郭旭升,胡東風(fēng),俞凌杰,盧龍飛,何陳誠(chéng),劉偉新,陸現(xiàn)彩

1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 102206;2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與高效開發(fā)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;3.中國(guó)石化 勘探分公司,成都 610041;4.中國(guó)石化 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214126;5.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210046

中國(guó)海相頁(yè)巖氣相繼在多個(gè)探區(qū)取得了重大突破,在四川盆地發(fā)現(xiàn)了涪陵、威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧等頁(yè)巖氣田,同時(shí)太陽(yáng)山淺層頁(yè)巖氣和丁山—東溪深層頁(yè)巖氣的突破,進(jìn)一步展現(xiàn)了良好的勘探前景[1-7]。中國(guó)海相頁(yè)巖由于形成年代老且普遍經(jīng)歷了多期復(fù)雜改造,富集程度差異顯著,勘探實(shí)踐及開發(fā)都已充分認(rèn)識(shí)到保存條件是控制海相頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵因素,其中富集程度主要與先天沉積成巖條件的優(yōu)越程度、埋藏及生—排烴歷史以及后期構(gòu)造抬升與變形的差異性有關(guān)[8-9],尤其是抬升之后的改造時(shí)間和強(qiáng)度是影響含氣性差異的關(guān)鍵。研究認(rèn)為遠(yuǎn)離斷裂、抬升幅度相對(duì)小、構(gòu)造整體平緩有利于頁(yè)巖氣的富集[10-13],通過(guò)勘探實(shí)例剖析提出了不同的富集模式[2,5,12,14-15]。然而深層復(fù)雜構(gòu)造帶以及淺層頁(yè)巖氣的勘探發(fā)現(xiàn),一些地區(qū)即使經(jīng)歷地層大幅度抬升剝蝕或者臨近大斷裂附近仍有可能富集頁(yè)巖氣,這對(duì)認(rèn)識(shí)頁(yè)巖氣保存機(jī)理提出了更多挑戰(zhàn)。頁(yè)巖作為自生自儲(chǔ)的細(xì)粒沉積巖,區(qū)別于常規(guī)儲(chǔ)層最大的特點(diǎn)是具有相對(duì)致密的孔隙且以納米喉道為主,高壓下會(huì)形成相對(duì)高密度的吸附層,同時(shí)微納米孔隙中氣—水賦存會(huì)引起表面吸附、低速滲流和高毛細(xì)管力封閉等效應(yīng),具有良好的自封閉性[16-20]。因此,要深化頁(yè)巖氣保存機(jī)理的研究,需重點(diǎn)開展頁(yè)巖層系自封閉性特征研究。前人從頁(yè)巖物性封閉、頂?shù)装宸忾]、油氣分子間作用力等方面做了較多的工作,但仍需進(jìn)一步深化自封閉性的認(rèn)識(shí),比如頁(yè)巖層系內(nèi)“封存箱”對(duì)保存的影響、高壓下頁(yè)巖孔隙及表面的吸附—游離賦存特征、氣—水賦存條件下的毛細(xì)管力封閉的定量分析和動(dòng)態(tài)演化、有機(jī)質(zhì)熱演化及其潤(rùn)濕性特征對(duì)自封閉能力的影響等。

本文結(jié)合當(dāng)前頁(yè)巖氣勘探研究的需求,圍繞頁(yè)巖自封閉性和頁(yè)巖氣保存機(jī)理這一核心科學(xué)問(wèn)題,在前人工作的基礎(chǔ)上,利用實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段獲取的認(rèn)識(shí),來(lái)深入闡述頁(yè)巖氣保存的微觀機(jī)理,從而為豐富頁(yè)巖氣富集成藏理論并對(duì)海相頁(yè)巖氣勘探提供有益的指導(dǎo)。

1 頁(yè)巖層系自封閉性特征

1.1 頁(yè)巖孔縫微觀結(jié)構(gòu)與自封閉性關(guān)系

頁(yè)巖自封閉能力與其微觀孔縫結(jié)構(gòu)及其連通性密切相關(guān)[17,21]。四川盆地志留系龍馬溪組海相頁(yè)巖孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物孔為主,同時(shí)微孔(<2 nm)—介孔(2～50 nm)的孔隙占比達(dá)到80%以上。根據(jù)IUPAC氮?dú)馕角€滯后環(huán)形態(tài)特征與孔隙形態(tài)關(guān)系[22-23],結(jié)合圖1中樣品實(shí)測(cè)的氮?dú)馕健摳角€表明,龍馬溪組頁(yè)巖孔隙形態(tài)主要為平行板狀狹縫型的開放型孔和細(xì)頸瓶狀(墨水瓶型)的半封閉孔[24],這與掃描電鏡下觀察到的有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物孔皆呈現(xiàn)出上述兩種孔隙形態(tài)結(jié)果一致(圖2)。從圖2中可以看出,龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)孔或其孔隙團(tuán)簇多為孤立狀分布,其內(nèi)部還有更小孔連通,三維空間上呈現(xiàn)所謂的“發(fā)泡”狀。但從圖1中可以看出,隨著有機(jī)碳(TOC)含量的增加,氮?dú)馕健摳綔丨h(huán)的面積越大,即“墨水瓶”孔引起的孔隙滯留效應(yīng)越明顯。

圖1 川東南地區(qū)志留系龍馬溪組頁(yè)巖氮?dú)馕健摳角€

圖2 川東南地區(qū)志留系龍馬溪組頁(yè)巖掃描電鏡照片

前人通過(guò)對(duì)比小角度中子散射實(shí)驗(yàn)測(cè)定的頁(yè)巖總孔隙度(包括開孔、盲孔和閉孔)和流體注入法(如高壓壓汞)測(cè)得連通性孔隙度可獲得頁(yè)巖的閉孔率。結(jié)果揭示龍馬溪組頁(yè)巖中存在一定量占比的閉孔或不連通性孔隙,且呈現(xiàn)出TOC含量增加,不連通孔隙占比增加的趨勢(shì)[25-26]。另外,流體的自發(fā)滲吸行為也被廣泛用來(lái)研究多孔介質(zhì)的孔隙連通性,主要是通過(guò)流體吸入體積與自吸時(shí)間雙對(duì)數(shù)圖的自吸斜率來(lái)半定量評(píng)價(jià)頁(yè)巖孔隙連通性[27]。HU等[27-29]提出,自吸斜率小于0.26時(shí)孔隙連通性差,斜率介于0.26～0.5時(shí)孔隙連通性中等,斜率大于0.5時(shí)孔隙連通性好;通過(guò)對(duì)川東南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行順層方向去離子水自發(fā)滲吸實(shí)驗(yàn),其自吸斜率多接近0.25,表明龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙連通性相對(duì)較差。

頁(yè)巖自封閉能力受微孔表面吸附的影響。頁(yè)巖內(nèi)部發(fā)育大量的納米孔隙,甲烷氣以吸附態(tài)的形式賦存于微孔和部分介孔內(nèi),氣體只能通過(guò)分子擴(kuò)散的形式發(fā)生運(yùn)移。納米孔隙的孔徑越小,氣體與礦物介質(zhì)之間的粘滯力及分子作用力就越大,分子就越不容易發(fā)生擴(kuò)散。2 nm以下的微孔中,CH4分子通常在孔隙壁作用力場(chǎng)影響下只能以吸附態(tài)的形式存在,而不能發(fā)生分子擴(kuò)散[30-31]。龍馬溪組頁(yè)巖中孔隙主要為微孔和介孔,且微孔占比可達(dá)到30%以上(圖3),高壓下孔壁會(huì)形成較明顯的吸附層,可以有效增強(qiáng)頁(yè)巖的自封閉性。

圖3 川東南地區(qū)志留系龍馬溪組頁(yè)巖氮?dú)馕娇讖椒植?/p>

頁(yè)巖自封閉能力與埋藏條件下層理縫閉合程度密切相關(guān)。龍馬溪組頁(yè)巖發(fā)育大量的層理縫和紋層縫,可以連通不同類型孔隙,有效提升頁(yè)巖水平滲透率。但隨著埋深的增加,頁(yè)巖受到的上覆靜巖壓力顯著增加,尤其在相對(duì)高的地層溫度作用下,頁(yè)巖抗壓能力減弱而塑形能力增強(qiáng),層理縫會(huì)發(fā)生顯著閉合形成有效封閉[32-33]。

1.2 頂?shù)装鍖?duì)自封閉性的影響

海相頁(yè)巖紋層結(jié)構(gòu)及微層(頁(yè))理縫的分布在縱向上具有一定的變化規(guī)律,但能夠封閉頁(yè)巖氣并維持高壓的頂、底板是不可或缺的。含氣頁(yè)巖層段直接接觸的頂、底板封隔層巖性主要有泥巖、頁(yè)巖、致密砂巖、碳酸鹽巖等,頂、底板巖石封蓋能力的好壞對(duì)頁(yè)巖氣的保存非常關(guān)鍵,好的頂、底板封隔層能夠形成高壓頁(yè)巖氣藏。五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖的底板為上奧陶統(tǒng)澗草溝組或臨湘組連續(xù)沉積的泥微晶灰?guī)r或瘤狀灰?guī)r,其微觀結(jié)構(gòu)呈均勻致密狀,孔隙度低,一般小于1%;頂板為下志留統(tǒng)石牛欄組泥質(zhì)灰?guī)r或龍馬溪組二段及以上發(fā)育的大套厚層泥巖夾薄層粉砂質(zhì)泥巖(圖4)。同時(shí)結(jié)合測(cè)井曲線及巖性分析也揭示,龍馬溪組一段一亞段與二亞段之間存在由碳酸鹽巖薄層、火山巖蝕變黏土巖薄層及碳質(zhì)泥巖互層組成的相對(duì)致密的封隔層,這也有利于頁(yè)巖氣形成縱向自封閉[34]。

2 束縛水賦存對(duì)頁(yè)巖自封閉性的影響

前人針對(duì)束縛水對(duì)自封閉性的影響關(guān)注得比較少。頁(yè)巖有機(jī)—無(wú)機(jī)孔隙形成相對(duì)復(fù)雜的樹狀多級(jí)分叉結(jié)構(gòu)[35],經(jīng)歷過(guò)沉積成巖及其生—排烴耗水之后,處于高演化階段的頁(yè)巖儲(chǔ)層中仍有一定量的原生束縛水,其主要賦存于孔隙表面、角隅及微毛細(xì)管孔道中,形成不可動(dòng)的流體,進(jìn)而對(duì)頁(yè)巖氣的連通、流動(dòng)以及保存形成顯著的影響[18,36-38]。干燥基頁(yè)巖基質(zhì)孔隙自身具有超低滲特征,束縛水賦存后會(huì)進(jìn)一步降低孔隙氣體滲流和擴(kuò)散能力[39-42]。TAN等[43]借助實(shí)驗(yàn)和模擬的方法,系統(tǒng)建立了龍馬溪組頁(yè)巖在不同含水飽和度下縱橫向有效滲透率和有效應(yīng)力的關(guān)系,揭示束縛水賦存會(huì)導(dǎo)致滲透率顯著下降,尤其是在垂直方向上更明顯,進(jìn)而有利于提升頁(yè)巖的自封閉性。

研究團(tuán)隊(duì)利用不同含水條件下的龍馬溪組頁(yè)巖開展了束縛水賦存對(duì)氣體擴(kuò)散能力的影響,方法上采用柱塞樣在一定的濕度環(huán)境下平衡達(dá)到不同的含水飽和度,然后開展擴(kuò)散參數(shù)分析實(shí)驗(yàn)。所采用的單孔隙擴(kuò)散模型公式如下[44-45]:

式中:rp是樣品的當(dāng)量球形半徑;D′是有效擴(kuò)散系數(shù);n是整數(shù);t是時(shí)間;Mt是到時(shí)間t時(shí)氣體進(jìn)入頁(yè)巖占據(jù)孔隙的量;M∞是最終平衡時(shí)氣體進(jìn)入占據(jù)孔隙的量。把過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)壓力歸一化到0和1之間的分?jǐn)?shù)。

從圖5中可以看出,8個(gè)龍馬溪組頁(yè)巖柱塞樣在束縛水賦存條件下擴(kuò)散系數(shù)均有較明顯的下降,其中下降幅度最大對(duì)應(yīng)在32%濕度平衡條件下,此時(shí)孔隙中賦存的束縛水量較少,主要以單層吸附和微孔充填為主[46]。這表明即使頁(yè)巖孔隙中僅含有少量的水,但這部分水會(huì)賦存在孔隙表面或者占據(jù)喉道位置,使頁(yè)巖基質(zhì)孔隙擴(kuò)散能力顯著下降。束縛水對(duì)氣體流動(dòng)能力的影響主要與其賦存特征相關(guān)。與有機(jī)質(zhì)相比,黏土礦物相對(duì)更親水,更有利于束縛水賦存。ZOLFAGHARI等[47]研究了頁(yè)巖中黏土礦物含量對(duì)含水性能的影響,表明黏土礦物具有較好的吸水能力,黏土含量越高,吸附水能達(dá)到的飽和度越高,且黏土吸附的水難以脫附;同樣范雨辰等[48]研究也認(rèn)識(shí)到無(wú)機(jī)黏土孔隙是束縛水的主要賦存空間。對(duì)于龍馬溪組而言,有機(jī)孔隙雖然作為主要的儲(chǔ)集空間,但在連通路徑上需要依賴更多的無(wú)機(jī)孔隙進(jìn)行連通,尤其在縱向上龍馬溪組上部氣層主要以黏土質(zhì)頁(yè)巖為主,具有相對(duì)高的含水飽和度,因此束縛水賦存形成的低速滲流和低速擴(kuò)散有助于頁(yè)巖氣的保存。

圖5 不同濕度含水條件對(duì)四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖擴(kuò)散參數(shù)的影響

同時(shí),束縛水賦存也將形成有效的毛細(xì)管力封閉。賈承造等[17]指出頁(yè)巖氣賦存受到毛管壓力、分子吸附力等多種作用的綜合控制,而其中自封閉性機(jī)理中最主要的是毛細(xì)管力封閉,其本質(zhì)上是分子界面力,即微小喉道中互不相溶的兩相流體,由于孔隙壁面兩相流體潤(rùn)濕性的不同,會(huì)在液面兩邊產(chǎn)生一個(gè)壓差,克服壓差后,非潤(rùn)濕相流體才能通過(guò)孔隙形成有效流動(dòng)。根據(jù)毛細(xì)管力理論公式,喉道半徑越小,毛細(xì)管力越大,形成的封閉能力越強(qiáng)。研究團(tuán)隊(duì)前期工作中基于等溫吸附、含水飽和度與TOC關(guān)系以及頁(yè)巖的全孔徑分布曲線,分析了頁(yè)巖氣(吸附氣和游離氣)和束縛水在龍馬溪組頁(yè)巖孔隙中的賦存空間特征,揭示埋藏條件下龍馬溪組頁(yè)巖中3～5 nm以下的孔隙將被原生束縛水和吸附氣所占據(jù)[49]。因此可以理論推導(dǎo)出5 nm以下的孔隙中毛細(xì)管力封閉能力可以達(dá)到50 MPa以上,從而形成有效封閉。

為深入揭示頁(yè)巖無(wú)機(jī)納米喉道和有機(jī)孔隙團(tuán)簇之間形成的毛細(xì)管力封閉效應(yīng),研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步借助分子動(dòng)力學(xué)構(gòu)建了伊利石孔隙—石墨孔隙組合下的突破壓力模型,并構(gòu)建了狹縫型和沙漏型兩種孔道結(jié)構(gòu),通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)方法施加溫度、壓力等條件來(lái)獲取不同喉道對(duì)應(yīng)的突破壓力。如圖6所示,狹縫型孔道是以平行板狀孔為主,只在孔寬上有限制;而沙漏型孔道以圓柱狀孔為主,有明顯的孔徑限制。模擬結(jié)果表明,甲烷突破壓力隨孔喉寬度的下降呈指數(shù)上升,并建立了納米喉道與突破壓力的關(guān)系,同時(shí)研究揭示等邊沙漏孔喉的突破壓力約為狹縫型孔喉的兩倍。這兩種模型得到的結(jié)果雖然均小于毛細(xì)管力理論公式結(jié)果,但從定量方法上明確了納米喉道在束縛水賦存條件下具有強(qiáng)的毛細(xì)管力封閉能力,并可以從分子層次上闡述頁(yè)巖微納米孔隙中礦物(有機(jī)質(zhì))—?dú)狻臻g關(guān)系和孔隙流體的流動(dòng)能力。

圖6 基于分子動(dòng)力學(xué)模擬獲取的兩種孔喉模型對(duì)應(yīng)的突破壓力曲線

3 潤(rùn)濕性對(duì)頁(yè)巖氣保存的影響

高演化海相頁(yè)巖中除無(wú)機(jī)礦物外,還含有大量熱解瀝青,這些熱解瀝青是由原油裂解所形成的。由于形成熱解瀝青的前身(原油)具有強(qiáng)疏水性,因此原油裂解形成的熱解瀝青也具有較強(qiáng)的疏水性。海相頁(yè)巖中的無(wú)機(jī)礦物大多表現(xiàn)為親水性,而熱解瀝青則具有親油性,因此在測(cè)定頁(yè)巖潤(rùn)濕性特征時(shí),常常表現(xiàn)出既親水又親油的混合潤(rùn)濕行為[50-51]。因此,頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)(瀝青)含量越高,親油的成分就越多,頁(yè)巖就表現(xiàn)得越親油;反之則越親水。近幾年的研究表明,隨著熱演化程度的持續(xù)增高,頁(yè)巖中的瀝青會(huì)發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)化,即瀝青逐漸向石墨轉(zhuǎn)變[52]。由于石墨是親水的,那么具有親油性質(zhì)的熱解瀝青可能會(huì)在石墨化過(guò)程中向親水轉(zhuǎn)化。

近期川東南地區(qū)FB1井鉆井揭示,五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖普遍不含氣或微含氣,但均高含水且有機(jī)孔隙較發(fā)育。為研究該區(qū)頁(yè)巖潤(rùn)濕性是否發(fā)生變化,研究中對(duì)巖心樣品進(jìn)行了潤(rùn)濕角測(cè)定分析。結(jié)果顯示,該井頁(yè)巖潤(rùn)濕角總體明顯偏小,所測(cè)絕大多數(shù)樣品的潤(rùn)濕角在40°以下(圖7)。利用透射電鏡對(duì)相同頁(yè)巖樣品進(jìn)行分析,結(jié)果顯示該井頁(yè)巖樣品瀝青中碳原子整體呈不規(guī)則分布,但局部已具有定向排列特征(圖8),表明有機(jī)質(zhì)已發(fā)生較明顯的石墨化,并由此引起了有機(jī)孔隙潤(rùn)濕性的變化,使得親水性明顯增強(qiáng)。

圖7 川東南地區(qū)FB1井頁(yè)巖接觸角縱向分布

圖8 TEM表征川東南地區(qū)FB1井志留系龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)石墨化程度

有機(jī)孔隙親水性增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖有機(jī)孔隙儲(chǔ)集有效性的改變。當(dāng)熱解瀝青具有親油屬性時(shí),原油裂解過(guò)程形成的頁(yè)巖氣可原位賦存于有機(jī)孔隙中,無(wú)機(jī)孔隙內(nèi)的束縛水因受到毛細(xì)管力的阻礙作用無(wú)法進(jìn)入有機(jī)孔隙,同時(shí)還起到孔隙的封堵作用,使得賦存于有機(jī)孔隙中的頁(yè)巖氣得到有效保存。而當(dāng)熱解瀝青潤(rùn)濕性向親水性轉(zhuǎn)變后,有機(jī)孔隙表面性質(zhì)更親水,使得束縛水更容易進(jìn)入親水的有機(jī)孔隙,而原有賦存的頁(yè)巖氣分子則可能被驅(qū)替出有機(jī)孔隙,導(dǎo)致自封閉能力下降,頁(yè)巖氣保存條件受破壞,無(wú)法得到有效保存。因此,高熱演化引起的石墨化可導(dǎo)致有機(jī)孔潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變,并將進(jìn)一步影響頁(yè)巖自封閉性。

4 構(gòu)造作用對(duì)頁(yè)巖氣保存的影響

海相頁(yè)巖氣現(xiàn)今構(gòu)造樣式主要為燕山期以來(lái)構(gòu)造抬升過(guò)程中形成的,并在喜馬拉雅期進(jìn)一步演化定型[2,10,15]。宏觀構(gòu)造活動(dòng)通過(guò)改造地層構(gòu)造樣式,進(jìn)而影響頁(yè)巖氣的保存能力。一般來(lái)說(shuō),構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng),地層抬升幅度越大,散失作用越強(qiáng)烈;同時(shí)活動(dòng)時(shí)間越早,對(duì)頁(yè)巖氣散失的影響程度也越大[12-13,53-56]。邱楠生等[57]結(jié)合流體包裹體分析,對(duì)丁山地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖的壓力演化過(guò)程進(jìn)行了模擬,建立了龍馬溪組頁(yè)巖“埋藏—生烴—抬升”的演化格架,并定量表征了含氣性的變化。前人也從多個(gè)角度來(lái)闡述宏觀構(gòu)造作用對(duì)頁(yè)巖氣保存的微觀機(jī)理,例如宏觀地質(zhì)作用可能會(huì)在頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)上留下相應(yīng)記錄。前人[20,58]研究表明,當(dāng)有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)生顯著變形時(shí),預(yù)示著該地區(qū)可能遭受了相對(duì)強(qiáng)烈的保存條件破壞。袁玉松等[59-60]則從頁(yè)巖脆—延性變形與保存能力的關(guān)系,基于頁(yè)巖巖石力學(xué)試驗(yàn),并結(jié)合埋藏—抬升條件下泥頁(yè)巖脆—延轉(zhuǎn)化帶和超固結(jié)比(OCR)的變化,來(lái)揭示頁(yè)巖氣保存能力的動(dòng)態(tài)變化。宋巖等[29]則通過(guò)構(gòu)建龍馬溪組頁(yè)巖抬升卸載破裂實(shí)驗(yàn),來(lái)探討應(yīng)力條件對(duì)頁(yè)巖氣保存能力的影響,并指出高水平地應(yīng)力地區(qū),頁(yè)巖在較大埋深時(shí)即可發(fā)生破裂并使頁(yè)巖氣保存被破壞,而在相對(duì)低水平應(yīng)力地區(qū),頁(yè)巖在抬升至較淺時(shí)才會(huì)發(fā)生顯著破裂。

頁(yè)巖抬升過(guò)程中的破裂行為會(huì)對(duì)頁(yè)巖氣保存產(chǎn)生顯著的影響,但從頁(yè)巖氣保存的微觀封閉機(jī)理上來(lái)看,埋藏條件下頁(yè)巖在不同強(qiáng)度的地應(yīng)力作用及其變形過(guò)程中,突破壓力的變化是反映頁(yè)巖氣保存能力的最直接參數(shù)?？紤]到頁(yè)巖氣的散失主體上以水平沿層方向?yàn)橹?因此本研究中針對(duì)抬升階段頁(yè)巖氣保存能力的動(dòng)態(tài)演化,重點(diǎn)基于沿層方向滲透率—突破壓力演化關(guān)系,模擬了不同水平擠壓強(qiáng)度對(duì)頁(yè)巖氣沿層方向保存能力的影響。實(shí)驗(yàn)方法上,首先選擇典型的龍馬溪組頁(yè)巖開展卸載過(guò)程中沿層方向滲透率演化與突破壓力演化分析,建立了滲透率—突破壓力關(guān)系模型(圖9);其次基于三軸力學(xué)加載裝置及超低滲測(cè)定裝置,開展不同圍壓(上覆應(yīng)力)、不同軸壓(水平擠壓應(yīng)力)下滲透率演化分析,并獲取不同滲透率下對(duì)應(yīng)的突破壓力。樣品取自龍馬溪組第③小層的硅質(zhì)頁(yè)巖,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中圍壓從110 MPa開始卸載至10 MPa,等效深度相當(dāng)于從7 300 m抬升至約600 m(有效應(yīng)力系數(shù)取15 MPa/km);軸向壓力90～130 MPa代表弱—中等強(qiáng)度擠壓,300～350 MPa代表強(qiáng)水平擠壓。從圖10兩條不同水平擠壓應(yīng)力下突破壓力的演化曲線對(duì)比可以看出,弱—中等強(qiáng)度擠壓下沿層方向突破壓力隨著抬升過(guò)程層理面有開啟,沿層方向滲透率增加的同時(shí),突破壓力也相應(yīng)降低,封閉能力下降,但整體處于相對(duì)較好的保存條件,尤其是在3 000 m以深突破壓力大于30 MPa,封閉能力良好。同時(shí),在此相對(duì)穩(wěn)定的抬升過(guò)程中,即使在1 000 m以淺,仍然具有較好的封閉性,對(duì)應(yīng)的突破壓力在10 MPa左右,這有利于淺層頁(yè)巖氣的保存并形成超壓富氣特征。相比較,強(qiáng)水平擠壓下,沿層方向?qū)永砻骈_啟更明顯,同等深度下突破壓力大幅降低,當(dāng)抬升至較淺時(shí),則容易形成明顯的高角度剪切斷裂面,導(dǎo)致封閉能力徹底失效。抬升過(guò)程中突破壓力的演化除與應(yīng)力條件有關(guān)外,還與頁(yè)巖巖性、先期薄弱面發(fā)育程度、層理面的取向等密切相關(guān),因此,后續(xù)還需進(jìn)一步結(jié)合地質(zhì)要素來(lái)深化抬升階段頁(yè)巖氣保存能力的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

圖9 四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖滲透率—突破壓力關(guān)系曲線

圖10 不同水平擠壓應(yīng)力條件下四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖沿層方向突破壓力演化特征

5 結(jié)論

(1)龍馬溪組頁(yè)巖以微孔和介孔為主,相對(duì)孤立的有機(jī)孔隙內(nèi)部以納米喉道為主,可以形成較明顯的滯留效應(yīng),有機(jī)—無(wú)機(jī)孔隙網(wǎng)絡(luò)整體連通性較差,同時(shí)相對(duì)致密的頂、底板以及頁(yè)巖層系內(nèi)多套致密分隔層縱向疊置,有助于形成良好的自封閉。

(2) 埋藏條件下束縛水賦存引起的低速擴(kuò)散和毛細(xì)管力封閉有利于頁(yè)巖氣保存。束縛水主體賦存于5 nm以下的孔隙中,會(huì)較大幅度降低頁(yè)巖的基質(zhì)擴(kuò)散能力,同時(shí)可以在無(wú)機(jī)納米喉道中形成高的毛細(xì)管力封閉,兩者共同作用可以顯著提升頁(yè)巖自封閉能力。過(guò)高的熱演化會(huì)使瀝青向石墨化轉(zhuǎn)化并導(dǎo)致有機(jī)孔隙潤(rùn)濕性趨于親水,使得有機(jī)孔隙儲(chǔ)集有效性降低并影響頁(yè)巖的自封閉性。

(3)構(gòu)造抬升作用是引起頁(yè)巖氣保存條件差異的關(guān)鍵。相對(duì)弱的擠壓環(huán)境下沿層方向可以保持較高的封閉能力,有利于頁(yè)巖氣保存;而強(qiáng)擠壓改造導(dǎo)致層理縫顯著開啟、微破裂增加,并可能溝通高角度斷裂面,引起自封閉能力大幅下降并使得保存能力失效,導(dǎo)致頁(yè)巖氣發(fā)生較大規(guī)模散失。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

郭旭升提出論文總體構(gòu)思;胡東風(fēng)指導(dǎo)機(jī)理討論及應(yīng)用;俞凌杰負(fù)責(zé)物性實(shí)驗(yàn)及論文的統(tǒng)稿與修改;盧龍飛負(fù)責(zé)潤(rùn)濕性分析及相關(guān)的內(nèi)容編寫;何陳誠(chéng)負(fù)責(zé)頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)分析;劉偉新負(fù)責(zé)頁(yè)巖頂?shù)装寮胺獯嫦浞治?陸現(xiàn)彩負(fù)責(zé)納米喉道突破壓力的模擬及分析。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

GUO Xusheng proposed the overall concept of the paper. HU Dongfeng guided the discussion and application of the mechanism. YU Lingjie was responsible for conducting physical experiments and organizing the writing and revising of the paper. LU Longfei was responsible for wettability analysis and related content writing. HE Chencheng was responsible for analyzing the micro-structure of shale. LIU Weixin was responsible for the analysis of shale roof, floor and storage box. LU Xiancai was responsible for simulating and analyzing the breakthrough pressure of nano throats. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.