富有機(jī)質(zhì)泥頁巖儲(chǔ)層特征研究

富有機(jī)質(zhì)泥頁巖儲(chǔ)層特征研究

巖氣是儲(chǔ)層自生氣藏的連續(xù)性氣藏。儲(chǔ)層研究是巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的重要組成部分。頁巖儲(chǔ)層研究重點(diǎn)包括礦物類型與含量、孔隙度和滲透率、孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)等方面。礦物類型和含量是決定了頁巖儲(chǔ)層脆性特征,尋找脆性礦物含量高、易壓裂的地層對(duì)頁巖氣壓裂開發(fā)具有重要影響。頁巖儲(chǔ)層孔隙(納米級(jí))系統(tǒng)對(duì)烴類的儲(chǔ)集能力和流體向裂縫網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)具有重要的控制作用。頁巖儲(chǔ)層孔隙的類型、大小和孔隙的組合影響了烴類儲(chǔ)集空間和原地滯留資源量的計(jì)算。目前,國內(nèi)外針對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層特征的研究主要集中在海相地層,陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層特征研究相對(duì)薄弱。鄂爾多斯盆地中生界三疊系延長組長7段和長9段是重要的烴源巖層。近年來,延長組頁巖油氣逐漸受到國內(nèi)勘探界和學(xué)術(shù)界的重視。徐士林等認(rèn)為鄂爾多斯盆地三疊系延長組具備頁巖氣形成條件。趙靖舟認(rèn)為與三疊系延長組相比,上古生界頁巖氣形成條件更為優(yōu)越。王社教等認(rèn)為,上三疊統(tǒng)延長組長7段頁巖處于大量生油階段,頁巖氣主要為熱成因的伴生氣,成藏條件較致密油要差。目前針對(duì)鄂爾多斯盆地延長組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的研究重點(diǎn)在頁巖油氣形成條件分析和勘探潛力上,而缺少對(duì)頁巖儲(chǔ)層的研究,本文試圖通過現(xiàn)有資料,對(duì)中生界頁巖儲(chǔ)層特征做初步介紹。1riolite的巖石性質(zhì)特征1.1中生界泥頁巖巖相及亞巖相特征巖心顏色一般為灰色、黑色和深黑色。巖性包括頁巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等,發(fā)育的沉積構(gòu)造包括塊狀層理、水平層理和波狀層理等。根據(jù)鏡下薄片觀察結(jié)果,綜合沉積構(gòu)造和粒度兩方面特征,將中生界泥頁巖劃分為3種巖相和8種亞巖相。首先根據(jù)粒度特征,以粉砂含量<10%、10%≤粉砂含量<25%和25%≤粉砂含量<50%為界,將泥巖分為3種巖相,即泥巖(M)、含粉砂泥巖(SBM)和粉砂質(zhì)泥巖(SM)。其次根據(jù)顯微沉積構(gòu)造,再細(xì)分為8種亞類。1.2粘土礦物的x-射線衍射分析包括塊狀和紋層狀兩種沉積構(gòu)造,泥質(zhì)含量大于90%,黃鐵礦和炭屑呈零星狀分布,含量均在2%以下,個(gè)別樣品中可見白云石微晶,含量較低。X-射線衍射分析結(jié)果表明,粘土礦物含量分布范圍為60.1%~71.2%,硅質(zhì)含量為20.5%~36.1%,碳酸鹽為2.5%~10.1%,有機(jī)碳含量為3.34%~7.84%。(1)塊狀泥巖(M1):碎屑顆粒含量低并呈零星點(diǎn)狀“漂浮”于沉積基質(zhì)內(nèi)(圖1a)。(2)紋層狀泥巖(M2):碎屑顆粒含量低,呈線狀分布并與泥質(zhì)交互出現(xiàn)而形成顯微紋層(圖1b)。1.3含礦巖質(zhì)及含礦砂質(zhì)包括塊狀和條帶狀兩種類型,泥質(zhì)含量介于75%~84%,黃鐵礦和炭屑零星狀分布,黃鐵礦含量1%~3%,炭屑含量1%~5%,個(gè)別樣品中可見碳酸鹽膠結(jié)物,含量較低。X-射線衍射分析結(jié)果表明,粘土礦物含量分布范圍為51.2%~68.5%,硅質(zhì)含量為29.1%~47.4%,碳酸鹽為3.2%~6.6%,有機(jī)碳含量總體分布在1.89%~5.29%,其中有一個(gè)樣品達(dá)11.67%。(1)塊狀含粉砂泥巖(SBM1):碎屑顆粒分布或集中或分散。集中式分布,顆粒之間呈線接觸-凹凸接觸;分散式分布,顆粒之間呈點(diǎn)-線接觸。泥質(zhì)多被有機(jī)質(zhì)浸染,富有機(jī)質(zhì)部分和貧有機(jī)質(zhì)部分漸變接觸(圖1c)。(2)條帶狀含粉砂泥巖(SBM2):目前只發(fā)現(xiàn)一個(gè)樣品為該種巖相,碎屑顆粒條帶狀集中出現(xiàn),顆粒之間點(diǎn)—凹凸接觸(圖1d)。1.4粉砂質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)包括遞變狀、塊狀、炭質(zhì)紋層和復(fù)合層理4種類型,泥質(zhì)含量介于52%~71%,黃鐵礦零星分布,含量小于2%;炭屑零星或線狀分布,含量2%~4%;碳酸鹽含量低。X-射線衍射分析結(jié)果表明,粘土礦物含量分布范圍為51.1%~71.0%,硅質(zhì)含量為28.2%~46.3%,碳酸鹽含量低,有機(jī)碳含量總體分布在0.30%~5.45%。(1)遞變狀粉砂質(zhì)泥巖(SM1):碎屑顆粒含量具有由多到少或由少到多分布的特征,呈遞變狀。隨著碎屑顆粒含量由低到高,顆粒之間也由點(diǎn)接觸向線接觸和凹凸接觸過渡(圖1e)。(2)塊狀粉砂質(zhì)泥巖(SM2):碎屑顆粒集中分布,粒徑比前述幾種顆粒的粒徑大,以石英為主,顆粒間點(diǎn)接觸—線接觸。炭質(zhì)碎屑為團(tuán)塊狀或長條狀分布于泥質(zhì)或碎屑顆粒之間(圖1f)。(3)炭質(zhì)紋層狀粉砂質(zhì)泥巖(SM3):總體以泥質(zhì)為主,碎屑顆粒在局部范圍集中發(fā)育,造成整體粉砂質(zhì)含量較高,炭質(zhì)呈長條狀順紋層分布,個(gè)別炭屑粒徑大,分布于顆粒和泥質(zhì)之間(圖1g)。(4)復(fù)合層理粉砂質(zhì)泥巖(SM4):具塊狀、炭質(zhì)紋層狀和條帶砂多種沉積構(gòu)造,塊狀和條帶狀部分碎屑含量高,炭質(zhì)紋層狀部分碎屑含量低。塊狀部分由于碎屑顆粒含量高,粒度大,與其相鄰的炭質(zhì)紋層部分具有差異壓實(shí)特征(圖1h)。1.5巖相及樣品有機(jī)碳含量對(duì)在安塞、志丹等地區(qū)采集的23塊巖心樣品進(jìn)行配套的薄片鑒定、X-射線衍射分析和有機(jī)碳含量(TOC)測(cè)試,統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析測(cè)試結(jié)果,泥質(zhì)含量和粘土礦物含量均與對(duì)應(yīng)樣品的有機(jī)碳含量具有一定的正相關(guān)性(圖2,圖3)。3種巖相類型中,總體以泥巖巖相的有機(jī)碳含量最高,含粉砂泥巖相和粉砂質(zhì)泥巖相有機(jī)碳含量次之。頁巖巖相的發(fā)育特征與沉積環(huán)境具有重要的相關(guān)性,暗色泥巖中泥質(zhì)含量高可以反映水體深度大或水動(dòng)力條件弱;相反,泥質(zhì)含量低則可能與水體深度淺或水動(dòng)力條件強(qiáng)有關(guān)。有機(jī)碳含量與沉積環(huán)境也有一定的相關(guān)性,深水或靜水條件下,有機(jī)質(zhì)處于閉塞缺氧或弱還原環(huán)境下,有利于有機(jī)質(zhì)的保存,有機(jī)碳含量高。2礦物及礦物組成脆性礦物含量是評(píng)價(jià)頁巖氣勘探潛力的重要指標(biāo)。同時(shí),粘土礦物含量對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層的孔隙類型、孔喉結(jié)構(gòu)和含氣性均有影響。根據(jù)X-射線衍射全巖鑒定分析數(shù)據(jù)表明,延長組泥頁巖粘土礦物含量高,總體分布范圍為50%~75%,平均值54.2%。石英、長石和碳酸鹽膠結(jié)物等礦物含量低。石英總體含量分布在15%~30%,平均值20.7%。長石和碳酸鹽膠結(jié)物含量更低。粘土礦物中以伊利石居多,含量集中在30%~70%,以30%~45%為主,平均值40.3%,其次為伊/蒙混層和綠泥石,高嶺石不常見。伊/蒙混層集中在25%~45%,平均值31.19%,伊/蒙混層間層比分布范圍為15%~20%;綠泥石集中在11%~42%,平均值為21.54%。3膠結(jié)作用成巖作用延長組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育的成巖作用類型主要包括壓實(shí)作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用。由于泥質(zhì)含量高,抗壓實(shí)能力弱,富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的壓實(shí)程度高,個(gè)別樣品中可以見到縫合線。泥質(zhì)定向分布,成層性好,碎屑顆粒含量高的部分抗壓實(shí)能力較強(qiáng),碎屑顆粒與泥質(zhì)之間呈凹凸接觸(圖4a,b)。膠結(jié)作用的產(chǎn)物主要包括硅質(zhì)膠結(jié)、碳酸鹽膠結(jié)和黃鐵礦。硅質(zhì)膠結(jié)表現(xiàn)為微晶石英和石英次生加大(圖4c),掃描電鏡下可見菱面立方體狀白云石(圖4d)。黃鐵礦多為二八面體單晶,球狀集合體少見(圖4e)。溶蝕作用以長石溶蝕為主,形成粒內(nèi)溶孔。粒內(nèi)溶孔具有不規(guī)則的孔隙邊緣或沿長石解理縫發(fā)育(圖4f)。伊/蒙混層間層比為15%或20%,鏡質(zhì)體反射率(Ro)介于0.50%~1.14%,綜合有機(jī)質(zhì)成熟度和伊/蒙混層間層比,根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T5477-2003碎屑巖成巖階段劃分》,長7段泥頁巖成巖演化階段為中成巖A期。成巖階段與儲(chǔ)層的脆性有密切聯(lián)系,頁巖處于成巖晚期或變生階段,巖石礦物向脆而穩(wěn)定的礦物轉(zhuǎn)化。而延長組目目前處于中成巖作用階段,對(duì)儲(chǔ)層的可改造性無疑將是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。4儲(chǔ)層覆巖孔隙類型結(jié)構(gòu)根據(jù)中生界延長組泥頁巖樣品物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果,孔隙度分布在0.4%~6.99%,平均為3.05%;基質(zhì)滲透率分布在0.002×10-3~0.219×10-3μm2,平均為0.031×10-3μm2。其中1塊樣品裂縫滲透率可達(dá)2.990×10-3μm2。孔隙度數(shù)據(jù)以4%以下居多,2%以下的孔隙度占樣品總數(shù)的40%以上(圖5)。滲透率以0.01×10-3μm2以下居多,其中0.001×10-3~0.01×10-3μm2樣品數(shù)量占57.89%,0.1×10-3μm2以上樣品數(shù)量少(圖5)?？傮w上,延長組泥頁巖表現(xiàn)為極低的孔隙度和滲透率。按巖相統(tǒng)計(jì),孔隙度平均值以粉砂質(zhì)泥巖巖相(SM)最大,其次為含粉砂泥巖(SBM)巖相,最小的為泥巖(M)巖相(表1)。圖6和圖7中各點(diǎn)的離散程度高,相關(guān)性不明顯。泥質(zhì)含量大于50%,數(shù)據(jù)點(diǎn)位于圖的右側(cè),泥質(zhì)含量與孔隙度有一定負(fù)相關(guān)趨勢(shì);砂質(zhì)含量小于50%,數(shù)據(jù)點(diǎn)位于圖的左側(cè),砂質(zhì)含量與孔隙度有一定正相關(guān)趨勢(shì)(圖6),說明砂質(zhì)含量高的情況下,抗壓實(shí)能力可能較強(qiáng),有利于孔隙的保存。粘土礦物含量與孔隙度總體表現(xiàn)為正相關(guān),硅質(zhì)含量與孔隙度相關(guān)性不明顯(圖7)。從上述統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可以看出:1)粉砂質(zhì)泥巖和含粉砂泥巖中,碎屑顆粒含量相對(duì)較高,抗壓實(shí)能力強(qiáng),有利于孔隙的保存(圖8b)。2)粘土礦物與孔隙度總體為正相關(guān),與粘土礦物有關(guān)的孔隙對(duì)總孔隙的可能貢獻(xiàn)較大。頁巖氣儲(chǔ)集空間包括孔隙和裂縫兩部分。富有機(jī)質(zhì)頁巖中的孔隙包括有機(jī)質(zhì)孔和與礦物基質(zhì)有關(guān)的孔隙(粒間孔和粒內(nèi)孔),粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔的連通性好于粒內(nèi)孔。通過掃描電鏡觀察并結(jié)合其他研究者資料,目前在延長組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中能夠識(shí)別的孔隙類型包括粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔和裂縫。粒間孔以原生孔隙為主,受壓實(shí)作用影響,粒間孔存在于定向排列的泥質(zhì)層之間,形態(tài)更像層間縫,縫寬在1μm以下(圖8a)。在碎屑顆粒發(fā)育的情況下,粒間孔更發(fā)育,直徑最大可達(dá)17.8μm(圖8b)。粒內(nèi)孔包括溶蝕孔和晶間孔,以溶蝕孔隙為主,多為長石溶孔(圖4f),孔徑一般在25μm左右;晶間孔包括伊利石晶間孔、綠泥石晶間孔、黃鐵礦晶間孔等類型,晶間孔孔徑小,一般在300nm左右(圖10c)。有機(jī)質(zhì)孔多為狹長縫狀,發(fā)育于有機(jī)質(zhì)與礦物基質(zhì)邊界,孔隙寬50~200nm(圖8d)。裂縫主要發(fā)育在泥質(zhì)層界面處(圖8e),孔寬200~1000nm,沿顯微水平層理方向延伸或與水平層理小角度斜交,裂縫多被硅質(zhì)或碳酸鹽膠結(jié)物充填(圖8f)。延長組泥頁巖儲(chǔ)層中納米級(jí)孔隙主要有粘土礦物的晶間孔、黃鐵礦晶間孔及有機(jī)質(zhì)孔。延長組泥頁巖目前處于中成巖A期,有機(jī)質(zhì)演化形成的酸性流體促進(jìn)了長石和碳酸鹽膠結(jié)物等不穩(wěn)定礦物的溶解,有利于形成溶蝕孔隙。延長組干酪根類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主,Ro主要分布在0.50%~1.14%,仍處于生油窗,熱演化程度較低,總體不利于有機(jī)質(zhì)孔的形成。根據(jù)目前中生界現(xiàn)有分析數(shù)據(jù)表明,孔隙度與有機(jī)碳含量相關(guān)性不明顯,略呈負(fù)相關(guān)(圖9),延長組泥頁巖以粒內(nèi)孔和粒間孔為主,有機(jī)質(zhì)孔不是主要的孔隙類型。這一結(jié)論與Jarvie對(duì)Montney頁巖和Harris等.對(duì)Muskwa頁巖的研究結(jié)果相似。6儲(chǔ)層孔隙類型分類Nelson的研究成果表明,頁巖儲(chǔ)層的孔喉直徑在0.1~0.005μm。絕大多數(shù)頁巖儲(chǔ)層的孔隙直徑小于1μm。Chalmers等建議使用IUPCU(國際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì))的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將孔隙類型分為宏孔(>50nm)、中(介)孔(2~50nm)和微孔(<2nm)。鄒才能等根據(jù)孔喉半徑大小,將孔隙類型分為毫米級(jí)(>1mm)、微米級(jí)(1μm~1mm)和納米級(jí)(<1μm)3種孔隙類型。本次研究過程中,將孔徑在1μm以下的孔隙稱為納米孔,根據(jù)低溫CO2和N2吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果開展納米孔的微孔(<2nm)和中孔(2~50nm)的特征研究。孔徑分布、孔容和比表面積是分析頁巖儲(chǔ)層孔隙特征的有效手段。根據(jù)低溫CO2和N2吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果編制了孔徑分布特征圖(圖10)。以累計(jì)孔隙體積、累計(jì)比表面積和孔隙體積隨孔徑的變化率[dV(d)]作縱坐標(biāo),以孔徑作橫坐標(biāo)。微孔孔徑主要集中在0.4~1nm,中孔孔徑主要集中在3~8nm?？傮w上中孔對(duì)總體積的貢獻(xiàn)大于微孔的貢獻(xiàn),而兩者具有相近的比表面積(圖10)。高孔隙度的樣品中孔和宏孔的貢獻(xiàn)較大,而比表面積較小;隨著孔隙度降低,微孔的貢獻(xiàn)逐漸增高,比表面積增大,而微孔主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)孔中。延長組以礦物基質(zhì)孔為主,有機(jī)質(zhì)孔不占主要地位,與有機(jī)質(zhì)孔有關(guān)的微孔對(duì)總孔隙體積和比表面的貢獻(xiàn)較少。7儲(chǔ)層地質(zhì)原因1)根據(jù)砂質(zhì)含量,將延長組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖分為泥巖、含粉砂泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。再結(jié)合顯微構(gòu)造,將上述3種巖相進(jìn)一步分為8種類型,泥巖巖相的有機(jī)碳含量最高。2)延長組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖粘