鄂尔多斯盆地南部延长组页岩微观储集空间特征

史 鹏,姜呈馥,孙兵华,高栋臣

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安 710075)

鄂尔多斯盆地南部延长组页岩微观储集空间特征

史 鹏,姜呈馥,孙兵华,高栋臣

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安 710075)

以鄂尔多斯盆地三叠系延长组泥页岩为研究对象,采用岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜分析、比表面积及孔径分布分析和等温吸附实验等方法,研究页岩气储层微观储集空间的类型、成因及微观孔隙结构.结果表明:延长组泥页岩微孔隙与矿物的形成与转化存在一定联系,微孔隙中次生孔隙是不稳定矿物溶解和矿物成岩转化过程体积收缩等作用的综合结果.泥页岩孔径分布主要在10～30 nm之间,孔径分布特征与页岩比表面积具有较好的对应关系.根据等温吸附一脱附曲线形态,将研究区微孔隙形态分为四类,研究区以第Ⅱ类微孔隙结构为主,页岩气的解吸效率相对较高.该研究结果为明确研究区延长组页岩微观储集空间特征及页岩气赋存机理提供指导.

微观储集空间;孔径分布;孔隙结构;页岩;延长组;鄂尔多斯盆地

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.008

0　引言

页岩气资源在北美地区成功的开发利用对世界能源格局及天然气市场供应产生巨大影响.页岩气勘探开发越来越受到重视,被认为是常规油气的重要接替.近年来,在政策支持和技术进步的推动下,我国页岩气在勘探和开发方面取得突破性的进展,勘探主要集中于海相页岩层系,如四川盆地、鄂西地区及上扬子区等[1-2],其中四川盆地涪陵页岩气田已经进入商业开发阶段.鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩层系取得陆相页岩气的突破,证明陆相页岩气具有巨大的资源潜力和良好的勘探前景[3-7].

在沉积环境、构造背景、储集层特征、页岩气形成条件与富集规律等方面,陆相页岩气储层与海相页岩气储层存在一定差异.页岩气储层的孔隙远远小于常规砂岩和碳酸盐岩储层的,孔径达到纳米级.页岩储集空间的类型、成因及孔隙结构特征对页岩气的储集和运移有重要的影响,但针对陆相页岩储集空间研究相对较少[8-11].笔者选择鄂尔多斯盆地南部延长组页岩为研究对象,分析延长组页岩微观储集空间的类型、成因及其结构,为该地区陆相页岩气的赋存机理及形成机制研究提供参考.

1　地质背景

鄂尔多斯盆地是发育在华北克拉通之上的多旋回叠合盆地[12-13],晚古生代二叠纪以后发育陆相沉积体系,其中晚三叠世暖湿气候及湖泊沉积环境为陆相页岩气的形成提供良好的基础条件.

研究区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡南部甘泉和富县地区(见图1),区域构造为平缓的西倾单斜,地层倾角小于1。,平均坡降为7～8 m/km,内部构造简单,局部具有差异压实形成的低幅度鼻状隆起.研究区地层自上古生界以来发育齐全,中生界主要发育三叠系刘家沟组、和尚沟组、纸坊组和延长组地层.根据标志层和沉积旋回将延长组自上而下划分为10段,作为该地区主要烃源岩的页岩层系发育于长9段和长7段.长9段顶部和长7段中下部主要发育深湖一半深湖相黑色页岩,即李家畔页岩和张家滩页岩.这两套页岩在盆地内稳定分布,是重要的区域标志层.

图1　研究区位置Fig.1 Study area location

2　储集空间类型及成因

2.1宏观储集空间类型

鄂尔多斯盆地延长组泥页岩气储层储集空间分为宏观和微观两类,不同地区、岩系的储层空间类型存在差异.研究区泥页岩气储层的宏观储集空间主要为层理缝,层理缝的形成主要受沉积作用控制,不同岩性或矿物组成的泥页岩互层分布,在接触面处形成层理缝.同时,层理面往往是岩石力学性质的薄弱面,在外力作用下极易发生破裂、滑脱,形成泥页岩储层重要的储集空间类型.现场岩心浸水实验可见泥页岩中大量气体沿层理面逸出,表明泥页岩层理缝为有效的含气储集空间类型.

2.2微观储集空间类型

2.2.1微裂缝类型

鄂尔多斯盆地南部延长组泥页岩微观储集空间类型多样,包括微孔隙和微裂缝两类.微裂缝分为构造缝和非构造缝两类,其中构造缝分为张性缝、剪性微缝和张剪微缝;非构造缝分为压裂缝、成岩收缩缝(包括脱水收缩缝、矿物相变缝)及有机质演化异常压力缝等(见图2).研究区泥页岩扫描电镜观察可见,各类构造微裂缝的长度和开度变化较大,如YY5井1 450.4 m长7段泥页岩微裂缝长度约为120μm,宽度为2～3μm,长宽比为40～60(见图2(a)).此外,还可见黏土矿物成岩转化过程的各类成岩收缩缝(见图2(c-d)).

图2　延长组泥页岩微裂缝特征Fig.2 Micro fracture characteristics of Yanchang formation shale

2.2.2微孔隙类型

研究区泥页岩储层微观孔隙类型主要包括粒间孔、粒内孔、晶间孔、次生溶蚀孔及有机质微孔[12-14](见图3).微孔隙的形成与矿物的形成、转化存在一定的关系,如石盐(NaCl)晶体,在结晶时与周围的矿物颗粒之间和自身晶体之间,可以形成微孔隙,并且连通性较好;重晶石的不规则堆叠在晶体之间残留较多的微孔隙(见图3(d)).此外,泥页岩储层微孔隙主要包括黄铁矿晶间、磷灰石矿物晶间和方解石晶间等微孔隙,以纳米级为主,以及与它伴生的晶一粒微孔隙和粒间微孔隙等.

图3　延长组泥页岩微孔隙类型Fig.3 Micro pores types of Yanchang formation shale

次生溶蚀孔隙在延长组泥页岩微观储集空间组成中占有重要地位,扫描电镜下可见大量发育的溶蚀微孔隙,在几百纳米至几微米之间,是泥页岩储层中孔隙直径较大的微观孔隙类型(见图3(a)).

2.3次生溶蚀孔隙成因

研究区泥页岩次生孔隙是不稳定矿物溶解,如长石、方解石、白云石等溶蚀和矿物成岩转化过程体积收缩等作用的综合结果.如YY5井长7段泥页岩微孔隙周围矿物能谱分析显示,元素主要为Si、Al、Na和O,为钠长石发生易溶蚀形成的微孔隙(见图4(a));YY7井长7段泥页岩微孔隙周围矿物能谱分析显示,元素主要为Si、Al、K和O,为钾长石发生易溶蚀形成的微孔隙(见图4(c)).

从同生阶段到埋藏成岩作用初期,泥页岩储层中有机质演化生成大量有机酸和偏基性斜长石的溶蚀,其中偏基性斜长石先溶蚀,原因是吉布斯自由能最低.从埋藏成岩作用初期到中成岩阶段A期,主要进行偏酸性斜长石、钾长石的溶蚀和黏土矿物的转化.钾长石的溶蚀可以为蒙脱石的伊利石化提供需要的K+.蒙脱石向伊利石转化消耗K+,进一步促进钾长石的溶蚀.另外,有机质的成熟对蒙脱石伊利石化的反应速率具有促进作用,有利于形成溶蚀孔隙;蒙脱石向伊利石转化脱出层间水,导致层间塌陷,颗粒体积收缩也增加孔隙度.

图4　延长组泥页岩溶蚀微孔隙及元素分析Fig.4 Dissolution micropores character of Yanchang formation shale

在钾长石溶蚀到伊利石生成过程中,产生约10%的额外空间,并且形成自生石英沉淀.泥页岩中石英体积分数与储层孔隙度呈较好的正相关关系(见图5),一方面伊利石化过程中增加的孔隙度体现在形成的自生石英体积分数上;另一方面自生石英与碎屑石英共同起骨架支撑作用,保留一定的原生孔隙,同时增强泥页岩的脆性,有利于形成微裂缝.

图5　延长组页岩孔隙度与石英体积分数关系Fig.5 Shale porosity and quartz content relational graph of Yanchang formation shale

3　页岩微观储集空间结构

根据国际纯化学和应用化学联合会(IUAPC)孔隙分类:微孔直径＜2 nm,中孔直径为2～50 nm,大孔直径＞50 nm[15].采用全自动比表面积及孔径分析仪,其分析精度:比表面积为0.1×10-3m2/g,孔径为0.35 nm,孔容为0.110-3m L/g.

3.1孔径分布与比表面积

研究区泥页岩孔隙以中孔为主,平均孔径主要分布在10～30 nm之间,比表面积最小为4.22 m2/g,最大为13.96 m2/g,平均为7.83 m2/g.

根据孔径分布特征,将研究区泥页岩储层分为四类:第Ⅰ类样品,孔隙直径最小,分布集中,呈单峰态(见图6(a-b));第Ⅱ类样品,孔隙直径分布较分散,呈多峰态(见图6(c-d));第Ⅲ类样品,孔隙直径较大,分布分散,无峰值或不明显(见图6(e-f));第Ⅳ类样品,孔隙直径最大,孔隙分布也不够集中(见图6(g-h)).这四类样品平均孔径与泥页岩样品比表面积呈较好的负相关关系,第Ⅰ类样品比表面积最大,第Ⅳ类样品比表面积最小(见图7).

图6　延长组页岩孔径分布特征分类Fig.6 Classification of Yanchang formation shale pore size distribution

图7　延长组页岩平均孔径分布类型与比表面积关系Fig.7 Correlation between types of pore size distribution and specific surface area of Yanchang formation shale

3.2微观孔隙结构分析

主要根据低温氮气吸附法获得的等温吸附一脱附曲线形态研究微观孔隙结构.页岩实验样品的吸附曲线和解吸曲线不重合,产生吸附滞后现象,通过形成的滞后环形态可以反映泥页岩样品的孔隙结构[16-17].

吸附剂中微孔的容积称为孔容,通常以单位质量吸附剂中吸附剂微孔的容积表示,孔容越大,吸附量越大.通常一端封闭的不透气性孔不产生吸附回线,开放性透气性孔产生吸附回线;但“墨水瓶“形态的特殊形态微孔即使一端是封闭的,也可以产生吸附回线,并且有明显标志,即解吸分支有一个相对急剧下降的拐点[18-20](G点)(见图8(a)).

图8　延长组页岩典型样品吸一脱附曲线及孔径分布Fig.8 Adsorption-desorption isotherms and pore size distribution of typical sample of Yanchang formation shale

研究区页岩储层吸附回线形态复杂.如YY5-4号样品,微孔径集中分布范围为3.00～5.00 nm(图8(b)),当相对压力接近G点时,吸附量没有继续下降,而是出现一个短暂的平台.随着相对压力继续下降,吸附量又开始快速减少.G点的存在表明YY5-4号样品存在“墨水瓶“型孔隙.当压力降到G点时,相对压力约为0.743,瓶颈处凝聚的液体开始蒸发;当瓶颈处液体蒸发完时,压力已经远小于瓶体液体蒸发需要的相对压力,因此出现吸附量快速减小现象(见图8).

由Kelvin方程可以求得G点对应的孔隙直径为6.33 nm,即YY5-4号样品孔隙直径为6.33 nm左右的孔为“墨水瓶“型孔隙.不同样品的滞后回线开始产生时对应的相对压力、吸附量及孔隙直径不同.

研究区泥页岩的滞后回线开始时对应的相对压力最小为0.440,最大为0.865,大部分处在0.4～0.6之间,对应的孔隙直径最小为2.290 nm,最大为12.962 nm,大部分处在2.29～2.50 nm之间.

滞后曲线与吸附曲线重合表明气体更容易解吸;形成滞后回线表明气体解吸速率低.根据滞后回线的形态及回线出现的分压点,按照气体解吸能力,研究区微孔隙形态分为四类:第Ⅰ类微孔隙结构最好(见图9(a)),其次是第Ⅱ类微孔隙结构(见图9(b)),再次是第Ⅲ类微孔隙结构(见图9(c)),第Ⅳ类微孔隙结构的气体解吸能力最差(见图9(d)).鄂尔多斯盆地南部延长组泥页岩以第Ⅱ类微孔隙结构为主,气体的解吸效率相对较高(见图10).

图9　延长组页岩样品滞后回线分类Fig.9 Classification of Yanchang formation shale hysteresis loop

图10　延长组页岩样品各类型滞后回线频率统计Fig.10 Each type of hysteresis loop frequency statistics of Yanchang formation shale

4　结论

(1)鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩微观储集空间由微裂缝和微孔隙组成.微裂缝分为构造缝和非构造缝,构造缝分为张性微缝、剪性微缝和张剪微缝;非构造微裂缝分为压裂缝、成岩收缩缝及有机质演化异常压力缝.微孔隙主要包括粒间孔、粒内孔、次生溶蚀孔、晶间孔和有机质微孔等类型.微孔隙的形成与各种矿物的形成、转化有关.次生孔隙是不稳定矿物溶蚀和矿物成岩转化过程的体积收缩等作用的综合结果.

(2)泥页岩平均孔隙直径主要分布在10～30 nm之间,比表面积最小为4.22 m2/g,最大为13.96 m2/ g,平均为7.83 m2/g.根据孔径分布特征将研究区泥页岩储层分为四类,从第Ⅰ类样品到第Ⅳ类样品,平均孔隙直径逐渐增大,并且与页岩比表面积呈较好的负相关关系;第Ⅰ类样品比表面积最大.

(3)根据滞后回线的形态及回线出现的分压点,研究区微孔隙形态可以分为四类,从第Ⅰ类到第Ⅳ类微孔隙结构,气体解吸能力逐渐变差.鄂尔多斯盆地南部延长组泥页岩以第Ⅱ类微孔隙结构为主,气体的解吸效率相对较高.

[1] 郭彤楼,张汉荣.四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集高产模式[J].石油勘探与开发,2014,41(1):28-36. Guo Tonglou,Zhang Hanrong.Formation and enrichment mode of Jiaoshiba shale gas field,Sichuan basin[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(1):28-36.

[2] 郭旭升,胡东风,文治东,等.四川盆地及周缘下古生界海相页岩气富集高产主控因素一一一以焦石坝地区五峰组一龙马溪组为例[J].中国地质,2014,41(3):893-901. Guo Xusheng,Hu Dongfeng,Wen Zhidong,et al.Major factors controlling the accumulation and high productivity in marine shale gas in the lower Paleozoic of Sichuan basin and its periphery:A case study of the Wufeng-Longmaxi formation of Jiaoshiba area[J].Geology in China,2014,41(3):893-901.

[3] 王香增,高胜利,高潮.鄂尔多斯盆地南部中生界陆相页岩气地质特征[J].石油勘探与开发,2014,41(3):294-304. Wang Xiangzeng,Gao Shengli,Gao Chao.Geological features of Mesozoic continental shale gas in south of Ordos basin,NW China [J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(3):294-304.

[4] 雷宇,王凤琴,刘红军,等.鄂尔多斯盆地中生界页岩气成藏地质条件[J].油气田开发,2011,29(6):49-54. Lei Yu,Wang Fengqin,Liu Hongjun,et al.Geological conditions for shale gas accumulation in Ordos basin Mesozoic[J].Oil and Gas Field Development,2011,29(6):49一54.

[5] 杨镱婷,张金川,王香增,等.陆相页岩气的泥页岩评价一一一以延长下寺湾区上三叠统延长组长7段为例[J].东北石油大学学报, 2012,36(4):10-17. Yang Yiting,Zhang Jinchuan,Wang Xiangzeng,et al.Source rock evaluation of continental shale gas:A case study of Chang7 of Mesozoic Yanchang formation in Xiasiwan area of Yanchang[J].Journal of Northeast Petroleum University,2012,36(4):10-17.

[6] 姜呈馥,王香增,张丽霞,等.鄂尔多斯盆地东南部延长组长7段陆相页岩气地质特征及勘探潜力评价[J].中国地质,2013,40(6): 1880-1888. Jiang Chengfu,Wang Xiangzeng,Zhang Lixia,et al.Geological characteristics of shale and exploration potential of continental shale gas in 7th member of Yanchang formation,southeast Ordos basin[J].Geology in China,2013,40(6):1880-1888.

[7] 徐士林,包书景.鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩气形成条件及有利发育区预测[J].天然气地球科学,2009,20(3):460-465. Xu Shilin,Bao Shujing.Preliminary analysis of shale gas resource potential and favorable areas in Ordos basin[J].Natural Gas Geoscience,2009,20(3):460-465.

[8] 王香增,张金川,曹金舟,等.陆相页岩气资源评价初探:以延长直罗一下寺湾区中生界长7段为例[J].地学前缘,2012,19(2):192-197. Wang Xiangzeng,Zhang Jinchuan,Cao Jinzhou,et al.A preliminary discussion on evaluation of continental shale gas resources:A case study of Chang7 of Mesozoic Yanchang formation in Zhiluo-Xiasiwan area of Yanchang[J].Earth Science Frontiers,2012,19(2): 192-197.

[9] 杨峰,宁正福,胡昌蓬,等.页岩储层微观孔隙结构特征[J].石油学报,2013,34(2):301-311. Yang Feng,Ning Zhengfu,Hu Changpeng,et al.Characterization of microscopic pore structures in shale reservoirs[J].Acta Petrolei Sinica,2013,34(2):301-311.

[10] 郭旭升,李宇平,刘若冰,等.四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩微观孔隙结构特征及其控制因素[J].天然气工业,2014,34(6): 1-8. Guo Xusheng,Li Yuping,Liu Ruobing,et al.Characteristics and controlling factors of micro-pore structures of Longmaxi shale play in the Jiaoshiba area,Sichuan basin[J].Natural Gas Industry,2014,34(6):1-8.

[11] 赖锦,王贵文,郑懿琼,等.低渗透碎屑岩储层孔隙结构分形维数计算方法一一一以川中地区须家河组储层41块岩样为例[J].东北石油大学学报,2013,37(1):1-8. Lai Jin,Wang Guiwen,Zheng Yiqiong,et al.Method for calculating the fractal dimension of the pore structure of low permeability reservoirs:A case study on the Xujiahe formation reservoir in central Sichuan basin[J].Journal of Northeast Petroleum University, 2013,37(1):1-8.

[12] 董大忠,邹才能,李建忠,等.页岩气资源潜力与勘探开发前景[J].地质通报,2011,30(2/3):324-336. Dong Dazhong,Zou Caineng,Li Jianzhong,et al.Resource potential,exploration and development prospect of shale gas in the wholeworld[J].Geological Bulletin of China,2011,30(2/3):324-336.

[13] 王社教,李登华,李建忠,等.鄂尔多斯盆地页岩气勘探潜力分析[J].天然气工业,2011,31(12):40-46. Wang Shejiao,Li Denghua,Li Jianzhong,et a1.Exploration potential of shale gas in the Ordos basin[J].Natural Gas Industry, 201l,31(12):40-46.

[14] 张烨毓,周文,唐瑜,等.鄂尔多斯盆地三叠系长7油层组页岩储层特征[J].成都理工大学学报:自然科学版,2013,40(6):671-676. Zhang Yeyu,Zhou Wen,Tang Yu,et al.Characteristics of shale reservoir rocks in Member7 of Triassic Yanchang formation in Ordos basin,China[J].Journal of Chengdu University of Technology:Science&Technology Edition,2013,40(6):671-676.

[15] Rouquerol J,Avnir D,Fairbridge C W,et al.Recommendations for the characterization of porous solids[J].Pure&Applied Chemistry,1994,66(8):1739-1785.

[16] 梁兴,张廷山,杨洋,等.滇黔北地区筇竹寺组高演化页岩气储层微观孔隙特征及其控制因素[J].天然气工业,2014,34(2):18-26. Liang Xing,Zhang Tingshan,Yang Yang,et al.Microscopic pore structure and its controlling factors of overmature shale in the lower Cambrian Qiongzhusi Fm,northern Yunnan and Guizhou provinces of China[J].Natural Gas Industry,2014,34(2):18-26.

[17] 田华,张水昌,柳少波,等.压汞法和气体吸附法研究富有机质页岩孔隙特征[J].石油学报,2012,33(3):419-427. Tian Hua,Zhang Shuichang,Liu Shaobo,et al.Determination of organic-rich shale pore features by mercury injection and gas adsorption methods[J].Acta Petrolei Sinica,2012,33(3):419-427.

[18] 杨超,张金川,唐玄.鄂尔多斯盆地陆相页岩微观孔隙类型及对页岩气储渗的影响[J].地学前缘,2013,20(4):241-250. Yang Chao,Zhang Jinchuan,Tang Xuan,et al.Microscopic pore types and its impact on the storage and permeability of continental shale gas,Ordos basin[J].Earth Science Frontiers,2013,20(4):240-250.

[19] 陈萍,唐修义.低温氮吸附法与煤中微孔隙特征的研究[J].煤炭学报,2001,26(5):552-556. Chen Ping,Tang Xiuyi.The research on the adsorption of nitrogen in low temperature and micro-pore properties in coal[J].Journal of China Coal Society,2001,26(5):552-556.

[20] 薛华庆,王红岩,刘洪林,等.页岩吸附性能及孔隙结构特征一一一以四川盆地龙马溪组页岩为例[J].石油学报,2013,34(5):826-831. Xue Huaqing,Wang Hongyan,Liu Honglin,et al.Adsorption capability and aperture distribution characteristics of shales:Taking the Longmaxi formation shale of Sichuan basin as an example[J].Acta Petrolei Sinica,2013,34(5): 826-831.

TE121.2

A

2095-4107(2015)05-0071-09

2015-09-02;编辑:任志平

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2012KTZB03-03)

史 鹏(1984-),男,硕士,工程师,主要从事非常规油气地质方面的研究.