过成熟页岩在半封闭热模拟实验中孔隙结构的演化特征

为研究过熟页岩孔隙结构的演化规律及控制因素,选用上扬子寒武系牛蹄塘组和志留系龙马溪组2套过熟页岩开展热模拟实验,结合X-衍射、氮气和二氧化碳吸附以及扫描电镜研究其孔隙结构的演化特征.龙马溪组样品孔体积在500℃时得到最大提高,为原样的1.35倍; 牛蹄塘组样品孔体积在450℃时上升为最高,较原样提高到1.13倍.利用吸附数据计算出牛蹄塘组样品微孔体积是龙马溪组样品的1.72倍,龙马溪组中孔体积是牛蹄塘组样品的1.44倍.结果表明:（1）牛蹄塘组页岩有机质生烃潜力弱且原始微孔体积高,生烃量少又不易排出,孔隙结构改善较差; （2）龙马溪组页岩石英含量较高抗压能力较强,利于中-大孔隙的发育与保存,也有利于烃类生成后排出,孔体积得到较大提高.      

过成熟页岩孔隙结构变化的石英管热模拟研究

对上扬子区寒武系牛蹄塘组和志留系龙马溪组两套过成熟页岩开展了系列温度点石英管热模拟实验,在应用氦孔隙度测试法、高压压汞实验和氮气吸附法等测试技术分析模拟样品孔隙结构参数的基础上,研究了页岩孔隙结构随温度的变化特征。结果表明:(1)两组页岩孔隙度、成熟度随热模拟温度的升高有增加的趋势,热模拟后牛蹄塘组页岩孔隙度变化范围介于4.2%?12.2%之间,成熟度介于3.04%?3.46%之间,龙马溪组页岩孔隙度介于5.8%?11.1%之间,成熟度介于2.87%?3.38%之间。页岩孔容的增加主要源于介孔、矿物微裂缝以及基质微裂缝的显著增多;(2)牛蹄塘组页岩热模拟后孔体积和比表面积变化范围分别为0.0031?0.031 cm~3/g和0.47?2.93 m~2/g,而龙马溪组页岩的变化范围分别为0.015?0.054 cm~3/g和3.62?13.93 m~2/g;两组页岩原样的比表面积均来自孔径小于10 nm的纳米孔的贡献,而热模拟后的页岩比表面积则主要来自大于10 nm的孔隙贡献。(3)热模拟后的牛蹄塘组页岩和龙马溪组页岩比表面积与有机碳(TOC)含量减少量成一定的正相关性,与脆性矿物变化量和黏土矿物含量之间的相关性较小,显示比表面积的变化主要与有机质热演化导致的有机纳米孔的增加有关,而黏土矿物在过成熟阶段趋于稳定,对比表面积变化影响较小。     

下扬子地区牛蹄塘组和五峰组—龙马溪组页岩孔隙结构特征的差异性分析

页岩气体主要以游离态和吸附态存在于页岩储层中,页岩的孔隙结构决定着页岩的吸附和渗流特性,页岩孔隙结构特征包括孔隙的大小、体积、比表面积、形状、连通性和空间分布等,这些特征对页岩气的富集具有重要的影响。因此,研究页岩储层的孔隙结构对于页岩的含气性评价和勘探开发具有十分重要的意义。利用场发射扫描电镜对样品进行观察,定性分析孔隙结构特征。利用压汞实验、低温气体(N2、CO2)吸附实验,结合定性与定量表征手段,分析下扬子地区下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组2套富有机质页岩孔隙结构特征的差异。从扫描电镜观察结果来看五峰组—龙马溪组页岩内的孔隙主要发育在有机质网络内,有机质孔隙相互连通。根据页岩的N2吸附脱附曲线形态也可以发现五峰组—龙马溪组页岩等温线的滞后环较大,在相对压力为0.4~0.5可以看到拐点,说明对应的孔隙以两端开放的管状孔和平行壁的狭缝状孔为主,孔隙连通性好,有利于气体的渗流。从扫描电镜中观察到牛蹄塘组页岩中的孔隙主要由粒间孔隙和有机质孔隙组成。粒间孔隙相对较大,但数量较少,彼此之间互不连通;有机质孔隙相对较小,呈圆球状,孔隙直径集中在几到几十纳米之间。根据其等温线上滞后环狭小,拐点不明显,说明也页岩中发育有单边封闭的盲孔,孔隙孔道堵塞,形成盲孔。根据压汞实验、低温气体吸附实验的数据可得出牛蹄塘组页岩的总孔体积与总比表面积均大于五峰—龙马溪组页岩。可是分别从微孔、介孔和宏孔来看,牛蹄塘组页岩只有微孔的孔体积与比表面积大于五峰—龙马溪组页岩,而介孔与宏孔范围内的孔体积与比表面积均小于五峰—龙马溪组页岩,说明牛蹄塘组页岩微孔更加发育,空隙间的连通性较差,气体容易保存却难渗流;龙马溪组的孔隙连通性更好,有利于页岩气的开发。     

页岩组分对五峰-龙马溪组与牛蹄塘组页岩孔隙发育差异的影响——以渝东南焦页1井与湘西北慈页1井为例

根据页岩样品不同孔径范围的累计孔体积与累计比表面积,结合焦页1井五峰-龙马溪组与慈页1井牛蹄塘组页岩样品的地球化学参数与岩样各矿物组分百分含量,分析页岩组分对两套地层孔隙发育差异的影响.结果显示,TOC与微孔呈正相关关系,表明有机质微孔对页岩孔隙发育提供了一定的贡献,五峰-龙马溪组页岩较牛蹄塘组更为发育有机质微孔.石英、黄铁矿含量与微孔的正相关关系表明,矿物支撑的原生孔与发育的边缘孔为页岩孔隙发育提供了有利贡献.石英与中孔、大孔的不同相关性表明石英根据其生物成因贡献的石英含量对中孔、大孔的保护程度不一.黄铁矿含量与大孔的正相关关系表明黄铁矿可以根据其含量的多寡为大孔提供一定程度的保护,长石与孔隙的负相关关系表明其对孔隙的支撑作用受到了压实作用、复杂构造的影响而不明显.碳酸盐矿物与孔隙的相关性不明显表示基于其较弱刚性、不稳的化学性质与较低含量未对孔隙发育产生明显影响.五峰-龙马溪组页岩较高的刚性矿物含量对储层矿物粒间孔、边缘孔等微孔与中孔、大孔的发育起到了较牛蹄塘组更为有利的影响.黏土矿物与微孔、中孔的负相关关系表明在较强压实作用下黏土矿物间孔隙易收缩,对储层孔隙发育产生不利影响,表明牛蹄塘组经历的更深历史埋藏对牛蹄塘组黏土矿物间孔隙发育起到了更加不利的影响.     

黔西北寒武系牛蹄塘组与志留系龙马溪组页岩生烃和储集能力差异分析

以黔西北牛蹄塘组和龙马溪组页岩为研究对象,在对钻井岩心样品进行有机地球化学和储层分析实验的基础上,对牛蹄塘组和龙马溪组页岩气成藏条件进行了对比。牛蹄塘组和龙马溪组原始TOC分别为8.68%～10.50%和0.60%～9.45%,原始生烃潜量分别为62.77～75.20 mg/g和4.44～69.70 mg/g,演化至成熟时平均产气量分别为93.35 cm3/g和58.58 cm3/g,证明了牛蹄塘组页岩原始生烃能力远好于龙马溪组页岩。牛蹄塘组和龙马溪组页岩最大吸附气含量分别为1.81～9.07m3/t和2.24～2.49 m3/t,孔隙大小主要分布在3.48～3.65 nm范围内,牛蹄塘组页岩总孔体积和比表面积总体上小于龙马溪组页岩。综合研究认为:牛蹄塘组页岩与龙马溪组页岩相比,更有利于富集吸附态天然气,但牛蹄塘组页岩天然气生成时期早、演化时间长,导致大部分天然气散失,加之页岩孔隙度降低也导致游离气富集能力下降,最终使得牛蹄塘组页岩气成藏能力弱于龙马溪组。     

扬子地区下寒武统与下志留统黑色页岩孔隙度与有机碳关系差异性及原因

下寒武统牛蹄塘组与下志留统龙马溪组页岩是扬子地区发育的两套富有机质黑色页岩,由于其分布面积广、厚度大、有机质丰度高而成为页岩气勘探的重点层位.然而牛蹄塘组孔隙度表现出了与龙马溪组截然不同的规律,两套页岩的孔隙结构、有机碳含量、密度也存在显著差异.结合测井、埋深（上覆压力）、孔隙度、有机碳及成熟度测试数据进行了对比分析.结果显示,牛蹄塘组过高的有机碳含量和热演化程度严重影响了页岩的孔隙结构,使有机质碳化,有机质孔发生坍塌和充填;牛蹄塘组埋深大、上覆压力也大,导致无机孔被压实,因此其总孔隙度明显小于龙马溪组.      

贵州丹寨南皋下寒武统牛蹄塘组黑色页岩孔隙结构特征

页岩孔隙结构特征研究对页岩含气性评价具有重要意义。以上扬子东南缘南皋剖面下寒武统牛蹄塘组页岩储层为例,应用场发射环境扫描电子显微镜观察了页岩纳米级孔隙微观形态,通过低温氮气吸附法测定了页岩的氮气吸附等温线,并结合X-衍射矿物定量分析和有机碳含量测定,探讨了纳米级孔隙发育的控制因素。研究结果表明:矿物成分主要为黏土矿物(伊利石和少量绿泥石)、石英、长石、重晶石和石膏等。石英含量相对较高且沿剖面向上降低,wB平均为53%;相反,黏土矿物含量较低且沿剖面向上增加,wB平均为34%;碳酸盐矿物较少,仅在顶部可见。页岩主要发育粒内孔、粒间孔、裂缝和有机质孔4种孔隙类型,其中前两者较为常见。根据氮气吸附-脱附曲线、孔径分布特征、孔体积和比表面积可将样品划分为4类黑色页岩,孔隙以似片状颗粒组成的非刚性聚合物的槽状孔为主,前3类黑色页岩的孔径分布呈双峰形态,第4类黑色页岩的孔径分布呈单峰形态,最可几孔径分别为d≈0.9nm和d≈3.5nm。孔体积在0.002 8~0.024 3cm3/g之间,平均为0.014 7cm3/g,比表面积在1.056 8~28.825 0m2/g之间,平均为17.541 8m2/g,4类黑色页岩微孔频率分布依次减小,而介孔和宏孔频率分布逐渐增加,即微孔性逐渐变差,至第4类黑色页岩几乎只有宏孔孔隙。有机质丰度和矿物组分控制丹寨南皋牛蹄塘组黑色页岩的孔隙发育,其中有机质有利于孔隙发育且有机质微孔是孔体积和比表面积的主要贡献者;石英有利于孔隙发育,而黏土矿物则降低黑色页岩的孔隙性;它们均主要通过控制微孔和介孔的发育来控制黑色页岩的孔隙发育。     

渝东北下寒武统牛蹄塘组页岩微纳米孔隙结构特征

中国南方下寒武统牛蹄塘组页岩是目前页岩气勘探的主要目的层位之一,然而在渝东北地区其勘探效果不尽如人意,原因在于其孔隙结构特征并未清楚.采用聚焦离子束扫描电子显微镜、纳米C和气体吸附实验等方法对渝东北地区下寒武统牛蹄塘组页岩微纳米孔隙结构进行了定量表征.结果表明,牛蹄塘组页岩的微纳米孔隙类型主要为无机质孔隙,包括粒间孔和粒内孔,而N₂吸附滞后环类型属于4型,对应孔隙类型为单边狭缝型孔隙;牛蹄塘组页岩的平均总孔体积为0.0317mL/g,平均总比表面积为34.7m2/g.牛蹄塘组页岩过高的演化程度导致有机质孔隙不发育,进而导致其微纳米孔隙具有较差的连通性;中孔贡献了绝大部分的孔体积,而微孔则贡献了相对较多的比表面积.      

页岩储层孔隙结构多尺度定性-定量综合表征:以上扬子海相龙马溪组为例

为了深入研究下古生界海相页岩储层微观孔隙特征及其发育控制因素,本文采用多种孔隙表征及基础地化参数研究手段,实现了对孔隙特征从电镜下直观的形貌观察到对孔隙结构的宏孔-微孔全尺度定量测试,并结合样品地球化学参数和矿物组成探讨了页岩孔隙发育的控制因素。研究结果表明:海相龙马溪组页岩普遍发育有机质孔、粒间孔、粒内孔以及微裂缝等4种微观孔隙类型。其中以有机质孔和黏土矿物集合体粒间孔最为发育;联合高压压汞、低温液氮和二氧化碳吸附实验表明孔径分布曲线呈多峰态,总体孔径以小于50nm为主,表现为介孔和微孔为主,形态多为细颈广体的墨水瓶孔和四周开放的平行板状的狭缝型孔,页岩孔隙孔体积主要有微孔和宏孔贡献,而比表面积主要由小于5nm孔径的微孔-介孔贡献;泥页岩总有机碳(TOC)含量和主要矿物是控制孔隙大小的关键因素,其中TOC含量控制着页岩微孔与宏孔的发育,而黏土矿物与脆性矿物分别对介孔和宏孔有着积极的影响。     

贵州凤冈地区早寒武世牛蹄塘组页岩孔隙结构特征

利用扫描电子显微镜观测、低温液氮实验、CO₂吸附实验及高压压汞实验等分析手段,对贵州凤冈地区早寒武世牛蹄塘组页岩钻孔岩心最优孔隙段进行了综合分析。牛蹄塘组页岩各种孔隙发育较齐全,连通性好,是良好的页岩气储集层。微孔及纳米级孔隙发育,孔隙形态为墨水瓶孔、圆锥状等无定型态孔隙,为吸附气提供了较大的比表面积;有机质孔、粒内孔、晶间孔、粒间孔较发育,连通性好,孔径多数为100 nm~5 μm;大孔（>1 000 nm）连通性好,有利于气体解吸、扩散及渗透,具有较大的孔隙体积和比表面积,为气体提供了较好的吸附空间。     

The effects of clay minerals and organic matter on nanoscale pores in Lower Paleozoic shale gas reservoirs,Guizhou, China

In organic-rich gas shales, clay minerals and organic matter (OM) have significant influences on the origin, preservation, and production of shale gas. Because of the substantial role of nanoscale pores in the generation, storage, and seepage of shale gas, we examined the effects of clay minerals and OM on nanoscale pore distribution characteristics in Lower Paleozoic shale gas reservoirs. Using the Niutitang and Longmaxi shales as examples, we determined the effects of clay minerals and OM on pores through sedimentation experiments. Field emission–scanning electron microscopy combined with low-pressure N₂ adsorption of the samples before and after sedimentation showed significant differences in pore location and pore size distribution between the Niutitang and Longmaxi shales. Nanoscale pores mostly existed in OM in the Longmaxi shale and in clay minerals or OM–clay composites in the Niutitang shale. The distribution differences were attributed largely to variability in thermal evolution and tectonic development and might account for the difference in gas-bearing capacity between the Niutitang and Longmaxi reservoirs. In the nanoscale range, mesopores accounted for 61–76% of total nanoscale pore volume. Considerably developed nanoscale pores in OM were distributed in a broad size range in the Longmaxi shale, which led to good pore connectivity and gas production. Numerous narrow pores (i.e., pores?<?20 nm) in OM–clay composites were found in the Niutitang shale, and might account for this shale’s poor pore connectivity and low gas production efficiency. Enhancing the connectivity of the mesopores (especially pores?<?20 nm and those developed in OM–clay composites) might be the key to improving development of the Niutitang shale. The findings provide new insight into the formation and evolutionary mechanism of nanoscale pores developed in OM and clay minerals.     

湘西北下古生界海相页岩储层特征与含气性分析

基于野外地质和钻井资料,结合相关实验测试结果,对湘西北地区下古生界海相页岩储层特征进行了深入研究,并探讨了页岩甲烷含气性及影响因素。结果表明：牛蹄塘组黑色页岩以深水陆棚斜坡相沉积为主,厚度范围为50~250 m;龙马溪组为闭塞海湾沉积,底部黑色页岩发育。两组页岩有机质类型均属于Ⅰ型,有机碳含量平均为3.57%和1.16%,热演化程度较高,平均达2.61%和2.08%。受沉积环境和成岩作用影响,两组页岩均具有高石英、低黏土、少量碳酸盐矿物的组成特征。页岩储集空间可划分为3大类：矿物基质孔、有机质孔、微裂缝。受有机质和黏土矿物等因素影响,页岩内部孔隙结构参数各不同,但主体上孔径小于50 nm的微孔和中孔提供了大部分比表面积和孔体积,为气体存储主要场所。牛蹄塘组页岩甲烷最大吸附量平均为1.98 cm3/g;龙马溪组页岩甲烷最大吸附量较低,为1.16 cm3/g。其中有机质与黏土矿物对页岩甲烷吸附量均有一定的贡献,而过高的成熟度和含水量可导致页岩吸附能力下降。     

川南地区筇竹寺组页岩微观孔隙结构特征及其影响因素

页岩微观孔隙结构是影响页岩气储层储集能力的重要因素。为评价川南地区下寒武统筇竹寺组页岩性质,基于井下 岩心样品、钻井资料,运用普通扫描电镜和氩离子抛光-场发射扫描电镜观测、Image J2x软件分析、低温CO2和N2 吸附、 高压压汞实验方法,对川南地区筇竹寺组页岩气微观孔隙成因类型、孔隙结构特征及其影响因素进行了研究。研究结果表 明,川南地区下寒武统筇竹寺组页岩孔隙度为0.25%~5.80%,平均为2.49%;发育多种成因类型微观孔隙,以粒间孔为 主,粒内孔、有机质孔和微裂缝次之,页岩微观孔隙总面孔率为3.58%~5.92%;川南地区筇竹寺组页岩总孔容为（2.86~ 12.55）×10-3 mL/g,总比表面积为2.727~21.992 m2/g,孔径主要分布于0.30~1.00 nm、2.5~4.7 nm和55~70 nm这三个区间,微 孔（<2 nm）和介孔（2~50 nm）是筇竹寺组页岩气储集空间的主体,孔隙结构形态主要为圆孔、楔形孔、平板狭缝型孔和混合 型孔结构。页岩孔隙度及总比表面积与TOC、脆性矿物含量呈正相关关系,页岩微孔孔容及比表面积与TOC呈正相关关 系,页岩孔隙度、总孔容及总比表面积与R0、粘土矿物含量呈负相关关系。     

川东南彭水地区五峰组-龙马溪组页岩孔隙结构及差异性

页岩孔隙结构及差异性是页岩含气性和产能评价的基础性问题.针对川东南彭水地区五峰组与龙马溪组页岩的孔隙结构已有若干研究成果,然而在页岩孔隙结构差异性和有机孔定量特征方面还缺乏研究.利用低温低压氮气吸附测定和氩离子抛光-场发射扫描电镜（FE-EM）技术,对页岩样品纳米孔隙进行了二维观察与统计以及分形特征计算,研究了3nm至几百nm页岩孔径范围的孔隙结构及其差异性.研究区五峰组-龙马溪组页岩有机孔十分发育;氮气吸附测定页岩孔隙形状包含开放型圆筒状、层状结构狭缝状和墨水瓶状等;扫描电镜观察有机孔形态主要有近圆形、椭圆形和多角形等.五峰组和龙马溪组页岩孔隙结构具有明显的差异性,主要体现在孔径大小、形态和数量上.氮气吸附测定表明,五峰组页岩孔隙比表面积和总孔容较龙马溪组大,微孔所占总孔的比例也较高;五峰组页岩孔径相对龙马溪组更细窄.扫描电镜二维图像观察与统计结果表明,五峰组有机孔径以小于3nm为主,形态以多角形为主;龙马溪组有机孔径以小于0nm为主,形态多呈近圆形和椭圆形.五峰组页岩的分形维值大于龙马溪组页岩,说明前者孔隙复杂程度较高.      

滇东地区马龙区块筇竹寺组海相页岩储层特征及对比研究

利用最新钻探的马页1井的井下资料和大量岩心样品的测试分析数据,并结合野外地质调查资料,从富有机质页岩的有机地化、矿物组分、储集特性和裂缝特征等方面,系统地研究了滇东地区马龙区块下寒武统筇竹寺组黑色页岩的储层特征。研究区筇竹寺组黑色页岩有机碳丰度较高,TOC含量普遍大于2%;由于筇竹寺组地层较老,黑色页岩的有机质均处于高成熟过成熟阶段;黑色页岩的矿物组分主要为碎屑矿物、碳酸盐矿物和黏土矿物。脆性矿物含量较高,脆性指数平均值为0.62。黏土矿物主要以伊利石为主,其次为伊蒙混层和绿泥石,高岭石含量较低;该区筇竹寺组页岩的孔、渗较低,孔隙类型复杂多样,主要包括“墨水瓶”孔、板状孔和狭缝型孔。页岩主要发育纳米级中孔,且比表面积和总孔体积偏小,平均值分别为9.18 m2/g和10.38×10-3cm3/g;储层裂缝以高角度缝为主,上部碳质页岩裂缝发育,下部粉砂质页岩裂缝不发育。有机碳含量和脆性矿物含量促进了页岩裂缝的发育;与国内外典型海相页岩储层对比,滇东地区马龙区块筇竹寺组页岩以粉砂质页岩为主,碳质页岩层较薄,而Fort Worth盆地Barnett页岩、焦石坝地区龙马溪组页岩和岑巩区块牛蹄塘组页岩主要为硅质页岩和碳质页岩,筇竹寺组页岩的岩相与这3组海相页岩相比较差;筇竹寺组页岩有机碳含量低于其他3组海相页岩,有机质丰度中等;筇竹寺组页岩脆性矿物含量与龙马溪组页岩相当,稍低于牛蹄塘组页岩,脆性较好;Barnett页岩和龙马溪组页岩无论在储集物性上还是有机质孔隙发育程度上都要优于筇竹寺组页岩和牛蹄塘组页岩,筇竹寺组页岩有机质孔隙主要发育于有机质与黏土的混合物中;筇竹寺组页岩裂缝发育程度低于Barnett页岩、龙马溪组页岩和牛蹄塘组页岩。此外,筇竹寺组页岩含气量低于其他3组海相页岩,但吸附能力较强。     

Controlling Factors of Organic Nanopore Development: A Case Study on Marine Shale in the Middle and Upper Yangtze Region,South China

The Upper Ordovician Wufeng-Lower Silurian Longmaxi and the Lower Cambrian Qiongzhusi shales are the major targets for shale gas exploration and development in China. Although the two organic-rich shales share similar distribution ranges and thicknesses, they exhibit substantially different exploration and development results. This work analyzed the nanopore structures of the shale reservoirs in this region. Pore development of 51 shale samples collected from various formations and locations was compared using the petromineralogical, geochemical, structural geological and reservoir geological methods. The results indicate that the reservoir space in these shales is dominated by organic pores and the total pore volume of micropores, mesopores, macropores in different tectonic areas and formations show different trends with the increase of TOC. It is suggested that organic pores of shale can be well preserved in areas with simple structure and suitable preservation conditions, and the shale with smaller maximum ancient burial depth and later hydrocarbon-generation-end-time is also more conducive to pore preservation. Organic pore evolution models are established, and they are as follows: ① Organic matter pore development stage, ② Early stage of organic matter pore destruction, and ③ late stage of organic matter pore destruction. The areas conducive to pore development are favorable for shale gas development. Research results can effectively guide the optimization and evaluation of favorable areas of shale gas.