基于熱模擬實(shí)驗(yàn)的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化研究進(jìn)展

劉小平, 李文奇

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249)

泥頁(yè)巖是由黏土礦物、剛性礦物(石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖、云母和黃鐵礦等)和有機(jī)質(zhì)混合而成的細(xì)粒沉積巖,宏觀和微觀上均表現(xiàn)出復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]。泥頁(yè)巖中的油氣含量通常與總有機(jī)碳(TOC)含量成正比,鄒才能[2]將TOC含量大于2%的泥頁(yè)巖定義為富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖是非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)的主要目標(biāo)[3]。作為源儲(chǔ)一體的烴源層系,泥頁(yè)巖層系的儲(chǔ)集空間一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)之一。目前泥頁(yè)巖孔隙空間的研究重點(diǎn)是靜態(tài)表征,即通過(guò)光學(xué)顯微鏡(LM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、原子力顯微鏡(AFM)和X-ray計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)等一系列成像方法和氣體吸附法,高壓壓汞等定量方法測(cè)試孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)以及孔隙發(fā)育控制因素[4-15]。然而,針對(duì)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙的動(dòng)態(tài)演化方面的研究則相對(duì)較少。

中外學(xué)者對(duì)自然演化剖面的泥頁(yè)巖孔隙發(fā)育演化做了一定的研究[16-26],通過(guò)采集不同埋藏深度的泥頁(yè)巖樣品分析不同演化階段孔隙空間的特征,總結(jié)孔隙演化的影響因素并揭示其演化規(guī)律。Mastalerz等[17]通過(guò)對(duì)一系列熱成熟度不同的New Albany富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙特征分析發(fā)現(xiàn),隨著熱成熟度升高富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙總孔體積下降明顯,孔體積的變化的同時(shí)不同孔徑的占比也發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整,其原因在于熱成熟度、礦物組成以及有機(jī)質(zhì)含量等因素的影響。但是不同演化程度泥頁(yè)巖樣品所處的埋藏深度不同,其所經(jīng)歷的成巖作用以及成巖后經(jīng)歷的地質(zhì)作用也不盡相同,沉積環(huán)境的差異決定了有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來(lái)源和無(wú)機(jī)礦物來(lái)源的差異,這些因素的影響造成了泥頁(yè)巖在有機(jī)質(zhì),無(wú)機(jī)礦物以及構(gòu)造作用方面具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性[27]。

熱模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行У亟鉀Q泥頁(yè)巖樣品非均質(zhì)性強(qiáng)的問(wèn)題, 其可單獨(dú)控制頁(yè)巖樣品的成分、靜巖壓力、體系的開放性、含水性等因素[28],實(shí)現(xiàn)對(duì)同一泥頁(yè)巖樣品孔隙全演化過(guò)程的研究。前人做過(guò)大量研究表明[29-40],熱模擬實(shí)驗(yàn)已成為研究泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔隙演化規(guī)律的重要手段之一,許多學(xué)者已經(jīng)通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)得出泥頁(yè)巖孔隙演化的相關(guān)規(guī)律。胡海燕[30]對(duì)Woodford富有機(jī)質(zhì)未熟頁(yè)巖開展高溫?zé)崮M的實(shí)驗(yàn),并對(duì)得到的不同成熟階段的頁(yè)巖樣品研究發(fā)現(xiàn),隨著成熟度升高富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖納米孔隙數(shù)量增加,孔隙度隨著熱成熟度增高而增加,這與基質(zhì)孔隙度的演化規(guī)律完全不同。此后,學(xué)者們應(yīng)用熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合掃描電鏡等成像方法和孔隙結(jié)構(gòu)定量表征方法對(duì)泥頁(yè)巖孔隙演化進(jìn)行了更深入的研究和探討。盡管熱模擬實(shí)驗(yàn)解決了泥頁(yè)巖樣品非均質(zhì)性的問(wèn)題,但熱模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于泥頁(yè)巖孔隙演化的研究仍處在探索發(fā)展階段,在樣品制備,實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定等方面還存在諸多問(wèn)題和限制因素,因此泥頁(yè)巖孔隙演化的研究仍是一個(gè)科學(xué)難題。本文主要對(duì)熱模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用進(jìn)展、富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化特征、富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙控制因素和演化模式進(jìn)行綜述,旨在深化對(duì)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化的認(rèn)識(shí),明確泥頁(yè)巖孔隙演化對(duì)頁(yè)巖油滯留聚集的影響,為頁(yè)巖油的賦存和運(yùn)移特征研究提供重要的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 熱模擬實(shí)驗(yàn)在泥頁(yè)巖孔隙演化中的研究現(xiàn)狀

實(shí)際地質(zhì)條件下的有機(jī)質(zhì)熱演化是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)低溫的地質(zhì)過(guò)程。自從Connan[41]、Waples[42]、Tissot等[43]提出有機(jī)質(zhì)的熱演化存在著溫度對(duì)時(shí)間的補(bǔ)償效應(yīng)后,一系列通過(guò)快速升溫方式的熱模擬實(shí)驗(yàn)方法開始應(yīng)用于有機(jī)質(zhì)熱演化生烴的模擬研究中。熱模擬實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展廣泛應(yīng)用于油氣資源評(píng)價(jià)[44-49]、油氣源對(duì)比及油氣生成動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域[50-54]的研究。有機(jī)孔的演化與油氣生成、生烴增壓、賦存狀態(tài)的轉(zhuǎn)變及排出密切相關(guān),結(jié)合掃描電鏡,氣體吸附和高壓壓汞等實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段熱模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于泥頁(yè)巖孔隙演化的研究[55-58]。

熱模擬實(shí)驗(yàn)按照體系的封閉性程度可以分為開放體系、封閉體系和半封閉(半開放)體系(圖1)[59]?；趯?shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)條件方面的差異,不同的實(shí)驗(yàn)體系有各自的特點(diǎn)(表1)[60]。開放體系典型實(shí)驗(yàn)儀器有Rock-Eval熱解儀和PY-GC熱解氣相色譜儀,封閉體系則主要以黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)為代表。這兩種體系是實(shí)驗(yàn)體系封閉性的兩個(gè)極端代表,開放體系熱模擬實(shí)驗(yàn)熱解產(chǎn)物隨產(chǎn)隨排,沒(méi)有考慮到產(chǎn)物進(jìn)一步二次裂解的情況；封閉體系中熱解產(chǎn)物初次生成后滯留于實(shí)驗(yàn)裝置中繼續(xù)參與反應(yīng),其熱解程度比較徹底；但是,在實(shí)際地質(zhì)條件下烴源巖有機(jī)質(zhì)生排烴過(guò)程既不是處在絕對(duì)開放的沉積環(huán)境也不是絕對(duì)封閉的沉積環(huán)境,部分烴類產(chǎn)物排出而部分產(chǎn)物滯留在烴源巖中繼續(xù)裂解。對(duì)于泥頁(yè)巖孔隙演化來(lái)說(shuō),熱模擬實(shí)驗(yàn)體系的設(shè)計(jì)越接近真實(shí)地質(zhì)體的環(huán)境,實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果越接近孔隙演化的真實(shí)過(guò)程。Guo等[61]在封閉和半封閉兩種不同實(shí)驗(yàn)體系條件下研究延長(zhǎng)組Ⅱ型干酪根陸相烴源巖發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)熱演化程度,碳損失和總孔隙度在兩種實(shí)驗(yàn)體系中表現(xiàn)出顯著區(qū)別,相比封閉體系,半封閉體系有機(jī)質(zhì)熱演化相對(duì)較慢,尤其體現(xiàn)在瀝青的二次裂解過(guò)程；半封閉體系下有機(jī)質(zhì)的碳損失更高,說(shuō)明半封閉體系下有機(jī)質(zhì)生排烴效率更高；此外,半封閉實(shí)驗(yàn)體系總孔體積在生油窗后有明顯增長(zhǎng),而封閉體系孔體積增加有限。這些差別主要是與有機(jī)質(zhì)初次裂解排出液態(tài)烴和殘留瀝青二次裂解過(guò)程有關(guān),實(shí)驗(yàn)體系的差別決定了有機(jī)質(zhì)和孔隙演化上的差異,半封閉半開放實(shí)驗(yàn)體系的設(shè)計(jì)是更接近地下真實(shí)的地質(zhì)過(guò)程,更適用于孔隙演化的研究(圖2)。

圖1 三種熱模擬實(shí)驗(yàn)體系示意圖(文獻(xiàn)[60]修改)Fig.1 Schematic diagram of three thermal simulation experimental systems (modified from ref.[60])

表1 現(xiàn)有的生排烴模擬實(shí)驗(yàn)儀器與方法(據(jù)文獻(xiàn)[60])Table 1 Current simulation experiment instrument and methods of hydrocarbon generation and explusion (according to ref.[60])

前人做過(guò)的一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí),鏡質(zhì)體反射率(Ro)與熱模擬溫度呈線性相關(guān),在熱模擬實(shí)驗(yàn)中一般參考溫度與Ro的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)設(shè)置溫度點(diǎn)模擬有機(jī)質(zhì)演化的各個(gè)階段。如圖3所示,不同干酪根類型泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化變化速率不同,下馬嶺組海相泥頁(yè)巖Ⅱ型干酪根演化速率大于Ⅰ型干酪根；同為陸相Ⅱ型干酪根的不同盆地的泥頁(yè)巖演化速率不盡相同,Ⅲ型干酪根泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)演化速率最慢。不同沉積環(huán)境相同干酪根類型泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)演化速率不同,下馬嶺組海相泥頁(yè)巖Ⅱ型干酪根要高于鄂爾多斯盆地Ⅱ型干酪根。此外,不同學(xué)者對(duì)熱模擬溫度點(diǎn)的設(shè)定也有所區(qū)別。目前在溫度點(diǎn)的設(shè)定上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn),這與泥頁(yè)巖樣品的沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來(lái)源等控制因素有關(guān)。學(xué)者們一般按照自己的主觀研究目的和演化階段劃分方案設(shè)定[29, 55-56, 62-63]。

圖2 半封閉半開放實(shí)驗(yàn)體系示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[38]修改)Fig.2 Schematic diagram of semi closed experiment system (modified from ref.[38])

圖3 模擬溫度與實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率關(guān)系[36, 55-56, 62]Fig.3 Relationship between simulated temperature and measured vitrinite reflectance[36, 55-56, 62]

2 熱模擬實(shí)驗(yàn)中孔隙演化特征

目前許多學(xué)者通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)研究富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化中的規(guī)律,但研究大多基于具體盆地泥頁(yè)巖樣品條件下,并且重點(diǎn)關(guān)注成熟和高成熟階段孔隙演化的變化規(guī)律,總結(jié)概述了富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖全階段孔隙演化特征,以期呈現(xiàn)出完整的孔隙演化模式(掃描電鏡圖片見圖4)。

圖4 熱模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中泥頁(yè)巖樣品孔隙演化特征(據(jù)文獻(xiàn)[56]修改)Fig.4 Pore evolution characteristics of shale samples in thermal simulation experiment (modified from ref.[56])

2.1 有機(jī)孔演化

有機(jī)孔的演化主要受有機(jī)質(zhì)生烴作用的控制,其占據(jù)著富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化的主體地位。

2.1.1 低熟-成熟階段有機(jī)孔演化特征

在低熟-成熟階段,隨著熱模擬溫度的升高,有機(jī)質(zhì)開始生烴,氣泡狀有機(jī)孔零星分布于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部,可見有機(jī)質(zhì)邊緣發(fā)育收縮縫[63],有機(jī)孔此時(shí)以邊緣收縮縫為主[37]。低熟階段較低溫度和壓實(shí)作用壓力的制約導(dǎo)致有機(jī)孔增長(zhǎng)緩慢,比表面積相對(duì)較低,有機(jī)孔呈緩慢增加的趨勢(shì)。熱模擬溫度不斷升高,有機(jī)質(zhì)進(jìn)入生油窗,開始大量生烴,頁(yè)巖比表面積和總孔隙度呈快速上升趨勢(shì),指示隨著液態(tài)烴類的生成和排出,有機(jī)質(zhì)體積縮減,大量微孔、中孔在有機(jī)質(zhì)中生成,此時(shí)中孔和大孔體積控制著絕大部分的總孔隙體積,其中大部分中孔為有機(jī)孔。到了生油高峰階段,由于干酪根裂解生成的瀝青質(zhì)液態(tài)烴類被干酪根骨架吸附并溶解,導(dǎo)致大量新生成的有機(jī)孔被填充[55-56],大量學(xué)者對(duì)抽提前后的熱模擬泥頁(yè)巖樣品對(duì)比發(fā)現(xiàn),抽提后泥頁(yè)巖的微孔,中孔體積顯著增加[38, 55, 64-65],證明了成熟階段頁(yè)巖中存在大量瀝青質(zhì)液態(tài)烴類和滯留油充填于有機(jī)質(zhì)中,造成有機(jī)質(zhì)膨脹,導(dǎo)致有機(jī)孔體積顯著降低?？傮w上,在低熟-成熟階段有機(jī)孔呈緩慢增加,迅速增加隨后顯著下降的三段式演化趨勢(shì)。

2.1.2 高-過(guò)成熟階段有機(jī)孔演化特征

在高成熟階段,有機(jī)質(zhì)進(jìn)入生氣階段,早期干酪根二次裂解生成大量氣態(tài)烴導(dǎo)致大量氣泡狀有機(jī)孔在有機(jī)質(zhì)中形成,氣泡狀有機(jī)孔成為主要的有機(jī)孔類型[37],在Ro約為1.71%有機(jī)孔體積達(dá)到峰值說(shuō)明有機(jī)孔體積在這個(gè)階段呈上升趨勢(shì),同時(shí)暗示干酪根二次裂解過(guò)程基本結(jié)束?？紫断到y(tǒng)呈現(xiàn)從中孔,大孔控制向中孔,小孔控制的轉(zhuǎn)化趨勢(shì)[37],這主要是有機(jī)質(zhì)生烴作用的貢獻(xiàn),雖然微孔占總孔體積的10%左右,但微孔貢獻(xiàn)著絕大部分的孔隙比表面積,說(shuō)明微孔大量存在。另外,微孔同時(shí)也是頁(yè)巖氣重要的儲(chǔ)存場(chǎng)所[19]。熱裂解生濕氣后期則以滯留油裂解生氣為主,熱模擬溫度的進(jìn)一步升高,進(jìn)入過(guò)成熟階段生成的氣態(tài)烴并最終形成甲烷,而殘余干酪根釋放出甲烷后縮聚形成固體瀝青。在高成熟-過(guò)成熟前期階段(Ro=1.7%～2.5%),有機(jī)質(zhì)生烴作用逐漸停止,有機(jī)孔體積在達(dá)到峰值后基本保持不變,盡管殘余干酪根聚合形成固體瀝青會(huì)產(chǎn)生部分微孔[36],對(duì)有機(jī)孔體積的影響可忽略不計(jì)。另外,此時(shí)泥頁(yè)巖基本處于晚成巖作用階段,巖石的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性都大幅增強(qiáng),因此壓實(shí)作用對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響不顯著[55]。由于熱模擬實(shí)驗(yàn)條件的限制,大部分學(xué)者熱模擬實(shí)驗(yàn)最高溫度點(diǎn)的設(shè)置在650 ℃,對(duì)應(yīng)Ro約為2.5%[56],熱模擬實(shí)驗(yàn)中過(guò)成熟階段完整的孔隙演化過(guò)程需要進(jìn)一步的研究。

有機(jī)孔孔體積在熱模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中呈現(xiàn)出先上升后趨于平緩的趨勢(shì),在生油窗后期到生氣階段,有機(jī)孔體積占據(jù)著50%左右的總孔體積[37],證明有機(jī)孔是頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙空間的重要組成部分,也是頁(yè)巖氣賦存的主要場(chǎng)所。另外,在對(duì)有機(jī)孔的研究中側(cè)面反映出無(wú)機(jī)孔在頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)中同樣占據(jù)著同樣重要的地位,但目前對(duì)無(wú)機(jī)孔演化的研究尚在起步階段。

2.2 無(wú)機(jī)孔演化

無(wú)機(jī)孔的演化主要包括原生礦物基質(zhì)孔的演化和次生無(wú)機(jī)孔的演化,原生礦物基質(zhì)孔的演化主要受到壓實(shí)作用,有機(jī)質(zhì)生烴作用等因素的影響；而次生無(wú)機(jī)孔則主要受到有機(jī)質(zhì)生烴作用,黏土礦物轉(zhuǎn)化以及壓實(shí)作用的影響。Chen等[36]應(yīng)用無(wú)水熱模擬實(shí)驗(yàn)在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下研究富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖和貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖(TOC含量為0.18%)孔隙結(jié)構(gòu)的演化,基本上排除了有機(jī)質(zhì)生烴作用的影響,發(fā)現(xiàn)微孔、中孔在熱演化過(guò)程中呈單調(diào)遞減的趨勢(shì),說(shuō)明了壓實(shí)作用仍是無(wú)機(jī)孔演化過(guò)程中的主要控制因素。

2.2.1 原生礦物基質(zhì)孔演化

未熟階段,頁(yè)巖孔隙系統(tǒng)以原生礦物基質(zhì)孔為主,礦物粒間孔,粒內(nèi)孔廣泛發(fā)育,中孔和大孔占據(jù)著90%以上的總孔體積[37, 56],其中大孔占據(jù)著熱模擬原始樣品50%以上的孔隙體積,大部分為礦物基質(zhì)孔。隨著埋藏深度的增加,壓實(shí)作用導(dǎo)致礦物顆粒間距減小,塑性的有機(jī)質(zhì)被擠壓進(jìn)入礦物粒間孔隙,導(dǎo)致原生礦物粒間孔大幅減小[16]。成熟-高成熟階段,壓實(shí)作用繼續(xù)控制著原生礦物基質(zhì)孔的減少,有機(jī)質(zhì)生烴作用間接地影響著原生礦物基質(zhì)孔的演化,在生油階段生成的液態(tài)瀝青質(zhì)烴類充填于原生礦物基質(zhì)孔隙中加劇了原生礦物基質(zhì)孔的減少[33-34],但到高成熟生氣階段,氣體生成產(chǎn)生的超壓可以一定程度上減緩壓實(shí)作用的影響,原生礦物基質(zhì)孔下降速度變慢,同時(shí)在生油窗階段充填在原生礦物基質(zhì)孔中的瀝青和滯留油二次裂解生氣導(dǎo)致原生礦物粒間孔,粒內(nèi)孔體積有一定恢復(fù)[33-34]。進(jìn)入過(guò)成熟階段,深部埋藏上覆壓力導(dǎo)致殘余的原生礦物基質(zhì)孔,繼續(xù)減少?？傮w上,原生礦物基質(zhì)孔在熱演化過(guò)程中呈快速下降到緩慢下降的二段式下降趨勢(shì)。

2.2.2 次生無(wú)機(jī)孔演化

次生無(wú)機(jī)孔在本文中指黏土礦物轉(zhuǎn)化形成的孔隙和有機(jī)酸溶蝕脆性礦物形成的孔隙。次生無(wú)機(jī)孔演化主要發(fā)生在成熟-高成熟階段,隨著熱模擬溫度的升高,在350～450 ℃,黏土礦物演化主要表現(xiàn)為高嶺石向伊利石和伊/蒙(I/S) 混層的轉(zhuǎn)化[66],在有機(jī)質(zhì)生烴之前,黏土礦物轉(zhuǎn)化緩慢,有機(jī)質(zhì)大量生烴的同時(shí)黏土礦物轉(zhuǎn)化速率加快,黏土礦物轉(zhuǎn)化成因孔隙大量生成。另外,有機(jī)質(zhì)生烴排出大量有機(jī)酸,鉀長(zhǎng)石、方解石等不穩(wěn)定脆性礦物被溶蝕形成溶蝕孔,鉀離子的釋放結(jié)合相對(duì)高的溫度和壓力,進(jìn)一步促進(jìn)了蒙脫石和伊蒙混層向伊利石的轉(zhuǎn)化[55],在轉(zhuǎn)化過(guò)程中黏土礦物脫水體積縮小形成大量黏土礦物層間孔,同時(shí)隨著熱模擬溫度升高黏土礦物的粒內(nèi)孔尺寸逐漸增加,黏土轉(zhuǎn)化成因次生無(wú)機(jī)孔占據(jù)著次生無(wú)機(jī)孔的主體地位。盡管有機(jī)質(zhì)生烴排出的大量有機(jī)酸產(chǎn)生溶蝕孔,郭秋麟等[18]認(rèn)為有機(jī)酸溶蝕成因次生無(wú)機(jī)孔對(duì)總孔隙度影響不大,原因可能在于有機(jī)酸溶蝕作用釋放出的鉀離子促進(jìn)了伊利石化作用,生成的伊利石反而堵塞了喉道[67]。過(guò)成熟階段,隨著有機(jī)質(zhì)生烴作用基本停止,流體環(huán)境相對(duì)保持穩(wěn)定,黏土礦物轉(zhuǎn)化也接近尾聲,無(wú)機(jī)孔演化趨于穩(wěn)定[55-56]。次生無(wú)機(jī)孔體積總體呈先緩慢增加,迅速增加,趨于平緩的演化過(guò)程。

圖5 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化模式圖(據(jù)文獻(xiàn)[17，38]修改)Fig.5 Pore evolution pattern of organic-rich shale (modified from ref.[17,38])

3 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化控制因素

富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的孔隙演化是有機(jī)質(zhì)和礦物在高溫高壓條件及流體等多因素長(zhǎng)時(shí)間共同作用的結(jié)果,其主要受有機(jī)質(zhì)生烴機(jī)制[29, 33-34, 37, 56, 63, 68]和成巖[55-56, 69]機(jī)制雙重控制。中外學(xué)者對(duì)于泥頁(yè)巖孔隙演化的控制因素[5, 17, 55-56, 70]從有機(jī)質(zhì)熱成熟度、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度、礦物類型和含量、壓實(shí)作用程度等多個(gè)方面進(jìn)行了探討。本文則是基于熱模擬實(shí)驗(yàn)的前提,討論總結(jié)了富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化的控制因素,主要包括有機(jī)質(zhì)生烴作用[29, 33-34, 55-56, 68, 71]、礦物轉(zhuǎn)化[29, 55-56, 69]和壓實(shí)作用[55-56, 69, 72-73]三個(gè)方面(圖5)。

3.1 有機(jī)質(zhì)生烴作用

有機(jī)質(zhì)主要通過(guò)干酪根熱解產(chǎn)生液態(tài)烴和氣態(tài)烴,通過(guò)液態(tài)烴裂解產(chǎn)生氣態(tài)烴,以及通過(guò)干酪根縮聚形成固態(tài)瀝青三種方式完成轉(zhuǎn)化[56, 74-75]。在有機(jī)質(zhì)生烴轉(zhuǎn)化的這一系列過(guò)程中,由于有機(jī)質(zhì)生排烴,有機(jī)質(zhì)的體積發(fā)生改變,因此在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部形成有機(jī)孔[29, 36, 55]。同時(shí)有機(jī)質(zhì)的生排烴過(guò)程中有機(jī)質(zhì)收縮會(huì)導(dǎo)致在有機(jī)質(zhì)與礦物交界處形成孔隙[29, 32],生成的有機(jī)酸可以溶蝕長(zhǎng)石和黏土礦物等不穩(wěn)定礦物生成次生孔隙[55-56]。有機(jī)質(zhì)生烴作用控制著有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程,進(jìn)而控制著泥頁(yè)巖孔隙演化的過(guò)程(尤其是有機(jī)孔的演化)。

其中有機(jī)質(zhì)熱成熟度作為衡量有機(jī)質(zhì)演化程度的標(biāo)志,在泥頁(yè)巖孔隙演化中扮演著重要的角色。熱演化程度定義了有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的不同階段[76],并且可以在很大程度上影響有機(jī)質(zhì)的特征[43],從而影響著有機(jī)孔的發(fā)育演化[33]。有機(jī)孔的大小和形狀的變化取決于有機(jī)質(zhì)的連續(xù)轉(zhuǎn)化過(guò)程,并且與有機(jī)質(zhì)熱演化生烴的產(chǎn)物(瀝青,前油固態(tài)瀝青,油,氣,焦瀝青和焦炭)聯(lián)系緊密[34]。

此外,有機(jī)質(zhì)類型是影響有機(jī)質(zhì)生烴作用的重要因素。不同有機(jī)質(zhì)顯微組分在化學(xué)組成、生烴動(dòng)力學(xué)和活化能分布上的差異會(huì)造成生烴和孔隙演化的過(guò)程上的差異。Ko等[33-34]通過(guò)黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合SEM觀測(cè)對(duì)比分析了EagleFord泥頁(yè)巖、Barnett泥頁(yè)巖和Woodford泥頁(yè)巖中孔隙發(fā)育演化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)EagleFord泥頁(yè)巖和Barnett泥頁(yè)巖的孔隙演化過(guò)程相似,但Woodford泥頁(yè)巖的孔隙演化過(guò)程與前二者有明顯區(qū)別,原因在于富藻Ⅱ型干酪根的富集程度不同,富藻Ⅱ型干酪根相比于典型Ⅱ型干酪根活化能分布更狹窄、活化能也更高,因此II型有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和生油過(guò)程延后且有縮短,導(dǎo)致了Woodford泥頁(yè)巖在孔隙演化模式上的差異。

3.2 礦物轉(zhuǎn)化

泥頁(yè)巖的礦物組成主要可以分成黏土礦物和剛性礦物兩大類。剛性礦物主要由石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖、云母和黃鐵礦等礦物組成。剛性礦物的存在對(duì)于孔隙演化起到了積極的促進(jìn)作用。一方面在埋藏早期剛性礦物的存在有利于原生孔隙空間的保存,使其免于壓實(shí)作用的影響[5, 77]；另一方面在有機(jī)質(zhì)生烴過(guò)程中有機(jī)酸會(huì)溶解石英和長(zhǎng)石形成次生孔隙[56]。黏土礦物主要由高嶺石、綠泥石、伊利石和伊利石/蒙脫石(I/S)等礦物組成。在早成巖階段高嶺石主要以定向排列或混雜堆積存在于粒間孔。綠泥石主要存在于粒內(nèi)孔,其存在會(huì)導(dǎo)致孔隙尺寸的減小同時(shí)阻塞孔隙喉道[56,78],但同時(shí)綠泥石的存在也會(huì)抑制其他礦物的生長(zhǎng)從而保存了孔隙,所以總起來(lái)說(shuō)綠泥石對(duì)孔隙發(fā)育的抑制作用是有限的[78]。黏土礦物與有機(jī)質(zhì)聯(lián)系緊密,在埋藏成巖階段隨著有機(jī)質(zhì)生烴作用的進(jìn)行,黏土礦物也發(fā)生轉(zhuǎn)化,以高嶺石向伊利石的轉(zhuǎn)化和伊蒙混層中蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化為主。吳松濤等通過(guò)對(duì)Ⅱ型干酪根陸相泥頁(yè)巖進(jìn)行溫壓熱模擬研究發(fā)現(xiàn)350 ℃(Ro=1.5%)是黏土礦物轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵溫度點(diǎn),溫度超過(guò)350 ℃黏土礦物孔隙變化不明顯。據(jù)Wang等[56]的研究表明Ⅲ型干酪根陸相泥頁(yè)巖的礦物開始快速轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)條件為熱模擬溫度超過(guò)550 ℃,Ro超過(guò)1.63%。上述研究表明黏土礦物轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在生油窗后半段。伊蒙混層作為最常見的自生黏土礦物代表著高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物。高嶺石的伊利石化作用會(huì)促進(jìn)有機(jī)酸溶蝕長(zhǎng)石從而有助于次生孔隙的形成。另外,由于脫水作用伊蒙混層中的蒙脫石收縮,有助于收縮縫的形成[79]。

3.3 壓實(shí)作用

在早期成巖作用階段,壓實(shí)作用會(huì)導(dǎo)致新沉積沉積物的孔隙度從大于80%迅速降低至接近20%[73],此時(shí)孔隙演化的控制因素以壓實(shí)作用為主[5, 17, 72]。在熱模擬實(shí)驗(yàn)中壓實(shí)作用同樣也是重要的控制因素,初始實(shí)驗(yàn)壓力通常是基于泥頁(yè)巖樣品埋藏深度的條件下設(shè)定,各溫度點(diǎn)壓力基于實(shí)際盆地埋藏史條件設(shè)定。另外,不同孔徑的孔隙受壓實(shí)作用影響也不同,大孔比中孔和微孔更容易受到壓實(shí)作用的影響[72]。

總體上壓實(shí)作用控制了早成巖階段泥頁(yè)巖孔隙演化,有機(jī)質(zhì)生烴演化作用和礦物的轉(zhuǎn)化(特別是黏土礦物的轉(zhuǎn)化)控制了埋藏成巖階段孔隙的演化。吳松濤等[29]通過(guò)高溫高壓熱模擬實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論認(rèn)為有機(jī)質(zhì)熱演化貢獻(xiàn)最大,黏土礦物轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)次之,脆性礦物轉(zhuǎn)化貢獻(xiàn)最小,三者比例大致為6∶3∶1。

4 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化模式

目前基于實(shí)驗(yàn)方法選擇組合和主觀認(rèn)識(shí)的不同,關(guān)于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化模型有多種劃分方案。依據(jù)有機(jī)質(zhì)生烴作用和相關(guān)因素的組合孔隙演化模型有如下幾種。

4.1 有機(jī)質(zhì)生烴作用與油氣生成階段組合的演化模型

Ko等[33-34]提出了將有機(jī)質(zhì)生油氣階段及其對(duì)應(yīng)的孔隙發(fā)育特征結(jié)合的方式來(lái)分析礦物基質(zhì)孔和有機(jī)質(zhì)孔演化規(guī)律,將孔隙演化過(guò)程分成淺埋藏和早成巖、生瀝青、生油早期、生油窗、生油高峰以及生氣階段六個(gè)階段。在淺埋藏和早成巖階段,礦物基質(zhì)孔網(wǎng)絡(luò)主要由原始粒間和粒內(nèi)孔組成,形成于前油瀝青或液態(tài)烴生成和運(yùn)移前,在瀝青和油生成階段,可動(dòng)瀝青或油運(yùn)移進(jìn)入礦物基質(zhì)孔,并在礦物顆粒邊緣形成等厚環(huán)邊,隨著進(jìn)入礦物基質(zhì)孔的瀝青和油的增大,殘留的礦物基質(zhì)孔不斷減小甚至消失,孔隙形態(tài)由開始的類似于礦物顆粒邊緣特征到次圓狀到最終消失；隨后進(jìn)入生氣階段,原油或可動(dòng)瀝青裂解成氣,并產(chǎn)生大量海綿狀孔隙,殘留少量未被固態(tài)瀝青充填的礦物基質(zhì)孔。

4.2 有機(jī)質(zhì)生烴作用與成巖作用組合的演化模型

Guo等[69]根據(jù)有機(jī)質(zhì)生烴作用與成巖作用組合的劃分依據(jù)建立了孔隙演化模型,將孔隙演化過(guò)程劃分為早成巖階段(Ro<0.6%),中成巖A階段(0.6%2.5%)四個(gè)階段。早成巖階段壓實(shí)作用導(dǎo)致中孔,大孔數(shù)量銳減；中成巖A階段由于有機(jī)質(zhì)初次裂解和固體瀝青的存在導(dǎo)致了孔隙度與比表面積的減少；中成巖B階段由于高嶺石迅速轉(zhuǎn)化成伊利石和伊蒙混層,固體瀝青和干酪根裂解生成大量甲烷和重?zé)N氣,孔隙度增加。晚成巖階段受干酪根二次裂解和伊利石,伊蒙混層的影響,孔隙度與比表面積呈增加趨勢(shì)。

4.3 有機(jī)質(zhì)生烴作用與全孔徑演化組合的演化模型

Chen等[36]通過(guò)無(wú)水熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合低壓氮?dú)夂投趸嘉綄?shí)驗(yàn)分析了不同有機(jī)質(zhì)含量的頁(yè)巖在熱演化過(guò)程中的納米孔隙結(jié)構(gòu)演化特征,基于熱演化過(guò)程中微孔、中孔的演化趨勢(shì)結(jié)合熱成熟度Ro建立了孔隙演化模式。Wang等[56]通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)與低壓CO2吸附,低壓N2吸附和MIP(mercury instrusion porosimentry)高壓壓汞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)以III型干酪根為主頁(yè)巖孔隙在熱演化過(guò)程中的全孔徑動(dòng)態(tài)表征,結(jié)合孔隙演化控制因素綜合建立了富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化模式。

5 問(wèn)題與展望

富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化是有機(jī)質(zhì)、礦物、溫度、壓力及流體等多因素長(zhǎng)時(shí)間共同作用的結(jié)果,雖然熱模擬模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖樣品全孔隙演化階段的研究,但孔隙演化的研究不夠系統(tǒng),仍存在一系列問(wèn)題尚待解決,這些存在的問(wèn)題也正是該領(lǐng)域未來(lái)需要關(guān)注和解決的重點(diǎn)。

(1)泥頁(yè)巖樣品在熱模擬實(shí)驗(yàn)高溫高壓條件下易碎裂,造成氬離子拋光處理泥頁(yè)巖樣品過(guò)程中的困難,制約了掃描電鏡下對(duì)孔隙空間的觀察。

(2)模擬成巖環(huán)境與地下真實(shí)儲(chǔ)集層演化條件的差異,首先是在熱模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度上升速度較快,這與地下實(shí)際漫長(zhǎng)的地史時(shí)間仍有較大差別。另外,地層壓力隨著埋藏深度的加深而發(fā)生變化,而熱模擬實(shí)驗(yàn)一般是先設(shè)定好壓力再進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)壓力條件設(shè)置相對(duì)單一,不能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的精細(xì)控制,實(shí)驗(yàn)未考慮地層流體的作用,不同的流體條件會(huì)對(duì)礦物演化產(chǎn)生重要影響。綜上所述,熱模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件與頁(yè)巖在地下的真實(shí)演化仍有較大出入。建議結(jié)合盆地埋藏史,熱史更精細(xì)地設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件,讓熱模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境更接近地下真實(shí)情況。

(3)熱模擬實(shí)驗(yàn)成本較高,導(dǎo)致其不能大量開展,因此熱模擬實(shí)驗(yàn)樣品較少,測(cè)試得到的孔隙相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)也較少,導(dǎo)致對(duì)孔隙演化的研究不夠系統(tǒng)。

(4)大部分學(xué)者研究富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙演化一般選擇以有機(jī)質(zhì)生烴階段來(lái)劃分孔隙演化階段,但是有機(jī)質(zhì)生烴階段與孔隙演化階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不是很好,特別是在孔隙演化的早期,孔隙演化主要受到成巖壓實(shí)作用的控制。如何對(duì)孔隙演化階段進(jìn)行劃分應(yīng)該是孔隙演化研究工作中關(guān)注的重點(diǎn)之一。