黑色页岩中发生的气泡变孔作用及地质意义

刘洪林 李晓波 周尚文

中国石油勘探开发研究院非常规研究所, 河北 廊坊 065007

0 前言

最近几年我国页岩气勘探开发取得了较快发展,勘探开发关键技术取得重大突破,在四川盆地长宁、威远、涪陵和云南昭通地区建成了国家级页岩气示范区。页岩储层是低孔、低渗的致密储层,其成功开发依赖大规模的水力压裂,优质页岩储层是提高页岩气单井产量的关键,其中纳米孔对于页岩气富集高产具有十分重要的意义[1-2]。不同地区页岩孔隙大小、形态差别较大,目前研究大多是对页岩孔隙进行分类和描述,对于页岩孔隙的成因,尤其是有机质纳米孔隙的成因缺乏研究[3-6]。本文利用聚焦离子束电镜技术对页岩样品进行了二维表征,并开展热成因物理模拟,结合沉积环境、热演化研究,查明页岩纳米孔成因机制,这对加深对优质页岩储层的地质认识,改善页岩气勘探开发效果具有重要意义。

1 页岩有机质纳米孔隙形态学分类

1.1 页岩纳米孔隙特征及形态学分类

研究样品主要取自四川盆地长宁双河剖面的龙马溪组页岩。聚焦离子束电镜技术可以在亚微米的级别上对样品进行切割、研磨,同时进行纳米级扫描成像,可以开展孔隙、矿物成分定量识别。本文利用聚焦离子束电镜技术对样品进行处理、扫描成像,发现页岩中的孔隙主要包括孔隙和裂缝两大类。页岩储层中纳米级孔隙以有机质纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主[7-8],孔隙喉道呈席状、弯曲片状,孔隙直径范围介于10～1 000 nm,主体介于30～100 nm,纳米级孔隙是致密储层连通性储集体的主体。纳米孔也是页岩气储集的主要空间。根据孔隙所处的位置和接触关系也可以划分为有机质孔隙、无机质孔隙两大类[9-13];有机质孔隙主要有两种:一种是干酪根分解产生的孔隙,其形态和分布受控于干酪根的形态和分布,称为干酪根纳米孔隙,为一种原地热解孔隙;另外一种为焦沥青中的孔隙,其分布受控于焦沥青的分布范围,形态不受焦沥青的控制,剖面呈椭圆形或圆形,具有较高的圆球度,称为沥青纳米孔隙,为一种运移固化孔隙。本文研究重点为沥青纳米孔隙,根据沥青纳米孔隙形态特征,从长短径比值、圆球度等形态学参数对沥青纳米孔隙进一步分类(表1),划分出了球形、纺锤形等6种主要类型,用纳米孔长轴半径与短轴半径的比值表征气泡运移及改造强度,用圆球度表征孔的表面积与体积之比,指示颗粒形状特征,其值愈小愈接近于球形,可以间接表征页岩纳米孔内压力系数,评价富气程度。

表1页岩沥青纳米孔形态学分类

形态学分类动态参数静态参数圆球度/m-1运移-改造强度长短径比值孔内压力系数球形0.9～1极弱1>2纺锤形0.8～0.9弱21.5～2双节葫芦形0.8～0.9较弱21.1～1.8多节葫芦形0.8～0.9中等21.0～1.5豌豆荚形0.6～0.7强3～40.9～1.1刀片形0.5～0.6较强6～100.8～1.1

1.2 黑色页岩的气泡变孔机制

2 页岩有机纳米孔成因物理模拟

为研究页岩中原油生气后气泡变孔过程,采集克拉玛依黑油山原油开展了开放体系下的气泡变孔模拟实验,证实了早期原油再次裂解生气变孔的过程,并分析了这一过程的地质意义。

2.1 实验仪器

本次实验采用了自制加热台进行开发体系的热模拟实验,再现了原油热解后内部气泡形成、固化成孔的过程。自制热台采用接触式电子温度计进行测温,可以使用固体和液体样品,最高耐温900℃,可自行设定升温程序。实验中制作原油薄片,在薄片中加入金属丝用于定位,便于DM 4500 p徕卡偏光显微镜对特定位置进行照相。

2.2 实验步骤

为模拟地下升温过程对纳米孔隙形成的控制过程,实验设计了升温速度为10℃/h,升温到设定温度台阶时候保持温度0.5 h。首先将样品放入加热台内,利用显微镜对选取样品进行定位观察并拍得原始照片,然后启动热模拟程序加热,每升温20℃恒温0.5 h,用DM 4500 p徕卡偏光显微镜进行定位观测和拍照,重复以上步骤,在不同温度下进行观测和拍照。

2.3 实验结果

原样中原油分布比较均匀,金属丝与原油边缘清晰可见,金属丝作为定位标志物(图1-a)),加热到370℃以前,原油物质组成仍然均一,但是在金属丝边缘明显可见气泡开始产生,边缘开始形成轻质油并富含气体,仍为颜色较浅、密度较大原油,370℃以后产生大量气泡(图1-b)),加热到420℃,气泡数量进一步增加、变大(图1-c))。

a)原始样品

b)370℃样品

c)420℃样品

2.4 实验分析

从实验可以看出,随着加热温度的上升,原油颜色逐渐加深,并逐步产生沥青化现象,产生大量气泡孔。370℃以前产生孔隙很少,该温度未能使样品有效裂解,加热到370℃后样品开始发生明显变化,在原油颜色较深部位产生小气泡,随着温度升高气泡不断加大,小气泡演化为大气泡,出现明显的气泡间聚并,在热模拟后期气泡生成呈现加速现象。实验结束后,主要残余物为原油裂解后的沥青,其中可见固化的气泡孔。

通过模拟实验再现了页岩气生成和气泡变孔过程,纳米孔形成演化的过程可以概括为原油生成、气泡形成和气泡变孔三个阶段(图2)。页岩中干酪根早期热解形成原油,原油经历短距离的初次运移并没有完全离开页岩,大量残留于页岩中,这部分原油随着温度和压力的上升,裂解生成天然气,生成的天然气最初以微小气核生成,并逐步长大为气泡。随着原油中轻组分不断裂解并析出,达到一定程度后,气液达到平衡状态,原油黏度增大,气泡不再产出,原油开始向沥青转化。当地层抬升后,地层温度开始下降,沥青进一步固化,赋存其中的气泡逐步固化为孔隙。很多处于分裂或聚并过程中的气泡被以各种形式保持下来,形成我们现今看到的各种孔隙。纳米孔形成后,可能会发生改造作用。如在强烈挤压下孔隙可能受压产生坍塌,天然气释放。在构造作用下层间产生滑动,导致纳米孔受到破坏,气体释放。经历后期改造的页岩对于页岩气的富集是不利的,因为构造运动破坏了页岩结构及纳米孔隙,导致气体大量逸散。

a)原油生成

b)气泡形成

c)气泡变孔

3 气泡变孔的地质意义

原始沉积物质和地质热演化历史控制了原油生成的强度和质量,也就影响了页岩中气孔的数量和密度。原油黏稠度的变化又受到地质历史时期地层温度的影响,如果原油大量裂解产生天然气,其沥青质含量快速升高,黏度快速提升,气泡就难以流动,就可以有更多的气泡固化在原油中。如果原油产生天然气强度低,原油黏度提升慢,气泡易于流动,并最终排出页岩储层,对页岩气成藏是不利的。

富气页岩纳米孔类型主要为沥青质纳米孔隙,为气泡变孔而来,这种成因的孔隙由于其裂解气来源,其中必然无水或含极少量的水。无机孔由于其成岩演化的成因,形成之初富含水,随着天然气产出,其中的水分会被排出一部分,但无机质表面的水膜仍然会存在。如果一个页岩含水饱和度较高,接近其束缚水饱和度,或者表明页岩有机质纳米孔不发育,无机质孔占主体,或者纳米孔被后期改造破坏,气体逸散,水进入导致含水饱和度变高,这种因构造运动导致含水饱和度变高、气体逸散的现象在构造复杂地区常常见到。

有机质纳米孔的圆球度越高,代表孔隙形成时候的气泡内压力越高,形成的孔隙边界更为圆滑、更具有流线型特征,孔隙的长短半径比值接近1。反之,孔内压力低的孔隙边界呈现较高的粗糙度、更低的弧度,长短半径比值较大,孔隙形态呈现不规则。地层压力系数与孔隙数量发育程度也有直接关系,由于气泡变孔机制,孔隙压力越大,当两个气泡接近时其聚并的概率就越大。因此压力系数越高越易于形成大型的纳米孔隙,压力系数越小,气泡的聚并现象越少。在气泡变孔机制作用下，形成了数量多但是个体不大的呈现密集分布的微小孔隙。因此,可以从有机质纳米孔的形态、大小和密集程度来判断页岩储层超压状态。

高成熟的海相页岩中发生了强烈的气泡变孔作用，形成了密集的纳米孔,而对于Ⅲ型干酪根的页岩或低变质的页岩,或者原油产量很少,或者原油没有热裂解,都缺乏气泡变孔过程,难以形成沥青质纳米孔隙,导致含气量低。由此看来,中国南方海相页岩气形成有其特定的地质背景和演化过程,具有鲜明的地域特征,它首先形成于海相陆棚环境,浮游生物和浮游藻类发育,原始干酪根母质类型为Ⅰ或Ⅱ型,利于生油,再经历较高的热演化促使原油进一步裂解产气,经气泡变孔为页岩气富集提供了密集的储集空间,通过沥青化最终保存下来形成了页岩气富集区。

4 结论

页岩有机质孔类型中的沥青质纳米孔是页岩气富集的主要空间,从长短径比值、圆球度等形态学参数对孔隙进行分类表征,建立了形态学的分类方法。页岩中的沥青质纳米孔的最初来源是天然气微小气泡,是原油裂解产生的天然气气泡经过沥青固化后形成的,具有超低的含水饱和度。海相页岩发育Ⅰ或Ⅱ型干酪根热成熟后大量生油,利于气泡变孔作用发生,而Ⅲ型干酪根的页岩或低变质的页岩,气泡变孔过程缺乏,不利于页岩气富集。