页岩储集层的物性特征分析

1)孔渗性能

在常规储层研究中,物性指标是评价储层特征的主要参数,而对于页岩气储层,通常作为常规油气的烃源岩和盖层进行研究,但在扫描电镜下可以观察到大小不等的各类孔隙、喉道、晶洞和裂缝组成的复杂多孔系统,并具有网格状有限连通的特征,这些孔隙是主要的储集空间。 孔隙度大小在一定程度上控制着页岩的含气性,例如阿巴拉契亚盆地Ohio 页岩和密执安盆地Antrim 页岩,局部孔隙度高达15%,游离气体积占总孔隙体积的50%(Hill,2002)。 渗透率是判断一个页岩气藏是否具有经济价值的重要参数,页岩的基质渗透率非常低,一般小于0.01 md,甚至为纳达西级,但随裂缝的发育,渗透率将大大提高;然而,页岩气井要以一定速度生产天然气所需要的渗透率要比在岩芯中测得的值大很多,故需要形成大量的人工干预性裂缝来维持商业生产。 本次研究测试了目的层地表样品与井下样品的孔渗性能,并对测试结果进行了对比分析。

研究区上奥陶统—下志留统页岩样品孔隙度、渗透率测试数据表明,该套页岩属低孔低渗储层。 露头页岩样品孔隙度为0.21% ~19.28%,平均6.45%。 从所有样品的分布频率上看,孔隙度小于2%的占30.77%,分布在2% ~7%的占全部样品的38.46%,分布在7% ~10%的占全部样品的7.69%,大于10%的占23.08%,部分样品孔隙度偏大可能与地表风化作用相关(图6. 43)。 上奥陶统-下志留统主要露头页岩样品渗透率主要分布于0.006 ~0.065 1×10-3 μm2,平均0.010 5×10-3 μm2。 分析表明,所测渗透率样品均大于0.005×10-3 μm2,分布在0.005 ~0.01×10-3 μm2 的占23.08%,分布在0.01 ~0.05×10-3 μm2 的占46.15%,分布在0.05 ~0.1×10-3 μm2 的占30.77%,没有大于0.1×10-3 μm2 的样品(图6.44)。 孔隙度和渗透率呈一定的正相关关系(图6.45),这可能是由于页岩渗透性还受到了裂缝发育、孔隙喉道连通性能的影响,部分样品渗透率偏大,与样品的裂缝发育程度有关。

图6.43　研究区上奥陶-下志留统地表样品孔隙度和累计分布直方图

图6.44　研究区上奥陶统-下志留统地表样品渗透率和累计分布直方图

图6.45　研究区地表样品上奥陶统-下志留统页岩孔隙度和渗透率关系

根据研究区七口页岩气地质参数井目的层页岩岩心的物性测试数据,上奥陶统-下志留统页岩样品孔隙度为0. 09% ~ 5. 61%,平均0. 89%;渗透率主要分布在(0. 000 1 ~0.338 4)×10-3μm2,平均0.011×10-3μm2,个别样品渗透率大于1×10-3μm2,可能受裂缝影响。 物性测试数据显示地表露头样品测得的页岩孔隙度普遍比钻井岩心样品大,这可能是由于地表页岩长期经受风化剥蚀作用,导致页岩颗粒结构变疏松、孔隙度增大,因此,井下岩心样品的物性实验数据更具代表性。

通过统计各井和野外剖面点数据孔隙度平均值,绘制出渝东南地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组孔隙度变化等值线图(图6.46)。 从图中可以看出,孔隙度最大值分布在黔江区黔页1 井,为5.36%,最小值分布在秀山县南部和武隆西部,均小于1%,研究区中部孔隙度变化不大,分布在2% ~3%。

图6.46　渝东南地区五峰组—龙马溪组孔隙度变化等值线图

2)储集空间类型

在储集空间方面,页岩储层实际上与常规碎屑岩和碳酸盐岩储层类似,也发育各类孔隙和裂缝,但在孔缝类型、大小及发育规模上都存在许多差异。 为了研究页岩的储集空间特征,对研究区页岩样品进行了高分辨率电镜扫描图像分析、薄片微观结构和矿物成分鉴定等实验,发现研究区五峰组—龙马溪组页岩储层的储集空间类型主要为孔隙和裂缝两大类。

(1)孔隙类型

研究区五峰组—龙马溪组主要发育有4 种储集空间类型,即有机质孔、粒间孔隙、粒内孔隙、黏土矿物层间孔隙。

①有机质孔。 将页岩中有机质(干酪根或沥青)内部的孔隙,称为有机质孔(＜0. 2 μm),这大多是有机质在生烃或排烃作用时,发生膨胀而产生的气孔,因而这类孔隙在有机质发育的黑色碳质页岩段内较为发育,对该类页岩孔隙度的贡献不可忽视(图6.47)。

图6.47　研究区五峰组—龙马溪组页岩有机质孔隙特征

②粒间空隙(矿物质孔、有机质与矿物质之间孔)指页岩中各类颗粒之间的孔隙,此类孔隙在砂质含量较重的粉砂质页岩、泥质粉砂岩内广泛发育。 通过扫描电镜或X 射线衍射实验可以观察到研究区五峰组—龙马溪组页岩粒间空隙主要包括矿物质孔和有机质与矿物质之间的孔隙。 其中,矿物质孔主要是黏土矿物颗粒间或晶体间的孔隙,矿物颗粒越大,其粒间孔越大,其孔隙直径分布在纳米级与5 μm 之间[图6.48(a)、(b)、(c)]。 有机质和矿物之间的各种孔隙只占页岩孔隙的一小部分,但却意义重大;该类孔隙连通了有机质(沥青)或干酪根网络和矿物质孔[图6.48(d)],把两类孔隙连接起来,使得有机质中生成的天然气能够运移至矿物质孔赋存,某种程度上有微裂缝的作用,对页岩气的聚集和产出至关重要。

图6.48　研究区五峰组—龙马溪组页岩粒间孔隙特征(www.xing528.com)

③粒内空隙。 粒内孔隙是指矿物颗粒内的孔隙,主要是石英、方解石和白云石等易溶矿物的溶蚀作用而产生的孔隙。 溶蚀孔隙的形状不规则,成群发育,其特点是孔隙壁呈曲线,从目前的观察来看,溶蚀孔径从几十到几百纳米不等(图6.49)。

④黏土矿物层间孔隙。 随着地层埋深增加、地温增高和地层水逐渐变为碱性,黏土矿物发生脱水转化而析出大量的层间水,在层间形成微裂隙。 黏土矿物转化形式主要包括蒙脱石向伊利石、伊利石-蒙脱石混层转化,伊利石-蒙脱石混层向伊利石转化,高岭石向绿泥石转化等。 研究区五峰组—龙马溪组样品中丝缕状、卷曲片状伊利石间发育大量微裂隙,缝宽一般为纳米级别,最大可达6.5 μm,连通性较好(图6.50)。

(2)裂缝

裂缝是龙马溪组页岩中常见的一种储集空间类型,也是渗流通道,是页岩气从基质孔隙流入井底的必要途径。 裂缝的形成主要与岩石的脆性、有机质生烃、地层孔隙压力、差异水平压力、断裂和褶皱等因素相关。 其中,具有高含量的石英、长石、钙质等脆性矿物是页岩裂缝形成的内因,其他因素则是裂缝发育的外因。 研究区裂缝以构造裂缝和成岩形成的层间微裂缝为主(图6.51)。 构造裂缝在研究区比较发育,野外露头、井下岩芯及显微镜下中均可见,裂缝以高角度裂缝为主,低角度缝较少,局部可见两组高角度裂缝相切;通过对酉地2 井、渝参6 井岩芯观察,全井段见层间缝和斜交缝,以中下段最为发育,裂缝大多被方解石和少量的黄铁矿充填。

图6.49　研究区五峰组—龙马溪组页岩粒内孔隙特征

图6.50　研究区五峰组—龙马溪组页岩矿物层间孔隙特征

图6.51　研究区五峰组—龙马溪组裂缝发育特征

3)孔隙结构特征

储集岩的孔隙结构实质上是岩石的微观物理性质,是指岩石所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及相互连通关系(王允诚,2002)。 泥(页)岩的孔喉半径范围一般为0.005 ~0.1 μm,最小的孔喉半径与沥青质分子大小相当,是水分子和甲烷分子的10 倍以上(Philip,2011a,b;Camp,2011)。

(1)比表面积

泥页岩由于粒度细、孔喉小,从而导致其相对于固相岩石中的大孔隙具有更大的内表面积。 研究区五峰—龙马溪组页岩样品BET 比表面积主要分布在2.77 ~23.30 m2/g,平均为11.23 m2/g。 其中,85%以上样品比表面积大于4.0 m2/g(图6.52),表明五峰—龙马溪组页岩孔比表面积总体较大,微孔隙较发育。

图6.52　研究区钻井五峰—龙马溪组黑色页岩BET 比表面积及频率分布直方图

(2)孔喉参数特征

喉道的大小、分布及其几何形状是影响储集层储集能力和渗透特征的主要因素。 渝东南地区五峰组—龙马溪组页岩样品压汞法毛管压力测试显示,研究区所在区域黑色页岩压汞曲线大多位于含汞饱和度(SHg)-毛管力(Pc)半对数直角坐标系的右上方,几乎没有平台(图6.53),页岩孔喉均值主要分布于30 ~50 nm;分选系数较小,均值系数较大,平均值分别为0.08 和0.45,说明该套页岩储层孔喉分布较集中,分选程度较好;排驱压力较大,主要在8.51 MPa 左右,退出效率较低平均为58.97%,二者均说明该套页岩孔喉非常细小。 以上参数特征均反映出五峰组—龙马溪组页岩具有颗粒细小致密、孔隙小、喉道细、连通性差的特点。

图6.53　渝东南黔浅1 井五峰组—龙马溪组组黑色页岩压汞法毛管压力曲线

该套页岩的孔喉半径主要分布在0.00 ~0.10 μm,分布频率分别为90.57%,其次是0.10 ~0.16 μm 区间,分布频率为1.54%,在区间0.16 ~0.25 μm 的分布频率为1.11%,在区间0.25 ~0.40 μm 的分布频率为0.97%,分布在大于0.40 μm 区间的样品很少,分布频率为4.25%(图6.54)。 这进一步表明五峰组—龙马溪组页岩储层孔喉非常细小,渗透率极低,主要发育微型孔隙,孔喉半径主要分布在100 nm 以内,纳米级孔隙占有绝对优势。

图6.54　渝东南地区下五峰组—龙马溪组黑色页岩孔喉半径分布频率直方图