發(fā)布時(shí)間：2019-12-20所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為明確富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙演化規(guī)律，以鄂爾多斯盆地三疊系延長組不同成熟度(RO值介于0.53%～1.09%之間)黑色頁巖為研究對(duì)象，通過掃描電鏡、氮?dú)馕胶蚗-射線衍射等技術(shù)手段對(duì)頁巖儲(chǔ)層的納米孔隙及熱演化特征進(jìn)行研究，并依據(jù)FHH分形模型探討了頁巖孔隙分
摘要：為明確富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙演化規(guī)律，以鄂爾多斯盆地三疊系延長組不同成熟度(RO值介于0.53%～1.09%之間)黑色頁巖為研究對(duì)象，通過掃描電鏡、氮?dú)馕胶蚗-射線衍射等技術(shù)手段對(duì)頁巖儲(chǔ)層的納米孔隙及熱演化特征進(jìn)行研究，并依據(jù)FHH分形模型探討了頁巖孔隙分形特征及熱演化規(guī)律。結(jié)果表明：頁巖孔隙總體積和比表面積主要受控于中孔(2～50nm)和大孔(>50nm)，并與TOC含量有較好的相關(guān)性;隨著RO值的增加，頁巖孔隙總體積先下降，再略微上升，比表面積先下降，再明顯回升，這是壓實(shí)作用和生排烴作用共同作用的結(jié)果。RO值與有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度密切相關(guān)，是中孔的最大貢獻(xiàn)者。頁巖孔隙的分形維數(shù)普遍較高，隨著熱演化程度的加深整體呈增大趨勢，且與孔體積及平均孔徑顯著負(fù)相關(guān)，與比表面積正相關(guān)，表明頁巖孔隙結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，吸附能力提升。
關(guān)鍵詞：頁巖;成熟度;孔隙結(jié)構(gòu);分形維數(shù);孔隙演化
0引言
近年來，頁巖氣藏作為一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)油氣藏受到廣泛關(guān)注[1-3]。頁巖儲(chǔ)層極為致密，內(nèi)部發(fā)育大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的納米孔隙，氣體以吸附或游離態(tài)儲(chǔ)存在孔隙中[4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鄂爾多斯盆地延長組長7段頁巖孔隙類型、大小、結(jié)構(gòu)等方面展開了大量研究并取得了豐碩成果[5-8]，但對(duì)頁巖孔隙演化的研究還相對(duì)薄弱[9，10]。
泥頁巖的孔隙演化受到生烴作用、成巖作用的共同控制[11，12]。由于不同區(qū)域頁巖礦物組成及埋藏?zé)嵫莼反嬖谳^大差異，前人對(duì)頁巖微孔隙的發(fā)育特征及熱演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)還存在較多分歧[13-16]。胡海燕[17]對(duì)美國Woodford頁巖進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，通過控制實(shí)驗(yàn)溫度得出孔隙度隨熱成熟度增高而增加的結(jié)論;Sun等[18]對(duì)鄂爾多斯盆地長7段頁巖的熱模擬實(shí)驗(yàn)，亦通過控制溫度得出總孔體積與熱解溫度呈正相關(guān)的規(guī)律。崔景偉等[19]對(duì)鄂爾多斯盆地華池附近頁巖進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，在半封閉實(shí)驗(yàn)體系中同時(shí)控制溫度和壓力，得到中孔孔容隨溫度和壓力升高先減小后增大的規(guī)律，并認(rèn)為這與頁巖黏土礦物和有機(jī)質(zhì)豐度有關(guān)。吳松濤等[16]通過保持壓力不變，不斷提高實(shí)驗(yàn)溫度的熱模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)華池附近的頁巖樣品進(jìn)行了研究，結(jié)果表明低成熟階段到成熟階段的頁巖，孔隙度隨成熟度的增加先降低后升高。故通過熱模擬實(shí)驗(yàn)方法表征頁巖孔隙演化易因?qū)嶒?yàn)方案的差異而出現(xiàn)不同的結(jié)果，且模擬樣品部分?jǐn)?shù)據(jù)與實(shí)際地質(zhì)樣品存在較大偏差。
因此，部分學(xué)者通過表征人工選擇的不同成熟度頁巖樣品孔隙特征的方法，來研究富有機(jī)質(zhì)頁巖微觀孔隙演化規(guī)律。如：陳燕燕等[20]通過對(duì)美國伊利諾伊盆地的不同成熟度頁巖樣品進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)頁巖總孔體積呈現(xiàn)出非單調(diào)演化趨勢;張闖輝等[21]選取華北盆地頁巖樣品，得出頁巖孔體積隨成熟度先減小后增大再減小的變化趨勢。但由于頁巖非均質(zhì)性較強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，前人在樣品選擇時(shí)普遍范圍較大，易對(duì)頁巖樣品原始孔隙結(jié)構(gòu)造成影響。此外，已有很多學(xué)者采用分形維數(shù)來定量表征頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[22，23]，加深了對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，有利于評(píng)價(jià)頁巖氣的吸附儲(chǔ)存能力，但關(guān)于頁巖孔隙分性特征在熱演化過程中的變化規(guī)律尚未進(jìn)行深入探討。
基于上述問題，本文以鄂爾多斯盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖為對(duì)象，通過電鏡掃描、氮?dú)馕胶蚗-射線衍射等技術(shù)手段對(duì)頁巖儲(chǔ)層的納米孔隙及熱演化特征進(jìn)行了研究，并依據(jù)FHH分形模型探討了頁巖孔隙分形特征及熱演化規(guī)律。樣品主要選自盆地東南部甘泉地區(qū)，通過縮小取樣范圍以排除構(gòu)造等因素對(duì)孔隙特征的影響。在大量的地球化學(xué)測試基礎(chǔ)上，排除樣品有機(jī)質(zhì)類型和礦物組成等因素對(duì)泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的影響，以減小樣品原始孔隙結(jié)構(gòu)與排烴效率等差異。按成熟度遞增的順序依次選取處于生烴階段的不同演化程度頁巖樣品，并對(duì)樣品進(jìn)行氣體吸附、掃描電鏡、X-射線衍射等分析，探討富有機(jī)質(zhì)頁巖微觀孔隙演化規(guī)律;結(jié)合不同成熟度頁巖孔隙分形維數(shù)的計(jì)算結(jié)果，分析頁巖孔隙分形特征的熱演化規(guī)律及與孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系，輔助研究熱演化過程中頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的變化。
1樣品與實(shí)驗(yàn)分析
1.1樣品特征
樣品均采自鄂爾多斯盆地延長組長7段(表1)，其中7個(gè)樣品采自盆地東南部的甘泉地區(qū)，受該區(qū)頁巖成熟度限制，其余2個(gè)低成熟度的樣品采自渭北隆起姚灣地區(qū)。樣品有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅱ1型，參考鄂爾多斯盆地?zé)嵫莼秶鸀?.5%～1.2%，所選取地質(zhì)樣品的鏡質(zhì)體反射率(RO)值介于0.53%～1.09%之間，總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(TOC)值介于3.08%～14%之間。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)在中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心測試完成，所采用儀器為ASAP2020比表面積測定儀，原理為低溫氣體吸附會(huì)受孔隙特征的影響。實(shí)驗(yàn)操作過程分4步：①粉碎頁巖樣品至40～60目;②自動(dòng)脫氣：溫度為150℃，脫氣時(shí)間為24h;③真空脫氣：溫度為150℃，脫氣時(shí)間為2h，目的為去除樣品中部分殘留氣體;④最后通入高純氮?dú)猓瑴囟葹?197℃，開始進(jìn)行等溫物理吸附—脫附測定。該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)頁巖比表面積、孔體積及孔徑分布等參數(shù)的定量評(píng)價(jià)。
氬離子拋光—場發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)采用德國ZEISS公司生產(chǎn)的型號(hào)為MerlinCompact場發(fā)射掃描電子顯微鏡，可實(shí)現(xiàn)樣品超高分辨率的微觀形貌觀察。該儀器可分別獲得二次電子或背散射電子圖像，有卓越的分辨能力，分辨率：0.8nm@15KV;1.6nm@1KV。利用氬離子拋光系統(tǒng)(配備有液氮冷臺(tái))對(duì)樣品進(jìn)行扇形截面(扇形角度為10°～90°可調(diào))和平面拋光，可實(shí)現(xiàn)對(duì)頁巖納米孔的觀察。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1頁巖無機(jī)礦物組成
從表1可以看出，頁巖樣品熱成熟度主要位于生油窗內(nèi)(RO=0.53%～1.09%);除姚灣地區(qū)2個(gè)樣品外，其余樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較為集中(3.24%～5.93%)，有機(jī)質(zhì)含量豐富。樣品主要礦物成分有石英、長石、黃鐵礦和黏土礦物等，部分樣品還含有碳酸鹽(表1)。石英含量介于15.8%～44%之間，均值為28.39%;長石含量介于6.8%～47%之間，均值為21.29%;黃鐵礦含量介于2%～21%之間，均值為7.7%;黏土礦物含量較高，介于18.6%～51.1%之間，均值為35.11%。
2.2氮?dú)馕角�
地質(zhì)樣品低溫氮?dú)馕?mdash;脫附等溫曲線如圖1所示，曲線起點(diǎn)低壓段(0.8)吸附曲線上升迅速，沒有明顯的吸附限制，表明樣品中含有一定量大孔。根據(jù)曲線形態(tài)可定性地反映頁巖孔隙結(jié)構(gòu)[24]，圖1中吸附脫附曲線類似于IPUAC分類中H3型回線，兼具H4型回線特征[25]，指示樣品孔隙類型主要以平板狀、狹縫狀以及墨水瓶狀等開放型孔隙為主，該類孔隙連通性較好，孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)頁巖氣的運(yùn)移有利[26]，且圖1(a)—圖1(c)、圖1(i)中樣品吸附曲線上升速率大，表明其孔隙開放程度較大[27]。此外，滯后環(huán)越大[圖1(d)—圖1(h)]，說明樣品孔隙更趨向于無規(guī)則，微孔含量更高。在相對(duì)壓力接近1時(shí)樣品吸附量越大，則孔體積越大，圖1中前6個(gè)樣品吸附量依次減小，后3個(gè)樣品又呈增大趨勢，這表明樣品孔體積先減小后增大。
地質(zhì)樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2，比表面積在2.0387～6.981m2/g之間，均值為4.3m2/g，約大于常規(guī)砂巖比表面積1m2/g;孔體積在0.007318～0.035744cm3/g之間，均值為0.017369cm3/g;平均孔徑在8.3992～18.889nm之間，平均為14.9577nm，表明長7段頁巖以中孔為主。
等溫N2吸附方法和BJH方法還可以得到樣品的孔徑分布，從而分析樣品的主導(dǎo)孔徑和不同孔徑所提供的孔體積對(duì)總孔隙體積的貢獻(xiàn)等[28，29](圖2)，從孔徑分布曲線可以觀察到對(duì)于所有樣品，有10～15nm和80～90nm2個(gè)峰值，表明長7段頁巖的孔隙主要由中孔和部分大孔所支配，且從圖2中可看出小于2nm的微孔對(duì)應(yīng)孔體積分布情況較為復(fù)雜。
2.3分形維數(shù)計(jì)算
由于沉積和成巖過程的復(fù)雜性，頁巖通常具有不規(guī)則的孔隙幾何形狀和復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)[30，31]。可應(yīng)用分形維數(shù)(D)來定量評(píng)價(jià)孔隙表面粗糙度和結(jié)構(gòu)不規(guī)則性[32]。當(dāng)巖石的分形維數(shù)介于2～3之間，可反映孔結(jié)構(gòu)或孔表面的非均質(zhì)性。其中當(dāng)分形維數(shù)越接近2時(shí)，代表孔隙表面越規(guī)則;當(dāng)分形維數(shù)越接近3時(shí)，孔隙表面則越不規(guī)則[33]，通過分形維數(shù)的分析能夠加深對(duì)頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征及其吸附能力的認(rèn)識(shí)[34]，本文主要應(yīng)用FHH模型計(jì)算頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征的分形維數(shù)，其表達(dá)式為：
LnV=KLn[Ln(P0/P)]+C
式中：P、P0分別為吸附平衡壓力、飽和蒸汽壓力，MPa;V為吸附平衡壓力下對(duì)應(yīng)的氣體吸附量，cm3/g;K為LnV和Ln[Ln(P0/P)]的雙對(duì)數(shù)曲線的斜率;分形維數(shù)D利用斜率來計(jì)算D=K+3;C為常數(shù)。
根據(jù)N2吸附等溫線數(shù)據(jù)，得到了所有樣品的LnV—Ln[Ln(P0/P)]關(guān)系圖(圖3)，應(yīng)用K=(D-3)進(jìn)行頁巖分形維數(shù)的計(jì)算，分形維數(shù)計(jì)算結(jié)果介于2.513～2.745范圍內(nèi)(表3)，整體偏高，與前人計(jì)算結(jié)果相符[35]，這表明頁巖孔隙具有顯著的分形特征，孔隙表面不規(guī)則。
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3討論
3.1有機(jī)質(zhì)孔特征及其熱演化規(guī)律
有機(jī)質(zhì)孔是頁巖微觀孔隙中最為重要的孔隙類型之一，主要指有機(jī)質(zhì)內(nèi)的孔隙[36]。Chen等[13]對(duì)人造頁巖樣品的觀察研究發(fā)現(xiàn)，納米孔隙的增加與有機(jī)質(zhì)、礦物有機(jī)質(zhì)結(jié)合體及有機(jī)質(zhì)內(nèi)部孔隙有很大關(guān)系。該類孔隙主要受其熱演化程度的控制，即隨著頁巖熱演化程度的不斷增加，有機(jī)質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化為烴類并產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)孔[37，38]，筆者通過觀察地質(zhì)樣品的掃描電鏡圖像(圖4)發(fā)現(xiàn)：有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育程度與頁巖熱演化程度呈現(xiàn)出相關(guān)性，在低成熟度頁巖[圖4(a)—圖4(d)]中缺乏該類孔隙，而在較高成熟度頁巖[圖4(e)—圖4(i)]中有機(jī)質(zhì)孔增多。一般將頁巖孔隙分為微孔(<2nm)、中孔(2～50nm)、大孔(>50nm)，有機(jī)質(zhì)孔可以微孔或中孔的形式單獨(dú)存在[圖4(f)—圖4(h)]，呈橢圓形、近圓形等;亦可相互連通形成中孔和部分大孔，呈蜂窩狀成群分布[圖4(e)]，圖4(i)]，部分大孔也可見不規(guī)則形，這是由于在壓實(shí)過程中，大孔比小孔更容易變形[39];頁巖非均質(zhì)性較強(qiáng)，同一視域內(nèi)的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度可能存在很大差異[圖4(e)]，推測與有機(jī)質(zhì)顆粒顯微組成差別相關(guān)[40]，有些顯微組分在生烴過程中不會(huì)發(fā)生降解所以沒有孔隙形成[41]，如木質(zhì)顯微組織便不能生烴，這表明有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育不僅受有機(jī)質(zhì)豐度及成熟度的控制，有機(jī)質(zhì)類型也會(huì)對(duì)其有較大影響。
