陸相頁巖氣的儲集空間特征及賦存過程
——以鄂爾多斯盆地陜北斜坡構(gòu)造帶延長探區(qū)延長組長7段為例

王香增，范柏江，張麗霞，姜呈馥

[陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司 研究院,陜西 西安 710075]

陸相頁巖氣的儲集空間特征及賦存過程
——以鄂爾多斯盆地陜北斜坡構(gòu)造帶延長探區(qū)延長組長7段為例

王香增，范柏江，張麗霞，姜呈馥

[陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司 研究院,陜西 西安 710075]

頁巖的儲集空間不但影響頁巖氣的儲量，還影響頁巖氣井的產(chǎn)能。研究頁巖氣的賦存空間及賦存過程有助于確定勘探靶位。綜合利用野外露頭、巖心觀察、薄片分析及掃描電鏡等多種手段，研究了鄂爾多斯盆地陜北斜坡構(gòu)造帶延長探區(qū)延長組長7段頁巖的儲集空間類型及其特征。在此基礎(chǔ)上，通過解吸模擬實驗進行頁巖氣氣體特征分析，最終重建頁巖氣的賦存過程。結(jié)果表明，延長探區(qū)長7段頁巖發(fā)育原生粒間孔、次生溶蝕孔、有機質(zhì)生烴孔、構(gòu)造張裂縫及層間頁理縫等多種孔、縫類型。在解吸過程中，分子直徑較小的甲烷氣最容易解吸，含13C的甲烷分子則相對解吸困難。在生氣初期，長7段頁巖生成的少量重?zé)N氣主要吸附于有機質(zhì)表面及微孔中；在生氣期，頁巖優(yōu)先吸附重?zé)N氣和具13C的甲烷氣；當(dāng)滿足頁巖的吸附和溶解等殘留需要后，氣體以游離態(tài)賦存。

解吸實驗；孔縫特征；頁巖氣賦存；長7段頁巖；鄂爾多斯盆地

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對頁巖儲層的特征進行了深入的剖析，但多數(shù)學(xué)者對頁巖儲層的描述是針對純頁巖[1-3]。而在勘探實際中，純頁巖儲層對頁巖氣的貢獻存在爭議[4-5]。鄂爾多斯盆地延長探區(qū)長7段(延長組7段)頁巖極其致密，孔滲性差。在對幾十口開發(fā)井的統(tǒng)計過程中，我們發(fā)現(xiàn)頁巖中的砂質(zhì)紋層對改善儲集性能具有巨大貢獻，探區(qū)內(nèi)的高產(chǎn)井基本上都發(fā)育砂質(zhì)紋層，純頁巖的微觀孔縫對儲集空間的貢獻很可能被夸大。因此，開展頁巖儲層的研究要包括純頁巖和砂質(zhì)紋層，綜合分析它們的儲集空間類型和特點。此外，對頁巖氣的動態(tài)賦存過程研究是當(dāng)前研究的薄弱環(huán)節(jié)，本文基于實驗分析來模擬和重塑該動態(tài)過程。

1 研究區(qū)概況

延長探區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部的陜北斜坡構(gòu)造帶(圖1)。2009年，延長石油(集團)開始陸相頁巖氣勘探。2011年，柳評177井長7段頁巖氣點火成功(初始產(chǎn)氣量2 350 m3/d)，成為中國第一口陸相頁巖氣井。目前，探區(qū)內(nèi)的頁巖氣投產(chǎn)井已達數(shù)十口。

圖1 研究區(qū)地理位置及構(gòu)造區(qū)劃

研究區(qū)三疊系延長組發(fā)育于湖盆沉積環(huán)境，其長7 段頁巖發(fā)育，頁巖單層厚度在20～60 m，埋深變化在500～1 800 m。巖性上，長7 段頁巖包括黑色/灰色頁巖、(深)灰色與灰黑色泥巖、灰色粉砂質(zhì)泥/頁巖以及砂質(zhì)紋層(條帶)。

2 頁巖儲集空間特征

長7段頁巖的儲集空間可以分為孔隙和裂縫兩大類。根據(jù)成因，孔隙可分為原生孔隙、次生孔隙和有機質(zhì)生烴孔隙。原生孔隙又包括原生粒間孔和晶間孔等，以原生粒間孔為主；次生孔隙包括粒間溶蝕孔、粒內(nèi)溶蝕孔和鑄?？椎?。長7段頁巖中的裂縫分為構(gòu)造裂縫和成巖裂縫，成巖裂縫以層間縫為主。

2.1 頁巖中的原生粒間孔

長7段頁巖中發(fā)育的原生粒間孔包括粘土礦物粒間孔和碎屑顆粒粒間孔。粘土礦物粒間孔是由粘土礦物(以伊利石和綠泥石為主)所圍成的孔隙空間，在掃描電鏡下可觀察到等軸型(圖2a)和長軸型(圖2b)兩種形態(tài)。等軸型可以是環(huán)狀粘土絮凝物在靜水沉積時保存下來的殘余孔隙，也可以是粘土礦物團塊在強水動力條件下堆積形成的粒間孔，其孔隙形態(tài)較圓滑，雜亂分布，多為大孔級別；長軸型受壓實作用影響呈現(xiàn)“縫”的形態(tài)，沿粘土礦物層理方向定向分布，孔徑范圍多在幾十納米，屬中孔級別。

碎屑顆粒粒間孔是由石英和長石等剛性顆粒堆積形成的孔隙空間，在頁巖中的粉砂質(zhì)紋層中最為發(fā)育?？紫缎螒B(tài)呈不規(guī)則多邊形，孔隙級別主要為微米級(甚至幾十微米)大孔(圖2c,d)。由于孔隙內(nèi)常有雜基和膠結(jié)物充填，多數(shù)殘余的粒間孔是由石英和自生粘土礦物等膠結(jié)物充填原生粒間孔后的晶間孔(圖2e)和粘土礦物粒間孔(圖2f)組成的，這就使得孔隙體積減少，但受周圍碎屑顆粒的支撐，填隙物內(nèi)也發(fā)育有大量的粒(晶)間孔(圖2g,h)。

2.2 頁巖中的次生溶蝕孔

由溶蝕作用形成的次生孔隙在頁巖的砂質(zhì)紋層中十分常見，主要發(fā)育在長石顆粒以及碎屑顆粒粒間填隙物中，包括粘土礦物和石英膠結(jié)物(圖3a,b);石英顆粒中也可見溶蝕作用形成的孔隙，偶爾被自生粘土礦物和烴類充填。次生溶孔包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄?？?，以粒間溶孔為主。粒間溶孔由顆粒邊緣向內(nèi)發(fā)生溶蝕，孔隙形態(tài)各異，常具港灣狀溶蝕邊緣。粒內(nèi)溶蝕孔多為納米級，孔徑多為幾百納米的大孔和幾十納米的中孔。而長石顆粒由于溶蝕作用較強，已經(jīng)不具備原始顆粒形態(tài)，可以形成微米級的大型溶孔(圖3c,d)。鑄?？装w粒鑄模和顆粒間易溶膠結(jié)物的鑄模。顆粒鑄模往往是由于成巖早期的易溶礦物交代了顆粒，然后被溶解；顆粒間鑄模往往比原來的粒間孔有所擴大，這是由于易溶的碳酸鹽膠結(jié)物、雜基或硫酸鹽膠結(jié)物交代了顆粒邊緣的緣故。以上兩類鑄模孔在長7段頁巖中都有發(fā)育(圖3e,f)。

2.3 頁巖中的有機質(zhì)生烴孔

首先對該緩控釋肥料水稻施肥試驗進行合理處理，專門設(shè)置了7個處理區(qū)，分別為無施肥區(qū)（處理1）、常規(guī)施肥區(qū)（施肥過磷酸鉀、氯化鉀以及尿素，處理2）、緩控釋施肥區(qū)1（施肥永笑脲甲醛緩控釋肥，配合尿素15kg，處理3）、緩控釋施肥區(qū)2（施肥“稻堅強”緩釋控摻混肥40kg，配合尿素15kg，處理4）、緩控釋施肥區(qū)3（施肥“好樂耕”有機緩釋控摻混肥40kg，配合尿素15kg，處理5）、緩控釋施肥區(qū)4（施肥“六國網(wǎng)”復(fù)合緩釋控摻混肥42kg，配合尿素15kg，處理6）、緩控釋施肥區(qū)5（施肥袁氏專用緩釋控摻混肥31kg，配合尿素 15kg，處理 7）[7]。

頁巖中的有機質(zhì)生烴孔是干酪根在生烴過程中產(chǎn)生的孔隙空間。有機質(zhì)生烴孔的形成主要受生烴作用的控制，有機質(zhì)在生烴轉(zhuǎn)化過程中孔隙度會大大增加[6]。對于干酪根，由于靠近孔隙附近的區(qū)域受生烴影響，其密度相對較小，所以干酪根顏色較深(圖4a,b)。有機質(zhì)生烴孔的孔徑范圍在1～10 μm，屬于大孔，孔隙形態(tài)以圓形為主，亦有三角形和不規(guī)則多邊形，生烴孔往往成群分布(圖4)。而且干酪根表面還發(fā)育微裂縫(圖4d)，微裂縫長度在0.5～1 μm，裂縫寬度在50 nm左右，形態(tài)呈鋸齒狀且延伸長度短，但均沿一定方向延伸排列，具有方向性。

圖2 延長探區(qū)長7段頁巖原生粒間孔特征

2.4 構(gòu)造張裂縫

構(gòu)造張裂縫是受到局部構(gòu)造應(yīng)力作用而形成的裂縫。當(dāng)巖石受某一方向的張應(yīng)力超過其自身的擴張強度時，在垂直于最大應(yīng)力方向，平行于壓縮方向就會產(chǎn)生構(gòu)造張裂縫。研究區(qū)經(jīng)歷了燕山期和喜馬拉雅期等多次構(gòu)造運動[7-9]，因而張裂縫發(fā)育。本區(qū)構(gòu)造張裂縫的特征是，以高角度裂縫為主，裂縫常被后期物質(zhì)或巖脈填充，裂縫面粗糙不平，一般無滑動擦痕和摩擦鏡面，產(chǎn)狀不穩(wěn)定(圖5)。由于砂巖和泥巖的性質(zhì)存在差異，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，砂巖紋層中的裂隙發(fā)育特征與泥頁巖中的存在一定差異，如砂巖中發(fā)育的裂隙進入泥頁巖后會發(fā)生折射，裂隙和密度會變大(圖5b)。

圖3 延長探區(qū)長7段頁巖次生溶蝕孔特征

圖4 延長探區(qū)長7段頁巖有機質(zhì)生烴孔特征

圖5 延長探區(qū)長7段頁巖構(gòu)造張裂縫特征

2.5 層間頁理縫

層間頁理縫是發(fā)育在具有剝離線理的層理紋層面之間的微小裂縫，它是沉積作用的產(chǎn)物，一般發(fā)育于較強水動力的沉積背景下。在力學(xué)性質(zhì)上，巖石薄層之間的頁理面是力學(xué)性質(zhì)比較薄弱的界面，因而容易剝離形成裂縫[10]。本區(qū)頁理縫多順層分布且連續(xù)性好(圖6)，部分長7段頁巖頁理縫具有熒光顯示(充填瀝青)(圖6a,b)。與膠結(jié)縫和瀝青充填縫相比，未被充填的頁理縫寬度相對較小，多分布在1～2 μm，局部有泥晶級成巖礦物垂直縫壁結(jié)晶;該類裂縫延伸距離較遠，滲流能力較強。頁理縫的發(fā)育與頁巖中砂質(zhì)紋層的發(fā)育程度或砂質(zhì)的含量關(guān)系密切(圖6c,d)。 本區(qū)頁理縫常發(fā)育在砂質(zhì)紋層附近的泥質(zhì)紋層中，在巖性非均質(zhì)性強的區(qū)域還易形成網(wǎng)狀裂縫。這可能是由于裂縫的發(fā)育主要受控于應(yīng)力的分布，而砂質(zhì)紋層的存在恰恰造成了應(yīng)力分布的不均一性，使得泥質(zhì)紋層或粒度較小的砂質(zhì)紋層承受了相對大的應(yīng)力從而發(fā)育裂縫。

3 頁巖氣賦存機理及過程

頁巖氣可以在粒間孔、溶蝕孔、裂縫及生烴孔等孔縫系統(tǒng)中以游離態(tài)存在，也可以在干酪根和粘土顆粒表面上以吸附態(tài)存在，還可以在液態(tài)烴、干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解態(tài)存在[11-13]。在保證溫壓不變且密閉的情況下，頁巖散失出的氣量即為游離氣量。因此，本文主要探討頁巖對天然氣的吸附過程。

3.1 模擬實驗及結(jié)果分析

根據(jù)實驗結(jié)果，在解吸初始階段，頁巖氣解吸速率較大，解吸氣量較大。解吸一段時間后，解吸氣量明顯降低(表1，表2)；此時如果給樣品加熱，則解吸氣量上升。當(dāng)解吸190～240 h后，即使繼續(xù)升溫，頁巖解吸氣量也仍下降(表2)。

隨著頁巖氣的解吸，甲烷氣組分的百分含量逐漸降低，乙烷等重?zé)N氣的百分含量逐漸升高，天然氣的干

圖6 延長探區(qū)長7段頁巖層間頁理縫特征

樣品號解吸時間/h含氣量/(mL·g-1)解吸氣組分含量/%C1C2C3iC4nC4C1/C1-5解吸氣同位素組分含量/‰δ13C1δ13C2δ13C3δDC1δDC2S11-12473084.1211.293.210.641.290.83-50.1-37.9-32.4-267-2481-221673081.1214.892.440.731.540.80-49.2-37.5-32.3-267-2451-331276077.0815.246.020.711.390.77-46.5-36.9-32.2-265-244S22-143190073.6717.915.361.042.140.73-48.3-37.4-32.3-271-2502-224295068.5618.578.021.362.750.69-47.0-36.7-32.2-268-2472-3261100063.7219.9710.611.823.730.64-46.4-36.4-32.0-267-247

注：C1,C2,C3,iC4,nC4分別代表甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷；正丁烷,δ13C1,δ13C2,δ13C3分別代表甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素含量；δDC1，δDC2分別代表甲烷、乙烷的氫同位素含量；C1/C1-5為干燥系數(shù)；S1和S2為樣品號，2-1為樣品S2第一段解吸氣樣，以此類推。

燥系數(shù)逐漸降低(表1，表2),說明分子直徑較小的甲烷分子更容易從頁巖中解吸出來，使得早期解吸氣富含甲烷；而后期氣體中C2—C5的含量逐漸升高，導(dǎo)致干燥系數(shù)降低。

從頁巖解吸氣碳同位素組成特征來看，甲烷碳同位素隨解吸逐漸變重，變重幅度超過10‰(圖7)，說明頁巖對含13C的甲烷分子吸附能力更強，該特性與煤層氣相同。而4井樣品在80 ℃時的乙烷碳同位素含量高達-35.2‰(表2)，5井樣品在90 ℃時的乙烷碳同位素含量高達-34.0‰(表2)，與樣品的成熟度不符。這種碳同位素異常重的特征與頁巖的選擇吸附有關(guān)，頁巖對含有13C的甲烷吸附能力大于不含13C的甲烷。而隨著頁巖氣的逐漸解吸，乙烷、丙烷和丁烷的碳同位素含量變化幅度非常小且無明顯變重的趨勢，說明頁巖對乙烷、丙烷和丁烷分子的吸附能力與乙烷是否含13C沒有明顯的關(guān)系(表1，表2)。

3.2 賦存機理及過程解釋

地質(zhì)條件下，源巖生成的烴類先滿足自身的吸附、溶解等殘留需要后，才能以游離方式存在[14-17]。因此，頁巖生成的氣體首先滿足頁巖吸附的需要；當(dāng)頁巖達最大吸附氣量后，富余的氣溶解于油和水中；當(dāng)油和水達到飽和后，富余的氣體以游離態(tài)賦存于頁巖中。結(jié)合解吸實驗分析及區(qū)域演化歷史，研究區(qū)長7段頁巖氣的賦存過程可分為3個階段。

1) 吸附氣

直羅組沉積末期—安定組沉積期，長7段頁巖進入生烴門限，生成的少量液態(tài)烴會占據(jù)在有機質(zhì)及其

表2 延長探區(qū)5井樣品解吸實驗條件及解吸結(jié)果數(shù)據(jù)

注：δ13C1，δ13C2，δ13C3，δ13CnC4，δ13CCO2分別代表甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、二氧化碳的碳同位素含量；δDC1，δDC2分別代表甲烷、乙烷的氫同位素含量；C1/C1-5為干燥系數(shù)；S1和S2為樣品號，2-1為樣品S2第一段解吸氣樣，以此類推。

圖7 延長探區(qū)4井頁巖巖心解吸氣碳同位素變化特征

周邊的孔縫中。此時，生成的少量重?zé)N氣主要就近吸附于有機質(zhì)表面及微孔中。

2) 溶解氣

侏羅紀(jì)末期—早白堊世，有機質(zhì)進入生烴高峰[18-19]。此時大量甲烷氣和重?zé)N氣體生成，頁巖優(yōu)先吸附重?zé)N氣體和具13C的甲烷分子。隨生成氣體總量的增大，當(dāng)氣體滿足頁巖中干酪根表面和微孔的吸附時，部分具12C的甲烷分子經(jīng)擴散作用吸附于有機質(zhì)周緣的粘土礦物等顆粒表面；生氣量進一步增加時，具13C的甲烷分子和重?zé)N運移出有機質(zhì)，并吸附于粘土礦物顆粒表面。當(dāng)生氣量滿足有機質(zhì)和粘土礦物等顆粒的最大吸附量時，新生成氣體開始以溶解態(tài)賦存于液態(tài)烴和水中。

3) 游離氣

當(dāng)生氣量大于有機質(zhì)周緣液態(tài)烴和水的溶解能力時，剩余的氣體將以游離態(tài)賦存于孔隙中。生氣量進一步增大，則部分孔縫將會出現(xiàn)天然氣驅(qū)替油的現(xiàn)象。油氣不斷從有機質(zhì)附近向遠處運移。晚白堊世，研究區(qū)受燕山構(gòu)造運動的影響遭受抬升剝蝕，頁巖生烴作用停止。長7段地層發(fā)生構(gòu)造抬升泄壓作用，部分吸附氣開始解吸進入孔隙中成游離氣，部分溶解氣也出溶進入孔隙中以游離態(tài)賦存。上覆地層被剝蝕后，長7段地層上覆有效應(yīng)力降低，巖石卸壓回彈，并發(fā)生降溫收縮，孔隙體積增加。此外，由于構(gòu)造應(yīng)力影響以及差異抬升作用，先期形成的裂縫重新開啟或產(chǎn)生新裂隙，游離氣賦存空間增加，游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)的頁巖氣進行動態(tài)調(diào)整。

4 結(jié)論

1) 延長探區(qū)長7段頁巖發(fā)育原生粒間孔、次生溶蝕孔、有機質(zhì)生烴孔、構(gòu)造張裂縫及層間頁理縫等孔縫類型，不同類型的孔、縫為頁巖氣提供了賦存空間。

2) 解吸過程中，分子直徑較小的甲烷氣體更容易解吸；但頁巖對含13C的甲烷分子吸附能力更強。

3) 在生氣初期，長7段頁巖生成的少量重?zé)N氣主要吸附于有機質(zhì)表面及微孔中；在生氣期，頁巖優(yōu)先吸附重?zé)N氣和具13C的甲烷氣，然后吸附其他氣體；當(dāng)滿足頁巖的吸附和溶解殘留需要后，氣體以游離態(tài)賦存。

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(編輯 李 軍)

Reservoir space characteristics and charging process of Lacustrine shale gas—a case study of the Chang 7 member in Yanchang Block in Shanbei slope of Erdos Basin

Wang Xiangzeng,Fan Bojiang,Zhang Lixia,Jiang Chengfu

(ShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd,Xi’an,Shaanxi710075,China)

Reservoir spaces in shale controls not only the shale gas reserves,but also the production capacity of shale gas wells,thus the study of reservoir space characteristics and charging process of lacustrine shale gas helps greatly to determine exploration targets.This paper integrates various technologies,such as field outcrops,core observation,thin section and SEM Pore Imaging,to study the reservoir space types and their features of Chang 7 shale of the Yanchang Fm in Yanchang Block of Shanbei slope zone,Erdos Basin.Combined with the experimental results of shale gas components,this paper simulates the shale gas charging process.The results show that,the reservoir spaces of Chang 7 shale are dominated by primary intergranular pores,secondary dissolved pores,organic pores,structural fractures and lamellation fractures.In the desorption process,the methane gas with relatively small molecule size is the first to be released from shale.However,the methane gas containing13C is relatively more difficult to be released from the shale.In the early gas generating stage,the small portion of heavy gas generated from Chang 7 shale mainly adsorbed on the organic surface and micropores.In the main gas generating stage,heavy gas and13CCH4-containing methane had priority over other gas components to be absorbed in the shale reservoir.Only when the adsorption capacity and dissolution capacity of shale were met,could the free gas exist in the shale reservoir.

desorption experiment,pore and fracture feature,shale gas charging,Chang 7 member,Erdos Basin

2015-04-05;

2015-07-21。

王香增(1968—)，男，教授級高級工程師，油氣田勘探與開發(fā)。E-mail：sxycpcwxz@126.com。

簡介：范柏江(1983—)，男，工程師，頁巖氣勘探。E-mail：fanbj9@sina.com。

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2012KTZB03-03-01-01)。

0253-9985(2015)04-0651-09

10.11743/ogg20150415

TE122.2

A