发布时间：2019-12-20所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：为明确富有机质页岩孔隙演化规律，以鄂尔多斯盆地三叠系延长组不同成熟度(RO值介于0.53%～1.09%之间)黑色页岩为研究对象，通过扫描电镜、氮气吸附和X-射线衍射等技术手段对页岩储层的纳米孔隙及热演化特征进行研究，并依据FHH分形模型探讨了页岩孔隙分
摘要：为明确富有机质页岩孔隙演化规律，以鄂尔多斯盆地三叠系延长组不同成熟度(RO值介于0.53%～1.09%之间)黑色页岩为研究对象，通过扫描电镜、氮气吸附和X-射线衍射等技术手段对页岩储层的纳米孔隙及热演化特征进行研究，并依据FHH分形模型探讨了页岩孔隙分形特征及热演化规律。结果表明：页岩孔隙总体积和比表面积主要受控于中孔(2～50nm)和大孔(>50nm)，并与TOC含量有较好的相关性;随着RO值的增加，页岩孔隙总体积先下降，再略微上升，比表面积先下降，再明显回升，这是压实作用和生排烃作用共同作用的结果。RO值与有机质孔发育程度密切相关，是中孔的最大贡献者。页岩孔隙的分形维数普遍较高，随着热演化程度的加深整体呈增大趋势，且与孔体积及平均孔径显著负相关，与比表面积正相关，表明页岩孔隙结构趋于复杂，吸附能力提升。
关键词：页岩;成熟度;孔隙结构;分形维数;孔隙演化
0引言
近年来，页岩气藏作为一种自生自储的非常规油气藏受到广泛关注[1-3]。页岩储层极为致密，内部发育大量结构复杂的纳米孔隙，气体以吸附或游离态储存在孔隙中[4]。目前，国内外学者已对鄂尔多斯盆地延长组长7段页岩孔隙类型、大小、结构等方面展开了大量研究并取得了丰硕成果[5-8]，但对页岩孔隙演化的研究还相对薄弱[9，10]。
泥页岩的孔隙演化受到生烃作用、成岩作用的共同控制[11，12]。由于不同区域页岩矿物组成及埋藏热演化史存在较大差异，前人对页岩微孔隙的发育特征及热演化规律的认识还存在较多分歧[13-16]。胡海燕[17]对美国Woodford页岩进行热模拟实验，通过控制实验温度得出孔隙度随热成熟度增高而增加的结论;Sun等[18]对鄂尔多斯盆地长7段页岩的热模拟实验，亦通过控制温度得出总孔体积与热解温度呈正相关的规律。崔景伟等[19]对鄂尔多斯盆地华池附近页岩进行热模拟实验，在半封闭实验体系中同时控制温度和压力，得到中孔孔容随温度和压力升高先减小后增大的规律，并认为这与页岩黏土矿物和有机质丰度有关。吴松涛等[16]通过保持压力不变，不断提高实验温度的热模拟实验，对华池附近的页岩样品进行了研究，结果表明低成熟阶段到成熟阶段的页岩，孔隙度随成熟度的增加先降低后升高。故通过热模拟实验方法表征页岩孔隙演化易因实验方案的差异而出现不同的结果，且模拟样品部分数据与实际地质样品存在较大偏差。
因此，部分学者通过表征人工选择的不同成熟度页岩样品孔隙特征的方法，来研究富有机质页岩微观孔隙演化规律。如：陈燕燕等[20]通过对美国伊利诺伊盆地的不同成熟度页岩样品进行表征，发现页岩总孔体积呈现出非单调演化趋势;张闯辉等[21]选取华北盆地页岩样品，得出页岩孔体积随成熟度先减小后增大再减小的变化趋势。但由于页岩非均质性较强，孔隙结构复杂，前人在样品选择时普遍范围较大，易对页岩样品原始孔隙结构造成影响。此外，已有很多学者采用分形维数来定量表征页岩孔隙结构的复杂性[22，23]，加深了对储层孔隙结构的认识，有利于评价页岩气的吸附储存能力，但关于页岩孔隙分性特征在热演化过程中的变化规律尚未进行深入探讨。
基于上述问题，本文以鄂尔多斯盆地富有机质页岩为对象，通过电镜扫描、氮气吸附和X-射线衍射等技术手段对页岩储层的纳米孔隙及热演化特征进行了研究，并依据FHH分形模型探讨了页岩孔隙分形特征及热演化规律。样品主要选自盆地东南部甘泉地区，通过缩小取样范围以排除构造等因素对孔隙特征的影响。在大量的地球化学测试基础上，排除样品有机质类型和矿物组成等因素对泥页岩孔隙结构的影响，以减小样品原始孔隙结构与排烃效率等差异。按成熟度递增的顺序依次选取处于生烃阶段的不同演化程度页岩样品，并对样品进行气体吸附、扫描电镜、X-射线衍射等分析，探讨富有机质页岩微观孔隙演化规律;结合不同成熟度页岩孔隙分形维数的计算结果，分析页岩孔隙分形特征的热演化规律及与孔隙结构的相关关系，辅助研究热演化过程中页岩孔隙结构的变化。
1样品与实验分析
1.1样品特征
样品均采自鄂尔多斯盆地延长组长7段(表1)，其中7个样品采自盆地东南部的甘泉地区，受该区页岩成熟度限制，其余2个低成熟度的样品采自渭北隆起姚湾地区。样品有机质类型均为Ⅱ1型，参考鄂尔多斯盆地热演化范围为0.5%～1.2%，所选取地质样品的镜质体反射率(RO)值介于0.53%～1.09%之间，总有机碳质量分数(TOC)值介于3.08%～14%之间。
1.2实验方法
低温氮气吸附实验在中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心测试完成，所采用仪器为ASAP2020比表面积测定仪，原理为低温气体吸附会受孔隙特征的影响。实验操作过程分4步：①粉碎页岩样品至40～60目;②自动脱气：温度为150℃，脱气时间为24h;③真空脱气：温度为150℃，脱气时间为2h，目的为去除样品中部分残留气体;④最后通入高纯氮气，温度为-197℃，开始进行等温物理吸附—脱附测定。该方法可实现对页岩比表面积、孔体积及孔径分布等参数的定量评价。
氩离子抛光—场发射扫描电镜实验采用德国ZEISS公司生产的型号为MerlinCompact场发射扫描电子显微镜，可实现样品超高分辨率的微观形貌观察。该仪器可分别获得二次电子或背散射电子图像，有卓越的分辨能力，分辨率：0.8nm@15KV;1.6nm@1KV。利用氩离子抛光系统(配备有液氮冷台)对样品进行扇形截面(扇形角度为10°～90°可调)和平面抛光，可实现对页岩纳米孔的观察。
2实验结果
2.1页岩无机矿物组成
从表1可以看出，页岩样品热成熟度主要位于生油窗内(RO=0.53%～1.09%);除姚湾地区2个样品外，其余样品TOC质量分数较为集中(3.24%～5.93%)，有机质含量丰富。样品主要矿物成分有石英、长石、黄铁矿和黏土矿物等，部分样品还含有碳酸盐(表1)。石英含量介于15.8%～44%之间，均值为28.39%;长石含量介于6.8%～47%之间，均值为21.29%;黄铁矿含量介于2%～21%之间，均值为7.7%;黏土矿物含量较高，介于18.6%～51.1%之间，均值为35.11%。
2.2氮气吸附曲线
地质样品低温氮气吸附—脱附等温曲线如图1所示，曲线起点低压段(0.8)吸附曲线上升迅速，没有明显的吸附限制，表明样品中含有一定量大孔。根据曲线形态可定性地反映页岩孔隙结构[24]，图1中吸附脱附曲线类似于IPUAC分类中H3型回线，兼具H4型回线特征[25]，指示样品孔隙类型主要以平板状、狭缝状以及墨水瓶状等开放型孔隙为主，该类孔隙连通性较好，孔隙结构对页岩气的运移有利[26]，且图1(a)—图1(c)、图1(i)中样品吸附曲线上升速率大，表明其孔隙开放程度较大[27]。此外，滞后环越大[图1(d)—图1(h)]，说明样品孔隙更趋向于无规则，微孔含量更高。在相对压力接近1时样品吸附量越大，则孔体积越大，图1中前6个样品吸附量依次减小，后3个样品又呈增大趋势，这表明样品孔体积先减小后增大。
地质样品孔隙结构参数如表2，比表面积在2.0387～6.981m2/g之间，均值为4.3m2/g，约大于常规砂岩比表面积1m2/g;孔体积在0.007318～0.035744cm3/g之间，均值为0.017369cm3/g;平均孔径在8.3992～18.889nm之间，平均为14.9577nm，表明长7段页岩以中孔为主。
等温N2吸附方法和BJH方法还可以得到样品的孔径分布，从而分析样品的主导孔径和不同孔径所提供的孔体积对总孔隙体积的贡献等[28，29](图2)，从孔径分布曲线可以观察到对于所有样品，有10～15nm和80～90nm2个峰值，表明长7段页岩的孔隙主要由中孔和部分大孔所支配，且从图2中可看出小于2nm的微孔对应孔体积分布情况较为复杂。
2.3分形维数计算
由于沉积和成岩过程的复杂性，页岩通常具有不规则的孔隙几何形状和复杂的孔隙结构[30，31]。可应用分形维数(D)来定量评价孔隙表面粗糙度和结构不规则性[32]。当岩石的分形维数介于2～3之间，可反映孔结构或孔表面的非均质性。其中当分形维数越接近2时，代表孔隙表面越规则;当分形维数越接近3时，孔隙表面则越不规则[33]，通过分形维数的分析能够加深对页岩储层孔隙结构特征及其吸附能力的认识[34]，本文主要应用FHH模型计算页岩孔隙结构特征的分形维数，其表达式为：
LnV=KLn[Ln(P0/P)]+C
式中：P、P0分别为吸附平衡压力、饱和蒸汽压力，MPa;V为吸附平衡压力下对应的气体吸附量，cm3/g;K为LnV和Ln[Ln(P0/P)]的双对数曲线的斜率;分形维数D利用斜率来计算D=K+3;C为常数。
根据N2吸附等温线数据，得到了所有样品的LnV—Ln[Ln(P0/P)]关系图(图3)，应用K=(D-3)进行页岩分形维数的计算，分形维数计算结果介于2.513～2.745范围内(表3)，整体偏高，与前人计算结果相符[35]，这表明页岩孔隙具有显著的分形特征，孔隙表面不规则。
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3讨论
3.1有机质孔特征及其热演化规律
有机质孔是页岩微观孔隙中最为重要的孔隙类型之一，主要指有机质内的孔隙[36]。Chen等[13]对人造页岩样品的观察研究发现，纳米孔隙的增加与有机质、矿物有机质结合体及有机质内部孔隙有很大关系。该类孔隙主要受其热演化程度的控制，即随着页岩热演化程度的不断增加，有机质逐渐转化为烃类并产生有机质孔[37，38]，笔者通过观察地质样品的扫描电镜图像(图4)发现：有机质孔的发育程度与页岩热演化程度呈现出相关性，在低成熟度页岩[图4(a)—图4(d)]中缺乏该类孔隙，而在较高成熟度页岩[图4(e)—图4(i)]中有机质孔增多。一般将页岩孔隙分为微孔(<2nm)、中孔(2～50nm)、大孔(>50nm)，有机质孔可以微孔或中孔的形式单独存在[图4(f)—图4(h)]，呈椭圆形、近圆形等;亦可相互连通形成中孔和部分大孔，呈蜂窝状成群分布[图4(e)]，图4(i)]，部分大孔也可见不规则形，这是由于在压实过程中，大孔比小孔更容易变形[39];页岩非均质性较强，同一视域内的有机质，有机质孔发育程度可能存在很大差异[图4(e)]，推测与有机质颗粒显微组成差别相关[40]，有些显微组分在生烃过程中不会发生降解所以没有孔隙形成[41]，如木质显微组织便不能生烃，这表明有机质孔的发育不仅受有机质丰度及成熟度的控制，有机质类型也会对其有较大影响。
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