四川盆地海相頁巖儲層微裂縫類型及其對儲層物性影響

汪 虎,何治亮,張永貴,蘇 坤,王濡岳,趙聰會

[1.中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院,北京 100083； 2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083； 3.中國石油 渤海鉆探第一錄井公司,天津300280]

頁巖儲層的主要儲集空間為有機孔、無機孔和天然裂縫[1-4]。有機孔是頁巖儲層中最重要的儲集空間類型,無機孔識別出了粒間殘留孔隙、粒內(nèi)孔隙和各種溶蝕孔隙等類型[1-2],并認為無機孔主要受控于礦物類型、各種成巖作用以及成巖階段等因素[2,5]。在孔隙大小與孔隙結(jié)構(gòu)方面的研究認為頁巖孔隙以小于100 nm的孔隙為主,占總孔隙的90%以上[6],進一步分析表明頁巖儲層微觀類型以中孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)為主[7-8],是比表面積和孔隙體積的主要貢獻者,提供了頁巖中主要的孔隙體積,并控制了游離氣的含量[9]。對頁巖氣天然裂縫系統(tǒng)的描述始于19世紀[10],直到20世紀中期,天然裂縫作為低滲透率油氣儲層流體流動的通道才被重視起來[11]。裂紋或裂隙增加了油氣產(chǎn)量[12],且許多種大型裂縫型油田和裂縫儲層的研究都是和頁巖密切相關的[13-14]。Aplin等編輯了一本關于粘土巖和泥巖孔隙度和流動孔隙度的書,書中介紹了斷層、裂縫及剪切縫做為滲流通道的作用[15]。人工壓裂縫是控制頁巖氣產(chǎn)氣量的一個重要因素,天然裂縫的發(fā)育也很重要[16-18]。

涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊志留系龍馬溪組為深水陸棚沉積，構(gòu)造平緩(地層傾角5°～10°)，斷裂不發(fā)育，埋藏適中(2 250～3 500 m)，微裂縫發(fā)育，含氣量為2～6 m3/t，含氣頁巖厚度平均值為89 m，分布穩(wěn)定；有機質(zhì)豐度平均值為2.54%，鏡質(zhì)體反射率平均值為2.5%；孔隙度平均值為4.61%，以納米級中孔為主；脆性礦物含量平均值為56.53%。其中，下部優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段厚度平均值為40 m，有機質(zhì)豐度平均值為3.03%，孔隙度平均值為4.8%，含氣量平均值為5～6 m3/t，為富有機質(zhì)富含氣頁巖段。氣藏類型為中深層、異常高壓、干氣、頁巖氣藏[3,7,9]。研究樣品采自四川盆地涪陵頁巖氣田JY45井龍馬溪組巖心，以氬離子拋光掃描電鏡技術(shù)、覆壓孔滲及CT掃描實驗為基礎,利用圖像拼接技術(shù)、圖像重構(gòu)及圖像灰度識別和二值化方法,定性描述了頁巖儲層微裂縫的類型,并定性、定量分析了微裂縫對頁巖儲層孔隙度和滲透率影響,推測了微裂縫在地層條件下的開啟狀態(tài)。

1 實驗樣品和測試方法

1.1 微圖像拼接(MAPS)

頁巖微圖像拼接(MAPS)實驗儀器使用的是FEI公司產(chǎn)的Helios 650。在巖石樣品上切下直徑與原始樣品相同,厚度為2～5 mm的子樣,對表面進行氬離子拋光,然后在表面鍍上碳導電膜(厚度為10～20 nm)確保樣品表面導電性。將制備好的樣品放進Helios儀器樣品艙內(nèi),聚焦、選擇背散射圖像模式,選擇合適的電壓、束流值然后設置單張小圖像的大小和掃描區(qū)域的大小,開始掃描。

1.2 CT掃描實驗

CT設備為GE公司的nanotom M型納米焦點工業(yè)CT,其最小體元像素尺寸為0.5 μm,最大樣品直徑為120 mm。將樣品制成立方體形狀,對CT設備進行預熱,并設定基本的電壓、電流等參數(shù)。將樣品固定于樣品臺上并調(diào)節(jié)樣品位置,使之處于射線中心位置,且樣品中心與旋轉(zhuǎn)中心重疊。調(diào)整射線源、樣品和探測器的遠近距離,使之達到最佳狀態(tài)。調(diào)節(jié)電壓、電流、焦點大小、曝光時間和圖像數(shù)量等參數(shù)以獲取最佳圖像。利用重構(gòu)軟件Avizo,將掃描完成的大量二維圖片數(shù)據(jù)進行重構(gòu)。利用圖像分析軟件識別出不同的組分,包括礦物和孔隙。然后利用數(shù)巖科技專利軟件iCore對微觀結(jié)構(gòu)進行定性和定量分析。選取JY45井3 614.3 m深度樣品分2.5,1,0.1 cm三個層次進行不同分辨率的掃描(圖1)。

1.3 灰度識別和二值化

利用灰度分析法進行圖像二值化是針對圖像分割的一種快速有效方法(圖2),也可以用于沉積地質(zhì)領域進行沉積微相邊緣的提取和分割?；叶葓D就是將白與黑中間的顏色等分為若干等級,絕大多數(shù)位256階。圖像的二值化處理就是將圖像上的點的灰度置為0或255,也就是將整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。即將256個亮度等級的灰度圖像通過適當?shù)拈撝颠x取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。本次統(tǒng)計孔隙空間使用的閾值為5,即灰度值在0～5的單元為黑色,大于等于5的單元格統(tǒng)一為白色。

2 頁巖儲層微裂縫類型

泥頁巖內(nèi)部的天然微裂縫能夠極大提高水力壓裂效應的有效性,從而改善泥頁巖的滲流能力,為頁巖氣從基巖孔隙進入井筒提供必要的運移通道[19]?？刂屏芽p形成的因素復雜,從地質(zhì)角度來看,主要受內(nèi)因和外因控制。其中,外因主要包括區(qū)域構(gòu)造應力、構(gòu)造部位、沉積成巖作用和生烴過程中產(chǎn)生的高異常地層壓力，內(nèi)因主要包括巖石、巖相和巖石礦物組成特征[20]。通過巖心和氬離子拋光掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),該地區(qū)主要發(fā)育以下幾種類型的裂縫系統(tǒng)。

圖1 CT掃描樣品取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the sampling for CT scanning

1) 構(gòu)造縫

龍鵬宇等[21]認為構(gòu)造裂縫是頁巖儲層中最常見的裂縫類型,為構(gòu)造應力作用形成,根據(jù)力學性質(zhì)可分為張裂縫和剪裂縫。一般發(fā)育在構(gòu)造應力釋放點附近,規(guī)模較大,通常在鏡下難于觀察到[22]。此種微裂縫多呈鋸齒狀,長度變化大,傾向不固定,傾角最常見為近垂直于層面,產(chǎn)狀變化較大(圖3a)。

2) 有機質(zhì)演化異常壓力縫

有機質(zhì)在演化過程中產(chǎn)生局部異常壓力使巖石破裂而形成的裂縫,有機質(zhì)演化異常壓力縫在有機碳含量較高的炭質(zhì)泥頁巖中普遍發(fā)育。張金功和袁政文[23]認為頁巖儲層中超壓微裂縫是油氣側(cè)向運移的主要通道,可以使頁巖的滲透率超過2×10-3μm2,超過中等儲層滲透率的標準。微裂縫形態(tài)受有機質(zhì)形態(tài)

控制,多呈平直狀,中間寬、兩頭窄、長度變化大,介于10～50 μm,傾向和傾角不固定,縫寬0.1～2 μm。該種裂縫一般縫面不規(guī)則,不成組系,多充填有機質(zhì),發(fā)育在有機質(zhì)與其他礦物邊緣(圖3c)。

3) 成巖收縮縫

指成巖過程中由于巖石收縮體積減小而形成的裂縫。主要成因機制為干縮作用、脫水作用、礦物相變作用或熱力收縮作用[21-23],與構(gòu)造作用無關。微裂縫多呈平直狀,長度小于20 μm,傾向和傾角不固定,縫寬0.01～2 μm。在掃描電鏡下該類裂縫較為常見,連通性好,開度變化大,龍馬溪組底部硅質(zhì)含量高的優(yōu)質(zhì)頁巖段比較常見(圖3f)。

4) 貼?？p

是沿礦物、顆粒或有機質(zhì)界面處形成的裂縫,在五峰組-龍馬溪組底部有機碳含量較高的炭質(zhì)泥巖中普遍發(fā)育[22]。劉偉新等[24]提出了“納米孔儲集、粒緣縫連通、頁理縫滲流”的頁巖氣連通與流動模式。粘土礦物晶間微裂縫主要是成巖作用過程中由粘土礦物的脫水作用形成，包括粘土礦物晶間微裂縫、石英顆粒和方解石顆粒邊緣微裂縫,微裂縫多呈一定弧度,傾向和傾角不固定,縫寬0.01～4 μm。二維背散射高分辨率成像顯示,粘土礦物晶間微裂縫發(fā)育在片狀粘土礦物或橢球狀礦物之間,延伸長度2～100 μm，是很好的儲集空間和運輸通道。石英和方解石顆粒在受力時,邊緣易產(chǎn)生微裂縫。這種微裂縫一般延伸不遠,有利于改善頁巖的孔滲條件,同時也有利于頁巖儲集層的改造壓裂(圖3d,e)。

5) 溶蝕縫

指成巖過程中溶蝕易溶礦物顆粒形成。黃瀟等[25]在陸相頁巖儲層中發(fā)現(xiàn)了大量的溶蝕縫,王同等[26]也在筇竹寺組頁巖儲層中發(fā)現(xiàn)了溶蝕縫,溶蝕縫是提高頁巖儲層孔隙空間的重要因素之一。微裂縫的走向都是近水平方向,形態(tài)近弧形,縫寬0.5～10 μm,延伸長度在5～200 μm。在微裂縫的兩邊會生長簇狀的高嶺石,高嶺石都生長到同一高度。這種微裂縫是頁巖儲層很好的儲集空間和運輸通道,但一般會被方解石后期充填(圖3g—i)。

圖2 灰度識別孔隙空間示意圖Fig.2 Schematic diagram showing the pore space by grayscale recognitiona.頁巖儲層微裂縫樣品鏡下特征；b.圖像灰度分析閾值分割后孔隙分布

圖3 四川盆地龍馬溪組海相頁巖儲層微裂縫類型Fig.3 Microfracture types of marine shale reservoir in the Longmaxi Formation in Sichuan Basina.構(gòu)造縫,JY45井,埋深3 608.2 m；b.頁理縫,JY45井,埋深3 618.4 m；c.有機質(zhì)演化異常壓力縫,JY45井,埋深3 621.1 m；d.貼?？p,JY45井,埋深3 617.6 m；e.貼粒縫,JY45井,埋深3 615.4 m；f.成巖收縮縫,JY45井,3 619.3 m；g.溶蝕縫,JY45井,埋深3 624.6 m；h.溶蝕縫,JY45井,埋深 3 628.2 m；i.溶蝕縫,JY45井,埋深3 627.8 m

6) 層間頁理縫

具有剝離線理的平行層紋理層面間的微裂縫類型,是沉積、構(gòu)造和成巖作用共同作用的結(jié)果[27-28]。此類裂縫極為常見,是影響儲層滲流和后期壓裂的關鍵因素[29]。受外力作用影響,縫寬范圍較大。有些人認為頁理縫開度較小,在地層溫度和壓力條件下,通常認為其沒有張開,為一閉合的界面[22]；也有學者認為構(gòu)造抬升會使頁理縫張開,形成“裂而不破”的狀態(tài)[30]。在地表條件下,鏡下觀察到的頁理縫縫寬0.01～11.1 μm,延伸長度0.01～2.5 cm(圖3b)。

3 頁巖儲層微裂縫對儲層的物性影響

裂縫不僅是油氣的主要儲集空間類型,也是油氣運移的有效滲濾通道。特別是對于頁巖儲層這種致密性儲層,當其發(fā)育足夠的天然裂縫或巖石經(jīng)壓裂改造產(chǎn)生大量裂縫網(wǎng)絡時,頁巖儲層就能成為高效的油氣儲層。裂縫的存在既能增加油氣的儲集空間,又能為油氣和地層水在頁巖儲層中的運移和滲濾提供有效的通道。現(xiàn)階段很多學者都對頁巖天然微裂縫進行了描述,也對裂縫對頁巖儲層儲滲影響進行了一些定性和定量的分析[31-33]。但對天然微裂縫在頁巖儲層中縫網(wǎng)形態(tài)和對物性影響的定量描述較少。

3.1 微裂縫對孔隙儲集性能的影響

利用核磁共振技術(shù)測定五峰組-龍馬溪組頁巖儲層孔隙結(jié)果表明：頁巖儲層主要孔隙為低于100 nm的有機質(zhì)孔隙,微裂縫不是頁巖儲層的主要孔隙[34]。利用多尺度聯(lián)合表征和評價技術(shù)測試焦石壩龍馬溪組頁巖樣品,結(jié)果也顯示頁巖儲層孔隙以100 nm以下中孔和微孔為主,其中10 nm左右孔隙空間體積最大[35]。劉偉新等[24]利用CT掃描重構(gòu)技術(shù)分析了頁巖儲層頁理縫對頁巖儲集性能的影響,認為頁理縫在頁巖儲層中發(fā)育程度高,但是對頁巖儲層孔隙空間貢獻不大,主要作為頁巖儲層滲流通道存在。

本次研究采用CT掃描和重構(gòu)方式測試了3塊頁巖儲層樣品,利用3個不同分辨率尺度進行CT掃描(圖1)：邊長2.5 cm立方體樣品以16微米分辨率進行掃描；邊長1 cm立方體樣品以5 μm分辨率掃描；邊長0.1 cm立方體以600 nm分辨率進行掃描;邊長2.5 cm立方體樣品可以識別兩條層理縫空間,孔徑大于16 μm的大孔隙和層理縫孔隙度0.07%；邊長1 cm立方體樣品識別出大于5 μm孔徑大孔隙和層理縫孔隙度為0.08%；邊長0.1 cm立方體樣品識別出大于600 μm的大孔隙孔隙度為0.03%。同時,層理縫內(nèi)部連通率可以達到78.5%,層理縫和大孔隙基本不連通。由CT測量實驗結(jié)果可以知道：大于600 nm寬度裂縫和大孔隙只占頁巖儲層整體孔隙體積的1～2%,不是主要的儲集空間,只是作為頁巖儲層的滲流通道(表1)。

3.2 微裂縫對頁巖儲層孔隙度的影響

由于上覆地層壓力,頁理縫和貼?？p可能在地下狀態(tài)下是關閉的[22],但溶蝕縫在地層條件下應該是開啟的微裂縫類型,大孔徑的孔縫有利于油氣的集聚與運移[26,36]。此次鏡下觀察在龍馬溪組底部發(fā)現(xiàn)了大量開啟的微裂縫,微裂縫是一個影響頁巖儲層儲集物性特征的重要地質(zhì)因素。那么,微裂縫在地層條件下對頁巖儲層儲集空間的影響有多大？利用MATLAB工具,采用灰度識別的方法,我們定量測試了6組基質(zhì)孔隙+微裂縫的二維孔隙空間占比(圖4，圖5)。圖像大小為2.1 μm×2.5 μm,圖像分辨率為2 nm/網(wǎng)格,整張圖片灰度網(wǎng)格數(shù)量1 312 500個。

表1 CT測量孔隙度與氣體測量孔隙度對比Table 1 CorrelationTable of porosity obtained by CT scanning and by gas measurement

測試結(jié)果表明,圖像中沒有微裂縫樣本的二維孔隙面積占整個圖像面積在0.018～0.025,均值0.02；有微裂縫存在的部分,二維孔隙面積占整個圖像面積在0.025～0.063,均值0.041。這說明微裂縫的存在可以大大提高頁巖儲層的孔隙空間,平均能提高1倍的孔隙空間(表2)。

圖4 四川盆地龍馬溪組海相頁巖儲層基質(zhì)孔隙空間二維分布Fig.4 2D distribution of matrix pore space of marine shale reservoir in the Longmaxi Formation in Sichuan Basin a—f.MAPS采集圖片無微裂縫發(fā)育區(qū)域,JY45井,埋深3 618.4 m(左下角陰影區(qū)為電鏡掃描巖樣圖片,非陰影區(qū)為陰影區(qū)巖樣圖片灰度和二值化處理結(jié)果,黑色對應頁巖儲層孔隙空間,白色為巖石格 架,黑色孔隙空間面積占比統(tǒng)計結(jié)果見表2)

圖5 四川盆地龍馬溪組海相頁巖儲層基質(zhì)+溶蝕縫孔隙空間二維分布Fig.5 2D distribution of matrix and dissolution pores of the marine shale reservoir in the Longmaxi Formation in Sichuan Basin a—f.MAPS采集圖片中見微裂縫發(fā)育區(qū)域,JY45井,埋深3618.4m(左下角陰影區(qū)為電鏡掃描巖樣圖片,非陰影區(qū)為陰影區(qū)巖樣圖片灰度和二值化處理結(jié)果,黑色對應頁巖儲層孔隙空間,白色為巖石格架, 黑色孔隙空間面積占比統(tǒng)計結(jié)果見表2)

3.3 微裂縫對頁巖儲層滲透率的影響

頁巖儲層必須經(jīng)過人工壓裂才能形成工業(yè)氣流并進行工業(yè)生產(chǎn),天然裂縫縫網(wǎng)的存在可以為后期頁巖氣的生產(chǎn)提供持續(xù)的動力[37-38]。本次研究在頁巖儲層中觀察到了很好的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu),縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)主體為微米級的貼粒縫和頁理縫,局部可見一些溶蝕縫組成的溶蝕縫縫網(wǎng)體系。貼粒縫和頁理縫可以組成裂縫網(wǎng)絡,連通頁巖儲層其他孔隙空間(圖6a)；貼?？p也可以作為主要通道形成裂縫網(wǎng)絡,直接連通頁巖儲層各個孔隙空間(圖6b)；溶蝕縫也有一些高角度的微裂縫,可以在局部形成微裂縫網(wǎng)絡,在局部溝通頁巖儲層其他孔隙空間(圖6c)。

表2 四川盆地龍馬溪組海相頁巖儲層孔隙二維空間 占比統(tǒng)計Table 2 StatisticalTable of 2D ratio of the marine shale reservoir in the Longmaxi Formation in Sichuan Basin

為了弄清頁巖儲層微裂縫對儲層滲透率的影響,本次研究還利用滲透率實驗定量測定了19個帶微裂縫頁巖樣品和37個無微裂縫樣品的孔隙度和滲透率(圖7)。帶微裂縫頁巖樣品孔隙度最小值為1.32%,最大值為4.81%,均值為2.69%；滲透率最小值為1.07×10-3μm2,最大值為27.63×10-3μm2,均值為5.6 ×10-3μm2。無微裂縫頁巖樣品孔隙度最小值為0.7%,最大值為8.6%,均值為2.77%；滲透率最小值為0.004×10-3μm2,最大值為0.324×10-3μm2,均值為0.089×10-3μm2。帶微裂縫和不帶微裂縫頁巖樣品孔隙度均值基本沒有差別,有微裂縫樣品滲透率均值是無微裂縫頁巖樣品滲透率均值的62.9倍,可見微裂縫對頁巖儲層滲透率具有很大影響。

3.4 微裂縫地層條件下狀態(tài)

現(xiàn)在的孔滲實驗都是基于常溫常壓條件下進行的,大多數(shù)學者認為裂縫在地層條件下為閉合狀態(tài)[22,27],也有人認為在儲層構(gòu)造抬升的過程中裂縫會張開[30]。關于弄清微裂縫在地下儲層中的真實狀態(tài),本次研究還進行了覆壓實驗調(diào)研和實際操作。前人有效應力只測到25 MPa,現(xiàn)在鉆井深度已經(jīng)向深層發(fā)展,為了更好地應用和指導后期勘探開發(fā)方向,本次研究將壓力加到40 MPa。實驗結(jié)果表明,隨著壓力的增加,頁巖儲層滲透率逐漸減小(圖8a),當有效應力增加到35 MPa以上時微裂縫壓縮比接近0(圖8b),即微裂縫呈閉合狀態(tài)。按照這個有效應力計算,當頁巖儲層埋深達到3 500 m左右時,假如孔隙流體壓力為0 MPa的情況下,地下儲層微裂縫為閉合狀態(tài)。焦石壩頁巖儲層為超壓狀態(tài)[30],可以推測頁巖儲層中微裂縫應為開啟狀態(tài)。

圖6 四川盆地龍馬溪組海相頁巖儲層微裂縫縫網(wǎng)體系Fig.6 Microfracture network system of the marine shale reservoir in the Longmaxi Formation in Sichuan Basina.頁理縫和貼?？p縫網(wǎng)體系,JY45井,埋深3 615.7 m；b.貼?？p縫網(wǎng)體系,JY45井,埋深3 619.4 m； c.區(qū)域溶蝕縫縫網(wǎng)體系,JY45井,埋深3 627.9 m

圖7 四川盆地龍馬溪組海相頁巖儲層基質(zhì)和 裂縫滲透率對比Fig.7 Comparison between matrix andfracture permeability of the marine shale reservoir in the Longmaxi Formation in Sichuan Basin

4 結(jié)論

1) 龍馬溪組海相頁巖儲層微裂縫主要類型有6種：構(gòu)造縫、有機質(zhì)演化異常壓力縫、成巖收縮縫、貼粒縫、溶蝕縫及頁理縫,常見的裂縫類型為貼粒縫、頁理縫及溶蝕縫,溶蝕縫主要分布在龍馬溪組底部。

圖8 四川盆地龍馬溪組海相頁巖儲層有效應力與 微裂縫滲透率關系Fig.8 Correlation between effective stress and microfracture permeability of the marine shale reservoir in the Longmaxi Formation in Sichuan Basina.有效應力大小與滲透性變化關系,樣品取自JY45井,埋深 3 618.4 m；b.有效應力大小與滲透性壓縮比關系

2) 在二維平面上,龍馬溪組海相頁巖儲層寬度為250～600 nm的微裂縫中,微裂縫的孔隙體積能占到整個孔隙體積的50%左右,是一個重要的儲集空間。寬度在600 nm以上微裂縫只占整體孔隙度的1%～2%,在頁巖儲層中以增加滲透率為主。有微裂縫樣品滲透率均值是無微裂縫頁巖樣品滲透率均值的62.9倍,微裂縫對頁巖儲層滲透率具有很大影響。

3) 微裂縫可以形成良好的裂縫網(wǎng)絡,溝通頁巖儲層的各個儲集空間；貼?？p是最主要的縱向連通通道,頁理縫是最主要的橫向連通通道,兩者在空間上可以組合出最好的裂縫網(wǎng)絡通道；貼?？p本身可以組成以貼粒縫為主的微裂縫裂縫網(wǎng)絡通道,溶蝕縫能在局部范圍內(nèi)組成裂縫網(wǎng)絡,增加頁巖儲層連通性。

4) 在地層條件下,頁巖儲層微裂縫在地下3 500 m以淺深度時,應為開啟狀態(tài)?？紤]到頁巖儲層流體異常高壓、沉積作用、構(gòu)造作作用及其他巖石礦物特征,頁巖微裂縫開啟狀態(tài)的深度可以適當增大。