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页岩气研究中，页岩孔隙结构及多层吸附模型等方面的研究
摘要：页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附态或游离态为主要赋存方式的非常规天然气。页岩孔隙结构复杂，一般以纳米孔隙占优势，用常规储层孔隙的表征方法难以解释美国的高产页岩气系统。因此，页岩纳米孔隙的表征成为制约页岩气资源评价的关键因素。本文对目前国内外含气页岩孔隙分类进行了讨论及对孔隙结构特征进行了综述，孔隙表征从定性及定量的角度对表征方法进行归类和总结，对多层吸附模型进行了简单讨论。
关键词：页岩；纳米孔隙；孔隙分类；吸附模型 引言 近年来，随着北美地区页岩气成功勘探开发，页岩气已成为世界非常规资源勘探开发的热点。页岩气主要以吸附和游离状态赋存于页岩中，吸附态页岩气存在于有机质和黏土矿物表面，游离态页岩气存在于孔隙和裂隙中，还有少量溶解于液态烃和水中的溶解态页岩气。因此，页岩不仅能作为烃源岩和盖层，还
能成为储层。页岩作为一种超致密油气储层，其孔隙远远小于常规的砂岩储层和碳酸盐储层。孔径大小达到纳米量级［1］。
1 研究现状 1.1 国外研究现状 在北美页岩气成功商业开发之前，泥页岩一般被当作烃源岩进行研究，将其作为储集岩的研究相对较少。孔隙结构是从微观上描述储集岩的储渗性质。近几年，国内外利用压汞、低压氮气吸附、扫描电镜等多种手段研究了页岩微观孔隙结构特征，并对比分析了不同孔隙结构特征下的甲烷吸附能力与扩散、渗流特征，以确定页岩气成藏与气井产量的主控因素。在页岩孔隙类型划分的基础之上，初步建立了页岩气储集空间的定量表征模型，并利用聚类分析，以某种数学模型确定了含气量影响因素的亲疏关系。
1.2 国内研究现状 我国页岩气的研究受美国页岩气勘探开发成功的激励，中国开展了大量的页岩气勘探和研究［2］，并已在多个盆地的页岩层系中取得了重大突破。中国中新生代陆相盆地发育，形成了相当可观的陆相油气聚集，并长期支撑了中国的油气产业，也为今后的页岩气勘探开发打下了良好的基础。中国页岩气勘探实践表明，在已被证实的、具有工业可采价值的页岩气区块中，湖相沉积的陆相页岩占有重要地位。要对页岩气储层的含气性和产能进行评价，认识并准确获得页岩的孔隙结构和孔渗物性十分重要。页岩的孔隙结构特征不仅直接控制了页岩自身的储渗能力，而且决定了页岩气的赋存相态，也影响着页岩的力学性质［2］。
目前对于页岩孔隙结构的研究和认识主要基于室内岩心样品的微—纳米观测分析测试结果。根据前人海相页岩的研究成果，不同页岩层系的主导孔隙类型不同，如在成熟度较高的 Barnett 页岩主要发育有机质孔，而 Haynesville 页岩、Marcellus 页岩中则主要发育无机矿物组成的粒间孔。随着相关研究的不断深入，页岩孔隙结构的非均一性逐渐被发现并得到重视，Chalmers(2012)指出：即使在同一页岩层系中不同的页岩岩相也具有不同的孔隙结构特征。但无论是以哪种孔隙类型为主的页岩层系，其中—大孔发育程度对总孔体积具有绝对的控制作用。
2．页岩孔隙分类 (1)国外学者主要从孔径的大小、孔隙赋存状态及孔隙的连通性对页岩孔隙进行划分。目前提出的页岩储层孔隙大小的分类方案中应用最广的是国际理论和应用化学学会(IUPAC)的分类方案［3］。根据 IUPAC 的分类，孔径＜2nm 的孔隙为微孔，孔径在 2～50nm 的孔隙为介孔，＞50nm 的孔隙为大孔。根据孔隙的赋存状态可以将纳米孔隙分为粒内孔、粒间孔和有机质孔。根据孔隙的连通性将孔隙分为开孔和闭孔，开孔进一步可分为盲孔和通孔［1］。此分类方案中缺少对孔隙有效性的考虑，孔隙有效性主要是含油气能力大小及对渗流的影响等。
(2)孔隙的形态、大小及分布是进行孔隙分类的主要标准。使用图像观察法，可以将孔隙划分为粒内孔、粒间孔、有机质孔及微裂隙；Loucks 等(2012)进一步提出了页岩基质孔隙的三端元分类模型:粒间孔、粒内孔和有机质孔隙。
(3)saltt 和 briens 等（2011）将中国海相富有机质页岩孔隙类型进行划分为：絮凝状黏土矿物孔隙、有机质孔隙、药球粒内部孔隙、化石碎片内部孔隙、颗粒内部孔隙、微通道或微裂缝。中国海相富有机质页岩微孔纳米孔十分
发育，既有粒间孔，也有粒内孔和有机质孔，尤其是有机质成熟后形成的纳米孔甚为发育，这些纳米级孔隙是页岩气赋存的主要空间。
(4)根据镜下孔隙形态及其赋存形式，纪文明等（2016）将孔隙分为 a 有机质孔是发育于有机质间和有机质内，呈椭圆形、圆形、蜂窝状等多种形态；b 原生残余孔是常规储层中颗粒间未被充填的原生孔隙是储集空间的主要贡献者；c次生溶蚀孔指除黏土矿物外的其他矿物或碎屑颗粒；d 黄铁矿晶间孔通过扫描电镜观察到，颗粒多呈草莓状；e 黏土矿物晶间孔的孔径比较小；f 裂缝是页岩气渗流的主要网络，对页岩气的开发具有重要意义。
3．页岩储层孔隙结构的油气地质意义 页岩中可产生大量有机质生烃后的残留孔隙。在这些孔隙类型中，微裂隙和粒间孔隙对页岩中烃类运移最为有利，它们的孔径较大，不仅可为页岩中滞留烃类提供有效的储集空间，也能够最大限度地保持孔隙的连通性，同时对水力压裂诱导裂缝的产生具有促进作用［4］。有机质孔隙、粒间孔隙、粒内孔隙和微裂缝能够为页岩气的赋存提供不同尺度的储集空间，而微裂缝和粒间孔隙对页岩气的运移是最为有利的。
4．气体等温吸附模型研究 气体等温吸附在等温条件下将 N2 和 CO2 等探针气体注入样品，记录不同压力下探针气体在介质表面的吸附量，并利用理论模型计算以揭示样品的表面及孔隙特性的方法。由于表征尺度细微并可获取样品比表面积、表面分形维数与孔径分布等多方面信息，是目前研究泥页岩微孔、介孔孔径分布时的常用方法。Bustin（2008）认为目前在泥页岩孔隙表征领域应用最多的是低压 N2 吸附与低
压 CO2 吸附，前者更适合用于研究介孔的孔径分布，后者更适合用于测试微孔孔径分布。
5.结论 页岩的孔隙特征是决定页岩储层含气性的关键因素。①页岩孔隙结构复杂，一般以纳米孔隙占优势，用常规储层孔隙的表征方法难以解释美国的高产页岩气系统，因此，页岩纳米孔隙的表征成为制约页岩气资源评价的关键因素；②对目前国内外含气页岩孔隙结构四类分类方法进行了讨论及对孔隙结构特征进行了综述；③对多层吸附模型进行了简单讨论，吸附模型的建立使测试结果可信度更高，微孔的表征更精密。
6.展望 对页岩纳米孔隙结构的研究，增加了页岩储层的评价难度。尽管国内外学者针对页岩纳米孔隙结构提出了多种研究方法，但是由于仪器本身分辨率的限制及研究方法的局限性，目前，还没有一套精准的用来综合评价纳米孔隙的方法。在页岩储层纳米孔隙结构的表征技术方面，未来研究的发展趋势是:①提高实验精度和效率。②定性与定量表征相结合。③改进纳米孔隙的三维成像技术，扩大成像范围。④吸附模型的广泛应用，使微孔的表征更加精密。
参考文献: ［1］崔景伟，邹才能，朱如凯，等．页岩孔隙研究新进展［J］．地球科学进展，2012． ［2］邹才能，董大忠，王社教，等．中国页岩气形成机理，地质特征及资源潜力[J]石油勘探与开发，2010.
［3］邹才能，陶士振，侯连华，等．非常规油气地质［M］．北京:地质出版社，2011． ［4］张金川，林腊梅，李玉喜，等．页岩油分类与评价［J］．地学前缘，2012．
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