高成熟度海相頁巖中孔隙水的分布和賦存相態(tài)——基于實取頁巖孔隙水含量的理論計算模型

程 鵬, 吳 偉, 高海濤, 羅 超, 劉燊陽, 田 輝

高成熟度海相頁巖中孔隙水的分布和賦存相態(tài)——基于實取頁巖孔隙水含量的理論計算模型

程 鵬1, 2*, 吳 偉3, 高海濤1, 2, 羅 超3, 劉燊陽3, 田 輝1, 2

(1. 中國科學院 廣州地球化學研究所, 有機地球化學國家重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學院 深地科學卓越創(chuàng)新中心, 廣東 廣州 510640; 3. 中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院, 四川 成都 610051)

頁巖孔隙的含水性特征直接影響頁巖氣的賦存、富集和開發(fā)。以揚子地區(qū)YQ1井龍馬溪組和FY1井牛蹄塘組高成熟度海相頁巖為例, 基于干燥條件下頁巖的孔隙結構參數(shù)和實取狀態(tài)下頁巖孔隙水的含量, 通過理論計算初步研究了水在頁巖不同孔隙中的分布和賦存相態(tài)。結果表明, 頁巖有機孔中的水可能只填充到有機微孔中, 而有機非微孔中不含水; 頁巖無機孔中的水主要填充到無機微孔中和以單分子層吸附在無機非微孔孔壁上, 少量的孔隙水會以雙分子層和多分子層吸附在無機非微孔孔壁上。高成熟度海相頁巖的孔隙水對微孔的影響程度顯著大于非微孔, 對無機孔的影響程度顯著大于有機孔。實取狀態(tài)下, 頁巖有效的比表面主要來自于有機孔, 導致吸附氣主要儲存在有機孔中; 頁巖有效的孔容來自有機孔和無機孔的共同貢獻, 導致兩類孔隙中均含有游離氣。雖然YQ1龍馬溪組和FY1牛蹄塘組頁巖中水占孔隙結構的比例相似, 但FY1頁巖有效的孔隙結構中無機孔隙結構的占比更大, 這可能也是造成牛蹄塘組頁巖含氣性較差的原因之一。

高成熟度; 海相頁巖; 孔隙結構; 孔隙水分布; 水的賦存相態(tài)

0 引 言

地質條件下, 高成熟度頁巖儲層中普遍含水, 由于孔隙水與頁巖氣共同賦存于頁巖的孔隙體系中, 孔隙水的含量、分布和賦存相態(tài)將直接影響頁巖氣的賦存、富集和開發(fā)(Bennion and Thomas, 2005; Ambrose et al., 2010; Zhang et al., 2012; 劉洪林和王紅巖, 2013; Gasparik et al., 2014; 魏志紅和魏祥峰, 2014; 方朝合等, 2014; Wan et al., 2017; Gao et al., 2019; Cheng et al., 2022)。在一定的地質條件下, 頁巖中不同類型(有機孔和無機孔)和孔徑(微孔和非微孔)的孔隙對水的毛細束縛力和表面吸附力不同, 造成頁巖孔隙體系中水的分布和賦存特征復雜(Borysenko et al., 2009; Yang et al., 2020; Chen et al., 2021)。頁巖孔隙的毛細束縛力主要與孔隙的孔徑相關, 無論有機孔還是無機孔, 孔隙的孔徑越小, 其對水的毛細束縛力越大(Striolo et al., 2005; Wu et al., 2017; Li et al., 2017a)。孔隙的表面吸附力主要與孔隙的類型相關。有研究表明, 頁巖中黏土礦物的表面通常含有活性吸附位, 對水具有強吸附力; 而高成熟頁巖中有機質的含氧基團已經被熱降解, 有機質表面缺乏活性吸附位并且可能被疏水性的瀝青覆蓋, 因此, 一般認為高成熟度頁巖中的孔隙水都儲存在無機孔隙中(Passey et al., 2010; Wen et al., 2015; Zolfaghari et al., 2017)。然而, 越來越多的研究表明, 高成熟度頁巖或者煤的有機孔中均含有一定數(shù)量的孔隙水(Clarkson and Bustin, 2000; Charrie?re and Behra, 2010; Gu et al., 2016; Cheng et al., 2018), 目前對高成熟度頁巖中孔隙水的分布和賦存相態(tài)依然認識不清。

上揚子地區(qū)下志留統(tǒng)與下寒武統(tǒng)富有機質海相頁巖廣泛發(fā)育, 具有巨大的頁巖氣潛力, 是我國目前頁巖氣勘探的重要靶體(張金川等, 2009; 肖賢明等, 2013; 鄒才能等, 2020, 2021)。近十幾年來, 國內外學者對這2套頁巖的地球化學特征與儲存物性開展了大量研究, 取得了較為系統(tǒng)的認識(Zhang et al., 2012; 程鵬和肖賢明, 2013; Tian et al., 2015; Li et al., 2017b; 郭旭升等, 2022), 但針對頁巖含水特性的研究還較為缺乏, 這影響了頁巖原地氣量評價與資源潛力預測的準確性, 進而造成一定的勘探風險(Zhang et al., 2012; 劉洪林和王紅巖, 2013; Gao et al., 2022)。準確識別頁巖不同孔隙中水的分布和賦存相態(tài)還比較困難, 主要有兩方面的原因: 一方面, 目前頁巖含水性的測定缺乏標準的方法, 生產上主要根據(jù)測井數(shù)據(jù), 利用Archie方程或者其他模型推算頁巖儲層的含水飽和度等(Passey et al., 2010; Wu and Aguilera, 2012; Ahmad and Haghighi, 2013),然而, 由于頁巖儲層孔隙度低, 發(fā)育豐富的納米級孔隙, 該方法對于頁巖儲層的適用性差, 難以表征孔隙水在頁巖不同孔隙中的分布和賦存相態(tài)(Miller et al., 2010; Clarkson et al., 2011; Ramirez et al., 2011; Handwerger et al., 2011); 另一方面, 在實驗室條件下, 通常缺乏能夠代表地質條件下含水性的頁巖樣品(Bennion and Thomas, 2005; Handwerger et al., 2011)。

本研究以上揚子地區(qū)YQ1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖和FY1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖為例, 基于頁巖在實取狀態(tài)下(as-received condtion)孔隙水含量以及干燥條件下的孔隙發(fā)育特征, 研究了孔隙水在頁巖不同類型(有機孔和無機孔)和孔徑(微孔和非微孔)孔隙中的分布和賦存相態(tài)。本研究為揭示高成熟度頁巖中孔隙的含水性特征提供了一種初步的理論計算方法。

1 樣品和方法

1.1 樣品

本研究選取的樣品是位于重慶市酉陽縣酉淺1井的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖(YQ1頁巖)和貴州省遵義市鳳頁1井的下寒武牛蹄塘組頁巖(FY1頁巖)(圖1)。YQ1井頁巖樣品取自1123.87～1161.76 m井段, TOC含量在1.63%～5.03%之間, 平均瀝青反射率o, B為2.91%。FY1井頁巖樣品取自2448.54～2533.00 m井段, TOC含量在1.76%～8.68%之間, 平均瀝青反射率o, B為3.99% (表1)。2套頁巖的地質地球化學信息、干燥條件下的孔隙結構特征以及實取狀態(tài)下的孔隙水含量見表1。

圖1 上揚子地區(qū)YQ1井和FY1井區(qū)域位置圖

表1 YQ1和FY1頁巖地質地球化學特征、干燥狀態(tài)下的孔隙結構特征和實取狀態(tài)下的孔隙水含量

注: “/”表示沒有數(shù)據(jù); 1. 數(shù)據(jù)引自Cheng et al., 2017; 2. 數(shù)據(jù)引自Cheng et al., 2018。

1.2 研究方法

在成巖階段和熱演化階段, 由于頁巖經歷了強烈的排水作用(Wardlaw and McKellar, 1998; van Sickel et al., 2004; Mahadevan et al., 2007; 方朝合等, 2014; Gensterblum et al., 2015; Cheng et al., 2019), 高成熟度頁巖中孔隙水的含量普遍很低, 通常處于超低含水飽和度狀態(tài), 即頁巖孔隙水的含量顯著低于平衡濕度條件下的水含量(Newsham et al., 2003; Bennion and Thomas, 2005; 劉洪林和王紅巖, 2013; Cheng et al., 2018; Sun et al., 2020)。高成熟度頁巖發(fā)育豐富的納米級孔隙, 會對水產生毛細束縛作用(Behar and Vandenbroucke, 1987; Kuila et al., 2014; Hu et al., 2015, 2016; Gu et al., 2016; Cheng et al., 2018; Chen et al., 2021), 同時, 頁巖無機孔壁上普遍存在的活性吸附位會對水產生吸附作用(Passey et al., 2010; Sondergeld et al., 2010; Chalmers et al., 2012; Korb et al., 2014)。在一定的地質環(huán)境條件(溫度、壓力和濕度)下, 頁巖中的孔隙水會受到不同孔隙的毛細束縛力和吸附力的共同作用, 導致水在不同類型和孔徑孔隙中的分布和賦存相態(tài)存在顯著的差異(Gao et al., 2019; Chen et al., 2021)。在前期實驗研究和理論認識的基礎上, 本研究的計算方法基于以下3個假定條件: ①高成熟度頁巖有機孔中的水主要受到毛細束縛力作用, 呈填充態(tài)(Bekyarova et al., 2002; Cheng et al., 2017); ②隨著吸附水含量的增加, 頁巖無機孔中的水依次呈單分子層、雙分子層和多分子層吸附(Chen et al., 2021); ③相同類型的孔隙中, 水優(yōu)先儲存到小孔徑的微孔中, 微孔達到飽和之后, 過剩的水才會儲存到非微孔中(Li et al., 2016; Wu et al., 2017)。

計算方法主要包括以下步驟:

①測定實取狀態(tài)下頁巖孔隙水的含量。在鉆井現(xiàn)場采集新鮮的頁巖巖心樣品, 樣品破碎成大塊后, 將其中的一塊浸沒水中, 檢查是否含氣, 選取含氣量高的頁巖塊狀樣品(水浸實驗中產生大量氣泡), 在其內部鉆取頁巖小柱塞樣品(直徑15 mm、高度20 mm), 用密封袋封存后放置于低溫保存箱中。柱塞樣品運移到實驗室后, 對其真空干燥(恒溫105 ℃、真空度<0.001 Mpa), 獲取頁巖柱塞樣品中孔隙水的含量?；陧搸r孔隙水含量與TOC的相關性, 通過線性回歸方法(Cheng et al., 2018), 計算出頁巖有機孔和無機孔中孔隙水的含量。

②計算頁巖不同孔隙中的飽和水含量。測定干燥后頁巖樣品的孔隙結構參數(shù), 基于實測頁巖孔隙結構參數(shù)與TOC的相關性, 通過線性回歸的方法(Tian et al., 2013; Cheng et al., 2018), 計算頁巖有機孔和無機孔的孔隙結構參數(shù)。由于受到的作用力不同, 孔隙水在不同孔隙中的密度存在差別。在前人研究的基礎上, 考慮到不同賦存相態(tài)孔隙水的受力情況, 本研究采用以下平均密度(表2)計算頁巖在達到填充飽和或者吸附飽和狀態(tài)時, 不同孔隙中飽和水含量。

③對比實測獲取的孔隙水含量和計算獲取的飽和水含量, 判識孔隙水的分布和賦存相態(tài)。在一定孔隙水含量的條件下, 頁巖有機孔中的水會優(yōu)先填充到有機微孔中, 當有機微孔被填滿之后, 過剩的水則會填充到頁巖有機非微孔中。頁巖無機孔中的水首先以單分子層吸附態(tài)依次占據(jù)無機微孔和無機非微孔表面; 當無機孔表面達到單分子層吸附飽和后, 過剩的水則按照相同順序以雙分子層吸附態(tài)占據(jù)無機孔表面; 隨著含水量的增加, 孔隙水則逐漸以多層吸附態(tài)吸附到無機孔表面, 直至呈現(xiàn)游離態(tài)完全填滿剩余的孔隙空間。

2 實例研究

2.1 頁巖不同孔隙的飽和水含量

前期研究表明, YQ1和FY1頁巖的孔隙結構與TOC均呈顯著的線性正相關關系, 其相關系數(shù)介于0.71～0.94(圖2), 這表明頁巖有機質含量對其孔隙發(fā)育特征具有顯著的控制作用?；谝陨系南嚓P性分析, 通過線性回歸的方法, 近似計算出頁巖有機和無機孔隙的結構參數(shù)(表3; Cheng et al., 2017, 2018)。

表2 頁巖孔隙中不同賦存相態(tài)水的受力情況和平均密度

注: 1. 有機微孔中填充態(tài)水的密度介于強吸附態(tài)水(1.0750 cm3/g)和游離水(1.0000 cm3/g)之間, 本研究取兩者的平均值1.0375 cm3/g; 2. 數(shù)據(jù)引自Bo?an et al., 2011; Li et al., 2017a。

圖2 YQ1(a、b)和FY1(c、d)頁巖孔隙結構參數(shù)與TOC的相關性

表3 YQ1和FY1頁巖有機和無機孔隙結構參數(shù)及其孔隙水含量

注: 1. 數(shù)據(jù)引自Cheng et al., 2018。

根據(jù)頁巖有機和無機孔隙結構參數(shù)以及在頁巖中不同賦存相態(tài)孔隙水的平均密度(表2、3), 計算了頁巖在飽和水條件下各孔隙中的飽和水含量(表4; 圖3)。結果表明, YQ1和FY1頁巖有機孔中總飽和水的含量相似, 但前者有機微孔的飽和水含量大于有機非微孔, 而后者有機微孔的飽和水含量小于有機非微孔(圖4)。在單分子層吸附飽和的條件下, 2套頁巖無機微孔中飽和水的含量接近, 并且均大于無機非微孔中飽和水的含量。然而, 由于無機非微孔中存在雙分子層、多分子層吸附態(tài)和游離態(tài)的水(圖3、4), 造成2套頁巖無機非微孔的儲水能力整體大于無機微孔?？偟膩砜? 2套頁巖有機孔的儲水能力顯著小于無機孔。

2.2 頁巖孔隙水的分布和賦存相態(tài)

Cheng et al. (2018)研究表明, 2套頁巖的孔隙水含量與TOC均呈顯著的線性正相關關系, 其相關系數(shù)分別為0.72和0.97(圖5), 表明高成熟度頁巖的有機孔可以儲存孔隙水。基于以上的相關性分析, 本文通過線性回歸的方法, 計算出了2套頁巖有機和無機孔中的水含量(表3)。

通過對比頁巖有機和無機孔的孔隙水含量與不同飽和條件下各孔隙的飽和水含量, 獲取了2套頁巖不同孔隙中水的分布和賦存相態(tài)(表4; 圖6、7)。結果表明, 實取狀態(tài)下YQ1頁巖有機孔中的孔隙水含量少, 占比為25.83%, 有機孔中的孔隙水全部儲存在有機微孔中, 而有機非微孔中不含水(表4; 圖7)。YQ1頁巖中大部分的孔隙水都儲存在無機孔中, 占比為74.71%, 其中在無機微孔和無機非微孔中的占比分別為37.84%和36.33%(表4; 圖7)。無機孔中的孔隙水含量顯著大于無機微孔達到填充飽和時的飽和水含量, 表明該套頁巖無機微孔被孔隙水完全填充, 而過剩的孔隙水則儲存到頁巖無機非微孔中, 呈單分子層吸附態(tài)、雙分子層吸附態(tài)和多分子層吸附、游離態(tài)的孔隙水占比分別為24.02%、10.44%和1.87% (表4; 圖7)。另外, YQ1-8樣品無機非微孔中還存在少量多分子層吸附、游離態(tài)的孔隙水(表4; 圖6)。

表4 飽和狀態(tài)下頁巖不同孔隙中飽和水含量以及實取狀態(tài)下頁巖不同孔隙中孔隙水含量

圖3 飽和狀態(tài)下YQ1(a)和FY1(b)頁巖中不同孔隙中飽和水的含量

圖4 YQ1和FY1頁巖飽和水狀態(tài)下不同孔隙中飽和水的相對含量

與YQ1頁巖相似, FY1頁巖中有機孔中的孔隙水含量少, 占比為17.74%, 有機孔中的孔隙水也全部儲存在有機微孔中, 而有機非微孔中不含水(表4; 圖6、7)。FY1頁巖無機孔中孔隙水的占比平均為82.26%, 其中在無機微孔和無機非微孔中占比分別為76.95%和5.30%(表4; 圖7)。FY1-3、FY1-4、FY1-6、FY1-7和FY1-9頁巖無機孔中的孔隙水含量小于其無機微孔達到填充飽和時的飽和水含量(表4; 圖6), 表明這些頁巖無機孔中的孔隙水均填充到了無機微孔中, 而其無機非微孔不含孔隙水。而FY1-1、FY1-2、FY1-5和FY1-8頁巖中無機孔中的孔隙水含量大于無機微孔達到填充飽和時的飽和水含量(表4; 圖6), 表明這些頁巖樣品無機微孔均被孔隙水填充飽和, 而過剩的孔隙水以單分子層吸附態(tài)占據(jù)了部分無機非微孔比表面。與YQ1頁巖相比, FY1頁巖中有機孔和無機非微孔中孔隙水的占比較小, 并且在無機非微孔不存在雙分子層以及多分子層吸附、游離態(tài)的孔隙水(表4; 圖6、7)。

圖5 YQ1和FY1頁巖孔隙水含量與TOC的相關性

2.3 頁巖孔隙水對有效孔隙的影響

基于干燥條件下頁巖的孔隙發(fā)育特征和實取狀態(tài)下孔隙水在頁巖不同孔隙中的分布和賦存相態(tài), 本文研究了孔隙水對YQ1和FY1頁巖有效孔隙的影響。結果表明, YQ1頁巖中的孔隙水分別占據(jù)了總有機孔孔容和比表面積的21.36%和23.88%。有機孔中的水只儲存在頁巖有機微孔中, 并且對有機微孔孔容和比表面積的影響程度相似, 分別占據(jù)了31.07%和31.46%的有機微孔孔容和比表面積(圖8)。YQ1頁巖中孔隙水分別占據(jù)了總無機孔孔容和比表面積的44.92%和97.66%(圖8), 這表明孔隙水對無機孔的影響程度顯著大于有機孔?？紫端謩e占據(jù)了100%和97.32%的無機微孔孔容和比表面積, 占據(jù)了28.67%和97.71%無機非微孔孔容和比表面積(圖8),這表明孔隙水對無機微孔的孔容和比表面積的影響程度相似, 而對無機非微孔比表面積的影響程度顯著大于對其孔容的影響。

FY1頁巖孔隙水分別占據(jù)了總有機孔孔容和比表面積的22.20%和23.36%(圖8)。有機孔中的水也只儲存在頁巖有機微孔中, 并且對有機微孔孔容和比表面積的影響程度相似, 分別占據(jù)了38.84%和37.28%的有機微孔孔容和比表面積(圖8)。FY1頁巖孔隙水分別占據(jù)了總無機孔孔容和比表面積的47.14%和78.04%(圖8)?？紫端謩e占據(jù)了92.90%和95.50%的無機微孔孔容和比表面積、5.59%和23.63%無機非微孔孔容和比表面積, 表明孔隙水對無機微孔的孔容和比表面積的影響程度相似, 而對無機非微孔比表面積的影響程度顯著大于對其孔容的影響(圖8)。

圖6 實取狀態(tài)下YQ1(a)和FY1(b)頁巖中孔隙水在不同孔隙中的分布

圖7 實取狀態(tài)下YQ1和FY1頁巖中孔隙水在不同孔隙中的相對含量

圖8 實取狀態(tài)下YQ1(a、b)和FY1(c、d)頁巖中孔隙水對不同孔隙結構的影響程度

以上結果表明, 在實取狀態(tài)下頁巖中的孔隙水會顯著影響頁巖的孔隙結構。YQ1和FY1頁巖中的孔隙水對頁巖微孔孔隙結構的影響程度均大于非微孔, 對無機孔孔隙結構的影響程度均大于有機孔。相對于YQ1井, 孔隙水對FY1頁巖非微孔的影響程度更小(圖8)。

2.4 頁巖的含水性模型

基于頁巖不同孔隙的含水特征, 本研究進一步計算了YQ1和FY1頁巖各孔隙結構中水占孔隙結構和有效孔隙結構的平均占比。結果表明, 在實取狀態(tài)下, YQ1頁巖總的有效比表面積占比為48.67%, 其中有機微孔和非微孔的貢獻分別為32.75%和15.19%, 無機微孔和無機非微孔的貢獻分別為0.51%和0.23%(圖9), 表明頁巖有效有機比表面積主要來源于有機孔的貢獻。YQ1頁巖總的有效孔容占比為65.09%, 顯著大于其比表面積的占比, 其中有機微孔和非微孔的貢獻分別為20.05%和13.22%, 無機微孔和非微孔的貢獻分別為0.00%和31.83%(圖9), 表明頁巖有效孔容來自有機和無機孔的共同貢獻, 兩者的貢獻程度相近, 但有機微孔來自于微孔和非微孔, 而無機微孔只來自于非微孔。

在實取狀態(tài)下, FY1頁巖總的有效比表面積占比為44.79%, 其中有機微孔和非微孔的貢獻分別為16.20%和15.40%, 無機微孔和非微孔的貢獻分別為2.08%和11.11%(圖9), 表明有效有機比表面積的占比顯著大于無機比表面積的占比。FY1頁巖總的有效孔容占比為60.65%, 顯著大于其比表面積的占比, 其中有機微孔和非微孔的貢獻分別為10.97%和13.45%, 無機微孔和非微孔的貢獻分別為2.38%和33.85%(圖9), 表明頁巖有效孔容來自有機和無機孔的共同貢獻, 有機孔的貢獻程度小于無機孔的貢獻程度, 并且無機孔的貢獻主要來自于無機非微孔。

2.5 局限性和地質意義

通過實取狀態(tài)下頁巖孔隙水含量和干燥狀態(tài)頁巖孔隙結構推測孔隙水的分布和賦存相態(tài)存在以下幾個問題: ①基于頁巖孔隙結構參數(shù)和含水量與TOC相關性的線性回歸方法, 計算有機孔和無機孔的占比及其含水量存在不確定性; ②在計算過程中沒有考慮孔隙水的堵塞效應和對黏土礦物的溶脹作用; ③實取狀態(tài)下的溫度、壓力和濕度與地質條件存在很大的差別。這些問題會對頁巖的含水性模型產生較大影響, 從而制約了該模型的地質應用。因此, 基于實取頁巖孔隙水含量的理論計算模型在地質應用中還需要進一步修正和優(yōu)化。

盡管如此, 基于理論計算獲取的高成熟度頁巖的含水性模型依然具有一定的地質意義。YQ1井下志留統(tǒng)龍馬溪組和FY1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的含水性特征表明, 孔隙水在頁巖不同孔隙中分布和賦存相態(tài)存在差異性, 進而影響頁巖氣的賦存和富集。在地質含水條件下, 頁巖孔隙水占據(jù)了大部分的無機孔比表面, 造成了頁巖吸附氣可能主要儲存在頁巖有機孔隙中。雖然游離氣在頁巖有機和無機孔隙中均可以賦存, 考慮到有機孔對頁巖氣具有較強的吸附作用, 有機孔中的吸附氣會占據(jù)大部分有效的有機孔孔容, 因此, 頁巖中大部分的游離氣可能主要儲存在無機孔中, 尤其是無機非微孔, 具有很大的有效儲存空間。另外, 雖然YQ1頁巖和FY1頁巖總的有效孔隙結構的比例相近, 但FY1頁巖有效孔隙結構中無機孔隙的占比大于YQ1頁巖。由于無機孔對頁巖氣的吸附能力較弱, 因此, 牛蹄塘組頁巖有效孔隙中的無機孔占比高可能也是造成其含氣性低的原因之一。

圖9 實取狀態(tài)下YQ1和FY1頁巖不同孔隙的含水性特征

3 結 論

(1) 高成熟度海相頁巖中, 有機孔中的水可能只填充到有機微孔中, 而有機非微孔中不含水; 無機孔中的水主要填充到無機微孔中和以單分子層吸附在無機非微孔孔壁上, 少量的孔隙水會以雙分子層和多分子層吸附在無機非微孔孔壁上。

(2) 孔隙水對微孔的影響程度顯著大于非微孔, 對無機孔的影響程度顯著大于有機孔; 實取狀態(tài)下, 高成熟海相頁巖中的孔隙水幾乎完全占據(jù)了無機微孔, 并且占據(jù)了大部分的無機非微孔孔壁。

(3) 實取狀態(tài)下, 頁巖有效的比表面主要來自有機孔, 導致吸附氣主要賦存在有機孔中; 頁巖有效孔容來自于有機和無機孔共同貢獻, 因此2類孔隙中均含有游離氣。YQ1龍馬溪組和FY1牛蹄塘組頁巖中水占孔隙結構的比例相似, 但后者中無機孔隙的占比更大, 這可能也是造成牛蹄塘組頁巖含氣性差的原因之一。

致謝:感謝兩位匿名評審專家對本文提出的寶貴意見。謹以此文慶祝中國科學院青年創(chuàng)新促進會成立十周年！

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Distribution and phases of pore water in overmature marine shale nanopores:A theoretical calculation model based on the pore water content of as-received shale samples

CHENG Peng1, 2*, WU Wei3, GAO Haitao1, 2, LUO Chao3, LIU Shenyang3, TIAN Hui1, 2

(1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 3. Shale Gas Institute of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610051, Sichuan, China)

Water-bearing characteristics of shale nanopores directly influence the distribution, accumulation, and exploitation of shale gases. Based on the pore structure of shales under dried conditions and the pore water contents under as-received conditions, this study investigated the distribution and occurrence phases of pore water in various nanopores of the YQ1 Longmaxi Formation and the FY1 Niutitang Formation shales in the Upper Yangtze area. The results indicate that all the pore water in the organic matter hosted (OM) pores of shales is stored in the OM micropores in the capillary-filling phase, while the OM non-micropores are free of pore water. The majority of the pore water in the inorganic matter hosted (IM) pores of shales is stored in the IM micropores in the capillary-filling phase and adsorbs on the IM non-micropore surfaces in the monomolecular layer phase, while a small amount of the pore water adsorbs on the IM non-micropores surfaces in double-molecular or multimolecular layer phases. The influence of pore water on the micropores and IM pores is more significant than that on the non-micropores and the OM pores, respectively. The effective pore surfaces for the adsorption of shale gases are mainly contributed by the OM pores of shales, which results in the adsorbed shale gases being dominantly stored in the OM pores. Though the effective pore volumes of the shales are co-contributed by the IM and OM pores, most of the free gases may be stored in the IM pores resulting from the strong adsorption of OM pores on shale gases. The total effective pore structures are similar for the YQ1 and FY1 shales, however, the effective pore structures of the FY1 shales are more significantly contributed by the IM pores, which may be one of the reasons for the lower GIP (gas-in-place) contents of the Niutitang Formation shales.

overmature; marine shales; pore structures; pore water distribution; water occurrence phase

P618.12

A

0379-1726(2022)05-0503-13

10.19700/j.0379-1726.2022.05.002

2022-06-24;

2022-07-21

國家自然科學基金(41925014、U1810201)、廣東省自然科學基金(2021A1515011381)和中石油西南油氣田課題(XNS-YYY-JS2021-49)聯(lián)合資助。

程鵬(1985–), 男, 副研究員, 主要從事油氣地球化學和頁巖油氣成藏研究。E-mail: chengp@gig.ac.cn