包邮小角散射技术在页岩油气储层表征中的应用

第1章 页岩储层表征研究现状 在过去的10年，世界油气的产量大幅增加，特别是美国的产量呈指数增长。这主要归因于页岩油气产量的快速增加。随着水平井技术和水力压裂技术的大力发展，美国页岩气产量从2000年的110.4亿m3提升到2015年的2820.4亿m3（EIA，2016）。同样美国页岩油产量从不到100万bbl/d 到2018年的超过500万bbl/d。在2014年，中国四川盆地涪陵区块的五峰组—龙马溪组页岩也*先实现了国内页岩气的商业化开发（金之钧等，2016；郭彤楼，2016）。截至2019年底，涪陵页岩气田累计建成产能110亿m3 ，累计探明储量6008亿m3，累计产气277.85亿m3（郭洪金，2020）。目前，我国已建成涪陵、长宁—威远和昭通3个海相页岩气示范区。页岩储层也逐渐成为继砂岩储层和碳酸盐岩储层之后又一重要的油气勘探开发层位。但在全球的页岩油气开发过程中都面临着科学与工程的挑战，如页岩油气采收率低、产量递减快、压裂液返排率低等问题都制约着页岩油气工业的可持续性发展（董大忠等，2016；邹才能等，2016，2015）。而以上问题无不与页岩储层特征息息相关。页岩储层通常具有纳米级孔隙、有机组分和无机矿物混合、非均质性强、特低孔低渗、油气赋存状态复杂等特征。因此页岩储层评价内容、方法与手段有别于常规储层，使得页岩储层精细表征成为页岩油气地质与工程研究的热点问题之一。本章将重点介绍国内外页岩储层的组分特征（矿物组分和有机质）和孔隙特征研究现状，以及页岩储层表征的技术方法。 1.1 页岩矿物组分特征 页岩作为一种细粒沉积岩，超过50%的矿物颗粒小于62.5μm，其矿物组成主要包括黏土矿物（主要包括伊利石、伊蒙混层、高岭石、绿泥石等）、石英、长石（钾长石和斜长石）、碳酸盐矿物（方解石和白云石）和黄铁矿（Arthur and Cole，2014）。与常规砂岩或碳酸盐岩储层相比，页岩的矿物组成具有强非均质性、矿物质量分数大小与组分类型复杂多样的特点。大量勘探和测试结果发现，同一套页岩在不同地区的矿物类型及各组分的质量分数差异较大。而页岩矿物的组成关系到油气“甜点”的判断及后期开采过程中压裂造缝的难易程度。此外，页岩矿物组分还通过影响孔隙体系类型控制着天然气的赋存形式、聚集与流动行为等，因此了解页岩矿物组分特征是研究页岩储层的基础内容。 1.1.1 黏土矿物 黏土矿物是页岩中*主要的矿物之一，其分布的广泛性、特有的晶体结构及独特的物理化学性质，决定了它与页岩油气成藏机理及储层质量关系密切。大量研究表明，通常页岩气藏中分布*广的黏土矿物类型为伊利石、伊蒙混层、高岭石、绿泥石等（邹才能等，2014）。近年来，国内外学者应用场发射扫描电镜（field emission-scanning electron microscope，FE-SEM ）和X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD ）等实验手段对页岩储层中的黏土矿物组成及质量分数进行了大量研究，认为北美下密西西比统Barnett 页岩中的黏土矿物质量分数变化较大（5%～48%），平均质量分数为24.2%；北美Bakken 页岩中的黏土矿物平均质量分数为31.2%，Haynesville 页岩中的黏土矿物平均质量分数为33.7%（Loucks and Ruppel，2007；Jarvie et al.，2007）；对于国内页岩，上扬子地区寒武系筇竹寺组黏土矿物质量分数为21.1%～56.4%，下志留统龙马溪组富有机质黑色页岩的黏土矿物质量分数为37.4%～48.3%（董大忠等，2010）。可见不同地区或同一地区不同层位页岩的黏土矿物组成与质量分数差异较大，而黏土矿物的差异将会造成明显的页岩储层性质的差异。图1.1显示了页岩中黏土矿物在场发射扫描电镜下的特征。 黏土矿物对页岩储层孔隙发育具有较显著的影响。通过对黏土质页岩研究发现，黏土矿物粒间和粒内均会存在大量的纳米级孔隙（Fishman et al.，2012；Loucks et al.，2012）。在成岩过程中，黏土矿物的机械化学稳定性较差，既容易发生物理变形，又可以发生化学转化，是产生各种无机孔缝的主要载体。在扫描电镜下可观察到与黏土矿物有关的孔隙类型如下。①黏土矿物形成的微裂隙（孔）。例如，蒙皂石向伊利石转化，伴随体积减小而产生微孔隙，可构成部分页岩储层的储渗空间[图1.2（a）～（c）]。②由絮状作用沉积形成的孔隙。絮凝物是沉入海水富含离子的块状静电荷黏土碎片，是黏土类孔隙的典型代表。絮凝物可形成边-面或边-边方位的单个纸房状结构与面-面方位连成的网络结构。③黏土矿物具有较高的塑性，随着温度压力的增加黏土矿物片发生破碎、扭曲变形，从而在黏土聚合体之间形成孔隙[图1.2（d）]。④黏土矿物与其他矿物相互接触时，由于硬度和韧度不同所形成的粒间孔。这些孔隙的大小一般都在微米至纳米级，为页岩中游离气提供了储存空间，同时也是页岩气运移的主要通道。此外，由氮气和二氧化碳吸附实验可知，黏土矿物层内部还存在大量连通的微孔隙（<50 nm），构成了一定的气体吸附空间（武景淑等，2012；蒋裕强等，2010）。Ross 和Bustin（2009）通过分析页岩组成和孔隙结构对天然气吸附的影响，认为吸附态的甲烷主要赋存于有机质和黏土矿物产生的中-微孔隙中。 图1.1 页岩黏土矿物组分镜下特征 图1.2 与黏土矿物有关的孔隙（湖南牛蹄塘组黑色页岩）（范二平等，2013） 同时黏土矿物的富集程度也影响着页岩储层的水力压裂改造。黏土矿物相对于硅质、钙质矿物具有较强的比表面积和表面自由能，可塑性和吸水膨胀性较强，外来流体侵入地层后会发生敏感性物理或化学反应，在一定程度上抑制压裂，影响人工造缝，不利于页岩气的水力压裂开采。 1.1.2 石英 页岩中常含有大量的硅质成分，常表现为不同形态特征的石英，一部分是来源于盆地内部或者盆地外部的碎屑石英，另一部分是页岩中的自生石英。通过镜下观察发现鄂西渝东地区五峰组—龙马溪组页岩的石英主要呈纹层状[图1.3（a）]、分散状[图1.3（b）]、斑状或类球状等碎屑颗粒形态分布[图1.3（c）～（e）]，颗粒间大多充填了暗色或黑色的沥青。页岩高分辨率扫描电镜观察发现了不同形态的石英集合体，石英颗粒的大小差异较为明显，颗粒边缘全部或局部可见被溶蚀作用形成的不规则港湾状，也有部分石英颗粒被方解石或者白云石交代[图1.3（f）]。Milliken 等（2016）采用X 射线扫描对Si、Ca、Al、Mg 进行元素分析，并结合电子显微镜成像合成了“元素和形貌”的双通道图像。基于该图像观察了美国Eagle Ford 页岩基质分散自生微石英的镜下形态（图1.4）。 图1.3 鄂西渝东地区五峰组—龙马溪组页岩石英颗粒镜下特征（杨锐，2018） 图1.4 Eagle Ford 页岩基质分散自生微石英照片（Milliken et al.，2016）红色部分代表石英颗粒 细粒沉积物在沉积作用过程中能够保留大量的孔隙（～80%）（Velde，1996），这些孔隙以原始的粒间孔和粒内孔的形式存在（Loucks et al.，2012；Desbois et al.，2009）。而在埋藏作用早期，大多数原始孔隙会在压实作用过程中被破坏（Pommer and Milliken，2015；Loucks et al.，2012；Mondol et al.，2007；Velde，1996）。石英等脆性矿物的堆积将以骨架的形式支撑保存部分原始粒间孔和粒内孔（Pommer and Milliken，2015；Milliken and Reed，2010；Desbois et al.，2009）。此外通过溶解作用，析出的硅质将在原始孔隙中再沉淀或重结晶形成不规则的石英微晶的堆积体或者隐晶质石英（Williams and Crerar，1985），这也破坏了原始孔隙，但同样作为脆性的骨架保存了孔隙的内部结构，限制了挤压作用对孔隙的影响，所以在石英微晶的堆积体中有大量的孔隙空间。图1.5展示了四川盆地五峰组—龙马溪组页岩中与石英有关的孔隙发育类型。在生油窗阶段充填油和沥青，石英微晶堆积体内压缩的孔隙空间控制了运移有机质的分布空间和范围。另外，溶蚀孔及石英晶间孔也会增加一定的赋存空间。脆性矿物诱导孔隙和裂缝的形成增加了页岩储层孔隙度及渗透率。 图1.5 四川盆地五峰组－龙马溪组页岩中与石英有关的孔隙发育类型（李凯强，2018） 1.1.3 长石 页岩中长石主要包括钾长石和斜长石。在中国南方海相龙马溪组页岩中钾长石质量 分数一般低于5%，平均质量分数约为2.5%；斜长石质量分数为1.0%～10%，平均值约为7.0%。镜下观察发现长石偶见零散不均匀分布，主要为半自形或他形颗粒，颗粒大小介于5～10μm，部分长石被碳酸盐矿物交代。图1.6显示了长石矿物的镜下特征。 钾长石溶蚀过程往往与黏土矿物的转化有一定的关系，因为伊利石的形成需要消耗一定量的钾元素，从而能促进钾长石颗粒发生溶蚀作用。通过对Barney Creek 组页岩研究发现，在低成熟度页岩中页岩基质包含了大量化学未成熟粉砂大小的钾长石，随着成熟度的提高烃类生产过程中释放的有机酸会对长石进行溶解，从而形成大量的次生孔隙（图1.7）（Baruch et al.，2015）。然而，次生孔隙以中孔和大孔的形式出现在随机分布的晶粒中，这表明有机酸影响的范围有限（Taylor et al.，2010）。