渝東南下古生界頁巖氣儲(chǔ)層孔隙類型及儲(chǔ)氣貢獻(xiàn)

渝東南下古生界頁巖氣儲(chǔ)層孔隙類型及儲(chǔ)氣貢獻(xiàn)

近年來，作為一種清潔、高效的能源，黃巖氣的勘探和開發(fā)已成為世界能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)?？焖侔l(fā)展的理論研究加深了對(duì)巖石、儲(chǔ)層、氣體儲(chǔ)存形式和原含量變化的理解。頁巖氣在儲(chǔ)層中的存在可分為吸附氣、游離氣和溶解氣,甲烷氣體的儲(chǔ)存形態(tài)與頁巖中的孔隙類型及特征密切相關(guān)。許多學(xué)者對(duì)頁巖致密儲(chǔ)集空間中烴類的賦存及滲流進(jìn)行了研究,利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,結(jié)合氬離子拋光技術(shù)觀測(cè)到了豐富的納米級(jí)孔隙,認(rèn)為納米孔在頁巖氣的聚集、成藏中起重要作用。那么其他類型及不同尺度的孔隙在頁巖中的發(fā)育情況如何,對(duì)烴類的儲(chǔ)集和運(yùn)移是否具有重要意義?為此本次研究使用多種分析測(cè)試技術(shù),對(duì)渝東南下古生界含氣頁巖中的孔隙類型及特征進(jìn)行了分類觀察、描述,并分析儲(chǔ)層孔隙的頁巖氣意義。1孔的類型和特征1.1有機(jī)質(zhì)成分與巖石能譜圖頁巖有機(jī)質(zhì)中存在的孔隙多為μm級(jí)或nm級(jí),干酪根的分布是此類孔隙發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。為了清晰地查看頁巖中有機(jī)質(zhì)的分布狀態(tài),本次研究利用掃描電鏡的背散射電子成像原理,對(duì)拋光樣品成像觀察,同時(shí)結(jié)合能譜儀識(shí)別不同元素的X射線特征,可確定有機(jī)質(zhì)的存在。圖1中A為渝頁1井(274m)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的掃描圖像,j測(cè)點(diǎn)的能譜圖B有很明顯的碳峰值,說明暗色區(qū)域?yàn)榧星疫B續(xù)分布的有機(jī)質(zhì),k測(cè)點(diǎn)的能譜圖C顯示了一定的碳峰值,說明在暗色區(qū)域周圍存在分散狀有機(jī)質(zhì)。銅仁壩黃剖面下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的圖像D也具有類似的特征,圖E為m測(cè)點(diǎn)的能譜圖,圖F為n測(cè)點(diǎn)的能譜圖。有機(jī)質(zhì)孔隙的觀測(cè)需要采用氬離子拋光技術(shù),在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下可建立孔隙空間的平面或三維立體圖像,Slatt闡述了此類孔隙在Barnett頁巖中的發(fā)育特征。本次研究通過場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析了拋光的頁巖立方體,在渝東南地區(qū)下古生界頁巖樣品中也發(fā)現(xiàn)相似的有機(jī)質(zhì)微觀孔隙(圖2),A為彭水剖面下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的圖像,微孔隙在有機(jī)質(zhì)集中分布的暗色區(qū)域發(fā)育豐富,孔隙直徑一般小于1μm;B為渝頁1井(202.6m)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖中微孔隙的分布情況,孔隙呈分散狀,直徑多為nm級(jí)。此類孔隙的連通程度是不確定的,其形成可能與有機(jī)質(zhì)沉積、埋藏及熱演化階段有關(guān),沉積過程中的生物擾動(dòng)作用也可能產(chǎn)生微觀有機(jī)孔隙。1.2渝北下古生界頁巖中的黃鐵礦頁巖氣儲(chǔ)層中的石英顆?？尚纬扇芪g內(nèi)孔,黃鐵礦顆粒由于晶體形態(tài)及排列分布可產(chǎn)生內(nèi)部微孔隙,生物骨架存在殘留內(nèi)孔隙,化石碎片形成后也具有內(nèi)部孔隙。利用薄片在鏡下觀察到渝東南地區(qū)露頭頁巖(N28.41°,E110.47°)中的石英顆粒內(nèi)孔(圖3A)。通過電鏡掃描觀察,發(fā)現(xiàn)渝東南下古生界頁巖中存在黃鐵礦,其可反映沉積水體深度及氧化還原環(huán)境,顆粒多呈草莓狀,圖3B為酉科1井(962.43m)下古生界頁巖中的黃鐵礦,顆粒為μm級(jí),內(nèi)部由許多小的晶體組成。圖3C為岑頁1井(1369m)下寒武統(tǒng)頁巖,從中可看出草莓狀黃鐵礦顆粒內(nèi)部晶體之間產(chǎn)生的微觀內(nèi)部孔隙。有研究認(rèn)為,在這些孔隙及黃鐵礦顆粒邊緣存在殘余的有機(jī)物質(zhì)。1.3片粒度沉積結(jié)構(gòu)含氣頁巖在形成過程中存在大量的微沉積構(gòu)造,這是沉積物在古沉積環(huán)境中運(yùn)移產(chǎn)生的,各種顆粒間的不完全膠結(jié)或后期成巖改造都會(huì)產(chǎn)生粒間孔隙。渝東南地區(qū)下古生界頁巖中的礦物主要由石英和黏土(伊利石)組成,存在多種其他礦物。石英顆粒間發(fā)育孔隙空間,黏土礦物(尤其是伊利石)在頁巖沉積形成過程中可形成帶靜電的片粒狀集合體,顆粒之間通過邊緣或表面連接富集,并產(chǎn)生孔隙。前人在實(shí)驗(yàn)室條件下將伊利石放在液體中蒸發(fā)沉淀,記錄了類似的片粒狀沉積結(jié)構(gòu)。圖4A為蒸餾水中蒸干后的伊利石圖像,顯示了隔板狀粒間孔隙的發(fā)育。圖4B是鹽水條件下的實(shí)驗(yàn)記錄,形成了不規(guī)則的片粒間孔。本次研究通過SEM掃描圖像發(fā)現(xiàn),渝東南地區(qū)下古生界頁巖中發(fā)育了黏土片粒集合體及孔隙(圖4C、D),C為酉陽興隆剖面下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖,D為龍?zhí)犊嘀衿拭嫦轮玖艚y(tǒng)龍馬溪組頁巖。這些顆粒間的結(jié)構(gòu)孔隙為甲烷分子提供了大于其直徑(0.38nm)的儲(chǔ)集空間,甚至可能成為頁巖氣的滲流通道。1.4后期充填設(shè)計(jì)微裂隙在含氣頁巖研究中具有重要應(yīng)用價(jià)值,是鉆井、壓裂及改造處理的重要參考因素。通過薄片觀察,圖5A為渝頁1井285m處下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的薄片圖像,顯示有的微裂隙被后期充填。此外,在渝頁1井頁巖(49.6m)的顯微組分觀測(cè)中,發(fā)現(xiàn)瀝青碎屑中存在微裂隙(圖5B),這可能與其經(jīng)歷的熱演化過程有關(guān)。在掃描電鏡中發(fā)現(xiàn)渝東南地區(qū)下古生界頁巖的微裂隙可發(fā)育在基質(zhì)中(圖6箭頭所指),6A為渝頁1井90m下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖,6B為酉科1井1364m下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖,這些孔隙一般與微沉積構(gòu)造紋理伴生,延伸長(zhǎng)度較大,寬度可達(dá)μm級(jí),能夠?yàn)轫搸r氣提供重要的儲(chǔ)集空間,同時(shí)可作為甲烷分子的滲流通道,這些微裂隙在人工造隙壓裂后的連通效果值得進(jìn)一步研究,可能為頁巖氣提供滲流網(wǎng)絡(luò)。2儲(chǔ)層類型結(jié)構(gòu)本次研究對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層中的孔隙進(jìn)行了分類觀察、描述,為了能夠以定量的形式說明各類孔隙提供的儲(chǔ)存空間對(duì)頁巖含氣量的影響,專門選取酉科1井和渝科1井的鉆井巖心樣品12塊,進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)溫度為巖心的實(shí)際井下地層溫度。在樣品的實(shí)驗(yàn)恒溫條件下,測(cè)量不同壓力下的氣體吸附量,進(jìn)而可以根據(jù)Langmuir等溫吸附方程得到頁巖的吸附含氣量。渝東南地區(qū)下古生界下寒武統(tǒng)頁巖的吸附含氣量為1.13~5.04m3/t,平均為2.67m3/t。與此同時(shí),基于不同類型孔隙的尺度大小及實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段,選用孔隙度、有機(jī)碳含量、BET比表面積、BJH總孔體積4個(gè)參數(shù)表征孔隙特征,巖心樣品的孔隙度為0.8%~2.7%,平均為1.6%;有機(jī)碳含量為0.27%~9.83%,平均為2.97%;BET比表面積為1.73~27.77m2/g,平均為10.10m2/g;BJH總孔體積為0.002~0.020mL/g,平均為0.009mL/g。為了進(jìn)一步探討各類孔隙的儲(chǔ)氣貢獻(xiàn),將頁巖吸附含氣量與孔隙度、有機(jī)碳含量、BET比表面積、BJH總孔體積進(jìn)行相關(guān)性分析,孔隙度與吸附含氣量的線性關(guān)系不明顯(圖7A)。對(duì)于頁巖這種致密儲(chǔ)層,壓汞實(shí)驗(yàn)只能有效測(cè)定mm級(jí)及少量μm級(jí)的孔隙,多為微裂隙或粒間孔隙。這些類型的孔隙尺度相對(duì)較大,能夠更多地為游離氣提供賦存空間,這可能是吸附含氣量與孔隙度線性關(guān)系不顯著的原因。有機(jī)碳含量對(duì)頁巖吸附含氣量的控制作用得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可,在此基礎(chǔ)之上,本次研究結(jié)合BET比表面積和BJH總孔體積,認(rèn)為渝東南地區(qū)下古生界高-過成熟頁巖在成巖過程中,隨著熱演化程度的增加,自身有機(jī)質(zhì)、礦物顆粒及基質(zhì)產(chǎn)生了微觀孔隙,TOC含量、BET比表面積、BJH總孔體積與吸附含氣量的線性正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.9024、0.8754、0.8164)說明這些孔隙有助于吸附態(tài)頁巖氣的儲(chǔ)集(圖7B、C、D)。3頁巖微裂隙和粒間孔隙孔隙發(fā)育的作用頁巖氣儲(chǔ)層中的各類孔隙特征不同,有機(jī)質(zhì)孔隙通常產(chǎn)生在有機(jī)碎片或干酪根表面,孔隙直徑多為nm級(jí);顆粒內(nèi)孔多發(fā)育在有微晶結(jié)構(gòu)的顆粒內(nèi)部,如石英、黃鐵礦,且伴隨結(jié)晶礦物分布在頁巖基質(zhì)中;粒間孔隙在頁巖中可能保持一定的連通性;微裂隙的發(fā)育與頁巖中的微沉積構(gòu)造有關(guān),孔隙直徑多在mm、μm級(jí),常分布在頁巖基質(zhì)中。在這些孔隙類型中,特別有助于頁巖中烴類(頁巖氣或頁巖油)運(yùn)移的是微裂隙和粒間孔隙,它們的孔隙尺度較大,不僅為烴類富集提供足夠的空間,也能夠最大限度地保持連通性,同時(shí)對(duì)人工壓裂誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生具有促進(jìn)作用。Oue10bBrien等在掃描電鏡中觀察到了頁巖中烴類的運(yùn)移,在3~4d的時(shí)間中對(duì)頁巖持續(xù)進(jìn)行350℃的高溫加熱后,發(fā)現(xiàn)了從頁巖基質(zhì)微裂隙和粒間孔隙中滲出的油珠。發(fā)育在頁巖基質(zhì)中的顆粒內(nèi)孔,如石英溶蝕內(nèi)孔和黃鐵礦內(nèi)部的晶體孔隙,對(duì)頁巖的滲透性有貢獻(xiàn)作用。有機(jī)質(zhì)孔隙與干酪根伴生,孔隙空間中的頁巖氣分子多為結(jié)構(gòu)化存在,其流動(dòng)性與連通性具有不確定性。4儲(chǔ)氣的分布及主要儲(chǔ)氣作用(1)頁巖氣儲(chǔ)層中發(fā)育多種孔隙類型,有機(jī)質(zhì)孔隙多形成在干酪根表面,孔隙直徑多為nm級(jí);石英顆粒形成的粒內(nèi)或粒間孔隙尺度相對(duì)較大;黃鐵礦顆粒內(nèi)部晶體產(chǎn)生的孔隙比較常見;片粒狀黏土結(jié)構(gòu)中的孔隙在頁巖中普遍發(fā)育;微裂隙分布在頁巖基質(zhì)中,連通性較好。(2)有機(jī)質(zhì)孔隙、顆粒內(nèi)孔、粒間孔隙及微裂隙能夠?yàn)轫搸r氣的賦存提供儲(chǔ)集空間,小至nm級(jí),大到mm級(jí)。TOC含