页岩气储层地质2

1、页岩气储层地质页岩气储层地质主讲人：于炳松主讲人：于炳松Tel: 86-10-82321519mail: 中国地质大学（北京）中国地质大学（北京） 2011-9讲座提纲讲座提纲第一讲第一讲 富有机质页岩岩石学与富有机质页岩岩石学与沉积环境沉积环境第二讲第二讲 富有机质页岩孔隙结构富有机质页岩孔隙结构及其主控因素及其主控因素第二讲第二讲 富有机质页岩孔隙特征及主控因素富有机质页岩孔隙特征及主控因素一、富有机质页岩孔隙结构特征一、富有机质页岩孔隙结构特征 1 1、研究方法、研究方法 2 2、孔隙特征、孔隙特征二、富有机质页岩孔隙结构主控因素二、富有机质页岩孔隙结构主控因素

2、 1 1、孔隙结构主要控制因素、孔隙结构主要控制因素 2 2、孔隙结构与页岩气赋存状态的关系、孔隙结构与页岩气赋存状态的关系孔隙特征孔隙特征孔隙度孔隙度渗透率渗透率孔隙体积孔隙体积孔隙结构孔隙结构孔隙分类（孔隙分类（ IUPACIUPAC）：）：孔隙直径孔隙直径2 nm50 50 nmnm的为宏孔隙（的为宏孔隙（macroporesmacropores）第二讲第二讲 富有机质页岩孔隙特征及主控因素富有机质页岩孔隙特征及主控因素 孔隙特征是储层研究的核心孔隙特征是储层研究的核心第二讲第二讲 富有机质页岩孔隙特征及主控因素富有机质页岩孔隙特征及主控因素 页岩气储层特殊性页岩气储层特殊性1 1）孔隙

3、结构的特殊性：）孔隙结构的特殊性：以中孔以中孔- -微孔为主；微孔为主；2 2）矿物组成的特殊性：）矿物组成的特殊性：富粘土矿物和有机质；富粘土矿物和有机质；3 3）岩石结构的特殊性：）岩石结构的特殊性：粒度细；粒度细；第二讲第二讲 富有机质页岩孔隙特征及主控因素富有机质页岩孔隙特征及主控因素 页岩气储层研究方法特殊性页岩气储层研究方法特殊性u常规方法难以奏效：常规方法难以奏效：孔渗测定、铸体薄片、孔渗测定、铸体薄片、压汞（一般压汞（一般50nm50nm）；）；u气体赋存状态的特殊性：气体赋存状态的特殊性：游离与吸附；游离与吸附；u评价思路的特殊性：评价思路的特殊性：常规与特殊、直接与间常规与

4、特殊、直接与间接；接；一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法2 2、孔隙特征、孔隙特征1）偏光显微镜：）偏光显微镜：原理：原理：偏振光偏振光研究内容：研究内容：岩石矿物成分、结构、显微构造、孔隙岩石矿物成分、结构、显微构造、孔隙类型、孔隙结构、成岩作用类型、成岩序列等。类型、孔隙结构、成岩作用类型、成岩序列等。一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法2）扫描电镜（环境扫描电镜）：）扫描电镜（环境扫描电镜）：SEM（ESEM）原理：原理：以电子束为光源，其放大倍数及分辨能力远以电子束为光源，其放大倍数及分辨能力远远超过光学显微

5、镜（远超过光学显微镜（20-100000倍），最高分辨率倍），最高分辨率可达可达30。样品制备：样品制备：抛光的薄片、表面镀膜；抛光的薄片、表面镀膜；ESEM可做原可做原位测试位测试研究内容：研究内容：碎屑成分、胶结物成分、自生矿物、岩碎屑成分、胶结物成分、自生矿物、岩石结构、孔隙类型、孔隙发育程度、孔隙连通情况、石结构、孔隙类型、孔隙发育程度、孔隙连通情况、成岩作用。尤其对粘土矿物，有重要作用。成岩作用。尤其对粘土矿物，有重要作用。 注意：油砂需预先洗油。注意：油砂需预先洗油。 一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法 1mm重晶石石膏d50 m20 0m2

6、0emSEM images3）透射电镜（）透射电镜（TEM）原理：原理：使用真空中透过磨薄样品的电子束，类似于使使用真空中透过磨薄样品的电子束，类似于使用透射光的光学凸透镜。要求样品应薄到足以让电子用透射光的光学凸透镜。要求样品应薄到足以让电子通过（几纳米）。通常使用通过（几纳米）。通常使用500000倍的放大倍数获得倍的放大倍数获得晶格边缘的图象，用几千到大约晶格边缘的图象，用几千到大约30000倍的放大倍数倍的放大倍数可得到十分精细的结构信息，如粘土矿物。可得到十分精细的结构信息，如粘土矿物。样品制备：样品制备：先制成抛光薄片，再用离子减薄到出现空先制成抛光薄片，再用离子减薄到出现空洞为止

7、，洞周围的样品区薄到足以让电子束通过。洞为止，洞周围的样品区薄到足以让电子束通过。应用：应用：矿物成分、矿物结构关系、矿物化学成分。矿物成分、矿物结构关系、矿物化学成分。一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法QI0.5Energy (ke V)IntensityOAlSiKTiVCrFebI-Q-伊利石；石 英m02.557.5M0.5c02.5Energy (keV)IntensityOAlSiKFeSM -白云 母m57.50.5fCaPFCE nergy (k eV)Intensitm02.55TEM imagesTransmission Electr

8、onic Microscopy4）X射线衍射分析（射线衍射分析（XRD）原理：原理：X射线衍射技术。射线衍射技术。样品制备：样品制备：通常粉末样品（通常粉末样品（510微米），微米），200目。目。研究内容：研究内容：粘土矿物的定性定量分析、混层粘土矿粘土矿物的定性定量分析、混层粘土矿物的鉴定及混层比、自生矿物的分析鉴定、矿物的物的鉴定及混层比、自生矿物的分析鉴定、矿物的有序度分析等。有序度分析等。一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法5）微量与稀土元素分析）微量与稀土元素分析ICP-MSDCPX萤光等一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、

9、研究方法、研究方法（1）毛细管压力曲线的测定）毛细管压力曲线的测定R毛细管压力毛细管压力(Pc)与表面张力（）成正比，与毛细管半径（R）成反比；润湿角（润湿角（）越小，则表面张力越大，毛细管上升高度也越大；毛细管半径（毛细管半径（R）越大，则上升高度越小。Pc = 2 cos /R润湿相液体的表面张力的作用能使液体自发地充填于固体的孔隙之中。而非润湿相液体与固体所形成的接触角大于90度，这时表面张力的作用是阻止液体进入孔隙介质中。如欲将非润湿性液体注入岩石的孔隙中去，则必须外界对其施加压力，此压力就相当于毛细管压力。一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）

10、压汞法）压汞法水银是一种非润湿性液体，将水银注入被抽空的岩水银是一种非润湿性液体，将水银注入被抽空的岩样空间中去，就要克服岩石孔隙系统对水银的毛细样空间中去，就要克服岩石孔隙系统对水银的毛细管阻力。显然，注入水银的过程就是测量毛细管压管阻力。显然，注入水银的过程就是测量毛细管压力的过程。注入水银的每一点压力，就可代表一个力的过程。注入水银的每一点压力，就可代表一个相应的孔喉大小的毛细管压力。在这个压力下，进相应的孔喉大小的毛细管压力。在这个压力下，进入孔隙系统的水银量就代表此种大小的孔喉在系统入孔隙系统的水银量就代表此种大小的孔喉在系统中所占的孔隙体积。随着注入压力不断增加，水银中所占的孔隙体

11、积。随着注入压力不断增加，水银即不断进入较小的孔隙。将各个压力点的压力与注即不断进入较小的孔隙。将各个压力点的压力与注入相应的水银量的关系绘成图件即为该岩样的毛细入相应的水银量的关系绘成图件即为该岩样的毛细管压力饱和度曲线，简称管压力饱和度曲线，简称毛细管压力曲线毛细管压力曲线。（1）毛细管压力曲线的测定）毛细管压力曲线的测定一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）压汞法）压汞法根据毛细管压力求取孔喉半径：根据毛细管压力求取孔喉半径：Pc = 2 cos /R水银的表面张力：水银的表面张力： 480 dyn/cm润湿角：润湿角： = 140o则：则： Pc

12、 = 2 cos /R2480 cos140/R 7500/R (dyn/cm2)（1）毛细管压力曲线的测定）毛细管压力曲线的测定一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）压汞法）压汞法2022-5-1422（1）毛细管压力曲线的测定）毛细管压力曲线的测定一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）压汞法）压汞法孔喉大小的柱状频率分布（1）毛细管压力曲线的测定）毛细管压力曲线的测定一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）压汞法）压汞法2022-5-1424（2）毛细管压力曲线的定量特征）

13、毛细管压力曲线的定量特征排驱压力排驱压力(Pd)：指使润湿相在孔隙中开始连续运动所需的压力，也就是指在孔隙系统中最大连通孔隙所相应的压力，又称门槛压力。在毛细管压力曲线上为沿平坦部分作切线与纵轴相交的压力值。对于分选很差的毛细管压对于分选很差的毛细管压力曲线力曲线，用初始拐点的水平位置定为排驱压力。SAB和： SAB段越大， 角越小，表示最大连通孔喉的集中程度越高。一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）压汞法）压汞法2022-5-1425最小非饱和孔隙体积最小非饱和孔隙体积百分数百分数(Smin)：表示当表示当注入水银的压力达到注入水银的压力达到仪器的最

14、高压力时，仪器的最高压力时，水银仍无法注入的孔水银仍无法注入的孔隙体积百分数，是无隙体积百分数，是无效孔隙。效孔隙。Smin 越大，表示无效微越大，表示无效微孔隙所占的体积越多，孔隙所占的体积越多，储集性能越差储集性能越差。（2）毛细管压力曲线的定量特征）毛细管压力曲线的定量特征一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）压汞法）压汞法2022-5-1426退出曲线及退出效率（退出曲线及退出效率（WE）：WE (Smax SR)/Smax 100%Smax注入水银的最大饱和度SR退出后残留在岩样中的水银饱和度退出效率高，孔喉直径较大，连通性较好，反之，孔喉直径

15、小，连通性差。（2）毛细管压力曲线的定量特征）毛细管压力曲线的定量特征一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）压汞法）压汞法一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法7）低压）低压N N2 2比表面测定比表面测定利用利用N2作为流体的一种测试方法，由于其分子作为流体的一种测试方法，由于其分子直径较汞小，故能测出中孔和宏孔的体积分布直径较汞小，故能测出中孔和宏孔的体积分布8）低压）低压CO2 2测定测定原理类似于低压原理类似于低压N2比表面测定，由于比表面测定，由于CO2的分的分子直径更小，故能测出中孔和微孔的体积分布子直径更

16、小，故能测出中孔和微孔的体积分布研究方法：研究方法： 利用压汞方法测定黑色页岩样品的宏孔隙利用压汞方法测定黑色页岩样品的宏孔隙（macroporesmacropores）体积和孔隙大小分布；）体积和孔隙大小分布； 利用低压利用低压N N2 2比表面测定研究中孔隙（比表面测定研究中孔隙（mesoporesmesopores）和宏孔隙的孔隙大小分布；和宏孔隙的孔隙大小分布； 利用低压利用低压COCO2 2方法测定中孔隙和微孔隙方法测定中孔隙和微孔隙（microporesmicropores）的体积和大小分布。）的体积和大小分布。 利用扫描电镜和透射电镜，观察黑色页岩显微孔隙利用扫描电镜和透射电镜，

17、观察黑色页岩显微孔隙形态与分布。形态与分布。一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征1 1、研究方法、研究方法一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征2 2、孔隙特征、孔隙特征微孔微孔 中孔和宏孔体积占总体积百分比图中孔和宏孔体积占总体积百分比图1 1）孔隙体积分布）孔隙体积分布中孔为主中孔为主一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征2 2、孔隙特征、孔隙特征2 2）孔径分布）孔径分布单峰型分布一、富有机质页岩孔隙特征一、富有机质页岩孔隙特征2 2、孔隙特征、孔隙特征2 2）孔径分布）孔径分布多峰型分布多峰型分布孔隙直径主要集中于孔隙直径主要集中于2nm-5nm之间之间

18、第二讲第二讲 富有机质页岩孔隙特征及主控因素富有机质页岩孔隙特征及主控因素一、富有机质页岩孔隙结构特征一、富有机质页岩孔隙结构特征 1 1、研究方法、研究方法 2 2、孔隙特征、孔隙特征二、富有机质页岩孔隙结构主控因素二、富有机质页岩孔隙结构主控因素 1 1、孔隙结构主要控制因素、孔隙结构主要控制因素 2 2、孔隙结构与页岩气赋存状态的关系、孔隙结构与页岩气赋存状态的关系SiO2减小；Al2O3增加显微孔隙体积与TOC、Al2O3的关系Ross and Bustin, 2009二、富有机质页岩孔隙结构主控因素二、富有机质页岩孔隙结构主控因素1、孔隙结构主控因素、孔隙结构主控因素石英含量与微孔体

19、积关系图石英含量与中孔体积关系图石英含量与宏孔体积关系图石英含量与孔体积和孔隙结石英含量与孔体积和孔隙结构的关系构的关系石英等碎屑矿物的增加有石英等碎屑矿物的增加有利于宏孔隙的增加，中孔利于宏孔隙的增加，中孔隙降低，与微孔隙关系不隙降低，与微孔隙关系不密切密切二、富有机质页岩孔隙结构主控因素二、富有机质页岩孔隙结构主控因素粘土含量与微孔体积关系图粘土含量与中孔体积关系图粘土含量与宏孔体积关系图粘土含量与孔体积和孔隙结粘土含量与孔体积和孔隙结构的关系构的关系粘土矿物对中孔体积具有粘土矿物对中孔体积具有重要贡献重要贡献二、富有机质页岩孔隙结构主控因素二、富有机质页岩孔隙结构主控因素2022-5-1

20、436TOC与微孔体积关系图TOC与中孔体积关系图TOC与宏孔体积关系图有机质含量与孔体积和孔隙有机质含量与孔体积和孔隙结构的关系结构的关系有机质与孔隙结构和吸附有机质与孔隙结构和吸附能力之间的能力之间的关系究竟如何？关系究竟如何？二、富有机质页岩孔隙结构主控因素二、富有机质页岩孔隙结构主控因素372022-5-14RO与微孔体积关系图RO与中孔体积关系图RO与宏孔体积关系图有机质成熟度与孔体积和孔有机质成熟度与孔体积和孔隙结构的关系隙结构的关系高熟有机质成熟度增加有高熟有机质成熟度增加有利于宏孔隙增加，但中孔利于宏孔隙增加，但中孔降低。降低。原因？微裂缝？原因？微裂缝？二、富有机质页岩孔隙结构主控因素二、富有机质页岩孔隙结构主控因素2、孔隙结构与页岩气赋存状态、孔隙结构与页岩气赋存状态1）吸附态：）吸附态：中孔隙中孔隙-