贵州凤冈地区早寒武世牛蹄塘组页岩孔隙结构特征

陈 洁

(江苏长江地质勘查院,江苏 南京 210046)

页岩气是产自极低孔渗、富有机质暗色泥页岩地层中的天然气,具有资源潜力大、开采周期长等优点[1-3]。页岩是低孔低渗储集层,页岩孔裂隙结构不仅影响孔隙中气体的赋存状态,而且影响孔隙与气、液分子之间的相互作用,正确划分页岩孔隙结构,是研究页岩储层孔隙、空间结构、渗流特征、赋存特征和页岩气可采性的基础[4-5]。全国页岩气资源潜力评价结果[6]表明,贵州省页岩气地质资源量约10.48万亿m3,页岩气资源丰富,是我国重要的页岩气远景区。贵州凤冈地区构造复杂,地层岩石破碎,对页岩孔隙结构特征的系统研究较少,页岩气勘查处于起步阶段[7-9]。

针对上述问题,本文通过对钻探岩心进行实验测试分析,提取目的层页岩孔隙结构参数,运用扫描电子显微镜观测、低温液氮和CO2吸附实验、高压压汞实验等分析手段,对贵州凤冈地区早寒武世牛蹄塘组岩心样品孔径进行定量分析,对孔隙类型进行定性分析,为黔北牛蹄塘组页岩气的进一步开发提供参考。

1 地质概况

研究区位于黔北—黔中分区黔北台隆遵义断拱凤冈NNE向构造变形区。区内震旦纪之后的沉积盖层发育变形构造,主要由晚侏罗世—早白垩世燕山运动形成,具有多期次叠加改造的特征。区内牛蹄塘组底界面总体为NNE向复向斜,深度为-250～-5 500 m,落差>50 m的断层有15条,牛蹄塘组较大规模的断层有9条,断层多数为逆断层(图1)。

图1 研究区构造地质简图[12]Fig. 1 Structural geological map of the study area [12]

根据研究区QZ02井资料,牛蹄塘组主要为黑色碳质页岩,上部为灰黑色、黑色含砂质页岩,中下部为黑色碳质页岩,底部为黑色碳泥质硅质岩、含磷硅质岩,夹石煤。下部含磷硅质岩及碳泥质硅质岩为缺氧环境,为局限台地靠近陆缘的沉积环境;向上砂质含量增加,碳质含量减少,为深水陆棚沉积,逐渐由强还原环境转化为弱氧化环境。测井曲线特征显示自然电位曲线平直光滑,局部小幅波动;视电阻率曲线平直光滑,底部有较小的波动;自然伽马曲线呈小锯齿状,仅在底部有较大幅波动(图2)。研究区牛蹄塘组形成在较稳定、水体滞留的沉积环境,有利于有机质的保存[10-11]。

图2 早寒武世牛蹄塘组页岩QZ02井TOC柱状图Fig. 2 TOC column graph of shale in Early Cambrian Niutitang Formation from well QZ02

2 样品特征

本次实验测试样品取自QZ02井(图1),井深943.2 m,终孔层位为早寒武世牛蹄塘组底部。研究区牛蹄塘组TOC实验测试样18个,埋深601.0～938.7 m,TOC平均值为3.25%,自865 m以深牛蹄塘组下段TOC值>3.0%,平均镜质体反射率为3.20%,演化程度为高成熟(Ro≥2.0%),页岩层较高的有机质丰度和热演化程度为页岩微孔隙的发育奠定了基础。

QZ02井牛蹄塘组页岩XRD矿物成分分析结果见表1。中上段(603～830 m)黏土矿物含量为30.9%～48.1%,平均值为42.4%;石英含量为33.2%～38.7%,平均值为35.7%。中下段(851～920 m)黏土矿物含量为8.4%～24.1%,平均值为16.1%;石英含量为30.7%～55.3%,平均值为43.6%,且垂向分布较均匀。斜长石和方解石含量平均值分别为15.7%和3.0%,白云石和钾长石含量平均值分别为6.8%和3.2%,石膏、黄铁矿和菱铁矿平均含量<3%。

表1 QZ02井牛蹄塘组页岩XRD矿物成分及相关参数

黏土矿物可吸附页岩中的有机质及气体,在有机质向烃转化的过程中具有催化作用,对烃源岩中有机质富集及页岩气成藏具有重要作用。研究区黏土矿物主要为伊蒙混层和伊利石,伊利石形成过程中使泥页岩产生裂缝[13-15],可增加气体运移的储集空间,石英、斜长石等脆性矿物有利于页岩气储层的压裂改造。

3 实验方法及仪器简介

页岩中的孔隙结构较复杂,孔径分布范围广。采用孔径四分方法,即微孔(孔径<10 nm)、过渡孔(10 nm<孔径<100 nm)、中孔(孔径100～1 000 nm)、大孔(孔径>1 000 nm)[16-17],分别选取相应的测试方法对最优孔隙段进行测试,即微孔采用扫描电子显微镜观测,过渡孔采用低温液氮和CO2吸附实验测试,中—大孔采用高压压汞实验进行分析。

选取QZ02孔早寒武世牛蹄塘组暗色页岩段进行扫描电镜观察、高压压汞实验、氮气吸附实验和CO2吸附实验,仪器为JSM6610LV扫描电子显微镜及Energy+波普能谱仪、AutoPoreIV 9500全自动压汞仪、ASAP2020M比表面积及微孔分析仪。

4 实验结果

4.1 扫描电子显微镜观测的微孔(纳米孔)特征

孔隙是页岩气的主要储存空间[18-20],孔隙微观发育特征决定了储层的储集性能,利用扫描电镜及氩离子抛光观察页岩孔隙发育特征及其连通性。研究区早寒武世牛蹄塘组暗色页岩主要发育有机质孔(图3(a))、粒内孔(脆性矿物粒内孔(图3(b))和黏土矿物粒内孔、晶间孔(黄铁矿晶间孔(图3(c))和脆性矿物晶间孔(图3(d)))、矿物粒间孔(图3(e))及裂隙(图3(f)),孔径变化较大,一般为100 nm～5 μm,多为椭圆形或不规则凹坑形及少量月牙形。此外,测试样品裂缝较发育,缝宽一般0.4～10 μm,少数可达20 μm左右,连通性好。

图3 QZ02井牛蹄塘组页岩岩心SEM观测照片Fig. 3 SEM observation photos of shale core in Niutitang Formation from well QZ02

4.2 低温液氮和CO2吸附实验表征的过渡孔特征

4.2.1 低温液氮实验

液氮吸附实验可测试孔径范围更小的微孔,精度可以达0.35 nm。

(1)孔隙特征。吸附等温线采用BET模型计算单层吸附量[21-22]。液氮吸附实验统计结果如表2所示。测试样品孔隙总体积为0.001～0.009 mL/g,孔径分布范围为3.646～6.787 nm,平均孔径为4.927 nm;比表面积为2.463～14.884 m2/g,平均值为8.852 m2/g,具有良好的气体吸附能力。

表2 牛蹄塘组页岩液氮实验结果

(2)吸附-脱附曲线及其孔隙特征。根据吸附和脱附曲线可以判别样品的孔隙特点。样品的吸附曲线在形态上略有差别,但整体呈反S形,根据IUPAC定义的吸附等温线分类[6,22-24],曲线与Ⅱ型吸附等温线接近,吸附曲线前段上升缓慢,略向上微凸,后段急剧上升,一直持续到相对压力接近1.0时也未呈现吸附饱和现象,表明样品在吸附氮气的过程中发生了毛细孔凝聚现象;较低相对压力时(p/p0为0～0.3),吸附曲线前半部分上升缓慢,呈向上微凸状,该阶段为吸附单分子层向多分子层过渡;曲线中间部分(p/p0为0.3～0.8),在中-高相对压力下吸附量缓慢增加,该阶段为多分子层吸附过程;曲线后半段(p/p0为0.8～1.0),吸附量增加较快,至接近饱和蒸气压时未呈现吸附饱和,说明样品中含有较大比例的大孔,脱附等温线位于吸附等温线上方,形成滞后环,说明页岩样品中孔所占比例也较高(图4)。

图4 牛蹄塘组页岩液氮吸附-脱附等温线图Fig. 4 Liquid Nitrogen isothermal adsorption-desorption curves of shale in Niutitang Formation

滞后回线的形状反映了样品的孔隙结构[25],本次分析样品属于H2型,其特征为吸附曲线平稳上升,脱附曲线在中间压力处比吸附曲线陡,形成的滞后回线宽大,说明孔隙为墨水瓶孔、圆锥状等无定型态孔隙,可能与页岩中黏土矿物颗粒片状叠层结构有关[6],且孔隙联通,微孔发育,有利于页岩气的吸附、聚集及运移。

4.2.2 CO2吸附实验

对4个样品进行CO2吸附实验测试,样品比表面积为2.013～15.60 m2/g,平均值为7.02 m2/g,总孔体积为0.000 8～0.013 8 mL/g。实验记录的孔径分布范围为0.305 3～1.504 8 nm,孔径平均值为0.582 2 nm(图5)。

图5 牛蹄塘组页岩CO2吸附实验孔径分布图Fig. 5 Pore diameter distribution of CO2 adsorption experiment of shale in Niutitang Formation

CO2吸附等温线也表现为微孔吸附特征。整体吸附量增加较少,饱和蒸气压处吸附量接近饱和,与IUPAC定义的Ⅰ类吸附曲线相似[6,22-24],吸附饱和值为微孔的体积(图6)。以上分析表明,页岩微孔较发育,增加了页岩的比表面积,为吸附气提供了附着空间。

图6 牛蹄塘组页岩CO2吸附-脱附等温线Fig. 6 CO2 adsorption-desorption isotherm of shale in Niutitang Formation

4.3 高压压汞实验表征的孔隙特征

本次高压压汞实验测试孔径下限值为3.75 nm。实验结果基本可反映孔径>3.75 nm的孔隙孔隙度、孔径结构、孔隙类型与分布特征,但无法实现对孔径<3.75 nm孔隙的测试。

(1)孔隙度。泥页岩是泥质沉积物经过长期的成岩作用和后期变化改造的综合产物,是页岩气储存的重要空间[21,26-27]。研究表明,美国页岩的总孔隙度一般在10%以下,有效含气孔隙度仅为1%～5%[28]。对暗色泥页岩段进行高压压汞孔隙度测试,发现研究区泥页岩段的孔隙度为0.95%～2.66%,平均值为1.70%,其中孔隙度为0.5%～1.0%的泥页岩段约占8.3%,孔隙度为1.0%～1.5%的泥页岩段约占16.7%,孔隙度为1.5%～2.0%的泥页岩段约占66.7%,孔隙度为>2.0%的泥页岩段占8.3%,大部分样品孔隙度约为2.0%。牛蹄塘组下段泥页岩孔隙度分布较稳定,孔隙度一般为1.59%～2.00%。

(2)孔径。页岩中的孔隙分为有效孔隙和孤立孔隙,气体、液体能到达有效孔隙中,但不能进入全封闭性的孤立孔隙,孔隙系统研究是页岩储层评价的重要内容。高压压汞实验结果显示,大孔(>1 000 nm)所占比例为62.43%～82.78%,中孔(100～1 000 nm)所占比例为5.11%～14.03%,过渡孔(10～100 nm)所占比例为3.83%～10.67%,微孔(<10 nm)所占比例为6.1%。高压压汞试验测试的牛蹄塘组泥页岩孔径主要为大孔,为游离气提供了较大的赋存空间,一定量的中孔和过渡孔为吸附气提供了较大的吸附表面积[29-30](表3)。

表3 牛蹄塘组页岩高压压汞实验结果

毛管压力曲线形态有3种孔隙类型(图7),相应的储集空间特征如下。

(1)类型一。代表样品为FJ-4、FJ-31(图7(a)),毛管压力曲线中间段较长且平缓,喉道大小分布集中;毛管压力曲线略靠近左下方,歪度较粗,具有较好的储渗能力。储层有利于气体保存及渗流。

(2)类型二。代表样品为FJ-9、FJ-22、FJ-24(图7(b)),毛管压力曲线中间段较长但略陡,喉道分布区间较分散;毛管压力曲线略靠近右侧,孔、喉大小分布多为细孔喉,储渗能力相对较差。储层有利于气体保存,但不利于气体渗流。

(3)类型三。代表样品为FJ-34(图7(c)),毛管压力曲线中间段较长但略陡,喉道分布区间较分散;毛管压力曲线略靠近左下方,孔、喉大小分布多为粗孔喉,具有较好的储渗能力。储层有利于气体保存及渗流。

图7 牛蹄塘组暗色泥页岩毛管压力曲线图Fig. 7 Capillary pressure curves of dark mud shale in Niutitang Formation

综合分析认为,牛蹄塘组下部暗色泥页岩段储层自由孔多,孔隙连通性好,有利于气体解吸、扩散及渗透,是较好的页岩气储层。

5 结论

(1)贵州凤冈地区早寒武世牛蹄塘组页岩中各种孔隙发育较齐全,且连通性好,是良好的页岩气储集层。

(2)牛蹄塘组石英及黏土矿物含量较高,对后期压裂改造和气体吸附具有促进作用。扫描电子显微镜下观察的牛蹄塘组黑色页岩主要以有机质孔、粒内孔、矿物粒间孔及裂隙等类型,孔径多数为100 nm～5 μm,裂缝较发育,连通性好。

(3)高压压汞实验表明牛蹄塘组页岩过渡孔、中孔较发育。牛蹄塘组下部黑色泥页岩段储层自由孔多,孔隙连通性好,有利于气体解吸、扩散及渗透,具有较大的孔隙体积和比表面积,为气体提供了较好的吸附空间。

(4)低温液氮和CO2吸附实验反牛蹄塘组页岩微孔及纳米级孔隙发育,为吸附气提供了较大的比表面积,孔隙多为墨水瓶孔、圆锥状等无定型态孔隙,联通性好,有利于页岩气的吸附、聚集及运移。