海相页岩成岩-成烃过程中孔隙结构的演变——来自热模拟实验的启示

页岩在沉积埋藏过程中,孔隙的形成、演变与成岩-成烃过程是同步的。为了揭示成岩-成烃作用对页岩孔隙结构的影响,以西加拿大盆地上白垩统海相未成熟页岩为研究对象,开展了地质条件约束下页岩从未成熟到过成熟阶段的成岩-成烃热模拟实验,并利用高分辨扫描电镜对热模拟后样品的微观结构进行分析,运用低温液氮吸附-脱附实验和Frenkel-Halsey-Hill （FHH）模型对实验样品的孔隙发育特征和分形维数进行定量分析。结果表明：①成岩-成烃过程中页岩的孔隙结构复杂多变,主要发育介孔和大孔,以楔状或平行板状狭缝型孔隙为主;②页岩中的孔隙比表面积主要为小于15 nm的微孔和介孔所贡献;③有机质丰度并非影响孔隙分形特征的主要因素,孔隙的结构分形维数与平均孔径存在明显的负相关关系,孔径越小孔隙间的连通性越差,孔隙结构越复杂;④不同演化阶段孔隙的分形特征差异明显,成熟阶段的生烃作用导致黏土矿物转化及矿物溶蚀可大大降低孔隙结构及表面的复杂程度,高过成熟阶段有机质孔的大量形成可增大孔隙表面的粗糙程度并使得页岩具有高的孔隙比表面积。     

川南龙马溪组页岩孔隙结构综合表征及其分形特征

为了科学评价川南地区龙马溪组页岩孔隙发育特征对页岩气赋存与流动过程的影响,综合采用压汞、液氮吸附及二氧化碳吸附等测试方法,对页岩孔隙结构进行全尺度表征,并对不同尺寸的孔隙进行分形拟合,计算综合分形维数,最后结合地球化学和矿物组成对综合分形维数的影响因素进行探讨。结果表明：页岩样品孔径分布呈多峰态,各阶段孔隙均对总体积有一定贡献,而孔隙比表面积主要由微孔和介孔贡献。龙马溪组页岩孔隙符合分形规律,具有自相似性,宏孔孔隙结构较介孔、微孔更为复杂。以2个孔径段的孔体积比为加权值,计算获得综合分形维数为2.491～2.623,平均为2.560,孔隙结构较为复杂。有机碳含量和矿物组成对综合分形维数具有明显控制作用,有机碳含量越高,综合分形维数越大。孔隙结构复杂程度与综合分形维数呈正相关关系,脆性矿物含量与综合分形维数呈负相关关系,有机质成熟度和黏土矿物对孔隙综合分形维数有积极影响。     

低温氩气吸附实验在页岩储层微观孔隙结构表征中的应用

针对页岩储层微观非均质性强、孔径分布广泛的特点,使用氩气作为吸附质,通过87 K下的低温氩气吸附实验,研究蜀南地区五峰-龙马溪组富有机质页岩样品的微观孔隙结构特征,并探讨了有机碳含量对页岩微观孔隙结构的影响。结果表明:页岩孔隙呈狭缝型,富有机质页岩样品平均比表面积31.65 m2/g,平均孔体积0.062 2 cm3/g,小于50 nm的微孔和介孔贡献了页岩孔隙中90%以上的比表面积,2~100 nm的介孔和宏孔贡献了页岩孔隙中90%以上的孔体积。有机质含量是影响富有机质页岩微观孔隙发育的主要因素,随着页岩中有机碳含量的增高,页岩比表面积、孔体积增大,微孔占比增多,孔隙表面分形维数增大,孔隙结构非均质性增强,页岩的吸附能力增强。      

昭通示范区龙马溪组页岩微观孔隙结构特征及吸附能力

为明确四川盆地南缘昭通示范区下志留统龙马溪组富有机质页岩储层微观孔隙结构特征及吸附能力,设计低温氮气吸附实验和高温甲烷吸附实验,获得富有机质页岩的孔隙结构参数,使用修正过的Langmuir-Freundlich模型对等温吸附线进行拟合,以评价页岩样品的甲烷吸附能力,并探讨微观孔隙结构对页岩吸附性能的影响。实验结果表明:研究区富有机质页岩纳米级孔隙主体为墨水瓶状和狭缝型,比表面积为9.429~27.742 m~2/g,孔体积为0.011~0.02 cm~3/g,平均孔径为8.546~10.982 nm,分形维数为2.552 2~2.725 5。使用Langmuir-Freundlich模型拟合高温甲烷吸附曲线,30℃甲烷吸附的Langmuir体积为1.397 32~4.076 61 m~3/t,不同页岩样品吸附能力差异明显。富有机质页岩中,随着有机质含量的增大,一方面有机质孔数量增多,页岩比表面积增大,甲烷吸附位点增多,页岩吸附能力增强;另一方面分形维数增大,孔隙表面非均质性增强,孔径减小,孔隙壁之间的吸附势能增强,页岩吸附能力增强。富有机质页岩中粘土矿物对吸附性能的贡献较小。     

陕南地区牛蹄塘组页岩孔隙结构特征及吸附能力

为揭示陕南地区下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙结构特征及其吸附能力,采用场发射扫描电镜观察、有机地球化学分析、全岩X射线衍射、氮气吸附和等温吸附实验等方法,通过定性观察和定量表征相结合的方式,来研究该组页岩的孔隙结构类型,并探讨页岩孔隙结构和吸附能力的主控因素。结果表明：陕南地区牛蹄塘组页岩主要发育有机质孔、粒内孔、粒间孔和微裂缝等4种孔隙类型,页岩孔径为1.8～316.7 nm,BET比表面积为1.34～13.20 m²/g,平均值为6.83 m²/g,BJH吸附总孔体积为0.003～0.011 cm³/g,平均值为0.006 cm³/g;影响页岩孔隙发育的直接因素包括总有机碳含量和热演化成熟度,二者与孔隙体积和比表面积均呈正相关性;影响页岩孔隙发育的间接因素包括汉南古隆起周缘的构造运动和沉积环境,二者对牛蹄塘组页岩热演化成熟度、埋藏深度、厚度和岩性变化均具有较大影响,从而间接控制着页岩孔隙结构的发育特征;页岩吸附能力主要受有机碳含量、孔隙体积和比表面积等因素的影响,三者与甲烷吸附气量均呈正相关性。该研究结果对陕南地区寒武系页岩气资源潜力评价及选区评价均具有重要意义。     

修武盆地下寒武统荷塘组海相页岩孔隙特征

通过孔隙度实验、低温N₂吸附法和CO₂吸附法,对修武盆地RDZ01井下寒武统荷塘组页岩孔隙发育特征进行定量表征,结合总有机碳含量、矿物组成及有机质的热演化程度,讨论孔隙发育特征主控因素。结果表明：孔隙形态以楔形孔为主,并发育墨水瓶形孔及狭缝形孔。页岩孔隙度为1.24%~2.91%,具低孔隙度特征;微孔、中孔和大孔3类孔隙分别占总孔体积的35.45%、44.54%和20.01%。页岩总孔体积为5.33×10^-3 ~20.10×10^-3 cm³/g,其中低温N₂吸附法和CO₂吸附法平均孔体积分别为7.40×10^-3 cm³/g和2.24×10^-3 cm³/g;总比表面积为7.62~17.84 m²/g,其中低温N₂吸附法和CO₂吸附法平均比表面积分别为5.23 m²/g和7.41 m²/g。孔径分布的主峰值小于10.00 nm,微孔的结构复杂,0.30~0.70 nm的孔隙较为发育,大的比表面积为页岩气提供更多的吸附位。总有机碳含量是微孔发育的主控因素,同时促进中孔发育,对大孔的影响较弱;黏土矿物增多会降低页岩的孔隙度;高石英含量为总孔体积和总比表面积增大的有利因素。修武盆地下寒武统荷塘组海相页岩和鄂西地区下侏罗统自流井组页岩储集层特征相似,呈现良好的储集能力。     

页岩有机质热演化过程中孔隙结构特征研究

为研究页岩气的形成演化和赋存特征,选择冀北地区下马岭组低成熟海相页岩,以热演化模拟实验为基础,结合低温液氮、高压压汞实验等测试技术,研究不同成熟度阶段页岩孔隙特征。结果表明：随着有机质成熟度升高,页岩孔隙数量明显增多,孔隙度呈线性增长,大于10000nm的宏孔逐渐减少,孔径小于50nm的微孔、介孔明显增多,其中,对介孔的影响主要表现在孔径为30～50nm的孔隙;页岩孔隙在不同成熟度阶段表现为不同形态,随有机质热演化不断加深,其孔隙连通性、扩散性以及渗流性均有明显提升。吸附空间和游离空间在不同孔径阶段呈现不同的变化速率,表明页岩气从纳米孔中的形成随热演化加深逐渐由吸附状态大量析出,游离至大孔空间中的赋存转变过程。该项目探究了有机质热演化过程中的孔隙结构特征及其对页岩气赋存的影响,对南方海相页岩气的形成和赋存具有指示意义。     

基于氮气吸附实验的页岩孔隙结构表征

页岩储层微观孔隙结构研究对页岩含气性评价具有重要意义。为此,采用低温氮气吸附法,对宁夏六盘山盆地下白垩统乃家河组页岩样品的微观孔隙结构进行了实验研究,计算了页岩的比表面积、孔径分布、孔体积和平均孔径等孔隙结构参数,并探讨了页岩孔隙发育的控制因素及孔隙结构对页岩气存储的意义。实验结果表明：①页岩平均孔径为3.6~4.3 nm,主体孔隙为中孔,也含有一定量的微孔和大孔,孔隙形状以平行板状和墨水瓶孔为主,同时具有无定形孔特征;②页岩比表面积和孔体积远大于常规储层岩石,孔径小于50 nm的微孔和中孔提供了主要的比表面积和孔体积,构成了页岩中气体吸附存储的主要空间;③页岩微孔、中孔的发育与有机质有关,有机碳含量与微孔、中孔的比表面积、孔体积呈正相关性,页岩大孔的发育与黏土矿物含量有关,黏土矿物含量增加,大孔的比表面积和孔体积都增大。     

湖相、海相泥页岩孔隙分形特征对比

在松辽盆地湖相泥页岩低温氮气吸附实验的基础上,利用 FHH 模型探讨了湖相泥页岩纳米级孔 隙结构分形维数与比表面积、平均孔径及 TOC 含量的关系,进一步对比了湖相与海相泥页岩孔隙分形 维数特征。 结果表明：①湖相、海相泥页岩纳米级孔隙均具有明显的分形特征,且大孔隙（孔径为 5～ 100 nm）结构复杂,其分形维数高于小孔隙（孔径小于 5 nm）。 ②湖相泥页岩纳米级孔隙结构相对简单, 分形维数小于海相泥页岩。 ③分形维数与 TOC 含量呈正相关关系,湖相泥页岩有机质丰度对分形维数 影响较小。 ④湖相泥页岩分形维数 D1 与平均孔径具有明显的线性关系,表明 D1 可以反映湖相泥页岩 孔隙结构特征;海相泥页岩分形维数 D2 与孔隙比表面积具有明显的指数关系,表明 D2 可以反映海相 泥页岩孔隙比表面积特征。     

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。     

页岩微观孔隙演化及分形特征研究

以美国印第安纳州伊利诺伊盆地的New Albany页岩(热成熟度R_O值范围为0.35%~1.41%)为研究对象,分别采用氮气吸附法和二氧化碳吸附法表征页岩纳米孔隙结构特点,研究了页岩微观孔隙随热成熟度、总有机碳含量(TOC)及无机矿物组分的演化特征,并探索了页岩孔隙分形特征的热演化规律及其与孔隙结构参数的相关关系。结果表明,随着热成熟度的升高,页岩孔容呈现非单调演化趋势,推测其与有机质的初次和二次裂解密切相关。Frenkel-Halsey-Hill(FHH)方法和热力学模型计算获得的页岩样品的孔隙分形维数在2.47~2.61之间,表明了页岩孔隙具有明显的分形特征。研究还发现,生油窗内成熟页岩样品的孔隙分形维数与其孔容显著正相关,而与孔径显著负相关,暗示孔隙分形维数与页岩气体吸附能力密切相关。更高的分形维数使得孔隙结构趋于复杂,并有利于气体吸附存储。因此,页岩孔隙分形维数可作为定量表征孔隙结构非均质性、评价页岩气体吸附存储能力的重要参数之一。     

黔北地区下志留统龙马溪组页岩储层特征

为弄清黔北地区下志留统龙马溪组海相富有机质页岩储层特征,文中利用有机地球化学、低温氮气吸附、甲烷等温吸附和场发射扫描电镜等资料,分析讨论了龙马溪组页岩的矿物学、有机地球化学、页岩储集空间和吸附能力等特征.结果表明:研究区龙马溪组页岩有机质类型以Ⅰ型为主,有机质成熟度适中,总有机碳质量分数在0.39％～9.24％,平均为...     

柴达木盆地东缘上石炭统泥页岩孔隙结构及分形特征

我国海陆过渡相烃源岩分布范围广,具有成熟度适中及厚度大等特点,页岩气勘探前景良好。前人研究主要聚焦于页岩气成藏条件、模式及生烃潜力,而对储层孔隙结构影响因素及复杂程度的定量表征研究较少。为了探讨海陆过渡相泥页岩的孔隙结构和分形特征,以柴达木盆地东部上石炭统泥页岩为研究对象,对研究区15件泥页岩样品采用低温液氮吸附及扫描电镜进行孔隙结构、分形特征研究,并在此基础上探讨了泥页岩有机地球化学、矿物组成、孔隙结构参数与分形维数的关系,进而揭示泥页岩孔隙结构发育影响因素。结果表明：①泥页岩孔隙形态主要有2类,第一类为楔形—狭缝型和细颈瓶—墨水瓶状型,第二类为四周开放的平行板状孔,孔隙类型以粒间孔缝、溶蚀孔和有机质孔最为发育。②应用FHH分析模型计算出了泥页岩孔隙分形维数,以P/P₀=0.45为界,泥页岩存在2种不同吸附解吸机制,用D₁和D₂分别表示P/P₀<0.45和P/P₀>0.45范围内的孔隙分形维数。泥页岩孔隙具有明显的分形特征,D₁分形维数与黏土矿物和TOC含量呈负相关关系;D₂分形维数与黏土矿物和TOC含量呈正相关性。表明影响分形维数的主要因素为黏土矿物和有机质含量。D₁和D₂与孔隙结构参数的相关性都较好,但D₁趋势线比D₂拟合性更好,说明小孔对孔隙结构参数影响更为重要。③分形维数D₁和D₂之差△D=0.393,表明其结构复杂程度相差很大,双重分形特征明显。但分形维数D₂越大,孔隙结构趋于复杂,孔隙表面积更加粗糙,不利于气体的渗流。     

基于氩气吸附的页岩纳米级孔隙结构特征

为了研究页岩储层微观孔隙结构特征,以川南地区龙马溪组页岩为研究对象,应用场发射扫描电镜（FE-SEM）定性描述页岩镜下孔隙形态及确定其类型,创新使用低温氩气（Ar）吸附实验测量页岩样品的比表面积、孔体积以及孔径分布,实现了页岩小于100 nm（纳米级）孔隙的连续测量,并根据FrenkelHalsey-Hill（FHH）模型研究了页岩孔隙结构的分形特征,探讨了有机质对页岩孔隙结构及分形特征的影响。结果表明：川南地区龙马溪组页岩储层主要发育有机质孔、粒间孔及粒内孔,并以有机质孔为主。Ar吸附等温线表明,纳米级孔隙以狭缝型为主,孔径主体分布在10 nm以下的微孔和介孔中,呈“三峰”特征,微孔主要集中在0.6～0.9 nm以及1.8～2.0 nm,介孔主要集中在4.0～5.0 nm。纳米级孔隙分形维数为2.55～2.64,表现出较强的非均质性。有机碳（TOC）含量控制了页岩纳米级孔隙的发育,TOC含量的增加使得页岩中微孔及其所占比例增高,分形维数增大,孔隙结构趋于复杂,有利于页岩储层吸附能力的增强。该研究成果对川南地区龙马溪组页岩储层纳米级孔隙结构特征研究具有重要意义。     

四川盆地不同成熟度下志留统龙马溪组页岩有机孔特征

有机质孔隙是页岩气的主要储集空间,也是页岩天然渗流通道的重要组成部分。选取四川盆地不同热成熟度的下志留统龙马溪组页岩,采用场发射扫描电镜开展页岩不同显微组分有机质孔隙形成演化研究。笔石是龙马溪组页岩主要的结构有机质,含量较少,自身不发育有机质孔隙。成岩过程中由脂类原位聚合或外部地质聚合物交代使得笔石化石具有一定的生烃潜力,导致局部存在有机质孔隙。固体沥青是龙马溪组页岩最主要的显微组分,也是有机质孔隙发育的主要载体。考虑细粒沉积物成岩和有机质生烃演化,结合固体沥青赋存形态,可将固体沥青区分为前油沥青和后油沥青,且后油沥青含量占绝对优势。固体沥青有机质孔隙演化与热成熟度密切相关。总体上,随着热成熟度增加,固体沥青有机质孔隙越来越发育。成熟-高成熟早期(GR_o<2.3%),固体沥青孔隙不太发育,可能受到有机质生成的烃类物质掩盖。高成熟晚期-过成熟早期(2.3%4.5%),有机质炭化对页岩孔隙产生强烈破坏作用,导致页岩气勘探风险加剧。     

巨鹿地区石炭系—二叠系富有机质页岩孔隙结构特征及微观非均质性

为揭示巨鹿地区富有机质页岩孔隙的分形特征及微观非均质性,利用X射线衍射、扫描电子显微镜和低温液氮吸附等实验,对巨鹿地区富有机质页岩的孔隙结构进行定性及定量表征,运用FHH模型计算孔隙分形维数,并探讨微观非均质性的影响因素。研究结果表明:页岩矿物组成以黏土矿物和石英为主,其中,黏土矿物包括伊蒙混层、伊利石和绿泥石;孔隙类型包括有机质孔、粒间孔、矿物粒内孔和微裂隙;不同孔径范围内孔隙微观非均质性存在差异,4.34～100.00 nm范围内孔隙微观非均质性更强,分形维数与黏土矿物、脆性矿物含量分别呈正、负相关关系,构造及成岩作用也会影响孔隙微观非均质性。该研究可为巨鹿地区页岩气勘探提供理论依据。     

鄂尔多斯盆地延长探区长7油层组泥页岩孔隙结构定量表征与动态演化过程

全孔径孔隙结构的定量表征与动态演化研究是认识泥页岩储层成储机理和明确孔隙与烃-岩相互作用关系的重要基础。通过场发射扫描电镜、高压压汞、N₂和CO₂吸附实验等技术,对鄂尔多斯盆地延长探区长7油层组不同成熟度的典型岩心,以及开展过生、排烃模拟实验的泥页岩样品进行了孔隙结构的定量表征。在此基础上,结合生、排烃模拟和X射线衍射全岩/黏土矿物含量的测试结果,研究有机质生排烃、矿物成岩与孔隙结构演化的相互作用,定量分析储层孔隙结构和分形特征的动态演化特征。结果表明：长7油层组泥页岩储层的微孔、小孔和中孔对孔体积贡献较大,而孔比表面积主要由微孔和小孔提供。随着有机质生排烃、无机矿物溶蚀和矿物间转化的发生,总孔体积具有先减小后增大的趋势,其中中-大孔占比先降低后增加,且微-小孔的非均质性总体增强,而中-大孔的非均质性具有先增加后降低的趋势。相关性分析表明：孔隙大小、矿物组成耦合于储层的非均质性,其中微-小孔的分形维数D1与微孔占微-小孔的孔体积比例和黏土矿物含量均呈正相关,而中-大孔的分形维数D2与大孔占中-大孔的孔体积比例呈负相关,与脆性矿物含量呈正相关。...     

渝西地区龙马溪组下部页岩储层发育特征及其影响因素——以重庆綦江观音桥剖面为例

渝西地区是重要的深层页岩气潜力区。该文以龙马溪组页岩储层为研究对象,利用氩离子抛光-场发射扫描电镜、总有机碳(TOC)测试、X射线衍射、低温氮吸附实验、地球化学元素测试等技术手段,通过对储层特征、沉积环境的系统研究,建立FHH分形模型,综合讨论龙马溪组页岩储层发育特征及其影响因素。结果表明,龙马溪组下部页岩储层矿物组分脆性矿物以石英为主,黏土矿物以伊利石为主;TOC平均值为2.84%,达到过成熟阶段;孔隙类型主要为有机质及生物化石孔隙、溶蚀孔隙、粒间孔、晶间孔以及微裂缝。纳米孔提供了主要的比表面积和储集空间,孔隙的孔径集中于40 nm以下。分形特征明显,分形维数值为2.76～2.85,表明孔隙结构相对复杂,具有非均质性,部分样品表现为双重分形特征。将纳米孔划分为渗透孔隙和吸附孔隙,孔隙体积和平均孔径与分形维数负相关性,平均孔径越小,孔隙体积越小,分形维数越接近于3。     

西昌盆地B1井龙马溪组页岩储集空间发育特征及影响因素

为研究西昌盆地B1井龙马溪组页岩储集空间发育特征,结合氩离子抛光和高分辨率扫描电镜观察技术对样品储集空间发育特征进行研究,并确定其发育类型,通过氩气（Ar）吸附—脱附测试测量样品的孔隙结构参数,实现了1~300 nm范围内的储集空间定量表征。结果表明：西昌盆地B1井龙马溪组页岩微观孔以有机质孔为主,部分为粒间孔、粒内孔。氩气（Ar）吸附等温曲线“滞后环”形态显示,孔隙形态以墨水瓶状为主,部分为狭缝状,孔隙直径分布呈“双峰”特征,孔隙直径分布差异较大,呈现较强非均质性。总有机碳含量和脆性矿物含量对样品中微纳米级储集空间的发育起主要控制作用,两者与孔隙的比表面积及比孔容等孔隙结构特征参数均呈正相关性;分形维数随着总有机碳含量和脆性矿物含量的增加而增大,孔隙结构愈加复杂,有利于页岩储层吸附能力的增强。该成果对研究西昌盆地龙马溪组页岩储集空间结构特征具有重要意义。