中国中西部页岩有机质孔隙发育特征

中国中西部页岩有机质孔隙发育特征

岩浆岩有几种微纳米颗粒，这些不同的微纳米颗粒在岩浆岩的气分配中起着重要作用。前人关于页岩微纳米孔隙已有大量研究,如LOUCKS等前人研究结果表明:页岩中发育的有机质孔隙能够为甲烷气体的赋存和渗流提供有效场所,即页岩中的有机质孔隙对甲烷等烃类气体的赋存及储层孔隙系统的连通性起着决定性的作用。如MILLIKEN等中国南方上扬子地区重庆周边针对下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组2套海相页岩气已经进行了卓有成效的勘探与开发。但2套页岩的产气效果却存在较大差别,其中龙马溪组页岩产气量大,稳产时间长;牛蹄塘组页岩产气量小,产量递减时间短;同时,延长石油在鄂尔多斯盆地针对延长组陆相页岩气同样进行了勘探开发,但页岩气产量较小,稳产持续时间也短。页岩内部发育不同类型的微纳米孔隙,会导致页岩具有不同的赋存甲烷等烃类气体的能力,同时又直接决定了页岩具有不同的孔隙连通性,而较好的孔隙连通性能够使页岩气在储层中形成良好的渗流,使烃类气体稳产时间长、产量高,进而形成工业产能为了分析龙马溪组、牛蹄塘组和延长组页岩气产量存在较大差别的原因,并明确不同热演化程度对页岩有机质孔隙发育的控制作用,笔者分别选取了来自中国南方上扬子地区重庆周边的下志留统龙马溪组页岩、下寒武统牛蹄塘组页岩和鄂尔多斯盆地延长组的长7段页岩样品进行对比研究,明确不同热演化程度页岩的有机质孔隙发育特征。此次研究涉及到的实验样品均采自成功实施钻探及压裂开发的页岩钻井岩心。其中,延长组页岩岩心采自CY1井、CY2井和FY1井;龙马溪组页岩岩心采自JY1井、JY2井和JY4井;牛蹄塘组页岩岩心采自CQ1井、CQ2井和CQ3井。对这些页岩样品使用分辨率较高的聚焦离子束氦离子显微镜(FIB-HIM)的观察方法,明确有机质孔隙发育特征。研究结果初步表明:热演化程度控制着页岩有机质孔隙的发育,这3套页岩储层的热演化程度存在较大差别,页岩中有机质孔隙的发育数量不同是烃类气体产量存在较大差别的主要原因1区域地质盖数1.1盆地沉积特征鄂尔多斯盆地位于中国华北地台西部,中生代以来成为克拉通地台基底上发育的典型陆相盆地,盆地内部构造相对简单,是中国重要的含油气盆地之一(图1)。盆地在晚古生代—中三叠世时期处于海陆交替相沉积环境到陆相沉积环境的转变过程。晚三叠世延长组沉积早期,鄂尔多斯盆地周边地壳发生相对抬升运动,形成鄂尔多斯湖盆,沉积背景转变为陆相,此时延长组沉积期湖盆发育达到鼎盛。延长组是鄂尔多斯盆地中最早发育的一套以河流—湖泊相为特征的陆源碎屑岩系,也是鄂尔多斯盆地主要的油气勘探开发目的层系重庆地区位于中国南方上扬子板块中,属于上扬子台内坳陷构造单元,其大部分在四川盆地内部,东南部和东北部位于四川盆地边缘(图1)。早寒武世初期,上扬子地区整体下沉,总体上早期为深水陆棚沉积,后期逐渐向浅水陆棚及潮坪沉积演化,在深水陆棚沉积期形成分布范围广、厚度较大的黑色海相页岩。研究区内主要发育下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组2套富有机质黑色页岩层段。目前重庆地区已经大力开展针对下志留统龙马溪组页岩气和下寒武统牛蹄塘组页岩气的勘探开发,并取得了一定成果,其中焦石坝涪陵页岩气田已成为国家页岩气成功勘探开发的示范区,但下寒武统牛蹄塘组页岩气的勘探开发还未取得较大成果。早志留世,四川盆地发生大规模海侵作用,在海平面上升的过程中,盆地内部及周缘沉积了龙马溪组页岩,其岩性剖面下部为深水陆棚沉积,含有大量笔石,局部富集了大量条带状黄铁矿,反映强还原静水沉积环境牛蹄塘组页岩形成于早寒武世,沉积特点和龙马溪组页岩类似。四川盆地在早寒武世发生大规模海侵作用,在下寒武统牛蹄塘组页岩沉积期,整个上扬子地区均处于浅水—深水陆棚的强还原静水沉积环境1.2最厚的土壤条件鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段页岩储层平均厚度约80m,最厚可达100m。储层埋深较浅,其底平均埋深约1288m,最大埋深为1700m。延长组页岩有机质类型以Ⅰ型—Ⅱ型为主1.2.1样品分布情况鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩的TOC平均含量为4.8%。从CY1、CY2和FY1井中选取的三叠系延长组岩心样品来看,TOC含量的变化范围为0.4%~10.0%,集中分布在4.0%~5.0%,其次为5.0%~6.0%,为典型的富有机质陆相页岩。从JY1、JY2和JY4井中选取的渝东南龙马溪组岩心样品来看,TOC含量变化范围为0.3%~5.3%,平均含量为3.2%;1.0%~2.0%的样品数量分布频率最大,达到43.0%。从CQ1、CQ2和CQ3井中选取的渝东北牛蹄塘组岩心样品来看,TOC含量变化范围为0.1%~10.0%,平均含量达到3.3%;其中2.0%~3.0%的样品数量分布频率最大(图2)。1.2.2岩石矿物含量页岩的主要矿物组成大致可以分为3大类,分别是硅质矿物、黏土矿物和碳酸盐矿物。延长组页岩的石英和长石平均含量达44.3%;黏土矿物含量最大,平均达48.7%;碳酸盐矿物含量较少,平均只有6.2%。龙马溪组页岩的石英含量平均为41.8%;黏土矿物平均含量34.2%;碳酸盐矿物含量较低,平均只有11.9%。牛蹄塘组页岩样品的石英平均含量为37.4%;黏土矿物平均含量为24.7%;碳酸盐矿物平均含量为23.9%。相比较而言,龙马溪组页岩黏土矿物含量较高,而牛蹄塘组页岩钙质矿物含量较高,延长组页岩黏土矿物含量最大(图3)。1.2.3等效镜质体反射率镜质体反射率(R中国南方下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组页岩普遍缺失镜质体,给检测页岩储层热演化程度带来一定困难。但油气储层中的沥青反射率和镜质体反射率之间存在换算关系,因此可以通过测量页岩储层中的沥青反射率来换算等效镜质体反射率,以此推算2套页岩储层的热演化程度。龙马溪组页岩沉积期相对较晚,属于下志留统,经历的沉积埋藏史相对较短,且地层的古埋深相对牛蹄塘组页岩要浅。从等效镜质体反射率换算的结果来看,龙马溪组页岩的等效镜质体反射率普遍在3.0%以下,分布频率最广的在2.0%~2.8%之间,最低甚至能小于2.0%(图4)。龙马溪组页岩的等效镜质体反射率值显示其处于生干气阶段,能够大量生成页岩气。牛蹄塘组页岩沉积期较早,属于下寒武统地层,经历的沉积埋藏史更长,且地层的古埋深更大。牛蹄塘组页岩的等效镜质体反射率分布范围在3.0%~4.0%之间(图4)。牛蹄塘组页岩储层的热演化程度已达到过成熟—变质期阶段,页岩的生烃潜力已接近枯竭。2fib-hom的特点及分析此次研究使用德国CarlZeiss公司制造的NanoFab-ORION型聚焦离子束氦离子显微镜(FIB-HIM),针对3套页岩中的有机质孔隙发育特征进行观察实验设计。FIB-HIM为最新应用于非常规油气研究领域的能够有效识别页岩微纳米孔隙的先进技术方法,主要用来观察页岩样品中的有机质孔隙发育特征。FIB-HIM分辨率极高,能够达到0.5nm(@45kV)左右,具有亚纳米级尺度的分辨能力,远远超过目前常用非常规油气储层微观结构探测的聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)的分辨率。由于FIB-HIM使用氦离子束进行成像,且氦离子束具有低能量和聚焦集中的特点,能在高放大倍数下稳定成像,使图像分辨率更高、更清晰,能获得比电子显微镜高5倍的景深,因此FIB-HIM的二维数字照片具有三维立体的特征。有机质会在氦离子束的轰击下显示深灰色,方解石、白云石及黄铁矿等矿物会显示浅灰色,石英、长石等矿物会显示黑色,而孔隙则会显示黑色。根据页岩中不同基质在氦离子束轰击下的颜色衬度,可轻易识别出有机质及其内部发育的孔隙,因此FIB-HIM对有机质孔隙具有极强的分辨能力。在进行FIB-HIM观察实验前,需要将页岩样品进行磨样和氩离子抛光。经过一系列的FIB-HIM观察实验,分别得到了延长组、龙马溪组和牛蹄塘组页岩的有机质孔隙发育特征,并分析其主要控制因素。2.1热演化程度i,fa-h,岩性碳h延长组页岩有机质只发育少量孔隙(图5a,b),且孔隙直径较小(图5c),而有些有机质内部并不发育孔隙。延长组页岩的有机质孔隙并不连片发育,其内部发育较多的是微裂缝(图5d,e),这是由于延长组页岩的热演化程度分布在0.8%~1.4%的范围,仍处于生油窗内,页岩主要生成液态烃类,而气态烃类主要是生成液态烃时的伴生气。将FIB-HIM照片比例尺放大到200nm,此时的分辨率可达2nm,发现有机质表面发育大量微孔隙(图5f),增加了有机质孔隙的比表面积,利于烃类气体吸附赋存,但对烃类气体形成有效渗流并不起作用。延长组页岩样品发育大量粒间孔隙,大多发育在黏土矿物内部(图5g),这是由于延长组页岩属于陆相页岩,黏土含量高,且呈层间排列(图5h-i)。延长组页岩粒内孔隙发育数量较少,这是由于碳酸盐含量较少,只有8.0%左右。粒内孔隙是由于溶蚀作用形成,多发育在方解石、白云石等易遭受后期有机酸溶蚀的碳酸盐矿物颗粒内部。2.2有机质孔隙识别龙马溪组页岩有机质内部发育大量孔隙(图6a-c),且呈现连片发育,孔隙形态以椭圆形为主(图6d)。由于FIB-HIM具有极高的分辨率,而且对页岩中的有机质孔隙具有极强的识别功能,因此那些在场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)二维功能下未能有效识别的有机质孔隙在FIB-HIM中可被精确识别出来(图6e,f)。例如发育在有机质表面上的微孔在FIB-HIM极高的分辨率下也得到了识别(图6g-i),这种微孔隙的发育极大地增加了有机质孔隙的比表面积,利于甲烷吸附2.3有机质孔隙结构采用同样的样品制备方法及同样的实验设备,对渝东北牛蹄塘组页岩有机质孔隙进行观察,发现牛蹄塘组页岩的有机质内部极少发育孔隙。即使发育个别孔隙,也大多呈孤立的形式存在于有机质内部(图7a,b),连通性差,发育特征类似于分布在页岩矿物基质中的粒内孔隙,而且孔径也普遍小于龙马溪组页岩的有机质孔隙。同时,发育于黄铁矿晶间的有机质基本不发育孔隙,有些游离态的有机质内部并不发育孔隙(图7c-f)。相对于龙马溪组页岩来说,牛蹄塘组页岩样品中根本不存在较小的孔隙嵌套在较大直径的有机质孔隙内部。牛蹄塘组页岩内部发育数量相对最多的是粒间孔隙(图7g-i),而此类孔隙的连通性较差,多是由于方解石、长石以及石英等矿物在遭受构造挤压或是成岩作用过程中受力不均匀形成的类似微裂缝的孔隙,多呈圈层状围绕在无机矿物颗粒周围,无法为页岩气的赋存提供有效空间和渗流通道。3两组页岩热演化程度、碳质储层精细对比页岩中有机质孔隙的发育数量决定了页岩整体孔隙系统的储集能力和连通性鄂尔多斯盆地延长组页岩的最大古埋深分布在2000~4000m的范围内,储层热演化程度低,目前仍处在生油窗内,烃源岩层中的干酪根仍以生液态烃为主。页岩层还没有进入生干气阶段,有机质无法产生大量孔隙,以发育微裂缝为主。延长组陆相页岩由于热演化程度较低,有机质孔隙数量相对于龙马溪组页岩较少,并不是连片发育,只在有机质内部局部发育,而且孔径也较小,有些有机质内部并不发育孔隙,导致延长组页岩对甲烷等烃类气体的储集能力较低。而龙马溪组页岩较大有机质孔隙内部嵌套着较小有机质孔隙发育的模式在延长组页岩中并未发现,延长组页岩也无法使甲烷等烃类气体在储层中形成有效渗流。再者,从生烃演化的角度来分析,延长组页岩的储层热演化程度(0.8%<R相对于下寒武统牛蹄塘组页岩,下志留统龙马溪组页岩沉积期相对较晚,经历的沉积埋藏史相对较短。上扬子地区龙马溪组页岩最大古埋深分布在4000~6000m的范围内,相对牛蹄塘组页岩也要浅。在龙马溪组页岩有机质热演化过程中,由于热演化程度相对较低,加上上覆围岩压实作用较弱,因此龙马溪组页岩有机质孔隙得以大量保留。上扬子地区渝东北牛蹄塘组页岩最大古埋深能达到8000m,页岩有机质的热演化程度此时已接近变质阶段,这使得牛蹄塘组页岩储层中的有机质石墨化进程加剧4有机质孔隙发育(1)延长组页岩样品的有机质局部发育