吳春燕,程玉群,沈 英,王 寧,賈朋濤,張紅強(qiáng)
(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,陜西西安 710075)
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延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析
吳春燕,程玉群,沈英,王寧,賈朋濤,張紅強(qiáng)
(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,陜西西安 710075)
摘要:頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,對(duì)研究手段和分析技術(shù)要求較高。為了有效地開(kāi)展頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià),精細(xì)描述頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu),采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、高壓壓汞實(shí)驗(yàn)和低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)等多種手段對(duì)陸相頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,對(duì)孔隙類型及形態(tài)進(jìn)行了直觀描述、計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、分析頁(yè)巖孔徑分布及孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)頁(yè)巖氣吸附能力和滲流能力的影響。研究結(jié)果表明,延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖孔隙類型復(fù)雜,以粒間孔和層理(層間縫)最為發(fā)育;孔喉連通性較差,進(jìn)汞飽和度低,但退汞效率相對(duì)較高;頁(yè)巖孔隙的孔徑分布廣泛,以微孔和過(guò)渡孔為主,其中,孔徑小于30nm的微孔和過(guò)渡孔是頁(yè)巖孔容和比表面積的主要貢獻(xiàn)者,為頁(yè)巖氣吸附和存儲(chǔ)提供了主要場(chǎng)所,但較少的中孔和大孔不利于頁(yè)巖氣的滲流和開(kāi)采。
關(guān)鍵詞:延長(zhǎng)陸相頁(yè)巖;微觀孔隙結(jié)構(gòu);掃描電鏡;高壓壓汞;氮?dú)馕?/p>
頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中非常重要,它不僅影響氣體的儲(chǔ)集和吸附能力,還決定了頁(yè)巖的滲流特性。采用先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)方法研究頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及頁(yè)巖氣存儲(chǔ)機(jī)制非常必要。
國(guó)內(nèi)外對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征做了大量的研究[1-5],采用的技術(shù)手段也較多,主要有鑄體薄片分析法、掃描電鏡分析法、高壓壓汞法、氮?dú)馕椒ê图{米CT掃描法等,但對(duì)高壓壓汞實(shí)驗(yàn)與氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合的方法尚未見(jiàn)報(bào)道。本文主要采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、高壓壓汞分析和氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)對(duì)延長(zhǎng)油田陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并將高壓壓汞和氮?dú)馕降膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,全面展現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙特征,實(shí)現(xiàn)從微孔到大孔的全面描述。
1 樣品選取
頁(yè)巖樣品選自延長(zhǎng)油田下寺灣地區(qū),層位為延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段、山西組和本溪組。根據(jù)目的層位頁(yè)巖儲(chǔ)層沉積特征,考慮剖面及平面上的可對(duì)比性,參考物性、孔隙結(jié)構(gòu)和巖石學(xué)特征等微觀因素,并參照DB 61/576—2013《頁(yè)巖氣井取心及取樣方法》標(biāo)準(zhǔn),分別在各層位選取深灰色—黑色泥頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖樣品共計(jì)348塊次,其中高壓壓汞和氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)樣品各114塊,場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡樣品120塊。
2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析
2.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析
本研究采用肖特基場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡MIRA 3 LMH,該場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡二次電子圖像分辨率達(dá)到1nm,放大倍數(shù)為2~1000000,輔助設(shè)備為L(zhǎng)EICA EM SCD500 型鍍膜儀及氬離子拋光儀( 離子減薄儀)。參照SY/T 5162—1997《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》對(duì)巖樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前處理。制樣時(shí)采用氬離子拋光技術(shù)對(duì)新鮮巖樣表面進(jìn)行處理,獲得高品質(zhì)表面層,然后將巖樣放入真空度小于0.1Pa的離子濺射儀進(jìn)行鍍膜,厚度約為15~20nm,鍍膜后的樣品按順序放入場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行觀察分析。
場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)證實(shí)[6],陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層中主要發(fā)育粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、微裂縫(層理、層間縫),以及極少量有機(jī)質(zhì)孔(圖1)。其中,粒間孔主要以三角形和不規(guī)則多邊形出現(xiàn)在黏土礦物及黃鐵礦等礦物顆粒及晶體間,孔徑大小由納米級(jí)到微米級(jí)雜亂分布;粒內(nèi)孔由石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物顆粒等溶蝕產(chǎn)生,形狀多樣,孔徑大小較粒間孔分布更廣;微裂縫主要發(fā)育在脆性顆粒內(nèi)部及邊緣,顆粒內(nèi)部的微裂縫較為平直,基本沒(méi)有被膠結(jié)物充填,而顆粒邊緣的微裂縫多呈彎曲狀,微裂縫的長(zhǎng)度多在4~15μm之間,在鑄體薄片中可見(jiàn)少量微裂縫延伸至整個(gè)切片面。由于研究區(qū)頁(yè)巖熱演化程度較低,有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育極少,呈圓形或橢圓形,發(fā)育在干酪根邊緣,孔徑在1μm以下。
2.2 高壓壓汞實(shí)驗(yàn)分析
2.2.1 高壓壓汞曲線
高壓壓汞曲線形態(tài)反映各孔喉段孔隙發(fā)育及孔隙之間的連通情況[7-8]。圖2為3個(gè)層位頁(yè)巖的高壓壓汞毛細(xì)管壓力曲線,由圖可見(jiàn),3條毛細(xì)管壓力曲線整體偏向右上方,中間進(jìn)汞段幾乎沒(méi)有平臺(tái),傾斜度較大,表現(xiàn)出孔喉分選差、非均質(zhì)性強(qiáng)、細(xì)歪度的頁(yè)巖孔隙特征。頁(yè)巖排驅(qū)壓力極高,長(zhǎng)7段為24.416MPa,山西組為18.076MPa,本溪組為23.531MPa。山西組頁(yè)巖排驅(qū)壓力較長(zhǎng)7段、本溪組低,說(shuō)明其物性稍好于長(zhǎng)7段和本溪組。
由圖2可知,當(dāng)壓力達(dá)到30MPa以上時(shí),進(jìn)汞量才增加較快,壓力為30~101MPa時(shí),長(zhǎng)7段頁(yè)巖的進(jìn)汞量占總進(jìn)汞量的64.4%,山西組占70%,本溪組占59.4%,說(shuō)明半徑為7~25nm的孔隙非常發(fā)育。114個(gè)樣品中,進(jìn)汞飽和度達(dá)到50%以上的樣品僅占26.1%,其中,長(zhǎng)7段頁(yè)巖平均進(jìn)汞飽和度為48.022%,山西組與本溪組頁(yè)巖平均進(jìn)汞飽和度分別為57.925%、42.798%。3個(gè)層位頁(yè)巖的退汞效率都相對(duì)較高,平均為76%,其原因之一可能是樣品致密,最高進(jìn)汞壓力較低,汞未完全進(jìn)入樣品,當(dāng)壓力降低時(shí)汞會(huì)從樣品表層迅速退出;其二與樣品孔隙類型和形態(tài)有關(guān),頁(yè)巖發(fā)育黏土礦物粒間孔和層理、層間縫,有利于汞的退出。
2.2.2 孔徑分析
頁(yè)巖孔隙劃分標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一,本文借鑒煤層孔隙結(jié)構(gòu)的分類,采用Xoaotb十進(jìn)制孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)[9-11],將孔徑d分為4類:微孔(d<10nm),過(guò)渡孔(10nm
表1 陸相頁(yè)巖高壓壓汞法孔體積數(shù)據(jù)表
2.3氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)及分析
為進(jìn)一步研究頁(yè)巖的孔隙特征,彌補(bǔ)高壓壓汞實(shí)驗(yàn)的不足,開(kāi)展了低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)。低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)采用美國(guó)康塔(Quantachrome)公司生產(chǎn)的NOVA2000e 比表面積及孔徑分析儀,該儀器孔徑測(cè)量范圍為2~200nm,比表面積為0.01~3500m2/g。樣品制成直徑在3mm左右的小顆粒,質(zhì)量約為1g,將顆粒表面吸附的粉塵除去,保持表面清潔,烘干脫氣處理2小時(shí),以純度大于99.999%的高純氮?dú)庾鳛槲劫|(zhì),在-195.65℃下測(cè)定不同相對(duì)壓力下的氮?dú)馕搅?。以相?duì)壓力為橫坐標(biāo),每克樣品的吸附量為縱坐標(biāo),繪制出氮?dú)馕健馕葴鼐€圖。
根據(jù)GB/T 19587—2004《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》的規(guī)定,參照BET二常數(shù)公式,在0.05~0.35范圍內(nèi)作出BET直線圖,計(jì)算出樣品的比表面積,再采用BJH法對(duì)氮?dú)馕降葴鼐€的脫附分支進(jìn)行計(jì)算,得到樣品的孔徑分布。
2.3.1 氮?dú)馕健馕葴鼐€分析
圖4是陸相頁(yè)巖的低溫氮?dú)馕健馕葴鼐€,從圖中可以看出,3個(gè)層位頁(yè)巖樣品的吸附等溫線形態(tài)稍有差別,但根據(jù)IUPAC的分類,3條吸附等溫線都屬于Ⅱ型,表明頁(yè)巖主要發(fā)育納米級(jí)孔隙及微孔隙[4-5,12]。在相對(duì)壓力較高處(p/po>0.4),吸附等溫線和解吸等溫線不重合,解吸曲線位于吸附曲線的上方。當(dāng)相對(duì)壓力接近1時(shí),吸附量陡增,吸附等溫線與解吸等溫線重合,形成滯回環(huán)。根據(jù)De Boer(1958)對(duì)滯回環(huán)的分類,研究層位頁(yè)巖樣品的滯回環(huán)屬于B型,滯回環(huán)狹小,說(shuō)明頁(yè)巖孔隙形態(tài)以片狀黏土礦物狹縫型孔隙為主[13-14]。
2.3.2 氮?dú)馕椒讖椒治?/p>
采用BJH法對(duì)本次陸相頁(yè)巖樣品的孔徑進(jìn)行計(jì)算,得出孔徑分布曲線(圖5)。由圖5可知,頁(yè)巖孔徑分布復(fù)雜,存在多個(gè)不同的峰值,但峰值孔徑主要集中在2~7nm之間,說(shuō)明這個(gè)范圍內(nèi)的孔隙最發(fā)育??讖皆?0nm以上的孔隙幾乎不發(fā)育。
由表2中陸相頁(yè)巖氮?dú)馕椒左w積分布數(shù)據(jù)可以看出,3個(gè)層位的頁(yè)巖總孔體積為0.00315~0.00807cm3/g,平均為0.00618cm3/g,其中山西組頁(yè)巖孔體積最大,這與高壓壓汞法測(cè)試結(jié)果相同,說(shuō)明山西組頁(yè)巖孔隙相對(duì)于其他兩個(gè)層位較發(fā)育。由孔體積比例分析,陸相頁(yè)巖孔體積均以微孔和過(guò)渡孔為主,占86.50%~98.34%;中孔所占比例較小,長(zhǎng)7段和本溪組不足10%。氮?dú)馕椒ㄅc高壓壓汞法測(cè)試結(jié)果顯示,微孔和過(guò)渡孔為陸相頁(yè)巖提供了大部分孔容,這種孔隙結(jié)構(gòu)不利于氣體的滲流,需采用壓裂等措施提高氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的滲流能力方能達(dá)到有效開(kāi)采的目的。
表2 陸相頁(yè)巖氮?dú)馕椒左w積數(shù)據(jù)表
2.3.3 陸相頁(yè)巖BET比表面積分析
表3為陸相頁(yè)巖氮?dú)馕椒ū缺砻娣e分布數(shù)據(jù),由表可知,陸相頁(yè)巖樣品BET比表面積為2.4518~7.1536m3/g,平均為4.37m3/g,其中長(zhǎng)7段頁(yè)巖的總比表面積最大,說(shuō)明長(zhǎng)7段頁(yè)巖黏土礦物含量高,顆粒粒度細(xì)。根據(jù)Donaldson等對(duì)致密砂巖比表面積(約為1m3/g)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[14],陸相頁(yè)巖比表面積較大,這為氣體吸附提供了非常有利的條件,使吸附存儲(chǔ)成為可能。陸相頁(yè)巖BET比表面積分布比例顯示,陸相頁(yè)巖中微孔所占比例非常大。長(zhǎng)7段和本溪組均在95%以上,山西組微孔比例為84.90%,表明微孔是陸相頁(yè)巖比表面積的主要貢獻(xiàn)者,是大量氣體吸附的主要場(chǎng)所。
表3 陸相頁(yè)巖氮?dú)馕椒ū缺砻娣e數(shù)據(jù)表
3 討論
高壓壓汞實(shí)驗(yàn)得出陸相頁(yè)巖孔隙孔徑分布范圍較廣(圖3),從微孔到大孔均有分布,孔徑分布在7~53607nm之間,孔隙呈三峰態(tài)分布,存在兩大峰和一小峰。大主峰孔徑為7~10nm、11~30nm,主要為陸相頁(yè)巖中的微孔和過(guò)渡孔,是陸相頁(yè)巖孔容的主要貢獻(xiàn)者;小主峰孔徑為21375~53607nm,為陸相頁(yè)巖中的大孔,比例較少,占總孔容的9.66%。電鏡觀察顯示,這部分孔隙主要是黏土礦物粒間孔和微裂縫(層理、層間縫),連通性較好。
氮?dú)馕椒ㄖ饕獪y(cè)量的是孔徑小于100nm的孔隙。結(jié)果顯示(圖5),研究區(qū)陸相頁(yè)巖孔徑呈單峰分布,分布范圍為2~7nm,主要為微孔,是大量氣體吸附的主要場(chǎng)所,過(guò)渡孔和中孔所占比例較少。電鏡觀察這部分孔隙主要是相對(duì)孤立的粒內(nèi)孔和晶間孔,連通性很差。
兩種方法測(cè)得的陸相頁(yè)巖孔徑分布曲線基本吻合,為了更精細(xì)地描述頁(yè)巖孔徑分布趨勢(shì),將氮?dú)馕椒ㄅc高壓壓汞法測(cè)得的孔徑分布曲線進(jìn)行拼接擬合,擬合曲線很好地展示了頁(yè)巖孔隙由微孔到大孔的分布[15-16]。圖6顯示了陸相頁(yè)巖各類孔隙的孔徑分布范圍:微孔為2.25~4.12nm,過(guò)渡孔為12.10~27.33nm,中孔為106.72~213.52nm, 大孔為42746.04~107096.5nm。
4 結(jié)論
(1)陸相頁(yè)巖孔隙類型復(fù)雜,存在粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔,微裂縫、有機(jī)質(zhì)孔等多種孔隙,以黏土礦物粒間孔、層理(層間縫)為主。這部分孔隙對(duì)氣體的吸附及滲流起重要作用,也是高壓壓汞實(shí)驗(yàn)中退汞效率高的主要原因之一。
(2)陸相頁(yè)巖孔徑分布復(fù)雜,高壓壓汞和氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)測(cè)得陸相頁(yè)巖孔隙以微孔和過(guò)渡孔為主,其中孔徑小于30nm的微孔和過(guò)渡孔為陸相頁(yè)巖提供了大部分的孔容,孔徑小于10nm的微孔是頁(yè)巖比表面積的主要貢獻(xiàn)者,較多的微孔保證了頁(yè)巖儲(chǔ)層具有很高的吸附能力,是大量氣體吸附的主要場(chǎng)所。但中孔和大孔發(fā)育較差,給氣體滲流和氣藏開(kāi)采帶來(lái)一定的困難。
(3)高壓壓汞法適合中孔及大孔的分析,而氮?dú)馕椒苡行Э朔蟊缺砻娣e和小孔徑的困難,有利于微孔及過(guò)渡孔的分析。兩種方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了陸相頁(yè)巖孔隙由微孔到大孔的全面、定量描述。
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Analysis of Microscopic Pore Structures in Yanchang Continental Shale
Wu Chunyan, Cheng Yuqun, Shen Ying, Wang Ning, Jia Pengtao, Zhang Hongqiang
(Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum (Group) Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710075, China)
Abstract:Shale reservoir has a complex pore structure, so the requirement for research and analyzing techniques is higher. To carry out effective shale gas reservoir assessment and detailed description of pore structure, we adopted a lot of means as field emission scanning electron microscopy, high-pressure mercury experiment and nitrogen adsorption experiment to get insights into the pore structure of continental shale, described the e types and morphology of pores intuitively, and analyzed the influence of pore diameter and pore structure of shale on the adsorption ability and seepage ability of shale gas. Results showed that pore types of continental shale in Yanchang area were complex, of which the most common ones were intergranular pore and bedding (interlayer fracture); the pore connectivity was poor, low mercury saturation but high efficiency of withdrawal; the pore-size distribution of shale was wide, and the most holes were microporous and transitional, of which the main contributors to the pore volume and specific surface area of shale were microporous and transitional hole with a diameter less than 30nm. This provided the main places for gas adsorption and storage, which guaranteed a high adsorption capacity of shale reservoir. However, it was unfavorable for the percolation and exploitation of shale gas due to the less medium and large holes.
Key words:continental shale of Yanchang; microscopic pore structure; SEM; high-pressure mercury injection; nitrogen adsorption
第一作者簡(jiǎn)介:吳春燕(1982年生),女,碩士,工程師,主要從事油氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)工作。郵箱:55514798@qq.com。
中圖分類號(hào):TE122
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A