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四川盆地下古生界海相页岩孔隙结构及其与埋深的相关性

谢国梁  
【摘要】:四川盆地下古生界下寒武统筇竹寺组、上奥陶统-下志留统五峰组-龙马溪组海相页岩是我国重要的页岩气勘探开发层系。本文利用FESEM-PCAS孔隙定量表征技术、多重分形分析以及CO_2吸附、N_2吸附等方法对四川盆地筇竹寺组、五峰组-龙马溪组不同埋深典型钻井26口、剖面3条页岩的孔隙形态、非均质性及连通性等特征进行定量表征,以探讨埋藏深度与超压发育等对页岩孔隙结构特征的影响。论文主要取得如下认识:四川盆地筇竹寺组、五峰组-龙马溪组页岩主要发育有机质孔隙、矿物基质孔隙和裂缝等孔隙类型。页岩的有机质孔隙/矿物基质孔隙发育的比例、孔隙形态、孔隙非均质性和连通性等孔隙结构特征受到页岩有机质组分类型、埋藏深度、压力系数及矿物组成等因素综合控制。基于光学显微镜、扫描电镜对筇竹寺组、五峰组-龙马溪组页岩中的有机质组分进行观察,共识别出焦沥青、球状干酪根、藻类体碎片、细菌集合体、笔石和微粒体共6类有机质组分,并利用FESEM-PCAS定量技术分析不同有机质组分类型的孔隙发育特征,发现焦沥青孔隙在页岩样品中最为发育,面孔率及形状系数较高。焦沥青孔隙发育程度与页岩矿物组分密切相关,富硅的页岩样品焦沥青孔隙更为发育,面孔率更高。石英对于焦沥青孔隙的保护作用要好于黄铁矿、方解石等刚性矿物。基于盒计数法多重分形表征了页岩孔隙的非均质性和连通性。研究发现,超深层筇竹寺组页岩具有较低的微孔非均质性、较高的介孔-宏孔非均质性以及较高微孔、介孔-宏孔连通性。石英可以增加超深层筇竹寺组页岩微孔的非均质性,而TOC一定程度上可降低页岩介孔-宏孔的非均质性。基于约束控制变量思路,对比分析不同埋深、压力系数、页岩岩相、测试产量(含气量)下页岩的孔隙结构特征。研究认为:(1)与超深层埋深密切相关的压实作用可导致超深层埋深下的页岩孔隙结构“均一化”,并且页岩的平均孔径明显偏大。同时,压实作用很可能会改变常压下页岩孔隙的形态,使得近圆形的焦沥青孔隙逐渐消失,令孔隙形态往狭长–裂缝形发展。对比同为超压/高压不同埋深(超深层、深层和中浅层)页岩孔隙结构参数发现,超深层页岩具有最大的平均孔径、介孔/微孔比表面积比和介孔/微孔孔体积比,反映出超深层页岩介孔比例明显占优势;(2)超压可有效抵消上覆地层有效应力促使页岩孔隙(尤其是有机质孔隙)保存。相较于常压页岩储层,超压/高压页岩储层具有更高的面孔率和有机质孔隙发育程度。超压/高压、常压页岩孔隙结构的差异很大程度上体现为有机质孔隙的发育程度,并且受到页岩气封盖条件控制。对于盆内构造稳定区页岩而言,良好的封盖条件利于有机质孔隙发育以及页岩气赋存,进一步形成及维持超压;(3)富硅、富碳的页岩岩相(硅质页岩岩相、含钙/黏土质硅质页岩岩相)相较于黏土矿物含量高的页岩岩相具有更高的面孔率、有机质孔隙发育程度以及比表面积、孔体积,更有利于页岩气赋存;(4)层理缝及层间缝的发育有利于页岩气富集,而构造型裂缝不利于页岩气的保存。构造活动导致的页岩构造裂缝非常发育很可能是造成盆缘页岩含气性差的关键因素。最大程度约束压力系数、页岩岩相等控制页岩孔隙结构因素后,开展黑色页岩埋藏深度与孔隙结构参数的相关性研究,发现平均孔径、介孔/微孔比表面积比和介孔/微孔体积比3个参数对于埋深敏感,均与埋深呈中度-高度正相关性。基于四川盆地黑色页岩的储层特征等相关地质条件,建议以6000 m作为筇竹寺组、五峰组-龙马溪组深层和超深层页岩气储层的分界线,并估算出筇竹寺组、五峰组-龙马溪组页岩气勘探埋深应小于4613 m和5508 m。焦沥青是研究区页岩中含量最高的有机质组分类型,焦沥青孔隙规则、面孔率较高,为热成因孔隙,不受有机质原始类型影响。焦沥青孔隙初始形态稳定,以近圆形至椭圆形为主,目前仍保存有大量甲烷气体的焦沥青孔隙很可能由于其很高的孔隙压力而维持其近圆形或椭圆形的原始形态。因此,从理论上而言,焦沥青孔隙形态可作为页岩所处压力环境(含气性)的指示标志。统计发现,埋深2500 m以深数口典型产气钻井黑色页岩的焦沥青孔隙形状系数与页岩含气量呈中度正相关性,表现为页岩焦沥青孔隙形状越规则(越接近圆形),页岩含气量越高;埋深2500 m以浅,钻井的实测压力系数与页岩含气量之间呈高度正线性相关性,反映在较浅的埋深,页岩孔隙的连通性增加,压力系数能够很好地反映页岩的含气性。因此,焦沥青孔隙形状系数是埋深2500 m以深页岩含气性(微孔超压状态)的良好表征参数。通过对影响四川盆地筇竹寺组、五峰组-龙马溪组页岩含气性的地质因素进行分析,证实筇竹寺组底部含气性差的重要原因是筇竹寺组底部发育的桐湾期不整合面,表现为不整合面上约80m范围内页岩含气量及孔隙结构参数如比表面积、微孔比表面积和总孔体积随埋深增加而显著降低。


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