高演化富有机质页岩储层特征及孔隙形成演化——以黔南地区下寒武统九门冲组为例

为厘清高演化富有机质页岩孔隙特征及形成机理,以上扬子黔南地区下寒武统九门冲组页岩为例,采用岩石薄片、全岩X射线衍射、低温氮气吸附、高压压汞-吸附联合测定、氦气孔隙度测试、氩离子抛光-扫描电镜、热演化史及孔隙演化史恢复等多种技术方法,开展了高演化富有机质页岩孔隙结构、类型及储集性能研究,并基于成岩压实和热演化过程建立了富有机质页岩微观孔隙形成演化模式。研究结果表明:(1)下寒武统高演化富有机质页岩总比表面积平均值为12.66 m2/g,总孔容平均值为11.54×10-3cm3/g,两者具有较好的正相关关系,与下志留统页岩相比,总比表面积与总孔容均略低。孔隙以微孔和介孔为主,宏孔基本不发育。(2)富有机质页岩孔隙类型以有机质孔为主,孔径极小,一般以小于30nm为主,孔边界形态不规则,无机质矿物质孔基本不发育。(3)与志留系页岩相比,其储集性能相对较差,平均孔隙度仅为2.80%,水平渗透率为垂直渗透率的1~3倍,平均值约2倍,反映其水平页理欠发育。(4)高演化富有机质页岩孔隙形成演化主要受成岩压实作用控制的无机质矿物粒间孔隙演化过程、热演化作用控制的生烃—成油—油气转化序列中有机质孔隙的形成过程及后期孔隙保存状态下天然气散失与补给平衡过程共同控制。     

四川盆地东南缘二叠系龙潭组泥页岩成岩作用特征及其对孔隙演化的影响

通过薄片鉴定、场发射扫描电镜观察及X—射线衍射分析等方法,对四川盆地东南缘二叠系龙潭组泥页岩成岩作用特征及孔隙特征进行研究,并探讨成岩作用对储层孔隙演化的影响。研究结果表明：(1)龙潭组泥页岩主要成岩类型包括压实作用、胶结作用、溶蚀作用、有机质热成熟作用和黏土矿物转化作用。(2)储层孔隙以粒间孔为主,主要是黏土矿物之间的孔隙,少量晶间孔和碎屑颗粒之间的格架孔和粒缘孔（缝）,部分有机质孔和溶蚀孔。(3)在成岩早期,压实作用是储层孔隙减少的主要原因,胶结作用使得岩石孔隙进一步被填充,却在一定程度上增强了岩石的抗压实作用;随埋深增加,压实作用强度开始减弱,有机质热演化对储层孔隙改造有限,岩石中的溶蚀作用较弱,使得储层孔隙进一步降低;之后,随埋深增加,黏土矿物的大量转化使岩石中孔隙减少,岩石结构更加致密,同时石英及碳酸盐胶结物的形成,使得储层孔隙进一步降低,但黏土矿物作为龙潭组泥页岩的主要矿物类型,黏土矿物间的微孔依然是龙潭组中主要的孔隙类型。     

岩石学方法区分页岩中有机质类型

有机质孔在富有机质泥/页岩中广泛发育,被认为是含气页岩孔隙系统中重要的组成部分。有机质孔不仅在干酪根中发育,在固体沥青内部同样发现了大量的有机质孔,不同类型的有机质内部有机孔的形态和发育程度有所差异。根据有机质的成因,可将其分为沉积有机质和迁移有机质。沉积有机质为原始的有机质及其蚀变产物,这些有机质未发生过迁移,与陆源矿物紧密结合;迁移有机质存在于矿物孔隙中,由外地迁移过来的沥青或石油,随着热成熟度的增加,可演变成固体沥青或焦沥青,其周缘通常可见自生矿物。自生石英对页岩孔隙的影响具有双重作用,一方面充填了孔隙空间,减少了页岩孔隙;另一方面自生石英起到了支撑孔隙的作用,抑制了页岩的压实,为迁移有机质的充填保留了一部分孔隙空间。沉积有机质和迁移有机质中均发育孔隙,迁移有机质充填三维空间相互连通的矿物孔隙,内部形成的有机质孔隙在三维空间上的连通性要比沉积有机质强。五峰组—龙马溪组页岩由下至上呈网络状分布的迁移有机质逐渐减少,相互连通的有机质孔隙网络也相应减少,页岩储层质量逐渐变差。      

模拟退火法结合两点簇函数重构与表征页岩有机质各向异性

页岩有机质及其孔隙分布与页岩吸附气含量和气体微观渗流机理密切相关,研究表明页岩中有机质分布在孔隙尺度下具有各向异性特征,然而现有的页岩数字岩心重构算法未能对该特征进行有效描述.本文针对页岩样品中有机质分布的各向异性特征,提出在数字岩心传统模拟退火数值重构方法基础上引进两点簇函数作为表征有机质分布连续性的统计指示函数.两...     

鄂尔多斯盆地三叠系延长组富有机质页岩孔隙特征及发育机制

页岩储层孔隙发育特征是页岩储层评价的重要内容,也是开展页岩油气赋存机理研究的基础。提出了通过“基质类型—孔隙产状—孔隙成因”划分孔隙类型的方案。利用氩离子抛光和场发射扫描电镜技术观察孔隙发育情况,根据基质类型和孔隙产状,识别了4类孔隙：粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝,并根据孔隙成因将粒间孔分为碎屑颗粒间原生孔、黏土矿物片体间孔和颗粒间溶蚀孔,将粒内孔分为长石颗粒内溶蚀孔、黏土矿物片体内孔和黄铁矿晶体间孔。有机质孔主要为有机质颗粒内的微裂缝和有机质内孤立分布的孔径较小的孔隙。微裂缝主要表现为纹层缝或页理缝。综合孔隙图像分析、低温液氮吸附实验结果、孔隙结构参数与矿物组成、有机碳含量和有机质成熟度等参数相关性分析,认为沉积条件、成岩作用和有机质热演化控制了孔隙的形成和保存。半深湖—深湖沉积环境下,富有机质页岩中发育重力流成因的薄层砂质纹层,纹层段碎屑颗粒含量高,有利于形成碎屑颗粒粒间孔、碎屑颗粒粒内孔和顺层微裂缝。早期成岩作用阶段形成黄铁矿,有利于形成黄铁矿晶间孔,但黄铁矿也是压实作用的主要参与者;压实作用造成粒间孔和粒内孔的孔径变小和孔体积降低,碎屑颗粒和黄铁矿与有机质颗粒间呈凹凸接触,有机质孔在压实作用下闭合导致有机质孔不发育;溶蚀作用促进长石粒间溶孔和长石粒内溶孔的形成,一定程度改善储层质量。在成熟度达到一定阶段(R_O≈0.75%)后,开始出现有机质孔。有机质孔发育程度差,一方面受成熟度的影响,另一方面可能是压实作用造成的。此外,富有机质泥页岩渗透性较差,烃类被吸附在有机质表面或溶于干酪根内部,造成干酪根体积膨胀也可能是有机质孔不发育的一种原因。     

四川盆地及周缘下寒武统富有机质页岩孔隙发育特征

四川盆地及周缘下寒武统富有机质页岩分布范围广、厚度大,是页岩气勘探的重要接替层位。以多口重点钻井岩心资料为基础,利用扫描电镜、氮气吸附等实验分析方法,对下寒武统富有机质页岩的孔隙类型、孔隙结构等进行系统研究,并探讨了下寒武统富有机质页岩孔隙发育的主要控制因素。结果表明：不同地区的下寒武统富有机质页岩孔隙发育存在显著的差异,孔隙度与TOC含量之间关系复杂,受到有机质组成和热成熟度的影响,主要表现为有机质组成和热成熟度控制了有机孔的发育。下寒武统富有机质页岩孔隙结构多样,且不同成熟度的页岩具有不同的孔隙结构,随着热成熟度的增加,页岩微孔消失、孔容和比表面积均减小。热成熟度是四川盆地及周缘下寒武统页岩气勘探与评价的最重要参数之一。     

四川盆地下志留统龙马溪组页岩纳米孔隙发育特征及主控因素

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩是我国目前实现页岩气商业开发的唯一层系,而在四川盆地及周边不同区域页岩气单井产量却存在明显差异。筛选位于不同构造位置、不同压力系数、相同层段[鲁丹阶早期(LM1-LM3)]5口典型井的36个页岩样品,应用岩石矿物学、构造地质学、储层地质学等手段系统分析了页岩孔隙特征,从储层微观结构方面分析不同地区产量差异的原因。页岩的储集空间主要以有机质孔为主,不同构造区域页岩小孔体积、中孔体积、大孔体积和总孔体积随有机碳含量的增大呈现出不同的趋势,反映不同的孔隙演化阶段。建立了页岩有机质孔隙发育模式,指出页岩孔隙在高压情况下可能被压实,其压实程度与有机质孔孔径、岩石矿物组成、有机质含量、区域构造条件和压力系数密切相关,指出受构造运动影响小且压力系数较高的区域为孔隙发育的有利区。     

典型陆相页岩油层系成岩过程中有机质演化对储集性的影响

在简要评述泥页岩层系成岩作用及微纳米孔隙发育特征研究现状基础上,选择渤海湾盆地古近系沙河街组和准噶尔盆地二叠系芦草沟组为实例,围绕陆相富有机质泥页岩层系成岩作用特点及储集空间发育机制进行了分析讨论,重点聚焦于有机质的成岩（生烃）演化过程对储集空间发育的影响。结果表明,早成岩作用阶段,随着成岩压实作用的进行,页岩层系孔隙度显著降低,特别是粗介孔向细介孔转化,致使中-细介孔相对增加;至早成岩作用末期和中成岩作用阶段（东营凹陷3 000~3 700 m深度）,在有机质早期生烃等作用的影响下,孔隙度出现新的峰值;此后,成岩压实又占主导地位,孔隙度又急剧下降,但酸性流体溶蚀形成的次生孔隙增多,微米级孔隙增加。酸性流体的溶蚀作用在沙河街组已有所显示,但以芦草沟组最为突出,是储集空间形成的主要原因。对芦草沟组主要储集岩的地球化学分析表明,有机碳含量越高的样品,其碳酸盐矿物的δ¹³C值越偏负,次生溶蚀孔隙也越发育。因此,富有机质页岩层系的成岩作用与一般泥页岩的成岩作用有显著差异,生烃作用形成的有机酸和酸性CO₂等对储层的溶蚀改造和优化具有重要意义,是控制页岩油“甜点”发育的主要因素之一。     

鄂尔多斯盆地长7湖相泥页岩孔隙演化特征

以鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段低熟泥页岩为研究对象,基于温压模拟与纳米CT三维表征技术,研究泥页岩孔隙随温度变化的演化特征,并探讨其主控因素。结果表明:随成熟度增高,长7段富有机质泥页岩中纳米孔隙不断增加,基于纳米CT三维模型计算的孔隙度由0.56%增大至2.06%,增大比例超过250%;孔隙演化整体呈现3段式特征:从未熟到低成熟阶段,有机质生烃作用弱,压实作用为主,孔隙度快速降低;从低成熟到成熟再到高过成熟阶段,有机质大量裂解生烃,黏土矿物转化作用强烈,孔隙度快速增长;进入高过成熟阶段,有机质生烃能力与黏土矿物转化减弱,孔隙系统基本保持稳定。明确了不同成分对泥页岩孔隙演化贡献的差异性,有机质热演化贡献最大,黏土矿物转化贡献次之,脆性矿物转化贡献最小,三者比例大致为6∶3∶1,推测泥页岩镜质体反射率大于1.2%时有机质孔隙开始大量发育。     

泥页岩埋藏过程孔隙度演化与预测模型探讨

统计分析了国内外大量实测及测井解释孔隙度数据,揭示泥页岩孔隙度演化规律,指出孔隙度变化过程的差异,划分出正常压实和欠压实孔隙演化区。从3个方面探讨了引起孔隙度差异的原因：①处于生油高峰期的优质烃源岩,生烃过程中产生的超压减缓了孔隙度变小的速率,是泥页岩在中深层还保持相对较大孔隙度的主要因素,超压贡献的孔隙度超过5%;②处于生气中晚期的优质烃源岩,生烃过程形成的有机质纳米孔隙是深层富含有机质泥页岩孔隙度增加的另一个重要因素,有机质纳米孔贡献泥页岩孔隙度达到1.8%;③有机酸对脆性矿物的溶蚀作用对泥页岩孔隙增大贡献比预想的小。根据以上认识,建立了3段式的正常压实模型、欠压实模型以及有机质纳米孔校正模型,分析了模型关键参数,提出了有机质面孔率的估算模板。应用实例证明这些模型具有实用价值,可促进页岩气、页岩油等非常规油气资源评价及勘探开发技术的发展。     

中国海陆相页岩有机质孔隙发育特征对比——基于聚焦离子束氦离子显微镜（FIB－HIM）技术

为了明确不同成熟度的海陆相页岩有机质孔隙的发育特征,分别选取了中国中西部鄂尔多斯盆地的三叠系延长组陆相页岩、中国南方上扬子地区的下志留统龙马溪组以及下寒武统牛蹄塘组海相页岩等3组海陆相页岩样品,进行聚焦离子束氦离子显微镜（FIB-HIM）的观察实验。结果表明:延长组页岩样品的有机质孔隙发育数量较少,孔隙直径较小,有机质内部多发育微裂缝,页岩黏土矿物内部发育大量的粒间孔隙,粒内孔隙发育数量较少。龙马溪组页岩发育大量的有机质孔隙,大量较小直径的孔隙嵌套在直径较大的有机质孔隙中,增加了页岩孔隙的比表面积和孔隙连通性,有利于烃类气体在页岩有机质孔隙内的赋存及有效渗流。牛蹄塘组页岩内部发育数量最多的是粒间孔隙,有机质孔隙极少发育。有机质孔隙贡献了页岩孔隙系统的绝大部分有效赋存空间。页岩有机质孔隙的发育主要受控于热演化程度,过低的热演化程度（0.5% < R_o < 1.5%）无法形成大量的有机质孔隙及烃类气源供给;过高的热演化程度（3.0% < R_o < 4.0%）则会导致页岩有机质孔隙消失,烃类气体失去有效赋存场所而在地史过程中大量散失;适宜的热演化程度（1.5% < R_o < 3.0%）能够保证页岩有机质孔隙大量发育,有利于烃类气体在页岩储层中形成有效赋存和渗流。针对中国南方高—过成熟度海相页岩气的高效勘探开发,应寻找热演化程度适中的页岩层位。      

构造变形作用下页岩孔裂隙结构演化特征及其模式——以四川盆地及其周缘下古生界海相页岩为例

构造应力能够使页岩发生变形或破坏,从而不同程度地影响页岩的宏微观结构.采用川东南下志留统龙马溪组和川东北下寒武统鲁家坪组海相页岩样品,运用聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)、气体吸附和压汞法等手段,分析了构造类型和变形机制对页岩孔裂隙结构的改造和控制作用.结果表明:单斜岩层页岩中以有机质孔隙结构为主,而褶皱或断层等强...     

辽河坳陷沙三、沙四段泥页岩微观孔隙特征及其成藏意义

为深入研究辽河坳陷次级凹陷沙河街组三、四段泥页岩储层孔隙特征及成藏意义,选取了5口泥页岩钻井岩心样品进行了氩离子抛光-扫描电镜（FIB-SEM）、氦气吸脱附、X-衍射全岩分析、干酪根镜检及配套有机地化等实验,从微观孔隙结构到成藏意义进行了深入探讨。结果表明,研究层段共存在粒间孔、粒内孔、晶间孔、溶蚀孔、有机孔、微裂缝6种孔隙类型。孔隙发育不仅与沉积压实、胶结、溶解作用相关,另外还与页岩岩性、矿物组构、有机质类型、有机地化等因素密切相关。粘土矿物集合体粒间孔和层间微孔缝对页岩油气的赋存和运移贡献最大,且是页岩储层各向异性（渗透率）的主要控制因素;溶蚀孔及晶间孔次之;有机孔因相对不发育,对页岩油气的渗透贡献较小,但仍然是吸附态页岩油气的主要场所;微裂缝的影响不容忽视,是沟通宏孔与中孔的主要微通道。另外,低熟条件下粘附-结合态有机质中有机孔的大量发现表明粘土矿物对有机质的早期催化生烃起到重要作用,同时,有机质与矿物（主要是粘土矿物）紧密共生的保存特点,也反映了有机质保存形式与油气生成之间的密切关系。实验同时表明无定形体是研究层段生成页岩油气的主要贡献者。     

川南地区五峰组—龙马溪组页岩储层纳米孔隙发育特征及其控制因素——以四川盆地南部长宁双河剖面为例

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩是四川盆地南部页岩气勘探开发的主要目的层之一。以川南长宁双河剖面为例,对该剖面41个露头样品进行了有机碳、矿物组成、二氧化碳和氮气吸附以及扫描电镜观测等分析测试,系统研究了奥陶系宝塔组灰岩和五峰组页岩以及下志留统龙马溪组页岩纳米孔隙发育特征,探讨了影响纳米孔隙发育的主要因素。五峰组—龙马溪组页岩富含有机质,矿物组成以生物成因石英和碳酸盐矿物为主,黏土矿物次之,含少量长石。五峰组—龙马溪组页岩纳米孔隙以狭缝型为主,孔径主要分布在0.3~0.9 nm、40~50 nm和100~200 nm之间,以有机孔为主,其次为矿物基质孔。纳米孔隙发育主要受有机碳、石英和碳酸盐矿物含量控制,主要表现为总孔体积与TOC和石英含量显著正相关,与碳酸盐矿物含量显著负相关,与黏土矿物和长石含量相关性不大,这表明五峰组—龙马溪组页岩内有机孔占据主导地位;奥陶系宝塔组碳酸盐矿物含量高,纳米孔隙极不发育,是上覆五峰组—龙马溪组页岩储层的良好封闭层。      

富有机质页岩有机孔隙形成与演化的热模拟实验

针对页岩有机孔隙的形成与演化,开展了从未熟—低熟—成熟—高成熟—过成熟全系列的地质条件约束下的成岩成烃演化热模拟实验,利用氩离子抛光-场发射扫描电镜对原始样品和模拟不同演化阶段反应后的样品进行了微观特征分析,研究表明:1未熟、低熟阶段生物化学作用和低温热作用生烃过程中可以形成有机孔隙,其当时较浅的埋深可能有助于有机孔隙的保存;2有机孔隙的形成与演变具有非均质性,成熟度不是控制有机孔隙形成与发育的决定性因素,有机质物理化学结构的差异对有机孔隙的形成与演化具有重要作用;3有机孔隙的发育与滞留油具有明显的相关性,生油阶段生成的有机孔隙,易被热解沥青所占据;4有机质收缩缝/有机质边缘孔可能是页岩气赋存的重要空间,其发育主要受控于在从"化学吸附有机质"向"物理吸附有机质"和"游离有机质"转化时有机质的物理化学结构及演化程度。     

涪陵页岩气田平桥区块页岩气储层有机质孔发育特征

涪陵页岩气田二期产建区的平桥区块上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组一段（龙一段）海相富有机质页岩中纳米级有机质孔较发育,是页岩气储层的重要孔隙类型。利用氩离子抛光-场发射扫描电镜（FE-SEM）技术和Image-Pro Plus统计软件以及气体物理吸附实验,对平桥区块JY-B井五峰组和龙一段不同小层的14块页岩岩心样品进行了有机质孔形状、数量、孔径分布的观察和统计,并对有机质面孔率进行了计算。利用FE-SEM观察发现五峰组页岩样品有机质孔形状以边缘收缩的多角形为主,龙一段下部页岩样品有机质孔形状多呈不规则椭圆形和近圆形,龙一段上部页岩有机质孔多呈压扁状椭圆形、不规则近圆形和长条形;页岩样品中有机质孔的孔径主要为5~600 nm,有机质孔的主体孔径在5~30 nm,龙一段页岩样品孔径在100~600 nm的有机质孔数量相对较多;五峰组（1小层）和龙一段下部3小层页岩样品平均单颗粒有机质面孔率相对最大,其次是龙一段上部7和8小层;五峰组和龙一段下部与上部页岩样品有机质面孔率与TOC具有不同的正相关关系。采用气体吸附实验得到页岩样品中0.3~10 nm孔隙的累积孔容与TOC呈良好的线性正相关关系,表明这部分孔隙中的有机质孔占有重要地位。3套页岩层段有机质孔发育特征及差异性与页岩有机碳含量、矿物组成和构造挤压改造等因素有关。     

重庆周缘下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育及演化特征

针对重庆周缘下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组2套海相页岩已经进行了规模勘探与开发,但2套页岩的产气效果却存在较大差别,其中龙马溪组页岩产气量大,稳产时间长;牛蹄塘组页岩产气量小,稳产时间短。因此,以重庆周缘龙马溪组和牛蹄塘组页岩样品为研究对象,通过有机碳含量测试、全岩XRD分析、等效镜质体反射率测试、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）及聚焦离子束氦离子显微镜（FIB-HIM）观察,结合地层埋藏史及生烃演化史分析,对2套页岩的有机质孔隙及演化特征进行了研究。研究结果表明：2套页岩的有机质孔隙发育特征存在较大差别。龙马溪组页岩固体干酪根内有机质孔隙数量少、孔径小,连通性差;但龙马溪组页岩迁移有机质内部孔隙数量多、孔径大,连通性好;牛蹄塘组页岩固体干酪根内不发育孔隙,而迁移有机质内部孔隙数量少、孔径小及连通性差;影响2套页岩有机质孔隙发育的最重要的因素是热演化程度。牛蹄塘组页岩固体干酪根孔隙由于过度演化而大量消失,只保留少量的迁移有机质孔隙;而龙马溪组页岩由于热演化程度适中,发育大量的迁移有机质孔隙,固体干酪根只保留少量孔隙。适宜的热演化程度能够保证页岩有机质孔隙的大量发育期和生烃高峰期的耦合,为页岩气生成之后第一时间得到有效赋存提供必要的有机质孔隙。针对中国南方下寒武统牛蹄塘组页岩气的勘探开发应重点寻找热演化程度适中（2.0%O<3.0%）,即分布在古隆起边缘的页岩分布区。