貴州遵義黔XY 1井龍馬溪組頁巖孔隙特征及主控因素
2019-03-05 05:55:36楊玉茹夏響華王向華于偉欣
石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì) 2019年1期
謝 婷，張 聰，楊玉茹，夏響華，李 琦，王向華,于偉欣
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 非常規(guī)油氣地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100029)
孔隙是頁巖氣主要的儲集空間和滲流通道，其發(fā)育狀況對于頁巖儲層優(yōu)劣性的評價(jià)至關(guān)重要。國際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會按照大小將頁巖孔隙劃分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)及宏孔(>50 nm)[1]；JARVIE等[2]研究認(rèn)為，泥頁巖中主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)生烴過程中形成的孔隙；LOUCKS等[3]對北美頁巖研究后，將泥頁巖孔隙分為礦物粒間孔、礦物粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔3類；SCHIEBER[4]將泥頁巖孔隙分為硅酸鹽骨架孔、碳酸鹽溶蝕孔和有機(jī)質(zhì)孔；SISK等[5]將頁巖孔隙劃分為粒內(nèi)孔、多孔凝絮物孔、有機(jī)質(zhì)孔、糞球孔、化石碎片孔、微裂隙等多種類型；葛巖等[6]將澳大利亞E盆地Toolebuc組頁巖孔隙劃分為黏土礦物粒間孔、巖石骨架顆粒粒間孔、有機(jī)質(zhì)孔隙、生物化石孔、有機(jī)酸溶孔及微裂縫6種類型；楊超等[7]劃分的孔隙類型有：粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔、有機(jī)孔、微裂縫；單中強(qiáng)等[8]將孔隙劃分為微裂縫、微孔道、絮狀物孔隙、晶間孔、晶內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔隙和生物化石內(nèi)孔隙等類型。目前用于頁巖孔隙發(fā)育特征研究的方法包括：圖像分析法、物理測試法及數(shù)字模擬法。其中，圖像分析法是通過高分辨率電子顯微鏡對頁巖孔隙平面和空間特征進(jìn)行直觀展示，又可分為電鏡分析和射線分析，可用于孔隙的定性和定量分析；物理測試法則主要是指流體實(shí)驗(yàn)，包括氣體吸附法和流體滲入法，主要用于孔隙的定量分析；數(shù)字模擬法主要是指數(shù)字巖心的構(gòu)建，如分形模型等[9-10]。前人對于頁巖孔隙的研究主要集中于孔隙結(jié)構(gòu)及類型[11-18]，而在孔隙發(fā)育的控制因素方面的研究仍有欠缺。更為關(guān)鍵的是，黔XY 1井所在地區(qū)為頁巖氣探礦權(quán)空白區(qū)，開展貴州綏陽地區(qū)頁巖孔隙特征及其主控因素的研究，將有助于該地區(qū)頁巖儲層評價(jià)工作的展開及頁巖氣區(qū)塊格架的構(gòu)建。本文通過場發(fā)射掃描電鏡與PerGeos 1.0數(shù)字巖心分析系統(tǒng)的聯(lián)用，對黔XY 1井頁巖樣品的孔隙發(fā)育特征及其主控因素進(jìn)行分析，以期能夠填補(bǔ)研究區(qū)頁巖氣探礦權(quán)空白，并且為其儲層評價(jià)提供可靠的依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)樣品及方法
1.1 樣品來源
黔XY 1井位于貴州省遵義市綏陽縣太白鎮(zhèn)(圖1)，頁巖氣目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組，巖性為黑色薄層狀碳質(zhì)泥巖，為陸棚相沉積，頁巖厚度由東南向西北逐漸增厚[19-21]。
1.2 實(shí)驗(yàn)測試方法
利用氬離子拋光儀(Lecia EM TIC3X)對樣品進(jìn)行氬離子拋光后，聯(lián)合熱場發(fā)射掃描電鏡(ZEISS Merlin Compact)和數(shù)字巖心分析系統(tǒng)(PerGeos 1.0)，對頁巖孔隙發(fā)育特征進(jìn)行定量和定性分析。同時(shí)，利用高分辨激光拉曼光譜儀(Renishaw inVia)及紅外定碳定硫儀(Leco CS230)，測定樣品的拉曼成熟度及有機(jī)質(zhì)豐度。各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均在中國地質(zhì)調(diào)查局非常規(guī)油氣地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。
1.2.1 場發(fā)射掃描電鏡分析
按照從低倍向高倍(200～10 000倍)觀察的原則，低倍下重點(diǎn)觀察頁巖樣品的層理、裂縫發(fā)育、有機(jī)質(zhì)形態(tài)及分布、有機(jī)質(zhì)含量、碎屑顆粒含量及與有機(jī)質(zhì)等的接觸關(guān)系等；高倍下觀察頁巖有機(jī)孔及無機(jī)納米孔的發(fā)育程度、礦物成分、碎屑顆粒表面情況等。工作電壓2 kV，工作距離3～4 mm。
圖1 貴州遵義綏陽縣太白鎮(zhèn)黔XY 1井鉆井位置
1.2.2 PerGeos 1.0定量分析
PerGeos 1.0數(shù)字巖心分析系統(tǒng)是儲層巖石定量分析軟件，與其他傳統(tǒng)研究手段相比，具有直觀、精細(xì)、快速、無損、低成本等優(yōu)勢。分析過程中，直接將場發(fā)射掃描電鏡所得圖片導(dǎo)入PerGeos數(shù)字巖心分析系統(tǒng)，對黔XY 1井龍馬溪組頁巖孔隙發(fā)育特征進(jìn)行定量分析。
由于頁巖具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，分析過程中，同一樣品選擇10張以上高清圖片逐個(gè)分析，并將最終結(jié)果加權(quán)平均，分析過程如下：
選取感興趣區(qū)(圖2a，b)，選擇中值濾波對其進(jìn)行平滑減噪處理(圖2c)，降低分析誤差；選擇交互式工具覆蓋閥值，基于分水嶺算法原理提取不同孔徑大小的孔隙，并為不同像素賦予不同顏色及材料標(biāo)簽(如孔隙、巖石基質(zhì)等)加以區(qū)分(圖2d-f)，再進(jìn)行篩選，手動去除假孔(圖2g)；計(jì)算分析工作區(qū)的空間量，并以等效圓直徑為參數(shù)，統(tǒng)計(jì)不同大小孔隙的數(shù)量、面積及其在總孔隙中所占比重，并進(jìn)行可視化展示(圖2h)。
2 樣品分析結(jié)果
2.1 TOC和Ro測試結(jié)果
黔XY 1井龍馬溪組頁巖有機(jī)碳含量范圍為0.21%～5.45%，平均為2.71%；Ro分布范圍在2.22%～2.92%，平均為2.47%(表1)。
2.2 有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài)
黔XY 1井龍馬溪組頁巖主要發(fā)育填隙狀、條帶狀、團(tuán)塊狀、脈狀及生物結(jié)構(gòu)形有機(jī)質(zhì)。填隙狀有機(jī)質(zhì)可分為具自形邊界或他形邊界有機(jī)質(zhì)，這兩類有機(jī)質(zhì)均分散填隙于基質(zhì)礦物中；團(tuán)塊狀、條帶狀有機(jī)質(zhì)一般呈類圓狀或不規(guī)則斑塊狀出現(xiàn)；條帶狀有機(jī)質(zhì)一般呈絲帶狀、長條狀出現(xiàn)；脈狀有機(jī)質(zhì)一般呈連續(xù)、延展的脈狀出現(xiàn)，有時(shí)沿裂隙展布，常伴生大量草莓狀黃鐵礦，多條脈狀有機(jī)質(zhì)可相互近于平行或交錯(cuò)分布；生物結(jié)構(gòu)形有機(jī)質(zhì)與頁巖基質(zhì)礦物之間有明確邊界，且具殘余生物化石特征。
圖2 PerGeos定量分析過程
表1貴州遵義黔XY1井龍馬溪組頁巖樣品有機(jī)碳含量及Ro測試結(jié)果
Table1TOCcontentandRoofshalesamplesfromwellQianXY1inZunyiCity,GuizhouProvince
深度/mw(TOC)/%Ro/%深度/m w(TOC)/%Ro/%1 029.90.512.691 137.04.682.521 046.90.212.661 137.44.512.441 122.01.032.431 137.73.822.421 125.81.332.551 138.34.032.491 126.61.052.511 138.53.782.221 130.21.312.921 138.93.212.461 135.41.122.691 139.23.932.221 135.62.062.581 139.43.002.461 136.45.452.381 139.65.142.431 136.64.672.421 139.82.472.471 136.85.012.321 140.41.152.49
2.3 孔隙類型
頁巖同時(shí)發(fā)育原生孔隙與次生孔隙，且孔徑大小及分布具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，因此對孔隙類型的劃分難以形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。筆者參照LOUCKS[3]的頁巖孔隙三分法，認(rèn)為黔XY 1井龍馬溪組頁巖主要發(fā)育無機(jī)礦物孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫三大類孔隙。
2.3.1 無機(jī)礦物孔
黔XY 1井龍馬溪組頁巖主要發(fā)育的無機(jī)孔隙類型有粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔及鑄模孔。
(1)粒間孔：廣泛發(fā)育于石英、長石等脆性礦物和黏土礦物之間。發(fā)育于脆性礦物之間的粒間孔主要呈規(guī)則的四方形、三角形、串珠狀等，孔徑多為10～200 nm(圖3a)；發(fā)育在伊利石、蒙脫石等層片狀黏土礦物間的多為槽線狀、鐮刀狀、撕裂狀層間孔隙，其中黏土礦物層間孔隙為其主要的粒間孔類型(圖3b-c)。
(2)晶間孔：多存在于草莓狀黃鐵礦晶體之間，也常見于方解石、石英等礦物晶體間，一般呈三角狀、卵狀，孔徑較小，一般小于500 nm。
(3)粒內(nèi)孔：發(fā)育于礦物顆粒內(nèi)部，主要存在于自生硅質(zhì)顆粒、碳酸鹽顆粒內(nèi)，另外蒙脫石等其他不穩(wěn)定黏土礦物在成巖環(huán)境發(fā)生變化時(shí)會發(fā)生相變，在此過程中也會形成粒內(nèi)孔，孔徑一般為2～100 nm(圖3d)。
(4)溶蝕孔：邊緣輪廓不整齊、多為不規(guī)則形狀且孔徑較大，孔徑介于50～500 nm。
(5)鑄?？祝簾o機(jī)質(zhì)與有機(jī)質(zhì)中均有發(fā)育，多為形態(tài)規(guī)整的坑槽，在井段1 029.91～1 138.5 m之間常見，推測是由于黏土礦物硬度較低，且與其他礦物接觸強(qiáng)度有限，易導(dǎo)致礦物在制樣過程中受到刮擦而掉落。
2.3.2 有機(jī)質(zhì)孔
黔XY 1井龍馬溪組頁巖內(nèi)填隙狀有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育良好，鏡下可見大量海綿狀孔隙，孔壁圓滑，孔徑變化較大，在2～100 nm之間，且相對均勻分布。部分填隙狀有機(jī)質(zhì)內(nèi)發(fā)育多角狀、狹縫狀及卵狀孔隙，孔徑大小不一且混雜分布(圖3e-f)。此外，與黏土礦物交生或填充于自生硅質(zhì)內(nèi)的有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育較為良好，推測是由于黏土礦物在沉積環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)會發(fā)生相變，部分物質(zhì)析出并混入有機(jī)質(zhì)，促使有機(jī)質(zhì)孔隙的產(chǎn)生。團(tuán)塊狀、條帶狀及生物結(jié)構(gòu)形有機(jī)質(zhì)十分致密，內(nèi)部基本不發(fā)育孔隙。
2.3.3 微裂縫
微裂縫是在成巖或有機(jī)質(zhì)演化過程中形成的延伸長度較長、具一定寬度、分布范圍較大的呈鋸齒狀、波線狀、放射狀且部分類型呈定向分布的微米及納米級裂縫，其形成原因主要是由于構(gòu)造應(yīng)力作用、有機(jī)質(zhì)生烴、成巖過程中的脫水收縮、礦物巖性差異及人為制樣損壞等。
圖3 貴州遵義黔XY 1井龍馬溪組頁巖各類型孔隙發(fā)育特征
黔XY 1井頁巖內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造微裂縫定向分布明顯，延展較廣，且長度范圍變化較大，主要為10～500 μm，反映出區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用的方向(圖3g)。成巖收縮微裂縫沿有機(jī)質(zhì)或礦物顆粒邊緣呈不規(guī)則的波線狀或鋸齒狀展布，可勾勒礦物或有機(jī)質(zhì)形態(tài)，縫寬一般為2～200 nm，是由于成巖過程中上覆沉積物的增厚，使得壓力不斷增大，促使沉積物中的水分被排出而產(chǎn)生(圖3h)。有機(jī)質(zhì)生排烴縫，開裂面較為光滑整齊，延伸距離局限，一般小于2 μm，部分可貫穿有機(jī)質(zhì)，是有機(jī)質(zhì)演化過程中的熱增壓作用導(dǎo)致其自身發(fā)生碎裂而產(chǎn)生的，分布于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部(圖3i)。
微裂縫不但是氣體的主要儲集空間，而且其在孔隙系統(tǒng)中起著溝通和聯(lián)結(jié)的作用，并與其他孔隙及微裂縫一起構(gòu)成錯(cuò)綜復(fù)雜的孔隙網(wǎng)，能有效提高頁巖的滲流能力。
2.4 孔隙分布特征
將PerGeos定量分析所得的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行歸類與篩選后發(fā)現(xiàn)，黔XY 1井龍馬溪組頁巖孔隙分布具有如下特征：
井段1 029.9～1 135.6 m間，面孔率平均為5.63%，其中無機(jī)孔面孔率較大，平均為3.56%；而有機(jī)孔面孔率相對較低，平均為1.76%。隨深度加深，無機(jī)孔面孔率相對降低，而有機(jī)孔面孔率相對升高，且在此范圍內(nèi)黏土礦物在成巖基質(zhì)中所占比重較大，主要發(fā)育較為狹長的孔隙。還有主要為石英的脆性礦物，發(fā)育孔徑較小的納米孔，微孔占比7.2%，介孔92.34%，宏孔0.45%。
井段1 136.4～1 138.5 m間，面孔率平均為7.16%，在此深度范圍內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量升高至13%～25%左右，有機(jī)孔發(fā)育程度在所有井段內(nèi)為最好，平均3.79%，且由于對介孔貢獻(xiàn)最大的黏土礦物在這一深度內(nèi)明顯低于石英含量，因此，在此深度內(nèi)無機(jī)礦物孔占比較低，為3.36%，微孔占比16.65%，介孔82.91%，宏孔0.43%。
井段1 138.9～1 140.4 m間，面孔率平均為5.34%，且由于成巖基質(zhì)中黏土礦物與自生硅質(zhì)占比相當(dāng)，因此既發(fā)育黏土礦物層間孔縫，也發(fā)育自生硅質(zhì)粒間或粒內(nèi)孔以及有機(jī)孔，但在較強(qiáng)的地層壓實(shí)作用及膠結(jié)作用影響下，這一深度范圍內(nèi)的面孔率相對降低，平均為5.34%，且有機(jī)孔占比較低，為1.94%，無機(jī)孔占比3.39%，微孔占比8.02%，介孔92.31%，幾乎不發(fā)育宏孔?？傮w表現(xiàn)出隨深度加深，面孔率逐漸降低，且微孔與介孔所占比重呈上升趨勢，而宏孔所占比重相應(yīng)下降的分布特征。
3 討論
影響頁巖孔隙發(fā)育的因素很多，李鉅源[22]在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用煤油測定法，對泥頁巖樣品進(jìn)行孔隙度測定后，總結(jié)出泥頁巖儲集空間發(fā)育的因素主要有：厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度較高、黃鐵礦較為發(fā)育、發(fā)生熱硫酸鹽還原作用。筆者在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身認(rèn)識，將影響孔隙發(fā)育程度的因素歸納為內(nèi)因和外因：外部因素如沉積環(huán)境、沉積速率、埋藏時(shí)代、埋藏深度、構(gòu)造作用力、異常高壓等；內(nèi)部因素如熱演化程度、礦物組成及其粒度和分選、有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)顯微組分類型等。
黔XY 1井龍馬溪組頁巖孔隙發(fā)育特征與有機(jī)質(zhì)含量、熱演化程度及埋藏深度具有良好的相關(guān)性，因此將這3個(gè)因素作為影響其孔隙發(fā)育的主控因素進(jìn)行重點(diǎn)描述。
3.1 有機(jī)碳含量
唐相路等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w(TOC)<0.9%時(shí)，頁巖中發(fā)育的主要孔隙類型為無機(jī)礦物孔；當(dāng)0.9%
井段1 029.9～1 046.9 m，w(TOC)<1%，有機(jī)質(zhì)含量極低，且?guī)缀醪话l(fā)育孔隙，有機(jī)孔面孔率平均為1.28%，無機(jī)孔面孔率平均為3.27%，微孔占比約4.25%，介孔占比約95%，宏孔占比約0.15%；井段1 122.0～1 135.6 m，w(TOC)介于1.03%～2.06%，有機(jī)質(zhì)含量低、孔隙發(fā)育不良且非均質(zhì)性極強(qiáng)，有機(jī)孔平均面孔率為1.9%，無機(jī)孔平均面孔率為4.07%，微孔占比約8.15%，介孔占比91.3%，宏孔占比0.54%；井段1 136.4～1 139.4 m，w(TOC)介于3%～5.45%，有機(jī)質(zhì)含量在這一井段內(nèi)為最高，有機(jī)質(zhì)面孔率也最高，平均為3.34%，無機(jī)孔面孔率平均為3.4%，微孔占比約14.41%，介孔占比約85.27%，宏孔占比約0.3%；井段1 139.8～1 140.4 m，w(TOC)介于1.15%～2.47%，有機(jī)孔面孔率再次降低，平均為1.36%，無機(jī)孔面孔率3.1%，微孔占比
約8.12%，介孔占比約92.88%，幾乎不發(fā)育宏孔?？傮w而言，隨有機(jī)碳含量的升高，有機(jī)孔面孔率逐漸升高，總面孔率也隨之上升(圖4)。
3.2 有機(jī)質(zhì)熱演化程度
熱演化程度對泥頁巖孔隙的發(fā)育具有積極與消極的影響：一方面，隨著熱演化程度的增加，孔隙度逐漸上升，但當(dāng)Ro>2%后，對孔隙度的影響逐漸減弱；另一方面，對黏土礦物而言，隨Ro升高，蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化率增高，這一過程將導(dǎo)致黏土礦物孔隙的減小[24]。
當(dāng)w(TOC)<1%時(shí)，隨Ro由2.66%升至2.69%，有機(jī)孔面孔率由1.87%降至0.68%，無機(jī)孔面孔率由2.83%升至3.73%，總面孔率由4.69%降至4.41%；當(dāng)1%
3.3 深度與孔隙發(fā)育之間的關(guān)系
隨著埋深的增加，壓實(shí)作用和膠結(jié)作用不斷增強(qiáng)，巖石中孔隙體積由原先的60%～80%下降到小于10%[25]。陳發(fā)景等[26]研究發(fā)現(xiàn)，地層孔隙度在壓實(shí)初期呈現(xiàn)快速減小的趨勢，而到200 m左右深度后，孔隙度減小的速度會變慢。
黔XY 1井1 029.91～1 135.6 m井段，面孔率變化范圍為4.41%～6.64%，平均為5.6%，面孔率整體逐漸升高，但變化緩慢?？紫吨黧w為孔徑相對較大的中孔及宏孔，是由于埋深增加，脆性礦物受到壓力作用而發(fā)生碎裂。此外，部分黏土礦物在溫度、壓力作用下會進(jìn)行彼此間的物質(zhì)交換，從而產(chǎn)生較多無機(jī)孔隙。井段1 136.4～1 138.5 m，面孔率變化范圍為9.45%～6.04%，平均為7.16%。在這一深度范圍內(nèi)，由于有機(jī)質(zhì)含量較高且孔隙發(fā)育良好，使得總面孔率偏高。井段1 138.9～1 140.4 m，面孔率變化范圍為4.12%～6.31%，平均為5.3%?？傮w而言，隨埋藏深度的加深，有機(jī)孔面孔率呈小幅度增加，無機(jī)孔面孔率呈降低趨勢，總面孔率逐漸減小(圖6)。
圖4 貴州遵義黔XY 1井龍馬溪組頁巖面孔率隨有機(jī)碳含量變化關(guān)系
圖5 貴州遵義黔XY 1井龍馬溪組頁巖面孔率隨Ro變化關(guān)系
圖6 貴州遵義黔XY 1井龍馬溪組頁巖面孔率隨深度變化關(guān)系
4 結(jié)論
(1)通過場發(fā)射掃描電鏡與PerGeos數(shù)字巖心分析系統(tǒng)聯(lián)用，對黔XY 1井龍馬溪組頁巖孔隙發(fā)育特征及主控因素進(jìn)行研究，該方法相對經(jīng)濟(jì)有效，并在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)研究方法的缺陷。
(2)黔XY 1井龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)豐度平均為2.71%，有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)成熟度平均為2.471%，處于過成熟階段；發(fā)育的孔隙類型有無機(jī)礦物孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫，隨埋藏深度的變化，有機(jī)質(zhì)孔面孔率與無機(jī)質(zhì)孔面孔率呈現(xiàn)出此消彼長的變化規(guī)律；孔徑大小混雜、分布不一，以微孔及介孔為主。
(3)有機(jī)碳含量對黔XY 1井龍馬溪組頁巖孔隙的發(fā)育具有促進(jìn)作用；Ro與埋藏深度對孔隙的發(fā)育具有促進(jìn)和抑制的雙重作用，且隨Ro升高及埋藏深度的加深，面孔率總體呈下降趨勢。
致謝：感謝“十三五”國家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05034003-006)和中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價(jià)專項(xiàng)(DD20160094-1)提供支持；感謝楊玉茹老師和張聰老師等在論文寫作方面的悉心指導(dǎo)；感謝中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心提供樣品及部分樣品資料；感謝中國地質(zhì)調(diào)查局非常規(guī)油氣地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室給予樣品測試方面的大力支持與幫助；感謝實(shí)驗(yàn)室同僚們的幫助與理解。
