川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙特征及影響因素

川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙特征及影響因素

0儲(chǔ)層孔隙特征中國(guó)南方揚(yáng)子地區(qū)廣泛分布著下古生代地層，發(fā)育著劍武系、奧陶系和志留系多個(gè)海相泥頁(yè)巖。四川盆地南部（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“川南”）地區(qū)是中國(guó)石油下古生代地殼勘探和開(kāi)發(fā)的重要示范區(qū)。頁(yè)巖既是烴源層,又是頁(yè)巖氣自生自?xún)?chǔ)、原地成藏的儲(chǔ)集層。頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙特征和孔隙結(jié)構(gòu)是影響頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)集性能和頁(yè)巖氣商業(yè)性開(kāi)采的重要因素。川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖具有厚度大、分布穩(wěn)定、熱演化程度高和含氣性良好的特點(diǎn),被認(rèn)為是該區(qū)海相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的首選目標(biāo)層。近年來(lái),國(guó)外在海相頁(yè)巖孔隙方面作了較多工作,但國(guó)內(nèi)對(duì)下古生界海相頁(yè)巖儲(chǔ)層微孔隙特征及結(jié)構(gòu)研究較少。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁(yè)巖的孔隙特征研究已采用了不同的實(shí)驗(yàn)方法,但并不能比較全面地展現(xiàn)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間性能。本文綜合運(yùn)用掃描電子顯微鏡、高壓壓汞法和氣體吸附法,對(duì)川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的微觀孔隙特征和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并探討頁(yè)巖孔隙發(fā)育的主要影響因素,為川南地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)資料,以期為該區(qū)海相頁(yè)巖氣勘探與商業(yè)性開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。1頁(yè)巖礦物組成和有機(jī)碳含量本文研究樣品采自川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)海相地層的Y201井、Y203井(圖1),均為井下巖心頁(yè)巖樣品,其埋深范圍為2100~2520m,為還原環(huán)境下陸棚相沉積形成的海相頁(yè)巖,巖性觀察為黑色頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖和灰質(zhì)頁(yè)巖。表1列出了川南地區(qū)Y201井、Y203井龍馬溪組海相頁(yè)巖樣品的礦物成分含量和基本地球化學(xué)特征?？梢钥闯?川南地區(qū)龍馬溪組(S1l)頁(yè)巖樣品的礦物成分主要為黏土、石英和碳酸鹽礦物,在全巖礦物組成中,黏土、石英和碳酸鹽礦物含量分別占16.6%~43.5%(平均為33.6%)、6.6%~41.4%(平均為24.2%)和14.6%~75.9%(平均為32.5%),長(zhǎng)石等其他礦物含量占0.9%~17.9%(平均為9.7%)。川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)碳(TOC)含量分布在0.15%~5.00%之間(平均為1.56%),多數(shù)頁(yè)巖樣品的有機(jī)碳含量大于1.0%,并且龍馬溪組下部頁(yè)巖的有機(jī)碳含量明顯較上部頁(yè)巖要高;龍馬溪組頁(yè)巖熱演化程度普遍高,實(shí)測(cè)的海相鏡質(zhì)體反射率(Rom)值分布在2.34%~3.02%之間(平均為2.74%)。因此,川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度總體較高,處于過(guò)成熟階段。根據(jù)川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖分布和有機(jī)質(zhì)特征,重點(diǎn)選取富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品,進(jìn)行了孔隙特征研究方面的實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試,包括普通掃描電子顯微鏡、氬離子拋光掃描電子顯微鏡、高壓壓汞法、氮?dú)?N2)吸附法和二氧化碳(CO2)吸附法,使用儀器為VEGALSH掃描電子顯微鏡、PoreMasterGT60壓汞儀、NOVA4200e比表面及孔隙分析儀等,這些實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試均是按照國(guó)家、行業(yè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)規(guī)范完成的。2結(jié)果與討論2.1微質(zhì)孔隙是賦存頁(yè)巖氣的載體頁(yè)巖孔隙是頁(yè)巖氣藏中氣體的儲(chǔ)存空間?？紫兜奈⒂^特征很大程度上決定著頁(yè)巖氣儲(chǔ)集性能。據(jù)國(guó)外頁(yè)巖氣研究,海相頁(yè)巖內(nèi)部礦物顆粒間和有機(jī)質(zhì)中發(fā)育大量的微米—納米級(jí)孔隙,是頁(yè)巖氣儲(chǔ)集與運(yùn)移的主要通道,對(duì)提高頁(yè)巖儲(chǔ)氣性能起到了重要作用。本文研究采用普通掃描電鏡、氬離子拋光掃描電鏡,對(duì)川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖樣品進(jìn)行了詳細(xì)地鏡下觀察分析,發(fā)現(xiàn)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品的礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)中發(fā)育大量的微米—納米級(jí)孔隙,常見(jiàn)粒間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔(圖2)。分析表明,川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖發(fā)育多種類(lèi)型的微觀孔隙。在普通掃描電鏡下,常觀察到礦物顆粒間壓縮、包裹形成的孔隙[圖2(a)]、有機(jī)質(zhì)孔[圖2(b)]、生物碎屑粒內(nèi)孔[圖2(c)]、碳酸鹽顆粒溶蝕孔[圖2(d),圖2(e)]、顆粒邊緣溶蝕孔[圖2(f)]。在氬離子拋光掃描電鏡下,常見(jiàn)有較多的黃鐵礦晶間孔隙、碳酸鹽礦物顆粒粒內(nèi)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙[圖2(g),圖2(h),圖2(i)],這些均是頁(yè)巖氣賦存的儲(chǔ)集空間。進(jìn)一步分析表明,川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖樣品中孔隙大小主要是納米—微米級(jí)孔隙:基質(zhì)孔隙一般小于2μm,以0.1~1μm孔隙為主;有機(jī)質(zhì)孔隙的孔徑多為10~300nm,孔隙形態(tài)以圓形、橢圓形、不規(guī)則狀為主,孔與孔之間有一定的連通性,這與北美地區(qū)商業(yè)性開(kāi)發(fā)的Barnett頁(yè)巖具有相似的特征。這些微米—納米級(jí)孔隙是賦存頁(yè)巖氣的載體。總體而言,川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖樣品中發(fā)育大量的微米—納米級(jí)孔隙,為海相頁(yè)巖氣的賦存富集提供了良好的儲(chǔ)集空間。2.2孔隙結(jié)構(gòu)表征頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集具有重要的影響。頁(yè)巖中微米—納米級(jí)孔隙發(fā)育,儲(chǔ)層孔隙度較低,這種微觀孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)影響頁(yè)巖氣的賦存富集?；谖锢砦叫阅芎兔?xì)管凝聚理論,國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)按孔徑大小將多孔物質(zhì)的孔隙劃分為:微孔(孔徑<2nm)、介孔(孔徑=2~50nm)和宏孔(孔徑>50nm)。本文研究采用高壓壓汞法、N2和CO2氣體吸附法相結(jié)合,對(duì)川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖樣品的孔隙特征及結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)研究,包括頁(yè)巖中孔隙和咽喉的幾何形態(tài)、大小、孔徑分布及其連通性等特征。壓汞法可以提供頁(yè)巖總孔隙度、宏孔甚至微裂縫的信息;N2和CO2吸附—脫附等溫曲線(xiàn)可以提供孔隙幾何形態(tài),微孔、介孔的孔容和比表面積以及BJH平均孔徑等信息。川南地區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖各樣品的N2吸附曲線(xiàn)在形態(tài)上略有不同,但整體上呈現(xiàn)S型(圖3)。該區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖樣品的N2等溫曲線(xiàn)類(lèi)似于IU-PAC定義的Ⅱ型等溫吸附線(xiàn)和H3型遲滯環(huán)類(lèi)型,兼具H4型特征,吸附曲線(xiàn)在低壓段(P/PO=0.05~0.35)上升緩慢,在中—高壓段,曲線(xiàn)迅速上升,一直持續(xù)到相對(duì)壓力接近1.0(飽和蒸氣壓P/PO=0.90)時(shí)也未呈現(xiàn)出吸附飽和現(xiàn)象,頁(yè)巖樣品在N2吸附過(guò)程中發(fā)生了毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為:由于頁(yè)巖孔隙表面存在較強(qiáng)的相互作用,在較低的相對(duì)壓力(P/PO=0~0.3)下吸附量增加較緩慢,吸附曲線(xiàn)呈向上微凸的形狀,等溫線(xiàn)拐點(diǎn)處通常是單分子層吸附向多分子層吸附過(guò)渡點(diǎn);在中—高相對(duì)壓力(P/PO=0.3~0.8)下吸附量增加較快,且出現(xiàn)回滯環(huán),此階段為多分子層吸附過(guò)程;在高相對(duì)壓力(P/PO=0.8~0.9)下吸附量急劇增加,直到接近飽和蒸汽壓,吸附層無(wú)窮多,沒(méi)有明顯的吸附限制,表明樣品中含有一定量的介孔和宏孔,由于毛細(xì)凝聚現(xiàn)象而出現(xiàn)不均衡性,大孔表面被充填現(xiàn)象,反映龍馬溪組頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征不規(guī)整,樣品的孔隙類(lèi)型主要為平板狹縫性型孔、圓柱孔和混合型孔結(jié)構(gòu)。龍馬溪組海相頁(yè)巖樣品CO2的吸附等溫曲線(xiàn)(圖3)主要表現(xiàn)為微孔吸附,吸附量整體增加較少,在飽和蒸氣壓階段吸附量接近飽和,類(lèi)似于IUPAC定義的Ⅰ型等溫吸附曲線(xiàn),反映頁(yè)巖中微孔填充現(xiàn)象,飽和吸附值等于微孔的填充體積。總的來(lái)說(shuō),川南地區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖孔隙總體積中,以微孔和介孔體積為主,宏孔體積較小。龍馬溪組頁(yè)巖微孔與介孔體積之和占總體積的78.17%,宏孔體積占21.83%。龍馬溪組頁(yè)巖樣品孔容為0.0062~0.025mL/g,平均為0.015mL/g。龍馬溪組頁(yè)巖各樣品均普遍發(fā)育微孔、介孔,少量宏孔。川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖中,微孔和介孔也提供了孔隙的主要比表面積。龍馬溪組頁(yè)巖樣品比表面積為5.266~29.5m2/g,平均為15.13m2/g。龍馬溪組頁(yè)巖樣品的微孔平均占比表面積的47.40%,介孔平均占比表面積的52.57%,宏孔平均僅占比表面積的0.03%。進(jìn)一步研究表明,川南地區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖中,微孔、介孔的孔容與比表面積有良好的相關(guān)性,而宏孔的孔容與比表面積相關(guān)性較差(圖4),這與陳尚斌等、田華等的研究結(jié)果有所差異。采用一定孔徑范圍內(nèi)的不同模型方法來(lái)表征頁(yè)巖孔隙中的孔徑分布:孔徑分布范圍在7nm~200μm之間采用壓汞法測(cè)定,主孔段測(cè)定范圍為50~200nm;介孔的孔徑分布采用N2氣體吸附的BJH模型的脫附曲線(xiàn)測(cè)定,主孔段測(cè)定范圍為3~50nm;微孔的孔徑分布采用CO2氣體吸附的DFT理論的脫附曲線(xiàn)測(cè)定,主孔段測(cè)定范圍為0.3~1.7nm。孔徑分析表明,川南地區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖樣品中納米級(jí)孔徑分布特征為分散性孔徑類(lèi)型,孔隙中主孔均位于0.4~1nm、3~20nm2個(gè)孔徑段,微孔的孔徑主要集中在0.5~1.0nm之間,介孔的孔徑主要集中在3~10nm之間(圖5)。川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖平均孔徑為4.17nm,而北美五大盆地中Barnett頁(yè)巖和Marcellus頁(yè)巖的平均孔徑分別為4.0nm和3.9nm。可見(jiàn),川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖納米級(jí)孔徑發(fā)育與北美Barnett、Marcellus頁(yè)巖類(lèi)似,但前者平均孔徑較大,可能是由于川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖樣品熱演化程度高(達(dá)到過(guò)成熟階段),頁(yè)巖中納米級(jí)微孔向更大孔徑微孔轉(zhuǎn)化的結(jié)果。2.3有機(jī)碳及礦物元素含量頁(yè)巖孔隙發(fā)育受地質(zhì)條件的控制,主要受頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)礦物和成熟度的影響,具體表現(xiàn)為有機(jī)碳含量、成熟度(RO)、黏土礦物含量等因素。作為我國(guó)海相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)示范區(qū)之一,川南地區(qū)下古生界頁(yè)巖氣資源豐富,研究頁(yè)巖孔隙發(fā)育的影響因素對(duì)于該區(qū)海相頁(yè)巖氣的商業(yè)化開(kāi)采具有重要意義。2.3.1頁(yè)巖有機(jī)碳含量如圖6所示,龍馬溪組(S1l)海相頁(yè)巖樣品的微孔孔容、介孔孔容、宏孔孔容以及孔隙度與頁(yè)巖有機(jī)碳(TOC)含量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系?？梢?jiàn),頁(yè)巖有機(jī)碳含量對(duì)川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙發(fā)育和孔隙度均有重要的影響。陳尚斌等、田華等指出,頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量主要與微孔、介孔相關(guān),有機(jī)碳含量是影響頁(yè)巖納米孔隙體積、比表面積、孔隙度的主要因素。2.3.2熱演化程度與孔隙度的關(guān)系川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖樣品熱成熟度高(ROm=2.34%~3.02%),達(dá)到了過(guò)成熟階段,其頁(yè)巖孔隙度均小于8%,總體上低于北美頁(yè)巖樣品的孔隙度(處于低成熟—成熟階段,孔隙度普遍較大)。圖7展示了海相頁(yè)巖樣品孔隙度隨成熟度(RO)的變化?？梢钥闯?隨著成熟度(RO)增加,頁(yè)巖孔隙度呈現(xiàn)明顯降低(圖8),在熱演化程度達(dá)到過(guò)成熟階段,孔隙度的降低幅度有所減小。這種變化可能與頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化特征和孔隙發(fā)育成因有關(guān)。川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖的總孔體積、比表面積與成熟度(RO)的相關(guān)性較差,可能是受頁(yè)巖礦物成分、含水量等的影響。2.3.3黏土礦物的影響川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖中黏土礦物主要成分是伊利石、高嶺石、伊/蒙混層和綠泥石,不含或微含蒙脫石。在全巖礦物組成中,黏土礦物含量分布在16.6%~43.5%之間,平均為33.6%(表1)。龍馬溪組頁(yè)巖中黏土礦物含量與宏孔的孔容呈較好的正相關(guān)性,而與介孔、微孔和總孔的孔容呈較差的相關(guān)性(圖8)。由此看來(lái),黏土礦物含量一定程度上可能影響著宏孔的發(fā)育。在掃描電鏡下,可見(jiàn)到黏土礦物顆粒間孔隙,多在100nm左右或更大的孔徑分布(屬于宏孔范疇)。在川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖中,宏孔的孔容占總孔容的21.83%,黏土礦物含量對(duì)總孔隙的發(fā)育影響較小。因此,黏土礦物含量對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖的宏孔發(fā)育有一定影響,但對(duì)頁(yè)巖微孔、介孔的發(fā)育可能影響不大。川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖中脆性礦物豐富、含量高,石英等脆性礦物含量分布在34.7%~83.4%之間,平均占55.1%。龍馬溪組頁(yè)巖中脆性礦物含量與頁(yè)巖孔隙度呈較好的正相關(guān)性,而黏土礦物含量與頁(yè)巖孔隙度呈較明顯的負(fù)相關(guān)性(圖9)。龍馬溪組頁(yè)巖中石英、長(zhǎng)石、方解石等礦物多,脆性較強(qiáng),容易壓裂形成孔裂隙,也可能由于有機(jī)質(zhì)在生烴過(guò)程中排出大量的有機(jī)酸,溶蝕這些脆性礦物而產(chǎn)生顆粒內(nèi)溶蝕孔、邊緣顆粒溶蝕孔等。在掃描電鏡下,均發(fā)現(xiàn)有這些孔隙類(lèi)型。因此,頁(yè)巖脆性礦物含量越豐富,其溶蝕孔越發(fā)育,孔隙度也隨之增大。3頁(yè)巖孔隙發(fā)育(1)通過(guò)普通掃描電子顯微鏡、氬離子拋光掃描電子顯微鏡的詳細(xì)觀察分析表明,川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖樣品發(fā)育多種類(lèi)型微觀孔隙,常見(jiàn)有黏土礦物粒間孔、黃鐵礦晶間孔、碳酸鹽顆粒溶蝕孔、生物碎屑粒內(nèi)孔、顆粒邊緣溶蝕孔和有機(jī)質(zhì)孔,且龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中存在大量的微米—納米級(jí)孔隙,為頁(yè)巖氣賦存富集提供儲(chǔ)集空間。(2)高壓壓汞法、N2吸附—脫附法和CO2吸附法分析表明,川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖樣品中孔隙主要發(fā)育微孔和介孔,宏孔較少;孔隙結(jié)構(gòu)形態(tài)主要