走进页岩气储层的纳米级微观世界

转自：油气技术公众号

人们往往认为石油与天然气在地下形成油湖、气海，实际上石油与天然气储存在岩石的微小孔隙中，通过油气的渗流作用从岩石中慢慢被采出，而页岩气的开采更为特殊，因为页岩中的孔隙更为微小，其原始储气的空间是纳米级的孔隙。

页岩气（Shale Gas）是一种清洁的资源和化工原料，其成分以甲烷为主，它赋存于富有机质的泥页岩及其夹层中，是以吸附或游离状态存在于地下的天然气，属于非常规油气的一种重要类型。

页岩气是指以游离、吸附和溶解状态存在于暗色泥页岩中的天然气，是典型的“自生自储”系统。页岩气不同于我们所说的“常规油气藏”，具有独特的成因特点：它形成于沉积盆地内部厚层的页岩烃源岩层系之中，该层系被称为“烃源岩层”或“生（油）气层”，其运移和储集都在该页岩烃源岩层系之中完成。简单地说，页岩气与常规油气藏的区别是，常规油气藏的油气产生、运移、储集过程是在不同的地层中完成的，而页岩气则是在同一地层（烃源岩层）中完成。因此，页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。

肉眼观察，页岩是一块坚硬没有缝隙的石头，实际上流体可以穿过页岩流动，在纳米级的微观世界下，页岩中有很多连通的孔隙，正是这些孔隙的存在，让流体可以缓慢地从页岩中流过，这种允许流体在岩石中流动的能力被称为岩石的渗透率。页岩气储集体中页岩气运移难度大，孔隙度小于5%，渗透率小于0.01毫达西（mD），属于低孔隙度和渗透率，气体不能在原始层系中流动，所以钻井后一般无法依靠地层压力的作用产出页岩气。

常规油气藏与页岩气藏的关系

页岩气具有以下特点：

（1）成藏时间早。生成天然气的烃源岩在一系列地质作用下生成大量烃类（碳氢化合物），其中部分气体排出烃源岩层，部分气体留在烃源岩层中，原地聚集形成页岩气藏。因此，页岩气藏的形成时间在所有类型的油气藏中是很早的。

（2）分布面积大。目前形成页岩气田的烃源岩皆形成于地质历史时期的海洋环境，具有分布面积广、单层厚度大、横向变化连续性强的特点，雄厚的物质基础使得形成的页岩气田规模巨大。

（3）储集空间微小。组成泥页岩的黏土矿物颗粒本来就小，其中的孔隙、裂缝就更小，其孔径为纳米级，导致孔隙、裂缝中的天然气不易开采出来（1000000纳米为1毫米）。

（4）以吸附状态赋存为主。常规油气均以游离油气的形式存在于砂岩或碳酸盐岩颗粒之间，但在页岩中油气主要以吸附态为主，存储在基质孔隙中的页岩气占天然气总产量的50%以上。

页岩气储层孔隙空间

页岩气储层的细粒泥页岩的成分和结构决定了其一个显著特点是孔隙结构细小，主体以微孔隙和中孔隙为主，也决定了页岩气的赋存状态以吸附态为主，因此，页岩气的赋存状态与页岩的显微孔隙结构具有密切的联系。

页岩纳米级孔隙空间的大小是决定气体储集能力和页岩压裂后形成的裂缝网络的重要因素。页岩气储层孔隙（纳米级）比常规碳酸盐岩和砂岩孔隙（微米级）小三个数量级。传统储层测量技术难以描述其孔隙结构。

普通的反射光显微镜无法对纳米级孔隙进行直观成像。近年来，电子显微镜技术的革新促进了聚焦氩离子束抛光技术（FIB），80万倍放大倍数的场发射扫描电镜（FE－SEM）等的出现。利用分辨率很高的场发射电子显微镜，在氩离子抛光面上可以更清楚地观察页岩中的微观世界。

页岩岩心样品矩形截面的有机质孔扫描图像

通过观察，页岩气就储存于以下几种类型的孔隙空间之中：

（1）有机质孔隙。有机质孔隙是发育在有机质内部的粒内孔，是泥页岩中有机质在热裂解生烃过程中形成的孔隙，主要发育在有机质间和有机质内，有机质纳米孔是页岩中存在广泛的孔隙类型之一。有机质孔隙主要呈蜂窝状、气泡状、椭圆形、新月形和狭缝形等不规则形状。有机质只有达到一定的成熟度，泥页岩中才会发育有机质孔隙，表明有机质孔隙与有机质热演化生烃过程密切相关，是由于干酪根（不溶于一般有机溶剂的沉积有机质）生烃消耗有机成分产生的孔隙，还有由生烃消耗水分产生的收缩孔缝。单个孔隙在镜下观察主要呈近球形、椭球形和凹坑状。孔隙直径在70~900纳米，属中孔隙范畴。

页岩有机质孔隙显微镜（SEM）照片

（2）无机质孔隙。无机质孔隙主要包括粒间孔、粒内孔、晶间孔和溶蚀孔。

粒间孔隙多见于岩石矿物颗粒之间，是颗粒与颗粒之间保留的孔隙空间，由沉积作用或后期成岩改造作用等多种因素形成，孔隙形态多样。通常粒间孔连通性较好，为甲烷分子提供了良好的渗流通道。

页岩粒间孔隙显微镜（SEM）照片

粒内孔隙主要发育于颗粒内部，尤其是伊利石矿物层间，孔径为0.01～1.18微米，是由于蒙皂石等不稳定矿物在埋藏过程中转化为稳定的伊利石或其他矿物时形成的。粒内孔可以提供气体储集空间，也可与粒间孔一起构成孔隙网络，提高页岩的渗流能力。

页岩粒内孔隙显微镜（SEM）照片

晶间孔隙主要是指矿物集合体内部晶粒之间的孔隙。页岩中发育有黄铁矿，且多以微球粒和草莓状晶簇出现，这些草莓状集合体直径为几微米，内部由许多黄铁矿晶粒组成，这些黄铁矿晶粒间往往发育一定数量的纳米—微米级孔隙，在0.01～1.18微米，内部连通性一般。石英、长石及方解石等矿物也发育有晶间孔隙。

页岩晶间孔隙显微镜照片

在地质演化过程中，随着页岩在地层中的埋深增加以及成岩作用的增强，页岩中的流体与其中矿物发生化学反应，常常是不稳定矿物通过溶蚀作用被溶解，进而形成页岩中的溶蚀孔隙。溶蚀孔隙的发育常与页岩中的有机质生烃过程有关，古地温60～140℃是有机质排出溶蚀酸的主要阶段。溶蚀孔见于长石、方解石等易溶的岩石矿物中，较分散，局部大于20微米。

页岩压裂后的裂缝空间

页岩储层的渗透率低，只有通过大规模水力压裂，使储层岩石破裂，产生人工裂缝，才能大大增加岩石渗透率，从而获得更好的开采效果。由于受平面应力分布、黏土矿物含量、脆性、微裂缝分布和发育程度等因素的影响，页岩水力压裂后通常形成一定范围的不规则网状裂缝。

页岩溶蚀孔隙显微镜（SEM）照片

利用高分辨率三维X射线显微镜对样品进行CT，得到样品三维重构数据体，进而提取样品的孔隙—裂缝的三维数据体和图像。通过三轴岩石力学实验，获取样品的应力—应变曲线和力学参数。力学实验前和破裂后各进行一次CT，***通过扫描电子显微镜（SEM）观察样品的裂缝发育特征。总而言之，通过实验，从微观的角度研究岩石的破裂过程，可窥探其破裂、裂缝网络的形成机制和控制因素。

页岩的微观组构对复杂裂缝网络的形成具有重要的影响，是导致受压破裂后裂缝网络多样性的主要原因，主要控制因素包括矿物成分、微观孔隙结构、加载方式以及天然裂缝等。

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全文来自：王炳善.走进页岩气储层的纳米级微观世界[J].石油知识，2022,(1):11-12

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