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延長(zhǎng)探區(qū)山西組陸相頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙發(fā)育主要影響因素

2018-10-13 01:00張金川
中國(guó)礦業(yè) 2018年10期
關(guān)鍵詞:黏土頁巖礦物

王 琳,張金川,王 宇,徐 杰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083;2.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,陜西 西安 710075)

0 引 言

泥頁巖中存在著大量的微裂縫和微孔隙,可作為天然氣儲(chǔ)層。頁巖氣儲(chǔ)層孔隙特征的研究主要應(yīng)用高壓壓汞、氬離子拋光、納米CT掃描、聚焦離子束和氣體吸附等方法,這些技術(shù)在描述泥頁巖儲(chǔ)層孔隙類型、結(jié)構(gòu)、大小、連通性、發(fā)育特征及影響因素方面具有重要作用,被廣泛應(yīng)用到孔隙特征研究中[1-5]。延長(zhǎng)探區(qū)上古生界二疊系山西組頁巖氣開采已取得了重要進(jìn)展,單井日產(chǎn)氣量最高可達(dá)2.5×104m3[6-8],鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)探區(qū)上古生界二疊系,發(fā)育了分布穩(wěn)定且厚度較大的含煤巖系,其中包含具有一定生烴潛力的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖,在成為良好的天然氣源巖的同時(shí),也成為了頁巖氣的良好儲(chǔ)集層[9-11]。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)頁巖氣儲(chǔ)層孔隙特征可為進(jìn)一步研究陸相頁巖氣產(chǎn)能評(píng)價(jià)和資源評(píng)估提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)域位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡構(gòu)造單元東南部臺(tái)地內(nèi)部,區(qū)域內(nèi)構(gòu)造和沉積過程穩(wěn)定,為頁巖氣儲(chǔ)層的沉積發(fā)育提供了良好的構(gòu)造背景,發(fā)育了分布穩(wěn)定的大套泥頁巖[12-14]。探區(qū)鉆探成果揭示,上古生界山西組泥頁巖平均厚度為74.61 m,占山西組地層總厚的65.9%,在剖面呈現(xiàn)出“泥包砂”的特征,泥頁巖單層厚度大,平面分布穩(wěn)定,有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度較高,部分頁巖氣探井有較高的氣產(chǎn)量,是延長(zhǎng)探區(qū)陸相頁巖氣的重要儲(chǔ)層。山西組地層巖性以暗黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖、灰色粉砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖、砂巖、礫巖及含煤層為主,其中泥頁巖顏色相對(duì)較深,以黑色、灰黑色、深灰色為主,常見煤線或煤層。山西組山2段砂巖較發(fā)育,巖性主要為礫巖、粗砂巖及中砂巖;山1段主要為大段的泥巖與砂巖及粉砂巖互層。研究過程中,共在延長(zhǎng)探區(qū)采集山西組樣品26塊,其中山1段樣品20塊,山2段樣品6塊,樣品巖性均為黑色頁巖、黑色泥巖為主。

2 泥頁巖礦物組成特征

研究區(qū)內(nèi)山西組26塊樣品X衍射分析測(cè)試結(jié)果顯示,山西組泥頁巖中全巖礦物除黏土礦物和石英以外,還含有少量碳酸鹽類和長(zhǎng)石類等礦物及石膏、銳鈦礦、硬水鋁石等副礦物或次生礦物。山西組泥頁巖石英含量在2.0%~50.6%之間,平均含量為36.9%;黏土礦物含量范圍變化較大,在43.5%~98%之間,平均含量為59.6%。石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽等脆性礦物之和平均為40.4%。黏土礦物主要為高嶺石和伊蒙混層,其次為伊利石和綠泥石。高嶺石含量在18.0%~84.0%之間,平均為37.0%;伊蒙混層含量在0~63.0%之間,平均為40.8%;高嶺石和伊蒙混層二者占黏土礦物總量的77.8%。

將山西組泥頁巖主要礦物和黏土礦物投在三角圖解中(圖1)可以看出,山西組泥頁巖主要為黏土型泥頁巖以及少量的長(zhǎng)英質(zhì)型泥頁巖。

圖1 山西組泥頁巖與北美頁巖礦物組成三角圖

與北美頁巖相比,山西組泥頁巖礦物成分的最顯著特征是黏土礦物含量相對(duì)較高,碳酸鹽相對(duì)含量極低,黏土礦物中綠泥石含量相對(duì)較高,高嶺石和伊蒙混層含量與北美頁巖含量差異不大,頁巖氣儲(chǔ)層能夠在外力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫,有利于游離氣的儲(chǔ)集以及頁巖氣儲(chǔ)層的改造,同時(shí)較高的黏土礦物含量有利于頁巖氣吸附賦存。

3 孔隙類型與結(jié)構(gòu)

根據(jù)Loucks等[15-16]和聶海寬等[17]對(duì)頁巖孔隙的研究成果,利用掃描電鏡和電子顯微鏡觀察研究山西組泥頁巖孔隙類型,可將山西組泥頁巖孔隙類型劃分為裂縫和基質(zhì)孔隙,裂縫包括宏觀裂縫和微裂縫,微裂縫進(jìn)一步可劃分為泥頁巖微裂縫和有機(jī)組分微裂縫,基質(zhì)孔隙包括粒間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔,有機(jī)質(zhì)孔又可分為鏡質(zhì)體孔隙和絲質(zhì)體孔隙。

3.1 基質(zhì)孔隙

山西組泥頁巖中粒間孔主要發(fā)育黏土礦物晶間孔,在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn),山西組泥頁巖主要發(fā)育高嶺石晶間孔隙和伊蒙混層晶間孔隙(圖2(a)),孔隙形態(tài)多呈圓形、橢圓形以及不規(guī)則多邊形等,孔徑一般在1~15 μm之間,以微米級(jí)別為主,部分大孔超過10 μm。泥頁巖中粒內(nèi)孔主要為石英、長(zhǎng)石等顆粒內(nèi)部部分溶蝕形成的粒內(nèi)溶蝕孔,一般為洞璧邊緣參差不齊的溶蝕孔隙,孔隙較小,孔徑一般為0.1~10 μm(圖2(b))。

圖2 山西組礦物孔隙

在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn),山西組泥頁巖中的有機(jī)顯微組分發(fā)育大量孔隙,這些有機(jī)顯微組分孔隙是在熱演化過程中由于有機(jī)顯微組分生烴作用形成的,孔隙的分布形式有密集狀和稀散狀,有機(jī)顯微組分孔隙主要存在于鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體中,鏡質(zhì)體中孔隙形態(tài)多呈圓形、橢圓形和不規(guī)則等多種形態(tài),孔徑一般在0.5~15 μm之間,屬于大孔(圖2(c)),絲質(zhì)體中孔隙多呈一定的規(guī)律性分布,孔徑多在0.5~20 μm之間,以0.5~10 μm之間為主(圖2(d))。這些有機(jī)顯微組分孔隙處在大量生氣階段,易形成相互連通的網(wǎng)絡(luò),是泥頁巖中頁巖氣富集的重要孔隙類型。

3.2 裂縫

鄂爾多斯盆地山西組陸相暗色頁巖巖芯中普遍發(fā)育不同類型的裂縫,宏觀縫以水平層理縫和中等角度滑脫縫為主,高角度縫較少發(fā)育,泥頁巖微裂縫主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)條帶中或條帶邊緣,構(gòu)造成因的微裂縫最多,有機(jī)顯微組分微裂縫寬度一般小于10 μm,是頁巖氣藏中吸附氣向游離氣解吸的重要通道,對(duì)頁巖氣生產(chǎn)具有重要意義[17-20]。

1) 泥頁巖宏觀裂縫。野外露頭觀察發(fā)現(xiàn),山西組泥頁巖中主要發(fā)育垂直于泥頁巖層理面的巨型裂縫,裂縫寬度大于1 mm,長(zhǎng)度大于10 m,裂縫之間多平行分布,裂縫走向近于南北向;局限于單層泥頁巖內(nèi)部(不穿層)的大型裂縫寬度一般,主要為構(gòu)造成因,裂縫走向近于南北向;發(fā)育的中型裂縫主要為構(gòu)造成因或泥頁巖的生烴膨脹導(dǎo)致,裂縫走向近于南北向。巖芯觀察發(fā)現(xiàn),山西組泥頁巖儲(chǔ)層小型裂縫較為發(fā)育,裂縫寬度在0.01~0.1 mm之間,長(zhǎng)度介于0.01~0.1 m之間,為肉眼可見的最小裂縫。

2) 泥頁巖微觀裂縫。顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),山西組泥頁巖中普遍發(fā)育微裂縫,縫寬主要在1~10 μm之間,少數(shù)可達(dá)10 μm以上。裂縫表面較光滑平整,主要呈平行關(guān)系和垂直關(guān)系。對(duì)研究區(qū)10個(gè)泥巖樣品的裂縫面密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其裂縫面密度在2.4~237.5/m2之間,平均為108.8/m2。可見,山西組泥頁巖微裂縫極為發(fā)育,有利于氣體儲(chǔ)集和儲(chǔ)層改造。

3) 有機(jī)顯微組分微裂縫。通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),山西組有機(jī)顯微組分中鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體中發(fā)育大量微裂縫,鏡質(zhì)體中微裂縫寬度一般小于10 μm,單個(gè)裂縫形態(tài)主要為直線狀或彎曲狀(圖3(a)、圖3(b)),多呈垂直關(guān)系,裂縫面光滑平整,移動(dòng)和錯(cuò)位不明顯,表明微裂縫形成與構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系不大。絲質(zhì)體中的微裂縫一般沿絲質(zhì)體橫斷面(圖3(c))和斜斷面(圖3(d))分布,縫寬一般變化不大,多在1~10 μm之間。

圖3 山西組巖樣鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體中微裂縫

3.3 頁巖孔隙結(jié)構(gòu)

喉道的大小、分布及其幾何形狀是影響儲(chǔ)集層儲(chǔ)集能力和滲透特征的主要因素,通過對(duì)研究區(qū)域山西組泥頁巖儲(chǔ)層10塊樣品進(jìn)行毛細(xì)管壓汞測(cè)試,得到了壓力與汞飽和度曲線(圖4)。曲線偏向右側(cè),壓汞進(jìn)入量小,壓力偏高,反映了孔隙和喉道相對(duì)較細(xì)。根據(jù)壓汞測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),山西組泥頁巖孔喉直徑主要分布在0~0.10 μm之間,以微孔為主,喉道直徑均值在0.04~0.05 μm之間,平均為0.047 μm,平均排驅(qū)壓力為9.3 MPa,排驅(qū)壓力較高,喉道均質(zhì)系數(shù)較低,在0.43~0.51之間,分選系數(shù)較小,在0.06~0.10之間,表明孔喉分選性較差,喉道較小且分布不均勻,細(xì)微型,連通性較差。

利用Ultrapore-200A氦孔隙儀和ULTRA-PERMTM200滲透率儀對(duì)山西組泥頁巖巖芯孔隙度和滲透率進(jìn)行測(cè)試,孔隙度在0.4%~1.5%之間,孔隙度平均值僅為0.77%;滲透率在0.0066~0.2416 mD之間,平均為0.04 mD。與北美Barnett頁巖氣藏的同類數(shù)據(jù)(頁巖孔隙度一般4%~5%之間,滲透率小于0.01 mD[21-24])相比,鄂爾多斯盆地南部山西組孔隙度偏小,但裂縫較為發(fā)育,滲透率較高。

4 孔隙發(fā)育主要影響因素

影響孔隙大小的因素很多,包括沉積相、沉積環(huán)境、礦物組成、有機(jī)碳含量、熱演化程度和成巖作用等[17,25-27],本文主要討論礦物組成、有機(jī)碳含量、熱演化程度以及成巖作用對(duì)孔隙的影響。

山西組泥頁巖X射線衍射、孔隙度、有機(jī)碳和鏡質(zhì)體測(cè)試結(jié)果顯示,有機(jī)碳含量與孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系(圖5),這是因?yàn)橛袡C(jī)碳含量高,有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量相應(yīng)增加,孔隙度變大。山西組泥頁巖鏡質(zhì)體反射率分析測(cè)試結(jié)果顯示,鏡質(zhì)體反射率Ro介于1.76~3.72之間,有機(jī)質(zhì)熱演化達(dá)到了高成熟階段,孔隙度與Ro有正相關(guān)關(guān)系(圖5),隨著熱演化程度的提高,在有機(jī)質(zhì)生烴轉(zhuǎn)化和生氣膨脹的作用下,有機(jī)質(zhì)孔增多,孔隙度變大。孔隙度與脆性礦物含量沒有明顯相關(guān)性。孔隙度與黏土礦物含量相關(guān)性較弱,略呈正相關(guān)趨勢(shì)(圖6)。與石英和長(zhǎng)石等脆性礦物相比,黏土礦物具有較多的微孔隙,在脫水轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)出大量層間水,形成微裂縫,同時(shí)伊利石轉(zhuǎn)化過程中也會(huì)產(chǎn)生大量微孔隙。

成巖作用會(huì)導(dǎo)致巖石礦物成分和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,并產(chǎn)生很多的自生礦物,使得巖石的孔隙度發(fā)生重大改變,因而決定著孔隙發(fā)育的優(yōu)劣。

壓實(shí)作用是孔隙減小的最主要因素。在壓實(shí)作用下,顆粒會(huì)緊密嵌擠堆積,使得儲(chǔ)層原始孔隙度減小,連通性變差。顯微鏡下觀察表明,山西組儲(chǔ)層普遍存在壓實(shí)作用且較強(qiáng)烈,表現(xiàn)為顆粒間線狀-鋸齒狀接觸(圖7(a))。

圖4 研究區(qū)YY101井和YY103井山西組泥頁巖壓汞曲線

圖5 山西組泥頁巖TOC含量、鏡質(zhì)體反射率(Ro)與孔隙關(guān)系圖

圖6 山西組泥頁巖脆性礦物和黏土礦物與孔隙關(guān)系圖

圖7 山西組壓實(shí)、膠結(jié)和溶蝕特征

山西組儲(chǔ)層膠結(jié)作用以硅質(zhì)膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)為主,硅質(zhì)膠結(jié)作用是山西組儲(chǔ)層的主要膠結(jié)類型,在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn),加大后的石英鑲嵌緊密使石英顆粒間呈凹凸接觸(圖7(b)),粒間孔隙逐漸被次生加大石英充填到粒間孔隙之中,導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度減少。山西組儲(chǔ)層自生黏土礦物膠結(jié)物有高嶺石和伊利石等(圖7(c)),它們對(duì)孔隙的影響具有雙面性,一方面自生黏土礦物會(huì)擠占有效孔隙空間,使孔隙變小,另一方面高嶺石可形成晶間孔。綠泥石膜對(duì)后續(xù)膠結(jié)作用有抑制性,可以保護(hù)殘余粒間孔,對(duì)孔隙發(fā)育有建設(shè)性作用。

山西組儲(chǔ)層溶蝕作用較為強(qiáng)烈,主要表現(xiàn)為碎屑顆粒的溶蝕,包括長(zhǎng)石溶蝕和巖屑溶蝕等,膠結(jié)物的溶蝕現(xiàn)象較為少見。碎屑顆粒內(nèi)長(zhǎng)石蝕變?yōu)楦邘X石和伊利石等黏土礦物并且保存了長(zhǎng)石彎曲變形和解理特征,但是整個(gè)長(zhǎng)石的外形仍然清晰可辨(圖7(d)),溶蝕作用形成的次生孔隙,是山西組儲(chǔ)層主要的孔隙類型之一,屬于建設(shè)性的成巖作用。

5 結(jié) 論

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)探區(qū)古生界山西組是陸相頁巖氣的重要儲(chǔ)層,儲(chǔ)層礦物主要為黏土礦物和石英。與北美頁巖相比,山西組泥頁巖礦物黏土礦物含量相對(duì)較高,石英和長(zhǎng)石含量相對(duì)較低,儲(chǔ)層孔隙與裂縫發(fā)育。同時(shí)有機(jī)顯微組分發(fā)育大量的微裂隙和微孔隙,主要分布在鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體中,這些縫隙構(gòu)易形成相互連通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),既可以為頁巖氣提供儲(chǔ)存空間,又可以作為頁巖氣滲流的主要通道。

高壓汞測(cè)試結(jié)果顯示,儲(chǔ)層喉道屬細(xì)微型,孔喉分選性較差,排驅(qū)壓力較高,喉道較小且分布不均勻。核磁共振測(cè)試結(jié)果顯示,樣品信號(hào)主要呈連續(xù)雙峰分布模式,反映出大部分樣品發(fā)育有大小不同的孔隙,并具有一定的連通性,孔隙以小孔為主,孔徑大的孔隙數(shù)量少。

有機(jī)碳含量高,有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量會(huì)相應(yīng)增加。熱演化程度升高,有機(jī)質(zhì)在生烴轉(zhuǎn)化和生氣膨脹的作用下可增多有機(jī)質(zhì)孔,同時(shí)黏土礦物在脫水轉(zhuǎn)化過程中可形成微裂縫,伊利石轉(zhuǎn)化過程中也會(huì)產(chǎn)生大量微孔隙,它們均對(duì)孔隙發(fā)育具有促進(jìn)作用。壓實(shí)作用是孔隙減小的主要原因,儲(chǔ)層自生黏土礦物膠結(jié)物會(huì)擠占有效孔隙空間,使孔隙變小。另一方面,高嶺石可形成晶間孔,綠泥石膜可以保護(hù)殘余粒間孔。研究區(qū)儲(chǔ)層溶蝕作用強(qiáng)烈,以碎屑顆粒溶蝕為主,溶蝕作用形成的次生孔隙,是主要的孔隙類型之一。

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