川东北牛蹄塘组页岩孔隙结构特征及其控制因素

海相页岩气勘探在四川盆地周缘取得重要进展。通过X射线全岩衍射、氩离子抛光扫描电镜、二氧化碳和氮气吸附实验及有机地化实验等,对川东北地区下寒武统牛蹄塘组页岩的孔隙发育特征及其控制因素进行了研究。结果表明:川东北地区牛蹄塘组页岩有机质丰度较高,石英矿物和黏土矿物是主要造岩矿物;孔隙类型主要为有机质孔隙、脆性矿物粒间孔隙、黏土矿物层间缝等,有机质孔隙呈蜂窝状,在有机质内部发育,有机质孔数量较少,无机矿物孔隙以孔状、夹板状等μm级孔径为主;页岩孔容与比表面积随着有机质和黏土矿物含量的升高而变大。     

中国南方海相页岩孔隙结构特征

我国南方古生界页岩成熟度高,页岩储层孔隙、裂隙类型多样,微米—纳米级孔隙发育。正确认识页岩孔隙特征是研究上述地区页岩气赋存状态,储层性质与流体间相互作用,页岩吸附性、渗透性、孔隙性和气体运移等的基础。为此,采用观察描述和物理测试两类方法对南方海相页岩孔隙特征进行了研究:前者通过手标本、光学显微镜、扫描电镜、核磁共振光谱学法、小角度X射线散射法等手段直观描述页岩孔隙的几何形态、连通性和充填情况,统计孔隙优势方向和密度,拍摄照片等,以确定页岩成因类型;后者通过He孔隙率测定、压汞实验、低温液氮吸附、低温CO2吸附等方法定量测试页岩孔容、孔径大小及其分布、孔隙结构、比表面积等,以评价页岩含气性。结果表明:该区古生界页岩储层中纳米级孔隙以干酪根纳米孔、颗粒间纳米孔、矿物晶间纳米孔、溶蚀纳米孔为主,喉道呈席状、弯曲片状,孔隙直径介于10～1 000nm,主体范围为30～100nm,纳米级孔隙是致密储层连通性储集空间的主体;按孔径大小,将页岩储集空间分为5种类型:裂隙(孔径大于10 000nm)、大孔(孔径介于1 000～10 000nm)、中孔(孔径介于100～1 000nm)、过渡孔(孔径介于10～100nm)、微孔(孔径小于10nm)。     

页岩油储层孔隙发育特征及表征方法

页岩油是非常规油气资源重要的组成部分,主要赋存于泥页岩不同类型的孔隙和裂缝中。与产生页岩气的高成熟阶段泥页岩不同,处于生油窗的富有机质泥页岩中的油气储集空间往往被早期生烃产物完全或部分充填,影响对页岩油储集空间的结构表征和形态描述。通过镜下观察发现,页岩油储层中发育的孔隙总体上可以划分为矿物颗粒间孔隙、矿物颗粒内孔隙和有机质孔隙,其中前两者主要的孔隙类型包括不同矿物颗粒间的粒间孔隙、溶蚀孔隙和黏土矿物片层间孔隙等,有机质孔隙包括有机质颗粒边缘收缩孔(缝)和少量的热解孔隙。从页岩油储层孔隙表征方法的要求出发,对页岩油储层样品进行溶剂抽提处理,探讨分别适用于碎状样品和块状样品的孔隙表征方法。不同页岩油储层孔隙表征方法的原理和应用具有差异性,也存在局限性,可以综合多种表征方法,通过对比分析和统一量纲的方式提高页岩油储层孔隙表征结果的准确性。     

陆相和海相页岩储层孔隙结构差异性分析

页岩储层以微-纳米孔隙和裂缝作为页岩油气的赋存空间,对其孔隙结构特征的研究是明确页岩油气富集机理的关键,而陆相和海相页岩储层的孔隙结构特征存在巨大的差异。为此,运用场发射扫描电镜、CO_2吸附、N_2吸附、高压压汞分析和索氏抽提等方法,以沾化凹陷沙三段下亚段陆相页岩储层和川东南龙马溪组海相页岩储层为典型实例,深入分析陆相和海相页岩储层的孔隙结构差异。结果表明,沾化凹陷沙三段下亚段陆相页岩储层中有机质单体内部并未发育密集分布且相互连通的蜂窝状孔隙,具有极大孔体积的宏孔更为发育,能够为游离烃赋存提供良好的储集空间,控制着页岩油的富集。而川东南龙马溪组海相页岩储层中有机质单体内部密集发育相互连通的蜂窝状孔隙,具有极大比表面积的微孔最为发育,能够为吸附烃赋存提供足够的比表面,控制着页岩气的富集。     

海相与陆相页岩储层孔隙结构差异的影响因素

海相页岩和陆相页岩的孔隙结构差异明显。基于海相和陆相页岩在岩石组分、成熟度以及有机显微组分的差异开展的成因机理分析表明,页岩中不同岩石组分孔隙的孔径分布差异大,有机质孔隙在小孔径范围内占比多,黏土矿物孔隙与有机质孔隙的孔径分布特征相似,但亦发育中孔和宏孔。海相页岩的小孔径孔隙多由有机质提供,而陆相页岩的小孔径孔隙多来自黏土矿物。无论是海相页岩还是陆相页岩,其孔隙均以无机矿物孔隙为主,其次为有机质孔隙,所不同的是海相页岩中有机质孔隙的贡献率高于陆相页岩,而陆相页岩中黏土矿物孔隙的贡献率高于海相页岩。有机质孔隙在不同演化阶段的孔隙构成不同,未成熟阶段以发育镜质体和惰质体的原始胞腔孔隙为主,成熟阶段有机质孔隙的发育程度最差,高成熟—过成熟阶段以发育次生固体沥青孔隙为主。高成熟—过成熟海相页岩的有机质以腐泥组和固体沥青为主,其有机质孔隙发育程度高。在以松辽盆地沙河子组为代表的高成熟陆相页岩中,其有机质以镜质体和惰质体为主,原始胞腔孔隙损失大,含有少量固体沥青孔隙;在以鄂尔多斯盆地延长组为代表的低成熟陆相页岩中,由于腐泥组和固体沥青充填孔隙,使得页岩整体的孔隙发育程度变差。     

海相与陆相页岩储层孔隙结构差异的影响因素

海相页岩和陆相页岩的孔隙结构差异明显。基于海相和陆相页岩在岩石组分、成熟度以及有机显微组分的差异开展的成因机理分析表明,页岩中不同岩石组分孔隙的孔径分布差异大,有机质孔隙在小孔径范围内占比多,黏土矿物孔隙与有机质孔隙的孔径分布特征相似,但亦发育中孔和宏孔。海相页岩的小孔径孔隙多由有机质提供,而陆相页岩的小孔径孔隙多来自黏土矿物。无论是海相页岩还是陆相页岩,其孔隙均以无机矿物孔隙为主,其次为有机质孔隙,所不同的是海相页岩中有机质孔隙的贡献率高于陆相页岩,而陆相页岩中黏土矿物孔隙的贡献率高于海相页岩。有机质孔隙在不同演化阶段的孔隙构成不同,未成熟阶段以发育镜质体和惰质体的原始胞腔孔隙为主,成熟阶段有机质孔隙的发育程度最差,高成熟—过成熟阶段以发育次生固体沥青孔隙为主。高成熟—过成熟海相页岩的有机质以腐泥组和固体沥青为主,其有机质孔隙发育程度高。在以松辽盆地沙河子组为代表的高成熟陆相页岩中,其有机质以镜质体和惰质体为主,原始胞腔孔隙损失大,含有少量固体沥青孔隙;在以鄂尔多斯盆地延长组为代表的低成熟陆相页岩中,由于腐泥组和固体沥青充填孔隙,使得页岩整体的孔隙发育程度变差。     

渝东南地区海相页岩有机质孔隙发育特征及演化

页岩气在储层内的有效赋存及渗流由有机质孔隙决定。由此,以渝东南地区下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组高—过成熟度典型富有机质黑色海相页岩为研究对象,使用电子显微镜观察2套页岩层位的有机质孔隙结构。结果表明：龙马溪组页岩有机质孔隙主要发育在焦沥青内部,而固体干酪根内仅发育少量直径较小的有机质孔隙;牛蹄塘组页岩的焦沥青和固体干酪根均不发育有机质孔隙;2套页岩的总有机碳含量、全岩矿物组成及干酪根类型均具有相似特征,但牛蹄塘组页岩的热成熟度要远高于龙马溪组页岩,且已达到变质期,其固体干酪根和焦沥青的物理化学性质均趋近于石墨,导致其有机质内部不发育孔隙。过高的热成熟度不利于页岩中有机质孔隙的保存,所以渝东南地区下寒武统牛蹄塘组高—过成熟度海相页岩气的勘探开发应重点寻找热成熟度低于3.5%的地区。     

四川盆地东南部龙马溪组页岩微-纳米孔隙结构特征及控制因素

以四川盆地东南部重庆地区下志留统龙马溪组页岩为研究对象,通过场发射扫描电镜、CO₂及N₂低温低压吸附实验,探讨海相页岩储层微-纳米孔孔隙结构特征及其控制因素。结果表明:龙马溪组页岩发育有机孔、粒间孔、粒内孔、晶间孔、溶蚀孔和微裂缝6种孔隙类型,其中有机孔、黏土矿物层间粒内孔最为发育,由于热演化程度高也发育大量的溶蚀孔隙;龙马溪组页岩BET比表面积介于3.5~18.1 m²/g,BJH总孔容介于0.00234~0.01338 cm³/g,DA微孔比表面积介于1.3~7.3 m²/g,DA微孔孔容介于0.00052~0.00273 cm³/g。页岩微孔比表面积占总比表面积的23.1%~80.2%,平均占比50.3%,微孔孔容占总孔容的12.1%~48.5%,平均占比32.3%,微孔提供比表面积的能力远大于中孔和宏孔,是页岩储层中甲烷吸附的主要场所;泥页岩孔径分布复杂,孔径分布曲线存在多个不同的峰值,在0~100 nm范围内主要呈现双峰或三峰特征,偶见四峰特征;有机碳含量与泥页岩微孔、中孔+宏孔及总孔的孔隙结构参数均呈现非常好的线性关系,表明TOC是泥页岩中微-纳米孔隙结构最重要的控制因素,将孔隙结构参数对TOC进行归一化处理后,总孔和中孔+宏孔孔隙结构参数与黏土矿物含量呈正线性关系,与脆性矿物含量呈负线性关系,表明黏土矿物和脆性矿物主要控制页岩的中孔和宏孔的发育。     

页岩孔缝结构及海相与陆相储层特征差异研究

为了深入分析海、陆相页岩微观孔隙的特征差异和含气潜力,采用FEI Quanta 200F场发射环境扫描电镜对页岩岩样进行了高真空扫描,建立了微观储层孔隙结构体系。以扫描电镜观测的微观孔隙孔径大小、形态及连通性结果为基础,参考前人对页岩吸附气、游离气研究成果及吸附气、游离气特征差异,对不同孔隙的储气能力和对页岩气的渗滤扩散的控制作用进行了研究,将陆相页岩和海相页岩的微观孔隙进行对比分析,总结海、陆相页岩微观孔隙的特征差异和含气潜力。研究结果表明,页岩气6类储层孔隙中,有机质纳米孔、黏土矿物粒间孔富集海、陆相页岩吸附气,古生物化石孔、岩石骨架矿物孔、黄铁矿晶间溶蚀孔、微裂缝富集游离气,改造后的岩石骨架矿物孔和微裂缝在页岩气的渗滤扩散方面起到主要作用。海相页岩中有机质和有机质纳米孔的含量远高于陆相页岩,而纳米孔富集吸附气;海相包含较多石英、长石及碳酸盐岩矿物,使海相页岩脆性矿物的含量高于陆相页岩,更易压裂,以上两个因素导致海相页岩的开发潜力大于陆相。     

渝东南页岩微观孔隙结构特征及其控制因素

为了评价渝东南地区下志留统龙马溪组页岩储层,运用超低压N₂吸附实验、X衍射实验以及有机地化实验等方法,研究页岩孔隙结构特征及其控制因素。研究发现：渝东南地区龙马溪组页岩中微孔和中孔广泛发育,孔形以板状孔和柱状孔为主;页岩孔径分布曲线呈现三峰特征,其中,微孔主要发育在0.5~0.7nm和1.1~1.5nm范围内,中孔主要发育在4.0~7.0nm范围内;有机质是控制页岩微孔和中孔结构特征的最主要因素。该研究结果有助于渝东南地区富有机质页岩储集能力的评价。     

页岩有机孔研究现状和展望

有机孔是页岩气储层的主要储集空间,也是页岩气储层区别于常规油气储层的重要孔隙类型。目前对有机孔的类型和特征、发育载体及其影响因素等的认识还存在较大争议。系统回顾国内外页岩有机孔的研究现状,调研分析有机孔发育特征及其控制因素,展望有机孔的攻关研究方向,研究认为,页岩的有机质类型是控制有机孔发育的根本因素,矿物类型与组成、成岩作用以及由脆性矿物形成的刚性格架是有机孔形成并保持的重要保障,热演化程度和地层压力对有机孔的发育和保持具有重要的影响。建议加强有机质类型(成烃生物)、不同有机质类型的生烃和排烃模式、矿物类型及其成岩作用(刚性格架形成时间)、页岩生-排烃与矿物成岩作用之间的有机—无机协同演化机制研究,探讨有利的页岩有机孔类型及其发育模式,加强页岩不同尺度储集空间定量表征、有机孔连通性及其影响因素等研究。未来需进一步关注深层—超深层页岩有机孔的发育特征及其保存机制研究。     

中国南方海相页岩储层可动流体及T2截止值核磁共振研究

为了分析中国南方海相页岩气储层的可动流体及T₂截止值特征,结合低场核磁共振和高速离心实验进行了页岩可动流体测试。实验结果表明：页岩饱和水状态和束缚水状态的建立至关重要,中国南方海相页岩建立饱和水状态的最佳压力为12MPa,建立束缚水状态的最佳离心力2.76MPa。其可动流体T₂截止值为1.07～3.22ms,平均值为1.8ms,明显小于致密砂岩的T₂截止值。使用经验值13ms来进行页岩可动流体的计算将会产生很大误差。结合饱和水状态和束缚水状态的核磁共振T₂谱,得到可动流体饱和度为23.19%～30.84%,平均值为27.28%,束缚水饱和度高,超低含水饱和度现象明显。将核磁共振T₂谱转换成孔径分布,得到页岩孔隙半径主要分布在20～200nm。     

川南地区五峰组—龙马溪组页岩微观孔隙结构特征及主控因素

为研究川南地区五峰组-龙马溪组页岩储层的孔隙结构特征及主控因素,对9口取心井的页岩样品开展了有机地球化学、X射线衍射全岩矿物含量及黏土矿物相对含量分析、氩离子抛光扫描电镜观察、高压压汞测试和气体（CO₂和N₂）等温吸附实验等研究。结果表明：①页岩总有机碳（TOC）质量分数平均为2.42%,等效镜质体反射率（R_o）平均为2.83%,有机质处于过成熟阶段;黏土矿物以伊/蒙混层-伊利石-绿泥石组合为主,处于晚成岩阶段。②页岩的平均孔隙度为2.49%,孔径主要为2.6~39.8 nm,以细颈墨水瓶状和狭缝孔为主;饱和吸附气质量体积为0.014 7~0.032 2 cm³/g,总孔隙比表面积为19.49~40.68 m²/g,介孔和宏孔为页岩气的储集提供了主要储集空间,微孔对孔隙的比表面积贡献较大。③TOC,R_o和黏土矿物相对含量等均对微孔和介孔的比表面积具有一定的控制作用,黏土矿物层间孔的发育程度对介孔和宏孔的孔隙体积具有一定的影响,脆性矿物含量与微孔、介孔、宏孔的孔隙体积均呈负相关关系。该研究成果对川南地区寻找优质储层和页岩气富集区均具有指导作用。     

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。     

中国南方早古生代页岩有机质的扫描电镜研究

南方早古生代页岩是我国页岩气勘探开发的首选层系,其有机质的研究极其必要和重要。通过制取页岩样品的自然断面（垂直层理的面和平行层理的面）和氩离子抛光面,在场发射扫描电镜下,对安徽省、贵州省、四川省等地早古生代（下寒武统、上奥陶统、下志留统）页岩有机质的显微组分、化学成分、赋存状态、孔隙类型等进行了较系统的观测和研究。结果表明,早古生代页岩的有机显微组分以生烃能力强的沥青质体和菌藻体为主。沥青质体由几至几十纳米的球粒组成,无固定形态,赋存状态有条带状、填隙状、薄膜状。菌藻体具有明显的生物形貌特征,形状各种各样,大小为几十微米,赋存状态主要为碎屑状。在显微组分识别的基础上,将有机质孔隙的成因类型划分为生物孔、气孔、沥青球粒孔和铸模孔。其中气孔和沥青球粒孔均发育于沥青质体内部,孔径主要为纳米级,是有机质生烃演化的直接见证,其发育程度可作为烃源岩生烃潜力的评价指标之一。     

Characterization of hydrocarbon/pores generation and methane adsorption in shale organic matter

The exploration and development of shale gas reservoirs has been of growing interest in the industry in recent years. It has been widely acknowledged that, during different thermal evolution stages, some characteristics including: the hydrocarbon-generation mechanism, development of organic matter pores, and methane storage/transport mechanism in organic matter/pores will affect shale gas desorption and production fundamentally. However, current research has failed to reveal them completely, which introduces large discrepancies between actual and predicted production in some shale gas reservoirs. In this paper, for the four thermal evolution stages of shale organic matter, i.e., the biochemical, thermo-catalytic, thermo-cracking and deep high temperature phases, respectively, characteristics of products generated from shale kerogen, including the form and quality of the solid frame, gas-oil ratios, and pore characteristics in organic matter (e.g., types of pores, pore wall materials) were first investigated. A new classification method for organic-matter pores was proposed. Additionally, methane absorption characteristics in shale organic matter and pores were demonstrated, the fact that water is involved during each thermal evolution phase was addressed, and current theories of solid-gas interface adsorption/desorption in the organic matter in shale were questioned. This work concluded that the system of solid-gas interface differs from actual shale reservoirs, so predicting production based on this understanding leads to significant inaccuracies. This work explained the possibility of solid-liquid interface effects in the organic matter of shale through analyzing product-generation and pore-formation mechanisms during the evolution of shale, which will directly affect potential reserves of shale. Therefore, this work should provide a basis for improving the accuracy of production predictions in actual reservoirs and should assist analysts in determining reasonable shale gas targets.     

鄂尔多斯盆地东南部延长组7段页岩有机孔发育特征及其影响因素

近年来的研究发现,鄂尔多斯盆地东南部延长组7段(长7段)中-低成熟度页岩中发育有机孔,但是对于影响陆相页岩储层中有机孔发育的影响因素有待进一步深入研究。借助氩离子剖光和场发射扫描电镜分析等技术,研究了鄂尔多斯盆地东南部长7段页岩中不同类型固体有机质中有机孔发育特征,并统计分析了不同成熟度页岩样品中干酪根和运移固体有机质的有机孔径和有机孔面积占有机质面积的百分比(S_R),以此为基础讨论了影响有机孔发育的主要因素。结果表明,长7段中不同成熟度页岩(R_o:0.50%～1.25%)中有机质均发育有机孔,但是干酪根和运移固体有机质中的有机孔发育程度具有明显差异。沉积有机质(干酪根)主要以顺层富集、孤立分散及与粘土矿物共生3种形式赋存在页岩中,有机孔发育程度相对较低,有机孔面积占有机质面积的百分比介于0～44.13%,一般小于10%,平均6.03%;有机孔孔径主要在10～40 nm。运移固体有机质主要赋存在刚性颗粒粒间孔/粒间溶蚀孔、刚性颗粒与粘土矿物间粒间孔/粒间溶蚀孔和黄铁矿晶间孔等无机矿物孔中,有机孔发育程度较高,有机孔面积占有机质面积的百分比介于...