湖北来凤地区龙马溪组页岩微观孔隙结构特征

魏国庆, 李 博, 彭传圣, 朱亮亮

(中国华电集团清洁能源有限公司,北京 100160)

湖北来凤地区龙马溪组页岩微观孔隙结构特征

魏国庆, 李 博, 彭传圣, 朱亮亮

(中国华电集团清洁能源有限公司,北京 100160)

页岩的孔隙结构特征对页岩气的储集和运移具有重要影响。以湖北来凤地区LD1井单井分析为基础,运用氩离子抛光—扫描电镜技术对研究区内上奥陶统—下志留统龙马溪组页岩储层的微观孔隙类型进行分析研究,将研究区龙马溪组页岩孔隙分为微裂缝、粒间孔、粒内孔和有机质孔隙四大类;综合利用氮气吸附法及高压压汞法对龙马溪组页岩的孔径大小及分布特征进行了测定,对两种方法测得的孔径分布结果进行了对比分析,并探讨了孔隙发育的主要影响因素。结果表明:①有机质孔隙和微裂缝为研究区龙马溪组页岩孔隙发育的主要形式;②中孔和微孔最为发育,贡献了绝大部分比表面积和孔容,是研究区龙马溪组页岩气赋存的主要场所;③页岩样品中主要矿物成分为石英和粘土矿物,而后者为页岩中孔和微孔大量发育的主要贡献者,其含量与岩样中孔和微孔体积均具有较好的正相关性;④有机碳含量(TOC)为研究区龙马溪组页岩储层孔隙发育的主要控制因素之一,主要通过其热演化生烃作用影响页岩孔隙发育。

龙马溪组;页岩储层;微观孔隙结构;氩离子抛光—扫描电镜;氮气吸附;高压压汞;湖北来凤

近年来,页岩气作为一种新的非常规能源越来越受到人们的重视,相对于煤和石油,页岩气是一种清洁能源[1],国家对页岩气勘探开发的投资力度越来越大。随着中上扬子地区页岩气勘探工作的不断深入,湘鄂西地区龙马溪组页岩已成为中国南方海相页岩气勘探开发的热点之一[2-3]。众所周知,页岩气是以吸附态和游离态为主要形式赋存于泥页岩中的天然气,具有自生自储的特点[4-6]。而页岩作为特低孔渗储层,多种类型的微米—纳米级孔隙发育,孔隙结构复杂,比表面积大,可以吸附储存大量气体[7-9]。因此,页岩的微观孔隙特征对页岩的含气量及页岩气富集主控因素的研究具有重要意义[10-12]。本文以湖北来凤地区LD1井龙马溪组页岩样品分析为基础,通过氩离子抛光—扫描电镜、氮气吸附和高压压汞等实验,对龙马溪组页岩的孔隙类型、孔径分布特征以及页岩孔隙结构的主要影响因素进行了深入分析,研究结果对合理认识湖北来凤地区龙马溪组页岩气的储集和运移机理具有重要指导意义。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验所用页岩样品均取自于湖北省来凤地区LD1井上奥陶统—下志留统龙马溪组岩芯,大多为黑色碳质页岩,通过X射线衍射方法获得的取芯样品矿物组成见表1。

1.2 实验仪器及方法

1.2.1 氩离子抛光—扫描电镜实验

通过ZEISS SIGMA场发射扫描电子显微镜对页岩样品的微观表面形貌和结构特征进行细致观察。制备样品时,采用氩离子抛光技术刻蚀样品表面,通过高速离子束轰击页岩样品的表面,形成常规机械抛光不能获得的超光滑表面,从而可以避免机械抛光过程中对样品表面产生的破坏,保留了页岩样品表面原始的孔隙形貌,之后再在抛光面镀10～20 nm厚的一层金膜,增强抛光面的导电性。

表1 龙马溪组页岩`全岩矿物组成分析表

注:～左为最小值,右为最大值,括号内的数据为平均值。

1.2.2 低压氮气吸附

一般认为,氮气吸附法比较适用于研究固体纳米级孔隙的分布情况[13-15]。研究区页岩的氮气吸附实验仪器为美国MicromeriticsASAP2020比表面积和孔隙度吸附仪,仪器测量孔径范围为0.35～500.00 nm,比表面测量下限为0.000 5 m2/g。测试前,样品首先经过近5 h的高温抽真空处理,以除去样品中残存的束缚水和毛细管水分,之后再以99.999%以上纯度的氮气为吸附质,在-196℃温度条件下测定不同相对压力下氮气的吸附量。再以相对压力为横坐标,单位质量样品的吸附量为纵坐标,记录并绘制氮气吸附—脱附等温曲线。根据BET方程,在相对压力为0.05～0.35范围内绘制BET直线图,获得页岩样品的比表面积。采用DFT或BJH方法计算氮气吸附等温线的脱附分支,得到页岩样品的孔径分布。

1.2.3 高压压汞(MICP)

高压压汞实验采用AutoPore Ⅳ9505全自动压汞仪,仪器最大进汞压力414 MPa,孔径测量范围为3 nm～1 000 μm,进汞和退汞的体积精度<0.1 μL。页岩样品制成岩芯柱后经过24 h的干燥处理,实验最高进汞压力接近200 MPa。

2 实验结果与讨论

2.1 孔隙类型

根据龙马溪组页岩样品在SEM场发射扫描电镜下的观察,来凤地区龙马溪组页岩主要发育微裂缝、粒间孔、粒内孔及有机质微孔等类型。其中,前三种属于无机类型孔隙。

2.1.1 微裂缝

微裂缝发育宽度及延伸长度范围较大,常与少量有机质与粘土矿物共生(图1-a)。其产生的原因,一方面与断层和褶皱等构造运动有关,另一方面也与样品中粘土矿物的脱水等非构造因素相关。页岩中基质孔隙度很小,大量微裂缝的发育可以极大地增加页岩的储集空间,同时为气体的运移提供一定的通道。尤其当储层压裂改造时,微裂缝一般会优先开启,可以大幅提高页岩气的产能。

值得注意的是LD1井龙马溪组页岩的孔隙度特低,范围介于0.06%～2.09%,平均为0.73%,渗透率为0.3×10-6～0.6×10-3μm2,平均为0.046 2 md。与北美商业开采的页岩气孔隙度和渗透率相比(孔隙度为2%～10%、渗透率为1×10-13～1×10-6μm2),区内特低的孔隙度对应着相对较高的渗透率,说明微裂缝大量发育,为页岩储层提供了相当一部分的渗滤通道,有利于页岩气的富集和产出,与焦石坝地区龙马溪组的孔渗特征(孔隙度平均为4.52%、渗透率平均为24.8 md)相似[16]。

2.1.2 粒间孔

页岩中广泛存在粒间孔,在页岩成岩过程中各种颗粒之间的不完全胶结以及后期的成岩改造作用都可以产生粒间孔隙,如果相互连通则可以为页岩气运移提供良好的通道。LD1井龙马溪组黑色页岩中的矿物成分主要为石英和粘土矿物(伊利石),在扫描电镜下,可以观察到少量粘土矿物粒间孔以及黄铁矿颗粒之间的孔隙,同时伴生少量有机质(图1-b)。

2.1.3 粒内孔

粒内孔是在矿物颗粒内部形成的孔隙,主要为矿物溶蚀成因,孔隙形态大部分都不规则。在目的层中发育比例相对偏低,主要为铸模孔,孔的部分或者全部已被溶蚀,颗粒边缘发育微裂缝(图1-c)。

2.1.4 有机质孔隙

有机质孔隙是页岩中最重要的孔隙类型,因其发育于页岩的有机质(生烃部分)内部,由于有机质生烃缩小体积而产生的微孔隙,所以直接与页岩气的生成、运移和储存相关。而且一般页岩的热演化程度(Ro)越高,有机质孔隙越发育[15,17]。来凤地区LD1井上奥陶统—下志留统龙马溪组黑色页岩样品中有机质含量丰富,热演化程度较高(Ro在2.79%～3.32%之间,平均3.11%),发育大量的有机质孔隙,且圆度较高,非均质性强,连通性较好,孔隙边缘显示清晰(图1-d)。

综上,来凤地区龙马溪组页岩的孔隙类型主要包括微裂缝、粒间孔、粒内孔及有机质孔四大类。通过对LD1井11件龙马溪组页岩样品的扫描电镜表征的孔隙类型进行分析统计显示,粒间孔和粒内孔所占比例分别为10%和19%,而有机质孔类型和微裂缝相应所占比例较大,分别达38%和33%,主导了整个孔隙结构,是来凤地区龙马溪组页岩主要的孔隙类型。

2.2 孔隙大小及分布

依据IUPAC的分类标准,根据孔隙直径大小可以将页岩孔隙分为3种类型:微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(>50 nm)[17]。作为重要的页岩气储集空间和运移通道,页岩孔隙的大小及分布对页岩含气性具有重要意义。笔者采用氮气吸附法和高压压汞法对LD1井龙马溪组页岩的孔隙大小及其分布进行了分析和对比。

图1 龙马溪组页岩孔隙Fig.1 Pores of shale in Longmaxi Formation

2.2.1 低压氮气吸附法

氮气吸附实验得到样品的吸附和脱附曲线(图2),根据BDDT分类[18],LD1井龙马溪组页岩样品吸附等温线为Ⅱ型吸附等温线,即中孔类多孔介质的吸附特征:当相对压力值较低时,吸附曲线上升缓慢,吸附和脱附曲线近乎重合,曲线向上微凸,并且曲线不经过原点,说明页岩有一定的微孔发育;当相对压力值较高时,吸附曲线迅速上升,且相对压力值接近1时样品孔隙也没有达到吸附饱和现象,表明页岩样品孔隙结构不规整,而且在相对压力较高区域,页岩样品中发生了毛细管凝聚现象。此外,在相对压力比较高的区域(0.4～1.0),测试样品形成吸附滞回曲线,吸附曲线和脱附曲线不重合。从实验结果分析,LD1井龙马溪组页岩样品的吸附滞回线形状均较为相似,根据IUPAC分类[15,19],其形状与H3类型较为接近,表明样品中存在一定量的狭缝形孔。但总体而言,样品的滞回线形态是多种典型滞回线形态的复合叠加,表明样品孔隙是由各种形状和结构的孔隙综合构成的。

根据BET方程,计算得到样品的比表面积、孔体积及平均孔径(表2)。根据计算结果,LD1井龙马溪组泥页岩样品的比表面积为5.35～15.2 m2/g,平均值为10.38 m2/g;孔体积为0.007～0.013 cm3/g,平均孔体积为0.010 1 cm3/g。

表2 样品的比表面积、孔体积、平均孔径数据表

因为样品中发育一定量的微孔,所以采用全孔分析模型DFT法对等温曲线的脱附分支曲线进行分析,获得LD1井页岩样品的孔径分布情况(图3)。统计结果显示:微孔孔体积占总孔体积的29.5%～39.6%,平均为35.95%;中孔孔体积占总孔体积的54.1%～58.5%,平均为56.38%;大孔孔体积占总孔体积的2.8%～16%,平均为7.67%。总体上,来凤地区龙马溪组页岩孔隙以中孔为主,微孔次之,大孔最少。其中,1～10 nm的中孔及微孔最为发育,占总孔体积的48.7%～83%,平均为67.08%,为页岩中吸附气的富集提供了大量空间。

图2 A10、A31号样品的氮气吸附—脱附曲线图Fig.2 N2 adsorb-desorb curve for A10、A31 sample

图3 岩样孔径分布曲线Fig.3 Distribution curve of pore size for shale samples

2.2.2 高压压汞法

高压压汞法可以反映不同大小孔喉段孔隙的发育情况及孔隙之间的连通性,从来凤地区龙马溪组页岩储层段的压汞测试资料看,毛管压力曲线表现为低孔隙度、低渗透率,进汞压力大(>10 MPa),大多进汞的压力普遍在60 MPa。孔径分布方面(图4),中孔占绝大多数,达到77.14%～89.65%,平均为82.77%;其次是微孔,占9.78%～22.86%,平均为16.83%;大孔最少,占0%～2.65%,平均为0.44%,大孔孔径一般在200～1 500 nm之间。

与氮气吸附法得到的孔径分布结果对比,两种方法得到的孔径分布趋势大体一致,即研究区龙马溪组页岩中孔隙发育主要以中孔为主,其次为微孔、大孔。一般认为,高压压汞法对于大孔和较大的中孔测量较为准确,氮气吸附法对于微孔和较小的中孔识别较好[20-21]。针对本次LD1井龙马溪组页岩孔隙测试,基于高压压汞法得到的中孔所占总孔隙体积的比例(平均82.77%)要明显大于低压氮气法得到的中孔所占总孔隙体积的比例(平均56.38%)。这可能由于高压压汞法测量样品孔径分布是依靠驱替过程测量得到的,孔截面的大小变化对测试结果的影响较大。因为汞侵入固体中互相连通的较大孔道比较容易,但如果一个大孔只有一个狭小的入口(孔道),那么汞要充满这个大孔,只有当压力达到了高于它的狭小入口(孔道)的半径对应的压力后,才可能充满整个大孔,这样计算出来的分布孔径将小于实际的孔径。所以LD1井龙马溪组页岩中的大孔和较大的中孔的孔喉可能普遍较为狭小,连通性较差。总体而言,鉴于高压压汞法对大孔的检测较为可靠,对微孔和孔径较小的中孔测量结果存在较大的误差,所以笔者认为采用低压氮气吸附法的测量结果来反映LD1井龙马溪组页岩中的中孔和微孔的分布特征较为准确。

所以,来凤地区龙马溪组页岩的孔隙体积以中孔体积为主,其次是微孔,大孔相对发育较少。研究区龙马溪组页岩具有较大的比表面积,可为吸附气提供大量的存储空间,能够吸附相当量的页岩气。LD1井龙马溪组页岩现场解吸气含量最高达到3.73 m3/t,就是最好的佐证。

图4 岩样孔径频率分布Fig.4 Distribution of pore size frequency for shale samples

2.3 页岩孔隙发育控制因素分析

影响页岩孔隙发育的因素很多,包括有机碳含量(TOC)、有机质成熟度(Ro)、干酪根类型、无机矿物组分、湿度及地层压力等。LD1井龙马溪组页岩样品的矿物成分以石英和粘土矿物为主,页岩中的粘土矿物粒度细,易形成层间微孔隙,具有较高的微孔和中孔孔隙体积及较大的比表面积(较强吸附性能),贡献了页岩中主要的微孔和中孔孔隙体积。

对龙马溪组页岩样品中粘土矿物含量与微孔、中孔孔隙体积之间的关系进行分析(图5),可以看出样品的粘土矿物含量与微孔、中孔的孔隙体积之间均具有较好的正相关性。

另外,对页岩有机碳含量与孔隙体积之间进行相关分析(图6),可以看出二者具有较好的正相关性,且有机碳含量与比表面积之间同样具有比较好的正相关性,说明有机碳含量是页岩孔隙发育的主控因素之一。有机碳含量影响页岩孔隙发育的主要方式是有机碳的热演化生烃作用,当有机质已高成熟甚至过成熟时,生气的同时即消耗自身物质产生孔隙[22-23]。LD1井龙马溪组页岩纵向上,下部页岩有机碳含量要高于上部页岩,实验结果也显示对应的下部页岩的孔隙度也要高于上部。结合2.1所述龙马溪组页岩样品扫描电镜表征的孔隙类型分析统计结果,有机质孔类型所占比例达38%,表明LD1井龙马溪组页岩有机碳含量在龙马溪组孔隙结构的发育过程中具有重要作用。

图5 粘土矿物含量与孔体积关系图分布Fig.5 Relationship between clay minerals and pore volume

图6 TOC 与孔体积/比表面积的关系图Fig.6 Relationship between TOC and pore volume/BETa.TOC与孔体积的关系;b.TOC与比表面积的关系。

3 结论

(1) 应用氩离子抛光—扫描电镜技术对湖北来凤地区龙马溪组页岩孔隙进行分类研究,结果显示龙马溪组页岩孔隙主要包括微裂缝、粒间孔、粒内孔和有机质孔隙等四大类,其中有机质孔隙和微裂缝为主要的孔隙形式;

(2) 氮气吸附法与高压压汞法相结合,分析研究了研究区页岩孔隙分布特征及连通情况,页岩孔隙中中孔最为发育,其次为微孔,大孔相对不发育,其中,中孔和微孔贡献了绝大部分比表面积和孔容,是页岩气赋存的主要场所;

(3) 粘土矿物是来凤地区龙马溪组页岩中的中孔和微孔发育的主要贡献者,其含量与中孔和微孔孔隙体积具有较好的正相关性;

(4) 有机碳含量(TOC)为研究区龙马溪组页岩储层孔隙发育的主要控制因素之一,主要通过其热演化生烃作用影响页岩孔隙发育。

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(责任编辑：陈姣霞)

Micro Pore Structure Characteristics of Longmaxi FormationShale in Laifeng Area of Hubei Province

WEI Guoqing, LI Bo, PENG Chuansheng, ZHU Liangliang

(ChinaHuadianGreenEnergyCO.LTD,Beijing100160)

The micro pore structure of shale has a very important impact on gas storage and migration. Based on the analysis of LD1 Laifeng area in Hubei,Ar-ion milling-SEM technology is used to study the micro pore types of lower Silurian Longmaxi Formation shale reservoirs,and the pores are divided into four types including micro-fractures,intergranular pores,intragranular pores and organic matter pores.The paper comprehensively uses the nitrogen adsorption and mercury intrusion methods to study the characteristic of pore size and distribution of Longmaxi Formation shale and analyzes the two results leaded by the two methods,discusses the main factors of influencing the pores development.The results show that:①Organic matter pores and micro-fractures are the main shale pore forms of Longmaxi Formation shale in study block.② Meso-pores and micro-pores are the most,which contribute most of the BET and total pore volumes,and they are the main place of shale gas storage.③The main mineral composition of shale samples are quartz and clay minerals,and the latter is the main contributor to meso-pores and micro-pores development.The content of clay minerals and meso-pores and micro-pores volumes has a good positive correlation.④TOC is one of the main pore controlling factors of Longmaxi Formation shale in study block,which affects the shale pores development through hydrocarbon generation of organic matters.

Longmaxi Formation; shale reservoir; micro pore structure; Ar-ion milling-SEM; nitrogen adsorption; mercury intrusion; Laifeng in Hubei

2015-06-26;改回日期:2015-09-15

国土资源部页岩气探矿权项目(编号：GT2012YQTKQCR0001)、中国华电集团公司重点项目(编号：CHDKJ14-01-09)联合资助。

魏国庆(1982-),男,工程师,构造地质学专业，从事页岩气勘探开发与评价工作。E-mail:weigq@cg.com.cn

P618.13

A

1671-1211(2016)02-0188-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.012

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1056.020.html 数字出版日期:2016-03-03 10:56