鄂尔多斯盆地构造-沉积演化剖面

石油与天然气是保障国家社会经济安全的重要战略资源。随着经济的高速发展，我国对能源(特别是油气资源)的需求日益增长。2016年，中国原油的对外依存度高达65.5%，天然气对外依存度升至36.6%，严重影响国家能源安全与经济发展。我国非常规油气资源约为常规油气的1.5~2倍，资源丰富，潜力巨大。2016年，中国页岩气钻井累计1000余口，年产量超过78亿方，其中仅焦石坝页岩气田的探明储量业已超过6000亿方，呈现出巨大的勘探前景。

页岩气赋存于页岩孔隙中，研究页岩孔隙结构特征及其含气性是深入认识页岩气富集机理的关键，对页岩气勘探与开发具有重要指导意义，也是对中国非常规油气地质理论体系的丰富和发展，其中页岩气储层表征与含气性检测是落实页岩气储量规模的关键性技术，也是实现页岩气资源开发利用的前提条件。近年来，因油气而引发的国际纠纷和安全问题并不鲜见，而且呈现日愈严重的趋势。现代页岩气储层表征与含气性检测技术的创新发展与推广应用，可望提高页岩气勘探的成功率，使非常规油气资源高效开发利用成为现实，以弥补我国能源发展后续资源不足，降低我国天然气的对外依存度，保证国家的能源安全，对我国经济的可持续发展、社会的稳定起着至关重要的作用。从长远角度来看，巨大的页岩气资源正在改变世界油气供应格局。

姜振学教授等在科研实践的基础上，撰写的《中国典型海相和陆相页岩储层孔隙结构及含气性》一书，抓住页岩气勘探和开发的两个关键问题：孔隙结构与含气性。前者是页岩气富集的关键，后者是页岩气能否开发的基础。书中着重阐述页岩纳米级孔隙结构特征，明显不同于常规油气储层的微米级孔隙的研究尺度、研究方法和技术手段，书中采用当前的先进技术，达到从定性到定量多尺度的全孔径表征。此外，关于页岩储层含气性，该书结合野外现场评价和实验室评价技术，达成对页岩含气性的全面评价。而且在掌控典型盆地地质背景和储层基本特征的基础上，研究典型地区的页岩储层孔隙结构特征，进而评价其含气性，具有层层递进的关系，并对其研究现状、实验基本原理、应用等方面进行了翔实的阐述，可读性较强。

页岩储层孔隙结构特征及主控因素

1、海相页岩孔隙结构特征及主控因素

下古生界牛蹄塘组页岩中粒间孔、粒内孔和有机质孔等孔隙类型均发育，且粒间孔最为发育，其中以黏土矿物层间孔最多，粒间孔多呈现椭圆状或不规则状，以纳米级孔隙为主，孔径多数小于400nm，连通性较差。粒内孔中石英、长石溶蚀孔最为发育，多呈现椭圆状或不规则状，以纳米级孔隙为主，孔径多数小于250nm，连通性较差。有机质孔数量少，孔径小，多在5~150nm，形状多呈狭长缝状等不规则形状，连通性差，大量有机质内部没有孔隙存在，有机质孔隙之间发育相对孤立、分散，导致有机质孔连通性较差。下古生界牛蹄塘组页岩的中孔对孔体积的贡献较大，其次为宏孔，微孔的贡献率最低。但微孔提供了主要的比表面积，其次为中孔，宏孔基本上对比表面积没有贡献。

下古生界牛蹄塘组页岩孔隙结构受有机质、热演化程度和矿物组成控制作用明显。微孔与的相关性最好，中孔孔体积和比表面积也具有一定的相关性，宏孔孔体积以及比表面积与TOC的相关性较差，因此有机质含量对微孔孔隙发育具有主导作用。Ro越大（热演化程度越高），微孔和中孔的孔体积以及比表面积也随之增大，宏孔随成熟度的变化不太明显，表明随着页岩热演化程度的升高，干酪根生烃形成了有机质孔隙，黏土矿物转化成了大量的黏土矿物无机孔，这些孔隙贡献了数量可观的孔体积和比表面积。石英含量对孔隙具有一定的积极作用，方解石溶蚀孔提供了一部分的微-纳米孔，碳酸盐岩矿物充填原生孔隙，在一定程度上抑制了页岩孔隙发育。

下古生界五峰组—龙马溪组页岩内部主要的微孔隙以原生晶间孔、粒间孔、次生晶间孔及有机质孔隙为主，特别是有机质孔隙十分发育。有机质孔多呈现椭圆状、片麻状或不规则多边形，直径多在5~200nm，孔隙之间发育较为连续，具有一定的连通性。粒间孔多呈现狭缝形、楔形或圆筒状，粒间孔的孔径大小不等，多以微米级为主，孔径在0.5~2μm，连通性一般。粒内溶蚀孔隙多呈现椭圆状或不规则状，以微、纳米级孔隙为主，孔径多数小于400nm，孔隙发育于一个或几个矿物颗粒之上，连通性相比牛蹄塘组更好。

五峰组—龙马溪组页岩孔隙的孔体积在微孔、中孔和宏孔中均比较发育。微孔、中孔和宏孔均有可能在总孔体积中占主导地位。中孔对页岩孔体积的贡献最大，其次是微孔，宏孔的贡献率最低。

下古生界五峰组—龙马溪组页岩中有机质对宏孔作用相对较小，对总孔有积极的作用，对微孔和中孔体积具有促进作用，对宏孔体积的发育具有抑制作用，对页岩总孔体积起抑制作用。有机质对微孔和中孔比表面积具有促进作用，对宏孔的比表面积发育具有抑制作用。因此，有机质是页岩微孔和中孔结构特征的主要影响因素之一。五峰组—龙马溪组页岩的热演化程度较为适中，介于2%~3%，有机质正处于纳米孔大量发育阶段，黏土矿物成分以伊利石和伊-蒙混层为主，导致了孔隙结构较好。脆性矿物对页岩孔体积的发育具有促进作用。页岩宏孔体积与黏土矿物呈一定的正相关关系，反映了因黏土矿物增加导致的孔体积的变化量大于因有机质减少导致的孔体积的变化量。

2、陆相页岩孔隙结构特征及主控因素

中生界延长组页岩粒间孔主要发育在石英、长石等碎屑颗粒之间的孔隙，孔隙形状多为不规则的三角形、多边形和狭缝形。次生溶蚀孔隙在页岩微观储集空间组成中占有重要地位，大小在几百纳米至几微米，是页岩储层中孔隙直径较大的微观孔隙类型。有机质孔隙发育较为常见，孔隙的形态成多样性，有圆形、椭圆形、三角形、长条形或者不规则形，由于孔隙的堆叠导致孔隙直径变化也较大，从几纳米至几百纳米均有分布。黏土质页岩孔隙孔径整体偏小，孔隙连通性整体较好，具有平行壁的狭缝状孔隙和墨水瓶型孔隙相对发育，10~40nm的中孔提供了主要的中孔体积，2~4nm的中孔提供了主要的中孔比表面积，小于0.6nm的微孔提供了主要的微孔孔体积和比表面积。与黏土质页岩不同，混合质页岩孔隙孔径整体要偏大一些，孔隙连通性较差，楔形狭缝状孔隙相对较发育，墨水瓶型孔隙发育较少，10~40nm的中孔提供了主要的中孔体积，但提供中孔比表面积的孔隙孔径分布较分散，同样是小于0.6nm的微孔提供主要的微孔体积和比表面积。

中生界延长组页岩成熟度不高，约0.8%~1.2%，虽然也产生了一定量的有机酸，形成了一些溶蚀孔隙，但有机碳含量高，高含量、低成熟度的有机质反而堵塞了部分孔隙，使得孔隙度随着TOC丰度的增加而减小。延长组页岩已处在钾长石溶蚀阶段，溶蚀钾长石越多，K⁺相对多，使得蒙皂石向伊-蒙混层转化，而不是绿蒙混层。由钾长石到伊利石是体积减小的反应，表明延长组页岩更多的向此反应进行。SiO₂的生成对碎屑石英的溶蚀起到了抑制作用。石英等碎屑颗粒起到了骨架支撑作用，保留了一定的原生孔隙。自生的石英、黄铁矿等矿物也对孔隙度做出了贡献。

新生界干柴沟组页岩发育有有机质孔、粒间孔和粒内孔等多种类型的孔隙。页岩矿物转化形成的孔隙在石英、黏土矿物、芒硝、盐等矿物晶体间都广泛发育，孔隙直径一般在几十纳米至几百纳米不等。粒内孔的类型主要为泥粒内孔隙。有机质孔不多见，孔径多为几十纳米至几百纳米。页岩储层孔隙结构划分出开放型孔隙和封闭型孔隙两大类。页岩孔隙体积中，以中孔体积为主，宏孔体积次之，微孔体积最小。页岩比表面积也主要集中在中孔，其次是微孔和宏孔。由此可见，在下干柴沟组页岩储层中，中孔提供了主要的孔隙体积空间和孔比表面积，微孔提供的孔隙体积空间虽比宏孔小，但其孔比表面积所占比例较宏孔大。

页岩储层含气性特征及主控因素

1、海相页岩含气性特征及主控因素

下古生界牛蹄塘组页岩含气性区域差异较大，川东南地区牛蹄塘组页岩的解吸气含量普遍低于川东北地区牛蹄塘组页岩的解吸气含量。四川盆地YDB-5井下古生界牛蹄塘组页岩的最大吸附量介于1.52~4.67m³/t，平均2.67m³/t，反映出页岩地层整体的吸附能力较强。储层温压下吸附量介于0.41~1.25m³/t，平均0.80m³/t，远低于最大吸附量。游离气含量介于0.01~0.53m³/t，平均0.18m³/t。游离气含量占总气量1.0%~56.4%，平均19.0%。牛蹄塘组页岩游离气含量较低，游离气含量占总含气量比较小，牛蹄塘组页岩以吸附气为主，这也是高演化页岩至今仍能够含气的主要原因。

下古生界牛蹄塘组页岩吸附能力的影响因素较多，有机碳含量是页岩吸附气量的主控因素，两者具有很好的正相关性。页岩中小孔（孔径<11nm）越多，越有利于吸附气的赋存。随比表面的增加，页岩中吸附气比例明显增加，表明比表面对吸附气具有明显的控制作用。牛蹄塘组页岩具有随着温度的升高吸附气量降低、随着压力的增加吸附气量增加的特点。页岩的吸附气含量随有机质含量的增加而增加，但吸附气量和黏土矿物总量呈负相关关系。页岩中游离气比例与吸附能力负相关，反映了页岩吸附能力越强，游离气越容易转换为吸附气，从而降低游离气的比例。页岩中游离气比例与大孔的比例具有较好的正相关关系，表明大孔越多越有利于游离气的赋存。页岩中游离气比例与总孔体积呈负相关关系，表明孔隙越发育，越不利于游离气的存在，在漫长的地质历史时期中游离气更容易逸散掉。

下古生界五峰组—龙马溪组页岩气在四川盆地的分布具有较强的非均质性。吸附气含量在1.77~4.39m³/t，平均为3.05m³/t，表明下古生界五峰组—龙马溪组具有较强的页岩气原始吸附能力。在抬升的过程中，富有机质页岩的吸附能力随温度和压力下降而增加。页岩气在构造抬升的过程中，一部分游离气散失，导致现今气藏为不饱和吸附气藏。在有机质丰度高值（TOC>2%）分布区，总含气量值仍然大于1m³/t，表明仍具有较大的含气量潜力。

下古生界五峰组—龙马溪组吸附气含量与TOC值呈明显的正相关关系，页岩吸附气含量随着TOC含量的增加而增加。五峰组—龙马溪组页岩大部分R_o值大于2.0%，表明页岩整体上处于过成熟阶段。高过成熟作用形成了大量的有机孔隙和无机矿物孔隙，有利于页岩气的富集，为页岩气保存提供了重要的储存空间。吸附气含量与石英含量呈较明显的正相关关系，与石英+长石含量、碳酸盐岩含量和脆性矿物含量相关性不明显。吸附气含量和黏土矿物和伊利石矿物含量没有明显的相关性，吸附气含量与绿泥石含量呈弱的负相关性，吸附气含量与伊-蒙混层呈弱的正相关关系。吸附气含量随孔隙度的增加而减少，呈较明显的负相关关系。而渗透率与吸附气含量的相关性不是很明显。游离气含量随有效孔隙度的增加而增加，具有一定的正相关关系，而与渗透率的相关性不明显，说明宏观孔隙及裂缝提供了游离气赋存的空间，因此孔隙度是影响游离气含量的重要因素。

2、陆相页岩含气性特征及主控因素

中生界延长组页岩含气性较好，总含气量在2.0~6.0m³/t，主要以吸附气为主，其比例较高，可达39%～83%，平均为70%。其次为游离气，其比例为5%～53%，平均为20%。油溶气比例平均在10%左右。鄂尔多斯盆地中生界延长组页岩气以吸附气为主，这与延长组页岩的孔隙度较低有关，存在的原生孔隙系统主要是由十分细小的孔隙组成，存在较高的比表面积，提供较多的吸附位点，可吸附大量的气体。最大吸附气量介于2.47~5.23m³/t，平均为3.96m³/t，且实验结果的兰氏压力都比较低，表明延长组页岩具有较强的甲烷吸附能力。地层吸附气量介于1.55~4.00m³/t，平均为2.95m³/t，表明延长组页岩具有较大的吸附气量。游离气量介于0.1~1.0m³/t，平均为0.7m³/t，表明延长组页岩具有较低的游离气量，这与延长组页岩具有较低的孔隙度（平均为1.81%）和较低的含气饱和度（平均为30%）有关。溶解气量介于0.056~0.525m³/t，平均0.319m³/t，占总气量2.5%~13.1%，平均8.2%。溶解气量占总气量比例较大。

中生界延长组页岩吸附气量的影响因素众多。吸附气量与TOC和比表面积呈现正相关关系，与含水饱和度呈现负相关关系，而与石英含量、黏土含量、Tmax、S₁+S₂、孔隙度等相关性不明显。因此，吸附气量主要受控于有机碳含量和含水饱和度。游离气量与孔隙度、含气饱和度呈现良好的正相关关系，与TOC关系不明显。因此，游离气的主控因素是孔隙度和含气饱和度。油溶气的含量与残余油含量、压力、天然气相对密度呈正相关关系，与温度、原油相对密度、埋深程负相关关系。其中埋藏深度是一个综合的因素，随着埋藏深度的增加，天然气的相对密度、原油的相对密度、温度和压力都在变化，而随着埋藏深度的增加，油溶气的含气量减小。油溶气含量的主控因素为：残留油含量S1、天然气的相对密度、原油的相对密度、温度和压力。

新生界干柴沟组页岩吸附态页岩气含量介于1.06~3.59m³/t，平均2.14m³/t。游离态页岩气含量介于0.63~2.32m³/t，平均1.63m³/t。溶解态页岩气含量介于0.03~0.24m³/t，平均0.10m³/t。吸附气含量较高，为43%~80%，平均59%。其次为游离气，其含量为14%~56%，平均38%。油溶气含量平均在3%。因此，新生界干柴沟组页岩气以吸附气为主。

新生界干柴沟组页岩吸附气量与有机碳含量、生烃潜量、氯仿沥青“A”含量和总烃含量间都有明显的正相关关系，在有机碳含量较大时，黏土矿物的吸附能力受到一定的遏制，而当有机碳含量变小时，黏土矿物的吸附能力则在一定程度上得到了释放。随着成岩作用的演化，页岩的吸附能力在加强。吸附气量整体上与总孔体积和总孔比表面间显示为负相关关系。地层压力与页岩的吸附能力呈正相关关系，温度则与吸附气量呈一个明显的负相关关系。页岩的孔隙体积越大，所含游离气含量就越高。页岩储层的渗透率较大，其中供游离态页岩气储集的空间也较大。在一定温度内，压力的增加会使游离气含量平稳增大。因此，孔隙结构和孔隙体积、储层温压等均可影响游离态页岩气的含量。页岩中水溶气量的大小主要取决下列因素：孔隙度、含水饱和度、温度、压力、水矿化度以及烃组分性质。温度、压力、水矿化度的影响主要表现在烃在水中的溶解度上。随着温度、压力的增加和水矿化度的降低，气在水中的溶解度一直增大。页岩中油溶气量的大小主要取决于下列因素：孔隙度、含油饱和度、温度、压力、油密度以及烃气组分特征。温度、压力和油密度的影响主要表现在烃气的油溶解度上。随着温度、压力的增加和原油密度的降低，气在油中的溶解度整体上是增大的。

新生界第四系页岩样品饱和吸附气量多介于0.79m³/t到1.5m³/t之间，分布极少且以薄层状分布的黑色碳质页岩其饱和吸附气量可达3.32m³/t，表明新生界第四系页岩吸附能力较差。游离气含量为0.124~7.461m³/t，其中棕色泥质岩游离气含量为0.686~7.461m³/t，主要为4.932~7.461m³/t，游离气含量很大。碳质页岩游离气含量为1.469~2.013m³/t，灰色泥质岩游离气含量为0.124~4.798m³/t，主要为0.124~2.734m³/t，游离气含量低。溶解气含气量具有随深度溶解气量逐渐增多的特点，含气量为0.164~0.255m³/t，与吸附气与游离气相比，含量较少。

新生界第四系页岩吸附气量与有机碳含量呈正相关关系。在有机碳含量较低时，黏土矿物对页岩吸附气含量的影响就较大。页岩压力在达到一个临界值以前，吸附气量随着压力的增加而增加的幅度很明显，当达到这个临界值以后，吸附气量增加的幅度变得不明显。因此，目的层压力对吸附气含量的影响不大，而主要受到温度的影响。新生界第四系页岩孔隙中的游离气含量取决于它的生烃量和排烃量。第四系页岩的甲烷累计产率达到了17.9m³/t，为游离气赋存提供了丰厚的物质基础。在相同的生烃条件下，排烃量越低，最后赋存在页岩中的游离气量就高。页岩中水溶气量的大小主要取决温度、压力和地层水矿化度，随着温度、压力的增加和地层水矿化度（Xk）的降低，气在水中的溶解度逐渐增大。

本文摘编自姜振学  唐相路  李卓  程礼军  原园著《中国典型海相和陆相页岩储层孔隙结构及含气性》文前及第六章，内容有删减。

中国典型海相和陆相页岩储层孔隙结构及含气性

姜振学  唐相路  李卓  程礼军  原园 著

责任编辑：吴凡洁  冯晓利

北京：科学出版社 2018.06

ISBN：978-7-03-057663-7

《中国典型海相和陆相页岩储层孔隙结构及含气性》通过中国四川盆地、鄂尔多斯盆地和柴达木盆地等典型的页岩气盆地，开展了页岩储层孔隙结构和含气性的研究。在孔隙结构方面，通过FIB-SEM和纳米CT等技术定性和定量的分析了页岩孔隙形貌特征，通过气体吸附和高压压汞等技术定量分析了页岩孔隙分布特征，并对比了海相页岩和陆相页岩孔隙结构的差异。在含气性方面，通过现场解吸和残余气测试技术等分析了页岩损失气、解吸气和残余气等特征，通过等温吸附和He测孔隙度等技术分析了页岩吸附气、游离气和溶解气等特征，并对比了海相和陆相页岩含气性的差异。本书在页岩孔隙结构和含气性方面揭示了许多新现象、新内容，并提出了许多新认识、新见解。

（本期编辑：安静）

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