四川盆地东南部下志留统龙马溪组一段页岩微—纳米观地质特征
龙胜祥1,2, 彭勇民1,2, 刘华1,2, 赵春鹏1,2, 赵剑华1, 吴靖1,2, 俞凌杰3
1.中国石化页岩油气勘探开发重点实验室
2.中国石化石油勘探开发研究院
3.中国石化无锡石油地质研究所

作者简介:龙胜祥,1959年生,教授级高级工程师;主要从事页岩气地质勘探及开发方面的研究工作。地址:(100083)北京市海淀区学院路31号。ORCID: 0000-0002-2722-4894。E-mail: lsx.syky@sinopec.com

摘要

下志留统龙马溪组一段是四川盆地东南部页岩气勘探开发的目标层系之一,以往对其地质特征的研究多停留在单方面、定性层面。为此,在钻井岩心观察与描述的基础上,应用微—纳米分析技术和模拟技术,对该层系的微—纳米观地质特征进行了分析。结果显示:①页岩矿物组成横向发育稳定,但纵向变化明显,龙一1亚段以灰黑色富有机质硅质页岩为主,有机质含量高,石英含量高且主要为有机成因石英;②龙一2亚段以灰黑色—黑色含粉砂质页岩及粉砂质页岩为主,较之于龙一1亚段,其砂质含量明显增多, TOC和石英含量则相对较低;③龙一3亚段主要为黑灰色黏土质页岩,硅质矿物含量较低,有机质常富集在黏土矿物间呈断续顺层分布;④该区页岩主要发育有机质孔隙、黏土矿物孔隙、脆性矿物孔隙和裂缝(含页理缝)等4种储集空间类型,其中有机质孔隙十分发育,多数为纳米级,是页岩气赋存的主要储集空间;⑤龙一1亚段属于IUPC分类方案中的中孔,孔隙度和渗透率均较高,连通性中—差,喉道直径变小,向上到龙一2、龙一3亚段则以IUPC分类方案的大孔为主,但孔隙度降低、连通性变差;⑥该区页岩孔缝细小,孔隙表面积大,对页岩气具有很强的吸附能力,吸附气量随压力增加而增加,页岩气在低速渗流时呈现滑脱效应,渗透率和孔隙压力越小,滑脱效应越明显。

关键词: 四川盆地; 页岩; 微&; #x02014; 纳米观特征; 有机质孔隙; 微纳米孔喉; 吸附能力; 低速渗流; 滑脱效应
Micro- and nano-scale geological characteristics of the shale in the first Member of Lower Silurian Longmaxi Fm in SE Sichuan Basin
Long Shengxiang1,2, Peng Yongmin1,2, Liu Hua1,2, Zhao Chunpeng1,2, Zhao Jianhua1, Wu Jing1,2, Yu Lingjie3
1. Sinopec Key Laboratory of Shale Oil/Gas Exploration and Production Technology, Beijing 100083, China
2. Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute, Beijing 100083, China
3. Sinopec Wuxi Petroleum Geology Research Institute, Wuxi, Jiangsu 214151, China
Abstract

The first Member of Longmaxi Fm, Lower Silurian is one of the target strata for shale gas exploration and development in the southeastern Sichuan Basin. The previous studies on its geologic characteristics are mainly unidirectional and qualitative. In this paper, drilling cores were observed and described. And then, their micro- and nano-scale geological characteristics were analyzed by means of micro-nano analysis and simulation. It is shown that mineral compositions of the shale are developed stably in the lateral direction, but vary greatly in the vertical direction. The Long 11 Sub-Member is mainly composed of grayish black organic rich siliceous shale with high organic content and quartz content, and its quartz is mainly of organic origin. The Long 12 Sub-Member is mainly composed of grayish black-black siltstone bearing shale and silty shale. And compared with the Long 11 Sub-Member, its sandy content is much higher and its TOC and quartz contents are lower. The Long 13 Sub-Member is mainly composed of blackish gray clay shale with fewer siliceous minerals, and the organic matter is mainly distributed discontinuously between clay minerals along the layer. Besides, in this area, four types of shale reservoir space are mainly developed, i.e., organic pores, clay mineral pores, brittle mineral pores and fractures (including lamellation cracks). And among them, organic pores are quite developed as the main reservoir space of shale gas, and most of them are in nanometer scale. In addition, the Long 11 Sub-Member is characterized by moderate pores in the IUPC classiffication scheme, higher values of porosity and permeability, moderate to poor connectivity and small throat diameters. In Long 12 and Long 13 Sub-Members, large pores are dominant in the IUPC classiffication scheme, but porosity and connectivity are lower. Finally, in this area, shale pores and fractures are small in size but large in surface area, so their adsorption capacity on shale gas is very high. And the adsorbed gas increases with the rising of pressure. The slippage effect occurs when shale gas flows at a low speed. The lower the permeability and pore pressure, the more obvious the slippage effect.

Keyword: Sichuan Basin; Shale; Micro- and nano-scale characteristics; Organic pore; Micron or nanometer pore throat; Adsorption capacity; Low speed seepage, Slippage effect

四川盆地东南部下志留统龙马溪组一段(简称龙一段, 下同)页岩广泛而稳定分布, 厚度在100 m左右, 其页岩气资源十分丰富, 近几年已在涪陵地区实现了规模商业开发, 2016年页岩气产量达50× 108 m3, 并在丁山、荣昌— 永川等地区钻获工业气流, 证明该层系页岩气勘探开发前景广阔。微— 纳米观地质特征是页岩气富集高产的主控因素, 而关于该区龙一段页岩的地质特征, 前人开展了大量研究, 但主要是单方面、定性的研究。陈尚斌等[1]从页岩中矿物含量出发评价了页岩气开发的可行性; 龙鹏宇等[2]通过渝页1井岩心观察和样品电镜分析, 描述了裂缝和基质孔隙特征; 钟太贤[3]、陈尚斌等[4]应用压汞法开展了孔隙结构研究; 郭旭升等[5]运用氩离子抛光扫描电镜技术、低温氮气吸附脱附法和高压压汞实验对焦石坝地区龙马溪组一段页岩储层的微观孔隙结构进行了研究。笔者在钻井岩心观察与描述基础上, 结合微米、纳米技术实验分析结果, 对该页岩气层系的微纳米观地质特征及其对气体赋存与流动的影响进行了剖析。

1 页岩矿物组成特征

页岩属细粒沉积物, 其矿物组成很难用常规实验技术进行分析。笔者开展了涪陵、南川、丁山、仁怀、荣昌— 永川及彭水等区块焦页1井、焦页2井、焦页4井、焦页6井、焦页7井、焦页8井、南页1井、丁页1井、丁页2井、仁页1井、永页1井、彭页1井、隆页1井等10余口井的岩心观察、录井与测井数据分析及井间对比研究工作, 并采样开展了偏光薄片鉴定与氩离子抛光— 扫描电镜同一样品对应鉴定, 辅以能谱分析、全岩X射线衍射分析、黏土X射线衍射分析, 发现该区内龙一段页岩矿物组成横向发育稳定, 但纵向变化明显, 具体如下(图1)。

图 1 涪陵地区龙马溪组一段分层示意图

龙一1亚段为硅质深水陆棚微相沉积, 以灰黑色富有机质硅质页岩为主。在无机组分方面, 石英含量高, 一般大于45%, 常呈微晶(1~2 μ m)、微晶聚集体结构(图2-a, 2-b), 在阴极光照射下表现为弱发光— 不发光, 认为其主要为成岩过程中形成, 与巴奈特页岩[6, 7, 8]类似。碎屑石英和长石含量相对少, 这是与粉砂质页岩的区别[9]。黄铁矿含量高, 介于1.9%~5.5%, 平均值为3.9%, 主要呈莓球状集中分布, 局部见自形黄铁矿, 直径较小, 介于2~4 μ m。在有机组分方面, 有机质含量较高, 介于2.0%~ 5.0%, 主要呈团絮状赋存在微晶石英颗粒之间。生物成因的矿物主要来自生活在透光带的浮游动物、浮游植物以及生活在海底的底栖生物。浮游生物的有机残骸常常与黏土矿物通过生物化学作用结合成“ 海雪” 沉到海底[10]

龙一2亚段为砂泥质深水陆棚微相沉积, 存在深水底流的影响。岩性以灰黑色— 黑色含粉砂质页岩及粉砂质页岩为主, 夹薄层碳质页岩, 砂质含量明显增多; 石英含量相对硅质页岩低, 介于30%~40%, 主要由陆源粉砂构成; 还含有少量长石, 呈漂浮状或连续纹层状产出, 分选较差, 磨圆中等, 次棱角— 次圆状(图2-c, 2-d)。粉砂质页岩的TOC相对低, 介于0.5%~2.0%。

图2 焦页1井龙马溪组一段岩石微观特征图

龙一3亚段为泥质深水陆棚微相沉积, 岩性主要为黑灰色黏土质页岩。硅质矿物含量较低, 介于25%~34%, 平均为33%; 黏土矿物含量通常大于50%。在黏土质页岩中石英或长石颗粒粒度一般为粉砂级或黏土级, 且含量相对较少(图2-e, 2-f), 这是与砂泥质深水陆棚微相的主要区别。含有硅质海绵骨针, 见笔石和角石。黏土矿物主要为伊利石、伊蒙混层及少量绿泥石, 受压实作用影响, 呈平行排列。有机质常常富集在黏土矿物之间, 呈断续顺层分布, TOC介于0.5%~3.2%, 平均为1.6%。此外, 该亚段还存在纹层状灰质页岩, 碳酸盐含量介于10%~30%, 主要为方解石, 含少量白云石; 硅质含量较低, 介于18%~30%, 平均为22%。

2 页岩储集特征
2.1 页岩储集空间类型

页岩纳米级孔隙类型及其分布特征越来越受到研究者的重视[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]。笔者应用纳米CT、FIB、氩离子抛光— 扫描电镜等技术, 对四川盆地涪陵地区龙一段页岩进行了纳米级微观孔隙特征刻画和统计分析, 发现主要发育有机质孔隙、黏土矿物孔隙、脆性矿物孔隙和裂缝(含页理缝)等4种储集空间类型。

有机质孔隙主要是晚成岩期后, 有机质高演化大量裂解成气而产生的纳米级孔隙, 属于次生成因。涪陵地区龙一段下部优质页岩的一大特色就是以有机质孔隙为主, 这些有机质孔隙在氩离子抛光— 扫描电镜的照片上, 呈圆形、椭圆形及不规则形状(图3-a), 空间上由管状喉道连接形成复杂内部结构。统计显示, 有机质孔隙主要为纳米级, 少数微米级, 按IUPC分类方案多数属小孔和中孔。据氩离子抛光— 扫描电镜观察结果统计, 有机质面孔率介于10%~50%, 平均为30%; 自下而上, 随着TOC的减少, 龙一段有机质孔隙也相应减少。

页岩内黏土矿物呈片状分布, 以伊利石为主, 在片状黏土矿物间或脆性矿物颗粒与片状黏土矿物间发育一定数量的晶间孔隙, 属于大于1 μ m的大孔级别(图3-b)。

图3 涪陵地区页岩储层储集空间类型图

该区页岩内脆性矿物主要有石英、长石、碳酸盐、黄铁矿等, 其发育粒间孔和粒内孔, 其中粒间孔孔径多数在0.1~1.0 μ m, 部分粒间孔边缘具备溶蚀港湾状边缘; 颗粒内部可见溶蚀孔隙, 孔径多超过50 nm, 属于IUPC分类方案中的大孔级别(图3-c)。

龙马溪组一段页岩微裂缝和层理缝发育。氩离子抛光— 扫描电镜观察结果显示, 焦页1 井井深2386 m处见到1条宽796 nm的页理缝, 呈微米级波状起伏, 未充填, 其上、下的有机质近平行于页理缝分布, 不同类型的颗粒也未被页理缝切割(图3-d)。通过镜下观察发现, 焦页1井下部页理缝密度介于 1~13 条/cm, 平均为6.61 条/cm; 中部发育粉砂质粗纹层间页理缝密度在7~13 条/cm, 平均为8.6 条/cm; 上部页理缝密度平均为4.29 条/cm, 粉砂质粗纹层间页理缝密度平均为3.5 条/cm。另外, 在成像测井资料上, 也可估算出层理缝或页理缝的发育程度, 如在焦页1井龙一1亚段发现层理缝发育密度高达46 条/m。

2.2 孔隙结构特征

通过微观孔隙结构观测, 确定基质中的纳米级孔隙大小(包括小孔、中孔、大孔)与连通性, 这对于理解页岩气赋存具有重要的指导意义。笔者应用2D氩离子抛光— 电镜扫描半定量观察方法、3D纳米CT 与FIB定量观测方法、压汞— 液氮吸附定量测试方法开展了该区页岩储层孔隙结构研究。

纳米CT能真实、直观观察到30 nm以上的孔隙, 用该技术对焦页1 井4块样品进行分析, 结果表明:龙一1亚段的微观孔隙结构特征与上部龙一2-3亚段存在一定差异, 前者属于中孔, 估算的孔隙度和渗透率均较高, 连通性中— 差, 喉道直径变小(表1); 后者以大孔为主, 原生孔发育, 但孔隙度降低, 连通性变差。例如, JSB-11样品(井深2 393.73 m, 岩性为黑色硅质页岩)可以见到微纳米级结构, 孔隙以有机质内的圆管状的纳米级次生孔为主, 连通性中等, 估算的孔隙度为3.97%; 喉道形态为针管状, 喉道大小分布出现双峰, 峰值分别为30 nm和60 nm。

表1 焦页1井纳米CT分析结果表

3D FIB技术能更好地直观观察到1.0 nm以上的纳米级孔隙与成因类型。对优质页岩段取的样品, 岩性为黑色硅质碳质页岩, 通过3D FIB测试可以看到, 以有机质孔隙为主, 黏土矿物孔隙和脆性矿物孔隙少量; 有机质内纳米孔多且多属中孔(2~50 nm), 既有连通的, 也有不连通的, 总体看有机质孔隙的连通性较差; 发育纳米级与微米级裂缝。

2.3 物性特征

根据焦石坝地区5口井岩心氮气稳态法测定的物性数据统计, 整个富有机质页岩段孔隙度主要为1.17%~9.0%, 平均为4.78%。并且储集性能纵向上表现出“ 上下高、中间低” 之三分性, 例如焦页1井的下部和上部属于中高孔隙度段, 中部属于中低孔隙度段。

氮气稳态法、脉冲衰减法测得水平渗透率最大为335.2 mD、最小为0.001 5 mD, 平均为0.25 mD, 纵向上渗透率也呈现“ 两高夹一低” 的三段式特征。焦页1井6 块岩心采用全直径稳态法测定的垂直渗透率普遍低于0.001 mD, 平均值为0.003 2 mD, 而对应相同深度的水平渗透率普遍高于0.01 mD, 平均值为1.33 mD, 垂直渗透率远远低于水平渗透率(表2)。

表 2 焦页1 井水平和垂直渗透率数据表
3 页岩微— 纳米特征对气体赋存与流动的影响
3.1 页岩等温吸附特征

四川盆地东南部龙一段页岩气组分中甲烷含量超过90%, 页岩孔缝特别是有机质孔隙属纳米级, 其孔隙表面积大, 加之有机质亲油气性, 故对甲烷具有很强的吸附能力。研究结果[22]表明, 超过30%的甲烷以吸附态存在于页岩微孔的内表面上, 对页岩吸附特性的研究有助于了解气体在页岩中聚集及运移的规律。

目前页岩吸附/解吸实验多采用研磨成一定粒度的颗粒样品, 其优点是可以大幅度缩短压力平衡所需要的时间, 但是与块状样品相比, 研磨后样品的孔隙结构与实际储层相比会发生变化, 同时采用颗粒样品测试无法反映有效应力变化对吸附/解吸的影响, 测试结果与实际情况会有一定偏差。笔者采用涪陵地区龙一段全直径页岩, 在地层温度(82 ℃)下开展吸附实验, 设计实验最高压力达到地层中原始压力。图4为等温吸附实验结果, 可以看出实测吸附量在压力达到16 MPa附近时达到最大值, 此后吸附量随着压力的增大而缓慢下降。甲烷的临界温度和临界压力分别为– 82.6 ℃、4.60 MPa, 在实验条件下, 甲烷在页岩上的吸附属于超临界吸附, 吸附等温线出现极值是超临界吸附的典型特征。由于兰格缪尔模型是压力的增函数, 因此对于超临界条件下的页岩气吸附, 兰格缪尔模型不能很好地进行拟合, 故引入校正因子(1– ρ g/ρ α [23]对兰格缪尔模型进行修正。采用修正的兰格缪尔模型对实验数据进行拟合, 相关系数达到 0. 997, 进而得到绝对吸附量为1.857 m3/t, 兰氏压力为3.703 MPa。

图4 等温吸附曲线图

图 5 不同回压下甲烷克氏回归曲线图

孔隙表面是吸附相气体赖以存在的场所。块状样品研磨成颗粒后, 原有的一些闭合盲孔由于破碎作用成为了开孔, 岩石颗粒内部微孔隙、封闭孔隙更多地暴露出来, 增加了孔隙连通性、总孔隙空间和表面积, 进而造成了吸附量增加。而全直径岩心保留了原始孔隙状态, 吸附测试结果更接近真实状态, 此外大样品量也使得全直径吸附实验结果更具有代表性。

吸附量出现最大值现象与实验方法、孔隙结构以及吸附相有关[24, 25, 26], 也与甲烷分子与页岩表面间作用力随压力的变化有关[27]。随着压力增大, 吸附相体积逐渐增大, 自由空间体积逐渐减小。容量法计算吸附量时采用的自由空间体积为氦气标定得到的固定值, 如果不考虑吸附相, 当压力增大到一定程度时计算得到的吸附量可能出现最大值, 而实际自由空间体积随压力增大而逐渐减小, 吸附曲线将不会出现高压下掉现象。

3.2 页岩气低速渗流特征

页岩中存在大量纳米级孔隙和微裂缝, 属于典型的低孔隙度、超低渗透率气藏, 流体在多孔介质中流动时会偏离达西定律, 出现低速非达西流[28, 29, 30, 31, 32, 33, 34]。为了分析这一过程, 笔者开展了不同渗透率级别、不同回压下页岩岩样的低速渗流实验。实验结果表明, 在同一回压下, 随驱替压力增大, 渗透率逐渐降低, 但降低幅度逐渐减小; 随着回压增大, 渗透率递减率整体上明显减弱。作K— 关系曲线(图5), 可以看出:随着回压增加, 滑脱效应减弱, 当平均压力小于5 MPa时, 滑脱效应明显增强, 渗透率显著增大。

分析渗流曲线特征可知, 通过增加回压可消除气体的滑脱效应, 因为低回压无法从整体上增大孔隙压力, 这就导致岩心气测渗透率在较小的孔喉范围内始终受到较强滑脱效应的影响。随孔隙压力增大, 甲烷在页岩中的滑脱效应逐渐减弱, 体现为气测渗透率逐渐降低; 随着回压增大, 页岩中的甲烷滑脱效应整体减弱, 体现为滑脱因子随回压的增大而减小。总体而言, 储层孔隙直径越小、压力越低, 越容易产生滑脱效应。对于实际生产过程中, 是否应考虑页岩气滑脱效应, 这些都与储层的微观孔隙结构和生产过程中的地层压力等条件密切相关。

4 结论

1)四川盆地东南部龙一段富有机质页岩的矿物组成横向变化小, 但纵向变化较大, 从下而上表现为:龙一1亚段有机质含量高, 石英含量高且主要为有机成因石英; 龙一2亚段则砂质含量明显增多, TOC和石英含量相对较低; 龙一3亚段硅质矿物含量较低, TOC平均为1.6%。因此从脆性矿物含量和有机质含量看, 龙一1亚段为最佳钻井目的层。

2)龙一段富有机质页岩主要发育有机质孔隙、黏土矿物孔隙、脆性矿物孔隙和裂缝(含页理缝)等4种储集空间类型, 其中前者十分发育, 多数为纳米级, 是页岩气赋存的主要储集空间。孔隙结构显示, 龙一1亚段属于中孔, 孔隙度和渗透率均较高, 连通性中— 差, 喉道直径变小, 向上到龙一2亚段和龙一3亚段则以大孔为主, 但孔隙度降低, 连通性变差。

3)由于页岩孔缝细小, 孔隙表面积大, 对页岩气具有很强的吸附能力, 吸附气量随压力的增加而增加。页岩中天然气流动为低速非达西流, 在同一回压下, 随驱替压力增大, 渗透率逐渐降低, 但降低幅度逐渐减小; 随着回压增大, 渗透率递减率整体上明显减弱。页岩气在低速渗流时表现出滑脱效应, 储层孔隙直径越小、压力越低, 越容易产生滑脱效应。

感谢中国石化江汉油田分公司提供了有关岩心样品和分析数据, 感谢中国石油大学(北京)林文烈老师协助开展了纳米CT和FIB实验分析。

The authors have declared that no competing interests exist.

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