構(gòu)造變形對(duì)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及吸附性的影響

章新文，李吉君，盧雙舫，黃開展，陰建新

(1.中國(guó)石化河南油田分公司，河南 鄭州 450000；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

0 引 言

頁巖氣作為非常規(guī)油氣的重要類型之一，在中國(guó)的油氣勘探中日益受到重視[1-4]。頁巖氣是一種自生自儲(chǔ)式的非常規(guī)天然氣，以吸附態(tài)和游離態(tài)存在于頁巖孔隙內(nèi)部[5-8]。應(yīng)用低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)，對(duì)川東北地區(qū)頁巖儲(chǔ)層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并嘗試探討影響頁巖儲(chǔ)氣能力的主要因素，以期對(duì)中國(guó)四川盆地頁巖氣的高效勘探開發(fā)提供有效和必要的幫助。

1 樣品采集

此次研究所采集的頁巖樣品來自川東北地區(qū)城口縣修齊鎮(zhèn)、城口縣龍?zhí)镟l(xiāng)田壩村附近。選取了符合條件的7塊頁巖樣品，構(gòu)造變形程度差異較大，皆取自下寒武統(tǒng)魯家坪組。

2 頁巖變形特征

已有研究表明：頁巖在較弱的構(gòu)造作用下易產(chǎn)生張性裂縫，且裂隙垂直于層理發(fā)育，或與層理呈銳角相交，如四川盆地東緣重慶綦江地區(qū)；EICHHUBL[9]等在加利福利亞黑金剛石礦發(fā)現(xiàn)斷裂附近頁巖較易發(fā)生強(qiáng)烈變形，并且發(fā)生尖滅的構(gòu)造現(xiàn)象；YAN[10]等在四川盆地東緣構(gòu)造觀察到薄層泥灰?guī)r在擠壓作用下形成大型褶皺，黃犢山發(fā)現(xiàn)尖頂背斜與箱形向斜等組合構(gòu)造。

研究區(qū)城口縣修齊鎮(zhèn)頁巖樣品XQ-2、XQ-3、XQ-4取自構(gòu)造較發(fā)育的緊閉連續(xù)褶皺處，其取樣點(diǎn)分別在褶皺的翼部(A點(diǎn)，距核部較遠(yuǎn)，約為2.0 m的距離)、褶皺翼部(B點(diǎn)，距核部較近，約為0.5 m的距離)、褶皺的核部(C點(diǎn))，以此從宏觀剖面尺度上判別頁巖樣品的變形強(qiáng)弱依次為XQ-4、 XQ-3、 XQ-2(圖1)。城口縣龍?zhí)镟l(xiāng)頁巖樣品LT-2、LT-3、LT-4、LT-6分別取自小型褶皺的核部(D點(diǎn))、較大的微型褶皺(E點(diǎn))、灰?guī)r之下的夾層(F點(diǎn))、頁巖層底部(G點(diǎn))。從宏觀剖面尺度上對(duì)龍?zhí)镟l(xiāng)的4個(gè)樣品進(jìn)行變形強(qiáng)弱對(duì)比，變形強(qiáng)弱依次為L(zhǎng)T-2、 LT-3、 LT-4、 LT-6(圖2)。

圖1修齊鎮(zhèn)頁巖樣品取樣點(diǎn)

從頁巖樣品上可直觀看到，構(gòu)造變形形態(tài)主要表現(xiàn)為裂隙、褶皺、揉皺等，且不同變形程度的頁巖樣品表現(xiàn)出的變形或變形組合有所差異。NEEDHAM[11]在研究蘇格蘭Moffat滑脫構(gòu)造引起的天然變形頁巖中觀察到，發(fā)育強(qiáng)烈揉皺現(xiàn)象的頁巖，裂隙并不發(fā)育；ERICKSON等[12]在頁巖-碳酸鹽巖滑脫層中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈不協(xié)調(diào)褶皺現(xiàn)象。

圖2龍?zhí)镟l(xiāng)頁巖樣品取樣點(diǎn)

3 頁巖微納米孔隙結(jié)構(gòu)特征

低溫N2吸附實(shí)驗(yàn)顯示，城口縣修齊鎮(zhèn)和龍?zhí)镟l(xiāng)頁巖小于10.0 nm的微介孔孔隙較發(fā)育，其中主峰在1 nm左右，城口縣修齊鎮(zhèn)的頁巖樣品小于2.0 nm的微孔發(fā)育由強(qiáng)到弱依次為：XQ-3、 XQ-4、XQ-2；而城口縣龍?zhí)镟l(xiāng)的頁巖樣品的小于2.0 nm的微孔發(fā)育情況為L(zhǎng)T-4微孔發(fā)育程度最低，LT-2、LT-3和LT-6的微孔發(fā)育情況相差不大(圖3)。需要注意的是，由于張力強(qiáng)度效應(yīng)(TSE)的存在，低溫N2解吸時(shí)會(huì)出現(xiàn)吸附質(zhì)滯留現(xiàn)象，在解吸曲線上出現(xiàn)明顯的滯后環(huán)，存在明顯的假峰，其存在會(huì)對(duì)孔徑分布的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

圖3 頁巖樣品孔徑分布

4 構(gòu)造變形作用對(duì)頁巖微納米孔隙發(fā)育的控制作用

頁巖微納米孔隙發(fā)育的影響因素有很多，該文在考慮頁巖物質(zhì)成分影響的同時(shí)，也考慮到了后期構(gòu)造演化作用的影響。在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，巖石不僅受到熱演化作用，還會(huì)受到后期構(gòu)造作用的影響。頁巖所受構(gòu)造變形作用的差異，會(huì)在宏觀和微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征上體現(xiàn)。隨變形程度由弱到強(qiáng)，宏觀上裂隙發(fā)育情況變化較大，由多組裂隙發(fā)育到逐漸消失；微觀上，產(chǎn)生大量的微納米孔隙，孔隙比表面積逐漸增加[13-15]。

此次研究中，XQ-2與XQ-3礦物組成相似，TOC分別為5.8%、2.2%。前人認(rèn)為總有機(jī)碳含量是有機(jī)孔發(fā)育的主要控制因素，與微納米孔隙體積、比表面積呈正相關(guān)性[16]，XQ-2微納米孔體積尤其是比表面積本應(yīng)大于XQ-3，但實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果卻相反，XQ-2與XQ-4之間同樣存在上述現(xiàn)象(表1)，反映了構(gòu)造變形作用的影響。即構(gòu)造變形程度與微納米孔隙體積、比表面積呈正相關(guān)，同樣，龍?zhí)镟l(xiāng)頁巖樣品LT-2與LT-4也存在相同的規(guī)律，LT-2與LT-4有機(jī)質(zhì)類型、成熟度、黏土礦物含量等因素相似(表1)，但TOC含量相差較大,分別為1.6%、8.6%，LT-4號(hào)樣品孔體積、比表面積本應(yīng)大于LT-2，但卻相近甚至小于LT-2，這與LT-2變形程度大于LT-4有關(guān)；LT-2與LT-3、LT-3與LT-4之間也存在這樣的規(guī)律；LT-6號(hào)樣品由于發(fā)育頁理、順層裂隙孔隙，孔隙發(fā)育程度較高，比表面積異常大。構(gòu)造變形對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響可能是由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響頁巖納米級(jí)孔隙的變形，隨著變形程度的增大，頁巖內(nèi)部各碳網(wǎng)及基本結(jié)構(gòu)單元間排列的秩理化程度明顯增強(qiáng)[17-19]。

表1 頁巖樣品地球化學(xué)特征及孔隙結(jié)構(gòu)特征

5 構(gòu)造變形作用對(duì)頁巖吸附氣量的影響

通過等溫吸附模擬法獲取頁巖吸附氣含量。研究發(fā)現(xiàn)，城口縣修齊鎮(zhèn)樣品XQ-3的變形程度從宏觀和微觀角度分析均大于XQ-2。圖4為頁巖樣品對(duì)甲烷的等溫吸附曲線。由圖4可知，樣品XQ-2的吸附氣量小于XQ-3。XQ-2、XQ-3樣品的有機(jī)質(zhì)類型(均為Ⅲ型)、成熟度和黏土礦物含量等因素均比較相似，但是2塊樣品的TOC含量相差較大，分別為5.8%(XQ-2)、2.2%(XQ-3)。結(jié)果顯示，XQ-2吸附氣含量反而小于XQ-3，這應(yīng)與XQ-3構(gòu)造變形程度大于XQ-2有關(guān)，變形程度越大，氣體吸附能力越強(qiáng)，上述研究也揭示了構(gòu)造變形作用對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響，構(gòu)造變形程度與微納米孔隙體積、比表面積呈正相關(guān)，XQ-2與XQ-4之間同樣存在上述現(xiàn)象(圖4)。

龍?zhí)镟l(xiāng)LT-2、LT-4號(hào)頁巖樣品同樣存在上述規(guī)律，在機(jī)質(zhì)類型、成熟度、黏土礦物含量等因素相似，兩者的TOC含量相差較大，分別為1.6%(LT-2)、8.6%(LT-4)，而圖4中顯示LT-2的吸附曲線反而略高于LT-4，這就是由于LT-2的構(gòu)造變形程度大于LT-4。 LT-2與LT-3、LT-3與LT-4之間也存在上述現(xiàn)象(圖4)。因此，頁巖樣品的構(gòu)造變形程度越大，其微納米孔隙越發(fā)育，比表面積越大，提供了更多的吸附位，吸附能力從而增加[14-15,20-21]。

圖4研究區(qū)頁巖樣品蘭格繆爾模型對(duì)等溫吸附曲線的擬合

6 結(jié) 論

(1) 分別從宏觀、微觀尺度判別分析了城口縣修齊鎮(zhèn)、龍?zhí)镟l(xiāng)頁巖樣品的構(gòu)造變形強(qiáng)弱；川東北地區(qū)頁巖樣品構(gòu)造變形形態(tài)主要表現(xiàn)為裂隙、褶皺、揉皺等，且不同變形程度的頁巖樣品表現(xiàn)出的變形或變形組合有所差異。

(2) 研究區(qū)頁巖樣品孔徑主要為納米級(jí)，孔徑大小主要分布在0.5～10.0 nm。

(3) 隨變形程度的增強(qiáng)，宏觀上裂隙發(fā)育情況變化較大，由多組裂隙發(fā)育到逐漸消失；微觀上，產(chǎn)生大量的微納米孔隙，孔比表面積逐漸增加，促進(jìn)了頁巖微孔發(fā)育，進(jìn)而造成頁巖吸附氣含量增高。

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