恩施来凤—鹤峰地区龙马溪组与大隆组页岩孔隙特征及其控制因素

陈 林, 李明龙, 王明华, 郭洪涛, 刘洪林

(湖北省地质局 第二地质大队,湖北 恩施 445000)

恩施来凤—鹤峰地区龙马溪组与大隆组页岩孔隙特征及其控制因素

陈 林, 李明龙, 王明华, 郭洪涛, 刘洪林

(湖北省地质局 第二地质大队,湖北 恩施 445000)

页岩孔隙结构控制着页岩气存储机制及其渗流行为。采用场发射扫描电子显微镜、低压氮气吸附技术对恩施来凤—鹤峰地区上二叠统大隆组和上奥陶统—下志留统龙马溪组富有机质页岩的孔隙结构进行研究。结果表明:研究区大隆组和龙马溪组富有机质页岩孔隙主要可以分为4个类别,即有机质中的孔隙、矿物颗粒间的孔隙、矿物颗粒和有机物之间的孔隙以及微裂隙;页岩样品比表面积均值为10.01 m2/g,为致密砂岩气储层比表面积的5倍以上,样品孔容均值为13.69 cm3/g;页岩孔隙类型以一端封闭盲孔为主,同时具有一定量平行板状孔和墨水瓶状孔。页岩孔隙发育特征受控于TOC含量与粘土矿物含量。

页岩;孔隙;大隆组;龙马溪组;控制因素;恩施

页岩气已成为当前重要的能源之一,与常规天然气岩石储层微米级孔隙相比,页岩孔隙通常是纳米级尺寸,且具有极其复杂的孔隙结构[1]。近年来,页岩复杂的孔隙结构系统引起了页岩气勘探方面的广泛关注,因为孔隙结构不仅控制着天然气的存储容量,而且影响气体传输动力学。因此,孔隙结构的量化是估计页岩储层储气能力和预测天然气产能的关键[2]。通常采用页岩的总孔隙度、孔隙体积、比表面积(SSA)、页岩的孔隙大小分布(PSD)等对孔隙特征进行表征。页岩孔隙结构定性研究手段主要采用先进的成像技术,包括聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)和场发射扫描电镜,传播电子显微镜(FE-SEM / TEM)。这些成像技术被成功用于页岩孔隙形状、大小的表征[3]。

研究区地处恩施来凤—鹤峰一带,地质构造上属扬子地块鄂西褶断带之宜都—鹤峰复背斜构造带。该区广泛分布上奥陶统—下志留统龙马溪组、上二叠统大隆组等富有机质泥页岩层系,其厚度较大、有机碳含量高,是本区主要的页岩气勘查目的层系,尤其大隆组是在新区勘查的新层系。但是,目前对其孔隙结构特征等研究薄弱。因此,为深入揭示主要目的层的微观结构特征,探讨页岩气富集规律,以指导该区下一步页岩气勘探和开发工作,特选择龙马溪组、大隆组为对象进行研究。本文采用扫描电镜、低压氮气吸附等手段对鄂西恩施地区富有机质页岩孔隙形态、孔隙体积进行研究,尝试研究孔隙类型、孔隙结构之间的关系,并探讨其控制因素。

1 实验样品与实验方法

1.1 实验样品

在鄂西恩施州鹤峰和来凤地区地层露头采集8件新鲜页岩样品,其中上奥陶统—下志留统龙马溪组和上二叠统大隆组各4件,采样地点如图1所示。地球化学分析结果表明样品有机碳含量较高,平均值为3.26%,为富有机质页岩(表1)。X衍射分析结果表明页岩矿物成分相对较为复杂,其中含量最高为石英,其次为粘土矿物,此外还具有一定量的斜长石、方解石和黄铁矿等矿物。

图1 采样位置简图Fig.1 Sampling location map

表1 研究区大隆组、龙马溪组页岩有机碳及矿物成分含量(单位:%)Table 1 Organic carbon and mineral composition content of organic shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

1.2 实验方法

样品扫描电镜观察采用JSM-6390LV扫描电镜,分析观察前首先对样品进行了抛光处理,扫描电镜对样品放大30～300 000倍,可以用来定性分析2 nm以上孔隙;低压(0～101.3 kPa)N2吸附等温线分析由美国康塔仪器公司Autosorb-iQ-MP 型全自动比表面和孔径分布仪完成。N2吸附实验前,样本先在真空炉110 ℃温度下自动脱气约14 h;N2吸附相对压力(P/P0)范围为0.009～0.995,采用BET模型与BJH模型分别计算出页岩样品比表面积与孔容。页岩孔隙划分标准采用国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)分类方法,将孔隙分为三类:大孔(>50 nm)、中孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)。

2 结果与讨论

2.1 基于FE-SEM图像孔隙形态分析

扫描电镜可以用来定性分析孔隙微观结构,图像可以清晰识别纳米级孔隙和微米尺寸孔隙。分析结果表明,有机质页岩孔隙可以分为4个类别:位于有机质中的孔隙,位于矿物颗粒之间的孔隙,位于矿物颗粒和有机物之间的孔隙以及微裂隙。以上这些类型孔隙在富有机质海相页岩中较为常见。有机质孔隙多成椭圆形和圆形(图2-A),值得注意的是有机质孔隙多为孤立孔隙,相对之间连通性较差,孔隙直径多<100 nm;相比之下,有机质与矿物颗粒粒间孔的孔形多不规则,为细长形孔隙和三角形孔隙,孔隙长度从纳米级到微米级,孔隙之间连通性相对较好(图2-B);非有机质矿物粒间孔发育类型多样,有黄铁矿粒间孔、石英颗粒粒间孔和粘土矿物粒间孔等,由于页岩中粘土和石英构成矿物的主体,因此非有机质矿物粒间孔构成了页岩孔隙空间的主体(图2-C、E);此外,裂隙也是页岩中常见的孔隙类型,微裂隙通常发生在有机质和矿物之间,宽度往往不超过20 nm,长度达到厘米级(图2-F),微裂缝网络连通了各种类型的孔隙,提供了气体运输的重要通道。

图2 研究区大隆组、龙马溪组富有机质页岩孔隙扫描电镜特征(A、B、C、F为大隆组样品,D、E为龙马溪组样品)Fig.2 Pore SEM characteristics of the organic-rich shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

2.2 页岩吸附解吸实验对孔隙形态的表征

已知低压N2气体吸附能够分析描述多孔介质材料。N2吸附、解吸等温线吸附回线模式能够探讨页岩物理吸附机制和孔隙结构特点[4]。国际纯粹与应用化学联合会根据吸附回线不同形态类型将其分为4个大类。其中Ⅰ型与Ⅳ型回线在较宽范围内分别垂直于X轴与Y轴,Ⅱ型与Ⅲ型介于二者之间。Ⅰ型吸附回线代表孔隙直径范围分布较窄的孔隙或者球形颗粒聚集成的孔隙;Ⅱ型吸附回线代表比Ⅰ型回线更宽的孔隙范围;Ⅲ型回线由片状或窄缝状孔隙构成;Ⅳ型回线反应了更窄的孔隙直径,通常在相对高压下并没有吸附显示。

经测试,页岩样品吸附回线类型如图3所示,由图中可以看出H2,H3,H5,H6兼具Ⅱ型和Ⅲ型吸附回线特征(H7,H8与其回线特征类似),相对压力低压段滞后环较小,表明孔隙类型以一端封闭盲孔为主,P/P0>0.4范围内回滞环明显增大,表明该范围内孔隙以开口型为主,样品回线均有明显下折趋势,表明页岩样品具有单边封闭墨水瓶状孔[5];样品H4为Ⅲ型回线,回线与吸附线基本平行,表明样品孔隙以平行板状孔为主;样品H1不具有回滞环,表明该样品主要为单边封闭盲孔。样品孔隙主要由有机质和石英等矿物表面组成,页岩含量较高的粘土矿物发育大量粒间孔,孔隙多为平行状的开放孔,部分孔隙受压实作用或堵塞作用影响而形成盲孔。

图3 研究区龙马溪组、大隆组有机质页岩氮气吸附和解吸特征Fig.3 Nitrogen adsorption and desorption features of the organic-rich shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

恩施来凤—鹤峰地区龙马溪组、大隆组页岩比表面积与孔容如表2所示,由表中可以看出样品比表面积范围为1.86～23.1 m2/g,均值为10.01 m2/g,为致密砂岩比表面积均值2.13 m2/g的5倍[6],表明页岩具有更大比表面积,为天然气吸附提供了更大的场所。页岩孔径值由BJH模型得出(图4),样品孔径多集中在3～5 nm之间,样品均具有一个峰值,表明在此范围内孔隙数量较多。按照孔径分类标准该范围为中孔范畴,样品具有的拖尾现象表明页岩亦含有一定量的大孔或过渡孔。本区页岩样品孔容均值为13.69 cm3/g,与以吸附气为主的煤孔隙相比[7],页岩样品孔容更高,更有利于天然气的赋存。

表2 研究区龙马溪组、大隆组有机质页岩孔隙结构参数Table 2 Pore structure parameters of the organic-rich shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

3 页岩孔隙结构控制因素分析

页岩样品有机碳含量与气体吸附量具有较好相关性,这已经得到了证实[8-10],由图5可以看出,TOC与页岩比表面积具有较好的相关性,相关系数R=0.86,表明有机质提供了更大的比表面积,为气体吸附提供了一定的位置,TOC与较大的吸附量具有正相关性,这与其结果一致;TOC与孔容也有较好的正相关性,图5可以看出相关性系数R=0.67,表明较高的TOC含量不仅为气体赋存提供了较大的比表面积,亦提供了较大的储集空间,研究区大隆组与龙马溪组较高的有机碳含量亦表明二者具较好的生烃条件。

图4 研究区大隆组、龙马溪组有机质页岩孔径特征Fig.4 Aperture features of the organic shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

图5 页岩TOC与比表面积、孔径相关性图Fig.5 Correlation of shale TOC with the specific surface area and pore size

石英含量与页岩比表面积、与孔容增量基本不存在相关性(图6),是因为研究区页岩中石英颗粒表面整体平整光滑,对孔隙贡献不大,而且分析表明石英矿物含量与孔容增量亦不存在相关性。粘土矿物含量是页岩矿物组成中仅次于石英的矿物,研究表明其含量与页岩比表面积、与孔容均具有较弱正相关性(图6),这是由于粘土矿物以伊利石为主,为叶片状伊利石的广泛存在提供了较多的孔隙,为天然气的赋存提供了相应的场所。

分析结果表明,恩施来凤—鹤峰大隆组与龙马溪组富有机质页岩比表面积与孔容主要受TOC含量与粘土矿物含量双重控制。对比美国典型页岩气沉积盆地页岩孔隙结构认为,恩施地区龙马溪组和大隆组具有较好的页岩气储集条件。

图6 页岩孔隙特征与石英含量、粘土含量相关性图Fig.6 Correlation of shale porosity characteristics with quartz content and clay content

4 结论

(1) 恩施来凤—鹤峰地区大隆组和龙马溪组富有机质页岩孔隙主要可以分为4个类别:位于有机质中的孔隙、位于矿物颗粒之间的孔隙、位于矿物颗粒和有机物之间的孔隙以及微裂隙;富有机质页岩比表面积均值为10.01 m2/g,为致密砂岩储层平均比表面积的5倍以上;样品孔容均值为13.69 cm3/g,与以吸附气为主的煤孔隙相比,页岩样品孔容更高,更有利于天然气的赋存。

(2) 恩施来凤—鹤峰地区大隆组和龙马溪组页岩具有丰富的纳米级孔隙,同时具有从纳米级到微米级一系列连续型孔隙,页岩孔隙发育特征受控于TOC含量与粘土矿物含量,结合有机碳含量与矿物分析结果,综合显示本区具有较好的页岩气生烃、储集条件。

(3) 本区龙马溪组、大隆组富有机质海相页岩发育主要孔隙类型为有机质孔、矿物颗粒粒间孔、粒内孔及微裂隙等孔隙类型。其中有机质孔在有机质中较密集发育并提供了主要比表面积,矿物颗粒粒内孔与粒间孔主要由粘土矿物和碳酸盐岩提供,微裂隙构成了联通孔隙之间的通道,利于页岩气渗流。

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(责任编辑：于继红)

The Pore Characteristics and Its Controlling Factors of the Organic-rich Shalein Longmaxi and Dalong Formation from Laifeng-Hefeng Area of Enshi

CHEN Lin, LI Minglong, WANG Minghua, GUO Hongtao, LIU Honglin
(SecondGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Enshi,Hubei445000)

Shale pore structure controls the storage mechanism and seepage behavior of shale gas.The authors study the pore structure of the organic-rich shale,the Dalong Formation of Upper Permian and the Longmaxi Formation of Upper Ordovician-Lower Silurian in Enshi Laifeng-Hefeng area adopted,by field emission scanning electron microscope and low-pressure nitrogen gas adsorption techniques.The results show that the pole of the organic-rich shale in this study area can be divided into 4 tpyes:pore in organic matter,pore between mineral particles,pore between mineral particles and organic matter,and microfracture.The mean specific surface area of shale samples is 10.01 m2/g,which is more than 5 times that of tight sandstone gas reservoir.And the mean pore volume of samples is 13.69 cm3/g.The main type of shale pore is blind hole closed at one end with a certain amount of parallel plate-shaped hole and ink bottle-shaped hole.And the feature of shale pore development is controlled by the content of TOC and clay mineral.

shale; pore; Dalong Formation; Longmaxi Formation; controlling factors; Enshi

2016-06-22;改回日期:2016-09-26

陈林(1967-),男,高级工程师,地质矿产专业,从事地质矿产勘查方面的技术和管理工作。E-mail:714930147@qq.com

P618.12; P618.13

A

1671-1211(2017)02-0165-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.009

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0820.002.html 数字出版日期:2017-03-14 08:20