彭鈺潔，劉 鵬，吳佩津

(1.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 551400；2.中國(guó)石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，四川 成都 610051)

0 引 言

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，中國(guó)南方揚(yáng)子地區(qū)海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖研究較多[1-2]，并在焦石壩地區(qū)已取得穩(wěn)定工業(yè)氣流[3]。在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察到的納米級(jí)孔隙[4-5]，如有機(jī)質(zhì)納米孔、顆粒內(nèi)納米孔及微裂縫等對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層性質(zhì)具有特殊意義[6-7]，不僅是頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層中典型孔隙類型和基本特征，也是高演化狀態(tài)下游離氣和吸附氣賦存的主要載體[8-10]。海相富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖是中國(guó)頁(yè)巖氣富集的主體層位，分析其在有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程中儲(chǔ)層空間的變化具有顯著意義。中國(guó)華北地區(qū)元古界至下古生界海相有機(jī)質(zhì)沉積相對(duì)富集的沉積層段，但成熟度普遍偏低[11-12]，張家口下花園地區(qū)下馬嶺組頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)含量可達(dá)4%，類鏡質(zhì)組(Rb)約為0.6%，是系統(tǒng)研究有機(jī)質(zhì)熱演化特征的理想模擬實(shí)驗(yàn)樣品[12-13]。前人的熱模擬實(shí)驗(yàn)多針對(duì)頁(yè)巖生烴模式和地球化學(xué)特征進(jìn)行探究，但對(duì)于有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程中的儲(chǔ)層空間變化研究甚少，而孔隙結(jié)構(gòu)的變化會(huì)直接影響到頁(yè)巖氣的賦存形式。因此，通過(guò)熱演化模式實(shí)驗(yàn)結(jié)合頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)分析，探究有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程中的孔隙結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)頁(yè)巖氣賦存的影響十分必要。

1 樣品及實(shí)驗(yàn)

研究樣品采用張家口-懷來(lái)地區(qū)下馬嶺組低成熟度富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。原始樣品TOC為4.23%，干酪根類型為Ⅰ型，Ro為0.62%，處于生物化學(xué)生氣階段晚期或熱催化生油氣階段早期[14-15]。

為了模擬泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)演化的整個(gè)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)采用高壓催化熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置，儀器由高壓釜、壓力傳感器、溫度控制器等幾部分組成，其中，高溫釜由釜體和釜塞組成。實(shí)驗(yàn)設(shè)置模擬溫度為350、400、450、500、550、600 ℃。實(shí)驗(yàn)步驟：①將原始樣品切割成長(zhǎng)約40 mm，寬約30 mm，高約25 mm的塊樣；②升溫速率設(shè)置為20 ℃/h，將樣品放入反應(yīng)加熱加壓釜中，在6個(gè)模擬溫度下分別恒溫加熱72 h，并在每一個(gè)溫度點(diǎn)依次取出1個(gè)樣品，直至溫度到達(dá)600 ℃，得到6塊不同成熟度的模擬樣品；③將原始樣品及6個(gè)模擬后的樣品分別進(jìn)行研磨破碎，進(jìn)行有機(jī)質(zhì)成熟度、高溫壓汞、低溫液氮等多項(xiàng)孔隙實(shí)驗(yàn)，分析各樣品不同成熟狀態(tài)下孔隙結(jié)構(gòu)特征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔隙度特征

經(jīng)過(guò)6個(gè)模擬溫度，頁(yè)巖Ro達(dá)到了1.04%、1.83%、2.04%、2.46%、2.84%、3.12%，干酪根熱演化經(jīng)歷了熱催化生油氣階段、熱裂解生凝析氣階段和深部高溫生氣等多個(gè)階段，并由低成熟階段進(jìn)入成熟階段直至高過(guò)成熟階段。隨著干酪根熱演化的進(jìn)行，其內(nèi)部孔隙數(shù)量顯著增多，孔隙度隨有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程呈線性升高(表1)。

表1 熱模擬樣品階段特征

2.2 孔徑分布特征

壓汞實(shí)驗(yàn)反映了頁(yè)巖孔徑為3 nm以上的孔隙特征(圖1)。由圖1可知：有機(jī)質(zhì)熱成熟演化過(guò)程中，頁(yè)巖孔徑分布整體具有“兩邊高中間低”的特征，且該過(guò)程主要影響了“兩邊高”的孔徑分布特征；介孔的發(fā)育程度與有機(jī)質(zhì)成熟度呈明顯的正相關(guān)，X-6樣品孔徑小于50 nm的孔隙孔容可達(dá)X-0樣品的8.79倍，表明有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程整體有利于介孔的發(fā)育；宏孔的發(fā)育程度與有機(jī)質(zhì)成熟度表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，孔徑大于10 000 nm的孔隙表現(xiàn)更明顯，樣品X-0到X-1宏孔增加，X-1到X-6宏孔呈顯著下降趨勢(shì)，表明有機(jī)質(zhì)熱演化在一定程度有利于宏孔的發(fā)育，后期由于持續(xù)的熱演化以及地層壓力的作用導(dǎo)致孔隙骨架的坍塌，而不利于宏孔發(fā)育。

圖1 壓汞實(shí)驗(yàn)孔徑分布

頁(yè)巖氣主要儲(chǔ)集空間為有機(jī)質(zhì)納米孔[16]，為更好地刻畫頁(yè)巖儲(chǔ)層納米孔隙在有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程中的變化過(guò)程，針對(duì)小于50 nm的微孔和介孔增加了低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著成熟度的增加，微孔不斷增加，尤其是在進(jìn)入干氣高峰階段(500 ℃)后，大量氣體的釋放對(duì)頁(yè)巖的微孔劇烈增長(zhǎng)有巨大貢獻(xiàn)，有機(jī)質(zhì)的熱演化對(duì)介孔發(fā)育的影響程度具有差異性，但整體表現(xiàn)為正相關(guān)，且孔徑為30～50 nm時(shí)更為顯著。

2.3 孔隙形態(tài)及連通性特征

滯后環(huán)形態(tài)可作為反映吸附劑中孔隙形態(tài)及連通性特征的依據(jù)[17-21]。不同成熟度階段實(shí)驗(yàn)樣品氮?dú)馕矫摳角€反映了3種孔隙形態(tài)(圖2)，而其進(jìn)退汞曲線則反映了不同階段樣品連通性特征(圖3)。由圖2、3可知：低成熟階段X-0、X-1樣品，其液氮吸附脫附曲線為典型的H3型滯后回線，滯后環(huán)較小，以四周開(kāi)放的平行板孔為主，但其退汞效率高，反映了較差的連通性；處于成熟到高成熟階段的X-2、X-3和X-4樣品液氮吸附脫附曲線，反映了H2型和H3型滯后回線的特點(diǎn)，以無(wú)定形孔隙與定形孔隙結(jié)合的孔隙形態(tài)，樣品退汞效率較上一階段樣品明顯降低，孔隙連通性較好；X-5、X-6樣品處于高過(guò)成熟階段，其液氮吸附脫附曲線有明顯的H2型滯后回線特征，吸附曲線穩(wěn)定上升，但在中等相對(duì)壓力處，解吸曲線遠(yuǎn)比吸附曲線陡峭，形成寬大的滯回環(huán)，反映的孔隙類型是細(xì)頸廣體的墨水瓶孔等無(wú)定形孔隙，微孔較為發(fā)育，有可能充當(dāng)孔隙“瓶頸”，如X-5退汞效率較X-4高，滯后環(huán)變窄，孔隙連通性變差，但隨著成熟度的升高，樣品X-6退汞效率進(jìn)一步降低，呈現(xiàn)寬大的滯后環(huán)，反映良好的孔隙連通性，表明在該階段墨水瓶孔隙形態(tài)可能發(fā)生變化，其“瓶頸”變得寬大，進(jìn)而有利于孔隙的連通?？梢?jiàn)，隨著有機(jī)質(zhì)演化程度不斷加深，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖作為頁(yè)巖氣儲(chǔ)存空間，其孔隙連通性、擴(kuò)散性以及滲流性都將有所提升。

圖2 模擬樣品氮?dú)馕矫摳角€

圖3 模擬樣品壓汞曲線形態(tài)

3 頁(yè)巖賦存空間變化

甲烷分子與孔壁距離不大于2 nm時(shí)，孔壁與甲烷分子間表現(xiàn)為較強(qiáng)的相互作用力，而當(dāng)距離大于2 nm時(shí)，甲烷分子與孔壁間相互作用力迅速減小，甲烷分子呈游離狀態(tài)[22]。以不同成熟度頁(yè)巖液氮實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)球體模型[22]計(jì)算不同尺度孔隙吸附氣及游離氣的賦存空間(圖4)。計(jì)算結(jié)果表明，不同成熟度階段的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，其吸附氣隨孔徑增大而呈先增大后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，游離氣則呈隨孔徑增大而升高的趨勢(shì)，并在不同孔徑階段呈現(xiàn)不同的增加速率。

由圖4可知：在孔徑小于2 nm時(shí)，頁(yè)巖孔隙中的甲烷氣體主要是以吸附形式賦存，并隨著孔徑增大吸附氣含量快速增加，而游離狀態(tài)的氣體含量較少；在頁(yè)巖孔隙孔徑達(dá)到2～50 nm時(shí)，頁(yè)巖孔隙中的天然氣為吸附和游離2種賦存狀態(tài)，吸附氣含量增加速率減緩，而游離氣含量在該期間迅速增長(zhǎng)；在孔隙大于50 nm階段，游離氣含量仍持續(xù)快速增長(zhǎng)，而吸附氣含量幾乎不再變化。這從頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的建構(gòu)過(guò)程中解釋了頁(yè)巖氣從納米孔中的形成隨熱演化加深氣體由吸附狀態(tài)逐漸大量析出，游離至大孔空間中的賦存轉(zhuǎn)變過(guò)程。

圖4熱模擬樣品吸附游離狀態(tài)

4 實(shí)踐指導(dǎo)

納米孔隙網(wǎng)絡(luò)控制了泥頁(yè)巖中油氣的賦存和富集成藏。有機(jī)質(zhì)生烴演化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，模擬不同生烴階段是實(shí)踐過(guò)程的關(guān)鍵，模擬過(guò)程中溫度的變化速率將直接影響有機(jī)質(zhì)生烴過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化。因此，在模擬過(guò)程中，采用升溫速率為20 ℃/h模擬了受構(gòu)造活動(dòng)影響，有機(jī)質(zhì)受熱溫度升高，用恒溫模擬構(gòu)造穩(wěn)定情況下，有機(jī)質(zhì)生烴停止的過(guò)程。鑒于地質(zhì)歷史時(shí)期有機(jī)質(zhì)生烴演化的復(fù)雜性，不同實(shí)驗(yàn)條件可能會(huì)導(dǎo)致后期孔隙實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異性，但不同成熟度的孔隙特征變化趨勢(shì)仍具有重要意義，指示出頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的逐漸建構(gòu)，為頁(yè)巖氣的形成和賦存研究提供重要的參考依據(jù)，同時(shí)也需不斷地完善。

5 結(jié) 論

(1) 頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)在熱演化過(guò)程中，隨著有機(jī)質(zhì)成熟度升高，其孔隙度呈線性增長(zhǎng)，微孔和介孔明顯增多，孔徑為30～50 nm的介孔孔隙增加更為顯著，而孔徑大于10 000 nm的宏孔逐漸減少。這與有機(jī)質(zhì)熱演化導(dǎo)致的有機(jī)質(zhì)孔大量生成以及孔隙富集導(dǎo)致的骨架坍塌有關(guān)，且隨熱演化過(guò)程加深孔隙連通性逐漸變好。

(2) 有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程直接影響了頁(yè)巖氣賦存空間，吸附氣與游離氣賦存空間均有隨孔隙孔徑增大而升高的趨勢(shì)，但呈現(xiàn)不同的增加速率，指示頁(yè)巖氣從納米孔中的形成隨熱演化加深氣體由吸附狀態(tài)逐漸大量析出，游離至大孔空間中的賦存轉(zhuǎn)變過(guò)程。

(3) 有機(jī)質(zhì)演化是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)演變過(guò)程，高壓催化熱模擬結(jié)果是研究頁(yè)巖氣形成及賦存的重要參考依據(jù)。