河南義馬地區頁巖氣儲層孔隙非均質性

張曉波, 左兆喜, 張 超, 司慶紅, 張 義

1)中國地質科學院, 北京 100037; 2)中國礦業大學資源與地球科學學院, 江蘇徐州 221116; 3)中國地質調查局天津地質調查中心, 天津 300170

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河南義馬地區頁巖氣儲層孔隙非均質性

張曉波1), 左兆喜2), 張 超3), 司慶紅3), 張 義2)

1)中國地質科學院, 北京 100037; 2)中國礦業大學資源與地球科學學院, 江蘇徐州 221116; 3)中國地質調查局天津地質調查中心, 天津 300170

摘 要:運用高壓壓汞、液氮吸附及滲透率測試等實驗, 利用極差、突進系數、變異系數等參數, 表征煤系頁巖孔滲特征及孔隙層間非均質性, 分析孔隙層間非均質性主控因素。結果表明: 河南義馬地區上、下石盒子組泥頁巖微孔與小孔較為發育, 山西組大孔較為發育, 分別提供了氣體吸附附著面積和儲存運移空間;上石盒子組孔容與孔徑相對偏差最小, 孔隙分布均勻, 山西組比表面積相對偏差最小, 表面積分布均勻;隨圍壓增大, 滲透率不斷降低, 且滿足負指數相關關系; 滲透率級差、突進系數和變異系數顯示下石盒子組滲透率非均質性較弱, 山西組滲透率非均質性很弱, 更易于壓裂開發。非均質性宏觀上主要受沉積物質組成和構造改造作用影響, 微觀上受成巖演化影響。

關鍵詞:煤系頁巖氣儲層; 孔隙結構; 非均質性; 河南義馬地區

本文由中國地質調查局項目“華北地區頁巖氣基礎地質調查與潛力評價”(編號: 12120114020301)和中國博士后科學基金第八批特別資助“煤系頁巖氣儲層非均質性對可改造性控制的微觀機理研究”(編號: 2015T80595)聯合資助。

中國海陸過渡相頁巖氣可采資源量達到8.97×1012m3, 多以煤系頁巖氣為主; 煤系頁巖氣儲層具有垂向巖性變化大、單層泥頁巖厚度小、有機質豐度高、含氣量大、孔隙度與滲透率低, 層間非均質性強等特點(姜在興, 2013; 曹代勇等, 2014; 琚宜文等, 2014; Chen et al., 2015a), 而層間非均質性決定了頁巖氣儲層垂向上物性、巖性的分段, 壓裂水平段長度、簇間距、段數、規模等參數的選取(裘亦楠和薛叔浩, 2001; 于翠玲, 2007; Chen et al., 2015b; 王志剛, 2015; Xiong et al., 2015)。位于河南中牟縣的牟頁1井壓裂成功并獲得穩定氣流表明南華北盆地海陸過渡相頁巖氣極具潛力。義馬地區大地構造位置處于南華北盆地西部, 廣泛發育二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組煤系泥頁巖, 是煤系非常規氣含氣量高的層位。因此以義馬盆地煤系頁巖氣儲層為例, 根據TOC、高壓壓汞、低溫液氮及滲透率測試數據, 分析泥頁巖鉆井樣品的有機地化特征、孔隙結構特征和滲透率特征, 揭示儲層孔隙層間非均質性特征, 可為非均質性頁巖氣系統的劃分、煤系頁巖氣有利區優選及試井開發工藝優化提供基礎依據。

1 煤系頁巖氣儲層特征

1.1構造環境與沉積特征

義馬地區由近東西向、北東向、北西向的斷裂圍限而成的三角形斷塊(澠池斷塊)及相鄰斷塊構成,南部近東西向硤石—義馬斷裂為逆沖壓扭性斷裂帶,形成于印支期; 西部為北東向斷裂帶, 由數條平行排列的壓扭性正斷層組成, 有燕山期火成巖侵入;東北為北西向斷裂帶, 由岸上斷層及旁側次級構造組成, 具有多期活動特征(圖1)(曹代勇和蘇順金, 1988)。

區內褶皺為一向東南傾伏的開闊平緩單斜, 廣泛發育二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組煤系泥頁巖。石炭—二疊系煤系主要巖性為煤、泥巖、粉砂巖互層, 以分流河道遷移為特征, 煤系頁巖氣儲層形成于海進和海退的三角洲平原沉積(圖2, 3)。山西組屬三角洲含煤建造體系, 二1煤形成后, 隨海水退出, 三角洲推進, 發育水下分流河道沉積、泥炭沼澤和分流間灣沉積(曹召丹, 2014)。下石盒子組巖性特征從下到上為正粒序的沉積模式并逐漸過渡為泥巖沉積, 向上有細砂巖和粉砂巖的形成并夾有炭質泥巖, 上石盒子組主要巖性為灰色或深灰色細粒砂巖、中砂巖、砂質泥巖夾灰黃色細粒石英砂巖, 均屬三角洲平原沉積亞相(胡斌等, 2012)。

1.2有機地化特征

經本研究有機質類型測試, 本區太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組有機質類型均為Ⅲ型, Ro普遍高于1.1%, 具有生烴潛力; ZK302井樣品鏡質體反射率隨深度增加, 總體呈現增高趨勢(圖4)。泥頁巖TOC含量較高, 介于0.43%～9.67%之間, 平均為2.17%。TOC與樣品層位及巖性密切相關, ZK402鉆井樣品TOC變化相對較小, 均在1%左右(圖4)。

1.3孔滲特征

圖1　義馬煤盆地構造簡圖與鉆孔位置Fig. 1 Structural sketch map showing drill hole position of Yima coal basin

圖2　義馬地區ZK302鉆井巖性柱狀圖(中國地質調查局天津地質調查中心部署實施)Fig. 2 Lithologic column of ZK302 well in Yima area (deployed and implemented by Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey)

圖3　義馬地區ZK402鉆井巖性柱狀圖(中國地質調查局天津地質調查中心部署實施)Fig. 3 Lithologic column of ZK402 well in Yima area (deployed and implemented by Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey)

圖4　樣品Ro與TOC值隨埋深的變化趨勢圖Fig. 4 Ro and TOC trend with the buried depth of samples

對ZK302井和ZK402井取樣, 分別自上而下編號, 進行壓汞、液氮和脈沖滲透率實驗, 儀器型號分別為AutoPore IV 9500全自動壓汞儀、ASPS2020比表面積及孔隙分析儀、PDP-200脈沖滲透率測試儀。

(1)壓汞特征

測試表明, 泥頁巖總孔容為0.005 6～ 0.016 1 mL/g, 平均為0.010 4 mL/g; 比表面積為1.42～5.65 m2/g, 平均為3.42 m2/g; 平均孔徑為9.9～ 15.7 nm, 平均為12.54 nm; 孔隙度為1.22%～3.38%,平均為2.22%。地層由新到老, 總孔容、比表面積大體上呈現下降趨勢。隨埋深增加, 樣品孔徑分布由以微孔占主導地位的單峰, 演化為以大孔和微孔為主導的雙峰分布。上部樣品孔隙為均勻分布, 半封閉型的微孔和小孔發育而大孔較少, 巖層封蓋性較好, 向下大孔的含量先減少后增加, 逐步成為主體孔隙。下部樣品孔隙呈現出兩端發育, 而中孔較少, 分別提供了吸附附著面積和儲存運移空間。從上到下, 孔隙度大體上呈現下降趨勢(圖5)。儲層孔徑集中在5～20 nm, 隨深度加深, 表面積的分布曲線由單峰態轉化成復雜多峰態, 表明下部儲層孔徑結構復雜, 非均質性增強。

(2)低溫液氮特征

總孔容和孔徑整體起伏較小, 比表面積波動較大。平均孔徑為7.02～17.94 nm, 平均為10.23 nm; 平均總孔容為6.30～14.07 mm3/g, 平均為9.198 7 mm3/g;平均比表面積為1.322 2～6.865 1 m2/g, 平均為3.929 5 m2/g。總體孔徑8～11 nm, 平均孔徑較大, 總孔容較小。

由吸脫附曲線類型(圖6)可知, 曲線為H3型滯后回線, 表明孔隙以四周開放的平行板孔為主, 孔隙發育均勻, 連通性較好, 利于氣體運移。Z4-3的微孔比例最高, Z4-1微孔比例最低。當相對壓力達到0.8時, 累計吸附量呈較大幅度增長, 表明樣品內部含有大孔, 且其孔容較大; 相對壓力在0.5時,脫附線有較大幅度下降, 表明樣品存在墨水瓶型孔。整體上樣品孔容較小, 微孔含量較少, 孔隙類型多以半封閉孔和封閉孔為主, 孔徑分布不均且平均孔徑較大。

(3)脈沖滲透率特征

脈沖滲透率儀PDP-200測量范圍0.000 01～ 10 md(圖7), 垂直于巖層鉆取Z3-2、Z3-3樣品滲透率測試結果如圖6。隨圍壓增大, 滲透率降低, 滿足負指數關系且相關性很好。垂向來看, Z3-2較Z3-3埋深較淺, 孔隙度值較高, 滲透率較大。

圖5　壓汞曲線與階段孔徑分布特征Fig. 5 Curves of mercury injection & ejection and the distribution of pores by HPMI

圖6　吸附脫附曲線與孔隙分布圖Fig. 6 Absorption-desorption curves and distribution of pores by N2-GA

圖7　PDP-200脈沖衰減滲透率儀測試結果Fig. 7 Permeability of shale in Yima area tested by PDP-200

圖8　樣品的孔體積及比表面積分布Fig. 8 Pore volume and specific surface area distribution of samples

圖9　孔隙參數相對偏差雷達圖Fig. 9 Radar chart of relative deviation of pore parameters

表1　氮氣吸附法計算頁巖分形維數Table 1 Fractal dimension calculated by parameters from the N2-GA

2 孔隙層間非均質性

2.1孔隙非均質性

根據壓汞孔徑大小可將頁巖氣儲集空間劃分為超大孔(>100 000 nm)、大孔(1 000～100 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)、小孔(10～100 nm)、微孔(0～ 10 nm)(陳尚斌等, 2013)。樣品不同孔徑范圍孔體積及比表面積所占比例表明(圖8), 本區樣品從下到上微孔含量先增加后減少, 其中大孔對總孔容的貢獻先減少后增加, 中孔含量變化不明顯, 小孔含量呈減少趨勢。在表面積所占百分比中, 微孔對比表面積的貢獻最突出, 從下到上呈現較穩定趨勢; 小孔也占有一定比例, 對比表面積有貢獻; 大孔和中孔則在表面積上的貢獻微小。豐富的微孔和小孔孔隙提供大量的表面積, 有利于頁巖氣的吸附和儲存(于炳松, 2013)。

利用相對偏差對儲層孔隙非均質性表征, 從液氮數據獲得比表面積、總孔容和孔徑按樣品編號與埋深的相對偏差數值, 得到其相對均值偏離程度(圖9)。上石盒子組總孔容與孔徑相對偏差最小。山西組比表面積相對偏差最小, 表明其表面積分布均勻。按層間非均質性分析可知上石盒子組孔隙結構良好, 分布較其他組均勻, 對頁巖氣的儲存有利,其次為山西組。

通常運用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型法計算低溫液氮吸附下固體分形維數:

表2　義馬盆地含煤地層滲透率非均質參數統計表Table 2 Heterogeneity parameters calculated by permeability of Yima

構建Ln(LnP0/P)為自變量, LnV為因變量的方程, 根據斜率即可求出多孔材料的分形維數D(圖10), D值介于2～3之間, 越大則非均質性越強(沈金松和張宸愷, 2008)。由此可知, 本區孔隙層間非均質性明顯, 山西組孔隙復雜程度較大, 非均質性程度強于下石盒子組, 上石盒子組非均質性程度最小(表1)。

2.2滲透率非均質性

圖10　泥頁巖樣品分形擬合Fig. 10 Fractal fitting of the pores in shale

運用級差( J k = Km a x/ Km i n)、突進系數(Tk=Kmax/Kaver)、變異系數(Vk=Kstdev/Kaver)來表征滲透率層內非均質性, 表2中數值由各樣品在300 psi時的滲透率測試值計算而得。依據標準(方少仙和侯方浩, 2006), 本區頁巖氣儲層非均質性具有如下特征:

ZK302井Z3-2、Z3-3、Z3-4樣品滲透率級差Jk均較小, 突進系數Tk值均小于2, 變異系數Vk值均小于0.5, 為均質型, 但山西組Tk值、Vk值更小, 表明該井下石盒子組非均質性很弱, 山西組非均質性最弱。ZK402井Z4-1、Z4-2級差Jk均較大, 突進系數Tk值均大于2, 變異系數Vk值均大于0.5, 為較均勻型; Z4-3為均勻型, 均質性好。表明該井下石盒子組非均質性較弱, 山西組非均質性很弱。

3 非均質性影響因素

(1)沉積-成巖條件。義馬地區煤系泥頁巖沉積環境主要為分流河道, 分流間灣和河口砂壩(胡斌等, 2012)。分流間灣環境TOC較高, 有機質孔隙體積和比表面積較大, 吸附能力較強。分流河道及河口砂壩脆性礦物含量較多, 抗壓強度較大, 作為儲層主要骨架能夠維持孔隙形態。黏土礦物對頁巖孔隙有填充作用, 特別是其定向發育的平行板狀孔增加了孔隙非均質性, 且在注水條件下發生溶脹, 不利于頁巖氣開發壓裂。溫度、壓力、流體等成巖條件, 控制著煤系泥頁巖有機質生烴孔、晶間孔、粒間孔、粒內孔及溶蝕孔發育情況, 影響頁巖氣在泥頁巖中的賦存、運移、擴散、滲流。

(2)構造條件。義馬地區經歷多期次構造改造,印支期南北向、燕山期北西向壓扭性和燕山晚期北東向壓-扭-張性復雜構造變形對頁巖氣儲層裂隙發育有益, 易于提高儲集性能, 形成有利的滲流通道;盆地南部印支期逆沖斷層有利于頁巖氣保存。燕山晚期北東向復雜構造變形對頁巖氣保存具有負面影響。

4 結論

(1)上、下石盒子組泥頁巖微孔與小孔較為發育,山西組大孔較為發育, 分別提供了氣體附著面積和儲存運移空間。

(2)上石盒子組孔容與孔徑相對偏差最小, 山西組比表面積相對偏差最小, 表面積分布均勻。上石盒子組孔隙結構良好, 分布較其他組均勻, 對頁巖氣儲存有利, 其次為山西組。

(3)隨圍壓增大, 滲透率不斷降低, 滿足負指數相關關系; 滲透率級差、突進系數、變異系數顯示。ZK302井下石盒子組非均質性很弱, 山西組非均質性最弱。ZK402井下石盒子組非均質性較弱, 山西組非均質性很弱。非均質宏觀上主要受沉積物質組成和構造改造作用影響, 微觀上受成巖演化影響。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. 12120114020301) and China Postdoctoral Science Foundation (No. 2015T80595).

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Interlayer Heterogeneity in Pore Structure of Shale Gas Reservoir in the Yima Area, Henan Province

ZHANG Xiao-bo1), ZUO Zhao-xi2), ZHANG Chao3), SI Qing-hong3), ZHANG Yi2)
1) Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) School of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116; 3) Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, China Geological Survey, Tianjin 300170

Abstract:The pore permeability of coal-bearing shale and the heterogeneity of the pore layer were characterized by using high-pressure mercury intrusion (HPMI), low-pressure nitrogen gas adsorption (LP-N2A) and pulse decaying permeability instrument (PDP). The main factors of heterogeneity between layers were analyzed. The results show that the micropores and mesopores of Upper and Lower Shihezi Formation shale are well developed, which provide attachment area and space for gas storage and transport. The macropores of Shanxi Formation are extensively developed, which provide space for gas storage. The relative error of pore volume and diameter of the Upper Shihezi Formation is very small, and the pore volume is distributed evenly. The relative error of specific surface area of Shanxi Formation is insignificant, the pore surface area is distributed evenly. With the increasing of confining pressure, the permeability constant is reduced, and meets the negative exponential relationship. The Lower Shihezi Formation has comparatively large differential, onrush and variation coefficient of permeability, which shows weak heterogeneity, and the Shanxi Formation with the weakest heterogeneity is considered to be easily developed. The macro heterogeneity is mainly affected by the sedimentary composition and tectonic reworking, while the micro heterogeneity is affected by diagenetic evolution.

Key words:shale gas reservoir of coal-bearing; pore structure; heterogeneity; Yima area in Henan

中圖分類號:TE122.23; P534.46

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.11

收稿日期:2015-12-19; 改回日期: 2016-03-24。責任編輯: 閆立娟。

第一作者簡介:張曉波, 男, 1982年生。碩士, 工程師。主要從事新能源資源評價與管理工作。E-mail: zhangxiaobo@cags.ac.cn。