ZD地区长7段泥页岩储层特征研究

2018-09-01杨桂林任战利张圆圆任文波

非常规油气 2018年4期

杨桂林，任战利，张圆圆,任文波，杨燕

(西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安 710069)

低孔、低渗及致密是美国页岩储层较明显的特征，其孔隙度变化范围从2%～10%不等，2%～4%是最集中的区域。Ross等进行大量试验研究发现在一定的范围之内，游离态气体体积与孔隙度呈正相关的关系[1-11]。页岩中吸附气的含量与孔径小于100 nm的有机质丰度、微小孔隙及黏土矿物有着密切的关系，而对于微裂缝、溶孔等大孔径孔隙，它们不仅可以赋存游离气，也可以作为天然气的运移通道[12-13]。

海相页岩是我国页岩气研究的重点，而储层孔缝、页岩厚度、地化特征、含气量及保存条件都较好的鄂尔多斯盆地对页岩气的储集和开采也很有利，这与前人对泥页岩资源量评估参数研究薄弱等问题发生了矛盾，所以我们应该加强对这一系列问题的深入研究。本次研究区为鄂尔多斯盆地志丹(ZD)地区，该区位于延长期湖盆中心区，延长组有机质丰度高，成熟度较高，处于高成熟生油阶段，页岩气发育条件良好，仅长7段页岩的厚度最高就可达80 m以上[2-13]。本文对研究区延长组泥页岩的岩性、物性及微观结构进行系统研究[14]，深入研究延长组页岩气储层特征对认识鄂尔多斯全盆地延长组页岩气富集规律有重要意义。

1 储层岩石学特征

1.1 矿物特征

储层的孔隙类型以及其中的页岩气赋集状态都与暗色泥岩矿物的组成有关，地层的脆性也受其影响。本次在薄片分析和岩心观察的基础上对研究区长7段岩性及矿物特征进行了研究，发现研究区长7段有着丰富的泥页岩类型，这些泥页岩的粒度也都比较小，颜色多为暗灰色，具有纹层状(图1)。

对泥页岩进行全岩分析发现，长石、黏土矿物和石英是其主要矿物组成，其中长石包括钾长石和斜长石，同时也发现了黄铁矿、白云石等。通过镜下观察发现此类泥页岩的主要结构是泥质结构，并夹杂粉砂质层理。石英等矿物颗粒沿着纹层定向排列，并有裂缝显示(图1)。研究区泥页岩石英含量最高平均为30.9%，其次是黏土矿物平均为29.0%。长石含量最低，其中斜长石含量较钾长石高，平均为19.3%，钾长石平均为6.9%(图2)。

图1 研究区泥页岩岩石特征Fig.1 Characteristics of shale rocks in the study areaa.纹层状泥岩(Z134井，2145.30 m，长7)；b.泥质呈条带状分布(Z4134井，2033.36 m，长7)；c.纹层状粉砂质泥岩(Z1510井，1549.04 m，长7)；d.有机质中镶嵌石英颗粒(Z1井，2087.40 m，长7)

图2 研究区泥页岩岩石矿物分布组成Fig.2 The mineral distribution of shale rocks in the study area

研究可知，研究区长7页岩储层中脆性矿物含量平均为64.5%，与Barnett页岩脆性矿物含量(一般为40%～60%)相当，脆性矿物的含量越高，裂缝越易产生；黏土矿物含量平均为29.0%，黏土矿物对页岩气有着吸附作用。综上分析，黏土矿物和脆性矿物对于页岩气藏的形成以及后期的开发利用有着积极的影响。

1.2 黏土矿物特征

泥页岩中表面积较大的黏土矿物广泛分布，有利于页岩气的吸附和赋存，但含量过高的黏土矿物颗粒会对气体的渗流通道造成堵塞，对后期的储层改造也会造成影响。

吉利明等的研究认为微孔是影响孔隙内表面积的主要因素，气体通常赋集在小于20 nm的孔隙中[15]。各种黏土矿物组分对于甲烷吸附能力的排序为蒙脱石>伊/蒙混层>高岭石>绿泥石>伊利石>粉砂岩>石英岩。而绿泥石、伊/蒙混层、伊利石是本区主要的黏土矿物，高岭石含量较小基本不发育。其中伊利石含量平均为37.0%，伊/蒙混层含量平均为34.0%，绿泥石含量平均为27.9%。(图3)。

综上分析可知，研究区黏土矿物中多含伊利石、伊/蒙混层和绿泥石，为孔隙发育和气体发育提供了可靠的物质保障。

图3 研究区泥页岩黏土矿物组成分布Fig.3 Distribution map of mineral composition of shale clay in the study area

1.3 脆性矿物特征

作为页岩的主要矿物成分，赋存于黏土矿物之上的脆性矿物颗粒(长石、石英等)在成岩演化的过程中，这两种矿物在失水的情况下会使得孔缝的发育增多。低孔低渗、致密是泥页岩储层的主要特征，从开发的角度来说压裂对这类储层是必不可少的环节，这势必会影响脆性矿物的比重。储层是否适合开发、是否适合压裂通常通过脆性指数来分析，脆性指数=(石英+长石+碳酸盐) /(石英+长石+碳酸盐+黏土矿物)[16]。

研究发现，本区脆性矿物含量处于45%～65%之间，平均是58.5%，其含量比较高，有利于本区储集层孔缝的发育；0.47～0.85是脆性指数主要分布范围(图4)，平均值是0.68，这对后期的开发有着积极的作用。

图4 研究区泥页岩脆性指数分布Fig.4 Distribution of shale brittleness index in the study area

2 储层物性特征

泥页岩储层的有效孔隙度小于10%，基质渗透率小于0.1 mD，喉道半径小于0.005 μm[17]。区别于常规储层，已生成的页岩气的赋存方式多样化，既可以溶解于沥青、孔隙残留水中，也可以吸附在黏土矿物和有机质表面，或以游离态处于孔隙之中。而本区的页岩气主要存在方式是游离态和吸附态。

通过对长7段69块岩心样品进行统计分析，该段泥页岩储层的孔隙度主要集中在0.4%～7.0%之间(图5)，平均为2.79%，占比最高的孔隙度集中于3%～4%，约占31.0%(如图5)；本区长7段泥页岩的渗透率值主要分布范围为0.001～0.01 mD(图6)，渗透率值低于0.01 mD的样品约占63.55%。

图5 研究区孔隙度分布直方图Fig.5 The porosity distribution histogram in the study area

图6 研究区渗透率分布直方图Fig.6 The permeability distribution histogram in the study area

通过作孔隙度和渗透率交会图进行相关性分析(图7)可以看出，研究区长7段储层孔隙度和渗透率的相关性较差，分析认为造成这种结果的原因有两点，其一是裂缝大量发育于长7段储层中，孔隙度整体较低，但对渗透率影响比较大。另一原因，长7段储层不仅仅受沉积相控制，孔喉配置以及孔喉连通性等因素也会对储层的孔渗相关性造成影响。

图7 研究区孔隙度和渗透率分布关系Fig.7 The relationship between porosity and permeability distribution in the study area

3 储层微观结构特征

评价页岩类储层与孔隙类型、形态及孔径大小有很大的关系，它们从不同方面影响着页岩气的产储性能。孔隙作为存储空间影响着页岩气的储能；决定页岩气产能的则是裂缝，因为裂缝是其渗流通道[18]。所以说在储层评价中，孔隙和裂缝的形态及发育程度就显得特别关键。杨峰等在扫描电镜的基础上发现页岩的主要孔隙类型是黏土矿物粒间孔和有机质孔[19-21]。提供比表面积的主要是小于50 nm的中孔和微孔，主要渗流通道则是微裂缝。

本次借助Helios Nano Lab650型场发射扫描电镜对页岩微观孔隙进行了研究。通过对研究区长7段泥页岩的孔隙形态进行观察，发现粒间微孔和晶间微孔、粒内微孔和粒缘微裂缝、粒内微裂缝是最主要的孔隙空间类型，所占比例分别为27.5%、13.4%、11.4%；层间缝和“张家滩”油页岩段的有机质气孔含量较少，分别为5.2%和1.9%(图8)。泥页岩的孔隙形态及孔径所占比例[20](图10、表1)如下。

图8 研究区主要孔隙类型Fig.8 The main pore types in the study area

本次研究基于邹才能等的分级标准(纳米孔：小于1 μm，微米级孔：1～1000 μm)对研究区Z1井的长7段孔隙类型进行了分析统计，发现中孔和宏孔为该段储层主要孔隙类型，微孔几乎不发育。所占总孔体积分别为宏孔57%，中孔30%，微孔几乎不见为1%(图10)，平均孔隙直径为120 nm。研究区页岩样品孔径主要分布于35～280 nm，属于中孔—宏孔。

通过扫描电镜观测，可将孔隙类型大致分为粒间孔、粒内孔、有机质孔、微裂缝。

(1)粒间孔。沉积物发生沉积构造时，成岩演化作用及颗粒的不完全胶结会有形态不同的粒间孔形成[21]。发育粒间孔的沉积物主要特征是沉积时间相对较短或埋藏比较浅，有利于连通性较好的孔隙网的形成。有机质粒间孔、黏土矿物粒间孔等是研究区的主要粒间孔。宏孔占比较大，孔径从40 nm到微米级别不等(图11)。

图9 研究区场发射扫描电镜岩心照片Fig.9 Core photographs of field emission scanning electron microscopy in the study areaa,b.暗灰色砂质泥岩，Z1井，长7，2075.4 m；c,d.暗灰色泥岩，ZD1091井，1680.4 m

图10 研究区页岩孔隙半径分布Fig.10 Distribution of shale pore radius in the study area

(2)粒内孔。由成岩后期改造而成的孔称为粒内孔，也有原生粒内孔存在。黄铁矿晶间孔、颗粒溶解形成的孔隙、黏土矿物层间孔、化石内部的保留孔是本区的主要粒内孔。本次研究是在扫描电镜的基础上，分析得出表面溶蚀孔和伊利石层间孔是研究区分布最多的粒内孔，孔径从12 nm到2 μm不等(图12)。

表1 研究区孔隙形态及半径分布(据马文强)[21]Table 1 Distribution of pore morphology and radius in the study area[21]

(3)有机质孔。机质中发育的孔隙称为有机质孔，多以球状体呈现，而且有机质孔的发育很大程度上影响有机质的成熟度。有机质孔大量发育时，有机质成熟度通常大于0.6%；当有机质成熟度小于0.6%时，有机质孔一般不发育[22]。

前文分析观测Z1井样品可知，微裂缝发育于有机质内部，中孔、微孔是其主要孔径类型，大多数孔径小于90 nm。经扫描电镜观测发现，本区页岩喉道半径主要分布范围为10～35 nm(图13)。与常规储层相比，虽然页岩储层的孔喉分布不均匀，但其孔喉比小，易于渗流，这是与常规储层的不同之处。

图11 研究区页岩粒间孔Fig.11 Shale intergranular pore in the study areaa.有机质与颗粒之间孔隙，Z1井，长7，SEM，×20000；b.黏土矿物粒间孔，Z1井，长7，SEM，×35000；c.黏土矿物薄片之间孔隙，Z1井，长7，SEM，×15000

图12 研究区页岩粒内孔Fig.12 Shale inner pore in the study areaa.矿物表面溶蚀孔，ZD1091井，长7，SEM，×50000；b.黄铁矿晶间孔，Z1井，长7，SEM，×6500；c.黏土矿物层间孔，Z1井，长7，SEM，×25000

图13 研究区页岩有机质孔Fig.13 Pore of organic matter in shale in the study areaa.有机质孔，ZD1091井，长7，SEM，×35000；b.有机质孔，Z1井，长7，SEM，×8000

(4)裂缝。页岩气的保存与裂缝的发育有着很大的关系，裂缝发育的规模越大，越不利于页岩气的保存，与此相反，裂缝发育越少对页岩气的保存越有利。经试验观测发现顺层面微裂缝、有机质中的微裂缝、颗粒边缘微裂缝等是研究区主要的裂缝类型，它们既可以发育于有机质中，也可以发育于矿物颗粒边缘位置。这些裂缝长度可达微米级，而缝间距一般比较小，从10 nm到150 nm不等(图14)。