中國中西部頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征

中國中西部頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征

巖漿巖有幾種微納米顆粒，這些不同的微納米顆粒在巖漿巖的氣分配中起著重要作用。前人關于頁巖微納米孔隙已有大量研究,如LOUCKS等前人研究結(jié)果表明:頁巖中發(fā)育的有機質(zhì)孔隙能夠為甲烷氣體的賦存和滲流提供有效場所,即頁巖中的有機質(zhì)孔隙對甲烷等烴類氣體的賦存及儲層孔隙系統(tǒng)的連通性起著決定性的作用。如MILLIKEN等中國南方上揚子地區(qū)重慶周邊針對下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組2套海相頁巖氣已經(jīng)進行了卓有成效的勘探與開發(fā)。但2套頁巖的產(chǎn)氣效果卻存在較大差別,其中龍馬溪組頁巖產(chǎn)氣量大,穩(wěn)產(chǎn)時間長;牛蹄塘組頁巖產(chǎn)氣量小,產(chǎn)量遞減時間短;同時,延長石油在鄂爾多斯盆地針對延長組陸相頁巖氣同樣進行了勘探開發(fā),但頁巖氣產(chǎn)量較小,穩(wěn)產(chǎn)持續(xù)時間也短。頁巖內(nèi)部發(fā)育不同類型的微納米孔隙,會導致頁巖具有不同的賦存甲烷等烴類氣體的能力,同時又直接決定了頁巖具有不同的孔隙連通性,而較好的孔隙連通性能夠使頁巖氣在儲層中形成良好的滲流,使烴類氣體穩(wěn)產(chǎn)時間長、產(chǎn)量高,進而形成工業(yè)產(chǎn)能為了分析龍馬溪組、牛蹄塘組和延長組頁巖氣產(chǎn)量存在較大差別的原因,并明確不同熱演化程度對頁巖有機質(zhì)孔隙發(fā)育的控制作用,筆者分別選取了來自中國南方上揚子地區(qū)重慶周邊的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖和鄂爾多斯盆地延長組的長7段頁巖樣品進行對比研究,明確不同熱演化程度頁巖的有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征。此次研究涉及到的實驗樣品均采自成功實施鉆探及壓裂開發(fā)的頁巖鉆井巖心。其中,延長組頁巖巖心采自CY1井、CY2井和FY1井;龍馬溪組頁巖巖心采自JY1井、JY2井和JY4井;牛蹄塘組頁巖巖心采自CQ1井、CQ2井和CQ3井。對這些頁巖樣品使用分辨率較高的聚焦離子束氦離子顯微鏡(FIB-HIM)的觀察方法,明確有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征。研究結(jié)果初步表明:熱演化程度控制著頁巖有機質(zhì)孔隙的發(fā)育,這3套頁巖儲層的熱演化程度存在較大差別,頁巖中有機質(zhì)孔隙的發(fā)育數(shù)量不同是烴類氣體產(chǎn)量存在較大差別的主要原因1區(qū)域地質(zhì)蓋數(shù)1.1盆地沉積特征鄂爾多斯盆地位于中國華北地臺西部,中生代以來成為克拉通地臺基底上發(fā)育的典型陸相盆地,盆地內(nèi)部構(gòu)造相對簡單,是中國重要的含油氣盆地之一(圖1)。盆地在晚古生代—中三疊世時期處于海陸交替相沉積環(huán)境到陸相沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變過程。晚三疊世延長組沉積早期,鄂爾多斯盆地周邊地殼發(fā)生相對抬升運動,形成鄂爾多斯湖盆,沉積背景轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴?此時延長組沉積期湖盆發(fā)育達到鼎盛。延長組是鄂爾多斯盆地中最早發(fā)育的一套以河流—湖泊相為特征的陸源碎屑巖系,也是鄂爾多斯盆地主要的油氣勘探開發(fā)目的層系重慶地區(qū)位于中國南方上揚子板塊中,屬于上揚子臺內(nèi)坳陷構(gòu)造單元,其大部分在四川盆地內(nèi)部,東南部和東北部位于四川盆地邊緣(圖1)。早寒武世初期,上揚子地區(qū)整體下沉,總體上早期為深水陸棚沉積,后期逐漸向淺水陸棚及潮坪沉積演化,在深水陸棚沉積期形成分布范圍廣、厚度較大的黑色海相頁巖。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組2套富有機質(zhì)黑色頁巖層段。目前重慶地區(qū)已經(jīng)大力開展針對下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣的勘探開發(fā),并取得了一定成果,其中焦石壩涪陵頁巖氣田已成為國家頁巖氣成功勘探開發(fā)的示范區(qū),但下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣的勘探開發(fā)還未取得較大成果。早志留世,四川盆地發(fā)生大規(guī)模海侵作用,在海平面上升的過程中,盆地內(nèi)部及周緣沉積了龍馬溪組頁巖,其巖性剖面下部為深水陸棚沉積,含有大量筆石,局部富集了大量條帶狀黃鐵礦,反映強還原靜水沉積環(huán)境牛蹄塘組頁巖形成于早寒武世,沉積特點和龍馬溪組頁巖類似。四川盆地在早寒武世發(fā)生大規(guī)模海侵作用,在下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖沉積期,整個上揚子地區(qū)均處于淺水—深水陸棚的強還原靜水沉積環(huán)境1.2最厚的土壤條件鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段頁巖儲層平均厚度約80m,最厚可達100m。儲層埋深較淺,其底平均埋深約1288m,最大埋深為1700m。延長組頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型—Ⅱ型為主1.2.1樣品分布情況鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖的TOC平均含量為4.8%。從CY1、CY2和FY1井中選取的三疊系延長組巖心樣品來看,TOC含量的變化范圍為0.4%~10.0%,集中分布在4.0%~5.0%,其次為5.0%~6.0%,為典型的富有機質(zhì)陸相頁巖。從JY1、JY2和JY4井中選取的渝東南龍馬溪組巖心樣品來看,TOC含量變化范圍為0.3%~5.3%,平均含量為3.2%;1.0%~2.0%的樣品數(shù)量分布頻率最大,達到43.0%。從CQ1、CQ2和CQ3井中選取的渝東北牛蹄塘組巖心樣品來看,TOC含量變化范圍為0.1%~10.0%,平均含量達到3.3%;其中2.0%~3.0%的樣品數(shù)量分布頻率最大(圖2)。1.2.2巖石礦物含量頁巖的主要礦物組成大致可以分為3大類,分別是硅質(zhì)礦物、黏土礦物和碳酸鹽礦物。延長組頁巖的石英和長石平均含量達44.3%;黏土礦物含量最大,平均達48.7%;碳酸鹽礦物含量較少,平均只有6.2%。龍馬溪組頁巖的石英含量平均為41.8%;黏土礦物平均含量34.2%;碳酸鹽礦物含量較低,平均只有11.9%。牛蹄塘組頁巖樣品的石英平均含量為37.4%;黏土礦物平均含量為24.7%;碳酸鹽礦物平均含量為23.9%。相比較而言,龍馬溪組頁巖黏土礦物含量較高,而牛蹄塘組頁巖鈣質(zhì)礦物含量較高,延長組頁巖黏土礦物含量最大(圖3)。1.2.3等效鏡質(zhì)體反射率鏡質(zhì)體反射率(R中國南方下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖普遍缺失鏡質(zhì)體,給檢測頁巖儲層熱演化程度帶來一定困難。但油氣儲層中的瀝青反射率和鏡質(zhì)體反射率之間存在換算關系,因此可以通過測量頁巖儲層中的瀝青反射率來換算等效鏡質(zhì)體反射率,以此推算2套頁巖儲層的熱演化程度。龍馬溪組頁巖沉積期相對較晚,屬于下志留統(tǒng),經(jīng)歷的沉積埋藏史相對較短,且地層的古埋深相對牛蹄塘組頁巖要淺。從等效鏡質(zhì)體反射率換算的結(jié)果來看,龍馬溪組頁巖的等效鏡質(zhì)體反射率普遍在3.0%以下,分布頻率最廣的在2.0%~2.8%之間,最低甚至能小于2.0%(圖4)。龍馬溪組頁巖的等效鏡質(zhì)體反射率值顯示其處于生干氣階段,能夠大量生成頁巖氣。牛蹄塘組頁巖沉積期較早,屬于下寒武統(tǒng)地層,經(jīng)歷的沉積埋藏史更長,且地層的古埋深更大。牛蹄塘組頁巖的等效鏡質(zhì)體反射率分布范圍在3.0%~4.0%之間(圖4)。牛蹄塘組頁巖儲層的熱演化程度已達到過成熟—變質(zhì)期階段,頁巖的生烴潛力已接近枯竭。2fib-hom的特點及分析此次研究使用德國CarlZeiss公司制造的NanoFab-ORION型聚焦離子束氦離子顯微鏡(FIB-HIM),針對3套頁巖中的有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征進行觀察實驗設計。FIB-HIM為最新應用于非常規(guī)油氣研究領域的能夠有效識別頁巖微納米孔隙的先進技術方法,主要用來觀察頁巖樣品中的有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征。FIB-HIM分辨率極高,能夠達到0.5nm(@45kV)左右,具有亞納米級尺度的分辨能力,遠遠超過目前常用非常規(guī)油氣儲層微觀結(jié)構(gòu)探測的聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)的分辨率。由于FIB-HIM使用氦離子束進行成像,且氦離子束具有低能量和聚焦集中的特點,能在高放大倍數(shù)下穩(wěn)定成像,使圖像分辨率更高、更清晰,能獲得比電子顯微鏡高5倍的景深,因此FIB-HIM的二維數(shù)字照片具有三維立體的特征。有機質(zhì)會在氦離子束的轟擊下顯示深灰色,方解石、白云石及黃鐵礦等礦物會顯示淺灰色,石英、長石等礦物會顯示黑色,而孔隙則會顯示黑色。根據(jù)頁巖中不同基質(zhì)在氦離子束轟擊下的顏色襯度,可輕易識別出有機質(zhì)及其內(nèi)部發(fā)育的孔隙,因此FIB-HIM對有機質(zhì)孔隙具有極強的分辨能力。在進行FIB-HIM觀察實驗前,需要將頁巖樣品進行磨樣和氬離子拋光。經(jīng)過一系列的FIB-HIM觀察實驗,分別得到了延長組、龍馬溪組和牛蹄塘組頁巖的有機質(zhì)孔隙發(fā)育特征,并分析其主要控制因素。2.1熱演化程度i,fa-h,巖性碳h延長組頁巖有機質(zhì)只發(fā)育少量孔隙(圖5a,b),且孔隙直徑較小(圖5c),而有些有機質(zhì)內(nèi)部并不發(fā)育孔隙。延長組頁巖的有機質(zhì)孔隙并不連片發(fā)育,其內(nèi)部發(fā)育較多的是微裂縫(圖5d,e),這是由于延長組頁巖的熱演化程度分布在0.8%~1.4%的范圍,仍處于生油窗內(nèi),頁巖主要生成液態(tài)烴類,而氣態(tài)烴類主要是生成液態(tài)烴時的伴生氣。將FIB-HIM照片比例尺放大到200nm,此時的分辨率可達2nm,發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)表面發(fā)育大量微孔隙(圖5f),增加了有機質(zhì)孔隙的比表面積,利于烴類氣體吸附賦存,但對烴類氣體形成有效滲流并不起作用。延長組頁巖樣品發(fā)育大量粒間孔隙,大多發(fā)育在黏土礦物內(nèi)部(圖5g),這是由于延長組頁巖屬于陸相頁巖,黏土含量高,且呈層間排列(圖5h-i)。延長組頁巖粒內(nèi)孔隙發(fā)育數(shù)量較少,這是由于碳酸鹽含量較少,只有8.0%左右。粒內(nèi)孔隙是由于溶蝕作用形成,多發(fā)育在方解石、白云石等易遭受后期有機酸溶蝕的碳酸鹽礦物顆粒內(nèi)部。2.2有機質(zhì)孔隙識別龍馬溪組頁巖有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量孔隙(圖6a-c),且呈現(xiàn)連片發(fā)育,孔隙形態(tài)以橢圓形為主(圖6d)。由于FIB-HIM具有極高的分辨率,而且對頁巖中的有機質(zhì)孔隙具有極強的識別功能,因此那些在場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)和聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)二維功能下未能有效識別的有機質(zhì)孔隙在FIB-HIM中可被精確識別出來(圖6e,f)。例如發(fā)育在有機質(zhì)表面上的微孔在FIB-HIM極高的分辨率下也得到了識別(圖6g-i),這種微孔隙的發(fā)育極大地增加了有機質(zhì)孔隙的比表面積,利于甲烷吸附2.3有機質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)采用同樣的樣品制備方法及同樣的實驗設備,對渝東北牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)孔隙進行觀察,發(fā)現(xiàn)牛蹄塘組頁巖的有機質(zhì)內(nèi)部極少發(fā)育孔隙。即使發(fā)育個別孔隙,也大多呈孤立的形式存在于有機質(zhì)內(nèi)部(圖7a,b),連通性差,發(fā)育特征類似于分布在頁巖礦物基質(zhì)中的粒內(nèi)孔隙,而且孔徑也普遍小于龍馬溪組頁巖的有機質(zhì)孔隙。同時,發(fā)育于黃鐵礦晶間的有機質(zhì)基本不發(fā)育孔隙,有些游離態(tài)的有機質(zhì)內(nèi)部并不發(fā)育孔隙(圖7c-f)。相對于龍馬溪組頁巖來說,牛蹄塘組頁巖樣品中根本不存在較小的孔隙嵌套在較大直徑的有機質(zhì)孔隙內(nèi)部。牛蹄塘組頁巖內(nèi)部發(fā)育數(shù)量相對最多的是粒間孔隙(圖7g-i),而此類孔隙的連通性較差,多是由于方解石、長石以及石英等礦物在遭受構(gòu)造擠壓或是成巖作用過程中受力不均勻形成的類似微裂縫的孔隙,多呈圈層狀圍繞在無機礦物顆粒周圍,無法為頁巖氣的賦存提供有效空間和滲流通道。3兩組頁巖熱演化程度、碳質(zhì)儲層精細對比頁巖中有機質(zhì)孔隙的發(fā)育數(shù)量決定了頁巖整體孔隙系統(tǒng)的儲集能力和連通性鄂爾多斯盆地延長組頁巖的最大古埋深分布在2000~4000m的范圍內(nèi),儲層熱演化程度低,目前仍處在生油窗內(nèi),烴源巖層中的干酪根仍以生液態(tài)烴為主。頁巖層還沒有進入生干氣階段,有機質(zhì)無法產(chǎn)生大量孔隙,以發(fā)育微裂縫為主。延長組陸相頁巖由于熱演化程度較低,有機質(zhì)孔隙數(shù)量相對于龍馬溪組頁巖較少,并不是連片發(fā)育,只在有機質(zhì)內(nèi)部局部發(fā)育,而且孔徑也較小,有些有機質(zhì)內(nèi)部并不發(fā)育孔隙,導致延長組頁巖對甲烷等烴類氣體的儲集能力較低。而龍馬溪組頁巖較大有機質(zhì)孔隙內(nèi)部嵌套著較小有機質(zhì)孔隙發(fā)育的模式在延長組頁巖中并未發(fā)現(xiàn),延長組頁巖也無法使甲烷等烴類氣體在儲層中形成有效滲流。再者,從生烴演化的角度來分析,延長組頁巖的儲層熱演化程度(0.8%<R相對于下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖,下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖沉積期相對較晚,經(jīng)歷的沉積埋藏史相對較短。上揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖最大古埋深分布在4000~6000m的范圍內(nèi),相對牛蹄塘組頁巖也要淺。在龍馬溪組頁巖有機質(zhì)熱演化過程中,由于熱演化程度相對較低,加上上覆圍巖壓實作用較弱,因此龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙得以大量保留。上揚子地區(qū)渝東北牛蹄塘組頁巖最大古埋深能達到8000m,頁巖有機質(zhì)的熱演化程度此時已接近變質(zhì)階段,這使得牛蹄塘組頁巖儲層中的有機質(zhì)石墨化進程加劇4有機質(zhì)孔隙發(fā)育(1)延長組頁巖樣品的有機質(zhì)局部發(fā)育