页岩有机-无机复合型孔隙及其控气作用——以川西南地区筇竹寺组为例

以川西南地区寒武系筇竹寺组页岩为例,应用岩石薄片鉴定、矿物X射线衍射、压汞-吸附联合测定、氦气孔隙度测试、氩离子抛光-扫描电镜观察及页岩气储层测井定量表征等多种技术方法,开展页岩孔隙结构、类型及特征研究,探讨了有机-无机复合型连通孔隙系统的形成机制及其对页岩气富集的控制作用。研究结果表明:(1)研究区筇竹寺组富有机质页岩孔隙以介孔和微孔为主,其次为大孔;(2)页岩孔隙类型以粒(晶)间孔、黏土矿物层间孔为主,多呈三角形、多边形及狭缝形;其次为有机黏土复合体内的有机质孔,多呈不规则形;(3)富有机质页岩具备发育有机-无机复合型连通孔隙系统的条件,有机质孔和无机矿物孔的复合提高了页岩储集能力,控制了页岩气的富集。     

渝东五峰组-龙马溪组页岩矿物成分与孔隙特征分析

页岩的矿物成分和孔隙特征对页岩气成藏和开采具有重要意义。四川盆地渝东石柱县打风坳地区五峰组-龙马溪组富有机质页岩广泛发育,应用X射线衍射技术对其矿物成分特征进行研究,发现五峰组-龙马溪组页岩矿物成分包含石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿、伊利石、伊/蒙混层和绿泥石。脆性矿物含量(50%)和黏土矿物组合特征表明五峰组-龙马溪组是宜于页岩气形成与开采的有利层位。应用氩离子抛光-扫描电镜方法对页岩微纳孔隙特征展开研究,发现无机孔、微裂缝和有机孔3种孔隙类型。无机孔主要包括粒间孔、黄铁矿晶间孔、黏土矿物层间孔和溶蚀孔,孔径数百纳米至数微米;微裂缝包括构造裂缝和解理缝,缝长集中于3~10μm,缝宽数百纳米。有机孔主要发育在有机质内部,呈片麻状或蜂窝状,孔径30~200 nm,连通性较好。总体而言,五峰组页岩中最主要的孔隙类型是溶蚀孔,龙马溪组页岩中主要发育粒间孔和有机孔。     

川渝地区龙马溪组页岩孔隙结构演化研究

页岩储层孔隙结构是影响页岩气赋存形式和流动行为的关键因素,有关孔隙结构演化的研究受到越来越多的关注.利用低压氮气吸附、脱附实验分析了不同成熟度龙马溪组页岩地质实际样品的孔隙结构特征.结果表明:随着热成熟度的升高,龙马溪组页岩氮气吸附脱附曲线迟滞环形态由H3型向H2型演变,这说明龙马溪组页岩在成熟阶段以黏土矿物有关的狭缝形孔隙为主、有机质孔不发育的孔隙结构,逐渐转变为过成熟阶段由狭缝形孔和圆柱形孔等不同形态和孔径的多种孔隙类型(有机质孔和矿物基质孔)所构成的具复杂网络效应的孔隙结构(墨水瓶结构).有机质孔隙的形成与发育导致不同成熟度的龙马溪组页岩在孔隙体积、比表面积和孔径分布上存在显著的差异,造成孔隙结构的转变.影响页岩孔隙结构的因素包括成熟度、总有机碳(TOC)含量和矿物组成,其中TOC含量和成熟度共同控制页岩孔隙发育,TOC含量控制页岩孔隙发育程度,成熟度决定页岩孔隙发育阶段,矿物组成对孔隙结构的影响居次要位置.基于以上研究,海相Ⅰ～Ⅱ型富有机质页岩孔隙演化可大致划分为三个阶段:原生孔隙压实和次生孔隙开始形成阶段(Ro,V<2.0％)、次生孔隙大量发育阶段(2.0％≤Ro,V<3.6％)和孔隙消亡阶段(Ro,V≥3.6％).     

松辽盆地嫩江组富有机质页岩有机孔隙成因

热演化程度是影响页岩有机质孔隙形成演化的重要因素,松辽盆地南部辉绿岩侵入到嫩江组富有机质页岩中,为研究页岩有机孔隙特征提供了天然实验室。通过氩离子抛光和扫描电镜等实验方法,初步探讨了研究区低熟富有机质页岩有机孔隙的特征及其成因:有机孔隙孔径范围为30～500 nm,主峰位于70～130 nm,以大孔为主,孔隙形状主要为圆形或次圆形,呈海绵状聚集分布;页岩样品中的石英和长石等无机矿物呈点接触,发育大量无机孔隙,无机矿物处于早成岩阶段,但岩浆侵入作用促使有机质进入高热演化阶段并形成大量有机孔隙。国内外典型页岩储层的对比表明,压实作用对页岩有机孔隙发育特征有着重要影响,早成岩阶段压实作用较弱,有机孔隙保存较好,大孔的数量和比例较高;中-晚成岩阶段由于埋深较大,强烈的压实作用使页岩孔隙由大孔向中孔和微孔转化。     

渝东南—黔北地区牛蹄塘组页岩微-纳米级孔隙发育特征及主控因素分析

以渝东南-黔北地区牛蹄塘组页岩岩心及野外新鲜露头样品为研究对象,运用低温液氮吸附实验和氩离子抛光扫描电镜观察,划分页岩微纳米级孔隙类型,并对其发育程度和形态结构进行定量表征,结合页岩样品地球化学测试数据,明确页岩微观孔隙发育主控因素,试图建立微纳米级孔隙发育程度与主控因素定性或半定量关系。结果表明：研究区牛蹄塘组页岩微纳米级孔隙分为有机孔、无机孔和微裂缝3大类,包括7个亚类。有机质粒内孔结构特征为球状、细瓶颈状和墨水瓶状,无机孔主要为串珠状、球状和楔状,微裂缝呈四方开口的平行板状、夹板状。有机质粒内孔、矿物粒间孔和微裂缝为主要孔隙类型,且具有较好连通性,可作为页岩气赋存空间和渗流通道。页岩孔隙以中孔为主,其次为宏孔,孔隙直径分布范围主要在1~50 nm。比表面积主要由孔径≤5 nm孔隙所提供,页岩孔隙孔径越小,对比表面积贡献越大,越有利于页岩气吸附聚集,随着孔隙体积的增加,比表面积不断增加。有机碳含量是控制页岩微纳米级孔隙发育和比表面积的最重要内因,特别体现在对微孔和中孔发育的控制上;黏土矿物含量增加能增强页岩吸附能力,但对孔隙体积和比表面积主控作用不明显;脆性矿物含量主要控制宏孔发育,对页岩吸附的贡献可以忽略;热演化程度过低或过高均不利于有机质孔隙的发育,微纳米孔隙体积随着成熟度增加呈现出先增后减的趋势,对于高过成熟页岩,不同干酪根类型的有机质孔隙发育程度和比表面积大小次序为Ⅰ型＞Ⅱ型＞Ⅲ型。     

滇东北龙马溪组页岩储层微观孔隙特征研究

基于扫描电镜、氮气吸附实验、高压压汞实验等方法,研究滇东北龙马溪组页岩储层孔隙类型、微孔形态、连通性、孔径分布及比表面积等微观孔隙特征。结果表明：主要发育有机质生烃孔、粒内孔、粒间孔及微裂缝等5种孔隙类型,其中有机质生烃孔和矿物粒间孔最发育;孔隙结构以两端开放圆柱形孔和平板孔等开放透气孔为主,含少量不透气孔影响页岩气渗流;孔径主要集中在过渡孔和微孔,贡献了大部分孔比表面积,为页岩储层的主要孔隙类型。     

应用氩离子抛光-扫描电镜方法研究四川九老洞组页岩微观孔隙特征

微观孔隙结构是页岩储层研究的重点,而扫描电镜方法无法识别机械抛光中由于页岩硬度差异所造成的不规则形貌。本文利用氩离子抛光-扫描电镜方法对四川威远区块九老洞组页岩进行研究,发现了三种孔隙类型:1无机孔以粒间孔和黏土矿物层间孔为主,同时发育晶间孔和生物孔,孔径主体100~500 nm;2有机孔受控于热成熟度或有机黏土复合体,孔径范围数十纳米至数微米;3微裂缝包括成岩收缩裂缝、高压碎裂缝、构造裂缝和人为裂缝,缝宽数微米,缝长数微米至数十微米。研究表明无机孔和微裂缝是九老洞组页岩气的主要储集空间。     

鄂尔多斯盆地陆相页岩微观孔隙类型及对页岩气储渗的影响

为深入研究鄂尔多斯陆相页岩储层微观孔隙特征及成藏地质意义,特选取了延长矿区本溪组、山西组、延长组长7、长9段的页岩钻井岩心进行了氩离子抛光扫描电镜实验、压汞实验、氦气吸脱附实验以及相关的地化等实验,实现了对孔隙特征从电镜下直观观察到吸脱附实验间接定性反映,以及对孔隙结构从宏孔到微孔的定量测试。研究结果表明,鄂尔多斯陆相页岩存在粒间孔、粒内孔、晶间孔、溶蚀孔、有机孔及微裂缝共6种微观孔隙类型。其中粒间孔、粒内孔普遍存在,且以黏土矿物聚合体粒间孔和层间粒内孔最为发育,粒间孔孔径多在微纳米级,粒内孔多在几十个纳米内;晶间孔和溶蚀孔仅少量存在于某些特定矿物中,孔径多为纳米级;有机孔相对不发育,以赋存于黏附结合态有机质中且呈凹坑状、片麻状有机孔为特征,孔径多在20nm以内;微裂缝少量存在,多为脆性矿物裂开缝或大型贯通式裂缝。另外,分析得出黏土矿物集合体粒间孔和层间粒内孔对研究区页岩气的赋存和运移贡献最大且是储层各向异性(渗透性)的主要控制因素,晶间孔及溶蚀孔次之;有机孔因相对不发育,可能贡献较小。同时微裂缝的影响不容忽视,是沟通宏孔与中孔的主要微通道。     

页岩热成熟过程中残余干酪根演化特征

用低熟的页岩样品进行半开放体系压机热模拟实验,研究页岩热演化过程中残余干酪根的赋存演化特征。实验结果表明页岩中残余干酪根可分为微米级粒间有机质、微米级粒内有机质和纳米级粒间有机质。不同赋存形式有机质的热演化特征不同,微米级残余干酪根在Ro,Easy值为0.82%时已发生热裂解,到Ro,Easy值为1.45%时,微米级粒间残余干酪根被消耗殆尽,微米级粒内残余干酪根仍有一定生烃潜力;而纳米级粒间残余干酪根在Ro,Easy值为1.45%时才开始热裂解,在Ro,Easy值为2.66%时,仍有部分干酪根残留在孔隙中。伴随有机质热裂解过程,页岩中矿物组成特征也发生变化,矿物溶蚀和再沉淀作用使得页岩矿物组成整体上沿着长英质矿物含量增加、碳酸盐矿物减少、黏土矿物含量基本不变的趋势演化。干酪根热裂解生烃使得其体积缩小,在干酪根和矿物之间形成收缩有机孔,随着热演化程度的升高,收缩有机孔的孔径逐渐变大,最后转变为矿物粒间孔/粒内孔。长石和碳酸盐矿物易发生溶蚀,成熟阶段,矿物溶蚀孔开始形成,在之后的演化阶段,溶蚀孔的发育程度逐渐变强。有机质孔的发育具有非均质性,温度(成熟度)是影响其发育的重要因素。     

沁水盆地榆社-武乡区块煤系页岩气储层特征评价

通过对沁水盆地榆社-武乡区块石炭-二叠系山西组-太原组富有机质泥页岩展布特征、地球化学特征以及储层特征进行分析认为,研究区富有机质泥页岩十分发育,连续性较好。TOC含量集中分布于1.5%~2.5%,干酪根以III型为主,热演化程度为高成熟—过成熟阶段,为好-优质的烃源岩。泥页岩矿物成分以黏土矿物和石英为主,黏土矿物主要为高岭石和伊蒙混层。页岩孔隙类型以黏土矿物粒间孔和有机质孔最为发育。泥页岩具有良好的吸附性能,页岩比表面积和孔隙体积有很好的正相关关系,表明研究区页岩具有较好的储集性能。优选的山西组-太原组页岩气有利区分布于研究区的北部及中部偏南一带,有利区内泥页岩累计厚度均在50m以上,TOC含量大于2%,构造较为简单,埋深适中,有利于页岩气的勘探与开发。     

页岩油气储层纵向多重非均质性及其对开发的影响

页岩油气作为烃源岩层系内自生自储的油气资源,其可开发性受页岩储层特征的控制明显。由于不同类型富有机质页岩形成环境的差异性,页岩油气储层在纵向上具有多重非均质性,包括岩性的纵向非均质性、储层物性的纵向非均质性、岩石力学参数的纵向非均质性、地应力的纵向非均质性以及含气性特征的纵向非均质性等,这造成了页岩油气储层的纵向非均质性明显强于横向非均质性,有机质丰度、孔隙度、渗透率、储层的可压裂性、地应力、含气性及吸游比等参数在纵向上的变化均较大,且直接影响了后期页岩油气开发方案的设计与实施。优质开发目的层段的选择首先要考虑单段页岩油气储层的连续厚度在30~50 m左右、有机碳含量均值达到2.0%以上、有效孔隙度大于2.0%、岩石泊松比小于0.25、脆性较大、最小主应力相对上下邻层较小、含气性较高的层段。页岩油气开发井型的选择,水平井段的部署,压裂分段的长短、射孔簇的设计等均要充分考虑这种非均质性的影响。     

东营凹陷泥页岩矿物组成及脆度分析

对东营凹陷泥页岩矿物组成、脆度进行了系统研究,并与北美页岩进行了对比。研究表明:东营凹陷沙三下和沙四上亚段泥页岩主要由黏土矿物、陆源碎屑矿物（主要指石英和长石）和自生非黏土矿物（主要指碳酸盐和黄铁矿）三部分组成;泥页岩黏土矿物含量平均只有25％左右,远低于海相泥岩和传统观点;石英含量平均为29%,远低于海相页岩;长石含量平均约5％,高于海相泥岩;自生的碳酸盐矿物含量较高,平均约37％;分析认为,陆相盆地面积较小、距物源区近以及相变快是导致研究区泥页岩矿物组成特征的主要原因。鉴于此,提出了新的脆度计算方法并计算了东营凹陷泥页岩的石英脆度、碳酸盐脆度和总脆度。对比发现,碳酸矿物盐含量与泥页岩脆度相关性较好,是影响泥页岩脆度的主要因素。最后指出:研究区泥页岩脆性较好,易于形成天然裂缝或被压裂,是页岩气潜在的有利储层。     

中牟页岩气区块泥页岩井壁稳定影响因素分析及技术对策

井壁失稳是钻井过程中常常遇见的难题之一,尤其在钻遇泥页岩井段。针对河南中牟页岩气区块在山西组-太原组泥页岩钻进过程中发生井壁坍塌掉块、卡钻、井径扩大率大等复杂情况,利用MY1井钻井岩心从泥页岩类型划分、孔渗特征、微观结构、岩石力学以及地应力等方面开展井壁稳定性影响因素实验分析。通过分析可知,中牟区块泥页岩属硬脆性泥页岩,造成井壁失稳的主要因素为地层非均质性强,岩石脆性程度较高,微裂缝发育,易导致井壁机械剥落、坍塌掉块。通过合理控制钻井液密度、优化井身结构及钻井参数、研发低自由水强封堵钻井液提高井壁稳定性,在区块钻井实践中取得了较好的应用效果,基本解决了井壁失稳难题。     

川东地区东岳庙段沉积环境演化及其页岩油气富集主控因素分析

川东地区下侏罗统自流井组东岳庙段富有机质泥页岩发育，且在局部地区已获工业页岩油气流，但尚未实现规模开发，其页岩油气富集机理研究滞后于生产实践。本文在野外调查和测试分析的基础上，对其沉积环境演化及页岩油气地质条件进行分析，并探讨其页岩油气富集主控因素，以期为实现东岳庙段页岩油气突破提供有益借鉴。结果显示：川东地区东岳庙段发育一个完整的水进水退沉积旋回，富有机质泥页岩主要发育于中部半深湖相，厚约15~30m，TOC平均为1.79%，以II型有机质为主，热演化程度较高，达凝析油—湿气阶段。以黏土矿物粒间孔和有机质孔为主，脆性矿物含量中等，脆性指数平均为62.1%。平均孔隙度为8.85%，而渗透率极低，均值仅0.239mD，呈现出“高孔低渗”特征，层内油气以侧向运移为主。其页岩油气的富集主要受富有机质泥页岩分布、热演化程度和裂缝发育条件的控制。推论垂向富有机质泥页岩连续发育的现今油气低势区是川东地区东岳庙段潜在的页岩油气高产区。     

吉林省桦甸油页岩中稀土元素和微量元素的研究

对桦甸油页岩及其灰渣的矿物成分、主量元素、稀土元素和微量元素含量进行测定。结果表明：油页岩中稀土元素含量低于北美页岩(NASC)中的平均含量,REE球粒陨石标准化的分布模式曲线表现为负斜率,(La/Yb)_N的平均值大于1,属于轻稀土富集型;REE北美页岩标准化的分布模式曲线较平缓,（La/Yb）_S的平均值接近于1,轻重稀土分馏不明显。与球粒陨石和北美页岩相比,Eu有较严重的正异常。油页岩中的微量元素与北美页岩和地壳的平均值相比较,Sb、Nb、Cs、Zn、Bi、W等元素具有较高的富集度。油页岩灰渣中稀土元素和微量元素富集度均高于油页岩。     

A Review on Shale Reservoirs as an Unconventional Play – The History, Technology Revolution, Importance to Oil and Gas Industry, and the Development Future

As a milestone of the entire energy industry, unconventional resources have inevitably swept the world in the last decade, and will certainly dominate the global oil and gas industry in the near future. Eventually, the “unconventional” will become “conventional”. Along with the rapid development, however, some issues have emerged, which are closely related to the viability of unconventional resources development. Under the current circumstances of low crude oil and gas price, coupled with the prominent environmental concerns, the arguments about the development and production of unconventional resources have been recently heated up. This work introduced the full-blown aspects of unconventional resources especially shale reservoirs, by discussing their concepts and definitions, reviewing the shale gas and shale oil development history and necessity, analyzing the shale plays’ geology and petroleum systems with respects to key hydrocarbon accumulation elements and mechanisms, and summarizing the technology resolution. This study also discussed the relevant key issues, including significant estimation uncertainty of technically recoverable resources, the equivocal understanding of complex geology preventing the production and technologies implementation optimization, the difficulties of experiences and technologies global expanding, and the corresponding risks and uncertainties. In addition, based on the latest production and exploration data, the future perspective of the unconventional resources was depicted from global unconventional resources assessments, technology development, and limitations constraining the development.     

世界油页岩资源利用和发展趋势

世界油页岩资源丰富, 其探明储量换算成页岩油,远大于世界原油的探明储量。美国油页岩储量居世界首位, 其次则为俄罗斯、扎伊尔、巴西、加拿大、约旦、澳大利亚和中国。油页岩干馏制取页岩油始于19世纪上半叶的法国、英国、德国、西班牙等西欧国家。而后页岩油生产由于廉价原油的开采而衰落, 又由于世界石油危机而兴起; 100多年来、油页岩工业几经波折; 如今中国、爱沙尼亚和巴西拥有页岩油的工业生产。此外、爱沙尼亚、德国、中国和以色列则拥有油页岩燃烧产蒸汽发电的工业装置。当前、由于世界原油价格上涨,页岩油的生产在不少国家已有利可图, 中国、爱沙尼亚等国家正扩建、新建页岩油工厂; 蒙古、约旦等国正考虑筹建页岩油厂, 美国也计划对其丰富的油页岩资源进行加工利用。     

皖南地区下寒武统荷塘组页岩矿物组成及脆度分析

为了研究皖南地区下寒武统荷塘组页岩的矿物组成和页岩气储集层物性,本文对采自荷塘组的页岩样品进行了X射线衍射分析和有机地球化学实验。结果表明,皖南地区荷塘组页岩有机碳含量较高(多为1.0%~10.0%),有机质类型为Ⅰ型,热演化程度处于过成熟阶段(Rom为4.2%~5.3%);荷塘组页岩矿物组成复杂,以石英、黏土矿物和碳酸盐矿物为主,平均含量分别为68.2%、24.5%和3.3%,部分样品中含有少量的长石、菱铁矿、黄铁矿和石膏。与北美地区页岩相比,皖南地区荷塘组页岩的脆性矿物含量较高(平均73.9%),脆性指数较大(平均71.7%),表明该区荷塘组富有机质页岩具有良好的脆度,有利于页岩气储集层的可压裂性。     

富有机质的黑色页岩和油页岩的有机岩石学特征与生、排烃意义

用近代有机岩石学与有机地球化学分析相结合的方法，对比研究了我国四川盆地等下古生界富有机质沉积的海相黑色页岩,和渤海湾盆地下第三系湖相油页岩的显微有机组成特征与热演化生烃、排烃作用的关系。观测分析结果表明:黑色页岩热演化程度很高，目前热解烃含量很低，但残余有机碳含量达1％～3％，黑色页岩中保存了早期生油阶段由无定型有机质生油作用转化而形成的微粒体有机质，和未排出的石油演变而来的残余沥青，表明其为原始生烃性能很好的烃源岩。根据黑色页岩中微粒体和残余沥青的含量，可用来了解已生—排烃量和再沉降埋深过程中古油藏储层沥青、微粒体和残余沥青再生气对古生界碳酸盐气藏的贡献。富有机质沉积的下第三系湖相油页岩热演化程度不高，游离烃（S1为0.2～1.4 mg/g）和热解烃（S2为8～44 mg/g），有机碳含量达2.4％～8％，是生油性能很好的烃源岩，油页岩中不仅存在强荧光的藻和无定型有机质，而且油页岩的纹层中广泛存在富有机质的荧光沥青，反映了有利于排烃运移的信息，表明是本区生油贡献最大的烃源岩。富有机质黑色页岩和油页岩的沉积结构构造特征、有机质的赋存形式、热演化中变化过程的对比观察结果表明:其生烃、排烃作用既有很多相似性，又有一定差别。     

贵州寒武系和石炭系页岩气开采对环境影响分析——以牛蹄塘组和打屋坝组为例

贵州页岩气地质资源量巨大,达到1.048×10~(13)m~3。其中寒武系牛蹄塘组与石炭系打屋坝组是重要储集层位。本文在研究牛蹄塘组页岩与打屋坝组页岩的地层结构、岩性和地球化学特征,以及储层特征的基础上,分析水力压裂方法对地下水含水层的破坏作用,建立了页岩气压裂开采导致地下水含水层、隔水层被破坏引起地下水污染模式,预测了压裂液返排地面可能造成地表环境污染的风险。同时,采取牛蹄塘组和打屋坝组页岩进行浸泡试验,试验结果表明,页岩在浸泡过程中,元素的浓度随着时间、温度的变化而变化,并呈现出一定的规律性,特别是As、Cd、Pb、Se、Co、Ba等元素呈显著浸出,据此分析了水力压裂法在开采页岩气的过程中可能会产生的环境污染问题。