泥頁巖儲層有機孔隙定量評價研究

吳逸豪，盧雙舫，陳方文，肖 紅，苑丹丹

(1.中國石油大學，山東 青島 266580;2.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

泥頁巖儲層有機孔隙定量評價研究

吳逸豪1，盧雙舫1，陳方文1，肖 紅2，苑丹丹1

(1.中國石油大學，山東 青島 266580;2.中國石油華北油田分公司，河北 任丘 062552)

泥頁巖儲層因其超低孔、超低滲和富含有機質(zhì)以及其中頁巖氣賦存方式特殊等特點，使得泥頁巖儲層與常規(guī)砂巖儲層的評價存在顯著差別。為了對泥頁巖中有機孔隙進行定量評價，以渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖為例，借助掃描電鏡、化學動力學模型計算等技術(shù)和方法，分析泥頁巖中的有機孔隙度。研究表明:渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖主要發(fā)育有機質(zhì)孔隙和生物化石內(nèi)孔隙2類有機孔隙;龍馬溪組泥頁巖有機孔隙的直徑為0.01～5.00 μm，以微孔、中孔為主;龍馬溪組泥頁巖有機孔隙度范圍為0.05%～1.59%，平均值為0.71%，該層段泥頁巖有機孔隙度偏低。

有機孔隙;掃描電鏡;化學動力學;富有機質(zhì)泥頁巖;龍馬溪組;渝東南地區(qū)

0 引言

在全球常規(guī)油氣資源供需矛盾日益突出的大背景下，北美地區(qū)頁巖氣藏的成功開發(fā)極大地調(diào)動了地質(zhì)工作者對非常規(guī)油氣勘探的積極性，全球頁巖氣資源可能相當于煤層甲烷氣和致密砂巖氣的總和［1］，而勘探分析表明中國也具有巨大的頁巖油氣資源潛力［2-3］。

在頁巖氣的聚集與勘探開發(fā)中，頁巖儲層的巖石學特征(脆性礦物含量)、微—納米級孔隙、有機碳含量以及有機質(zhì)成熟度等都起著至關(guān)重要的作用。頁巖中的納米級孔隙主要為有機質(zhì)顆粒，是由于生烴所形成的有機孔隙［4］。眾多學者對有機質(zhì)成烴過程所產(chǎn)生的有機孔隙進行研究，認為有機質(zhì)成烴所形成的納米孔隙對頁巖氣的儲集空間具有重要貢獻［5］。Jarvie等研究認為，Powder River盆地Mowry頁巖中原始有機碳含量為6%的II型烴源巖樣品成熟度Ro達到1.2%時，有機孔隙度約為5.0%［5］。Ambrose等認為納米級別的有機孔隙對比表面積貢獻相對較大，對賦存吸附態(tài)頁巖氣具有重要作用［6］。有機孔隙孔徑為幾個納米到幾十個納米左右［7］，利用常規(guī)的壓汞和核磁共振等間接測試方法無法準確、有效地測量頁巖中的有機孔隙。鑒于頁巖有機孔隙對頁巖氣儲集空間的重要性，有必要對頁巖的有機孔隙進行評價研究。以渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為例，嘗試通過掃描電鏡以及化學動力學模型計算來對泥頁巖有機孔隙進行定量評價。

1 工區(qū)概況

渝東南地區(qū)地理位置位于重慶地區(qū)東南部，東部、南部和北部分別為湖南省、貴州省和湖北省。渝東南地區(qū)位于武陵褶皺帶—湘鄂西沖斷帶，東臨雪峰山隆起，西北部與四川盆地相接，面積為1.98 ×104km2，在大地構(gòu)造上屬于揚子板塊［8］。

渝東南地區(qū)主要出露地層為寒武系、奧陶系、志留系及二疊系，其他層系缺失。該地區(qū)廣泛發(fā)育下古生界海相頁巖，上奧陶統(tǒng)五峰組和龍馬溪組底部為灰黑色炭質(zhì)頁巖，中部為灰色粉砂質(zhì)泥頁巖和灰黑色泥巖，屬于深水陸棚相沉積環(huán)境;上部沉積灰色泥質(zhì)灰?guī)r、頁巖和粉砂質(zhì)泥巖，屬于淺水陸棚相沉積環(huán)境。上奧陶統(tǒng)五峰組、龍馬溪組底部的灰黑色炭質(zhì)頁巖和中部的灰黑色泥巖是頁巖氣開發(fā)的目的層段，厚度約為30～100 m。區(qū)塊內(nèi)的彭頁1井位于重慶市彭水苗族土家族自治縣桑柘鎮(zhèn)石板水村，是為了測試上奧陶統(tǒng)五峰組及下志留統(tǒng)龍馬溪組的頁巖及硅質(zhì)頁巖的成藏條件及含氣性，進而整體推動中國南方頁巖氣勘探進程而部署的一口參數(shù)井。彭頁1井龍馬溪組頁巖厚度約為70 m;有機碳范圍為0.27%～4.25%，平均為1.90%;有機質(zhì)類型為Ⅱ1—Ⅰ型［9］;由瀝青質(zhì)反射率換算的鏡質(zhì)體反射率Ro［10］范圍為1.90%～3.09%，平均為2.62%。

2 有機孔隙類型

2.1 有機質(zhì)孔隙

有機質(zhì)孔隙主要是頁巖有機質(zhì)顆粒中的納米級孔隙，以有機質(zhì)生烴作用形成的孔隙為主。據(jù)Jarvie等人研究，有機質(zhì)含量為7%的頁巖在生烴演化過程中，消耗35%的有機碳可使頁巖孔隙度增加4.9%，有機微孔的直徑一般為0.01～1.00 μm。彭頁1井龍馬溪組7個深度點的泥頁巖樣品FIB拋光—SEM成像結(jié)果顯示有機孔隙比較發(fā)育。圖1a、b為彭頁1井五峰組—龍馬溪組泥頁巖巖心樣品經(jīng)Ar離子拋光掃描電鏡實驗拍攝到的有機質(zhì)粒內(nèi)孔，可以看到，有機質(zhì)孔隙相對比較發(fā)育，粒徑一般為納米級的。由于有機質(zhì)孔隙分布于有機質(zhì)顆粒內(nèi)部，因此，有機質(zhì)孔隙的大小直接受控于泥頁巖有機碳含量和熱演化程度。泥頁巖中有機碳含量一般在10%以下，有機質(zhì)顆粒是間斷性分布的，單個有機質(zhì)顆粒中的有機質(zhì)孔隙連通性可能比較好，但整體上有機質(zhì)孔隙連通性較差。

圖1 彭頁1井龍馬溪組泥頁巖主要有機孔隙類型

2.2 生物化石內(nèi)孔隙

生物化石內(nèi)孔隙主要為生物遺體化石中未被礦物充填的孔隙，可以為頁巖氣的儲集提供空間。研究區(qū)目的層段的泥頁巖屬于志留系海相沉積，筆石化石較發(fā)育，主要發(fā)育有直筆石、鋸筆石、尖筆石和耙筆石，整體上生物化石的數(shù)量有限，使得該類型孔隙對泥頁巖整體的孔隙度貢獻有限。圖1c、d分別為彭頁1井龍馬溪組泥頁巖巖石薄片觀察到的筆石生物化石、四川龍馬溪組泥頁巖硅藻體腔孔。這些生物化石內(nèi)孔隙在泥頁巖中呈分散狀態(tài)單個分布，連通性較差，對孔隙度的貢獻有限。

3 有機孔隙定量評價

3.1 掃描電鏡定量評價有機孔隙

假設在泥頁巖有機部分中有機孔隙是均勻分布的，任意一個截面上有機孔隙的面積與視域中有機部分的面積比值是相等或相近(即孔面率相等或相近)。可以由同一深度的若干張Ar離子拋光薄片中的有機孔隙面積(Ar離子拋光薄片能夠較好地反映泥頁巖中有機顆粒上的有機孔隙)與視域中有機顆粒面積之比值的平均值近似推導該深度點的有機孔隙度。由此，建立頁巖有機孔隙評價模型(公式如下):

式中:φorganic為頁巖有機孔隙度，%;Sorganic為照片視域(掃描電鏡或Ar離子拋光薄片)中有機部分的面積，m2;Sφorganic為照片視域內(nèi)有機部分中的孔隙面積，m2;w(TOC)為頁巖中有機碳質(zhì)量百分數(shù)，%;ρrock為頁巖密度，kg/m3;ρorganic為頁巖中有機部分密度，約為1 200 kg/m3;n為統(tǒng)計照片的張數(shù)。

圖2a、b為采用Ar離子拋光掃描電鏡照片分析研究區(qū)樣品點的有機孔隙度結(jié)果。由圖2可知:①彭頁1井的有機質(zhì)孔隙多呈圓形、橢圓形或不規(guī)則狀，且有機質(zhì)孔發(fā)育存在明顯的非均質(zhì)性和成群性，其原因可能是有機質(zhì)孔隙不僅受熱演化程度的控制，還可能受有機質(zhì)的物質(zhì)組成差別的影響，或者因為孔隙發(fā)育的有機質(zhì)是干酪根，孔隙不發(fā)育的有機質(zhì)是瀝青質(zhì);②彭頁1井在2 156.70 m處樣品的有機孔隙面孔率為 3.20%，w(TOC)為4.12%，有機孔隙度為0.29%，有機質(zhì)孔隙以微孔為主，這類孔隙對孔隙度的貢獻最大;③彭頁1井在2 079.99 m處樣品的有機孔隙面孔率為28.07%，w(TOC)為 1.45%，有機孔隙度為0.90%，有機質(zhì)孔隙以微、中孔為主，這2類孔隙(微孔、中孔)對孔隙度的貢獻最大。

圖2 彭頁1井龍馬溪組泥頁巖有機孔隙直徑頻率分布

3.2 化學動力學法計算有機孔隙度

利用化學動力學法計算有機質(zhì)成烴轉(zhuǎn)化率F(Ro)，并恢復原始有機碳TOC0和原始氫指數(shù)IH0，按照物質(zhì)平衡原理計算由生烴所形成的有機孔隙度φorganic，計算公式如下:

式中:TOC0為泥頁巖原始有機碳，%;IH0為泥頁巖原始氫指數(shù);F(Ro)為烴源巖成烴轉(zhuǎn)化率;ρkerogen為干酪根密度，kg/m3;P為有機孔隙壓縮系數(shù)，取0.4。

其中，有機孔隙壓縮系數(shù)P的取值是通過掃描電鏡的有機孔隙孔徑r及短、長軸長度a、b的統(tǒng)計結(jié)果計算而來。

關(guān)于化學動力學模型的建立以及有機質(zhì)原始豐度和生烴潛力的恢復，很多專家學者都曾有過研究，具體過程就不在此贅述。

然而，單純依靠化學動力學法計算得出的有機孔隙度值相對比較大，其原因可能是未充分考慮巖石在成巖作用中發(fā)生的一系列變化，如壓實、膠結(jié)作用等。為使計算結(jié)果準確度更高，假定在不同的深度段，成巖作用對于孔隙度影響相同，就可以利用Ar離子拋光—掃描電鏡法統(tǒng)計有機孔隙的面孔率，進而求取有機孔隙度，對化學動力學法計算的孔隙度來進行等比例校對，可以得到更多相對可靠的有機孔隙度數(shù)據(jù)，方便對有機孔隙度進行分析。如圖2，對有機顆粒中不同孔徑的有機孔隙分布頻率進行統(tǒng)計，擬合出肉眼無法識別的孔隙相對較小的有機孔隙分布頻率，進而通過有機孔隙面孔率求取孔隙度。然后，再利用該孔隙度值校正生烴動力學計算的目的層段有機孔隙度值。

對研究區(qū)塊的泥頁巖有機孔隙壓縮系數(shù)和有機面孔率進行校正，校正前后結(jié)果對比如圖3。校正前目的層段有機孔隙度為0.39%～4.47%，平均為1.85%;校正后目的層段有機孔隙度為0.05%～1.59%，平均為0.71%。經(jīng)過校正處理并計算，得到彭頁1井龍馬溪組淺水陸棚相有機孔隙為0.052 0%～0.083 0%，平均為0.061 6%;深水—半深水陸棚相有機孔隙為0.198%～1.589%，平均為0.720%;五峰組深水—半深水陸棚相有機孔隙范圍為0.122%～1.710%，平均為1.200%。整體上從下至上逐漸降低。

圖3 彭頁1井龍馬溪—五峰組泥頁巖有機孔隙面孔率校正

4 結(jié)論

(1)渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖樣品普遍致密，主要有機質(zhì)孔隙和生物化石內(nèi)部孔隙2類有機孔隙。

(2)龍馬溪組泥頁巖有機孔隙直徑一般為0.01～5.00 μm，主要為0～60 nm，微孔隙相對比較發(fā)育。

(3)通過掃描電鏡和化學動力學模型計算，求得龍馬溪組泥頁巖有機孔隙度為0.05%～1.59%，平均為0.71%，有機孔隙度值偏低。

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編輯張 雁

TE122.2

A

1006-6535(2015)05-0065-04

20150420;改回日期:20150804

國家自然科學基金“頁巖的成儲機理及頁巖油的可流動性研究——以松遼盆地、濟陽坳陷為例”(41330313)及“頁巖氣儲層孔隙微觀特征及其定量表征研究”(41302101)

吳逸豪(1991-)，男，2013年畢業(yè)于中國石油大學(華東)地質(zhì)學專業(yè)，現(xiàn)為該校地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要研究方向為非常規(guī)油氣儲層研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.013