鄂尔多斯盆地延长探区延长组页岩气储层孔隙结构特征

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鄂尔多斯盆地延长探区延长组页岩气储层孔隙结构特征
徐红卫;李贤庆;祁帅;周宝刚;王哲;高文杰;陈金明
【摘要】In order to evaluate the space and the gas storage capacity of terrestrial shale gas reservoirs,many shale samples were taken from the Chang 7 and Chang 9 members of the Upper Triassic Yanchang Formation in Yanchang exploration area of Ordos basin,and the pore type and pore structure of these samples and their influ ence factors were studied by the use of scanning electron microscope (SEM),high pressure mercury injection and low-temperature gas adsorption experiments with CO2 and N2.The results reveal the following aspects:(1)There are many types of microscopic pores in these shale samples,mainly including intergranular pores and intragranular pores,and a small amount of crystal particle pores and dissolution pores exists,and organic matter pores are less development.These pores provide the main storage spaces for the shale gasreservoir.(2)Mesopores (2-50 nm) contribute to the main pore volume and specific surface area of Yanchang Formation,accounting for 74.34% of the total pore volume and 64.40% of the total surface area.The shale samples from the Chang 9 Member have a greater total pore volume and total specific surface area than those from the Chang 7 Member.(3)The pore structure is dominated by slit type pores and plate pores,and the pore size distribution mainly falls in 0.4-0.9 nm,3-25 nm and 5-200 μm.The average pore size of Yanchang Formation shale is 8.53 nm,and the Chang 7 Member shale has a greater average pore size than the Chang 7 Member
shale.(4) The organic carbon content,organic matter maturity and mineral composition content affect the pore development of the Yanchang Formation shale.The mineral composition content is the main controlling factor of the pore development of Yanchang Formation shale which is predominated by the mesopore.The increase of the organic carbon content and maturity of shales mainly play a positive role in the development of the micropore in Yanchang Formation shale.%为了评价陆相页岩气储层的储集空间和储气能力,以鄂尔多斯盆地延长探区上三叠统延长组长7段、长9段页岩为研究对象,运用电子扫描显微镜、高压压汞、低温CO2和N2气体吸附等实验方法,对陆相页岩气储层孔隙类型特征、孔隙结构及其影响因素进行研究.结果表明:(1)延长探区上三叠统延长组陆相页岩发育多种类型微观孔隙,以粒间孔和粒内孔为主,少量晶间孔和溶蚀孔,有机质孔发育较少,为陆相页岩气赋存提供了储集空间;(2)延长组页岩中介孑孔(2~50 nm)贡献了其主要的孑孔容和比表面积,占总孑孔容的74.37%,占总比表面积的64.40%,且长9段页岩的总孔容和总比表面积均大于长7段页岩;(3)延长组页岩孔隙结构以狭缝型孑孔和板状孔为主,孑孔径主要分布在0.4~0.9 nm、3~ 25 nm和5~200 μm区间段内,延长组页岩平均孔径为8.53 nm,且长7段页岩平均孔径大于长9段页岩;(4)页岩有机碳含量、有机质成熟度及矿物成分含量共同影响着延长组页岩孔隙的发育,其中矿物成分含量是以介孔孔隙为主的延长组页岩孔隙发育的主控因素,有机碳含量及成熟度的增加主要对页岩中微孔孔隙的发育起到积极作用.
【期刊名称】《现代地质》
【年(卷),期】2017(031)002
【总页数】10页(P328-337)
【关键词】陆相页岩气储层;孔隙结构;孔隙类型;孔径分布;延长组页岩;延长探区【作者】徐红卫;李贤庆;祁帅;周宝刚;王哲;高文杰;陈金明
【作者单位】中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TE122.2;TE132.2
页岩孔隙结构特征是页岩气储层研究的重要组成部分,并对页岩储集能力和页岩气赋存相态及含量具有一定的影响[1-4]。

目前,国内外学者在海相页岩孔隙结构特征方面作了许多研究工作[5-11],但针对陆相页岩储层孔隙结构特征的研究较为薄弱。

延长组长7段和长9段页岩是鄂尔多斯盆地延长探区中生界三叠系发育的一套重要烃源岩层系,具备较好的陆相页岩气成藏条件[12],但目前对其储层微观孔隙特征的研究程度尚较低:一方面,国内一些学者对鄂尔多斯盆地延长组页岩孔隙
的研究工作所采用的测试方法较单一,对不同孔隙结构特征的综合表征有限,杨巍等[13]、熊健等[14]、吴松涛等[15]、曾秋楠等[16]采用低温N2吸附实验对延长
组长7段页岩介孔孔隙结构特征进行研究,对页岩中微孔和宏孔的认识不足;耳
闯等[17]运用低温CO2和N2吸附实验对延长组页岩孔隙结构特征进行研究,但
缺乏对页岩中宏孔的详细认识。

另一方面,对延长组长7段与长9段页岩的孔隙
结构特征对比鲜有研究,JIANG等[18]利用低温CO2和N2吸附及压汞实验对长
7段页岩孔隙特征进行研究,而未涉及长9段页岩的孔隙特征。

因此,本文以鄂尔多斯盆地延长探区上三叠统延长组长7段和长9段页岩为研究对象,综合运用电
子扫描显微镜、低温CO2和N2气体吸附法和高压压汞法,对陆相页岩气储层的
微观孔隙类型特征、孔隙结构进行详细研究,并探讨陆相页岩气储层孔隙发育的主要影响因素,以期为该区陆相页岩气资源评价与勘探开发提供依据。

本文研究区位于鄂尔多斯盆地东南部的延长探区内(图1(a))。

该区区域构造简单,为一西倾的平缓单斜,断裂不发育,构造稳定,地层倾角一般小于1°。

研究样品
均采自延长探区7口井上三叠统延长组长7段、长9段岩心(图1(b)),为灰黑色、黑色泥页岩和碳质页岩,取样深度为1 139~1 753 m。

延长探区延长组陆相页岩样品有机碳含量(TOC)普遍较高,TOC值分布范围为
2.73%~8.82%,平均4.93%;有机质类型以Ⅱ型为主,热演化程度较低,处于成
熟阶段的石油窗范围,Ro值为0.83%~1.10%,其中长9段页岩的成熟度Ro值要大于长7段页岩(表1)。

该区延长组陆相页岩样品矿物成分较为复杂,石英、长石、黏土矿物和碳酸盐矿物为其主要成分,黏土矿物的含量介于24.7%~59.7%之间,平均值为42.8%,脆性矿物的含量为39.2%~64.0%,平均值为49.3%,该储层的脆性和可压裂性达到了陆相页岩气开发标准[19]。

本文的研究重点选取了不同有机碳含量的页岩岩心样品,进行孔隙实验分析测试:扫描电镜分析在捷克Tescan公司产的VEGALSH Ⅱ型电子扫描显微镜上完成,最
大放大倍率达10万倍,在高分辨率模式下具有3.0 nm/30 kV分辨率。

高压压汞实验采用Pore Master GT60 压汞仪完成,测定v孔径范围为0. 0036 ~950μm,测试依据为GB/T21650.1-2008。

低压N2和CO2气体吸附实验采用ASAP2020型表面积和孔隙分析仪完成,测量孔径范围为0. 35 ~ 500 nm,比表面积和孔体积测量下限分别为0. 000 5 m2 /g 和0. 000 1 cm3 /g,测试依据为GB /T 19587 - 2004。

2.1 孔隙微观类型特征
页岩孔隙是页岩气的储存空间,微观孔隙特征直接影响着页岩储层含气量的大小[6,20]。

延长探区延长组陆相页岩因形成时代较新、热演化程度较低、黏土矿物含量较高,其孔隙类型具有自身的特征:发育无机质孔,粒间孔和粒内孔普遍存在,有机质孔发育较少(图2)。

2.1.1 无机质孔
延长探区延长组长7段和长9段页岩无机质孔常见粒间孔和粒内孔,形态大部分
呈不规则状。

粒间孔主要出现在脆性矿物、塑性矿物或两者矿物颗粒间,多发育于黏土矿物与石英、长石等颗粒间,形成黏土矿物粒间孔和石英粒间孔等,且以黏土矿物粒间孔为主,多为长条形和不规则的多边形,孔径分布区间较为广泛,一般小于4 000 nm,以150~1 550 nm为主,此类孔隙具有一定连通性,利于页岩气
运移和渗流(图2(a)和(b))。

粒内孔多见于黏土矿物间,孔径相对较小,多小于1 000 nm,主频分布为20~300 nm(图2(c))。

晶间孔发育于骨架颗粒(石英、长石等)以及作为填隙物的微球粒状黄铁矿晶间,镜下多见黄铁矿晶间孔,孔径多为纳
米级,主要分布范围10~800 nm,以10~200 nm为主(图2(d))。

溶蚀孔发育
较少,以长石溶蚀孔较多,部分发育于黏土矿物、石英、碳酸盐等矿物中,分布范围为100~2 000 nm,以800~1 400 nm为主(图2(e))。

比较而言,长7段和
长9段两套页岩中粒间孔含量略有差别,长7段页岩较长9段页岩略发育粒间孔,
可能与两套页岩成岩过程中埋深不同而所受压实作用差异有关。

2.1.2 有机质孔
页岩中有机质孔的形成主要受控于生烃作用,是有机质在生烃过程中产生的孔隙[2,21]。

延长探区延长组页岩处于成熟阶段,Ro较低,有机质孔不太发育,或呈零星分布。

该区长9段页岩成熟度略高,表现为有机质孔较长7段页岩略发育。

区内延长组页岩样品有机质孔形态以不规则的泡沫状、片麻状、凹坑状为主(图2(f)和(g)),孔径分布在5~195 nm之间,主频位于35~140 nm,与北美地区海相页岩(其有机质孔主要孔径为5~750 nm [22] )有所不同,这与延长组陆相页岩热成熟度较低、有机质生烃产生的有机质孔较少有关。

2.1.3 微裂缝
微裂缝是页岩气产出的基本通道,也是孔隙的重要组成部分 [23-24]。

延长探区延长组页岩因伊利石体积缩小而形成的微裂(孔)隙不是很发育,多是沿片状黏土矿物裂开形成的裂缝,裂缝呈明显锯齿弯曲状,大部分延伸性和开放性较好,连通性较强(图2(h)),孔径多小于4 500 nm,以650~2 400 nm为主。

2.2 孔隙结构特征
页岩储层孔隙结构对页岩气的储集具有重要的影响[24-25]。

为综合表征陆相页岩气储层孔隙结构特征,本文重点选取了延长探区不同有机碳含量的延长组长7段和长9段页岩样品进行高压压汞实验、低温N2气体吸附和CO2气体吸附实验,据此对宏孔(>50 nm)、介孔(2~50 nm)和微孔(<2 nm)的孔隙结构特征进行研究。

延长探区延长组长7段和长9段页岩样品低温N2吸附-脱附等温曲线整体呈反S 形(图3),与国际纯化学与应用联合协会(IUAPC)定义的IV等温吸附曲线和H3型迟滞环类型[26-27]类似,表明延长组长7段和长9段页岩孔隙结构以狭缝型孔和板状孔为主,长9段样品及长7段部分样品在相对压力(p/p0)介于0.4~0.6之间时脱附曲线有一明显拐点,坡度较大,反映此类型孔隙以狭缝型孔和平行板状孔为
主;长7段部分页岩样品脱附曲线在该相对压力区间无明显拐点,反映此类孔隙
以倾斜板状孔为主[28]。

此类型孔隙具有较好的连通性,有利于页岩气渗流。

狭缝状孔隙的发育与黏土矿物颗粒的片状结构有关,这与延长组页岩含有较高的黏土矿物含量,且扫描电镜下可见较多的黏土矿物粒间孔和粒内孔相符。

延长探区延长组长7段和长9段页岩样品中孔隙类型组成的分布基本一致,主要
由介孔构成,其次为宏孔和微孔(图4、表2)。

延长组页岩样品总孔容为6.16×10-3~24.99×10-3 mL/g,平均15.04×10-3 mL/g,介孔贡献了主要的孔容,平均
占总孔容的74.37%,宏孔贡献次之,平均占总孔容的20.85%。

延长组页岩样品
总比表面积为4.71~14.31 m2/g,平均为8.91 m2/g,介孔贡献了主要的比表面积,平均占总比表面积的67.40%,微孔贡献次之,平均占总比表面积的26.41%。

对比来看,长7段页岩样品总孔容为6.16×10-3~16.61×10-3 mL/g,平均为11.64×10-3 mL/g;总比表面积为4.71~7.94 m2/g,平均6.30 m2/g,其微孔、介孔和宏孔的孔容平均值分别为0.55×10-3 mL/g、7.59×10-3 mL/g和
2.31×10-3 mL/g。

长9段页岩样品总孔容为14.33×10-3~24.99×10-3 mL/g,平均为19.00×10-3 mL/g;总比表面积为11.04~14.31 m2/g,平均为11.97
m2/g,其微孔、介孔和宏孔的孔容平均值分别为0.73×10-3 mL/g、13.44×10-
3 mL/g和4.83×10-3 mL/g。

由此可见,长9段页岩样品中微孔、介孔和宏孔孔容及比表面积均大于长7段页岩,这可能与长9段页岩成熟度Ro略高、有机质孔相对较多有关。

综合N2和CO2吸附实验结果,分析了延长探区延长组页岩中微孔和介孔的孔径分布特征,其中微孔孔径分布采用低温CO2吸附实验的DFT模型,介孔孔径分布采
用低温N2吸附实验的BJH模型。

结果表明,延长探区延长组页岩样品微孔孔径
主要分布于0.4~0.9 nm之间,介孔孔径主要分布于3~30 nm之间(图5)。

延长
组页岩平均孔径分布范围为5.75~12.18 nm,均值为8.53 nm,其中长7段页岩样品平均孔径为9.24 nm,长9段页岩样品平均孔径为7.71 nm,较北美地区海
相页岩大(北美地区Barnett页岩、Haynesville页岩、Woodford页岩和Marcellus页岩平均孔径分别为4.0 nm、4.9 nm、5.5 nm和3.9 nm[29])。

比较而言,长9段页岩样品平均孔径小于长7段页岩,笔者认为长9段页岩埋藏较深,所受压实作用较强,使部分介孔及宏孔孔隙减少;有机质成熟度相对较大、有机质孔相对增加(孔径较小),使得长9段页岩平均孔径较小。

基于高压压汞实验结果,分析了延长探区延长组页岩中宏孔的孔径分布特征。

宏孔
孔径分布在高压压汞实验中采用Warshburn方程获得,结果表明,延长探区延长组页岩样品在7~50 nm的介孔范围内进汞量大,一定程度上反映延长组页岩中
有发育较好的中孔孔隙的存在;在0.05~5 μm范围内进汞量相对较小,进汞曲线表现为稍有起伏,表明该区间段内孔隙发育有限;在大于5 μm的区间内进汞量相对增大,表明延长探区延长组页岩样品存在一定量的宏孔(图6)。

长9段页岩进汞量较长7段页岩大,说明长9段页岩较长7段页岩宏孔更为发育。

2.3 孔隙发育的影响因素分析
2.3.1 有机碳含量(TOC)的影响
如图7所示,延长探区延长组页岩样品的微孔孔容与有机碳含量(TOC)呈现一定的正相关性,介孔孔容、宏孔孔容和总孔容与有机碳含量分布较离散,表明延长组页
岩有机碳含量对页岩微孔发育具有较大的影响,但对页岩介孔和宏孔孔容影响不大。

这与前人研究的海相页岩中有机碳含量与孔容呈正相关的认识不同[10,30-32],笔者认为这与研究区延长组页岩埋藏较浅、热演化程度较低、有机质生烃作用较有限、达不到我国南方地区下古生界海相页岩中有机质生烃产生大量介孔孔隙的程度有关。

这也表明陆相页岩中微孔孔隙多发育于有机质中,而介孔和宏孔孔隙主要发育于无机矿物中。

2.3.2 成熟度(Ro)的影响
陆相页岩储层成熟度(Ro)多介于0.5%~1.3%之间,孔隙体积随热演化程度的变化相对于我国南方地区下古生界海相页岩(Ro值大于2%)单调递减的趋势不同[33],具有其自身特征。

延长探区延长组页岩样品Ro值主要介于0.8%~1.1%之间,页岩样品微孔孔容与Ro呈一定的正相关性,介孔、宏孔和总孔容随Ro增加并非呈单调的演化趋势,而是呈现先减小后增加的趋势(图8),而微孔孔容与成熟度Ro 关系并不明显,这与JIANG等[18]的研究结果(孔容与成熟度呈正相关)有所不同,其原因有待进一步研究。

2.3.3 矿物成分含量的影响
延长探区延长组页岩样品中介孔孔容及总孔容与黏土矿物含量之间呈一定负相关性(图9),与脆性矿物含量呈现一定的正相关性。

研究区陆相页岩黏土矿物较北美地区Barnett页岩及我国南方地区下古生界龙马溪组和筇竹寺组海相页岩较高[1,7,34-36],介孔孔容及以介孔孔容为主的总孔容随黏土矿物含量增加而减小,可能与黏土矿物增加后充填在各类孔隙中,反而不利于孔隙的发育有关,如在扫描电镜下可见到的黏土矿物充填粒间孔等,而脆性矿物的存在易于压裂形成较多的孔裂隙,延长组陆相页岩成熟度较低,处于成岩作用A期,矿物溶蚀孔较少。

据王香增等[37]研究表明,孔隙度随石英含量增加而增加。

因此,石英及脆性矿物含量的增加与黏土矿物含量的减少,有利于以介孔为主的延长组陆相页岩孔隙的发育。

(1)延长探区延长组页岩发育多种类型微观孔隙,以粒间孔和粒内孔为主,含少量晶间孔和溶蚀孔,有机质孔则较少,为陆相页岩气赋存提供了储集空间;粒间孔表现为长7段页岩较长9段页岩发育,而有机质孔相反。

(2)延长探区延长组页岩中介孔(2~50 nm)贡献了主要的孔容和比表面积,分别占总孔容和总比表面积的74.37%和64.40%,且长9段页岩中微孔、介孔和宏孔的
孔容及比表面积均大于长7段页岩。

(3)延长探区延长组页岩孔隙结构以狭缝型孔和板状孔为主,微孔、介孔和宏孔的
孔径分别分布在0.4~0.9 nm、3~25 nm和5~200 μm区间段内;延长组页岩平均孔径为8.53 nm,长7段页岩平均孔径大于长9段页岩。

(4)页岩有机碳含量、成熟度Ro及矿物组分含量均对延长探区延长组陆相页岩气
储层孔隙结构特征产生影响,微孔孔容随有机碳含量和成熟度Ro的增加而增加;介孔孔容、宏孔孔容和总孔容随成熟度Ro的增加呈现先减小后增加的趋势;介孔孔容和总孔容随脆性矿物含量的增加与黏土矿物含量的减少而增加。

(5)延长探区延长组陆相页岩孔隙的贡献主要来自于介孔(平均孔容为74.37%),宏孔次之(平均孔容为20.85%),微孔所占比例最小(平均孔容为4.78%),明显不同
于北美地区海相页岩及我国南方地区下古生界海相页岩;矿物成分含量是以介孔孔隙为主的延长组陆相页岩孔隙发育的主控因素,有机碳含量及成熟度Ro的增加主要对页岩中微孔孔隙的发育起到积极作用。

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