河南义马地区页岩气储层孔隙非均质性

张晓波, 左兆喜, 张 超, 司庆红, 张 义

1)中国地质科学院, 北京 100037; 2)中国矿业大学资源与地球科学学院, 江苏徐州 221116; 3)中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170



河南义马地区页岩气储层孔隙非均质性

张晓波1), 左兆喜2), 张 超3), 司庆红3), 张 义2)

1)中国地质科学院, 北京 100037; 2)中国矿业大学资源与地球科学学院, 江苏徐州 221116; 3)中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170

摘 要:运用高压压汞、液氮吸附及渗透率测试等实验, 利用极差、突进系数、变异系数等参数, 表征煤系页岩孔渗特征及孔隙层间非均质性, 分析孔隙层间非均质性主控因素。结果表明: 河南义马地区上、下石盒子组泥页岩微孔与小孔较为发育, 山西组大孔较为发育, 分别提供了气体吸附附着面积和储存运移空间;上石盒子组孔容与孔径相对偏差最小, 孔隙分布均匀, 山西组比表面积相对偏差最小, 表面积分布均匀;随围压增大, 渗透率不断降低, 且满足负指数相关关系; 渗透率级差、突进系数和变异系数显示下石盒子组渗透率非均质性较弱, 山西组渗透率非均质性很弱, 更易于压裂开发。非均质性宏观上主要受沉积物质组成和构造改造作用影响, 微观上受成岩演化影响。

关键词:煤系页岩气储层; 孔隙结构; 非均质性; 河南义马地区

本文由中国地质调查局项目“华北地区页岩气基础地质调查与潜力评价”(编号: 12120114020301)和中国博士后科学基金第八批特别资助“煤系页岩气储层非均质性对可改造性控制的微观机理研究”(编号: 2015T80595)联合资助。

中国海陆过渡相页岩气可采资源量达到8.97×1012m3, 多以煤系页岩气为主; 煤系页岩气储层具有垂向岩性变化大、单层泥页岩厚度小、有机质丰度高、含气量大、孔隙度与渗透率低, 层间非均质性强等特点(姜在兴, 2013; 曹代勇等, 2014; 琚宜文等, 2014; Chen et al., 2015a), 而层间非均质性决定了页岩气储层垂向上物性、岩性的分段, 压裂水平段长度、簇间距、段数、规模等参数的选取(裘亦楠和薛叔浩, 2001; 于翠玲, 2007; Chen et al., 2015b; 王志刚, 2015; Xiong et al., 2015)。位于河南中牟县的牟页1井压裂成功并获得稳定气流表明南华北盆地海陆过渡相页岩气极具潜力。义马地区大地构造位置处于南华北盆地西部, 广泛发育二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组煤系泥页岩, 是煤系非常规气含气量高的层位。因此以义马盆地煤系页岩气储层为例, 根据TOC、高压压汞、低温液氮及渗透率测试数据, 分析泥页岩钻井样品的有机地化特征、孔隙结构特征和渗透率特征, 揭示储层孔隙层间非均质性特征, 可为非均质性页岩气系统的划分、煤系页岩气有利区优选及试井开发工艺优化提供基础依据。

1 煤系页岩气储层特征

1.1构造环境与沉积特征

义马地区由近东西向、北东向、北西向的断裂围限而成的三角形断块(渑池断块)及相邻断块构成,南部近东西向硖石—义马断裂为逆冲压扭性断裂带,形成于印支期; 西部为北东向断裂带, 由数条平行排列的压扭性正断层组成, 有燕山期火成岩侵入;东北为北西向断裂带, 由岸上断层及旁侧次级构造组成, 具有多期活动特征(图1)(曹代勇和苏顺金, 1988)。

区内褶皱为一向东南倾伏的开阔平缓单斜, 广泛发育二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组煤系泥页岩。石炭—二叠系煤系主要岩性为煤、泥岩、粉砂岩互层, 以分流河道迁移为特征, 煤系页岩气储层形成于海进和海退的三角洲平原沉积(图2, 3)。山西组属三角洲含煤建造体系, 二1煤形成后, 随海水退出, 三角洲推进, 发育水下分流河道沉积、泥炭沼泽和分流间湾沉积(曹召丹, 2014)。下石盒子组岩性特征从下到上为正粒序的沉积模式并逐渐过渡为泥岩沉积, 向上有细砂岩和粉砂岩的形成并夹有炭质泥岩, 上石盒子组主要岩性为灰色或深灰色细粒砂岩、中砂岩、砂质泥岩夹灰黄色细粒石英砂岩, 均属三角洲平原沉积亚相(胡斌等, 2012)。

1.2有机地化特征

经本研究有机质类型测试, 本区太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组有机质类型均为Ⅲ型, Ro普遍高于1.1%, 具有生烃潜力; ZK302井样品镜质体反射率随深度增加, 总体呈现增高趋势(图4)。泥页岩TOC含量较高, 介于0.43%～9.67%之间, 平均为2.17%。TOC与样品层位及岩性密切相关, ZK402钻井样品TOC变化相对较小, 均在1%左右(图4)。

1.3孔渗特征

图1　义马煤盆地构造简图与钻孔位置Fig. 1 Structural sketch map showing drill hole position of Yima coal basin

图2　义马地区ZK302钻井岩性柱状图(中国地质调查局天津地质调查中心部署实施)Fig. 2 Lithologic column of ZK302 well in Yima area (deployed and implemented by Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey)

图3　义马地区ZK402钻井岩性柱状图(中国地质调查局天津地质调查中心部署实施)Fig. 3 Lithologic column of ZK402 well in Yima area (deployed and implemented by Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey)

图4　样品Ro与TOC值随埋深的变化趋势图Fig. 4 Ro and TOC trend with the buried depth of samples

对ZK302井和ZK402井取样, 分别自上而下编号, 进行压汞、液氮和脉冲渗透率实验, 仪器型号分别为AutoPore IV 9500全自动压汞仪、ASPS2020比表面积及孔隙分析仪、PDP-200脉冲渗透率测试仪。

(1)压汞特征

测试表明, 泥页岩总孔容为0.005 6～ 0.016 1 mL/g, 平均为0.010 4 mL/g; 比表面积为1.42～5.65 m2/g, 平均为3.42 m2/g; 平均孔径为9.9～ 15.7 nm, 平均为12.54 nm; 孔隙度为1.22%～3.38%,平均为2.22%。地层由新到老, 总孔容、比表面积大体上呈现下降趋势。随埋深增加, 样品孔径分布由以微孔占主导地位的单峰, 演化为以大孔和微孔为主导的双峰分布。上部样品孔隙为均匀分布, 半封闭型的微孔和小孔发育而大孔较少, 岩层封盖性较好, 向下大孔的含量先减少后增加, 逐步成为主体孔隙。下部样品孔隙呈现出两端发育, 而中孔较少, 分别提供了吸附附着面积和储存运移空间。从上到下, 孔隙度大体上呈现下降趋势(图5)。储层孔径集中在5～20 nm, 随深度加深, 表面积的分布曲线由单峰态转化成复杂多峰态, 表明下部储层孔径结构复杂, 非均质性增强。

(2)低温液氮特征

总孔容和孔径整体起伏较小, 比表面积波动较大。平均孔径为7.02～17.94 nm, 平均为10.23 nm; 平均总孔容为6.30～14.07 mm3/g, 平均为9.198 7 mm3/g;平均比表面积为1.322 2～6.865 1 m2/g, 平均为3.929 5 m2/g。总体孔径8～11 nm, 平均孔径较大, 总孔容较小。

由吸脱附曲线类型(图6)可知, 曲线为H3型滞后回线, 表明孔隙以四周开放的平行板孔为主, 孔隙发育均匀, 连通性较好, 利于气体运移。Z4-3的微孔比例最高, Z4-1微孔比例最低。当相对压力达到0.8时, 累计吸附量呈较大幅度增长, 表明样品内部含有大孔, 且其孔容较大; 相对压力在0.5时,脱附线有较大幅度下降, 表明样品存在墨水瓶型孔。整体上样品孔容较小, 微孔含量较少, 孔隙类型多以半封闭孔和封闭孔为主, 孔径分布不均且平均孔径较大。

(3)脉冲渗透率特征

脉冲渗透率仪PDP-200测量范围0.000 01～ 10 md(图7), 垂直于岩层钻取Z3-2、Z3-3样品渗透率测试结果如图6。随围压增大, 渗透率降低, 满足负指数关系且相关性很好。垂向来看, Z3-2较Z3-3埋深较浅, 孔隙度值较高, 渗透率较大。

图5　压汞曲线与阶段孔径分布特征Fig. 5 Curves of mercury injection & ejection and the distribution of pores by HPMI

图6　吸附脱附曲线与孔隙分布图Fig. 6 Absorption-desorption curves and distribution of pores by N2-GA

图7　PDP-200脉冲衰减渗透率仪测试结果Fig. 7 Permeability of shale in Yima area tested by PDP-200

图8　样品的孔体积及比表面积分布Fig. 8 Pore volume and specific surface area distribution of samples

图9　孔隙参数相对偏差雷达图Fig. 9 Radar chart of relative deviation of pore parameters

表1　氮气吸附法计算页岩分形维数Table 1 Fractal dimension calculated by parameters from the N2-GA

2 孔隙层间非均质性

2.1孔隙非均质性

根据压汞孔径大小可将页岩气储集空间划分为超大孔(>100 000 nm)、大孔(1 000～100 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)、小孔(10～100 nm)、微孔(0～ 10 nm)(陈尚斌等, 2013)。样品不同孔径范围孔体积及比表面积所占比例表明(图8), 本区样品从下到上微孔含量先增加后减少, 其中大孔对总孔容的贡献先减少后增加, 中孔含量变化不明显, 小孔含量呈减少趋势。在表面积所占百分比中, 微孔对比表面积的贡献最突出, 从下到上呈现较稳定趋势; 小孔也占有一定比例, 对比表面积有贡献; 大孔和中孔则在表面积上的贡献微小。丰富的微孔和小孔孔隙提供大量的表面积, 有利于页岩气的吸附和储存(于炳松, 2013)。

利用相对偏差对储层孔隙非均质性表征, 从液氮数据获得比表面积、总孔容和孔径按样品编号与埋深的相对偏差数值, 得到其相对均值偏离程度(图9)。上石盒子组总孔容与孔径相对偏差最小。山西组比表面积相对偏差最小, 表明其表面积分布均匀。按层间非均质性分析可知上石盒子组孔隙结构良好, 分布较其他组均匀, 对页岩气的储存有利,其次为山西组。

通常运用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型法计算低温液氮吸附下固体分形维数:

表2　义马盆地含煤地层渗透率非均质参数统计表Table 2 Heterogeneity parameters calculated by permeability of Yima

构建Ln(LnP0/P)为自变量, LnV为因变量的方程, 根据斜率即可求出多孔材料的分形维数D(图10), D值介于2～3之间, 越大则非均质性越强(沈金松和张宸恺, 2008)。由此可知, 本区孔隙层间非均质性明显, 山西组孔隙复杂程度较大, 非均质性程度强于下石盒子组, 上石盒子组非均质性程度最小(表1)。

2.2渗透率非均质性

图10　泥页岩样品分形拟合Fig. 10 Fractal fitting of the pores in shale

运用级差( J k = Km a x/ Km i n)、突进系数(Tk=Kmax/Kaver)、变异系数(Vk=Kstdev/Kaver)来表征渗透率层内非均质性, 表2中数值由各样品在300 psi时的渗透率测试值计算而得。依据标准(方少仙和侯方浩, 2006), 本区页岩气储层非均质性具有如下特征:

ZK302井Z3-2、Z3-3、Z3-4样品渗透率级差Jk均较小, 突进系数Tk值均小于2, 变异系数Vk值均小于0.5, 为均质型, 但山西组Tk值、Vk值更小, 表明该井下石盒子组非均质性很弱, 山西组非均质性最弱。ZK402井Z4-1、Z4-2级差Jk均较大, 突进系数Tk值均大于2, 变异系数Vk值均大于0.5, 为较均匀型; Z4-3为均匀型, 均质性好。表明该井下石盒子组非均质性较弱, 山西组非均质性很弱。

3 非均质性影响因素

(1)沉积-成岩条件。义马地区煤系泥页岩沉积环境主要为分流河道, 分流间湾和河口砂坝(胡斌等, 2012)。分流间湾环境TOC较高, 有机质孔隙体积和比表面积较大, 吸附能力较强。分流河道及河口砂坝脆性矿物含量较多, 抗压强度较大, 作为储层主要骨架能够维持孔隙形态。黏土矿物对页岩孔隙有填充作用, 特别是其定向发育的平行板状孔增加了孔隙非均质性, 且在注水条件下发生溶胀, 不利于页岩气开发压裂。温度、压力、流体等成岩条件, 控制着煤系泥页岩有机质生烃孔、晶间孔、粒间孔、粒内孔及溶蚀孔发育情况, 影响页岩气在泥页岩中的赋存、运移、扩散、渗流。

(2)构造条件。义马地区经历多期次构造改造,印支期南北向、燕山期北西向压扭性和燕山晚期北东向压-扭-张性复杂构造变形对页岩气储层裂隙发育有益, 易于提高储集性能, 形成有利的渗流通道;盆地南部印支期逆冲断层有利于页岩气保存。燕山晚期北东向复杂构造变形对页岩气保存具有负面影响。

4 结论

(1)上、下石盒子组泥页岩微孔与小孔较为发育,山西组大孔较为发育, 分别提供了气体附着面积和储存运移空间。

(2)上石盒子组孔容与孔径相对偏差最小, 山西组比表面积相对偏差最小, 表面积分布均匀。上石盒子组孔隙结构良好, 分布较其他组均匀, 对页岩气储存有利, 其次为山西组。

(3)随围压增大, 渗透率不断降低, 满足负指数相关关系; 渗透率级差、突进系数、变异系数显示。ZK302井下石盒子组非均质性很弱, 山西组非均质性最弱。ZK402井下石盒子组非均质性较弱, 山西组非均质性很弱。非均质宏观上主要受沉积物质组成和构造改造作用影响, 微观上受成岩演化影响。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. 12120114020301) and China Postdoctoral Science Foundation (No. 2015T80595).

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Interlayer Heterogeneity in Pore Structure of Shale Gas Reservoir in the Yima Area, Henan Province

ZHANG Xiao-bo1), ZUO Zhao-xi2), ZHANG Chao3), SI Qing-hong3), ZHANG Yi2)
1) Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116; 3) Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey, Tianjin 300170

Abstract:The pore permeability of coal-bearing shale and the heterogeneity of the pore layer were characterized by using high-pressure mercury intrusion (HPMI), low-pressure nitrogen gas adsorption (LP-N2A) and pulse decaying permeability instrument (PDP). The main factors of heterogeneity between layers were analyzed. The results show that the micropores and mesopores of Upper and Lower Shihezi Formation shale are well developed, which provide attachment area and space for gas storage and transport. The macropores of Shanxi Formation are extensively developed, which provide space for gas storage. The relative error of pore volume and diameter of the Upper Shihezi Formation is very small, and the pore volume is distributed evenly. The relative error of specific surface area of Shanxi Formation is insignificant, the pore surface area is distributed evenly. With the increasing of confining pressure, the permeability constant is reduced, and meets the negative exponential relationship. The Lower Shihezi Formation has comparatively large differential, onrush and variation coefficient of permeability, which shows weak heterogeneity, and the Shanxi Formation with the weakest heterogeneity is considered to be easily developed. The macro heterogeneity is mainly affected by the sedimentary composition and tectonic reworking, while the micro heterogeneity is affected by diagenetic evolution.

Key words:shale gas reservoir of coal-bearing; pore structure; heterogeneity; Yima area in Henan

中图分类号:TE122.23; P534.46

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.11

收稿日期:2015-12-19; 改回日期: 2016-03-24。责任编辑: 闫立娟。

第一作者简介:张晓波, 男, 1982年生。硕士, 工程师。主要从事新能源资源评价与管理工作。E-mail: zhangxiaobo@cags.ac.cn。