頁巖有機質(zhì)熱演化過程中孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

彭鈺潔，劉 鵬，吳佩津

(1.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 551400；2.中國石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

0 引 言

頁巖氣儲層一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，中國南方揚子地區(qū)海相富有機質(zhì)頁巖研究較多[1-2]，并在焦石壩地區(qū)已取得穩(wěn)定工業(yè)氣流[3]。在場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察到的納米級孔隙[4-5]，如有機質(zhì)納米孔、顆粒內(nèi)納米孔及微裂縫等對頁巖氣儲層性質(zhì)具有特殊意義[6-7]，不僅是頁巖氣藏儲層中典型孔隙類型和基本特征，也是高演化狀態(tài)下游離氣和吸附氣賦存的主要載體[8-10]。海相富有機質(zhì)泥頁巖是中國頁巖氣富集的主體層位，分析其在有機質(zhì)熱演化過程中儲層空間的變化具有顯著意義。中國華北地區(qū)元古界至下古生界海相有機質(zhì)沉積相對富集的沉積層段，但成熟度普遍偏低[11-12]，張家口下花園地區(qū)下馬嶺組頁巖的有機質(zhì)含量可達4%，類鏡質(zhì)組(Rb)約為0.6%，是系統(tǒng)研究有機質(zhì)熱演化特征的理想模擬實驗樣品[12-13]。前人的熱模擬實驗多針對頁巖生烴模式和地球化學(xué)特征進行探究，但對于有機質(zhì)熱演化過程中的儲層空間變化研究甚少，而孔隙結(jié)構(gòu)的變化會直接影響到頁巖氣的賦存形式。因此，通過熱演化模式實驗結(jié)合頁巖孔隙結(jié)構(gòu)分析，探究有機質(zhì)熱演化過程中的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對頁巖氣賦存的影響十分必要。

1 樣品及實驗

研究樣品采用張家口-懷來地區(qū)下馬嶺組低成熟度富有機質(zhì)泥頁巖。原始樣品TOC為4.23%，干酪根類型為Ⅰ型，Ro為0.62%，處于生物化學(xué)生氣階段晚期或熱催化生油氣階段早期[14-15]。

為了模擬泥頁巖有機質(zhì)演化的整個過程，實驗采用高壓催化熱模擬實驗裝置，儀器由高壓釜、壓力傳感器、溫度控制器等幾部分組成，其中，高溫釜由釜體和釜塞組成。實驗設(shè)置模擬溫度為350、400、450、500、550、600 ℃。實驗步驟：①將原始樣品切割成長約40 mm，寬約30 mm，高約25 mm的塊樣；②升溫速率設(shè)置為20 ℃/h，將樣品放入反應(yīng)加熱加壓釜中，在6個模擬溫度下分別恒溫加熱72 h，并在每一個溫度點依次取出1個樣品，直至溫度到達600 ℃，得到6塊不同成熟度的模擬樣品；③將原始樣品及6個模擬后的樣品分別進行研磨破碎，進行有機質(zhì)成熟度、高溫壓汞、低溫液氮等多項孔隙實驗，分析各樣品不同成熟狀態(tài)下孔隙結(jié)構(gòu)特征。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 孔隙度特征

經(jīng)過6個模擬溫度，頁巖Ro達到了1.04%、1.83%、2.04%、2.46%、2.84%、3.12%，干酪根熱演化經(jīng)歷了熱催化生油氣階段、熱裂解生凝析氣階段和深部高溫生氣等多個階段，并由低成熟階段進入成熟階段直至高過成熟階段。隨著干酪根熱演化的進行，其內(nèi)部孔隙數(shù)量顯著增多，孔隙度隨有機質(zhì)演化過程呈線性升高(表1)。

表1 熱模擬樣品階段特征

2.2 孔徑分布特征

壓汞實驗反映了頁巖孔徑為3 nm以上的孔隙特征(圖1)。由圖1可知：有機質(zhì)熱成熟演化過程中，頁巖孔徑分布整體具有“兩邊高中間低”的特征，且該過程主要影響了“兩邊高”的孔徑分布特征；介孔的發(fā)育程度與有機質(zhì)成熟度呈明顯的正相關(guān)，X-6樣品孔徑小于50 nm的孔隙孔容可達X-0樣品的8.79倍，表明有機質(zhì)熱演化過程整體有利于介孔的發(fā)育；宏孔的發(fā)育程度與有機質(zhì)成熟度表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，孔徑大于10 000 nm的孔隙表現(xiàn)更明顯，樣品X-0到X-1宏孔增加，X-1到X-6宏孔呈顯著下降趨勢，表明有機質(zhì)熱演化在一定程度有利于宏孔的發(fā)育，后期由于持續(xù)的熱演化以及地層壓力的作用導(dǎo)致孔隙骨架的坍塌，而不利于宏孔發(fā)育。

圖1 壓汞實驗孔徑分布

頁巖氣主要儲集空間為有機質(zhì)納米孔[16]，為更好地刻畫頁巖儲層納米孔隙在有機質(zhì)熱演化過程中的變化過程，針對小于50 nm的微孔和介孔增加了低溫液氮吸附實驗。實驗結(jié)果表明，隨著成熟度的增加，微孔不斷增加，尤其是在進入干氣高峰階段(500 ℃)后，大量氣體的釋放對頁巖的微孔劇烈增長有巨大貢獻，有機質(zhì)的熱演化對介孔發(fā)育的影響程度具有差異性，但整體表現(xiàn)為正相關(guān)，且孔徑為30～50 nm時更為顯著。

2.3 孔隙形態(tài)及連通性特征

滯后環(huán)形態(tài)可作為反映吸附劑中孔隙形態(tài)及連通性特征的依據(jù)[17-21]。不同成熟度階段實驗樣品氮氣吸附脫附曲線反映了3種孔隙形態(tài)(圖2)，而其進退汞曲線則反映了不同階段樣品連通性特征(圖3)。由圖2、3可知：低成熟階段X-0、X-1樣品，其液氮吸附脫附曲線為典型的H3型滯后回線，滯后環(huán)較小，以四周開放的平行板孔為主，但其退汞效率高，反映了較差的連通性；處于成熟到高成熟階段的X-2、X-3和X-4樣品液氮吸附脫附曲線，反映了H2型和H3型滯后回線的特點，以無定形孔隙與定形孔隙結(jié)合的孔隙形態(tài)，樣品退汞效率較上一階段樣品明顯降低，孔隙連通性較好；X-5、X-6樣品處于高過成熟階段，其液氮吸附脫附曲線有明顯的H2型滯后回線特征，吸附曲線穩(wěn)定上升，但在中等相對壓力處，解吸曲線遠比吸附曲線陡峭，形成寬大的滯回環(huán)，反映的孔隙類型是細頸廣體的墨水瓶孔等無定形孔隙，微孔較為發(fā)育，有可能充當(dāng)孔隙“瓶頸”，如X-5退汞效率較X-4高，滯后環(huán)變窄，孔隙連通性變差，但隨著成熟度的升高，樣品X-6退汞效率進一步降低，呈現(xiàn)寬大的滯后環(huán)，反映良好的孔隙連通性，表明在該階段墨水瓶孔隙形態(tài)可能發(fā)生變化，其“瓶頸”變得寬大，進而有利于孔隙的連通?？梢姡S著有機質(zhì)演化程度不斷加深，富有機質(zhì)頁巖作為頁巖氣儲存空間，其孔隙連通性、擴散性以及滲流性都將有所提升。

圖2 模擬樣品氮氣吸附脫附曲線

圖3 模擬樣品壓汞曲線形態(tài)

3 頁巖賦存空間變化

甲烷分子與孔壁距離不大于2 nm時，孔壁與甲烷分子間表現(xiàn)為較強的相互作用力，而當(dāng)距離大于2 nm時，甲烷分子與孔壁間相互作用力迅速減小，甲烷分子呈游離狀態(tài)[22]。以不同成熟度頁巖液氮實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)球體模型[22]計算不同尺度孔隙吸附氣及游離氣的賦存空間(圖4)。計算結(jié)果表明，不同成熟度階段的富有機質(zhì)頁巖，其吸附氣隨孔徑增大而呈先增大后逐漸平穩(wěn)的趨勢，游離氣則呈隨孔徑增大而升高的趨勢，并在不同孔徑階段呈現(xiàn)不同的增加速率。

由圖4可知：在孔徑小于2 nm時，頁巖孔隙中的甲烷氣體主要是以吸附形式賦存，并隨著孔徑增大吸附氣含量快速增加，而游離狀態(tài)的氣體含量較少；在頁巖孔隙孔徑達到2～50 nm時，頁巖孔隙中的天然氣為吸附和游離2種賦存狀態(tài)，吸附氣含量增加速率減緩，而游離氣含量在該期間迅速增長；在孔隙大于50 nm階段，游離氣含量仍持續(xù)快速增長，而吸附氣含量幾乎不再變化。這從頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的建構(gòu)過程中解釋了頁巖氣從納米孔中的形成隨熱演化加深氣體由吸附狀態(tài)逐漸大量析出，游離至大孔空間中的賦存轉(zhuǎn)變過程。

圖4熱模擬樣品吸附游離狀態(tài)

4 實踐指導(dǎo)

納米孔隙網(wǎng)絡(luò)控制了泥頁巖中油氣的賦存和富集成藏。有機質(zhì)生烴演化是一個復(fù)雜的過程，模擬不同生烴階段是實踐過程的關(guān)鍵，模擬過程中溫度的變化速率將直接影響有機質(zhì)生烴過程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化。因此，在模擬過程中，采用升溫速率為20 ℃/h模擬了受構(gòu)造活動影響，有機質(zhì)受熱溫度升高，用恒溫模擬構(gòu)造穩(wěn)定情況下，有機質(zhì)生烴停止的過程。鑒于地質(zhì)歷史時期有機質(zhì)生烴演化的復(fù)雜性，不同實驗條件可能會導(dǎo)致后期孔隙實驗結(jié)果的差異性，但不同成熟度的孔隙特征變化趨勢仍具有重要意義，指示出頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的逐漸建構(gòu)，為頁巖氣的形成和賦存研究提供重要的參考依據(jù)，同時也需不斷地完善。

5 結(jié) 論

(1) 頁巖有機質(zhì)在熱演化過程中，隨著有機質(zhì)成熟度升高，其孔隙度呈線性增長，微孔和介孔明顯增多，孔徑為30～50 nm的介孔孔隙增加更為顯著，而孔徑大于10 000 nm的宏孔逐漸減少。這與有機質(zhì)熱演化導(dǎo)致的有機質(zhì)孔大量生成以及孔隙富集導(dǎo)致的骨架坍塌有關(guān)，且隨熱演化過程加深孔隙連通性逐漸變好。

(2) 有機質(zhì)熱演化過程直接影響了頁巖氣賦存空間，吸附氣與游離氣賦存空間均有隨孔隙孔徑增大而升高的趨勢，但呈現(xiàn)不同的增加速率，指示頁巖氣從納米孔中的形成隨熱演化加深氣體由吸附狀態(tài)逐漸大量析出，游離至大孔空間中的賦存轉(zhuǎn)變過程。

(3) 有機質(zhì)演化是一個復(fù)雜的地質(zhì)演變過程，高壓催化熱模擬結(jié)果是研究頁巖氣形成及賦存的重要參考依據(jù)。