鄂西渝东地区五峰组-龙马溪组一段页岩气储层孔隙结构及分形特征研究

发布时间：2020-06-10 02:20

【摘要】：鄂西渝东地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组海相富有机质页岩分布广、页岩气资源丰富,是南方重要的页岩气勘探层系。本文以鄂西渝东地区五峰组-龙马溪组一段页岩为主要研究对象,在分析该套页岩层系的构造-沉积特征的基础上,利用气体吸附、高压压汞、低频核磁共振、场发射扫描电镜(FE-SEM)等多尺度测试技术和观察手段以及统计分析方法研究了页岩的岩石学和油气地球化学特征,开展了页岩孔隙结构表征和分形特征计算、页岩润湿性及不同润湿性孔隙的连通性分析、各小层不同岩相页岩孔隙结构差异性对比分析,进行了孔隙发育机制与控制因素及其对页岩含气性的影响研究。以期为鄂西渝东地区五峰组-龙马溪组一段页岩储集能力评价提供地质依据。论文取得的主要成果和认识如下:1.根据五峰组-龙马溪组一段页岩矿物组成XRD衍射分析,参考前人岩相划分方案得出,研究区五峰组((1)小层)页岩以泥/灰混合硅质页岩(S-2)和富泥硅质页岩(S-3)为主,龙一段下部((3)~(5)小层)页岩以富泥硅质页岩(S-3)为主,龙一段上部((6)~(9)小层)由下往上从富泥硅质页岩(S-3)逐渐过渡为富泥/硅混合质页岩(M-2)和富硅泥质页岩(CM-1)。2.针对五峰组-龙马溪组一段页岩复杂的孔隙结构特征,通过低温低压CO_2和N_2吸附、高压压汞、低频核磁共振、场发射扫描电镜等互补的实验和观察手段以及统计分析方法,分析了页岩的孔隙类型、表征了页岩的孔隙结构,明确了五峰组、龙一段下部和龙一段上部页岩孔隙结构的差异性。五峰组-龙马溪组一段页岩孔隙类型有无机孔、有机孔和微裂缝。FE-SEM观察有机孔圆度系数统计显示,五峰组有机孔多呈多角形或不规则形,龙马溪组有机孔多呈椭圆形、近圆形或气泡状。氮气吸附滞后环形态、高压压汞孔径分布、低频核磁共振孔径分布及扫描电镜有机孔统计表明,五峰组页岩孔隙直径最小,龙一段下部页岩孔隙直径最大,龙一段上部页岩孔隙直径介于两者之间。对310张FE-SEM照片约13.6万有机孔及有机质颗粒的统计表明,五峰组((1)小层)有机质面孔率最大,龙一段下部((3)~(5)小层)次之,龙一段上部((6)~(9)小层)最小,表明五峰组((1)小层)有机孔相对最为发育,龙一段上部((6)~(9)小层)有机孔相对最不发育。五峰组页岩微孔比表面积、微孔体积、BET比表面积、中孔体积、孔隙度、BJH总孔体积和压汞总体积最大,龙一段下部页岩次之,龙一段上部页岩最小。3.分形维数可表示多孔材料的复杂程度和非均质性,其分形维数(D)在2~3之间,分形维数越大多孔介质中的孔隙结构越复杂,反之则孔隙结构趋于简单。分形FHH模型法基于气体吸附等温曲线,结合开尔文方程,得出大于50 nm的孔隙分形维数(D_(50))最大,4~50 nm(D_(4-50))次之,小于4 nm的孔隙分形维数(D_(4))最小,产生这种现象的主要原因是小孔隙形态较规则,孔隙分维值小;大孔隙边缘往往较复杂,可能存在多个小孔喉与之连通形成复杂网状结构的大孔隙,使孔隙分维值增大。各小层间对比显示出五峰组((1)小层)分形维数最大,龙一段下部((3)~(5)小层)次之,龙一段上部((6)~(9)小层)最小。计盒维数法基于扫描电镜有机孔的统计结果进行分析,通过筛选孔径范围,分别得出不同孔径范围内的有机孔分形维数。所求的分形维数和FHH模型法计算气体吸附孔隙分形的结果类似:FE-SEM图像中全部有机孔的分形维数(D_(wop))最大,其次为孔径大于50 nm的有机孔分形维数(D_(op50))和孔径在4~50 nm的有机孔分形维数(D_(op4-50)),孔径小于4 nm的有机孔分形维数(D_(op4))最小;各小层间对比也显示出与FHH模型法计算气体吸附孔隙分形维数相同的特征;表明页岩中有机孔隙十分复杂且表面非常粗糙,五峰组((1)小层)孔隙结构最复杂,龙一段下部((3)~(5)小层)次之,龙一段上部((6)~(9)小层)孔隙结构相对最简单。4.影响孔隙结构的因素概况为三个方面:(1)成岩压实作用控制了页岩无机粒间孔隙的保存,溶蚀作用控制了次生孔隙的形成;有机孔的发育程度主要受有机质的性质(沥青或油)和热成熟度控制;(2)根据页岩孔隙与有机碳的相关性分析,微孔乃至小于10 nm的孔隙主要由有机孔提供,中孔孔隙由有机孔和无机孔共同提供;分形维数与有机碳含量的相关性分析表明小于4 nm的有机孔复杂程度主要受有机碳含量控制,4~50 nm的有机孔复杂程度以有机碳含量影响为主,还受其它因素控制,大于50 nm的有机孔复杂程度除受有机碳含量的控制外,也受别的因素影响;富泥硅质页岩(S-3)孔隙最为发育且孔径偏大,其比表面积和孔体积也大,富泥/硅混合质页岩(M-2)和富硅泥质页岩(CM-1)无机孔相对较发育;(3)在区域挤压推覆的构造应力作用下,五峰组位于五峰-龙马溪组一段页岩软弱层系底部,其下伏地层为坚硬的碳酸盐岩地层;五峰组页岩底部是主要的滑脱面,经历了更强的构造挤压推覆、分层滑脱和改造作用;因此,五峰组页岩有机孔受到侧向应力挤压变形和压缩,这可能是五峰组页岩((1)小层)有机孔比龙马溪组一段页岩有机孔形态更复杂、孔径更小的原因之一。5.鄂西渝东地区五峰组-龙马溪组一段页岩整体具有较强的亲水亲油性和强烈的亲油特性;龙一段上部((6)~(9)小层)页岩的亲水性相对更强,而五峰组((1)小层)和龙一段下部((3)~(5)小层)页岩亲水性为中等强度。五峰组-龙马溪组一段不同页岩润湿性的差异主要与页岩有机碳含量、孔隙类型和矿物组分等密切相关。不同流体自发渗吸实验表明龙一段上部((6)~(9)小层)页岩的亲水性孔隙连通性相对最差,五峰组((1)小层)的亲水性孔隙连通性相对最好;页岩亲油性孔隙的连通性比亲水性孔隙的连通性更好。
【图文】：

Loucks 等根据孔隙直径大小将美国福特沃斯盆地密西西比系 Barnet页岩孔隙分为两大类：微孔（≥ 0.75 μm）和纳米级孔隙（< 0.75 μm）。2012 年，Loucks 等又依据孔隙直径大小对泥页岩孔隙分类进行了改进，将孔隙划分为 5 段：< 1 nm 为皮孔，1 nm ~ 1 μm 范围内为纳米孔，1 μm ~ 62.5 μm 范围内为微孔，62.5μm~4mm 范围内为中孔，4mm~256mm 范围内为大孔。国内学者邹才能等（2011b同样依据孔隙直径大小将页岩孔隙进行了分类，他们以 2 μm 和 2 mm 为孔隙直径界限将页岩孔隙划分成纳米孔、微米孔和宏孔三类。以上分类对于该地区的孔隙研究有一定的意义，但并没有被其他地区研究学者广泛应用。目前，以国际理论与应用化学联合会（简称为 IUPAC）提出的孔隙分类标准逐渐在储层孔隙定量描述与评级方面的应用较为广泛，该方案定义页岩微孔为小于 2nm 的孔隙，中孔为介于2 ~ 50 nm 范围内的孔隙，大孔为大于 50 nm 的孔隙。二、依据孔隙形态分类基于氮气吸附-脱附曲线的迟滞类型，Sing（1985）、Rouquerol 等（1994）、Thommes 等（2015）提出迟滞类型可以反映孔隙的形态，以此可将孔隙划分为两端开放的圆柱状孔隙、墨水瓶状孔隙、平行板状孔隙和狭缝状孔隙等 4 类（图 1.1）。

中国地质大学博士学位论文 11三、依据孔隙与外部流体的可达性分类基于外部流体能否进入孔隙内部空间，可将孔隙分为孤立不连通的闭孔、连通的开孔和一端封闭一端连通的盲孔三类。四、依据孔隙成因分类何建华等（2014）根据孔隙成因类型将页岩孔隙划分为原生沉积型、成岩后生改造型和混合型三大类。五、依据孔隙产状及其与岩石颗粒间关系分类主要通过高分辨率场发射扫描电镜或者投射电镜来观察和识别，，具有代表性的分类有 Slatt 和 O’Brien 的分类、Loucks 等的分类以及于炳松的孔隙分类等。（1）Slatt 和 O’Brien 的分类Slatt 和 O’Brien 通过对 Barnett 页岩和 Woodford 页岩孔隙类型进行研究，将页岩孔隙分为 6 种类型：黏土絮体粒间孔隙、有机孔、粪球粒内孔隙、生物化石碎屑内孔隙、颗粒粒内孔隙和微裂缝通道，具体区别特征见图 1.2。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P618.13


本文编号：2705630