鄂爾多斯盆地南部延長組頁巖微觀儲集空間特征

史 鵬,姜呈馥,孫兵華,高棟臣

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,陜西西安 710075)

鄂爾多斯盆地南部延長組頁巖微觀儲集空間特征

史 鵬,姜呈馥,孫兵華,高棟臣

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,陜西西安 710075)

以鄂爾多斯盆地三疊系延長組泥頁巖為研究對象,采用巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡分析、比表面積及孔徑分布分析和等溫吸附實驗等方法,研究頁巖氣儲層微觀儲集空間的類型、成因及微觀孔隙結(jié)構(gòu).結(jié)果表明:延長組泥頁巖微孔隙與礦物的形成與轉(zhuǎn)化存在一定聯(lián)系,微孔隙中次生孔隙是不穩(wěn)定礦物溶解和礦物成巖轉(zhuǎn)化過程體積收縮等作用的綜合結(jié)果.泥頁巖孔徑分布主要在10～30 nm之間,孔徑分布特征與頁巖比表面積具有較好的對應(yīng)關(guān)系.根據(jù)等溫吸附一脫附曲線形態(tài),將研究區(qū)微孔隙形態(tài)分為四類,研究區(qū)以第Ⅱ類微孔隙結(jié)構(gòu)為主,頁巖氣的解吸效率相對較高.該研究結(jié)果為明確研究區(qū)延長組頁巖微觀儲集空間特征及頁巖氣賦存機理提供指導.

微觀儲集空間;孔徑分布;孔隙結(jié)構(gòu);頁巖;延長組;鄂爾多斯盆地

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.008

0　引言

頁巖氣資源在北美地區(qū)成功的開發(fā)利用對世界能源格局及天然氣市場供應(yīng)產(chǎn)生巨大影響.頁巖氣勘探開發(fā)越來越受到重視,被認為是常規(guī)油氣的重要接替.近年來,在政策支持和技術(shù)進步的推動下,我國頁巖氣在勘探和開發(fā)方面取得突破性的進展,勘探主要集中于海相頁巖層系,如四川盆地、鄂西地區(qū)及上揚子區(qū)等[1-2],其中四川盆地涪陵頁巖氣田已經(jīng)進入商業(yè)開發(fā)階段.鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖層系取得陸相頁巖氣的突破,證明陸相頁巖氣具有巨大的資源潛力和良好的勘探前景[3-7].

在沉積環(huán)境、構(gòu)造背景、儲集層特征、頁巖氣形成條件與富集規(guī)律等方面,陸相頁巖氣儲層與海相頁巖氣儲層存在一定差異.頁巖氣儲層的孔隙遠遠小于常規(guī)砂巖和碳酸鹽巖儲層的,孔徑達到納米級.頁巖儲集空間的類型、成因及孔隙結(jié)構(gòu)特征對頁巖氣的儲集和運移有重要的影響,但針對陸相頁巖儲集空間研究相對較少[8-11].筆者選擇鄂爾多斯盆地南部延長組頁巖為研究對象,分析延長組頁巖微觀儲集空間的類型、成因及其結(jié)構(gòu),為該地區(qū)陸相頁巖氣的賦存機理及形成機制研究提供參考.

1　地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是發(fā)育在華北克拉通之上的多旋回疊合盆地[12-13],晚古生代二疊紀以后發(fā)育陸相沉積體系,其中晚三疊世暖濕氣候及湖泊沉積環(huán)境為陸相頁巖氣的形成提供良好的基礎(chǔ)條件.

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡南部甘泉和富縣地區(qū)(見圖1),區(qū)域構(gòu)造為平緩的西傾單斜,地層傾角小于1。,平均坡降為7～8 m/km,內(nèi)部構(gòu)造簡單,局部具有差異壓實形成的低幅度鼻狀隆起.研究區(qū)地層自上古生界以來發(fā)育齊全,中生界主要發(fā)育三疊系劉家溝組、和尚溝組、紙坊組和延長組地層.根據(jù)標志層和沉積旋回將延長組自上而下劃分為10段,作為該地區(qū)主要烴源巖的頁巖層系發(fā)育于長9段和長7段.長9段頂部和長7段中下部主要發(fā)育深湖一半深湖相黑色頁巖,即李家畔頁巖和張家灘頁巖.這兩套頁巖在盆地內(nèi)穩(wěn)定分布,是重要的區(qū)域標志層.

圖1　研究區(qū)位置Fig.1 Study area location

2　儲集空間類型及成因

2.1宏觀儲集空間類型

鄂爾多斯盆地延長組泥頁巖氣儲層儲集空間分為宏觀和微觀兩類,不同地區(qū)、巖系的儲層空間類型存在差異.研究區(qū)泥頁巖氣儲層的宏觀儲集空間主要為層理縫,層理縫的形成主要受沉積作用控制,不同巖性或礦物組成的泥頁巖互層分布,在接觸面處形成層理縫.同時,層理面往往是巖石力學性質(zhì)的薄弱面,在外力作用下極易發(fā)生破裂、滑脫,形成泥頁巖儲層重要的儲集空間類型.現(xiàn)場巖心浸水實驗可見泥頁巖中大量氣體沿層理面逸出,表明泥頁巖層理縫為有效的含氣儲集空間類型.

2.2微觀儲集空間類型

2.2.1微裂縫類型

鄂爾多斯盆地南部延長組泥頁巖微觀儲集空間類型多樣,包括微孔隙和微裂縫兩類.微裂縫分為構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫兩類,其中構(gòu)造縫分為張性縫、剪性微縫和張剪微縫;非構(gòu)造縫分為壓裂縫、成巖收縮縫(包括脫水收縮縫、礦物相變縫)及有機質(zhì)演化異常壓力縫等(見圖2).研究區(qū)泥頁巖掃描電鏡觀察可見,各類構(gòu)造微裂縫的長度和開度變化較大,如YY5井1 450.4 m長7段泥頁巖微裂縫長度約為120μm,寬度為2～3μm,長寬比為40～60(見圖2(a)).此外,還可見黏土礦物成巖轉(zhuǎn)化過程的各類成巖收縮縫(見圖2(c-d)).

圖2　延長組泥頁巖微裂縫特征Fig.2 Micro fracture characteristics of Yanchang formation shale

2.2.2微孔隙類型

研究區(qū)泥頁巖儲層微觀孔隙類型主要包括粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、次生溶蝕孔及有機質(zhì)微孔[12-14](見圖3).微孔隙的形成與礦物的形成、轉(zhuǎn)化存在一定的關(guān)系,如石鹽(NaCl)晶體,在結(jié)晶時與周圍的礦物顆粒之間和自身晶體之間,可以形成微孔隙,并且連通性較好;重晶石的不規(guī)則堆疊在晶體之間殘留較多的微孔隙(見圖3(d)).此外,泥頁巖儲層微孔隙主要包括黃鐵礦晶間、磷灰石礦物晶間和方解石晶間等微孔隙,以納米級為主,以及與它伴生的晶一粒微孔隙和粒間微孔隙等.

圖3　延長組泥頁巖微孔隙類型Fig.3 Micro pores types of Yanchang formation shale

次生溶蝕孔隙在延長組泥頁巖微觀儲集空間組成中占有重要地位,掃描電鏡下可見大量發(fā)育的溶蝕微孔隙,在幾百納米至幾微米之間,是泥頁巖儲層中孔隙直徑較大的微觀孔隙類型(見圖3(a)).

2.3次生溶蝕孔隙成因

研究區(qū)泥頁巖次生孔隙是不穩(wěn)定礦物溶解,如長石、方解石、白云石等溶蝕和礦物成巖轉(zhuǎn)化過程體積收縮等作用的綜合結(jié)果.如YY5井長7段泥頁巖微孔隙周圍礦物能譜分析顯示,元素主要為Si、Al、Na和O,為鈉長石發(fā)生易溶蝕形成的微孔隙(見圖4(a));YY7井長7段泥頁巖微孔隙周圍礦物能譜分析顯示,元素主要為Si、Al、K和O,為鉀長石發(fā)生易溶蝕形成的微孔隙(見圖4(c)).

從同生階段到埋藏成巖作用初期,泥頁巖儲層中有機質(zhì)演化生成大量有機酸和偏基性斜長石的溶蝕,其中偏基性斜長石先溶蝕,原因是吉布斯自由能最低.從埋藏成巖作用初期到中成巖階段A期,主要進行偏酸性斜長石、鉀長石的溶蝕和黏土礦物的轉(zhuǎn)化.鉀長石的溶蝕可以為蒙脫石的伊利石化提供需要的K+.蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化消耗K+,進一步促進鉀長石的溶蝕.另外,有機質(zhì)的成熟對蒙脫石伊利石化的反應(yīng)速率具有促進作用,有利于形成溶蝕孔隙;蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化脫出層間水,導致層間塌陷,顆粒體積收縮也增加孔隙度.

圖4　延長組泥頁巖溶蝕微孔隙及元素分析Fig.4 Dissolution micropores character of Yanchang formation shale

在鉀長石溶蝕到伊利石生成過程中,產(chǎn)生約10%的額外空間,并且形成自生石英沉淀.泥頁巖中石英體積分數(shù)與儲層孔隙度呈較好的正相關(guān)關(guān)系(見圖5),一方面伊利石化過程中增加的孔隙度體現(xiàn)在形成的自生石英體積分數(shù)上;另一方面自生石英與碎屑石英共同起骨架支撐作用,保留一定的原生孔隙,同時增強泥頁巖的脆性,有利于形成微裂縫.

圖5　延長組頁巖孔隙度與石英體積分數(shù)關(guān)系Fig.5 Shale porosity and quartz content relational graph of Yanchang formation shale

3　頁巖微觀儲集空間結(jié)構(gòu)

根據(jù)國際純化學和應(yīng)用化學聯(lián)合會(IUAPC)孔隙分類:微孔直徑＜2 nm,中孔直徑為2～50 nm,大孔直徑＞50 nm[15].采用全自動比表面積及孔徑分析儀,其分析精度:比表面積為0.1×10-3m2/g,孔徑為0.35 nm,孔容為0.110-3m L/g.

3.1孔徑分布與比表面積

研究區(qū)泥頁巖孔隙以中孔為主,平均孔徑主要分布在10～30 nm之間,比表面積最小為4.22 m2/g,最大為13.96 m2/g,平均為7.83 m2/g.

根據(jù)孔徑分布特征,將研究區(qū)泥頁巖儲層分為四類:第Ⅰ類樣品,孔隙直徑最小,分布集中,呈單峰態(tài)(見圖6(a-b));第Ⅱ類樣品,孔隙直徑分布較分散,呈多峰態(tài)(見圖6(c-d));第Ⅲ類樣品,孔隙直徑較大,分布分散,無峰值或不明顯(見圖6(e-f));第Ⅳ類樣品,孔隙直徑最大,孔隙分布也不夠集中(見圖6(g-h)).這四類樣品平均孔徑與泥頁巖樣品比表面積呈較好的負相關(guān)關(guān)系,第Ⅰ類樣品比表面積最大,第Ⅳ類樣品比表面積最小(見圖7).

圖6　延長組頁巖孔徑分布特征分類Fig.6 Classification of Yanchang formation shale pore size distribution

圖7　延長組頁巖平均孔徑分布類型與比表面積關(guān)系Fig.7 Correlation between types of pore size distribution and specific surface area of Yanchang formation shale

3.2微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析

主要根據(jù)低溫氮氣吸附法獲得的等溫吸附一脫附曲線形態(tài)研究微觀孔隙結(jié)構(gòu).頁巖實驗樣品的吸附曲線和解吸曲線不重合,產(chǎn)生吸附滯后現(xiàn)象,通過形成的滯后環(huán)形態(tài)可以反映泥頁巖樣品的孔隙結(jié)構(gòu)[16-17].

吸附劑中微孔的容積稱為孔容,通常以單位質(zhì)量吸附劑中吸附劑微孔的容積表示,孔容越大,吸附量越大.通常一端封閉的不透氣性孔不產(chǎn)生吸附回線,開放性透氣性孔產(chǎn)生吸附回線;但“墨水瓶“形態(tài)的特殊形態(tài)微孔即使一端是封閉的,也可以產(chǎn)生吸附回線,并且有明顯標志,即解吸分支有一個相對急劇下降的拐點[18-20](G點)(見圖8(a)).

圖8　延長組頁巖典型樣品吸一脫附曲線及孔徑分布Fig.8 Adsorption-desorption isotherms and pore size distribution of typical sample of Yanchang formation shale

研究區(qū)頁巖儲層吸附回線形態(tài)復雜.如YY5-4號樣品,微孔徑集中分布范圍為3.00～5.00 nm(圖8(b)),當相對壓力接近G點時,吸附量沒有繼續(xù)下降,而是出現(xiàn)一個短暫的平臺.隨著相對壓力繼續(xù)下降,吸附量又開始快速減少.G點的存在表明YY5-4號樣品存在“墨水瓶“型孔隙.當壓力降到G點時,相對壓力約為0.743,瓶頸處凝聚的液體開始蒸發(fā);當瓶頸處液體蒸發(fā)完時,壓力已經(jīng)遠小于瓶體液體蒸發(fā)需要的相對壓力,因此出現(xiàn)吸附量快速減小現(xiàn)象(見圖8).

由Kelvin方程可以求得G點對應(yīng)的孔隙直徑為6.33 nm,即YY5-4號樣品孔隙直徑為6.33 nm左右的孔為“墨水瓶“型孔隙.不同樣品的滯后回線開始產(chǎn)生時對應(yīng)的相對壓力、吸附量及孔隙直徑不同.

研究區(qū)泥頁巖的滯后回線開始時對應(yīng)的相對壓力最小為0.440,最大為0.865,大部分處在0.4～0.6之間,對應(yīng)的孔隙直徑最小為2.290 nm,最大為12.962 nm,大部分處在2.29～2.50 nm之間.

滯后曲線與吸附曲線重合表明氣體更容易解吸;形成滯后回線表明氣體解吸速率低.根據(jù)滯后回線的形態(tài)及回線出現(xiàn)的分壓點,按照氣體解吸能力,研究區(qū)微孔隙形態(tài)分為四類:第Ⅰ類微孔隙結(jié)構(gòu)最好(見圖9(a)),其次是第Ⅱ類微孔隙結(jié)構(gòu)(見圖9(b)),再次是第Ⅲ類微孔隙結(jié)構(gòu)(見圖9(c)),第Ⅳ類微孔隙結(jié)構(gòu)的氣體解吸能力最差(見圖9(d)).鄂爾多斯盆地南部延長組泥頁巖以第Ⅱ類微孔隙結(jié)構(gòu)為主,氣體的解吸效率相對較高(見圖10).

圖9　延長組頁巖樣品滯后回線分類Fig.9 Classification of Yanchang formation shale hysteresis loop

圖10　延長組頁巖樣品各類型滯后回線頻率統(tǒng)計Fig.10 Each type of hysteresis loop frequency statistics of Yanchang formation shale

4　結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖微觀儲集空間由微裂縫和微孔隙組成.微裂縫分為構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫,構(gòu)造縫分為張性微縫、剪性微縫和張剪微縫;非構(gòu)造微裂縫分為壓裂縫、成巖收縮縫及有機質(zhì)演化異常壓力縫.微孔隙主要包括粒間孔、粒內(nèi)孔、次生溶蝕孔、晶間孔和有機質(zhì)微孔等類型.微孔隙的形成與各種礦物的形成、轉(zhuǎn)化有關(guān).次生孔隙是不穩(wěn)定礦物溶蝕和礦物成巖轉(zhuǎn)化過程的體積收縮等作用的綜合結(jié)果.

(2)泥頁巖平均孔隙直徑主要分布在10～30 nm之間,比表面積最小為4.22 m2/g,最大為13.96 m2/ g,平均為7.83 m2/g.根據(jù)孔徑分布特征將研究區(qū)泥頁巖儲層分為四類,從第Ⅰ類樣品到第Ⅳ類樣品,平均孔隙直徑逐漸增大,并且與頁巖比表面積呈較好的負相關(guān)關(guān)系;第Ⅰ類樣品比表面積最大.

(3)根據(jù)滯后回線的形態(tài)及回線出現(xiàn)的分壓點,研究區(qū)微孔隙形態(tài)可以分為四類,從第Ⅰ類到第Ⅳ類微孔隙結(jié)構(gòu),氣體解吸能力逐漸變差.鄂爾多斯盆地南部延長組泥頁巖以第Ⅱ類微孔隙結(jié)構(gòu)為主,氣體的解吸效率相對較高.

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TE121.2

A

2095-4107(2015)05-0071-09

2015-09-02;編輯:任志平

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2012KTZB03-03)

史 鵬(1984-),男,碩士,工程師,主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)方面的研究.