貴州鳳岡地區早寒武世牛蹄塘組頁巖孔隙結構特征

陳 潔

(江蘇長江地質勘查院,江蘇 南京 210046)

頁巖氣是產自極低孔滲、富有機質暗色泥頁巖地層中的天然氣,具有資源潛力大、開采周期長等優點[1-3]。頁巖是低孔低滲儲集層,頁巖孔裂隙結構不僅影響孔隙中氣體的賦存狀態,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構,是研究頁巖儲層孔隙、空間結構、滲流特征、賦存特征和頁巖氣可采性的基礎[4-5]。全國頁巖氣資源潛力評價結果[6]表明,貴州省頁巖氣地質資源量約10.48萬億m3,頁巖氣資源豐富,是我國重要的頁巖氣遠景區。貴州鳳岡地區構造復雜,地層巖石破碎,對頁巖孔隙結構特征的系統研究較少,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構參數,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提供參考。

1 地質概況

研究區位于黔北—黔中分區黔北臺隆遵義斷拱鳳岡NNE向構造變形區。區內震旦紀之后的沉積蓋層發育變形構造,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。區內牛蹄塘組底界面總體為NNE向復向斜,深度為-250～-5 500 m,落差>50 m的斷層有15條,牛蹄塘組較大規模的斷層有9條,斷層多數為逆斷層(圖1)。

圖1 研究區構造地質簡圖[12]Fig. 1 Structural geological map of the study area [12]

根據研究區QZ02井資料,牛蹄塘組主要為黑色碳質頁巖,上部為灰黑色、黑色含砂質頁巖,中下部為黑色碳質頁巖,底部為黑色碳泥質硅質巖、含磷硅質巖,夾石煤。下部含磷硅質巖及碳泥質硅質巖為缺氧環境,為局限臺地靠近陸緣的沉積環境;向上砂質含量增加,碳質含量減少,為深水陸棚沉積,逐漸由強還原環境轉化為弱氧化環境。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)。研究區牛蹄塘組形成在較穩定、水體滯留的沉積環境,有利于有機質的保存[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豐度和熱演化程度為頁巖微孔隙的發育奠定了基礎。

QZ02井牛蹄塘組頁巖XRD礦物成分分析結果見表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礦物成分及相關參數

黏土礦物可吸附頁巖中的有機質及氣體,在有機質向烴轉化的過程中具有催化作用,對烴源巖中有機質富集及頁巖氣成藏具有重要作用。研究區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

頁巖中的孔隙結構較復雜,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],分別選取相應的測試方法對最優孔隙段進行測試,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育特征及其連通性。研究區早寒武世牛蹄塘組暗色頁巖主要發育有機質孔(圖3(a))、粒內孔(脆性礦物粒內孔(圖3(b))和黏土礦物粒內孔、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,多為橢圓形或不規則凹坑形及少量月牙形。此外,測試樣品裂縫較發育,縫寬一般0.4～10 μm,少數可達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Fig. 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]。液氮吸附實驗統計結果如表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果

(2)吸附-脫附曲線及其孔隙特征。根據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上略有差別,但整體呈反S形,根據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,一直持續到相對壓力接近1.0時也未呈現吸附飽和現象,表明樣品在吸附氮氣的過程中發生了毛細孔凝聚現象;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,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構[25],本次分析樣品屬于H2型,其特征為吸附曲線平穩上升,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、圓錐狀等無定型態孔隙,可能與頁巖中黏土礦物顆粒片狀疊層結構有關[6],且孔隙聯通,微孔發育,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。實驗結果基本可反映孔徑>3.75 nm的孔隙孔隙度、孔徑結構、孔隙類型與分布特征,但無法實現對孔徑<3.75 nm孔隙的測試。

(1)孔隙度。泥頁巖是泥質沉積物經過長期的成巖作用和后期變化改造的綜合產物,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,發現研究區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,孔隙系統研究是頁巖儲層評價的重要內容。高壓壓汞實驗結果顯示,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果

毛管壓力曲線形態有3種孔隙類型(圖7),相應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,喉道分布區間較分散;毛管壓力曲線略靠近右側,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 結論

(1)貴州鳳岡地區早寒武世牛蹄塘組頁巖中各種孔隙發育較齊全,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孔、粒內孔、礦物粒間孔及裂隙等類型,孔徑多數為100 nm～5 μm,裂縫較發育,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、圓錐狀等無定型態孔隙,聯通性好,有利于頁巖氣的吸附、聚集及運移。