黑色頁巖中發(fā)生的氣泡變孔作用及地質(zhì)意義

劉洪林 李曉波 周尚文

中國石油勘探開發(fā)研究院非常規(guī)研究所, 河北 廊坊 065007

0 前言

最近幾年我國頁巖氣勘探開發(fā)取得了較快發(fā)展,勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破,在四川盆地長寧、威遠(yuǎn)、涪陵和云南昭通地區(qū)建成了國家級頁巖氣示范區(qū)。頁巖儲層是低孔、低滲的致密儲層,其成功開發(fā)依賴大規(guī)模的水力壓裂,優(yōu)質(zhì)頁巖儲層是提高頁巖氣單井產(chǎn)量的關(guān)鍵,其中納米孔對于頁巖氣富集高產(chǎn)具有十分重要的意義[1-2]。不同地區(qū)頁巖孔隙大小、形態(tài)差別較大,目前研究大多是對頁巖孔隙進(jìn)行分類和描述,對于頁巖孔隙的成因,尤其是有機(jī)質(zhì)納米孔隙的成因缺乏研究[3-6]。本文利用聚焦離子束電鏡技術(shù)對頁巖樣品進(jìn)行了二維表征,并開展熱成因物理模擬,結(jié)合沉積環(huán)境、熱演化研究,查明頁巖納米孔成因機(jī)制,這對加深對優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的地質(zhì)認(rèn)識,改善頁巖氣勘探開發(fā)效果具有重要意義。

1 頁巖有機(jī)質(zhì)納米孔隙形態(tài)學(xué)分類

1.1 頁巖納米孔隙特征及形態(tài)學(xué)分類

研究樣品主要取自四川盆地長寧雙河剖面的龍馬溪組頁巖。聚焦離子束電鏡技術(shù)可以在亞微米的級別上對樣品進(jìn)行切割、研磨,同時進(jìn)行納米級掃描成像,可以開展孔隙、礦物成分定量識別。本文利用聚焦離子束電鏡技術(shù)對樣品進(jìn)行處理、掃描成像,發(fā)現(xiàn)頁巖中的孔隙主要包括孔隙和裂縫兩大類。頁巖儲層中納米級孔隙以有機(jī)質(zhì)納米孔、顆粒間納米孔、礦物晶間納米孔、溶蝕納米孔為主[7-8],孔隙喉道呈席狀、彎曲片狀,孔隙直徑范圍介于10～1 000 nm,主體介于30～100 nm,納米級孔隙是致密儲層連通性儲集體的主體。納米孔也是頁巖氣儲集的主要空間。根據(jù)孔隙所處的位置和接觸關(guān)系也可以劃分為有機(jī)質(zhì)孔隙、無機(jī)質(zhì)孔隙兩大類[9-13];有機(jī)質(zhì)孔隙主要有兩種:一種是干酪根分解產(chǎn)生的孔隙,其形態(tài)和分布受控于干酪根的形態(tài)和分布,稱為干酪根納米孔隙,為一種原地?zé)峤饪紫?另外一種為焦瀝青中的孔隙,其分布受控于焦瀝青的分布范圍,形態(tài)不受焦瀝青的控制,剖面呈橢圓形或圓形,具有較高的圓球度,稱為瀝青納米孔隙,為一種運移固化孔隙。本文研究重點為瀝青納米孔隙,根據(jù)瀝青納米孔隙形態(tài)特征,從長短徑比值、圓球度等形態(tài)學(xué)參數(shù)對瀝青納米孔隙進(jìn)一步分類(表1),劃分出了球形、紡錘形等6種主要類型,用納米孔長軸半徑與短軸半徑的比值表征氣泡運移及改造強(qiáng)度,用圓球度表征孔的表面積與體積之比,指示顆粒形狀特征,其值愈小愈接近于球形,可以間接表征頁巖納米孔內(nèi)壓力系數(shù),評價富氣程度。

表1頁巖瀝青納米孔形態(tài)學(xué)分類

形態(tài)學(xué)分類動態(tài)參數(shù)靜態(tài)參數(shù)圓球度/m-1運移-改造強(qiáng)度長短徑比值孔內(nèi)壓力系數(shù)球形0.9～1極弱1>2紡錘形0.8～0.9弱21.5～2雙節(jié)葫蘆形0.8～0.9較弱21.1～1.8多節(jié)葫蘆形0.8～0.9中等21.0～1.5豌豆莢形0.6～0.7強(qiáng)3～40.9～1.1刀片形0.5～0.6較強(qiáng)6～100.8～1.1

1.2 黑色頁巖的氣泡變孔機(jī)制

2 頁巖有機(jī)納米孔成因物理模擬

為研究頁巖中原油生氣后氣泡變孔過程,采集克拉瑪依黑油山原油開展了開放體系下的氣泡變孔模擬實驗,證實了早期原油再次裂解生氣變孔的過程,并分析了這一過程的地質(zhì)意義。

2.1 實驗儀器

本次實驗采用了自制加熱臺進(jìn)行開發(fā)體系的熱模擬實驗,再現(xiàn)了原油熱解后內(nèi)部氣泡形成、固化成孔的過程。自制熱臺采用接觸式電子溫度計進(jìn)行測溫,可以使用固體和液體樣品,最高耐溫900℃,可自行設(shè)定升溫程序。實驗中制作原油薄片,在薄片中加入金屬絲用于定位,便于DM 4500 p徠卡偏光顯微鏡對特定位置進(jìn)行照相。

2.2 實驗步驟

為模擬地下升溫過程對納米孔隙形成的控制過程,實驗設(shè)計了升溫速度為10℃/h,升溫到設(shè)定溫度臺階時候保持溫度0.5 h。首先將樣品放入加熱臺內(nèi),利用顯微鏡對選取樣品進(jìn)行定位觀察并拍得原始照片,然后啟動熱模擬程序加熱,每升溫20℃恒溫0.5 h,用DM 4500 p徠卡偏光顯微鏡進(jìn)行定位觀測和拍照,重復(fù)以上步驟,在不同溫度下進(jìn)行觀測和拍照。

2.3 實驗結(jié)果

原樣中原油分布比較均勻,金屬絲與原油邊緣清晰可見,金屬絲作為定位標(biāo)志物(圖1-a)),加熱到370℃以前,原油物質(zhì)組成仍然均一,但是在金屬絲邊緣明顯可見氣泡開始產(chǎn)生,邊緣開始形成輕質(zhì)油并富含氣體,仍為顏色較淺、密度較大原油,370℃以后產(chǎn)生大量氣泡(圖1-b)),加熱到420℃,氣泡數(shù)量進(jìn)一步增加、變大(圖1-c))。

a)原始樣品

b)370℃樣品

c)420℃樣品

2.4 實驗分析

從實驗可以看出,隨著加熱溫度的上升,原油顏色逐漸加深,并逐步產(chǎn)生瀝青化現(xiàn)象,產(chǎn)生大量氣泡孔。370℃以前產(chǎn)生孔隙很少,該溫度未能使樣品有效裂解,加熱到370℃后樣品開始發(fā)生明顯變化,在原油顏色較深部位產(chǎn)生小氣泡,隨著溫度升高氣泡不斷加大,小氣泡演化為大氣泡,出現(xiàn)明顯的氣泡間聚并,在熱模擬后期氣泡生成呈現(xiàn)加速現(xiàn)象。實驗結(jié)束后,主要殘余物為原油裂解后的瀝青,其中可見固化的氣泡孔。

通過模擬實驗再現(xiàn)了頁巖氣生成和氣泡變孔過程,納米孔形成演化的過程可以概括為原油生成、氣泡形成和氣泡變孔三個階段(圖2)。頁巖中干酪根早期熱解形成原油,原油經(jīng)歷短距離的初次運移并沒有完全離開頁巖,大量殘留于頁巖中,這部分原油隨著溫度和壓力的上升,裂解生成天然氣,生成的天然氣最初以微小氣核生成,并逐步長大為氣泡。隨著原油中輕組分不斷裂解并析出,達(dá)到一定程度后,氣液達(dá)到平衡狀態(tài),原油黏度增大,氣泡不再產(chǎn)出,原油開始向瀝青轉(zhuǎn)化。當(dāng)?shù)貙犹?地層溫度開始下降,瀝青進(jìn)一步固化,賦存其中的氣泡逐步固化為孔隙。很多處于分裂或聚并過程中的氣泡被以各種形式保持下來,形成我們現(xiàn)今看到的各種孔隙。納米孔形成后,可能會發(fā)生改造作用。如在強(qiáng)烈擠壓下孔隙可能受壓產(chǎn)生坍塌,天然氣釋放。在構(gòu)造作用下層間產(chǎn)生滑動,導(dǎo)致納米孔受到破壞,氣體釋放。經(jīng)歷后期改造的頁巖對于頁巖氣的富集是不利的,因為構(gòu)造運動破壞了頁巖結(jié)構(gòu)及納米孔隙,導(dǎo)致氣體大量逸散。

a)原油生成

b)氣泡形成

c)氣泡變孔

3 氣泡變孔的地質(zhì)意義

原始沉積物質(zhì)和地質(zhì)熱演化歷史控制了原油生成的強(qiáng)度和質(zhì)量,也就影響了頁巖中氣孔的數(shù)量和密度。原油黏稠度的變化又受到地質(zhì)歷史時期地層溫度的影響,如果原油大量裂解產(chǎn)生天然氣,其瀝青質(zhì)含量快速升高,黏度快速提升,氣泡就難以流動,就可以有更多的氣泡固化在原油中。如果原油產(chǎn)生天然氣強(qiáng)度低,原油黏度提升慢,氣泡易于流動,并最終排出頁巖儲層,對頁巖氣成藏是不利的。

富氣頁巖納米孔類型主要為瀝青質(zhì)納米孔隙,為氣泡變孔而來,這種成因的孔隙由于其裂解氣來源,其中必然無水或含極少量的水。無機(jī)孔由于其成巖演化的成因,形成之初富含水,隨著天然氣產(chǎn)出,其中的水分會被排出一部分,但無機(jī)質(zhì)表面的水膜仍然會存在。如果一個頁巖含水飽和度較高,接近其束縛水飽和度,或者表明頁巖有機(jī)質(zhì)納米孔不發(fā)育,無機(jī)質(zhì)孔占主體,或者納米孔被后期改造破壞,氣體逸散,水進(jìn)入導(dǎo)致含水飽和度變高,這種因構(gòu)造運動導(dǎo)致含水飽和度變高、氣體逸散的現(xiàn)象在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)常常見到。

有機(jī)質(zhì)納米孔的圓球度越高,代表孔隙形成時候的氣泡內(nèi)壓力越高,形成的孔隙邊界更為圓滑、更具有流線型特征,孔隙的長短半徑比值接近1。反之,孔內(nèi)壓力低的孔隙邊界呈現(xiàn)較高的粗糙度、更低的弧度,長短半徑比值較大,孔隙形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則。地層壓力系數(shù)與孔隙數(shù)量發(fā)育程度也有直接關(guān)系,由于氣泡變孔機(jī)制,孔隙壓力越大,當(dāng)兩個氣泡接近時其聚并的概率就越大。因此壓力系數(shù)越高越易于形成大型的納米孔隙,壓力系數(shù)越小,氣泡的聚并現(xiàn)象越少。在氣泡變孔機(jī)制作用下，形成了數(shù)量多但是個體不大的呈現(xiàn)密集分布的微小孔隙。因此,可以從有機(jī)質(zhì)納米孔的形態(tài)、大小和密集程度來判斷頁巖儲層超壓狀態(tài)。

高成熟的海相頁巖中發(fā)生了強(qiáng)烈的氣泡變孔作用，形成了密集的納米孔,而對于Ⅲ型干酪根的頁巖或低變質(zhì)的頁巖,或者原油產(chǎn)量很少,或者原油沒有熱裂解,都缺乏氣泡變孔過程,難以形成瀝青質(zhì)納米孔隙,導(dǎo)致含氣量低。由此看來,中國南方海相頁巖氣形成有其特定的地質(zhì)背景和演化過程,具有鮮明的地域特征,它首先形成于海相陸棚環(huán)境,浮游生物和浮游藻類發(fā)育,原始干酪根母質(zhì)類型為Ⅰ或Ⅱ型,利于生油,再經(jīng)歷較高的熱演化促使原油進(jìn)一步裂解產(chǎn)氣,經(jīng)氣泡變孔為頁巖氣富集提供了密集的儲集空間,通過瀝青化最終保存下來形成了頁巖氣富集區(qū)。

4 結(jié)論

頁巖有機(jī)質(zhì)孔類型中的瀝青質(zhì)納米孔是頁巖氣富集的主要空間,從長短徑比值、圓球度等形態(tài)學(xué)參數(shù)對孔隙進(jìn)行分類表征,建立了形態(tài)學(xué)的分類方法。頁巖中的瀝青質(zhì)納米孔的最初來源是天然氣微小氣泡,是原油裂解產(chǎn)生的天然氣氣泡經(jīng)過瀝青固化后形成的,具有超低的含水飽和度。海相頁巖發(fā)育Ⅰ或Ⅱ型干酪根熱成熟后大量生油,利于氣泡變孔作用發(fā)生,而Ⅲ型干酪根的頁巖或低變質(zhì)的頁巖,氣泡變孔過程缺乏,不利于頁巖氣富集。