微米CT在烃源岩微观结构表征方面的应用
2016-06-18黄振凯陈建平王义军王华建邓春萍
黄振凯,陈建平,王义军,王华建,邓春萍
(1. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京 100083;2. 中国石化 石油勘探开发研究院,北京 100083;3 .南京大学 地球科学与工程学院,南京 210093;4. 中国石油 勘探开发研究院,北京 100083;5. 大庆油田有限责任公司 第一采油厂,黑龙江 大庆 163000)
微米CT在烃源岩微观结构表征方面的应用
黄振凯1,2,3,4,陈建平4,王义军5,王华建4,邓春萍4
(1. 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京100083;2. 中国石化 石油勘探开发研究院,北京100083;3 .南京大学 地球科学与工程学院,南京210093;4. 中国石油 勘探开发研究院,北京100083;5. 大庆油田有限责任公司 第一采油厂,黑龙江 大庆163000)
摘要:对松辽盆地白垩系青山口组一段烃源岩的微观结构进行微米CT的三维成像研究。其微观结构特征为:孔隙直径主要在0.7~25 μm之间,孔隙类型主要以粒间孔隙、晶内孔隙为主,孔隙在孔喉的连接下形成连通性较好的孔隙通道。生物碎屑(或有机质)大小由几微米到几百微米不等,主要分布在中等密度的矿物基质中,生物类型以浮游生物和介壳类生物为主。微米CT三维重建技术为精细刻画岩石微观结构特征提供了新的研究方法和手段,但也存在诸如成像分辨率、二维切片的图像处理以及实验结果的地质代表性等问题,针对上述问题产生的原因进行了探讨并提出了初步的解决方案。
关键词:微米CT;微观结构;烃源岩;白垩系;松辽盆地
随着北美页岩油气的成功勘探开发,页岩层系的油气资源也越来越受到重视[1-5]。作为页岩油气的储集空间,烃源岩体系的岩石微观结构则成为了页岩油气基础研究的热点。目前针对岩石微观结构表征的方法主要有定性和定量2个方面。定性的研究手段包括扫描电镜、场发射电镜[6-7]、环境扫描电镜[8-9]、聚焦离子束(FIB)扫描电镜[10-13]等,扫描电镜等技术虽然可以获得微纳米级孔隙的平面(二维)形貌特征[14-15],但是对于岩石内部孔隙的三维空间分布及其连通性等信息则无从获取。相比之下,聚焦离子束技术可以获得分辨率很高的二维平面图像和基于3D重构后的岩石孔隙三维空间分布信息,但由于成像过程中的有损扫描导致样品无法进行其他后续分析,使得该技术在研究过程中的应用受到了一定程度的限制。定量研究手段包括气体吸附法(CO2和N2吸附)和压汞法,2种方法联用可获得连通孔隙的孔径分布、大小等信息[16]。
X射线断层成像技术(X-CT)可对岩石样品进行快速无损扫描成像,通过对扫描获得的二维切片图像进行三维重构,可获取不同岩石组构的空间分布[17],对微纳米级别岩石微观结构特征进行刻画。 本文采用Xradia微米级 CT(Micro-CT 最大分辨率 0.7 μm)对松辽盆地白垩系青山口组一段湖相烃源岩进行CT扫描和三维重构,并对其微观结构进行刻画,同时针对分析过程中存在的一些问题进行了探讨。
1实验条件、样品基本参数
实验过程中使用Xradia 公司基于实验室光源的微米CT,射线源工作电压为40 kV,使用Tomography模式对样品进行图像采集,采集速度为20 秒/张,扫描6 h。
研究过程中选用2块松辽盆地白垩系青山口组典型烃源岩样品,地球化学、岩石学分析结果表明:样品A有机质含量相对较低,有机碳含量1.5%,孔隙度相对较高,平均孔隙度为8.3%;黏土矿物含量50.7%,石英含量21.7%,斜长石和白云石含量18.7%,黄铁矿及菱铁矿含量6.8%,含有少量的钾长石和方解石,含量约占2.1%;镜质体反射率为0.6%。样品B有机质含量相对较高,有机碳含量4.1%,孔隙度相对较低,平均孔隙度为5.4%;黏土矿物所占百分比较高,含量为65.4%,石英含量21%,斜长石、方解石含量10.1%,黄铁矿含量3.5%;样品中见微小介壳类化石,镜质体反射率为0.9%。
2样品制备及实验过程
由于X射线对烃类、空气等低密度物质无法有效区分,因此实验过程中为更好地获得烃源岩样品内部的微观结构信息,实验前将2块样品分别制备成1 mm左右大小块体,氯仿低温循环抽提72 h,去除样品内部的烃类物质,N2吹干备用。首先分别针对2块样品进行CT扫描,获取样品内部的二维切片图像,根据样品内部的微观结构特征选取典型区域进行高分辨图像分析与三维重构。使用平均孔隙度相对较高的样品A进行孔隙的大小、形态及空间分布的刻画,使用有机质丰度相对较高的样品B对其有机质的微观结构特征进行刻画。
3实验结果分析
3.1二维微观结构特征
使用微米CT低分辨率模式对样品整体进行扫描并获得其整体形貌信息,分辨率4 μm,样品A获得976张CT二维切片,样品B获得978张CT二维切片。通过微米CT的二维扫描切片可以发现,2块样品都具有非常明显的非均质性,样品A,B的二维切片在孔隙、裂缝、无机矿物、有机质的形状、大小及空间分布都存在明显的差异。
样品A中不同位置(352、396、425切片)表面无机矿物分散分布(图1中白色亮点),颗粒边界明显,切片中见微裂缝及大量微米级孔隙(图1中黑色暗点)。图1a切片中微裂缝为无机矿物充填,裂缝平面延伸约300 μm;图1b切片中微裂缝为半充填,裂缝平面延伸150 μm;图1c切片中裂缝消失。切片中未见明显有机质形态,孔隙类型主要为粒间孔隙,通过Xradia切片图像测量模块统计,孔隙直径大小为7~30 μm。
样品B中不同位置(489、521、624切片)矿物和结构与样品A存在较大差异,无机矿物主要以较大的团块(颗粒)形式存在(图2中白色亮点);矿物主要为石英和颗粒状黄铁矿,颗粒形态及边界明显,见大量生物碎屑,介壳类生物内部被无机矿物半充填,形态清晰,大小约为320~400 μm;生物碎屑中见少量孔隙,样品中未见较大微裂缝,孔隙类型主要为粒间孔隙、有机质孔隙,通过Xradia切片图像测量模块统计,孔隙直径大小为5~40 μm。
图1 松辽盆地白垩系青山口组烃源岩样品A不同位置微米CT扫描二维切片
图2 松辽盆地白垩系青山口组烃源岩样品B不同位置微米CT扫描二维切片
3.2三维微观结构特征
为了避免样品制备过程中产生的人造裂缝对样品孔隙空间分布的影响,选择样品中心位置(图1a,2a中黄色虚线区域)的扫描切片,进行三维数值模拟与3D立体重构。 根据二维切片图像中灰度的差异(图3a)将其划分为4种物质属性:(1)密度属性较高的矿物,如黄铁矿、菱铁矿等;(2)密度属性中等的矿物,如石英、黏土矿物等;(3)密度属性较低的物质,如生物碎屑,有机质(沥青)等;(4)密度属性极低的物质,如样品孔隙或裂缝中的气体等。使用Avizo 等软件对样品的不同物质属性特征,赋予不同的属性信息,并对属性信息进行数值模拟与对比,最终获得样品中不同物质属性的岩石组成的空间分布。本文主要对样品A和B中的微纳米级孔隙与生物碎屑(有机质)的空间分布特征进行探讨。根据CT二维切片的数值重构,样品主要的微观结构特征如下:
(1)孔隙的大小、形态及空间分布。孔隙直径主要为0.7~25 μm,其中直径小于2 μm的微米级孔隙所占比例相对较大,孔隙在孔喉的连接下形成连通性较好的孔隙通道,连通的孔隙呈管状或球状(图3c)。较小的微米级孔隙主要以球状或短管状分布在矿物颗粒内部或表面,多属于粒间孔隙、晶内孔隙。除连通孔隙外,图3c中仍有较多的孤立孔隙,但其中部分孤立孔隙实际上也是相互连通的。由于微米CT的分辨率只能将高于0.7 μm左右的孔隙或喉道识别出来,而这些孤立的孔隙完全可以通过在样品中存在的纳米级别的孔喉连接起来,并形成具有一定连通性的孔隙通道,因此如果要精细刻画纳米级孔喉的空间分布及形态,则需要使用分辨率更高的纳米CT。
(2)生物碎屑(有机质)的大小、形态及空间分布。由于样品B自身的热演化程度不高(Ro=0.9%),有机质向烃类转化的程度也相对较低,因此生物碎屑中仍然存在一定量的具备生烃能力的有机质。如果以介壳类生物的CT衬度属性信息作为标定其他有机质的标准,通过对样品3D重构模型的数值模拟与对比(图4a,b),可以得到有机质在样品中的分布情况(图4a中为红色区域,图4b中为黄色区域),将生物碎屑(或有机质)属性信息进行提取后可以获得其空间分布。由图4c可以发现,生物碎屑(或有机质)的大小由几微米到几百微米不等,生物残体的形态及边界较清晰,生物类型以浮游生物和介壳类生物为主。这些生物碎屑(或有机质)在岩石中主要分布在中等密度的矿物基质中,如与黏土矿物结合形成有机黏土复合体等[18-19],同时在介壳类生物碎屑中也见到一些高密度充填物质,如黄铁矿、菱铁矿等。
图3 松辽盆地白垩系青山口组烃源岩样品A的微米CT三维重构及孔隙空间分布
图4 松辽盆地白垩系青山口组烃源岩样品B的微米CT三维重构及生物碎屑(有机质)空间分布
4微米CT应用过程中存在的问题
微米CT三维重建技术为精细刻画页岩油、气研究领域中所关注的烃源岩微观结构特征提供了新的研究方法和手段,但仍存在一定的问题。
4.1CT的分辨率问题
由于微米CT自身的分辨率只能达到0.7 μm,也就是说其只能对直径在0.7 μm以上的岩石微观结构进行识别,这使得样品的3D重构过程中一些在孔隙之间起到连通作用的纳米级孔喉无法识别,导致重构结果中出现很多孤立孔隙的假象,对正确的认识烃源岩的微观孔隙结构产生一定的影响。因此在后续的研究过程中需要根据实际情况,选取样品中典型研究区进行纳米CT的高精度、高分辨率扫描,进而获得较为全面的烃源岩微观结构信息。
4.2扫描图像(二维切片)处理问题
现有的CT技术只能够对样品进行扫描和简单的重构,主要根据扫描的二维切片中不同灰度值进行较粗的信息提取,这种图像处理方法可以满足常规储层的微观结构特征的研究,但对于相对致密的烃源岩样品来讲,现有的图像处理方法不能完全满足孔隙连通系数、孔隙度或渗透率等岩石物性参数分析。
4.3实验结果的地质代表性问题
CT技术可以快速、直观地获得岩石样品中的微观结构特征,但样品分析的尺寸非常小(通常情况下微米CT使用的样品大小只有几毫米,纳米CT使用的样品只有几十微米),而地质条件下地层在盆地不同构造部位和不同沉积相带中存在明显的有机、无机非均质性,且沉积厚度和分布面积都要远远大于实验过程中所使用样品的尺度级别,因此通过个别样品的CT分析所得到的微观结构特征并不能代表实际地质体。在这一方面的研究过程中需要对盆地不同构造、不同沉积相带的样品进行大量的分析与地质统计,才有可能得到相对可信的地质认识。
5结论与认识
(1)利用微米CT的三维重建技术可以获得样品中岩石组成、孔隙大小、形态、连通性及空间分布等微观结构特征。松辽盆地白垩系青山口组一段典型烃源岩样品孔隙类型主要以粒间孔隙、晶内孔隙为主,孔隙的直径主要为0.7~25 μm,孔隙在孔喉的连接下形成连通性较好的孔隙通道;生物碎屑(或有机质)的大小由几微米到几百微米不等,主要分布在中等密度的矿物基质中,其形态及边界较清晰,生物类型以浮游生物和介壳类生物为主。
(2)微米CT三维重建技术为精细刻画烃源岩微观结构特征提供了新的研究方法和手段,但也存在诸如成像分辨率、二维切片的图像处理以及实验结果的地质代表性等问题,需要在研究过程中通过多种实验手段相结合,进而得到较为全面的烃源岩中不同尺度微观结构特征。
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(编辑黄娟)
Application of micron CT in the characterization of microstructure in source rocks
Huang Zhenkai1,2,3,4, Chen Jianping4, Wang Yijun5, Wang Huajian4, Deng Chunping4
(1.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing100083,China;2.PetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China; 3.SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210093,China; 4.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,CNPC,Beijing100083,China; 5.FirstOilProductionPlantofDaqingOilFieldCompany,Daqing,Heilongjiang163000,China)
Abstract:Three dimensional imaging micron CT was used to observe microstructure character of hydrocarbon source rocks in the first member of Cretaceous Qingshankou Formation of the Songliao Basin. The pore diameter is in the range of 0.7-25 μm, and the pore types are mainly intergranular and intragranular. Pore channels are formed with connected pore throats. The sizes of biological detritus (or organic matter) are micrometers to a hundred micrometers, mainly distributed in medium-density mineral matrix, and the biological types are mainly plankton and shellfish organisms. As a new tool and research method, the micron CT 3D reconstruction technology can be applied for the description of microstructure character in rocks. However, there are still some problems such as image resolution, image processing of 2D scans and the geological representativeness of the experimental results. In this paper, reasons for these problems have been discussed and subsequently preliminary solutions have been put forward.
Keywords:micron CT; microstructure; source rock; Cretaceous; Songliao Basin
文章编号:1001-6112(2016)03-0418-05
doi:10.11781/sysydz201603418
收稿日期:2015-04-09;
修订日期:2016-03-28。
作者简介:黄振凯(1985—),男,博士,工程师,从事非常规油气地质与地球化学研究。E-mail:huang_zhenkai@163.com。
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB239101)和中国石油天然气股份有限公司项目(2014A-0211)资助。
中图分类号:TE135
文献标识码:A