渝東南下古生界頁巖氣儲層孔隙類型及儲氣貢獻

渝東南下古生界頁巖氣儲層孔隙類型及儲氣貢獻

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?？焖侔l(fā)展的理論研究加深了對巖石、儲層、氣體儲存形式和原含量變化的理解。頁巖氣在儲層中的存在可分為吸附氣、游離氣和溶解氣,甲烷氣體的儲存形態(tài)與頁巖中的孔隙類型及特征密切相關(guān)。許多學者對頁巖致密儲集空間中烴類的賦存及滲流進行了研究,利用場發(fā)射掃描電鏡,結(jié)合氬離子拋光技術(shù)觀測到了豐富的納米級孔隙,認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,對烴類的儲集和運移是否具有重要意義?為此本次研究使用多種分析測試技術(shù),對渝東南下古生界含氣頁巖中的孔隙類型及特征進行了分類觀察、描述,并分析儲層孔隙的頁巖氣意義。1孔的類型和特征1.1有機質(zhì)成分與巖石能譜圖頁巖有機質(zhì)中存在的孔隙多為μm級或nm級,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,對拋光樣品成像觀察,同時結(jié)合能譜儀識別不同元素的X射線特征,可確定有機質(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測點的能譜圖B有很明顯的碳峰值,說明暗色區(qū)域為集中且連續(xù)分布的有機質(zhì),k測點的能譜圖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測點的能譜圖,圖F為n測點的能譜圖。有機質(zhì)孔隙的觀測需要采用氬離子拋光技術(shù),在場發(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。此類孔隙的連通程度是不確定的,其形成可能與有機質(zhì)沉積、埋藏及熱演化階段有關(guān),沉積過程中的生物擾動作用也可能產(chǎn)生微觀有機孔隙。1.2渝北下古生界頁巖中的黃鐵礦頁巖氣儲層中的石英顆?？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,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。有研究認為,在這些孔隙及黃鐵礦顆粒邊緣存在殘余的有機物質(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。前人在實驗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是鹽水條件下的實驗記錄,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)計微裂隙在含氣頁巖研究中具有重要應(yīng)用價值,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,延伸長度較大,寬度可達μm級,能夠為頁巖氣提供重要的儲集空間,同時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一步研究,可能為頁巖氣提供滲流網(wǎng)絡(luò)。2儲層類型結(jié)構(gòu)本次研究對頁巖氣儲層中的孔隙進行了分類觀察、描述,為了能夠以定量的形式說明各類孔隙提供的儲存空間對頁巖含氣量的影響,專門選取酉科1井和渝科1井的鉆井巖心樣品12塊,進行等溫吸附實驗,實驗溫度為巖心的實際井下地層溫度。在樣品的實驗恒溫條件下,測量不同壓力下的氣體吸附量,進而可以根據(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,基于不同類型孔隙的尺度大小及實驗技術(shù)手段,選用孔隙度、有機碳含量、BET比表面積、BJH總孔體積4個參數(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。為了進一步探討各類孔隙的儲氣貢獻,將頁巖吸附含氣量與孔隙度、有機碳含量、BET比表面積、BJH總孔體積進行相關(guān)性分析,孔隙度與吸附含氣量的線性關(guān)系不明顯(圖7A)。對于頁巖這種致密儲層,壓汞實驗只能有效測定mm級及少量μm級的孔隙,多為微裂隙或粒間孔隙。這些類型的孔隙尺度相對較大,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。有機碳含量對頁巖吸附含氣量的控制作用得到了國內(nèi)外學者的普遍認可,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)育的作用頁巖氣儲層中的各類孔隙特征不同,有機質(zhì)孔隙通常產(chǎn)生在有機碎片或干酪根表面,孔隙直徑多為nm級;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,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,同時對人工壓裂誘導裂縫的產(chǎn)生具有促進作用。Oue10bBrien等在掃描電鏡中觀察到了頁巖中烴類的運移,在3~4d的時間中對頁巖持續(xù)進行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,對頁巖的滲透性有貢獻作用。有機質(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,其流動性與連通性具有不確定性。4儲氣的分布及主要儲氣作用(1)頁巖氣儲層中發(fā)育多種孔隙類型,有機質(zhì)孔隙多形成在干酪根表面,孔隙直徑多為nm級;石英顆粒形成的粒內(nèi)或粒間孔隙尺度相對較大;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)有機質(zhì)孔隙、顆粒內(nèi)孔、粒間孔隙及微裂隙能夠為頁巖氣的賦存提供儲集空間,小至nm級,大到mm級。TOC含