恩施來鳳—鶴峰地區龍馬溪組與大隆組頁巖孔隙特征及其控制因素

陳 林, 李明龍, 王明華, 郭洪濤, 劉洪林

(湖北省地質局 第二地質大隊,湖北 恩施 445000)

恩施來鳳—鶴峰地區龍馬溪組與大隆組頁巖孔隙特征及其控制因素

陳 林, 李明龍, 王明華, 郭洪濤, 劉洪林

(湖北省地質局 第二地質大隊,湖北 恩施 445000)

頁巖孔隙結構控制著頁巖氣存儲機制及其滲流行為。采用場發射掃描電子顯微鏡、低壓氮氣吸附技術對恩施來鳳—鶴峰地區上二疊統大隆組和上奧陶統—下志留統龍馬溪組富有機質頁巖的孔隙結構進行研究。結果表明:研究區大隆組和龍馬溪組富有機質頁巖孔隙主要可以分為4個類別,即有機質中的孔隙、礦物顆粒間的孔隙、礦物顆粒和有機物之間的孔隙以及微裂隙;頁巖樣品比表面積均值為10.01 m2/g,為致密砂巖氣儲層比表面積的5倍以上,樣品孔容均值為13.69 cm3/g;頁巖孔隙類型以一端封閉盲孔為主,同時具有一定量平行板狀孔和墨水瓶狀孔。頁巖孔隙發育特征受控于TOC含量與粘土礦物含量。

頁巖;孔隙;大隆組;龍馬溪組;控制因素;恩施

頁巖氣已成為當前重要的能源之一,與常規天然氣巖石儲層微米級孔隙相比,頁巖孔隙通常是納米級尺寸,且具有極其復雜的孔隙結構[1]。近年來,頁巖復雜的孔隙結構系統引起了頁巖氣勘探方面的廣泛關注,因為孔隙結構不僅控制著天然氣的存儲容量,而且影響氣體傳輸動力學。因此,孔隙結構的量化是估計頁巖儲層儲氣能力和預測天然氣產能的關鍵[2]。通常采用頁巖的總孔隙度、孔隙體積、比表面積(SSA)、頁巖的孔隙大小分布(PSD)等對孔隙特征進行表征。頁巖孔隙結構定性研究手段主要采用先進的成像技術,包括聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)和場發射掃描電鏡,傳播電子顯微鏡(FE-SEM / TEM)。這些成像技術被成功用于頁巖孔隙形狀、大小的表征[3]。

研究區地處恩施來鳳—鶴峰一帶,地質構造上屬揚子地塊鄂西褶斷帶之宜都—鶴峰復背斜構造帶。該區廣泛分布上奧陶統—下志留統龍馬溪組、上二疊統大隆組等富有機質泥頁巖層系,其厚度較大、有機碳含量高,是本區主要的頁巖氣勘查目的層系,尤其大隆組是在新區勘查的新層系。但是,目前對其孔隙結構特征等研究薄弱。因此,為深入揭示主要目的層的微觀結構特征,探討頁巖氣富集規律,以指導該區下一步頁巖氣勘探和開發工作,特選擇龍馬溪組、大隆組為對象進行研究。本文采用掃描電鏡、低壓氮氣吸附等手段對鄂西恩施地區富有機質頁巖孔隙形態、孔隙體積進行研究,嘗試研究孔隙類型、孔隙結構之間的關系,并探討其控制因素。

1 實驗樣品與實驗方法

1.1 實驗樣品

在鄂西恩施州鶴峰和來鳳地區地層露頭采集8件新鮮頁巖樣品,其中上奧陶統—下志留統龍馬溪組和上二疊統大隆組各4件,采樣地點如圖1所示。地球化學分析結果表明樣品有機碳含量較高,平均值為3.26%,為富有機質頁巖(表1)。X衍射分析結果表明頁巖礦物成分相對較為復雜,其中含量最高為石英,其次為粘土礦物,此外還具有一定量的斜長石、方解石和黃鐵礦等礦物。

圖1 采樣位置簡圖Fig.1 Sampling location map

表1 研究區大隆組、龍馬溪組頁巖有機碳及礦物成分含量(單位:%)Table 1 Organic carbon and mineral composition content of organic shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

1.2 實驗方法

樣品掃描電鏡觀察采用JSM-6390LV掃描電鏡,分析觀察前首先對樣品進行了拋光處理,掃描電鏡對樣品放大30～300 000倍,可以用來定性分析2 nm以上孔隙;低壓(0～101.3 kPa)N2吸附等溫線分析由美國康塔儀器公司Autosorb-iQ-MP 型全自動比表面和孔徑分布儀完成。N2吸附實驗前,樣本先在真空爐110 ℃溫度下自動脫氣約14 h;N2吸附相對壓力(P/P0)范圍為0.009～0.995,采用BET模型與BJH模型分別計算出頁巖樣品比表面積與孔容。頁巖孔隙劃分標準采用國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)分類方法,將孔隙分為三類:大孔(>50 nm)、中孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)。

2 結果與討論

2.1 基于FE-SEM圖像孔隙形態分析

掃描電鏡可以用來定性分析孔隙微觀結構,圖像可以清晰識別納米級孔隙和微米尺寸孔隙。分析結果表明,有機質頁巖孔隙可以分為4個類別:位于有機質中的孔隙,位于礦物顆粒之間的孔隙,位于礦物顆粒和有機物之間的孔隙以及微裂隙。以上這些類型孔隙在富有機質海相頁巖中較為常見。有機質孔隙多成橢圓形和圓形(圖2-A),值得注意的是有機質孔隙多為孤立孔隙,相對之間連通性較差,孔隙直徑多<100 nm;相比之下,有機質與礦物顆粒粒間孔的孔形多不規則,為細長形孔隙和三角形孔隙,孔隙長度從納米級到微米級,孔隙之間連通性相對較好(圖2-B);非有機質礦物粒間孔發育類型多樣,有黃鐵礦粒間孔、石英顆粒粒間孔和粘土礦物粒間孔等,由于頁巖中粘土和石英構成礦物的主體,因此非有機質礦物粒間孔構成了頁巖孔隙空間的主體(圖2-C、E);此外,裂隙也是頁巖中常見的孔隙類型,微裂隙通常發生在有機質和礦物之間,寬度往往不超過20 nm,長度達到厘米級(圖2-F),微裂縫網絡連通了各種類型的孔隙,提供了氣體運輸的重要通道。

圖2 研究區大隆組、龍馬溪組富有機質頁巖孔隙掃描電鏡特征(A、B、C、F為大隆組樣品,D、E為龍馬溪組樣品)Fig.2 Pore SEM characteristics of the organic-rich shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

2.2 頁巖吸附解吸實驗對孔隙形態的表征

已知低壓N2氣體吸附能夠分析描述多孔介質材料。N2吸附、解吸等溫線吸附回線模式能夠探討頁巖物理吸附機制和孔隙結構特點[4]。國際純粹與應用化學聯合會根據吸附回線不同形態類型將其分為4個大類。其中Ⅰ型與Ⅳ型回線在較寬范圍內分別垂直于X軸與Y軸,Ⅱ型與Ⅲ型介于二者之間。Ⅰ型吸附回線代表孔隙直徑范圍分布較窄的孔隙或者球形顆粒聚集成的孔隙;Ⅱ型吸附回線代表比Ⅰ型回線更寬的孔隙范圍;Ⅲ型回線由片狀或窄縫狀孔隙構成;Ⅳ型回線反應了更窄的孔隙直徑,通常在相對高壓下并沒有吸附顯示。

經測試,頁巖樣品吸附回線類型如圖3所示,由圖中可以看出H2,H3,H5,H6兼具Ⅱ型和Ⅲ型吸附回線特征(H7,H8與其回線特征類似),相對壓力低壓段滯后環較小,表明孔隙類型以一端封閉盲孔為主,P/P0>0.4范圍內回滯環明顯增大,表明該范圍內孔隙以開口型為主,樣品回線均有明顯下折趨勢,表明頁巖樣品具有單邊封閉墨水瓶狀孔[5];樣品H4為Ⅲ型回線,回線與吸附線基本平行,表明樣品孔隙以平行板狀孔為主;樣品H1不具有回滯環,表明該樣品主要為單邊封閉盲孔。樣品孔隙主要由有機質和石英等礦物表面組成,頁巖含量較高的粘土礦物發育大量粒間孔,孔隙多為平行狀的開放孔,部分孔隙受壓實作用或堵塞作用影響而形成盲孔。

圖3 研究區龍馬溪組、大隆組有機質頁巖氮氣吸附和解吸特征Fig.3 Nitrogen adsorption and desorption features of the organic-rich shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

恩施來鳳—鶴峰地區龍馬溪組、大隆組頁巖比表面積與孔容如表2所示,由表中可以看出樣品比表面積范圍為1.86～23.1 m2/g,均值為10.01 m2/g,為致密砂巖比表面積均值2.13 m2/g的5倍[6],表明頁巖具有更大比表面積,為天然氣吸附提供了更大的場所。頁巖孔徑值由BJH模型得出(圖4),樣品孔徑多集中在3～5 nm之間,樣品均具有一個峰值,表明在此范圍內孔隙數量較多。按照孔徑分類標準該范圍為中孔范疇,樣品具有的拖尾現象表明頁巖亦含有一定量的大孔或過渡孔。本區頁巖樣品孔容均值為13.69 cm3/g,與以吸附氣為主的煤孔隙相比[7],頁巖樣品孔容更高,更有利于天然氣的賦存。

表2 研究區龍馬溪組、大隆組有機質頁巖孔隙結構參數Table 2 Pore structure parameters of the organic-rich shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

3 頁巖孔隙結構控制因素分析

頁巖樣品有機碳含量與氣體吸附量具有較好相關性,這已經得到了證實[8-10],由圖5可以看出,TOC與頁巖比表面積具有較好的相關性,相關系數R=0.86,表明有機質提供了更大的比表面積,為氣體吸附提供了一定的位置,TOC與較大的吸附量具有正相關性,這與其結果一致;TOC與孔容也有較好的正相關性,圖5可以看出相關性系數R=0.67,表明較高的TOC含量不僅為氣體賦存提供了較大的比表面積,亦提供了較大的儲集空間,研究區大隆組與龍馬溪組較高的有機碳含量亦表明二者具較好的生烴條件。

圖4 研究區大隆組、龍馬溪組有機質頁巖孔徑特征Fig.4 Aperture features of the organic shale from Dalong and Longmaxi Formation in study area

圖5 頁巖TOC與比表面積、孔徑相關性圖Fig.5 Correlation of shale TOC with the specific surface area and pore size

石英含量與頁巖比表面積、與孔容增量基本不存在相關性(圖6),是因為研究區頁巖中石英顆粒表面整體平整光滑,對孔隙貢獻不大,而且分析表明石英礦物含量與孔容增量亦不存在相關性。粘土礦物含量是頁巖礦物組成中僅次于石英的礦物,研究表明其含量與頁巖比表面積、與孔容均具有較弱正相關性(圖6),這是由于粘土礦物以伊利石為主,為葉片狀伊利石的廣泛存在提供了較多的孔隙,為天然氣的賦存提供了相應的場所。

分析結果表明,恩施來鳳—鶴峰大隆組與龍馬溪組富有機質頁巖比表面積與孔容主要受TOC含量與粘土礦物含量雙重控制。對比美國典型頁巖氣沉積盆地頁巖孔隙結構認為,恩施地區龍馬溪組和大隆組具有較好的頁巖氣儲集條件。

圖6 頁巖孔隙特征與石英含量、粘土含量相關性圖Fig.6 Correlation of shale porosity characteristics with quartz content and clay content

4 結論

(1) 恩施來鳳—鶴峰地區大隆組和龍馬溪組富有機質頁巖孔隙主要可以分為4個類別:位于有機質中的孔隙、位于礦物顆粒之間的孔隙、位于礦物顆粒和有機物之間的孔隙以及微裂隙;富有機質頁巖比表面積均值為10.01 m2/g,為致密砂巖儲層平均比表面積的5倍以上;樣品孔容均值為13.69 cm3/g,與以吸附氣為主的煤孔隙相比,頁巖樣品孔容更高,更有利于天然氣的賦存。

(2) 恩施來鳳—鶴峰地區大隆組和龍馬溪組頁巖具有豐富的納米級孔隙,同時具有從納米級到微米級一系列連續型孔隙,頁巖孔隙發育特征受控于TOC含量與粘土礦物含量,結合有機碳含量與礦物分析結果,綜合顯示本區具有較好的頁巖氣生烴、儲集條件。

(3) 本區龍馬溪組、大隆組富有機質海相頁巖發育主要孔隙類型為有機質孔、礦物顆粒粒間孔、粒內孔及微裂隙等孔隙類型。其中有機質孔在有機質中較密集發育并提供了主要比表面積,礦物顆粒粒內孔與粒間孔主要由粘土礦物和碳酸鹽巖提供,微裂隙構成了聯通孔隙之間的通道,利于頁巖氣滲流。

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(責任編輯：于繼紅)

The Pore Characteristics and Its Controlling Factors of the Organic-rich Shalein Longmaxi and Dalong Formation from Laifeng-Hefeng Area of Enshi

CHEN Lin, LI Minglong, WANG Minghua, GUO Hongtao, LIU Honglin
(SecondGeologicalBrigadeofHubeiGeologicalBureau,Enshi,Hubei445000)

Shale pore structure controls the storage mechanism and seepage behavior of shale gas.The authors study the pore structure of the organic-rich shale,the Dalong Formation of Upper Permian and the Longmaxi Formation of Upper Ordovician-Lower Silurian in Enshi Laifeng-Hefeng area adopted,by field emission scanning electron microscope and low-pressure nitrogen gas adsorption techniques.The results show that the pole of the organic-rich shale in this study area can be divided into 4 tpyes:pore in organic matter,pore between mineral particles,pore between mineral particles and organic matter,and microfracture.The mean specific surface area of shale samples is 10.01 m2/g,which is more than 5 times that of tight sandstone gas reservoir.And the mean pore volume of samples is 13.69 cm3/g.The main type of shale pore is blind hole closed at one end with a certain amount of parallel plate-shaped hole and ink bottle-shaped hole.And the feature of shale pore development is controlled by the content of TOC and clay mineral.

shale; pore; Dalong Formation; Longmaxi Formation; controlling factors; Enshi

2016-06-22;改回日期:2016-09-26

陳林(1967-),男,高級工程師,地質礦產專業,從事地質礦產勘查方面的技術和管理工作。E-mail:714930147@qq.com

P618.12; P618.13

A

1671-1211(2017)02-0165-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.009

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0820.002.html 數字出版日期:2017-03-14 08:20