陷等構造運動而成的大型內陸坳陷沉積盆地，位于中國華北板塊西部[10-11]。在中三疊世時期，盆地處于陸相深湖～半深湖沉積環(huán)境，發(fā)育了延長組長7段、長9段等多套富生烴潛力的烴源巖層系。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南部延安地區(qū)甘泉、富縣等地，三疊系延長組長7段是該地區(qū)主要的烴源巖層系之一，如圖1所示，其頂面構造平緩，總體呈現為一小角度的西傾單斜，埋藏深度適中，表現為東南部埋深相對較淺、西北部埋深相對較深的格局，其中取樣位置長7段頂面埋深介于1 100～1 300 m。

圖1 延安地區(qū)甘泉、富縣等地長7段頂面構造圖

2 樣品與測試

本文中研究樣品取自延安地區(qū)西南部甘泉縣的YY22井和富縣的YY1井的三疊系延長組長7段頁巖，其中YY1井取樣4塊，取樣深度介于1 364.5～1 386.1 m，取樣主要巖性為黑色泥頁巖和黑灰色泥巖，YY22井取樣12塊，取樣深度介于1 283.0～1 338.6 m，取樣主要巖性為灰色泥質粉砂巖、(灰)黑色泥頁巖、黑色油頁巖。

在對研究區(qū)長7段頁巖進行巖相劃分和表征時，聯合了多種分析測試方法，其中全巖X射線衍射分析技術可以對所選頁巖樣品的礦物組分進行分析，實現頁巖巖相類型的劃分，氬離子拋光掃描電鏡實驗可以對頁巖的孔隙類型、大小和形貌特征進行反映，實現對不同頁巖巖相的定性表征，高壓壓汞、N2和CO2吸附實驗可以反映頁巖的孔隙結構情況，測量和計算頁巖的孔隙體積和比表面積，實現對不同頁巖巖相的定性、定量表征。

3 巖相劃分方法及結果

3.1 巖相劃分方法

目前，人們對頁巖巖相進行劃分時，主要以巖相所包含的信息如顏色、巖石成分、巖石結構、沉積構造等為依托，結合有機質含量等參數進行，如王玉滿等[12]依據“長石+石英”“方解石+白云石”“黏土礦物”三端元礦物組分的構成對四川盆地五峰組-龍馬溪組海相頁巖進行了劃分；陳世悅等[13]以碳酸鹽、長英質、黏土礦物的含量結合有機質含量將渤海灣盆地沙河街組陸相湖盆細粒沉積巖劃分為碳酸鹽巖、黏土巖、細粉砂巖、細粒混合沉積巖等4種主要巖相和17種亞類巖相。

在參考前人的巖相劃分方案的同時，結合研究區(qū)長7段頁巖成分復雜，有機質豐度整體較高的特點，提出了自己的巖相劃分方案，此方案以組成頁巖礦物成分中的石英+長石+黃鐵礦-碳酸鹽礦物-黏土礦物等三類礦物組合的相對含量和有機碳含量為依據進行。由于由三類礦物組合中任何一類礦物組合的相對含量大于55%、介于50%～55%、小于50%的礦物組分條件形成的不同頁巖的孔隙特征不同，對頁巖油、氣等烴類儲存和后期壓裂開發(fā)的影響作用相異[14]，因此將礦物組合含量50%和55%定為巖相劃分的礦物含量界限。針對研究區(qū)有機質豐度整體較高[7]的特征，本次研究選取2%作為有機質貧、富的分類界限。具體分類方法如圖2所示。

圖2 研究區(qū)長7段頁巖巖相劃分流程

首先，利用全巖X射線衍射分析技術對研究區(qū)16塊頁巖樣品進行礦物組分測定，然后根據測試結果對頁巖主要巖相類型進行劃分，將石英+長石+黃鐵礦礦物組合相對含量大于55%的劃分為硅質頁巖，介于50%～55%的劃分為高硅質混合頁巖；將黏土礦物組合相對含量大于55%的劃分為黏土質頁巖，介于50%～55%的劃分為高黏土質混合頁巖；將碳酸鹽礦物組合相對含量大于55%的劃分為鈣質頁巖，介于50%～55%的劃分為高鈣質混合頁巖，將三類礦物組合相對含量均小于50%的劃分為勻質混合頁巖。最后，以有機質含量2%為界，將劃分出的七大主類巖相再分為富有機質頁巖和貧有機質頁巖等亞相類型。

3.2 長7段頁巖巖相劃分結果

全巖X射線衍射結果表明，組成研究區(qū)長7段頁巖的礦物以石英、長石和黏土礦物為主，含少量黃鐵礦和碳酸鹽礦物，其中石英+長石+黃鐵礦礦物組合的相對含量介于30%～80%，平均為47.13%，碳酸鹽礦物的相對含量介于0～26%，平均為6.94%，黏土礦物的相對含量介于12%～63%，平均為45.94%。有機碳含量測試結果表明研究區(qū)長7段頁巖有機碳含量整體較高，介于0.35%～8.34%，平均為3.64%。

雖然深圳港駁船業(yè)務起步早，已具一定規(guī)模，但珠三角港口群的不斷發(fā)展，使得深圳港早期高效、全面的服務優(yōu)勢逐漸下降.從深圳港水上“巴士”的班期穩(wěn)定性、運價公開性、覆蓋范圍及對港口的貢獻4個方面具體分析其存在的問題.

根據頁巖礦物組分測試結果與有機碳含量(total organic carbon,TOC)測試結果，對研究區(qū)長7段頁巖樣品進行巖相劃分，結果如表1所示，長7段頁巖發(fā)育硅質頁巖，高硅質混合頁巖，勻質混合頁巖，高黏土質混合頁巖，黏土質頁巖5種主類巖相及對應不同主類巖相的貧有機質頁巖和富有機質頁巖等8種亞類巖相，不發(fā)育鈣質頁巖、高鈣質混合頁巖2種巖相。對不同巖相發(fā)育情況進行分析，結果如圖3所示，發(fā)育的頁巖巖相以黏土質頁巖為主，數量為5個，占全部樣品數量的31%，發(fā)育的其余類型巖相數量由高到低分別為高硅質混合頁巖4個，所占比例為25%，硅質頁巖和勻質混合頁巖均為3個，所占比例為19%，高黏土質混合頁巖1個，所占比例為6%。

表1 研究區(qū)長7段頁巖礦物組分、有機碳含量及頁巖巖相劃分結果

圖3 研究區(qū)長7段頁巖巖相發(fā)育情況

3.3 長7段頁巖巖相縱向展布

為了了解研究區(qū)長7段頁巖巖相縱向展布情況，對YY22井進行單井巖相縱向展布分析，結果如圖4所示，長7段從上到下總體呈現“兩硅夾一黏”的巖相展布特征，即上部發(fā)育以石英+長石+黃鐵礦礦物組合為主的硅質頁巖和高硅質混合頁巖，中部發(fā)育以黏土礦物組合為主的黏土質頁巖和高黏土質混合頁巖，下部發(fā)育以石英+長石+黃鐵礦礦物組合為主的硅質頁巖和高硅質混合頁巖。對于頁巖巖相礦物組分的變化，長7段由上到下總體呈現為石英+長石+黃鐵礦礦物組合相對含量由80%減少至53%→各類礦物組合相對含量均小于50%→黏土礦物相對含量由49%增加至63%再減少至42%→硅質礦物含量由50%增加至57%的變化特征，但上部的石英+長石+黃鐵礦礦物組合相對含量總體較下部的為高，這是由組成上下部的頁巖中所夾主要巖石的巖性不同所造成的，上部所夾主要巖石巖性為粉砂巖，下部所夾主要巖石巖性為泥巖。對于有機質含量的縱向展布情況，長7段由上到下總體呈現為貧有機質→富有機質的變化特征。

圖4 YY22井長7段頁巖巖相縱向展布

由于有機質含量是頁巖生烴的物質基礎，決定著頁巖的生烴強度[7]，因此富有機質頁巖較貧有機質頁巖生烴潛力更大，富有機質頁巖為油氣生成有利巖相；頁巖中石英和長石等脆性礦物含量高，有利于原生孔隙的保存，也可以使頁巖更易產生裂縫[15]，為油氣提供了儲集空間，因此石英和長石等脆性礦物含量多的硅質頁巖和高硅質混合頁巖為油氣儲集有利巖相；黏土礦物具有較大的比表面積和較高的孔隙體積[16]，但黏土礦物增加后充填在各類孔隙中，會使巖石物性變差[17]，因此含黏土礦物多的黏土質頁巖、高黏土質混合頁巖為油氣儲集不利巖相，綜合以上分析，筆者認為研究區(qū)長7段巖相為富有機質硅質頁巖和富有機質高硅質混合頁巖的下部為油氣生成、儲集的有利部位。

4 長7段頁巖巖相表征

4.1 氬離子拋光掃描電鏡表征頁巖巖相

對頁巖孔隙特征的研究首先是對其大小、類型的劃分，本文中參照國際理論和應用化學學會(IUAPC)的孔隙分類方法[18]，將孔隙按孔徑大小分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)，同時參考Loucks等[19]的孔隙分類方法，將孔隙按產狀分為粒間孔、粒內孔、晶間孔、有機質孔和微裂縫。

將研究區(qū)長7段頁巖巖相劃分為3種組合，分別為：硅質頁巖和高硅質混合頁巖組合、黏土質頁巖和高黏土質混合頁巖組合、勻質混合頁巖組合，然后對各組合頁巖樣品進行氬離子拋光掃描電鏡實驗，觀察并分析它們各自的特征，得到如下結果。

(1)硅質頁巖和高硅質混合頁巖結構致密，石英、長石、黏土礦物、菱鐵礦等組成頁巖的各種礦物相間、定向分布[圖5(a)]，其中長石發(fā)育形狀多樣，孔徑Pa較大的粒內溶孔[圖5(b)]，黏土礦物集合體與菱鐵礦發(fā)育狹縫形、橢圓形及不規(guī)則形的粒間孔、晶間孔和層間縫[圖5(c)]，有機質主要以塊狀、條帶狀、填隙狀順層分布在各種礦物之間[圖5(a)]，有機質孔發(fā)育少且發(fā)育的有機質孔孔徑較小，有些還被黏土礦物充填[圖5(d)]。

(2)黏土質頁巖和高黏土質混合頁巖結構致密，各種礦物相間分布，其中長石發(fā)育不規(guī)則形狀的粒內溶孔[圖5(e)]，黏土礦物發(fā)育層間孔，粒間孔縫通常被黏土礦物及長石、石英晶體膠結[圖5(e)]，有機質以填隙狀和碎塊狀散布在各種礦物間，有機質孔發(fā)育較少且發(fā)育的有機質孔孔徑較小[圖5(f)]。

(3)勻質混合頁巖結構致密，有機質呈填隙狀分布于長石、黃鐵礦等晶間孔內[圖5(g)]，其中在鈉長石晶間孔內充填的有機質發(fā)育小孔徑孔縫[圖5(h)]，另外，在局部地區(qū)觀察到數量較多、孔徑較大的粒間孔縫[圖5(i)]。

ETH為加速電壓；WD為工作距離；Mag為放大倍數

4.2 流體注入法表征頁巖巖相

目前，在研究頁巖孔隙結構特征方面，流體注入法得到了廣泛應用[20-21]，而不同流體注入法在表征孔隙結構特征時具有各自的特點[21-23]。

4.2.1 氮氣吸附法

利用N2吸附解吸曲線形態(tài)可以定性反映頁巖孔隙結構[24]的特點，對研究區(qū)長7段不同頁巖巖相樣品的N2吸附解吸等溫線進行觀察，結果如圖6所示，不同巖相樣品的等溫線均有如下特征：在較高壓力處(相對壓力P/Po>0.4，其中P為氮氣分壓，Po為液氮溫度下氮氣的飽和蒸氣壓)吸附曲線和解吸曲線不重合，存在吸附滯后，并且在滯回環(huán)吸附曲線上沒有明顯的飽和吸附平臺。依據這些特征并參照國際理論和應用化學學會(IUAPC)劃分的吸附等溫線類型和回滯環(huán)類型[25]，將研究區(qū)長7段頁巖巖相樣品的吸附等溫線劃分為Ⅳ型，回滯環(huán)類型劃分為H3型。劃分的結果表明研究區(qū)不同頁巖巖相孔隙結構均很不規(guī)整，孔隙形態(tài)以平板狹縫形和楔形為主，存在微裂縫，孔徑分布也不均勻。此外，頁巖樣品中YY1-1富有機質黏土質頁巖和YY1-3富有機質勻質混合頁巖在相對壓力為0.4～0.6時解吸曲線無明顯拐點[圖6(a)、圖6(b)]，表明該類巖相樣品孔隙形態(tài)以傾斜板狀為主，連通性相對較好，YY22-1貧有機質硅質頁巖、YY22-3富有機質高硅質頁巖、YY22-7貧有機質黏土質頁巖樣品在相對壓力為0.4～0.6解吸曲線有一明顯拐點，表明該類巖相樣品孔隙形態(tài)以狹縫形和平行板狀為主，連通性相對較差，而狹縫狀孔隙的發(fā)育與黏土礦物顆粒的片狀結構有關[8]，即黏土礦物含量越多，狹縫狀孔隙越發(fā)育，孔隙連通性越差，表現在N2吸附解吸曲線上為：相同壓力處N2吸附量、解吸量的差值大小YY22-1貧有機質硅質頁巖

圖6 長7段頁巖巖相N2吸附-解吸等溫線

4.2.2 高壓壓汞法

通過高壓壓汞實驗可以獲得孔喉中值半徑、分選系數、門檻壓力等頁巖孔喉特征參數[20]，這些特征參數可以定性表征頁巖孔隙結構，如變異系數越高，頁巖孔隙結構越好等，基于此，在上述3種巖相組合中各選一件樣品(YY1-1富有機質黏土質頁巖、YY1-3富有機質勻質混合頁巖和YY22-11富有機質高硅質混合頁巖)對其做高壓壓汞實驗以研究不同頁巖巖相孔隙結構特征及差異。

頁巖巖相的毛管壓力與汞飽和度關系和孔隙結構參數結果如表2和圖7所示，YY1-1富有機質黏土質頁巖、YY1-3富有機質勻質混合頁巖，YY22-11富有機質高硅質混合頁巖的閥壓均較低，分別為0.29、0.32、0.25 MPa，對應最大連通孔喉為2.56、2.30、2.88 μm，表明三件樣品物性較好。頁巖樣品毛細管壓力曲線的進、退汞曲線滯后環(huán)較大、退汞效率高，均達到了65%以上，表明樣品在壓汞測試范圍內存在較多開放孔、孔隙連通性好。對三件不同巖相樣品綜合對比發(fā)現YY22-11富有機質高硅質混合頁巖的閥壓最小，對應的最大連通孔喉最大，退汞效率最高，這些結果反映其孔隙結構發(fā)育最好，而YY1-1富有機質黏土質頁巖和YY1-3富有機質勻質混合頁巖孔隙結構相對較差。歪度和變異系數數據也顯示出相同的規(guī)律，YY22-11富有機質高硅質混合頁巖歪度和變異系數最大，說明其孔喉大小分布偏向于粗孔喉，孔隙結構更好。

圖7 長7段頁巖巖相毛管壓力曲線

表2 長7段頁巖巖相孔隙結構參數

4.2.3 吸附法和壓汞法綜合表征頁巖巖相

吸附法和壓汞法對頁巖中不同孔徑孔隙的測定效果不同[21]，因此在數據處理時選擇對不同孔隙測量效果最好的測試方法的數據，微孔數據選用CO2吸附實驗的DFT(desity functional thoery)模型，介孔的比表面積數據選用N2吸附實驗的BET(Brunauer-Emmett-Teller)模型，孔容數據選用N2吸附實驗的BJH(Barret-Joyner-Halenda)模型，宏孔數據選用高壓壓汞實驗的結果。

測試結果如表3和圖8所示，除YY1-3勻質混合頁巖中不同孔隙對孔容貢獻宏孔最大，為39.2%，介孔次之，為37.5%，微孔最小，為23.3%外，其余巖相樣品中對孔容貢獻均有介孔貢獻最大、宏孔貢獻次之、微孔貢獻最小的規(guī)律，貢獻率依次介于52.1%～65.2%，31.3%～41.5%和2.7%～6.4%。不同孔隙對比表面積的貢獻除YY1-3勻質混合頁巖微孔貢獻最大，為84.6%，介孔次之，為13.8%，宏孔最小，為1.6%外，其余巖相樣品中對比表面積的貢獻均有介孔貢獻最大、微孔貢獻次之、宏孔貢獻最小的規(guī)律，貢獻率依次介于48.6%～76.7%、19.9%～47.5%、3.3%～4.1%。

表3 長7段頁巖巖相孔隙結構特征數據

從對樣品的孔容和比表面積的貢獻最大的均為介孔的結果可知研究區(qū)頁巖孔隙以介孔為主，從微孔對孔容貢獻最小而對比表面積有次要貢獻說明研究區(qū)頁巖中存在相當數量的微孔，從宏孔對孔容有較大貢獻而對比表面積貢獻微小說明研究區(qū)頁巖存在一定數量的宏孔及微裂縫。

5 結論

(1)以石英+長石+黃鐵礦-碳酸鹽礦物-黏土礦物三類礦物組合含量55%和50%為界，有機質含量2%為界建立頁巖巖相劃分方案，明確研究區(qū)長7段頁巖發(fā)育硅質頁巖、高硅質混合頁巖、勻質混合頁巖、高黏土質混合頁巖、黏土質頁巖5種主類巖相及對應主類巖相的富有機質頁巖和貧有機質頁巖等8種亞類巖相。

(2)對研究區(qū)長7段頁巖巖相縱向展布情況進行分析，結果表明長7段總體具有“兩硅夾一黏”的巖相展布特征，即下部發(fā)育硅質頁巖和高硅質混合頁巖，中部發(fā)育黏土質頁巖、高黏土質混合頁巖、勻質混合頁巖，上部發(fā)育硅質頁巖、高硅質混合頁巖。對長7段油氣生成、儲集有利部位進行分析，認為下部為其有利部位。

(3)研究區(qū)長7段頁巖發(fā)育多種類型孔隙和微裂縫，其中硅質頁巖和高硅質混合頁巖多發(fā)育粒間孔、粒內溶孔和層間縫，黏土質頁巖和高黏土質混合頁巖多發(fā)育黏土礦物層間孔和粒內溶孔，勻質混合頁巖多發(fā)育粒間孔縫，不同巖相中有機質孔均很少發(fā)育。

(4)N2吸附實驗結果表明研究區(qū)長7段頁巖孔隙形態(tài)以平板狹縫形和楔形為主，其中孔隙形態(tài)以狹縫形孔隙為主的頁巖巖相中又以黏土質頁巖為首，孔隙連通性最差。高壓壓汞實驗表明硅質頁巖和高硅質混合頁巖中存在更多開放孔，孔隙結構最好。

(5)研究區(qū)長7段頁巖中不同孔徑孔隙均有發(fā)育，其中介孔對孔容和比表面積貢獻最大，分別介于52.1%～65.2%和48.6%～76.7%，宏孔對孔容貢獻次之，介于31.3%～41.5%，微孔對比表面積貢獻次之，介于19.9%～47.5%。