貴州鳳岡地區(qū)早寒武世牛蹄塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

陳 潔

(江蘇長江地質(zhì)勘查院,江蘇 南京 210046)

頁巖氣是產(chǎn)自極低孔滲、富有機質(zhì)暗色泥頁巖地層中的天然氣,具有資源潛力大、開采周期長等優(yōu)點[1-3]。頁巖是低孔低滲儲集層,頁巖孔裂隙結(jié)構(gòu)不僅影響孔隙中氣體的賦存狀態(tài),而且影響孔隙與氣、液分子之間的相互作用,正確劃分頁巖孔隙結(jié)構(gòu),是研究頁巖儲層孔隙、空間結(jié)構(gòu)、滲流特征、賦存特征和頁巖氣可采性的基礎(chǔ)[4-5]。全國頁巖氣資源潛力評價結(jié)果[6]表明,貴州省頁巖氣地質(zhì)資源量約10.48萬億m3,頁巖氣資源豐富,是我國重要的頁巖氣遠景區(qū)。貴州鳳岡地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,地層巖石破碎,對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的系統(tǒng)研究較少,頁巖氣勘查處于起步階段[7-9]。

針對上述問題,本文通過對鉆探巖心進行實驗測試分析,提取目的層頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù),運用掃描電子顯微鏡觀測、低溫液氮和CO2吸附實驗、高壓壓汞實驗等分析手段,對貴州鳳岡地區(qū)早寒武世牛蹄塘組巖心樣品孔徑進行定量分析,對孔隙類型進行定性分析,為黔北牛蹄塘組頁巖氣的進一步開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于黔北—黔中分區(qū)黔北臺隆遵義斷拱鳳岡NNE向構(gòu)造變形區(qū)。區(qū)內(nèi)震旦紀之后的沉積蓋層發(fā)育變形構(gòu)造,主要由晚侏羅世—早白堊世燕山運動形成,具有多期次疊加改造的特征。區(qū)內(nèi)牛蹄塘組底界面總體為NNE向復(fù)向斜,深度為-250～-5 500 m,落差>50 m的斷層有15條,牛蹄塘組較大規(guī)模的斷層有9條,斷層多數(shù)為逆斷層(圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)簡圖[12]Fig. 1 Structural geological map of the study area [12]

根據(jù)研究區(qū)QZ02井資料,牛蹄塘組主要為黑色碳質(zhì)頁巖,上部為灰黑色、黑色含砂質(zhì)頁巖,中下部為黑色碳質(zhì)頁巖,底部為黑色碳泥質(zhì)硅質(zhì)巖、含磷硅質(zhì)巖,夾石煤。下部含磷硅質(zhì)巖及碳泥質(zhì)硅質(zhì)巖為缺氧環(huán)境,為局限臺地靠近陸緣的沉積環(huán)境;向上砂質(zhì)含量增加,碳質(zhì)含量減少,為深水陸棚沉積,逐漸由強還原環(huán)境轉(zhuǎn)化為弱氧化環(huán)境。測井曲線特征顯示自然電位曲線平直光滑,局部小幅波動;視電阻率曲線平直光滑,底部有較小的波動;自然伽馬曲線呈小鋸齒狀,僅在底部有較大幅波動(圖2)。研究區(qū)牛蹄塘組形成在較穩(wěn)定、水體滯留的沉積環(huán)境,有利于有機質(zhì)的保存[10-11]。

圖2 早寒武世牛蹄塘組頁巖QZ02井TOC柱狀圖Fig. 2 TOC column graph of shale in Early Cambrian Niutitang Formation from well QZ02

2 樣品特征

本次實驗測試樣品取自QZ02井(圖1),井深943.2 m,終孔層位為早寒武世牛蹄塘組底部。研究區(qū)牛蹄塘組TOC實驗測試樣18個,埋深601.0～938.7 m,TOC平均值為3.25%,自865 m以深牛蹄塘組下段TOC值>3.0%,平均鏡質(zhì)體反射率為3.20%,演化程度為高成熟(Ro≥2.0%),頁巖層較高的有機質(zhì)豐度和熱演化程度為頁巖微孔隙的發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。

QZ02井牛蹄塘組頁巖XRD礦物成分分析結(jié)果見表1。中上段(603～830 m)黏土礦物含量為30.9%～48.1%,平均值為42.4%;石英含量為33.2%～38.7%,平均值為35.7%。中下段(851～920 m)黏土礦物含量為8.4%～24.1%,平均值為16.1%;石英含量為30.7%～55.3%,平均值為43.6%,且垂向分布較均勻。斜長石和方解石含量平均值分別為15.7%和3.0%,白云石和鉀長石含量平均值分別為6.8%和3.2%,石膏、黃鐵礦和菱鐵礦平均含量<3%。

表1 QZ02井牛蹄塘組頁巖XRD礦物成分及相關(guān)參數(shù)

黏土礦物可吸附頁巖中的有機質(zhì)及氣體,在有機質(zhì)向烴轉(zhuǎn)化的過程中具有催化作用,對烴源巖中有機質(zhì)富集及頁巖氣成藏具有重要作用。研究區(qū)黏土礦物主要為伊蒙混層和伊利石,伊利石形成過程中使泥頁巖產(chǎn)生裂縫[13-15],可增加氣體運移的儲集空間,石英、斜長石等脆性礦物有利于頁巖氣儲層的壓裂改造。

3 實驗方法及儀器簡介

頁巖中的孔隙結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,孔徑分布范圍廣。采用孔徑四分方法,即微孔(孔徑<10 nm)、過渡孔(10 nm<孔徑<100 nm)、中孔(孔徑100～1 000 nm)、大孔(孔徑>1 000 nm)[16-17],分別選取相應(yīng)的測試方法對最優(yōu)孔隙段進行測試,即微孔采用掃描電子顯微鏡觀測,過渡孔采用低溫液氮和CO2吸附實驗測試,中—大孔采用高壓壓汞實驗進行分析。

選取QZ02孔早寒武世牛蹄塘組暗色頁巖段進行掃描電鏡觀察、高壓壓汞實驗、氮氣吸附實驗和CO2吸附實驗,儀器為JSM6610LV掃描電子顯微鏡及Energy+波普能譜儀、AutoPoreIV 9500全自動壓汞儀、ASAP2020M比表面積及微孔分析儀。

4 實驗結(jié)果

4.1 掃描電子顯微鏡觀測的微孔(納米孔)特征

孔隙是頁巖氣的主要儲存空間[18-20],孔隙微觀發(fā)育特征決定了儲層的儲集性能,利用掃描電鏡及氬離子拋光觀察頁巖孔隙發(fā)育特征及其連通性。研究區(qū)早寒武世牛蹄塘組暗色頁巖主要發(fā)育有機質(zhì)孔(圖3(a))、粒內(nèi)孔(脆性礦物粒內(nèi)孔(圖3(b))和黏土礦物粒內(nèi)孔、晶間孔(黃鐵礦晶間孔(圖3(c))和脆性礦物晶間孔(圖3(d)))、礦物粒間孔(圖3(e))及裂隙(圖3(f)),孔徑變化較大,一般為100 nm～5 μm,多為橢圓形或不規(guī)則凹坑形及少量月牙形。此外,測試樣品裂縫較發(fā)育,縫寬一般0.4～10 μm,少數(shù)可達20 μm左右,連通性好。

圖3 QZ02井牛蹄塘組頁巖巖心SEM觀測照片F(xiàn)ig. 3 SEM observation photos of shale core in Niutitang Formation from well QZ02

4.2 低溫液氮和CO2吸附實驗表征的過渡孔特征

4.2.1 低溫液氮實驗

液氮吸附實驗可測試孔徑范圍更小的微孔,精度可以達0.35 nm。

(1)孔隙特征。吸附等溫線采用BET模型計算單層吸附量[21-22]。液氮吸附實驗統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。測試樣品孔隙總體積為0.001～0.009 mL/g,孔徑分布范圍為3.646～6.787 nm,平均孔徑為4.927 nm;比表面積為2.463～14.884 m2/g,平均值為8.852 m2/g,具有良好的氣體吸附能力。

表2 牛蹄塘組頁巖液氮實驗結(jié)果

(2)吸附-脫附曲線及其孔隙特征。根據(jù)吸附和脫附曲線可以判別樣品的孔隙特點。樣品的吸附曲線在形態(tài)上略有差別,但整體呈反S形,根據(jù)IUPAC定義的吸附等溫線分類[6,22-24],曲線與Ⅱ型吸附等溫線接近,吸附曲線前段上升緩慢,略向上微凸,后段急劇上升,一直持續(xù)到相對壓力接近1.0時也未呈現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象,表明樣品在吸附氮氣的過程中發(fā)生了毛細孔凝聚現(xiàn)象;較低相對壓力時(p/p0為0～0.3),吸附曲線前半部分上升緩慢,呈向上微凸狀,該階段為吸附單分子層向多分子層過渡;曲線中間部分(p/p0為0.3～0.8),在中-高相對壓力下吸附量緩慢增加,該階段為多分子層吸附過程;曲線后半段(p/p0為0.8～1.0),吸附量增加較快,至接近飽和蒸氣壓時未呈現(xiàn)吸附飽和,說明樣品中含有較大比例的大孔,脫附等溫線位于吸附等溫線上方,形成滯后環(huán),說明頁巖樣品中孔所占比例也較高(圖4)。

圖4 牛蹄塘組頁巖液氮吸附-脫附等溫線圖Fig. 4 Liquid Nitrogen isothermal adsorption-desorption curves of shale in Niutitang Formation

滯后回線的形狀反映了樣品的孔隙結(jié)構(gòu)[25],本次分析樣品屬于H2型,其特征為吸附曲線平穩(wěn)上升,脫附曲線在中間壓力處比吸附曲線陡,形成的滯后回線寬大,說明孔隙為墨水瓶孔、圓錐狀等無定型態(tài)孔隙,可能與頁巖中黏土礦物顆粒片狀疊層結(jié)構(gòu)有關(guān)[6],且孔隙聯(lián)通,微孔發(fā)育,有利于頁巖氣的吸附、聚集及運移。

4.2.2 CO2吸附實驗

對4個樣品進行CO2吸附實驗測試,樣品比表面積為2.013～15.60 m2/g,平均值為7.02 m2/g,總孔體積為0.000 8～0.013 8 mL/g。實驗記錄的孔徑分布范圍為0.305 3～1.504 8 nm,孔徑平均值為0.582 2 nm(圖5)。

圖5 牛蹄塘組頁巖CO2吸附實驗孔徑分布圖Fig. 5 Pore diameter distribution of CO2 adsorption experiment of shale in Niutitang Formation

CO2吸附等溫線也表現(xiàn)為微孔吸附特征。整體吸附量增加較少,飽和蒸氣壓處吸附量接近飽和,與IUPAC定義的Ⅰ類吸附曲線相似[6,22-24],吸附飽和值為微孔的體積(圖6)。以上分析表明,頁巖微孔較發(fā)育,增加了頁巖的比表面積,為吸附氣提供了附著空間。

圖6 牛蹄塘組頁巖CO2吸附-脫附等溫線Fig. 6 CO2 adsorption-desorption isotherm of shale in Niutitang Formation

4.3 高壓壓汞實驗表征的孔隙特征

本次高壓壓汞實驗測試孔徑下限值為3.75 nm。實驗結(jié)果基本可反映孔徑>3.75 nm的孔隙孔隙度、孔徑結(jié)構(gòu)、孔隙類型與分布特征,但無法實現(xiàn)對孔徑<3.75 nm孔隙的測試。

(1)孔隙度。泥頁巖是泥質(zhì)沉積物經(jīng)過長期的成巖作用和后期變化改造的綜合產(chǎn)物,是頁巖氣儲存的重要空間[21,26-27]。研究表明,美國頁巖的總孔隙度一般在10%以下,有效含氣孔隙度僅為1%～5%[28]。對暗色泥頁巖段進行高壓壓汞孔隙度測試,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)泥頁巖段的孔隙度為0.95%～2.66%,平均值為1.70%,其中孔隙度為0.5%～1.0%的泥頁巖段約占8.3%,孔隙度為1.0%～1.5%的泥頁巖段約占16.7%,孔隙度為1.5%～2.0%的泥頁巖段約占66.7%,孔隙度為>2.0%的泥頁巖段占8.3%,大部分樣品孔隙度約為2.0%。牛蹄塘組下段泥頁巖孔隙度分布較穩(wěn)定,孔隙度一般為1.59%～2.00%。

(2)孔徑。頁巖中的孔隙分為有效孔隙和孤立孔隙,氣體、液體能到達有效孔隙中,但不能進入全封閉性的孤立孔隙,孔隙系統(tǒng)研究是頁巖儲層評價的重要內(nèi)容。高壓壓汞實驗結(jié)果顯示,大孔(>1 000 nm)所占比例為62.43%～82.78%,中孔(100～1 000 nm)所占比例為5.11%～14.03%,過渡孔(10～100 nm)所占比例為3.83%～10.67%,微孔(<10 nm)所占比例為6.1%。高壓壓汞試驗測試的牛蹄塘組泥頁巖孔徑主要為大孔,為游離氣提供了較大的賦存空間,一定量的中孔和過渡孔為吸附氣提供了較大的吸附表面積[29-30](表3)。

表3 牛蹄塘組頁巖高壓壓汞實驗結(jié)果

毛管壓力曲線形態(tài)有3種孔隙類型(圖7),相應(yīng)的儲集空間特征如下。

(1)類型一。代表樣品為FJ-4、FJ-31(圖7(a)),毛管壓力曲線中間段較長且平緩,喉道大小分布集中;毛管壓力曲線略靠近左下方,歪度較粗,具有較好的儲滲能力。儲層有利于氣體保存及滲流。

(2)類型二。代表樣品為FJ-9、FJ-22、FJ-24(圖7(b)),毛管壓力曲線中間段較長但略陡,喉道分布區(qū)間較分散;毛管壓力曲線略靠近右側(cè),孔、喉大小分布多為細孔喉,儲滲能力相對較差。儲層有利于氣體保存,但不利于氣體滲流。

(3)類型三。代表樣品為FJ-34(圖7(c)),毛管壓力曲線中間段較長但略陡,喉道分布區(qū)間較分散;毛管壓力曲線略靠近左下方,孔、喉大小分布多為粗孔喉,具有較好的儲滲能力。儲層有利于氣體保存及滲流。

圖7 牛蹄塘組暗色泥頁巖毛管壓力曲線圖Fig. 7 Capillary pressure curves of dark mud shale in Niutitang Formation

綜合分析認為,牛蹄塘組下部暗色泥頁巖段儲層自由孔多,孔隙連通性好,有利于氣體解吸、擴散及滲透,是較好的頁巖氣儲層。

5 結(jié)論

(1)貴州鳳岡地區(qū)早寒武世牛蹄塘組頁巖中各種孔隙發(fā)育較齊全,且連通性好,是良好的頁巖氣儲集層。

(2)牛蹄塘組石英及黏土礦物含量較高,對后期壓裂改造和氣體吸附具有促進作用。掃描電子顯微鏡下觀察的牛蹄塘組黑色頁巖主要以有機質(zhì)孔、粒內(nèi)孔、礦物粒間孔及裂隙等類型,孔徑多數(shù)為100 nm～5 μm,裂縫較發(fā)育,連通性好。

(3)高壓壓汞實驗表明牛蹄塘組頁巖過渡孔、中孔較發(fā)育。牛蹄塘組下部黑色泥頁巖段儲層自由孔多,孔隙連通性好,有利于氣體解吸、擴散及滲透,具有較大的孔隙體積和比表面積,為氣體提供了較好的吸附空間。

(4)低溫液氮和CO2吸附實驗反牛蹄塘組頁巖微孔及納米級孔隙發(fā)育,為吸附氣提供了較大的比表面積,孔隙多為墨水瓶孔、圓錐狀等無定型態(tài)孔隙,聯(lián)通性好,有利于頁巖氣的吸附、聚集及運移。