渝頁1井頁巖氣孔隙特征及其主控因素

渝頁1井頁巖氣孔隙特征及其主控因素

0頁巖氣成藏條件與儲層精細孔隙結(jié)構(gòu)是確定儲層儲層潛力的基本原因巖氣是一種重要而非正式的天然氣資源，受到世界各國的高度重視。從美國的非常規(guī)天然氣勘探研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢分析,可以預(yù)測,頁巖氣不久也將會成為中國能源地質(zhì)領(lǐng)域中的熱點。在非常規(guī)天然氣方面,我國在低滲透氣和煤層氣方面已有一定規(guī)模的開發(fā),但頁巖氣仍屬空白。中國南方地區(qū)是頁巖氣發(fā)育的良好區(qū)域,具有廣闊前景。寒武系筇竹寺組(以及相當層位)和志留系龍馬溪組是開展頁巖氣研究及勘探開發(fā)的重要目標地層。中國石油勘探開發(fā)研究院資源規(guī)劃所于2008年11月在四川盆地長寧構(gòu)造帶鉆探了第一口頁巖氣淺井——長芯1井,著重探討上揚子地區(qū)志留系頁巖氣的成藏條件,分析該區(qū)志留系頁巖氣的勘探潛力。國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心、中國地質(zhì)大學(北京)于2009年底在重慶市彭水縣連湖鎮(zhèn)啟動了第一口政府資助針對下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣的勘探井——渝頁1井的研究項目。由此可見,中國頁巖氣勘探已引起石油公司和政府部門的高度重視,并已拉開我國頁巖氣勘探的序幕。然而,有關(guān)頁巖氣形成條件與富集機理等方面的理論研究卻嚴重滯后。根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學協(xié)會(IUPAC)的孔隙分類,將孔隙直徑<2nm的稱為微孔隙,2~50nm的稱為中孔隙,>50nm的稱為宏孔隙。泥頁巖的孔隙體積決定頁巖氣的儲氣量,而孔隙結(jié)構(gòu)則控制了頁巖氣的賦存狀態(tài)。已有研究初步認為,賦存于中—微孔隙中的頁巖氣主要以吸附態(tài)存在,而賦存于宏孔隙和微裂縫中的頁巖氣則主要以游離態(tài)存在。細粒泥頁巖的一個顯著特點是孔隙結(jié)構(gòu)細小,主體以微孔隙和中孔隙為主,這也決定了頁巖氣的賦存狀態(tài)以吸附作用為主。因此,頁巖氣的賦存狀態(tài)與頁巖的顯微孔隙結(jié)構(gòu)具有密切的聯(lián)系。為了正確認識頁巖氣的賦存狀態(tài),降低頁巖氣勘探風險,合理評價其經(jīng)濟可行性,我們必須掌握頁巖氣儲藏和遷移的機制,從而可以定量地評價可采資源量。然而,目前缺少關(guān)于頁巖中孔隙體積、孔隙結(jié)構(gòu)與總儲氣量之間關(guān)系的研究。細粒巖石孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性導(dǎo)致了頁巖氣資源評價的復(fù)雜化,而這些孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)受其他多種地質(zhì)因素的相互作用和相互影響,如總有機碳含量、礦物組成(石英和粘土礦物的種類與含量)、有機質(zhì)成熟度以及顆粒大小等[8,9,10,11,12,13,14]。因此,頁巖氣儲層孔隙體積和結(jié)構(gòu)是建立其礦物組成、有機質(zhì)含量、有機質(zhì)成熟度等常規(guī)參數(shù)與儲氣性能之間關(guān)系的理想橋梁和紐帶。通過這一橋梁,我們有可能建立起利用這些常規(guī)參數(shù)評價其儲氣性能的理論模型,從而可以更好地分析頁巖氣形成機理與富集規(guī)律,更好地評價和開發(fā)我國的頁巖氣資源。1測試方法及儀器本文為了研究頁巖的孔隙特征及其主控因素,對以下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣為勘探目標的渝頁1井的巖心進行了系統(tǒng)的采樣。渝頁1井鉆井深度為325.48m,由于其上部頁巖顏色較淺,有機質(zhì)含量較低,研究價值不大,故我們從126.0m開始取樣,每隔大約10m取一個,一直取到324.8m,總共21個樣品。渝頁1井鉆井位置位于重慶市彭水縣東北角與湖北省交界處(圖1),地處七曜山東部,群山起伏連綿,山脈呈北北東向延伸,與地質(zhì)構(gòu)造線大體一致。區(qū)內(nèi)地形為西北高、東南低,溝壑縱橫,相對高差1000m左右,渝頁1井在地理位置上位于山間河流切割沖刷所形成的“V”字形溝槽中,在構(gòu)造位置上位于鍋廠壩背斜的核部,具有地層厚度大、埋藏深度小、垂直裂縫發(fā)育等特點。本次研究對所采集的21個頁巖樣品都進行了比表面和孔徑分析、有機質(zhì)成熟度和顯微組分、有機碳含量、全巖X射線衍射和粘土礦物含量分析等一系列測試。比表面和孔徑分析、有機質(zhì)成熟度和顯微組分以及有機碳含量都是由華北石油邦達新技術(shù)有限公司測試完成。比表面和孔徑分析檢測依據(jù)是GB/T19587—2004,檢測條件是90℃加熱1h、350℃加熱5h,使用儀器是比表面測定儀QuadrasorbSI,測試方法使用的是氮氣吸附法。有機質(zhì)成熟度和顯微組分檢測依據(jù)是SY/T5124—1995《沉積巖中鏡質(zhì)組反射率測定方法》,檢測條件是油浸50倍物鏡,總放大倍數(shù)為800倍,使用儀器是熒光顯微鏡LABORLUX12POL和顯微鏡光度計(MPV-3)。有機碳含量檢測依據(jù)是GB/T19145—2003和GB/T18602—2001,檢測溫度是27℃,檢測設(shè)備是Leco碳硫測定儀和油氣顯示評價儀。全巖X射線衍射和粘土礦物含量分析是在中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實驗研究中心完成,執(zhí)行標準是SY/T6210—1996《沉積巖中粘土礦物總量和常見非粘土礦物X射線衍射定量分析方法》,使用儀器是D/max-2500、TTR。2測試結(jié)果2.1頁巖bet比表面積和總孔體積渝頁1井頁巖樣品的孔隙特征參數(shù)見表1。1g固體所占有的總表面積為該物質(zhì)的BET比表面積。測試樣品的BET比表面積在2.013~12.050m2·g-1,平均為6.726m2·g-1。其中126.0、136.0、294.7和324.8m深度的頁巖BET比表面積較小,都在4m2·g-1以下,146.1、176.0和255.0m深度的BET比表面積較大,都在9m2·g-1以上。平均孔徑分布在3.51~6.76nm;中值半徑為1.75~3.38nm,平均為2.26nm?？偪左w積為(0.34~1.31)×10-2mL·g-1,平均為7.22×10-3mL·g-1。其中146.1和255.0m深度的頁巖孔隙體積最大,在9.00×10-3mL·g-1以上,136.0、294.7和324.8m深度的孔隙體積最小,在5.00×10-3mL·g-1以下。2.2礦物成分分析礦物成分和含量見表2。頁巖礦物成分以石英和粘土礦物為主,還含有少量的斜長石、鉀長石、方解石、白云石和黃鐵礦。石英含量為12.2%~53.0%,平均為39.4%,粘土礦物含量為18.5%~53.2%,平均為33.1%。圖2更加清晰地展示了各礦物成分的百分比。粘土礦物以伊利石為主,含少量的高嶺石和綠泥石。伊利石相對含量為75%~91%,高嶺石相對含量變化較小,為2%~5%,綠泥石相對含量為7%~20%。2.3組變化范圍顯微組分、鏡質(zhì)體反射率和總有機碳含量見表3。從表3中可見顯微組分只有鏡質(zhì)組,沒有惰質(zhì)組和殼質(zhì)組,鏡質(zhì)組含量為0.1%~2.5%,變化范圍較大。鏡質(zhì)體反射率為1.61~2.26,其中2.0以下的有6個樣品,2.0以上的有15個樣品,屬于高成熟—過成熟早期?？傆袡C碳含量為0.70%~2.29%,平均為1.50%,變化范圍較大。3.2分辨率分布特征3孔特征分析3.1集中型和分散型圖3展示了BET比表面積與平均孔徑的相關(guān)關(guān)系。從圖3可看出BET比表面積與平均孔徑具有負相關(guān)關(guān)系,說明頁巖中小孔徑越多,其BET比表面積越大?？讖椒植紙D有兩種做法,一種是以Dv(d)作縱坐標,叫DFT法;另一種是以Dv(logd)作縱坐標,叫BJH法。當孔徑大部分都小于10nm時,BJH法會掩蓋一些信息,所以本文采用DFT法。根據(jù)所做的孔徑分布圖的形態(tài)特征,將其分為集中型和分散型。(1)集中型。集中型孔徑分布圖只有一個主峰,孔徑分布相對集中(圖4),從圖中可看出主峰都分布在3.8nm附近,孔隙直徑主要集中于2~5nm。(2)分散型。分散型孔徑分布圖不只有一個主峰,還有一個或兩個次峰(圖5)。其主峰也是在3.8nm附近,但其振幅相對集中型明顯減小,次峰在2nm或2.5nm附近,其中214.8m深度的樣品有一個7.3nm附近的次峰。從分散型孔徑分布圖中可看出孔隙直徑主要在5nm以下。3.3微孔、中孔、宏孔體積從表1可見渝頁1井樣品的微孔體積為2.62×10-4~1.43×10-3mL·g-1,中孔體積為2.43×10-3~1.06×10-2mL·g-1,宏孔體積為3.30×10-4~2.77×10-3mL·g-1。微孔、中孔和宏孔體積分別占總孔體積的百分比柱狀圖見圖6。從圖中可明顯看出,渝頁1井頁巖樣品的孔隙以中孔隙為主,中孔體積占到了總體積的70%左右,微孔體積和宏孔體積分別占到10%和20%左右。4孔廊發(fā)育因素分析4.1陸源碎屑含量對宏孔體積的影響圖7和圖8分別展示了石英含量與孔隙體積的關(guān)系和粘土礦物含量與孔隙體積的關(guān)系。從圖7中可以看出,石英含量與微孔體積和中孔體積都具有一定負相關(guān),與宏孔體積有一定正相關(guān),說明陸源碎屑含量的增加有利于宏孔體積的增加。從圖8中可以看出,粘土礦物含量與孔隙體積的關(guān)系與石英的正好相反,粘土礦物含量與微孔體積和中孔體積都具有正相關(guān),并且與中孔體積相關(guān)性良好,與宏孔體積具有負相關(guān),說明粘土礦物含量對微孔體積和中孔體積都具有控制作用,并且對中孔體積的控制作用更加顯著。4.2有機碳含量與中孔體積的相關(guān)性圖9和圖10分別展示了有機質(zhì)成熟度與孔隙體積的關(guān)系和有機碳含量與孔隙體積的關(guān)系。從圖9中可看出,有機質(zhì)成熟度和微孔體積和中孔體積具有一定負相關(guān),與宏孔體積在Ro<2.0%時沒有相關(guān)性,在Ro>2.0%時具有一定正相關(guān)。從圖10中可以看出,有機碳含量與微孔體積也具有一定負相關(guān),與中孔體積沒有明顯相關(guān)性,與宏孔體積具有良好的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.5664。有機質(zhì)成熟度>2.0%時和高成熟度有機碳含量都與宏孔體積呈正相關(guān),這可能與高成熟有機質(zhì)中納米級顯微裂縫的發(fā)育導(dǎo)致宏孔體積的增加有關(guān)。這種現(xiàn)象類似于煤層氣藏特征。5總有機碳含量變化范圍和有機質(zhì)成熟度(2)渝頁1井黑色頁巖以石英和粘土礦物為主,石英含量為12.2%~53.0%,平均為39.4%,粘土礦物含量為18.5%~53.2%,平均為33.1%。粘土礦物以伊利石為主,伊利石相對含量為75%~91%?？傆袡C碳(TOC)含量變化范圍為1.02%~2.29%,平均為1.51%,有機質(zhì)成熟度(Ro)為1.93~2.26,平均為2.03,顯示了較高的成