黔西北黑色頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)及成因分類

黔西北黑色頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)及成因分類

0掃描電鏡觀察微觀孔隙的方法自從美國(guó)進(jìn)行常規(guī)油氣勘探和開發(fā)以來(lái)，黃巖油氣一直是常規(guī)油氣勘探領(lǐng)域的亮點(diǎn)和熱點(diǎn)，并對(duì)巖屑剖面的微觀孔隙特征進(jìn)行了重點(diǎn)和難點(diǎn)研究。頁(yè)巖孔隙不僅在一定程度上影響了頁(yè)巖的吸附性能,而且其結(jié)構(gòu)特征更影響了油氣的滲流能力,決定了頁(yè)巖油氣勘探層位的選取和資源潛力評(píng)價(jià)。鄒才能等借助場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察到了頁(yè)巖中存在非常豐富的微觀孔隙。目前,針對(duì)頁(yè)巖微觀孔隙的研究手段越來(lái)越多,主要有場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、聚焦離子束掃描電鏡、納米CT及微米CT等,其中基于氬離子拋光后的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及背散射成像都可很好地表征孔隙特征,同時(shí)還可分辨出在機(jī)械拋光過程中由于頁(yè)巖表面硬度不同所造成的不規(guī)則形貌以及新鮮斷面上由于樣品破裂造成的假孔隙。運(yùn)用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡能清楚地觀察到頁(yè)巖中孔隙和有機(jī)質(zhì)的分布、形態(tài)及連通特征等。筆者以黔北及黔西北地區(qū)100多塊頁(yè)巖露頭及巖心樣品為主要研究對(duì)象,在野外露頭觀測(cè)、系統(tǒng)采樣及室內(nèi)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照相等基礎(chǔ)工作之上,結(jié)合前人研究成果,根據(jù)巖石孔隙發(fā)育特征,觀察及總結(jié)頁(yè)巖中孔隙的類型、大小、形態(tài)和分布,提出頁(yè)巖孔隙成因類型綜合分類方案,探討影響頁(yè)巖孔隙發(fā)育的主要因素及孔隙演化特征。1頁(yè)巖孔隙類型的確定目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)頁(yè)巖微觀孔隙的劃分依據(jù)及類型并不統(tǒng)一。鄒才能等在研究威201井頁(yè)巖時(shí),首次發(fā)現(xiàn)了納米級(jí)孔隙,并將其分為有機(jī)質(zhì)納米孔、顆粒內(nèi)納米孔及微裂縫。國(guó)際理論化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)將孔隙分為微孔隙(<2nm)、中孔隙(2~50nm)和宏孔隙(>50nm)。楊峰等的劃分依據(jù)側(cè)重于孔隙發(fā)育位置和成因;聶海寬等的劃分依據(jù)是礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)的聯(lián)系;楊元等提出以孔隙形態(tài)和成因作為劃分依據(jù);崔景偉等認(rèn)為應(yīng)以孔隙連通性作為劃分依據(jù);胡琳等認(rèn)為應(yīng)以頁(yè)巖孔隙的分形特征作為劃分依據(jù)。國(guó)外學(xué)者在研究美國(guó)主要頁(yè)巖氣產(chǎn)層的微觀孔隙時(shí)并沒有具體分類方案。前人對(duì)頁(yè)巖孔隙的劃分方案要么依據(jù)單一,要么未說明依據(jù),只作頁(yè)巖孔隙單純描述。筆者認(rèn)為對(duì)頁(yè)巖的孔隙類型進(jìn)行分類至少需要考慮3個(gè)方面的原則:①需要確定分類的依據(jù)原則,并且需要有主次之分。先確定大類,而后確定其亞類及次亞類。②簡(jiǎn)單可行原則。劃分出來(lái)的結(jié)果應(yīng)既利于鏡下頁(yè)巖孔隙類型的確定,也利于頁(yè)巖孔隙特征的描述。③分類要兼顧孔隙大小及其連通性的原則。單純的孔隙類型劃分方案是很難有實(shí)際研究意義的,因?yàn)轫?yè)巖孔隙的大小及其連通性,很大程度上決定了頁(yè)巖的吸附性能及產(chǎn)出特點(diǎn),這對(duì)后期頁(yè)巖氣的資源評(píng)價(jià)及具體開發(fā)方案的實(shí)施顯得尤為重要。因此,筆者本著這3個(gè)原則提出頁(yè)巖孔隙成因類型綜合分類方案(表1)。筆者以孔隙成因?yàn)橹饕诸愐罁?jù),將頁(yè)巖孔隙分為原生沉積型、成巖后生改造型及混合成因型3個(gè)大類;以孔隙發(fā)育位置為次要依據(jù),將其分為粒間孔、自生礦物晶間孔、礦物質(zhì)孔和有機(jī)質(zhì)孔等10個(gè)亞類;依據(jù)具體發(fā)育部位、充填特性及滲流特性將其分為粒屑孔、絮凝團(tuán)塊孔、體腔孔和格架孔等若干個(gè)次亞類(參見表1)。其中以粒間孔、有機(jī)質(zhì)孔、礦物質(zhì)孔和微裂縫為主,它們占了頁(yè)巖微觀孔隙的絕大部分。(1)粒間孔粒間孔以粒屑孔最常見,主要指沉積環(huán)境中的碎屑礦物顆粒(長(zhǎng)石、石英、方解石、巖屑及原生黏土礦物等)相互支撐構(gòu)成的,并未被其他礦物充填而保存下來(lái)的原始孔隙。粒屑孔形態(tài)與顆粒外緣一致,表現(xiàn)為環(huán)狀包圍碎屑礦物,邊緣較為清晰,孔徑為1~10um,孔喉一般緊閉,與其他類型孔隙聯(lián)系較少(圖版Ⅰ-1)。粒間孔的存在為游離氣提供了一定的存儲(chǔ)空間。(2)有機(jī)質(zhì)孔有機(jī)質(zhì)孔主要指頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)部及其組合形成的網(wǎng)絡(luò)孔隙。該類孔隙是頁(yè)巖微觀孔隙最為重要的類型,也是所占比例最大的孔隙類型,主要包括有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔、干酪根網(wǎng)絡(luò)孔及瀝青質(zhì)孔,它們與有機(jī)質(zhì)的成熟度有關(guān),通常在低成熟度頁(yè)巖樣品中缺乏該類納米級(jí)孔隙,而在較高成熟度頁(yè)巖樣品中該類孔隙富集。該類孔隙直徑一般為8~850nm,最大可達(dá)到微米級(jí),孔隙形狀以近圓形或橢圓形(圖版Ⅰ-2)為主,有時(shí)也可見不規(guī)則形,如彎月形和彎管束狀等。該類孔隙的滲濾性能與其排列方式關(guān)系很大,如有機(jī)質(zhì)集中于橫向連續(xù)層(微裂縫)中,則可在頁(yè)巖中產(chǎn)生很好的滲濾通道。(3)黏土礦物孔黏土礦物孔經(jīng)過成巖作用后會(huì)大量減少,不如早期發(fā)育,并且比表面積也大大減少,氣體吸附能力也會(huì)減弱。吉利明等研究認(rèn)為,在常見的黏土礦物中,對(duì)氣體吸附能力最強(qiáng)的是蒙脫石,其次是高嶺石與綠泥石,最差的是伊利石。但這些黏土礦物的存在對(duì)頁(yè)巖氣的富集還是很有利的。黏土礦物孔直徑一般為10~200nm,多集中于50~100nm,形狀常為不規(guī)則的多邊形(圖版Ⅰ-3),主要受黏土礦物的排列方式控制。(4)微裂縫微裂縫主要由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、頁(yè)巖儲(chǔ)層破裂作用及差異水平壓實(shí)作用等后生改造作用形成。微裂縫常呈鋸齒狀或曲線狀(圖版Ⅰ-4),主要受礦物脆性差異大小控制,微裂縫長(zhǎng)度一般為1~20um。如果沒有被后期充填,微裂縫將會(huì)是良好的滲濾通道,并可成為頁(yè)巖氣產(chǎn)出的高速通道。微裂縫不但可以成為游離態(tài)頁(yè)巖氣富集的儲(chǔ)滲空間,增加游離態(tài)頁(yè)巖氣的含量,而且也有助于吸附態(tài)頁(yè)巖氣的解析,并成為頁(yè)巖氣運(yùn)移與開采的通道。2沉積環(huán)境對(duì)儲(chǔ)層精細(xì)的影響頁(yè)巖孔隙類型及大小的影響因素較多,主要包括沉積環(huán)境、成巖作用、演化程度和有效應(yīng)力等,其中沉積環(huán)境不僅控制了頁(yè)巖中主要礦物顆粒的類型、分布和含量等,而且也影響了古生物的活動(dòng)區(qū)域、有機(jī)質(zhì)的分布及后生成巖改造等。不同沉積相的頁(yè)巖其原始的巖石礦物學(xué)特征存在差異,造成了頁(yè)巖成巖作用差別較大,從而間接影響了頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙特征,即不同性質(zhì)的頁(yè)巖在經(jīng)歷了一系列后生成巖改造后,可能表現(xiàn)出不同的儲(chǔ)層特征。早寒武世牛蹄塘期,黔北及黔西北地區(qū)沉積環(huán)境整體為北西地區(qū)較淺,往南東方向水體逐漸加深,沉積相整體由砂質(zhì)陸棚逐漸向淺水陸棚和深水陸棚過渡,在淺水陸棚區(qū)局部也分布一些水下砂質(zhì)淺灘(圖1)。這樣的沉積環(huán)境控制了碎屑礦物、黏土礦物和有機(jī)碳等的分布及含量變化。橫向上,沉積相由砂質(zhì)陸棚向深水陸棚過渡,造成了區(qū)內(nèi)碎屑礦物、自生脆性礦物與黏土礦物等含量變化差異明顯,碎屑礦物含量呈增加趨勢(shì)(增高幅度為20%~40%),自生脆性礦物含量略有降低,黏土礦物含量明顯降低(降低幅度為15%~20%)(圖2)。這主要是由于隨著水體加深,陸源補(bǔ)給減弱,沉積環(huán)境向還原環(huán)境過渡,自生脆性礦物和黏土礦物的來(lái)源都會(huì)減少,故含量有所降低。受沉積環(huán)境控制的主要礦物含量及有機(jī)碳分布均會(huì)進(jìn)一步影響頁(yè)巖孔隙的發(fā)育程度。縱向上,沉積環(huán)境由深水陸棚到淺水陸棚變遷過程中,碎屑礦物含量的變化與自生脆性礦物及黏土礦物的含量變化相反,碎屑礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)由下部的69%降低為頂部的49.5%,而自生脆性礦物和黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了12.2%和5.5%。研究區(qū)頁(yè)巖以發(fā)育中孔及微孔為主,中孔體積與黏土礦物含量呈正相關(guān),而與碎屑礦物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[圖2(a)]。中孔提供了主要的孔隙空間,是孔隙度的最大貢獻(xiàn)者,為游離氣提供了主要儲(chǔ)存空間。微孔體積與黏土礦物含量及碎屑礦物含量的相關(guān)性均不明顯,而與有機(jī)碳含量呈弱正相關(guān)關(guān)系[參見圖2(b)],這是由于深水還原環(huán)境通常有利于有機(jī)質(zhì)的富集,并且在其中發(fā)育大量微孔,這些微孔具有較大的比表面積及較低的孔隙度,它們?yōu)槲綒獾馁x存提供了主要場(chǎng)所。另外,碎屑礦物、黏土礦物及有機(jī)碳分布均會(huì)影響孔隙發(fā)育類型。一般粒內(nèi)孔常見于碎屑礦物及黏土礦物中(圖版Ⅰ-3),粒間孔常見于碎屑礦物(特別是自生脆性礦物,如石英與長(zhǎng)石等)顆粒相互支撐的孔隙間(圖版Ⅰ-1),而有機(jī)質(zhì)孔只存在于有機(jī)質(zhì)賦存的位置(顆粒間的間隙中)(圖版Ⅰ-4)。微裂縫的形成主要與石英和黏土礦物相關(guān),前者裂縫的形成主要是由于石英與周圍礦物應(yīng)力強(qiáng)度在受力過程中的差異性造成,而后者裂縫的形成主要與黏土礦物在成巖過程中的脫水作用有關(guān)(圖版Ⅰ-4)。3不同層序巖石間質(zhì)碳對(duì)頁(yè)巖有機(jī)碳的作用機(jī)理頁(yè)巖沉積后會(huì)經(jīng)歷一系列成巖后生變化,主要包括機(jī)械壓實(shí)作用、化學(xué)壓固作用和黏土礦物的轉(zhuǎn)化與脫水作用等,其次是溶蝕作用(圖3)。崔景偉等根據(jù)鏡質(zhì)體反射率將頁(yè)巖孔隙演化劃分為不同階段,作出了頁(yè)巖不同孔隙類型演化規(guī)律簡(jiǎn)圖,但未具體說明各成巖作用對(duì)頁(yè)巖不同孔隙類型的影響及孔隙的變化規(guī)律如何,而成巖作用在不同演化階段對(duì)頁(yè)巖孔隙的影響是不同的。在早成巖階段,主要表現(xiàn)為機(jī)械壓實(shí)作用和化學(xué)壓固作用,這時(shí)頁(yè)巖的原生粒間孔會(huì)隨埋藏深度的增加而減少(參見圖3)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,SchmidtVS等認(rèn)為在埋藏深度大于3000m時(shí),頁(yè)巖原生孔隙只能保留1%~2%。在中成巖階段,有機(jī)質(zhì)達(dá)到生烴門限,有機(jī)質(zhì)發(fā)生脫羧基作用而產(chǎn)生CO2,后期CO2溶于水形成碳酸,碳酸溶蝕碳酸鹽巖與長(zhǎng)石等易溶礦物而產(chǎn)生溶孔。晚成巖階段,頁(yè)巖孔隙小,滲透能力差,導(dǎo)致流體交換不暢,使溶蝕作用大大受到限制。與此同時(shí),由于有機(jī)質(zhì)的生烴作用,其自身體積產(chǎn)生虧損,形成了一些有機(jī)質(zhì)孔。Jarvie等的實(shí)驗(yàn)研究表明,若頁(yè)巖有機(jī)碳(TOC)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為6.41%,有機(jī)質(zhì)的密度平均為1.18g/cm3,當(dāng)處于生干氣階段時(shí),有機(jī)質(zhì)分解大約可產(chǎn)生4.3%的孔隙度,這對(duì)頁(yè)巖孔隙的貢獻(xiàn)是巨大的。黔北及黔西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖中的伊/蒙混層礦物中蒙脫石相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為19.5%,并且其有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)平均為2.71%,已達(dá)到晚成巖階段,正處于干氣生成階段,這些有機(jī)質(zhì)孔的形成為頁(yè)巖氣提供了大量的存儲(chǔ)空間。4頁(yè)巖微觀孔隙發(fā)育類型及影響因素(1)以孔隙成因?yàn)橹饕诸愐罁?jù),將頁(yè)巖微觀孔隙分為原生沉積型、成巖后生改造型及混合成因型3個(gè)大類和粒間孔、晶內(nèi)孔、古生物化石孔及有機(jī)質(zhì)