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巨鹿地區(qū)石炭系—二疊系富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及微觀非均質(zhì)性

2020-09-14 06:10姚雙宏李學(xué)元王慧軍陳尚斌
特種油氣藏 2020年4期
關(guān)鍵詞:質(zhì)性維數(shù)分形

姚雙宏,李學(xué)元,李 澎,王慧軍,陳尚斌

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116;2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;3.河北煤田地質(zhì)勘查院,河北 邢臺(tái) 054000)

0 引 言

中國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富,勘探前景廣闊[1-5]。河北巨鹿地區(qū)石炭系—二疊系海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖氣主要分布在黃驊坳陷、冀中坳陷、臨清坳陷[6],分布范圍廣泛,地層厚度大,有機(jī)質(zhì)(TOC)含量高,以Ⅲ、Ⅱ型有機(jī)質(zhì)為主,具備成藏潛力[7]。目前對(duì)其研究主要集中在致密砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)[8]、烴源巖的生烴演化[9]及生烴差異性[10]、煤成氣藏因素[11]、巖相地球化學(xué)特征[12]、地層層序和巖相古地理[13]等方面,缺乏針對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及微觀非均質(zhì)性的研究,并且目前液氮分形研究集中在孔隙整體微觀非均質(zhì)性,而對(duì)不同孔徑范圍下的微觀非均質(zhì)性缺乏研究。因此,以海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為研究對(duì)象,運(yùn)用X射線衍射,掃描電子顯微鏡和低溫液氮吸附等分析測(cè)試方法,研究頁(yè)巖物性特征、孔裂隙類型與結(jié)構(gòu)特征,并分析不同孔徑范圍內(nèi)孔隙微觀非均質(zhì)性,為該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探提供理論支撐。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

巨鹿地區(qū)位于渤海盆地西南部臨清坳陷西部,西部以太行山東斷裂為界,東部以武城—冠縣凸起為界,北部以滄縣隆起為界,南部以內(nèi)黃隆起為界。臨清坳陷的構(gòu)造演化經(jīng)歷盆前階段、前期斷陷階段、后期裂陷—擴(kuò)張階段和坳陷階段[14]。斷裂在中生代至新生代均有活動(dòng),發(fā)育于坳陷東西部,以北東—南西向?yàn)橹鳎由扉L(zhǎng)度為20~80 km。

1.2 沉積環(huán)境

巨鹿地區(qū)位于華北地區(qū)北部,與華北地區(qū)晚古生代地層沉積特征接近[15]。

碳酸巖臺(tái)地相巖性特征主要表現(xiàn)為以中厚層灰?guī)r為主,自然伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)為高值,沉積微相包括開闊臺(tái)地和局限臺(tái)地;澙湖相巖性特征表現(xiàn)為灰色、灰黑色泥巖,砂質(zhì)泥巖,發(fā)育水平層理和塊狀層理,反映靜水弱還原環(huán)境,自然伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)為鋸齒狀;潮坪相巖性特征主要表現(xiàn)為以泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉細(xì)砂巖為主,砂巖分選性較好,波狀層理、雙向交錯(cuò)層理、羽狀交錯(cuò)層理等較為發(fā)育,自然伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)為鋸齒狀,當(dāng)煤層和泥巖發(fā)育時(shí),表現(xiàn)為低值,沉積微相包括泥坪、泥炭坪、砂坪及其之間的相互組合;障壁島巖性特征表現(xiàn)為以中砂巖和粉砂巖為主,成分成熟度、結(jié)構(gòu)成熟度高,分選好,磨圓度高,沉積構(gòu)造以楔形交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理、雙向交錯(cuò)層理和波狀交錯(cuò)層理為特征,自然伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)為輕微鋸齒狀,波動(dòng)幅度小[15-16](圖1),因此,太原組為潮坪—障壁島—澙湖沉積體系。

分流河道巖性特征表現(xiàn)為以中砂巖和細(xì)砂巖為主,砂巖成分及結(jié)構(gòu)成熟度較高,具沙紋交錯(cuò)層理、楔狀交錯(cuò)層理等,垂向上呈正粒序,自然伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)為正偏移;泥炭沼澤巖性特征表現(xiàn)為泥巖夾薄煤層,自然伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)為箱形;邊灘相巖性特征表現(xiàn)為中砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖,自然伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)為輕度鋸齒狀以及箱形;分流間灣巖性特征表現(xiàn)為泥巖和粉砂巖,伽馬測(cè)井曲線表現(xiàn)為輕度鋸齒狀[15-16](圖1)。因此,由各類巖性特征及各類測(cè)井曲線可綜合判定,山西組為河控淺水三角洲沉積體系。

2 物性特征

分別選取巨鹿地區(qū)廣宗53-2井(53-17、53-37、53-62)和邯西ZK5井(ZK5-44、ZK5-56、ZK5-59)共6個(gè)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品。53-2井太原組厚度為131 m,山西組厚度為90 m,地層埋深為1 330~1 558 m;ZK5井太原組厚度為161 m,山西組厚度為73 m,地層埋深為1 101~1 335 m。

2.1 礦物組分

X射線衍射測(cè)得礦物組分及含量。巨鹿地區(qū)黏土礦物含量為45.6%~75.8%,平均為57.6%;石英含量為22.5%~48.3%,平均為35.3%;鉀長(zhǎng)石含量為0.7%~2.5%,平均為1.5%;其他脆性礦物(斜長(zhǎng)石、白云石、黃鐵礦等)只存在于個(gè)別樣品中,無(wú)代表性。對(duì)于不同的黏土礦物組分,伊蒙混層含量為24.0%~65.0%,平均為48.0%;伊利石含量為3.0%~61.0%,平均為27.0%;綠泥石含量為2.0%~39.0%,平均為14.0%;高嶺石只存在于53-2井樣品中。巨鹿地區(qū)脆性礦物含量低,不利于壓裂,但伊利石和伊蒙混層含量高,能夠?yàn)轫?yè)巖氣的賦存提供充足的場(chǎng)所。

圖1 巨鹿地區(qū)廣宗53-2井太原—山西組垂向沉積相

2.2 納米級(jí)孔隙類型

利用掃描電子顯微鏡觀察樣品的孔隙形貌特征,結(jié)果表明:有機(jī)質(zhì)孔是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中主要的納米級(jí)孔隙(圖2a);而有機(jī)質(zhì)形態(tài)以塊狀、板狀最為常見,其中,板狀有機(jī)質(zhì)受構(gòu)造應(yīng)力作用時(shí)易沿著薄弱面破裂,形成微裂隙(圖2b、c);粒間孔是由同種礦物或不同礦物之間的相互支撐、覆蓋而形成,常見的是片層狀黏土礦物相互疊合、支撐形成的微米級(jí)孔隙(圖2d);礦物粒內(nèi)孔以溶蝕孔和黃鐵礦晶間孔為主,溶蝕孔發(fā)育程度不高,而各種類型黃鐵礦形成豐富的黃鐵礦晶間孔(圖2e),黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)共存(圖2f);富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育2種微裂隙,一種是不同物質(zhì)之間因性質(zhì)不均一,在受到拉張或伸展應(yīng)力時(shí)相互分離產(chǎn)生的微裂隙(圖2g),另一種是性質(zhì)均一但受到擠壓破裂而產(chǎn)生的微裂隙(圖2h)。綜上研究可得,富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔、礦物粒內(nèi)孔和微裂隙,豐富多樣的裂隙類型,能夠?yàn)榧淄榈奈教峁┴S富的空間,為滲流提供有利通道。

圖2 掃描電鏡下富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔裂隙類型

2.3 納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)

利用TriStar II型氮?dú)馕絻x測(cè)定孔徑、孔體積和比表面積,研究結(jié)果表明:53-37、53-62、ZK5-44、ZK5-56和ZK5-59樣品的孔體積依次為0.037 4、0.024 4、0.005 1、0.007 4、0.004 6、0.015 8 cm3/g,平均為0.015 9 cm3/g;比表面積依次為21.034 7、15.086 8、1.455 2、2.137 0、1.997 2 m2/g,平均為8.340 0 m2/g;孔徑平均值依次為7.114 6、6.461 8、14.080 4、13.899 8、9.194 0 nm,平均為10.150 0 nm。

圖3a為太原組—山西組樣品氮?dú)馕浇馕葴鼐€。依據(jù)低溫液氮吸附曲線的BET分類理論[17-18],當(dāng)相對(duì)壓力小于0.4時(shí),為單層吸附,隨著相對(duì)壓力的增加出現(xiàn)多層吸附,當(dāng)相對(duì)壓力接近1.0時(shí),孔隙仍未吸附飽和,存在毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。53-2井在飽和蒸汽壓附近很陡,脫附曲線在中等壓力處也較陡,根據(jù)De Boer分類,與B類回線相接近但并不完全相同,根據(jù)IUPAC分類,與H3型回線接近,亦有H2型回線特征,而H2型滯后回線,發(fā)育裂縫型孔和楔形孔等無(wú)定形孔隙,是吸附態(tài)頁(yè)巖氣主要賦存空間,但不利于滲流[19]。研究可知,ZK5井為H3型滯后回線,發(fā)育有四周開放的平行板孔,從微孔到大孔各個(gè)孔徑段的孔隙均較發(fā)育,均具有良好的連通性,利于頁(yè)巖氣滲流。此次研究采用BJH模型計(jì)算樣品的孔徑分布(圖3b),53-2井樣品主孔徑包括1.50、40.00 nm 2個(gè)峰值,ZK5井頁(yè)巖的孔徑峰值為80.00 nm,根據(jù)IUPAC孔隙分類標(biāo)準(zhǔn),微孔和介孔是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中的主要孔隙類型。

圖3 太原—山西組樣品液氮吸附解吸等溫線及孔徑分布

3 微觀非均質(zhì)性與影響因素

3.1 分形維數(shù)

頁(yè)巖低溫液氮分形維數(shù)可以定量表征頁(yè)巖孔隙非均質(zhì)性的強(qiáng)弱[20]。分形維數(shù)越接近3時(shí),孔隙的非均質(zhì)性越強(qiáng)[21]。運(yùn)用FHH模型[22],并結(jié)合中國(guó)學(xué)者的相關(guān)研究[23-26],獲取不同孔徑范圍內(nèi)的分形維數(shù)。根據(jù)張巖的研究成果[23],結(jié)合分形原理,以4.34 nm為分界點(diǎn),將孔隙分為小于4.34 nm的微孔隙和大于4.34 nm的大孔隙,將對(duì)應(yīng)的分形維數(shù)分別記為Da和Db。對(duì)2個(gè)孔徑范圍的孔隙進(jìn)行分段擬合(圖4中p/po為相對(duì)壓力),求取不同孔徑范圍內(nèi)的分形維數(shù):孔徑為2.00~4.34 nm時(shí),Da依次為2.285 8,2.243 2,2.176 1,2.311 3,平均為2.372 6,對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)依次為0.937 4,0.915 8,0.919 1,0.945 0,平均為0.930 0;孔徑為4.34~100.00 nm時(shí),Db依次為2.687 4,2.705 6,2.606 1,2.600,2.672 5,平均為2.654 3,對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為0.991 1,0.983 3,0.996 2,0.999 5,平均為0.992 5。

3.2 微觀非均質(zhì)性

分形維數(shù)為2.00~3.00時(shí),孔隙存在微觀非均質(zhì)性。由分形研究結(jié)果可知,巨鹿地區(qū)石炭系—二疊系富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖Da和Db均為2.000 0~3.000 0,2.00~100.00 nm范圍內(nèi)孔隙存在微觀非均質(zhì)性,但大孔隙和微孔隙的分形維數(shù)不同,表明不同孔徑范圍內(nèi)孔隙非均質(zhì)性強(qiáng)弱不同。微孔隙Da平均值接近2.000 0,孔隙表面比較規(guī)則,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,微觀非均質(zhì)性差;大孔隙Db平均值接近3.000 0,孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,微觀非均質(zhì)性強(qiáng),同時(shí)表明大孔隙對(duì)微觀非均質(zhì)性貢獻(xiàn)較大,微孔隙貢獻(xiàn)較小。

3.3 分形維數(shù)與礦物含量之間的相關(guān)性

礦物含量不同,對(duì)孔隙的非均質(zhì)性影響不同。Da與脆性礦物、石英、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石含量均為負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.510 4、0.811 7、0.564 4、0.626 7,相關(guān)性較好;與黏土礦物、綠泥石含量為正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.510 4、0.840 7,相關(guān)性較好(圖5a)。Db與石英、斜長(zhǎng)石含量均為負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.700 8、0.804 2,相關(guān)性較好(圖5b),兩者與其他礦物成分沒有相關(guān)性。

Da和Db與脆性礦物含量均為負(fù)相關(guān),Da與黏土礦物含量負(fù)相關(guān),但Db與黏土礦物含量無(wú)相關(guān)性。微孔隙和大孔隙微觀非均質(zhì)性越強(qiáng),石英、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石含量越低,表明脆性礦物對(duì)2.00~100.00 nm范圍內(nèi)孔隙微觀非均質(zhì)性的貢獻(xiàn)小。微孔隙微觀非均質(zhì)性越強(qiáng),黏土礦物含量越低。表明黏土礦物對(duì)微孔隙微觀非均質(zhì)性貢獻(xiàn)大,對(duì)大孔隙微觀非均質(zhì)性未知。

圖4 2.00~100.00 nm孔徑范圍的低溫液氮吸附體積與相對(duì)壓力雙對(duì)數(shù)曲線

圖5 分段分形維數(shù)與礦物組分相關(guān)性

3.4 微觀非均質(zhì)性與影響因素

巨鹿地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖黏土礦物平均含量為57.6%,具有片層狀結(jié)構(gòu)的黏土礦物能夠形成數(shù)量豐富的礦物支撐孔隙(圖2d),同時(shí),脆性礦物由于溶蝕等地球化學(xué)作用也能夠形成數(shù)量眾多的邊緣接觸孔(圖2g)和粒間孔等。分形維數(shù)和脆性礦物含量成反比,和黏土礦物含量成正比,表明礦物組成通過控制儲(chǔ)層孔隙種類和數(shù)量,影響孔隙微觀非均質(zhì)性。

臨清坳陷從中石炭世開始整體下沉接受沉積,中生代擠壓隆起,印支期受擠壓作用影響導(dǎo)致大范圍隆升,印支運(yùn)動(dòng)末期,隆起作用劇烈,三疊系開始遭受剝蝕。侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)、三疊系繼續(xù)遭受剝蝕,晚白堊世時(shí)期,應(yīng)力場(chǎng)由拉張轉(zhuǎn)為擠壓,盆地整體抬升,新生代在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的作用下,遭受擠壓作用而隆起剝蝕。進(jìn)入第四紀(jì)后,地層再次下沉并接受沉積[15]。在反復(fù)的拉伸、擠壓隆起等構(gòu)造作用下,富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖內(nèi)部形成豐富的微裂隙(圖2b、h),增加富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙連通性,為頁(yè)巖氣的滲流、賦存提供通道和空間。表明構(gòu)造作用通過控制儲(chǔ)層微裂隙的發(fā)育,影響孔隙微觀非均質(zhì)性。

巨鹿地區(qū)太原組屬于潮坪—障壁島—澙湖沉積體系,山西組屬于河控淺水三角洲沉積體系。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖形成過程中古地理、古氣候和沉積體系均存在差異性,導(dǎo)致成巖過程中碎屑的來(lái)源、成分、粒徑、磨圓度、分選性均不相同,在同樣的上覆靜壓力作用下經(jīng)歷同等的壓實(shí)成巖作用,頁(yè)巖接觸邊緣孔(圖2g)的孔徑和連通性差異巨大;同時(shí),由于地層不同部分所遭受的熱演化作用不同,造成不同區(qū)域頁(yè)巖形成的主孔徑分布不同,前文分析認(rèn)為ZK5井頁(yè)巖的孔徑峰值為80.00 nm,53-2井樣品2個(gè)峰值分別為1.50 、40.00 nm,表明成巖作用通過控制頁(yè)巖的孔隙類型及孔徑分布,影響孔隙微觀非均質(zhì)性。

4 結(jié) 論

(1) X射線衍射結(jié)果表明黏土礦物平均含量為57.6%,石英和鉀長(zhǎng)石平均含量分別為35.3%、1.5%;掃描電子顯微鏡結(jié)果表明存在有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔、礦物粒內(nèi)孔和微裂隙;低溫液氮吸附結(jié)果表明平均孔體積為0.015 9 cm3/g,平均孔比表面積為8.34 m2/g,平均孔徑為10.15 nm,吸附和脫附曲線表明存在平行板孔和墨水瓶孔等,BJH模型表明微孔和介孔是主要的納米級(jí)孔隙。

(2) 低溫液氮分形研究可以精細(xì)表征頁(yè)巖2.00~100.00 nm范圍內(nèi)孔隙微觀非均質(zhì)性。Da平均值為2.372 6,微孔隙微觀非均質(zhì)性差;Db平均值為2.654 3,大孔隙微觀非均質(zhì)性強(qiáng),且大孔隙主導(dǎo)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙微觀非均質(zhì)性。

(3) 分形維數(shù)Da和Db與脆性礦物含量均為負(fù)相關(guān),Da與黏土礦物含量負(fù)相關(guān),但Db與黏土礦物含量無(wú)相關(guān)性,黏土礦物影響富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖大孔隙微觀非均質(zhì)性,脆性礦物影響富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖微孔隙微觀非均質(zhì)性;物質(zhì)組成、構(gòu)造作用和成巖作用影響孔隙微觀非均質(zhì)性。

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