頁巖氣儲層地質(zhì)2

1、頁巖氣儲層地質(zhì)頁巖氣儲層地質(zhì)主講人：于炳松主講人：于炳松Tel: 86-10-82321519mail: 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 2011-9講座提綱講座提綱第一講第一講 富有機質(zhì)頁巖巖石學(xué)與富有機質(zhì)頁巖巖石學(xué)與沉積環(huán)境沉積環(huán)境第二講第二講 富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及其主控因素及其主控因素第二講第二講 富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素一、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征 1 1、研究方法、研究方法 2 2、孔隙特征、孔隙特征二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素

2、 1 1、孔隙結(jié)構(gòu)主要控制因素、孔隙結(jié)構(gòu)主要控制因素 2 2、孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖氣賦存狀態(tài)的關(guān)系、孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖氣賦存狀態(tài)的關(guān)系孔隙特征孔隙特征孔隙度孔隙度滲透率滲透率孔隙體積孔隙體積孔隙結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu)孔隙分類（孔隙分類（ IUPACIUPAC）：）：孔隙直徑孔隙直徑2 nm50 50 nmnm的為宏孔隙（的為宏孔隙（macroporesmacropores）第二講第二講 富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素 孔隙特征是儲層研究的核心孔隙特征是儲層研究的核心第二講第二講 富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素 頁巖氣儲層特殊性頁巖氣儲層特殊性1 1）孔隙

3、結(jié)構(gòu)的特殊性：）孔隙結(jié)構(gòu)的特殊性：以中孔以中孔- -微孔為主；微孔為主；2 2）礦物組成的特殊性：）礦物組成的特殊性：富粘土礦物和有機質(zhì)；富粘土礦物和有機質(zhì)；3 3）巖石結(jié)構(gòu)的特殊性：）巖石結(jié)構(gòu)的特殊性：粒度細；粒度細；第二講第二講 富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素 頁巖氣儲層研究方法特殊性頁巖氣儲層研究方法特殊性u常規(guī)方法難以奏效：常規(guī)方法難以奏效：孔滲測定、鑄體薄片、孔滲測定、鑄體薄片、壓汞（一般壓汞（一般50nm50nm）；）；u氣體賦存狀態(tài)的特殊性：氣體賦存狀態(tài)的特殊性：游離與吸附；游離與吸附；u評價思路的特殊性：評價思路的特殊性：常規(guī)與特殊、直接與間常規(guī)與

4、特殊、直接與間接；接；一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法2 2、孔隙特征、孔隙特征1）偏光顯微鏡：）偏光顯微鏡：原理：原理：偏振光偏振光研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、顯微構(gòu)造、孔隙巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)、顯微構(gòu)造、孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)、成巖作用類型、成巖序列等。類型、孔隙結(jié)構(gòu)、成巖作用類型、成巖序列等。一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法2）掃描電鏡（環(huán)境掃描電鏡）：）掃描電鏡（環(huán)境掃描電鏡）：SEM（ESEM）原理：原理：以電子束為光源，其放大倍數(shù)及分辨能力遠以電子束為光源，其放大倍數(shù)及分辨能力遠遠超過光學(xué)顯微

5、鏡（遠超過光學(xué)顯微鏡（20-100000倍），最高分辨率倍），最高分辨率可達可達30。樣品制備：樣品制備：拋光的薄片、表面鍍膜；拋光的薄片、表面鍍膜；ESEM可做原可做原位測試位測試研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：碎屑成分、膠結(jié)物成分、自生礦物、巖碎屑成分、膠結(jié)物成分、自生礦物、巖石結(jié)構(gòu)、孔隙類型、孔隙發(fā)育程度、孔隙連通情況、石結(jié)構(gòu)、孔隙類型、孔隙發(fā)育程度、孔隙連通情況、成巖作用。尤其對粘土礦物，有重要作用。成巖作用。尤其對粘土礦物，有重要作用。 注意：油砂需預(yù)先洗油。注意：油砂需預(yù)先洗油。 一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法 1mm重晶石石膏d50 m20 0m2

6、0emSEM images3）透射電鏡（）透射電鏡（TEM）原理：原理：使用真空中透過磨薄樣品的電子束，類似于使使用真空中透過磨薄樣品的電子束，類似于使用透射光的光學(xué)凸透鏡。要求樣品應(yīng)薄到足以讓電子用透射光的光學(xué)凸透鏡。要求樣品應(yīng)薄到足以讓電子通過（幾納米）。通常使用通過（幾納米）。通常使用500000倍的放大倍數(shù)獲得倍的放大倍數(shù)獲得晶格邊緣的圖象，用幾千到大約晶格邊緣的圖象，用幾千到大約30000倍的放大倍數(shù)倍的放大倍數(shù)可得到十分精細的結(jié)構(gòu)信息，如粘土礦物?？傻玫绞志毜慕Y(jié)構(gòu)信息，如粘土礦物。樣品制備：樣品制備：先制成拋光薄片，再用離子減薄到出現(xiàn)空先制成拋光薄片，再用離子減薄到出現(xiàn)空洞為止

7、，洞周圍的樣品區(qū)薄到足以讓電子束通過。洞為止，洞周圍的樣品區(qū)薄到足以讓電子束通過。應(yīng)用：應(yīng)用：礦物成分、礦物結(jié)構(gòu)關(guān)系、礦物化學(xué)成分。礦物成分、礦物結(jié)構(gòu)關(guān)系、礦物化學(xué)成分。一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征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射線衍射分析（射線衍射分析（XRD）原理：原理：X射線衍射技術(shù)。射線衍射技術(shù)。樣品制備：樣品制備：通常粉末樣品（通常粉末樣品（510微米），微米），200目。目。研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：粘土礦物的定性定量分析、混層粘土礦粘土礦物的定性定量分析、混層粘土礦物的鑒定及混層比、自生礦物的分析鑒定、礦物的物的鑒定及混層比、自生礦物的分析鑒定、礦物的有序度分析等。有序度分析等。一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法5）微量與稀土元素分析）微量與稀土元素分析ICP-MSDCPX螢光等一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、

9、研究方法、研究方法（1）毛細管壓力曲線的測定）毛細管壓力曲線的測定R毛細管壓力毛細管壓力(Pc)與表面張力（）成正比，與毛細管半徑（R）成反比；潤濕角（潤濕角（）越小，則表面張力越大，毛細管上升高度也越大；毛細管半徑（毛細管半徑（R）越大，則上升高度越小。Pc = 2 cos /R潤濕相液體的表面張力的作用能使液體自發(fā)地充填于固體的孔隙之中。而非潤濕相液體與固體所形成的接觸角大于90度，這時表面張力的作用是阻止液體進入孔隙介質(zhì)中。如欲將非潤濕性液體注入巖石的孔隙中去，則必須外界對其施加壓力，此壓力就相當(dāng)于毛細管壓力。一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）

10、壓汞法）壓汞法水銀是一種非潤濕性液體，將水銀注入被抽空的巖水銀是一種非潤濕性液體，將水銀注入被抽空的巖樣空間中去，就要克服巖石孔隙系統(tǒng)對水銀的毛細樣空間中去，就要克服巖石孔隙系統(tǒng)對水銀的毛細管阻力。顯然，注入水銀的過程就是測量毛細管壓管阻力。顯然，注入水銀的過程就是測量毛細管壓力的過程。注入水銀的每一點壓力，就可代表一個力的過程。注入水銀的每一點壓力，就可代表一個相應(yīng)的孔喉大小的毛細管壓力。在這個壓力下，進相應(yīng)的孔喉大小的毛細管壓力。在這個壓力下，進入孔隙系統(tǒng)的水銀量就代表此種大小的孔喉在系統(tǒng)入孔隙系統(tǒng)的水銀量就代表此種大小的孔喉在系統(tǒng)中所占的孔隙體積。隨著注入壓力不斷增加，水銀中所占的孔隙體

11、積。隨著注入壓力不斷增加，水銀即不斷進入較小的孔隙。將各個壓力點的壓力與注即不斷進入較小的孔隙。將各個壓力點的壓力與注入相應(yīng)的水銀量的關(guān)系繪成圖件即為該巖樣的毛細入相應(yīng)的水銀量的關(guān)系繪成圖件即為該巖樣的毛細管壓力飽和度曲線，簡稱管壓力飽和度曲線，簡稱毛細管壓力曲線毛細管壓力曲線。（1）毛細管壓力曲線的測定）毛細管壓力曲線的測定一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）壓汞法）壓汞法根據(jù)毛細管壓力求取孔喉半徑：根據(jù)毛細管壓力求取孔喉半徑：Pc = 2 cos /R水銀的表面張力：水銀的表面張力： 480 dyn/cm潤濕角：潤濕角： = 140o則：則： Pc

12、 = 2 cos /R2480 cos140/R 7500/R (dyn/cm2)（1）毛細管壓力曲線的測定）毛細管壓力曲線的測定一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）壓汞法）壓汞法2022-4-2322（1）毛細管壓力曲線的測定）毛細管壓力曲線的測定一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）壓汞法）壓汞法孔喉大小的柱狀頻率分布（1）毛細管壓力曲線的測定）毛細管壓力曲線的測定一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）壓汞法）壓汞法2022-4-2324（2）毛細管壓力曲線的定量特征）

13、毛細管壓力曲線的定量特征排驅(qū)壓力排驅(qū)壓力(Pd)：指使?jié)櫇裣嘣诳紫吨虚_始連續(xù)運動所需的壓力，也就是指在孔隙系統(tǒng)中最大連通孔隙所相應(yīng)的壓力，又稱門檻壓力。在毛細管壓力曲線上為沿平坦部分作切線與縱軸相交的壓力值。對于分選很差的毛細管壓對于分選很差的毛細管壓力曲線力曲線，用初始拐點的水平位置定為排驅(qū)壓力。SAB和： SAB段越大， 角越小，表示最大連通孔喉的集中程度越高。一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）壓汞法）壓汞法2022-4-2325最小非飽和孔隙體積最小非飽和孔隙體積百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)(Smin)：表示當(dāng)表示當(dāng)注入水銀的壓力達到注入水銀的壓力達到儀器的最

14、高壓力時，儀器的最高壓力時，水銀仍無法注入的孔水銀仍無法注入的孔隙體積百分?jǐn)?shù)，是無隙體積百分?jǐn)?shù)，是無效孔隙。效孔隙。Smin 越大，表示無效微越大，表示無效微孔隙所占的體積越多，孔隙所占的體積越多，儲集性能越差儲集性能越差。（2）毛細管壓力曲線的定量特征）毛細管壓力曲線的定量特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）壓汞法）壓汞法2022-4-2326退出曲線及退出效率（退出曲線及退出效率（WE）：WE (Smax SR)/Smax 100%Smax注入水銀的最大飽和度SR退出后殘留在巖樣中的水銀飽和度退出效率高，孔喉直徑較大，連通性較好，反之，孔喉直徑

15、小，連通性差。（2）毛細管壓力曲線的定量特征）毛細管壓力曲線的定量特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法6）壓汞法）壓汞法一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法7）低壓）低壓N N2 2比表面測定比表面測定利用利用N2作為流體的一種測試方法，由于其分子作為流體的一種測試方法，由于其分子直徑較汞小，故能測出中孔和宏孔的體積分布直徑較汞小，故能測出中孔和宏孔的體積分布8）低壓）低壓CO2 2測定測定原理類似于低壓原理類似于低壓N2比表面測定，由于比表面測定，由于CO2的分的分子直徑更小，故能測出中孔和微孔的體積分布子直徑更

16、小，故能測出中孔和微孔的體積分布研究方法：研究方法： 利用壓汞方法測定黑色頁巖樣品的宏孔隙利用壓汞方法測定黑色頁巖樣品的宏孔隙（macroporesmacropores）體積和孔隙大小分布；）體積和孔隙大小分布； 利用低壓利用低壓N N2 2比表面測定研究中孔隙（比表面測定研究中孔隙（mesoporesmesopores）和宏孔隙的孔隙大小分布；和宏孔隙的孔隙大小分布； 利用低壓利用低壓COCO2 2方法測定中孔隙和微孔隙方法測定中孔隙和微孔隙（microporesmicropores）的體積和大小分布。）的體積和大小分布。 利用掃描電鏡和透射電鏡，觀察黑色頁巖顯微孔隙利用掃描電鏡和透射電鏡，

17、觀察黑色頁巖顯微孔隙形態(tài)與分布。形態(tài)與分布。一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征1 1、研究方法、研究方法一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征2 2、孔隙特征、孔隙特征微孔微孔 中孔和宏孔體積占總體積百分比圖中孔和宏孔體積占總體積百分比圖1 1）孔隙體積分布）孔隙體積分布中孔為主中孔為主一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征2 2、孔隙特征、孔隙特征2 2）孔徑分布）孔徑分布單峰型分布一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙特征2 2、孔隙特征、孔隙特征2 2）孔徑分布）孔徑分布多峰型分布多峰型分布孔隙直徑主要集中于孔隙直徑主要集中于2nm-5nm之間之間

18、第二講第二講 富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素富有機質(zhì)頁巖孔隙特征及主控因素一、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征一、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征 1 1、研究方法、研究方法 2 2、孔隙特征、孔隙特征二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素 1 1、孔隙結(jié)構(gòu)主要控制因素、孔隙結(jié)構(gòu)主要控制因素 2 2、孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖氣賦存狀態(tài)的關(guān)系、孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖氣賦存狀態(tài)的關(guān)系SiO2減?。籄l2O3增加顯微孔隙體積與TOC、Al2O3的關(guān)系Ross and Bustin, 2009二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素1、孔隙結(jié)構(gòu)主控因素、孔隙結(jié)構(gòu)主控因素石英含量與微孔體

19、積關(guān)系圖石英含量與中孔體積關(guān)系圖石英含量與宏孔體積關(guān)系圖石英含量與孔體積和孔隙結(jié)石英含量與孔體積和孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系構(gòu)的關(guān)系石英等碎屑礦物的增加有石英等碎屑礦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，與微孔隙關(guān)系不隙降低，與微孔隙關(guān)系不密切密切二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素粘土含量與微孔體積關(guān)系圖粘土含量與中孔體積關(guān)系圖粘土含量與宏孔體積關(guān)系圖粘土含量與孔體積和孔隙結(jié)粘土含量與孔體積和孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系構(gòu)的關(guān)系粘土礦物對中孔體積具有粘土礦物對中孔體積具有重要貢獻重要貢獻二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素2022-4-2

20、336TOC與微孔體積關(guān)系圖TOC與中孔體積關(guān)系圖TOC與宏孔體積關(guān)系圖有機質(zhì)含量與孔體積和孔隙有機質(zhì)含量與孔體積和孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系結(jié)構(gòu)的關(guān)系有機質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)和吸附有機質(zhì)與孔隙結(jié)構(gòu)和吸附能力之間的能力之間的關(guān)系究竟如何？關(guān)系究竟如何？二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素372022-4-23RO與微孔體積關(guān)系圖RO與中孔體積關(guān)系圖RO與宏孔體積關(guān)系圖有機質(zhì)成熟度與孔體積和孔有機質(zhì)成熟度與孔體積和孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系高熟有機質(zhì)成熟度增加有高熟有機質(zhì)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？微裂縫？原因？微裂縫？二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素二、富有機質(zhì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)主控因素2、孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖氣賦存狀態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)與頁巖氣賦存狀態(tài)1）吸附態(tài)：）吸附態(tài)：中孔隙中孔隙-