页岩储层岩石的微观结构特征

页岩由于其致密、孔渗条件较差的特点使其在常规油气勘探中一直被视为常规油气藏的盖层,页岩颗粒细小、致密,使得对页岩微观结构的表征较困难。 但是,对页岩气勘探开发而言,页岩微观结构特征影响页岩气的储集和渗流,需认真加以研究。

页岩储层发育2 种尺度的孔隙:微孔(孔隙直径大于0.75 μm)和纳米孔(孔隙直径小于0.75 μm),页岩油储集层中广泛发育纳米级孔喉,孔径主要为50 ~300 nm,局部发育微米级孔隙。 页岩储层的储渗空间可分为基质孔隙和裂缝,基质孔隙有残余原生孔隙、有机质生烃形成的纳米级微孔隙、黏土矿物伊利石化形成的微裂(孔)隙和不稳定矿物(如长石、方解石)溶蚀形成的溶蚀孔等(图3.4)。 图3.4(a)为四川盆地威201 井志留系页岩有机质内孔,孔喉直径100 ~200 nm,图3.4(b)为鄂尔多斯盆地张2 井上三叠统延长组7 段页岩片状绿泥石基质孔,孔喉直径40 ~300 nm。 微裂缝在页岩油储集层中也非常发育,类型多样,以未充填的水平层理缝为主,干缩缝次之,近断裂带处发育直立或斜交的构造缝。 大部分页岩发育较好的片状结构,有黏土矿物片状结构、碳酸盐片状结构、有机质片状结构、黄铁矿等多种类型,页岩油广泛赋存于这些片状层理面或与其平行的微裂缝中。

图3.4　页岩微观孔隙结构

1)残余原生孔隙

这类孔隙主要是分散在片状黏土矿物中的粉砂质颗粒间的孔隙。 这部分孔隙与常规储集层孔隙相似,受埋藏压实作用的影响,通常随埋藏深度的增加而迅速减小。

2)有机质纳米级微孔隙

研究认为,页岩中的孔隙以有机质生烃形成的孔隙为主。 据Jarvie 等人研究,有机质含量为7%的页岩在生烃演化过程中,消耗35%的有机碳可使页岩孔隙度增加4.9%(Jarvie et al,.2007)(图3.5)。 有机微孔的直径一般为0.01 ~1 μm。 有机质纳米级微孔隙的贡献通常与有机质演化程度有关,在高-过成熟页岩气储层中,有机质纳米级微孔隙较发育是页岩气赋存的重要空间。

3)伊利石化体积缩小的微裂(孔)隙

蒙皂石向伊利石转化是页岩成岩过程中重要的成岩变化。 当孔隙水偏碱性、富钾离子时,随着埋深增加,蒙皂石向伊利石转化,伴随体积减小而产生微裂(孔)隙。

图3.5　有机质生烃体积缩小形成的孔隙图(Jarvie et al,2007)(www.xing528.com)

4)次生溶蚀孔隙

碳酸盐、长石等矿物的粒间溶蚀孔隙较常见,孔径一般为500 nm ~2 μm。 王正普等在鉴定川东及邻区志留系龙马溪组暗色泥质岩时见有发育的溶孔,次生溶蚀孔隙的孔径多数在0.01 ~0.05 mm ,少数在0.05 ~0.60 mm ,连通孔隙率最低值仅为0.82%(不含易溶矿物),最高达32.41%,一般为16%,碳酸盐含量在10%~30%时最易形成高孔段(王正普等,1986)。 该类次生孔隙是由于有机质脱羧后产生的酸性水对页岩储层的碳酸盐矿物强烈溶蚀形成的。

蒋裕强等(2010)在四川盆地页岩储层的研究中亦发现黑色页岩中颗粒被溶蚀的现象。扫描电镜下溶蚀孔孔径为15 ~20 μm,孔缘不规则。 上述孔隙的观察依赖于微米-纳米级电子显微镜分析技术。

5)微裂缝

裂缝的发育可为页岩气提供充足的储集空间,也可以为页岩气提供运移通道,更能有效提高页岩气的产量(HILL et al,.2000,2002; CURTIS,2002;张金川等,2004;程克明等,2009)。 其产生可能与断层和褶皱等构造运动有关,也可能与有机质生烃时形成的超压而使页岩储层达到水力破裂有关,也有学者认为与差异水平压力有关(李荣等,2007)。 在不发育裂缝的情况下,页岩渗透能力非常低。 石英含量高低是影响裂缝发育的重要因素,通常富含石英的页岩脆性好,裂缝发育程度更强。 Nelson 认为,除石英外,长石和白云石也是页岩中易脆组分。

中国海相、海陆过渡相和湖相页岩均具有较好的脆性特征,无论是野外地质剖面还是井下岩心观察,均发现其发育较多的裂缝系统。 如上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩性脆、质硬,节理和裂缝发育,在三维空间成网络状分布,岩石薄片显示,微裂缝细如发丝,部分被方解石、沥青等次生矿物充填。

微裂缝对页岩气的产能增加有很大影响,同时裂缝的存在也使得页岩气的开发变得格外复杂。 一方面,微裂缝发育并与大型断裂连通,对于页岩气的保存条件极为不利;地层水也会通过裂缝进入页岩储层,使气井见水早,含水上升快,甚至可能暴性水淹。 另一方面,微裂缝发育不但可以为页岩气的游离富集提供储渗空间,增加页岩气游离态天然气的含量;而且,微裂缝也有助于吸附态天然气的解吸,并成为页岩气运移、开采的通道。

6)孔隙结构特征(孔隙、喉道)

孔隙结构一般指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布以及相互关系。 常用的研究方法为孔隙铸体薄片法、扫描电镜法和压汞曲线法。 根据国际理论和应用化学协会(IUPAC)的孔隙分类,孔隙直径小于2 nm 的孔称为微孔隙,2 ~50 nm 的孔称为中孔隙(或介孔),大于50 nm 的称为宏孔隙(或大孔隙)。 根据对渝东南地区页岩储层孔径大小分布统计,孔隙直径主要为5 ~10 nm,以中孔为主。 页岩孔径虽然较小,但它是页岩气主要的储集空间和重要的渗流通道,影响页岩气的成藏和开发,因此,需对其进行详细的评价。

7)比表面积

页岩气主要以两种方式赋存在页岩储层中:第一种是以游离态赋存在孔隙及天然裂缝中;另一种是以吸附态吸附在岩石颗粒表面或有机质表面,吸附态页岩气占有比较大的比例。 页岩气的吸附能力与页岩孔隙的比表面积相关,比表面积越大,则对页岩气的吸附能力越强。 因此,评价页岩储层孔隙比表面积对评价吸附态页岩气含量具有重要作用。 页岩比表面积测试技术采用吸附法。