0 引言
页岩气作为一种重要的非常规油气，具有自生自储的特点。微观孔隙结构对页岩气富集和成藏意义重大，主要为页岩气气体提供吸附、储集空间，决定了页岩储层的储集性能和吸附性能［1-2］。因此，开展页岩储集空间发育特征的研究对于页岩气勘探开发具有重要意义。我国海、陆相页岩分布面积广、厚度大，普遍具有埋藏深、成熟度高、生烃能力强、油气显示活跃等特征。油气资源调查资料显示，我国页岩气资源总量约为（23~100）×1012 m3，具有巨大的勘探潜力。四川盆地页岩气资源量丰富，具有上震旦统陡山沱组、下寒武统筇竹寺组（牛蹄塘组、九老洞组）、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组等多套富含有机质的页岩层系，近年来已成为我国现阶段页岩气勘探开发示范区［3-6］。西昌盆地位于四川盆地西南部，东至峨边断裂，西至安宁河断裂，北至大渡河断裂，南至则木河断裂，为南北向的狭长构造盆地，面积约为16 000 km2。作为页岩气勘探开发远景区，目前勘探开发程度较低。新基姑、金阳和雷波野外露头显示龙马溪组页岩发育［7］，黑色页岩主要分布在龙马溪组下部。随着喜德1井、普格1井、七坝1井［8］等钻井揭示，盆地广泛发育下志留统龙马溪组富有机质泥页岩层段，表明了该区具有较好的页岩气勘探开发潜力［9-11］。富有机质泥页岩由于其物质成分粒度细小，发育的微纳米级储集空间是其具备优质储集能力与开发产能的关键。微纳米级孔隙结构及孔隙网络发育特征的研究也是页岩气地质研究的热点与难点之一，孔隙类型、形貌特征、发育尺度、孔径分布等孔隙结构特征参数发育特征是影响页岩气富集、赋存、运移的关键因素，也是页岩储层表征与评价的基本内容。前人虽然针对西昌盆地构造演化、油气保存条件、沉积相分布特征、烃源岩油气潜力分布特征以及勘探开发前景等进行了研究，但针对盆地内龙马溪组泥页岩的微观储集空间发育特征的研究相对较少。
前人在对泥页岩储集空间进行表征时，多采用扫描电镜观察分析法和气体吸附—脱附测试分析法。在进行气体吸附—脱附实验时，选用不同的吸附气体，会由于气体分子横截面积、大小、岩石孔隙连通性以及测量温度的不同，测试结果也会有一定的差异。目前国内外学者大多采用氮气作为吸附气体，但是从氮气吸附—脱附测试结果可知，当相对压力处于10-7~10-5区间时，氮气分子会填充孔径为0.5~1 nm的孔隙，气体的扩散速度和吸附平衡速率受充注压力影响较大，当相对压力较低时，部分氮气分子进入微孔受限，氮气分子在多孔介质中的吸附和扩散速率也很慢，使得表征结果误差较大；同时当相对压力接近于1，测试样品孔径>50 nm时，大孔范围内无法获得详细的吸附等温线，所以液氮吸附法测量孔隙半径上限为50 nm［12-14］。氩气（Ar）作为一种单原子惰性气体，其对称电子壳层结构不同于氮气（N2），氩气（Ar）沸点相对较高（-185.88 ℃），氩气（Ar）物理吸附等温线可以提供更为细致的吸附细节，在未达到气体沸点时，氩气（Ar）分子析出速率明显高于氮气（N2）分子在-196.15 ℃时的析出速率，说明在更高的相对压力下，孔填充更容易发生；此外由于氮气（N2）不是球型分子，当材料含有大量微孔时，吸附在孔中的氮气（N2）会和孔壁发生四极矩作用，从而影响其他的脱吸附，相对来说，球形的氩气（Ar）分子更适合做微孔样品的分析；用氩气（Ar）开展气体吸附测试时P/P 0值比氮气（N2）高2个数量级，同样的测试速度与测试精度，氩气（Ar）吸附测试与氮气（N2）吸附测试相比，对仪器的性能要求更低，因此本文测试选取氩气（Ar）为吸附气体。
本文研究基于西昌盆地 B1井钻井资料，结合氩离子抛光和高分辨率扫描电镜、氩气（Ar）吸附—脱附测试等技术手段对龙马溪组页岩的储集空间分布类型及结构特征进行分析，为进一步开展油气勘探评价提供决策依据。
1 区域地质与勘探概况
西昌盆地位于扬子准地台西南缘，在燕山—喜马拉雅运动期盆地经历多期次构造运动形成了当前多个次级构造残余盆地。盆地的局部构造多是在盆地烃源岩已大量生成油气之后定型的（图1）。盆地内各时代地层均有发育，分布广泛。盆地内下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组与下伏临湘组呈平行不整合接触，平面上在普格—喜德—曾雄一线以东地区广泛分布，厚度达86.6~388 m，由西向东地层厚度逐渐增厚，主要为一套外陆棚相含笔石的黑色钙质泥页岩和粉砂质泥页岩夹粉砂岩、灰岩透镜体和薄层，泥页岩中整体粉砂质和钙质含量较高，具有浅海相沉积的特点。依据岩性分布的差异性，龙马溪组可划分为上、下2段，纵向上龙马溪组上段整体钙质含量较高，下段岩性在平面上分布具有一定的差异性，从西到东岩性由粉砂岩与泥岩互层、灰岩与泥页岩互层过渡为炭质泥页岩、含钙泥页岩［7，10，15-17］。
2 样品及实验测试
2.1 样品介绍
B1井位于西昌盆地龙恩河箱状向斜南段，属空白勘探区。B1井钻遇下志留统龙马溪组深度段为2 747~3 050 m（厚度为303 m），在3 006~3 055 m段有气测异常显示。借鉴四川盆地龙马溪组主力产层为龙马溪组1段，本文对应取样共计6个样品，取样深度平均间距约2 m（样品深度详见表1）。采用X射线衍射全岩和黏土矿物测试可知，样品矿物成分组成以黏土矿物为主，含量分布在31%~54%之间，平均为43%，其次为石英、长石等脆性矿物，其中石英矿物含量分布在9%~32%之间，平均为22%，分布少量碳酸盐矿物，主要为白云石和方解石，平均含量分别为15%、13%。测试样品显微组分类型以I型为主，多为无定形沥青质体。有机碳含量介于1.79%~3.02%之间，均值为2.32%，镜质体反射率R O平均值达到2.56%，热演化程度极高；处于过成熟阶段，以生成天然气为主。孔隙度相对较高，分布范围为2.01%~7.57%，平均为5.03%（表1）。
表1 B1井龙马溪组样品基本信息Table 1 Basic information of Longmaxi Formation samples in Well B1 |
| 样品 编号 | 层位 | 深度/m | 岩性 | 总有机碳/% | 孔隙度/% | 石英/% | 长石/% | 方解石/% | 白云石/% | 黏土矿物/% | 其他/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1# | 龙 马 溪 组 | 3 027.40~3 027.65 | 页岩 | 3.02 | 7.57 | 32 | 6 | 6 | 11 | 31 | 14 |
| 2# | 3 028.02~3 028.26 | 页岩 | 2.39 | 6.89 | 28 | 4 | 7 | 19 | 39 | 3 | |
| 3# | 3 028.60~3 028.86 | 页岩 | 2.25 | 5.70 | 29 | 6 | 11 | 14 | 36 | 4 | |
| 4# | 3 031.04 | 页岩 | 1.94 | 2.01 | 24 | 1 | 15 | 7 | 51 | 2 | |
| 5# | 3 036.74 | 页岩 | 1.79 | 3.69 | 9 | 1 | 20 | 14 | 54 | 2 | |
| 6# | 3 038.77 | 页岩 | 2.51 | 4.29 | 9 | 3 | 17 | 24 | 44 | 3 |
2.2 实验测试方法
本文研究分别采用氩离子抛光扫描电镜以及氩气（Ar）吸附—脱附实验对样品储集空间发育特征进行测试分析。氩离子抛光扫描电镜方法是将页岩样品切割后使用Gatan 685氩离子抛光仪进行表面抛光处理，接下来使用Ted pella离子溅射仪喷金处理，最后参照《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》（SY/T5162—2014）在ZEISS sigma300扫描电子显微镜下观察。氩气（Ar）吸附—脱附实验是参照《岩石比表面和孔径分布测定（静态吸附容量法）方法》（SY/T 6154—2019）及《气体吸附BET法测定固态物质比表面积方法》（GB/T 19587—2017）在ASAP 2460型全自动比表面和孔径分析仪上测定完成，方法是将碎好的页岩样品（粒径为0.25~0.425 mm）在105 ℃温度条件下进行真空脱气后，将氩气（Ar）在等温条件下（-186.15 ℃）注入样品，记录不同压力下氩气（Ar）在岩石表面的吸附量，并采用不同气体吸附理论模型（BET、DFT等）计算岩石样品的比表面积、孔体积及孔隙直径分布等参数分布情况。
3 页岩储集空间分布特征
3.1 基于SEM观察的储集空间分布特征
结合氩离子抛光和高分辨率扫描电镜观察，可知西昌盆地B1井龙马溪组页岩样品中孔隙发育，依据不同储集空间发育位置、成因及形态等，可将样品的储集空间分为四大类：有机质孔隙、粒内（溶）孔隙、粒间（溶）孔隙以及微裂缝（隙）。
扫描电镜下观察到， B1井龙马溪组页岩中粒间孔主要分布在黄铁矿晶体间、石英等脆性矿物以及黏土矿物之间，包括原生粒间孔和溶蚀孔。其中石英等脆性矿物以及黏土矿物之间的孔隙发育，这类孔隙的发育形态受矿物堆积形式及压实作用影响较大，石英、长石等脆性矿物抗压实能力较强，对应粒间孔隙呈多边形分布，而黏土矿物等塑性矿物多发生弯曲，使得其粒间孔隙多呈片状或狭缝状分布［图2（a），图2（b）］；黄铁矿晶体间孔隙比较常见，受黄铁矿晶体自生长过程的影响，该类孔隙形态多为不规则状［图2（c）］；还有部分粒间孔隙发育在菱铁矿、白云石等碳酸盐矿物的边缘，受溶蚀作用影响这种粒间孔隙常为不规则状。粒内孔在B1井龙马溪组页岩内主要有2种类型：第1类粒内孔是白云石、方解石、菱铁矿等碳酸盐矿物颗粒内因溶蚀作用形成的粒内溶孔［图2（d）］，这类孔隙通常为圆形或椭圆形独立分布，孔隙直径相对较小，为微纳米级；第2类粒内孔与黏土矿物有关，主要分布在片状伊利石、绿泥石集合体之间，孔隙形状常以狭缝型为主［图2（e）］，孔隙形态受黏土矿物分布形态影响较大，这类孔隙不仅可以作为页岩气气体渗流的通道，而且由于黏土矿物本身也有一定的吸附性，黏土矿物内的孔隙可为页岩气提供吸附及储集空间。
图2 B1井龙马溪组页岩样品储集空间发育特征（a）片状伊利石、绿泥石集合体与发育孔隙的有机质相间分布，组分间隙发育（20 000×）；（b）长柱状石英发育少量粒内孔（1 400×）；（c）草莓状黄铁矿发育晶间孔（8 500×）；（d）长条状磷灰石、微粒状方解石等相间分布，发育少量溶蚀孔（600×）；（e）微粒状方解石、白云石发育溶蚀孔，微晶石英（硅质）、黏土矿物、有机质等相间分布（1 000×）；（f）碎片状有机质发育少量孔缝（3 000×）；（g）有机质充填于圆环状黄铁矿中，孔缝发育（4 000×）；（h）填隙状有机质孔隙极为发育（12 040×）；（i）填隙状有机质发育孔径不一的孔隙（14 000×）；（j）片状伊利石集合体发育层间缝、微裂隙（14 000×）；（k）伊/蒙混层集合体发育层间缝（12 000×）；（l）微晶石英、片状绿泥石集合体、发育孔隙的有机质相间分布（6 500×）；图中矿物标记：Qtz石英；Cal方解石；Dol白云石；Chl绿泥石；Py黄铁矿； Om有机质；Ap磷灰石；Ill伊利石；I/S伊/蒙混层 Fig.2 Development characteristics of reservoir space of Longmaxi Formation shale samples in Well B1 |
3.2 基于氩气吸附测试的储集空间分布特征
根据气体等温吸附—脱附曲线特征，选取适宜的理论模型来计算测试样品的孔径、比表面积等孔隙结构特征参数。不同的理论和模型原理不同，计算结果有一定的差异。密度泛函DFT模型作为当代最为先进的微介孔材料的孔径分布计算方法，广泛用于多孔材料的气体吸附表征中［19-20］。本文研究选取DFT模型对氩气吸附曲线数据进行处理，得到西昌盆地B1井龙马溪组页岩孔隙结构参数。根据实验结果（表2）统计不同孔径范围的孔隙对样品比表面积和比孔容的贡献，西昌盆地B1井龙马溪组页岩样品总比表面积为5.011 3~9.372 9 m2/g，平均为6.482 2 m2/g；比孔容为0.007 1~0.017 8 cm3/g，平均为0.010 4 cm3/g；平均孔隙直径为6.789 8 nm。采用孔径与阶段孔体积的分布曲线（D—dV/ dLogD）来表征不同样品中孔隙的分布情况，从图4可以看出，气体吸附表征的孔隙其直径主体分布在1 nm以下的微孔和2~50 nm之间的介孔，呈“双峰”特征分布。
表2 基于氩气吸附实验的样品孔隙结构参数Table 2 Argon adsorption experiment pore structure parameters of samples |
| 样品 编号 | 平均孔隙 直径/nm | 总比表面积 /（m²/g） | 总比孔容 /（cm³/g） | 微孔（<2 nm） | 介孔（2~50 nm） | 大孔（50~300 nm） | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 比表面积 /（m²/g） | 比孔容 /（cm³/g） | 比表面积 /（m²/g） | 孔体积 /（cm³/g） | 比表面积 /（m²/g） | 比孔容 /（cm³/g） | ||||
| 1# | 6.770 9 | 9.372 9 | 0.017 8 | 5.916 0 | 0.003 2 | 3.400 1 | 0.010 9 | 0.056 8 | 0.003 7 |
| 2# | 6.633 6 | 5.345 3 | 0.007 9 | 3.740 3 | 0.002 0 | 1.584 9 | 0.005 2 | 0.020 1 | 0.000 7 |
| 3# | 7.019 0 | 5.345 3 | 0.007 9 | 3.740 3 | 0.002 0 | 1.584 9 | 0.005 2 | 0.020 1 | 0.000 7 |
| 4# | 7.036 0 | 5.011 3 | 0.007 1 | 3.375 5 | 0.001 8 | 1.620 8 | 0.004 8 | 0.015 0 | 0.000 5 |
| 5# | 6.884 4 | 7.788 3 | 0.011 5 | 5.232 4 | 0.002 9 | 2.532 6 | 0.007 8 | 0.023 4 | 0.000 8 |
| 6# | 6.394 7 | 6.029 9 | 0.010 4 | 3.799 7 | 0.002 4 | 2.216 4 | 0.007 6 | 0.013 8 | 0.000 5 |
图5 B1井龙马溪组页岩样品孔隙比表面积、比孔容分布情况Fig.5 Distribution of different pore specific surface areas and specific pore volumes of Longmaxi Formation shale samples in Well B1 |
4 储集空间发育影响因素分析
取对数之后：
式中：V 为在压力P时的吸附量，m3 /t；V m为单层吸附量，m3/t；R为气体常数，J/（mol·K）；T为绝对温度，K；P 0为Ar在温度T时的饱和蒸气压，MPa；C为特征常数；α为与分形维数和吸附机制相关的参数。
截取测试样品P/P 0∈［0.45，0.85］的氩气吸附曲线数据，利用Ln（V）对Ln［Ln（P 0/P）］作曲线，根据拟合直线的斜率值计算出对应的分形维数（图7），结果可知不同测试样品的分形维数D相差不大但接近3，平均约为2.785，这也说明样品中孔隙分布均具有较强的非均质性。
统计总有机碳含量及不同矿物含量与分形维数之间关系可知，总有机碳含量及脆性矿物含量与样品的分形维数、比表面积及比孔容等孔隙结构特征参数均呈正相关关系［图8（a）—图8（d）］，说明有机质孔隙及脆性矿物粒间（内）孔隙相对比较发育，且孔隙形态不均一，非均质性较强，有利于吸附气赋存。分析原因如下：①有机质作为有机孔隙发育的主要赋存介质，总有机碳含量越高，有机质孔隙就越发育，样品中总有机碳含量平均为2.52%，有利于孔隙发育。扫描电镜下观察不同有机质孔隙形态差异较大，有呈圆形、椭圆形、不规则状以及狭缝形等，其内部结构发育复杂，非均质性较强，有机质孔隙的发育在一定程度上增加了样品中比表面积和比孔容等孔隙结构参数的分布，从而有利于页岩气的吸附和储存，对页岩气富集起积极贡献作用［22］；②前人研究成果表明有机质成熟度在0.9%~3.0%范围时，有机质成熟度越高，有机质孔隙也越发育［23］，样品干酪根镜质体反射率（R O）平均值达到2.56%，显示热演化程度极高，有利于孔隙的形成与演化，另外有机质热演化过程中产生的有机酸在一定程度上有利于粒间（内）溶蚀孔隙的形成；③脆性矿物发育的样品具有较强的压实能力，部分粒内孔及粒间孔等原生孔隙保存，对储集空间的发育和保存起积极贡献作用。
5 结论
（1）应用高分辨率扫描电镜及低温氩气（Ar）吸附—脱附测试实现“定性+定量”表征西昌盆地B1井储集空间全孔径范围内的分布特征。西昌盆地B1井龙马溪组页岩储集空间以有机质孔隙为主，部分为粒内（溶）孔隙、粒间（溶）孔隙。氩气吸附—脱附测试结果表明，样品中孔隙以墨水瓶状为主，部分为狭缝状，孔隙直径主体分布在1 nm以下的微孔和2~50 nm的介孔中，呈“双峰”特征。孔隙结构特征参数分形维数为 2.75~2.81，显示出非均质性较强。
（2）总有机碳（TOC）含量和脆性矿物含量与样品的孔隙度、比表面积、比孔容以及分形维数等孔隙结构特征参数均呈正相关性；样品中总有机碳含量平均为2.32%，成熟度达2.56%，生烃潜力较好，有利于有机质孔隙的发育，其次有机质热演化过程中产生的有机酸在一定程度上有利于粒间（内）溶孔的发育；脆性矿物发育的样品具有较强的压实能力，部分粒内孔及粒间孔等原生孔隙保存，对储集空间的发育和保存起积极贡献作用。
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