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[摘 要]页岩气是指主体在暗色泥页岩或高碳泥页岩中以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。本文以江西页岩气为例，对赣东北地区上震旦统皮园村组、下寒武统荷塘组露头剖面进行野外实测和系统采样测试，以探讨富有机质泥页岩微观储层的特征。
[关键词]赣东北；富有机质泥岩；储层特征
中图分类号：P618.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0288-02
1、地质背景
江西页岩气资源丰富，开发利用潜力巨大，对保障全省能源安全和长远发展意义重大。江西地跨扬子、华夏两个古板块。北部为扬子地块（Ⅰ），南部为华夏地块（Ⅲ），中部为华南中部中元古代造山带（Ⅱ）。赣东北区块主要位于华南中部中元古造山带（Ⅱ）的二级构造，即怀玉构造单元（Ⅱ4）和东乡-龙游混杂巖亚带（Ⅱ5）之中。基底的变质岩系为南华系及双桥山群，均为晚古生代沉积，后经区域变质形成。由于多次的碰撞造山活动，形成了本区的褶皱基底，上覆的古生界构造相对简单，仅见宽缓对称的背向斜。三叠系、侏罗系和上白垩统沉积于后期的断陷盆地中。盖层褶皱是以下古生界地层为主组成的复式向斜。从地层及其产状来看，区内的绝大部分范围内发育一系列NE-SW向的次级构造。从北西往南东方向依次为：暖水—下音坑向斜、黄土岭—开化复式背斜、球川镇向斜、港边-玉山背斜。区内古生界地层主要发育从滨海到深海的沉积，震旦纪—中二叠世为海相沉积，在震旦世、早寒武世属湿热气候和较宁静的海相环境，显示静水、正常盐度、浅水海域生态特征，十分有利于藻类繁殖，藻类等低等生物在条件适宜时，以惊人的速度生长繁殖，死亡后形成有机质软泥，成为后来沥青质的主要来源。
上震旦统皮园村组上部沉积了深灰色硅质页岩、炭质页岩，局部夹石煤层，见胶磷矿，富有机质泥页岩最厚>120m；下寒武统荷塘组沉积一套上部为薄层状含硅质板岩、硅质页岩及炭质板岩，下部为石煤夹薄层状含炭板岩，底部为灰色硅质岩夹石煤的岩层，发现海绵骨针化石，富有机质泥页岩最厚>200m。在野外露头、老井复查采样及镜下观察基础上，对以上地层泥页岩样品常微量元素、矿物成分、粘土矿物组分、微观储集特征、有机碳含量及有机质成熟度等无机-有机参数进行测定分析，研究储层特征。
2、泥页岩储层矿物成分分析
页岩气或吸附于有机质和粘土矿物表面，或游离于孔隙和天然裂缝中，而矿物成分分析是进一步研究泥页岩储层吸附能力和基质孔隙度的基础。脆性矿物对泥页岩基质孔隙度、微裂缝发育程度、含气性以及压裂改造方式具有重要的影响。石英等脆性矿物富集的泥页岩产生裂缝网络的能力强，提供了地层中微裂缝之间的通道，增产效果显著。黏土矿物则是构成泥质岩和泥质沉积物的主体矿物。碳酸盐胶结物容易充填裂缝等，降低产量。有研究得出：具备商业开发条件的泥页岩，其脆性矿物含量较高（体积分数>40%），黏土矿物含量中等（体积分数<30%）。因此，研究页岩气储层岩石组分对于评价其储层的性能有着决定性的作用。
赣东北上震旦统皮园村组和下寒武统荷塘组的黑～灰黑色泥页岩属于典型的海相水生有机质富集层，是重要的烃源岩层系。根据18个X射线衍射结果表明：该区泥页岩矿物成分复杂，除均含有黏土矿物、石英、斜长石、正长石/钾长石、方解石、白云石等矿物外，某些样品还含有石膏、黄铁矿、菱铁矿等自生矿物。主要矿物组分为石英、物黏土矿物。大部分泥页岩均含有黄铁矿，说明泥页岩沉积于缺氧的强还原环境。
总体而言，石英含量最高，为 30.36%-88.66%，平均达64.95%。其次为粘土矿物，为 4.62%-46.2%，平均为 14.18%。还含有较多的白云石、钾长石、黄铁矿，平均含量分别为 5.99%、8.81%、2.51%。其余如方解石、菱铁矿和石膏等较少，平均含量小于2%。由皮园村组、荷塘组矿物组成三角图可知，主要的矿物组分为粘土和脆性矿物，碳酸盐矿物含量相对较低。脆性矿物矿物总含量>40%，十分有利于以后泥页岩储层的压裂开发、增产措施的实施。
3、有机质丰度和有机质成熟度特征
页岩气储层中有机质丰度与成熟度对页岩气资源量有重要影响，有机碳含量与页岩气的生气率具较好的正相关性（ Boyer et al.，2010； Loucks andRuppel，2007），是油气资源评价的基本参数。赣东北地区皮园村组富有机质泥页岩有机质类型主要为Ⅰ、Ⅱ1和Ⅱ2型，以腐泥质为主。皮园村组有机质丰度总体很高（有机碳含量0.17～21.45%，平均4.77%），荷塘组有机质丰度总体很高（有机碳含量0.43～22.3%，平均4.78%），显示的较好的生烃潜力，是泥页岩发育的有利区块。荷塘组样品测试有机质成熟度Ro为0.9～5.05%，平均3.1%，皮园村组样品测试有机质成熟度Ro为2.53～5.29%，平均3.48%，荷塘组较皮园村组略低，均属过成熟阶段。
4、泥页岩孔隙特征
泥页岩储层中的原生孔隙系统一般由十分微细的孔隙组成，具有极大的内表面积，这些内表面积可以吸附和储存大量气体，岩石孔隙是油气储存的主要空间，是评价储集层特征的关键参数。泥页岩由黏土矿物和有机质等成分组成，具多微孔性、低渗透率特点；页岩气储层孔径较小，Barnett页岩的孔喉小于100nm，10nm左右的纳米孔隙含量丰富，而纳米孔中存储的气体可能具有复杂的热力学状态。因而研究页岩气储层纳米孔隙结构对页岩气资源评价和成藏机理研究，乃至页岩气勘探开发均具有重要意义。
4.1 孔隙类型及孔径
泥页岩储集层的孔隙空间类型主要可以分为粒内孔、粒间孔（孔隙直径不小于0.75μm）以及有机质粒内孔 （孔隙直径小于0.75μm）三类孔隙类型。这些孔隙是页岩气主要的储集空间，赋存了大量的天然气，孔隙度大小直接控制着天然气的含量。其中有机质孔隙的形成主要受有机质丰度、类型及演化程度的影响，其表现为吸收孔隙，是吸附态赋存的天然气的主要储集空间。 赣东北地区页岩储层中扫描电镜研究发现，粒内孔、粒间孔、有机质粒内孔隙均十分发育。基质孔隙主要以纳米——微米级孔隙为主，孔隙直径从1nm～150μm不等。有机质颗粒、粘土矿物、矿物胶结以及黄铁矿颗粒等均对微米级及纳米级孔隙有直接的贡献作用；有机质颗粒多形成纳米级孔裂隙，而脆性矿物形成较大孔隙和微裂隙。但泥页岩有机质颗粒内部纳米级孔隙不及Barnett页岩发育。
通过压汞数据分析，赣东北皮园村组与荷塘组的暗色泥页岩孔径主要分布在0～100nm之间，孔隙类型以微孔、小孔为主。根据低温液氮吸附数据分析，富有机质泥页岩的孔隙也是以微孔、小孔为主，孔径2～50nm的孔体积占总孔体积的58.4%～80.7%，平均为69%，表明赣东北区块皮园村组与荷塘组暗色泥岩的孔径主要分布在2～50nm之间。
4.2 孔的开放性与连通性
根据压汞退汞曲线，赣东北区块皮园村组和荷塘组暗色泥岩的压汞曲线孔隙滞后环较宽，进汞和退汞体积差较大，表明在压汞所测的孔径范围内开放孔较多，孔隙连通性较好，这种结构较有利于页岩气的解吸、扩散和渗透，其所代表的储层是页岩气勘探开放的较有利储层。
4.3 孔体积与比表面
将低温液氮吸附相对压力P/P0=0.99时的吸附量作为孔体积，据BET模型，计算样品比表面积：皮园村组泥页岩的孔体积为0.0156～0.0484ml/g，平均为0.03865ml/g；荷塘组泥页岩的孔体积为0.0371～0.0643ml/g，平均为0.0479ml/g；皮园村组泥页岩的比表面积为5.07～13.59m2/g，平均为8.08m2/g；荷塘组泥页岩的比表面积为5.82～8.96m2/g，平均为7.17m2/g。
4.4 孔隙度
孔隙度是确定游离气含量的重要参数，页岩气储层通常具有低孔隙度（<10%）特征。赣东北地区皮园村组与荷塘组泥页岩孔隙度介于0.4～11.5%之间，平均为3.48%，其频度多分布在2.0～3.0%之间，占到35%。相对于美国五大含气页岩3～14%的孔隙度（评价指标平均大于4%），皮园村组与荷塘组孔隙度中等偏低。
4.5 纳米级孔隙体积及其比表面积的关系
（1） 赣东北地区皮园村组与荷塘组暗色泥岩的孔径主要分布在2-50nm之間，约占总孔体积的69%。通过以小于2nm、2～50nm、50～100nm、>100等4个孔径范围分别计算各孔径范围的孔体积比例，得到分布直方图，小于2nm、2～50nm孔对比表面积的贡献最大，与比表面积间呈现较为显著的正线性关系（R2分别为0.8634和0.6015）。
（2）对赣东北皮园村组与荷塘组泥页岩中总有机碳含量TOC分别与孔体积和孔比表面积进行关系分析。如图表明，TOC含量分别与孔体积和孔比表面积之间呈现较为显著的正线性关系。见表1
5、结论
（1） 赣东北地区上震旦统皮园村组和下寒武纪荷塘组泥页岩岩石类型为深灰—黑色硅质页岩、炭质页岩，见胶磷矿、黄铁矿结核，产海绵骨针化石。泥页岩中石英含量较高，粘土矿物含量较低，脆性矿物（石英+长石+碳酸盐矿物）含量达54%～95% ，对后期的压裂改造形成裂缝十分有利。
（2）泥页岩中微孔隙和微裂缝非常发育，石英粒间和粘土矿物晶间孔隙、次生溶孔及微裂缝等多种类型均可见，孔径多数在1nm～150μm，可为页岩气的游离富集提供储渗空间，并成为页岩气运移、开采的通道。
（3）皮园村组和荷塘组纳米孔的主孔位于2～50nm，占孔隙总体积的69%，小于50nm的微孔和中孔提供了主要的孔比表面积。
（4）TOC是控制赣东北下古生代页岩气储层中纳米孔隙体积及其比表面积的主要内因，也是提供页岩气主要储存空间的重要物质。
（5）纳米孔对页岩气的吸附能力极强，且有大量的页岩气以结构化方式存在，增加了页岩气的存储量，也使模型表征复杂化； 开放状态纳米孔可以提高页岩气的解吸效率和储层的渗透率，从而提高页岩气的产量。
参考文献
[1] 《江西省页岩气资源调查与地质选区预研》.江西省煤田地质局二二三地质队.2012
[2] 《江西省页岩气富集规律及地质选区关键技术研究》.江西省煤田地质局.2013
[3] 《全国页岩气资源潜力调查评价》.地质出版社.2012年.张大伟等著
[4] 张雪芬，陆现彩，张林晔，等.页岩气的赋存形式研究及其石油地质意义[J].地球科学进展，2010，25（6）：597-604.
[关键词]赣东北；富有机质泥岩；储层特征
中图分类号：P618.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0288-02
1、地质背景
江西页岩气资源丰富，开发利用潜力巨大，对保障全省能源安全和长远发展意义重大。江西地跨扬子、华夏两个古板块。北部为扬子地块（Ⅰ），南部为华夏地块（Ⅲ），中部为华南中部中元古代造山带（Ⅱ）。赣东北区块主要位于华南中部中元古造山带（Ⅱ）的二级构造，即怀玉构造单元（Ⅱ4）和东乡-龙游混杂巖亚带（Ⅱ5）之中。基底的变质岩系为南华系及双桥山群，均为晚古生代沉积，后经区域变质形成。由于多次的碰撞造山活动，形成了本区的褶皱基底，上覆的古生界构造相对简单，仅见宽缓对称的背向斜。三叠系、侏罗系和上白垩统沉积于后期的断陷盆地中。盖层褶皱是以下古生界地层为主组成的复式向斜。从地层及其产状来看，区内的绝大部分范围内发育一系列NE-SW向的次级构造。从北西往南东方向依次为：暖水—下音坑向斜、黄土岭—开化复式背斜、球川镇向斜、港边-玉山背斜。区内古生界地层主要发育从滨海到深海的沉积，震旦纪—中二叠世为海相沉积，在震旦世、早寒武世属湿热气候和较宁静的海相环境，显示静水、正常盐度、浅水海域生态特征，十分有利于藻类繁殖，藻类等低等生物在条件适宜时，以惊人的速度生长繁殖，死亡后形成有机质软泥，成为后来沥青质的主要来源。
上震旦统皮园村组上部沉积了深灰色硅质页岩、炭质页岩，局部夹石煤层，见胶磷矿，富有机质泥页岩最厚>120m；下寒武统荷塘组沉积一套上部为薄层状含硅质板岩、硅质页岩及炭质板岩，下部为石煤夹薄层状含炭板岩，底部为灰色硅质岩夹石煤的岩层，发现海绵骨针化石，富有机质泥页岩最厚>200m。在野外露头、老井复查采样及镜下观察基础上，对以上地层泥页岩样品常微量元素、矿物成分、粘土矿物组分、微观储集特征、有机碳含量及有机质成熟度等无机-有机参数进行测定分析，研究储层特征。
2、泥页岩储层矿物成分分析
页岩气或吸附于有机质和粘土矿物表面，或游离于孔隙和天然裂缝中，而矿物成分分析是进一步研究泥页岩储层吸附能力和基质孔隙度的基础。脆性矿物对泥页岩基质孔隙度、微裂缝发育程度、含气性以及压裂改造方式具有重要的影响。石英等脆性矿物富集的泥页岩产生裂缝网络的能力强，提供了地层中微裂缝之间的通道，增产效果显著。黏土矿物则是构成泥质岩和泥质沉积物的主体矿物。碳酸盐胶结物容易充填裂缝等，降低产量。有研究得出：具备商业开发条件的泥页岩，其脆性矿物含量较高（体积分数>40%），黏土矿物含量中等（体积分数<30%）。因此，研究页岩气储层岩石组分对于评价其储层的性能有着决定性的作用。
赣东北上震旦统皮园村组和下寒武统荷塘组的黑～灰黑色泥页岩属于典型的海相水生有机质富集层，是重要的烃源岩层系。根据18个X射线衍射结果表明：该区泥页岩矿物成分复杂，除均含有黏土矿物、石英、斜长石、正长石/钾长石、方解石、白云石等矿物外，某些样品还含有石膏、黄铁矿、菱铁矿等自生矿物。主要矿物组分为石英、物黏土矿物。大部分泥页岩均含有黄铁矿，说明泥页岩沉积于缺氧的强还原环境。
总体而言，石英含量最高，为 30.36%-88.66%，平均达64.95%。其次为粘土矿物，为 4.62%-46.2%，平均为 14.18%。还含有较多的白云石、钾长石、黄铁矿，平均含量分别为 5.99%、8.81%、2.51%。其余如方解石、菱铁矿和石膏等较少，平均含量小于2%。由皮园村组、荷塘组矿物组成三角图可知，主要的矿物组分为粘土和脆性矿物，碳酸盐矿物含量相对较低。脆性矿物矿物总含量>40%，十分有利于以后泥页岩储层的压裂开发、增产措施的实施。
3、有机质丰度和有机质成熟度特征
页岩气储层中有机质丰度与成熟度对页岩气资源量有重要影响，有机碳含量与页岩气的生气率具较好的正相关性（ Boyer et al.，2010； Loucks andRuppel，2007），是油气资源评价的基本参数。赣东北地区皮园村组富有机质泥页岩有机质类型主要为Ⅰ、Ⅱ1和Ⅱ2型，以腐泥质为主。皮园村组有机质丰度总体很高（有机碳含量0.17～21.45%，平均4.77%），荷塘组有机质丰度总体很高（有机碳含量0.43～22.3%，平均4.78%），显示的较好的生烃潜力，是泥页岩发育的有利区块。荷塘组样品测试有机质成熟度Ro为0.9～5.05%，平均3.1%，皮园村组样品测试有机质成熟度Ro为2.53～5.29%，平均3.48%，荷塘组较皮园村组略低，均属过成熟阶段。
4、泥页岩孔隙特征
泥页岩储层中的原生孔隙系统一般由十分微细的孔隙组成，具有极大的内表面积，这些内表面积可以吸附和储存大量气体，岩石孔隙是油气储存的主要空间，是评价储集层特征的关键参数。泥页岩由黏土矿物和有机质等成分组成，具多微孔性、低渗透率特点；页岩气储层孔径较小，Barnett页岩的孔喉小于100nm，10nm左右的纳米孔隙含量丰富，而纳米孔中存储的气体可能具有复杂的热力学状态。因而研究页岩气储层纳米孔隙结构对页岩气资源评价和成藏机理研究，乃至页岩气勘探开发均具有重要意义。
4.1 孔隙类型及孔径
泥页岩储集层的孔隙空间类型主要可以分为粒内孔、粒间孔（孔隙直径不小于0.75μm）以及有机质粒内孔 （孔隙直径小于0.75μm）三类孔隙类型。这些孔隙是页岩气主要的储集空间，赋存了大量的天然气，孔隙度大小直接控制着天然气的含量。其中有机质孔隙的形成主要受有机质丰度、类型及演化程度的影响，其表现为吸收孔隙，是吸附态赋存的天然气的主要储集空间。 赣东北地区页岩储层中扫描电镜研究发现，粒内孔、粒间孔、有机质粒内孔隙均十分发育。基质孔隙主要以纳米——微米级孔隙为主，孔隙直径从1nm～150μm不等。有机质颗粒、粘土矿物、矿物胶结以及黄铁矿颗粒等均对微米级及纳米级孔隙有直接的贡献作用；有机质颗粒多形成纳米级孔裂隙，而脆性矿物形成较大孔隙和微裂隙。但泥页岩有机质颗粒内部纳米级孔隙不及Barnett页岩发育。
通过压汞数据分析，赣东北皮园村组与荷塘组的暗色泥页岩孔径主要分布在0～100nm之间，孔隙类型以微孔、小孔为主。根据低温液氮吸附数据分析，富有机质泥页岩的孔隙也是以微孔、小孔为主，孔径2～50nm的孔体积占总孔体积的58.4%～80.7%，平均为69%，表明赣东北区块皮园村组与荷塘组暗色泥岩的孔径主要分布在2～50nm之间。
4.2 孔的开放性与连通性
根据压汞退汞曲线，赣东北区块皮园村组和荷塘组暗色泥岩的压汞曲线孔隙滞后环较宽，进汞和退汞体积差较大，表明在压汞所测的孔径范围内开放孔较多，孔隙连通性较好，这种结构较有利于页岩气的解吸、扩散和渗透，其所代表的储层是页岩气勘探开放的较有利储层。
4.3 孔体积与比表面
将低温液氮吸附相对压力P/P0=0.99时的吸附量作为孔体积，据BET模型，计算样品比表面积：皮园村组泥页岩的孔体积为0.0156～0.0484ml/g，平均为0.03865ml/g；荷塘组泥页岩的孔体积为0.0371～0.0643ml/g，平均为0.0479ml/g；皮园村组泥页岩的比表面积为5.07～13.59m2/g，平均为8.08m2/g；荷塘组泥页岩的比表面积为5.82～8.96m2/g，平均为7.17m2/g。
4.4 孔隙度
孔隙度是确定游离气含量的重要参数，页岩气储层通常具有低孔隙度（<10%）特征。赣东北地区皮园村组与荷塘组泥页岩孔隙度介于0.4～11.5%之间，平均为3.48%，其频度多分布在2.0～3.0%之间，占到35%。相对于美国五大含气页岩3～14%的孔隙度（评价指标平均大于4%），皮园村组与荷塘组孔隙度中等偏低。
4.5 纳米级孔隙体积及其比表面积的关系
（1） 赣东北地区皮园村组与荷塘组暗色泥岩的孔径主要分布在2-50nm之間，约占总孔体积的69%。通过以小于2nm、2～50nm、50～100nm、>100等4个孔径范围分别计算各孔径范围的孔体积比例，得到分布直方图，小于2nm、2～50nm孔对比表面积的贡献最大，与比表面积间呈现较为显著的正线性关系（R2分别为0.8634和0.6015）。
（2）对赣东北皮园村组与荷塘组泥页岩中总有机碳含量TOC分别与孔体积和孔比表面积进行关系分析。如图表明，TOC含量分别与孔体积和孔比表面积之间呈现较为显著的正线性关系。见表1
5、结论
（1） 赣东北地区上震旦统皮园村组和下寒武纪荷塘组泥页岩岩石类型为深灰—黑色硅质页岩、炭质页岩，见胶磷矿、黄铁矿结核，产海绵骨针化石。泥页岩中石英含量较高，粘土矿物含量较低，脆性矿物（石英+长石+碳酸盐矿物）含量达54%～95% ，对后期的压裂改造形成裂缝十分有利。
（2）泥页岩中微孔隙和微裂缝非常发育，石英粒间和粘土矿物晶间孔隙、次生溶孔及微裂缝等多种类型均可见，孔径多数在1nm～150μm，可为页岩气的游离富集提供储渗空间，并成为页岩气运移、开采的通道。
（3）皮园村组和荷塘组纳米孔的主孔位于2～50nm，占孔隙总体积的69%，小于50nm的微孔和中孔提供了主要的孔比表面积。
（4）TOC是控制赣东北下古生代页岩气储层中纳米孔隙体积及其比表面积的主要内因，也是提供页岩气主要储存空间的重要物质。
（5）纳米孔对页岩气的吸附能力极强，且有大量的页岩气以结构化方式存在，增加了页岩气的存储量，也使模型表征复杂化； 开放状态纳米孔可以提高页岩气的解吸效率和储层的渗透率，从而提高页岩气的产量。
参考文献
[1] 《江西省页岩气资源调查与地质选区预研》.江西省煤田地质局二二三地质队.2012
[2] 《江西省页岩气富集规律及地质选区关键技术研究》.江西省煤田地质局.2013
[3] 《全国页岩气资源潜力调查评价》.地质出版社.2012年.张大伟等著
[4] 张雪芬，陆现彩，张林晔，等.页岩气的赋存形式研究及其石油地质意义[J].地球科学进展，2010，25（6）：597-604.