河南義馬地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層孔隙非均質(zhì)性

張曉波, 左兆喜, 張 超, 司慶紅, 張 義

1)中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037; 2)中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇徐州 221116; 3)中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心, 天津 300170

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河南義馬地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層孔隙非均質(zhì)性

張曉波1), 左兆喜2), 張 超3), 司慶紅3), 張 義2)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037; 2)中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇徐州 221116; 3)中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心, 天津 300170

摘 要:運(yùn)用高壓壓汞、液氮吸附及滲透率測試等實(shí)驗(yàn), 利用極差、突進(jìn)系數(shù)、變異系數(shù)等參數(shù), 表征煤系頁巖孔滲特征及孔隙層間非均質(zhì)性, 分析孔隙層間非均質(zhì)性主控因素。結(jié)果表明: 河南義馬地區(qū)上、下石盒子組泥頁巖微孔與小孔較為發(fā)育, 山西組大孔較為發(fā)育, 分別提供了氣體吸附附著面積和儲(chǔ)存運(yùn)移空間;上石盒子組孔容與孔徑相對偏差最小, 孔隙分布均勻, 山西組比表面積相對偏差最小, 表面積分布均勻;隨圍壓增大, 滲透率不斷降低, 且滿足負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系; 滲透率級差、突進(jìn)系數(shù)和變異系數(shù)顯示下石盒子組滲透率非均質(zhì)性較弱, 山西組滲透率非均質(zhì)性很弱, 更易于壓裂開發(fā)。非均質(zhì)性宏觀上主要受沉積物質(zhì)組成和構(gòu)造改造作用影響, 微觀上受成巖演化影響。

關(guān)鍵詞:煤系頁巖氣儲(chǔ)層; 孔隙結(jié)構(gòu); 非均質(zhì)性; 河南義馬地區(qū)

本文由中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“華北地區(qū)頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查與潛力評價(jià)”(編號: 12120114020301)和中國博士后科學(xué)基金第八批特別資助“煤系頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性對可改造性控制的微觀機(jī)理研究”(編號: 2015T80595)聯(lián)合資助。

中國海陸過渡相頁巖氣可采資源量達(dá)到8.97×1012m3, 多以煤系頁巖氣為主; 煤系頁巖氣儲(chǔ)層具有垂向巖性變化大、單層泥頁巖厚度小、有機(jī)質(zhì)豐度高、含氣量大、孔隙度與滲透率低, 層間非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)(姜在興, 2013; 曹代勇等, 2014; 琚宜文等, 2014; Chen et al., 2015a), 而層間非均質(zhì)性決定了頁巖氣儲(chǔ)層垂向上物性、巖性的分段, 壓裂水平段長度、簇間距、段數(shù)、規(guī)模等參數(shù)的選取(裘亦楠和薛叔浩, 2001; 于翠玲, 2007; Chen et al., 2015b; 王志剛, 2015; Xiong et al., 2015)。位于河南中牟縣的牟頁1井壓裂成功并獲得穩(wěn)定氣流表明南華北盆地海陸過渡相頁巖氣極具潛力。義馬地區(qū)大地構(gòu)造位置處于南華北盆地西部, 廣泛發(fā)育二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組煤系泥頁巖, 是煤系非常規(guī)氣含氣量高的層位。因此以義馬盆地煤系頁巖氣儲(chǔ)層為例, 根據(jù)TOC、高壓壓汞、低溫液氮及滲透率測試數(shù)據(jù), 分析泥頁巖鉆井樣品的有機(jī)地化特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征和滲透率特征, 揭示儲(chǔ)層孔隙層間非均質(zhì)性特征, 可為非均質(zhì)性頁巖氣系統(tǒng)的劃分、煤系頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選及試井開發(fā)工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 煤系頁巖氣儲(chǔ)層特征

1.1構(gòu)造環(huán)境與沉積特征

義馬地區(qū)由近東西向、北東向、北西向的斷裂圍限而成的三角形斷塊(澠池?cái)鄩K)及相鄰斷塊構(gòu)成,南部近東西向硤石—義馬斷裂為逆沖壓扭性斷裂帶,形成于印支期; 西部為北東向斷裂帶, 由數(shù)條平行排列的壓扭性正斷層組成, 有燕山期火成巖侵入;東北為北西向斷裂帶, 由岸上斷層及旁側(cè)次級構(gòu)造組成, 具有多期活動(dòng)特征(圖1)(曹代勇和蘇順金, 1988)。

區(qū)內(nèi)褶皺為一向東南傾伏的開闊平緩單斜, 廣泛發(fā)育二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組煤系泥頁巖。石炭—二疊系煤系主要巖性為煤、泥巖、粉砂巖互層, 以分流河道遷移為特征, 煤系頁巖氣儲(chǔ)層形成于海進(jìn)和海退的三角洲平原沉積(圖2, 3)。山西組屬三角洲含煤建造體系, 二1煤形成后, 隨海水退出, 三角洲推進(jìn), 發(fā)育水下分流河道沉積、泥炭沼澤和分流間灣沉積(曹召丹, 2014)。下石盒子組巖性特征從下到上為正粒序的沉積模式并逐漸過渡為泥巖沉積, 向上有細(xì)砂巖和粉砂巖的形成并夾有炭質(zhì)泥巖, 上石盒子組主要巖性為灰色或深灰色細(xì)粒砂巖、中砂巖、砂質(zhì)泥巖夾灰黃色細(xì)粒石英砂巖, 均屬三角洲平原沉積亞相(胡斌等, 2012)。

1.2有機(jī)地化特征

經(jīng)本研究有機(jī)質(zhì)類型測試, 本區(qū)太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅲ型, Ro普遍高于1.1%, 具有生烴潛力; ZK302井樣品鏡質(zhì)體反射率隨深度增加, 總體呈現(xiàn)增高趨勢(圖4)。泥頁巖TOC含量較高, 介于0.43%～9.67%之間, 平均為2.17%。TOC與樣品層位及巖性密切相關(guān), ZK402鉆井樣品TOC變化相對較小, 均在1%左右(圖4)。

1.3孔滲特征

圖1　義馬煤盆地構(gòu)造簡圖與鉆孔位置Fig. 1 Structural sketch map showing drill hole position of Yima coal basin

圖2　義馬地區(qū)ZK302鉆井巖性柱狀圖(中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心部署實(shí)施)Fig. 2 Lithologic column of ZK302 well in Yima area (deployed and implemented by Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey)

圖3　義馬地區(qū)ZK402鉆井巖性柱狀圖(中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心部署實(shí)施)Fig. 3 Lithologic column of ZK402 well in Yima area (deployed and implemented by Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey)

圖4　樣品Ro與TOC值隨埋深的變化趨勢圖Fig. 4 Ro and TOC trend with the buried depth of samples

對ZK302井和ZK402井取樣, 分別自上而下編號, 進(jìn)行壓汞、液氮和脈沖滲透率實(shí)驗(yàn), 儀器型號分別為AutoPore IV 9500全自動(dòng)壓汞儀、ASPS2020比表面積及孔隙分析儀、PDP-200脈沖滲透率測試儀。

(1)壓汞特征

測試表明, 泥頁巖總孔容為0.005 6～ 0.016 1 mL/g, 平均為0.010 4 mL/g; 比表面積為1.42～5.65 m2/g, 平均為3.42 m2/g; 平均孔徑為9.9～ 15.7 nm, 平均為12.54 nm; 孔隙度為1.22%～3.38%,平均為2.22%。地層由新到老, 總孔容、比表面積大體上呈現(xiàn)下降趨勢。隨埋深增加, 樣品孔徑分布由以微孔占主導(dǎo)地位的單峰, 演化為以大孔和微孔為主導(dǎo)的雙峰分布。上部樣品孔隙為均勻分布, 半封閉型的微孔和小孔發(fā)育而大孔較少, 巖層封蓋性較好, 向下大孔的含量先減少后增加, 逐步成為主體孔隙。下部樣品孔隙呈現(xiàn)出兩端發(fā)育, 而中孔較少, 分別提供了吸附附著面積和儲(chǔ)存運(yùn)移空間。從上到下, 孔隙度大體上呈現(xiàn)下降趨勢(圖5)。儲(chǔ)層孔徑集中在5～20 nm, 隨深度加深, 表面積的分布曲線由單峰態(tài)轉(zhuǎn)化成復(fù)雜多峰態(tài), 表明下部儲(chǔ)層孔徑結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 非均質(zhì)性增強(qiáng)。

(2)低溫液氮特征

總孔容和孔徑整體起伏較小, 比表面積波動(dòng)較大。平均孔徑為7.02～17.94 nm, 平均為10.23 nm; 平均總孔容為6.30～14.07 mm3/g, 平均為9.198 7 mm3/g;平均比表面積為1.322 2～6.865 1 m2/g, 平均為3.929 5 m2/g?？傮w孔徑8～11 nm, 平均孔徑較大, 總孔容較小。

由吸脫附曲線類型(圖6)可知, 曲線為H3型滯后回線, 表明孔隙以四周開放的平行板孔為主, 孔隙發(fā)育均勻, 連通性較好, 利于氣體運(yùn)移。Z4-3的微孔比例最高, Z4-1微孔比例最低。當(dāng)相對壓力達(dá)到0.8時(shí), 累計(jì)吸附量呈較大幅度增長, 表明樣品內(nèi)部含有大孔, 且其孔容較大; 相對壓力在0.5時(shí),脫附線有較大幅度下降, 表明樣品存在墨水瓶型孔。整體上樣品孔容較小, 微孔含量較少, 孔隙類型多以半封閉孔和封閉孔為主, 孔徑分布不均且平均孔徑較大。

(3)脈沖滲透率特征

脈沖滲透率儀PDP-200測量范圍0.000 01～ 10 md(圖7), 垂直于巖層鉆取Z3-2、Z3-3樣品滲透率測試結(jié)果如圖6。隨圍壓增大, 滲透率降低, 滿足負(fù)指數(shù)關(guān)系且相關(guān)性很好。垂向來看, Z3-2較Z3-3埋深較淺, 孔隙度值較高, 滲透率較大。

圖5　壓汞曲線與階段孔徑分布特征Fig. 5 Curves of mercury injection & ejection and the distribution of pores by HPMI

圖6　吸附脫附曲線與孔隙分布圖Fig. 6 Absorption-desorption curves and distribution of pores by N2-GA

圖7　PDP-200脈沖衰減滲透率儀測試結(jié)果Fig. 7 Permeability of shale in Yima area tested by PDP-200

圖8　樣品的孔體積及比表面積分布Fig. 8 Pore volume and specific surface area distribution of samples

圖9　孔隙參數(shù)相對偏差雷達(dá)圖Fig. 9 Radar chart of relative deviation of pore parameters

表1　氮?dú)馕椒ㄓ?jì)算頁巖分形維數(shù)Table 1 Fractal dimension calculated by parameters from the N2-GA

2 孔隙層間非均質(zhì)性

2.1孔隙非均質(zhì)性

根據(jù)壓汞孔徑大小可將頁巖氣儲(chǔ)集空間劃分為超大孔(>100 000 nm)、大孔(1 000～100 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)、小孔(10～100 nm)、微孔(0～ 10 nm)(陳尚斌等, 2013)。樣品不同孔徑范圍孔體積及比表面積所占比例表明(圖8), 本區(qū)樣品從下到上微孔含量先增加后減少, 其中大孔對總孔容的貢獻(xiàn)先減少后增加, 中孔含量變化不明顯, 小孔含量呈減少趨勢。在表面積所占百分比中, 微孔對比表面積的貢獻(xiàn)最突出, 從下到上呈現(xiàn)較穩(wěn)定趨勢; 小孔也占有一定比例, 對比表面積有貢獻(xiàn); 大孔和中孔則在表面積上的貢獻(xiàn)微小。豐富的微孔和小孔孔隙提供大量的表面積, 有利于頁巖氣的吸附和儲(chǔ)存(于炳松, 2013)。

利用相對偏差對儲(chǔ)層孔隙非均質(zhì)性表征, 從液氮數(shù)據(jù)獲得比表面積、總孔容和孔徑按樣品編號與埋深的相對偏差數(shù)值, 得到其相對均值偏離程度(圖9)。上石盒子組總孔容與孔徑相對偏差最小。山西組比表面積相對偏差最小, 表明其表面積分布均勻。按層間非均質(zhì)性分析可知上石盒子組孔隙結(jié)構(gòu)良好, 分布較其他組均勻, 對頁巖氣的儲(chǔ)存有利,其次為山西組。

通常運(yùn)用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型法計(jì)算低溫液氮吸附下固體分形維數(shù):

表2　義馬盆地含煤地層滲透率非均質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Heterogeneity parameters calculated by permeability of Yima

構(gòu)建Ln(LnP0/P)為自變量, LnV為因變量的方程, 根據(jù)斜率即可求出多孔材料的分形維數(shù)D(圖10), D值介于2～3之間, 越大則非均質(zhì)性越強(qiáng)(沈金松和張宸愷, 2008)。由此可知, 本區(qū)孔隙層間非均質(zhì)性明顯, 山西組孔隙復(fù)雜程度較大, 非均質(zhì)性程度強(qiáng)于下石盒子組, 上石盒子組非均質(zhì)性程度最小(表1)。

2.2滲透率非均質(zhì)性

圖10　泥頁巖樣品分形擬合Fig. 10 Fractal fitting of the pores in shale

運(yùn)用級差( J k = Km a x/ Km i n)、突進(jìn)系數(shù)(Tk=Kmax/Kaver)、變異系數(shù)(Vk=Kstdev/Kaver)來表征滲透率層內(nèi)非均質(zhì)性, 表2中數(shù)值由各樣品在300 psi時(shí)的滲透率測試值計(jì)算而得。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(方少仙和侯方浩, 2006), 本區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性具有如下特征:

ZK302井Z3-2、Z3-3、Z3-4樣品滲透率級差Jk均較小, 突進(jìn)系數(shù)Tk值均小于2, 變異系數(shù)Vk值均小于0.5, 為均質(zhì)型, 但山西組Tk值、Vk值更小, 表明該井下石盒子組非均質(zhì)性很弱, 山西組非均質(zhì)性最弱。ZK402井Z4-1、Z4-2級差Jk均較大, 突進(jìn)系數(shù)Tk值均大于2, 變異系數(shù)Vk值均大于0.5, 為較均勻型; Z4-3為均勻型, 均質(zhì)性好。表明該井下石盒子組非均質(zhì)性較弱, 山西組非均質(zhì)性很弱。

3 非均質(zhì)性影響因素

(1)沉積-成巖條件。義馬地區(qū)煤系泥頁巖沉積環(huán)境主要為分流河道, 分流間灣和河口砂壩(胡斌等, 2012)。分流間灣環(huán)境TOC較高, 有機(jī)質(zhì)孔隙體積和比表面積較大, 吸附能力較強(qiáng)。分流河道及河口砂壩脆性礦物含量較多, 抗壓強(qiáng)度較大, 作為儲(chǔ)層主要骨架能夠維持孔隙形態(tài)。黏土礦物對頁巖孔隙有填充作用, 特別是其定向發(fā)育的平行板狀孔增加了孔隙非均質(zhì)性, 且在注水條件下發(fā)生溶脹, 不利于頁巖氣開發(fā)壓裂。溫度、壓力、流體等成巖條件, 控制著煤系泥頁巖有機(jī)質(zhì)生烴孔、晶間孔、粒間孔、粒內(nèi)孔及溶蝕孔發(fā)育情況, 影響頁巖氣在泥頁巖中的賦存、運(yùn)移、擴(kuò)散、滲流。

(2)構(gòu)造條件。義馬地區(qū)經(jīng)歷多期次構(gòu)造改造,印支期南北向、燕山期北西向壓扭性和燕山晚期北東向壓-扭-張性復(fù)雜構(gòu)造變形對頁巖氣儲(chǔ)層裂隙發(fā)育有益, 易于提高儲(chǔ)集性能, 形成有利的滲流通道;盆地南部印支期逆沖斷層有利于頁巖氣保存。燕山晚期北東向復(fù)雜構(gòu)造變形對頁巖氣保存具有負(fù)面影響。

4 結(jié)論

(1)上、下石盒子組泥頁巖微孔與小孔較為發(fā)育,山西組大孔較為發(fā)育, 分別提供了氣體附著面積和儲(chǔ)存運(yùn)移空間。

(2)上石盒子組孔容與孔徑相對偏差最小, 山西組比表面積相對偏差最小, 表面積分布均勻。上石盒子組孔隙結(jié)構(gòu)良好, 分布較其他組均勻, 對頁巖氣儲(chǔ)存有利, 其次為山西組。

(3)隨圍壓增大, 滲透率不斷降低, 滿足負(fù)指數(shù)相關(guān)關(guān)系; 滲透率級差、突進(jìn)系數(shù)、變異系數(shù)顯示。ZK302井下石盒子組非均質(zhì)性很弱, 山西組非均質(zhì)性最弱。ZK402井下石盒子組非均質(zhì)性較弱, 山西組非均質(zhì)性很弱。非均質(zhì)宏觀上主要受沉積物質(zhì)組成和構(gòu)造改造作用影響, 微觀上受成巖演化影響。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. 12120114020301) and China Postdoctoral Science Foundation (No. 2015T80595).

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ZHANG Xiao-bo1), ZUO Zhao-xi2), ZHANG Chao3), SI Qing-hong3), ZHANG Yi2)
1) Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116; 3) Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey, Tianjin 300170

Abstract:The pore permeability of coal-bearing shale and the heterogeneity of the pore layer were characterized by using high-pressure mercury intrusion (HPMI), low-pressure nitrogen gas adsorption (LP-N2A) and pulse decaying permeability instrument (PDP). The main factors of heterogeneity between layers were analyzed. The results show that the micropores and mesopores of Upper and Lower Shihezi Formation shale are well developed, which provide attachment area and space for gas storage and transport. The macropores of Shanxi Formation are extensively developed, which provide space for gas storage. The relative error of pore volume and diameter of the Upper Shihezi Formation is very small, and the pore volume is distributed evenly. The relative error of specific surface area of Shanxi Formation is insignificant, the pore surface area is distributed evenly. With the increasing of confining pressure, the permeability constant is reduced, and meets the negative exponential relationship. The Lower Shihezi Formation has comparatively large differential, onrush and variation coefficient of permeability, which shows weak heterogeneity, and the Shanxi Formation with the weakest heterogeneity is considered to be easily developed. The macro heterogeneity is mainly affected by the sedimentary composition and tectonic reworking, while the micro heterogeneity is affected by diagenetic evolution.

Key words:shale gas reservoir of coal-bearing; pore structure; heterogeneity; Yima area in Henan

中圖分類號:TE122.23; P534.46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.11

收稿日期:2015-12-19; 改回日期: 2016-03-24。責(zé)任編輯: 閆立娟。

第一作者簡介:張曉波, 男, 1982年生。碩士, 工程師。主要從事新能源資源評價(jià)與管理工作。E-mail: zhangxiaobo@cags.ac.cn。