馬海洋,夏遵義,溫慶志,3,張鵬宇
(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580;2.北京大學(xué) 工學(xué)院,北京 100871;3.北京大學(xué) 工程科學(xué)與新興技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心,北京 100871)
隨著常規(guī)油氣資源探明率的下降,頁巖油氣等非常規(guī)能源在油氣勘探中得到了越來越多的重視[1-5]。我國頁巖油氣勘探工作起步較晚,尤其是陸相頁巖儲(chǔ) 層,由于對(duì)儲(chǔ)層特征認(rèn)識(shí)不足等,限制了對(duì)頁巖油氣資源的進(jìn)一步勘探與開發(fā)[6-7]。與常規(guī)砂巖或碳酸鹽巖儲(chǔ)層不同,頁巖儲(chǔ)層屬于低孔低滲儲(chǔ)層,頁巖油氣主要以吸附態(tài)、游 離態(tài)或溶解態(tài)賦存在頁巖儲(chǔ)層復(fù)雜的微納米孔縫中[8-10]。因此,頁巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究對(duì)頁巖油氣富集機(jī)理、滲流機(jī)理、含油氣性評(píng)價(jià)和開發(fā)選區(qū)等方面具有重要意義 。
基于此,利用氬離子拋光掃描電鏡、低溫氣體吸附、高壓壓汞和核磁共振等手段,對(duì)渤海灣盆地沾化凹陷始新統(tǒng)沙三下段陸相頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究,為頁巖油氣資源的高效開發(fā)提供儲(chǔ)層基礎(chǔ) 資料。
實(shí)驗(yàn)樣品取自渤海灣盆地沾化凹陷沙河街組沙三下段,深度在2 909.5~3 129.5 m,巖性以深灰色泥巖、灰質(zhì)泥巖、油泥巖、白云質(zhì)泥巖、灰質(zhì)油泥巖、灰褐色油頁巖為主。鉆井取心證實(shí)微細(xì)裂縫較 發(fā)育,測(cè)井孔隙度為2.65%~5.62%,滲透率介于(0.1~0.3)×10-3μm2。
選取不同深度6組頁巖樣品開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)(表1)。樣品有機(jī)碳(TOC)含量在1.54%~5.09%。有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型;鏡質(zhì)體反射率(Ro)介于0.56%~0.90%,處于低成熟—成熟階段。礦物成分以碳酸鹽礦物為主,其中方解石含量在10.9%~58.3%,平均為41.1%,此外,碳酸鹽礦 物還包含少量白云石;脆性礦物中石英含量較少,介于7.2%~14.9%,但黃鐵礦和長石含量相對(duì)較高,三者總量介于22.8%~33.3%,平均為27.2%。黏土礦物主要包括伊蒙混層、伊利石、綠泥石、坡縷石等,總量在13.2%~ 51.5%,平均25.3%。
實(shí)驗(yàn)使用Quanta FEG 450場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡完成。將樣品切割成約10 mm×10 mm×5 mm大小的塊狀樣品,對(duì)塊狀樣品的10 mm×10 mm表面進(jìn)行氬離子拋光,并將拋光面進(jìn)行噴碳處理,增強(qiáng)表面導(dǎo)電 性。采用背散射電子成像和二次電子成像結(jié)合的方式進(jìn)行微觀孔隙的觀察。
實(shí)驗(yàn)使用美國康塔儀器公司生產(chǎn)的AutosorbiQ2-MP型全自動(dòng)比表面及孔徑分析儀完成。對(duì)于低溫N2吸附實(shí)驗(yàn),將3~5 g樣品磨碎至20/40目顆粒。為了消除樣 品中殘余水分對(duì)結(jié)果的影響,先將樣品進(jìn)行4 h的150 ℃干燥抽真空預(yù)處理,再在101.3 kPa和77.35 K環(huán)境下,測(cè)定不同相對(duì)壓力下的N2吸附脫附量。采用BJH法計(jì)算孔徑分布 和孔體積,采用BET模型計(jì)算比表面積[11-12]。
對(duì)于低溫CO2吸附實(shí)驗(yàn),為避免樣品間的差異對(duì)結(jié)果造成影響,將N2吸附所用的樣品重新進(jìn)行4 h真空脫氣處理 ,在101.3 kPa和273.15 K環(huán)境下,測(cè)定不同相對(duì)壓力下CO2吸附脫附量。利用DA模型計(jì)算樣品的孔容及孔徑分布,采用DR模型計(jì)算樣品的比表面積[13-14]。
實(shí)驗(yàn)使用美國康塔儀器公司生產(chǎn)的PoreMaster 60GT型壓汞儀完成。將3~5 g樣品磨碎至10/20目,在110 ℃下脫氣烘干24 h,測(cè)定不同壓力下的進(jìn)汞量和退汞量。結(jié)合Washburn公式,計(jì)算得到各進(jìn)汞 壓力對(duì)應(yīng)的孔徑大小,根據(jù)進(jìn)汞量獲得孔體積,利用Young-Dupré方程可計(jì)算相應(yīng)孔徑孔隙的比表面積[15]。
實(shí)驗(yàn)使用上海紐邁公司生產(chǎn)的MicroMR23-060H-1型核磁共振分析儀完成。將樣品制成直徑小于25.4 mm、高度小于35 mm的圓柱,進(jìn)行24 h、110 ℃烘干抽真空處理。將樣品飽和正十二烷(48 h)后, 進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn),獲得飽和油狀態(tài)下的T2譜;將飽和油的樣品高速離心4 h去除游離油,離心力為2.72 MPa,離心后進(jìn)行核磁共振實(shí) 驗(yàn),獲得殘余油狀態(tài)下的T2譜。根據(jù)飽和油和殘余油狀態(tài)下的T2譜,可對(duì)樣品的孔隙特征進(jìn)行分析。
通過氬離子拋光掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),沙三下段頁巖儲(chǔ)層發(fā)育有大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微觀孔隙,初步將其劃分為有機(jī)孔、粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔和微裂縫等6類孔隙。
3.1.1 有機(jī)孔
有機(jī)孔是有機(jī)質(zhì)在熱演化生烴過程中所形成的孔隙,對(duì)頁巖油氣的生成和儲(chǔ)集都具有重要作用[16-17]。沙三下段頁巖樣品中有機(jī)孔發(fā)育位置及形態(tài)有一定 差異,可能與樣品成熟度較低有關(guān),總體含量較少。相對(duì)來說以有機(jī)質(zhì)邊緣的狹長型孔居多(圖1a),有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔含量較少,主要呈圓形或橢圓形(圖1b)。
表1 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖樣品基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)
3.1.2 粒間孔
粒間孔是由沉積、成巖改造或礦物之間的力學(xué)機(jī)械作用等因素形成,多見于礦物顆粒之間[18-19]。沙三下段頁巖中粒間孔較為發(fā)育,形態(tài)一般呈三角形、 不規(guī)則多邊形和狹長形(圖1c),此類孔隙連通性好,對(duì)頁巖油氣的運(yùn)移具有重要作用。
3.1.3 粒內(nèi)孔
粒內(nèi)孔是由于不穩(wěn)定礦物在沉積埋藏時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌V物成分過程中產(chǎn)生的一類孔隙[20]。由于成巖演化作用的影響,一些粒內(nèi)孔易被充填。沙三下段頁巖中 粒內(nèi)孔多為狹長型的黏土礦物粒內(nèi)孔(圖1c),內(nèi)表面積大,可為頁巖油氣的賦存提供空間。
3.1.4 晶間孔
晶間孔是由于礦物晶體結(jié)晶或堆積時(shí)不緊密而產(chǎn)生的孔隙[21]。沙三下段頁巖中以黃鐵礦晶間孔(圖1d)最為發(fā)育,同時(shí)在石英、長石和方解石等礦物中也有 發(fā)現(xiàn)。該類孔隙普遍在礦物集合體中孤立地發(fā)育,基本不連通。
3.1.5 溶蝕孔
溶蝕孔是在沉積、構(gòu)造、生烴演化等作用下,不穩(wěn)定礦物內(nèi)部產(chǎn)生溶解而形成的[21]。沙三下段頁巖由于方解石含量高,溶蝕孔多存在于方解石內(nèi)部,且發(fā) 育較多(圖1e)。此類孔隙孔徑較小,一般呈圓形或不規(guī)則多邊形,絕大多數(shù)為孤立孔隙,連通性差。
3.1.6 微裂縫
在成巖過程中,構(gòu)造應(yīng)力、壓實(shí)、脫水收縮和重結(jié)晶作用等諸多因素均可產(chǎn)生微裂縫[22]。沙三下段頁巖中微裂縫較為發(fā)育,且類型多樣(圖1e,f)。對(duì)于 低孔低滲的頁巖儲(chǔ)層,微裂縫作為頁巖油氣運(yùn)移的主要通道,可有效提高其孔隙度及滲透率。另外,微裂縫與水力壓裂形成的人工裂縫相互連接形成縫網(wǎng)結(jié)構(gòu),可極大提高頁巖油氣資源的開采效率。
沙三下段頁巖孔隙特征復(fù)雜,從納米級(jí)孔隙、微米級(jí)孔隙到微裂縫均有不同程度發(fā)育。為了更加了解頁巖孔隙分布特征,采用CO2吸附實(shí)驗(yàn)+N2吸附實(shí)驗(yàn)+高壓壓汞聯(lián)合對(duì)沙三下段頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行全面研究。
3.2.1 CO2吸附解吸結(jié)果分析
沙三下段頁巖樣品CO2吸附解吸等溫線均呈現(xiàn)同一形態(tài)。以S5樣品(圖2a)為例,吸附時(shí)CO2吸附量均隨著相對(duì)壓力 的升高而增加,整個(gè)過程中吸附量增長速度變化不大。解吸時(shí),在相對(duì)壓力較高的區(qū)域,CO2的解吸速度較慢,隨相對(duì)壓力的降低,解吸速度逐漸加快。解吸時(shí)吸附曲線與解吸曲線 不重合,存在解吸附滯后現(xiàn)象。根據(jù)以上特征可得出等溫吸附曲線是典型的Ⅰ型等溫曲線。
由圖2b可知,沙三下段頁巖樣品的DA孔徑分布均呈單峰分布,且峰值對(duì)應(yīng)的孔徑大小基本都在2 nm左右的區(qū)域,說明在CO2吸附解吸實(shí)驗(yàn)中,1~4 nm之間的 孔隙尤其是2 nm左右的孔隙占據(jù)主要優(yōu)勢(shì),是孔體積的主要貢獻(xiàn)者。
3.2.2 N2吸附解吸結(jié)果分析
沙三下段頁巖樣品的吸附解吸等溫線均呈現(xiàn)反“S”型(圖3a),屬于IV型等溫線。以樣品S1和S5為例,當(dāng)相對(duì)壓力較低(P/P0<0.4)時(shí),吸附量隨相對(duì)壓力的升高增加緩慢,吸附支上凸;當(dāng)相對(duì)壓力較高(0.8
圖1 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖微觀孔隙類型
圖2 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖CO2吸附解吸等溫線及孔徑分布曲線
圖3 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖N2吸附解吸等溫線及孔徑分布曲線
由圖3b可知,樣品孔徑分布復(fù)雜,孔徑分布曲線存在多個(gè)不同的峰值,最大峰值集中在3~4 nm之間,表明此范圍內(nèi)孔隙數(shù)量最多,對(duì)頁巖孔體積貢獻(xiàn)最大。樣品S1和S2還有分布在5~8 nm和7~10 nm 之間的小峰值。另外,樣品中也存在一定量10 nm以上的孔隙,最大在200 nm左右,使孔徑分布曲線出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象。
3.2.3 高壓壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)高壓壓汞實(shí)驗(yàn)獲得進(jìn)汞退汞曲線,可對(duì)多孔介質(zhì)孔喉特征進(jìn)行分析[17,24-26]。研究區(qū)樣品的壓汞曲線可分為2種形態(tài)(圖4a)。第一種以S4為例,進(jìn)汞 體積在0.5 MPa時(shí)開始增大,說明樣品中大于1 μm的孔隙開始較為發(fā)育;在2.5 MPa左右增速變緩,說明幾百納米的大孔發(fā)育較少;而在40 MPa時(shí)曲線變陡,說明發(fā)育著大量幾到幾十納米的孔隙;退汞曲線形成的滯后環(huán)寬 大,退汞曲線接近水平,表明樣品中開放的平行板狀孔較多。第二種以S6為例,進(jìn)汞體積同樣在0.5 MPa左右開始迅速增加,表明微米級(jí)的孔隙較多;在20~150 MPa之間進(jìn)汞曲線接近水平,直到150 MPa之后進(jìn)汞量迅速上 升,說明樣品中存在部分幾納米的孔隙;退汞曲線初始段與進(jìn)汞曲線重合,滯后環(huán)窄小,表明樣品中以半封閉型孔為主。
根據(jù)高壓壓汞得到的頁巖樣品孔徑分布,樣品的孔徑以多峰方式分布(圖4 b),最高峰值處于10 nm左右的居多(最小測(cè)至7 nm左右);樣品S3和S4還存在50 nm左右的峰值;而在50 nm~10 μm孔徑區(qū) 間,所有樣品均有一定數(shù)量的孔隙分布,且分布較為均勻;另外,在10μm以上的孔徑也均存在一個(gè)小峰,說明微米級(jí)孔縫均有發(fā)育。由于高壓壓汞自身的局限,對(duì)于較小的納米孔隙無法進(jìn)行測(cè)試。
圖4 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖高壓壓汞進(jìn)退汞曲線及孔徑分布曲線
3.2.4 頁巖孔隙全孔徑分段表征
由于各實(shí)驗(yàn)方法可測(cè)得的孔徑范圍和側(cè)重點(diǎn)不同,單獨(dú)使用任何一種方法都無法對(duì)頁巖孔隙分布特征進(jìn)行準(zhǔn)確分析。與N2相比,CO2可進(jìn)入更小的孔隙,而汞分子則由于自身性質(zhì)更難以進(jìn)入微小孔隙,更適合對(duì)大孔隙進(jìn)行測(cè)量。因此,根據(jù)IUPAC的分類標(biāo)準(zhǔn)[23],結(jié)合 各實(shí)驗(yàn)的精度和量程,采用低溫CO2吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)微孔(<2 nm)進(jìn)行表征,采用低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)中孔(2~50 nm)表征 ,而對(duì)于宏孔(>50 nm)則采用高壓壓汞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
由表2可知,沙三下段頁巖微孔孔體積較小,介于0.000 35~0.001 29 mL/g之間,平均占比僅為8.82%;中孔孔體積占總孔體積的比例為49.99%,該段孔體積介于0.001 27~0.008 59mL/g之間;宏孔 孔體積稍小于中孔孔體積,占比41.19%,介于0.001 63~0.007 56 mL/g。因此,沙三下段頁巖孔體積主要由中孔和宏孔提供,是頁巖油氣的主要儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道,而微孔對(duì)總孔體積貢獻(xiàn)量很少。
由表3可知,沙三下段頁巖微孔的比表面積最大,平均為0.607 m2/g,占總比表面積的61.52%;中孔比表面積較小,占比34.86%,平均為0.286 m2/g;而宏孔的比表面積平均為0.027 m2/g,僅占3.62%。因此,沙三下段頁巖比表面積主要由微孔提供,提供了頁巖油氣吸附的主要空 間,中孔貢獻(xiàn)次之,宏孔貢獻(xiàn)很小。
表2 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖孔體積分段統(tǒng)計(jì)
表3 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖比表面積分段統(tǒng)計(jì)
頁巖中納米級(jí)孔隙十分發(fā)育,較常規(guī)儲(chǔ)層孔隙連通性差,常規(guī)方法難以對(duì)其連通性進(jìn)行有效測(cè)試[27]。采用核磁共振技術(shù),可有效解決頁巖孔隙連通性的測(cè) 試問題[28-29]。首先將樣品飽和流體,獲得飽和流體狀態(tài)下的T2譜,求出飽和流體的體 積,即頁巖的總孔體積,進(jìn)而求出其總孔隙度;再對(duì)樣品進(jìn)行離心,獲得殘余流體狀態(tài)下的T2譜,結(jié)合飽和狀態(tài)下的T2譜可計(jì)算出T2截止值,在截止值左邊部分認(rèn)為是束縛 流體,右邊部分認(rèn)為是可動(dòng)流體,可計(jì)算出樣品的束縛流體和自由流體孔隙度,自由流體孔隙度即有效孔隙度,也就是連通孔隙度。
由圖5可見,飽和流體狀態(tài)下T2譜呈雙峰分布,分別在0.2 ms和5 ms左右,大于10 ms只存在一個(gè)小峰。由于T2值越小代表孔徑越小,峰的面積越大表明孔隙量越多,因此樣品主要以微小孔隙為主。離心后大于10 ms的峰降幅很大,即較大孔隙內(nèi) 的流體被離心出來,表明這部分孔隙連通性好;小于10 ms的2個(gè)主峰變化不明顯,即微小孔隙的流體幾乎未被離心出來,說明該部分孔隙連通性差。根據(jù)2種狀態(tài)下的T2譜,得到S3樣品的T2截止值為26.59 ms,小于該值的部分為束縛流體,大于該值的部分為可動(dòng)流 體。
由核磁共振得到沙三下段頁巖的孔隙信息(表4)。沙三下段頁巖的孔隙度較低,平均為5.81%;樣品的T2截止值平均 為17.28 ms,低于砂巖及碳酸鹽巖儲(chǔ)層;孔隙連通性差,連通孔隙度介于0.11%~0.64%,且連通孔隙主要為大孔及裂縫,微小孔連通性極差。該特征利于頁巖油氣的儲(chǔ)存,但不利于其開發(fā),需借助水力壓裂等措施提高儲(chǔ)層的 連通性。
圖5 渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段樣品S3核磁共振T2譜圖
樣品編號(hào)孔隙度/%T2截止值/ms連通孔隙度/%S14.9913.030.11S25.207.340.18S36.9926.590.33S46.5421.830.23S54.0813.920.16S67.0420.950.64均值5.8117.280.28
(1)渤海灣盆地沾化凹陷沙三下段頁巖孔隙類型復(fù)雜多樣,主要發(fā)育有機(jī)孔、粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、溶蝕孔和微裂縫等6類孔隙。其中有機(jī)孔、粒內(nèi)孔、晶間孔和溶蝕孔的發(fā)育利于頁巖油氣的儲(chǔ)集,而 粒間孔和微裂縫則是頁巖油氣運(yùn)移的主要通道。
(2)沙三下段頁巖中微孔、中孔和宏孔均有發(fā)育,以平行板狀孔或狹縫型孔以及墨水瓶型孔為主。其中微孔比表面積占比為61.52%,提供了頁巖油氣吸附的主要空間;中孔和宏孔孔體積比例分別為49.99% 和41.19%,對(duì)頁巖油氣的儲(chǔ)集和運(yùn)移起主要作用。
(3)沙三下段頁巖核磁共振T2譜為雙峰分布,孔隙度平均為5.81%,T2截止值為17.28 ms,均低于砂巖和碳酸鹽巖。連通孔隙度僅為0.28%,且連通孔隙主要為大孔隙和微裂縫,微小孔隙連通性差,有利于頁巖油氣的儲(chǔ)集,但需借助人工造縫等措施提高儲(chǔ) 層的連通性和滲流能力,才能進(jìn)行有效開發(fā)。
(4)掃描電鏡可對(duì)頁巖孔隙類型及特征進(jìn)行觀察,低溫氣體吸附、高壓壓汞及核磁共振可對(duì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及孔徑分布進(jìn)行全面的定量研究,而對(duì)于頁巖孔隙的空間分布特征和連通孔隙類型等特征,則需要 借助微、納米CT及聚焦離子束掃描電鏡等三維成像技術(shù)進(jìn)行定性的研究。