通讯作者简介 唐书恒,男,1965年生,教授,主要研究方向为油气储集层地质与评价及煤层气地质与开发等。E-mail: tangsh@cugb.edu.cn。
第一作者简介 范二平,女,1987年生,中国地质大学(北京)博士研究生,从事非常规油气勘探评价工作。E-mail:dacangdong@163.com。
利用扫描电镜对湘西北下古生界下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组的黑色页岩样品进行了观察,进一步分析了黑色页岩中的微观孔隙类型、特征及其形成演化过程。区内两套黑色页岩内部发育多种储集空间类型,可概括分为 3大类:矿物基质孔、有机质孔、微裂缝,其中矿物基质孔又可细分为粒间骨架孔、凝絮成因孔、溶蚀孔和基质晶间孔,有机质孔主要包括生物骨架孔和生烃残留孔。原始的沉积环境与成岩过程决定了泥页岩中的孔隙和微裂缝系统,不同的成岩阶段控制着页岩中孔隙结构的演化过程,进而影响着页岩气的赋存状态。泥页岩中这种复杂的微观孔隙网络系统为油气储集提供了有效空间,也为页岩气的渗流提供了主要通道,对页岩气的成藏和开发有重要意义。
About the corresponding author Tang Shuheng,born in 1965,is a professor of China University of Geosciences(Beijing).He is mainly engaged in the evaluation of oil and gas reservoir and coalbed methane geology and development.E-mail: tangsh@cugb.edu.cn.
About the first author Fan Erping,born in 1987,is a Ph.D. candidate of China University of Geosciences(Beijing).Her academic interest is focused on unconventional oil and gas exploration.E-mail:dacangdong@163.com.
This paper scanned systematically the black shale samples of the Lower Paleozoic Niutitang Formation of Lower Cambrian and Longmaxi Formation of Lower Silurian in northwestern Hunan using scanning electron microscope(SEM). The micropore types, characteristics, forming and evolution process were further analyzed.A variety of pores developed in the two sets of black shale can be summarized into three broad categories: Mineral matrix pore,organic pore and microfracture.The mineral matrix pore can be subdivided into intergranular skeleton pore,floccule pore,dissolution pore and matrix intercrystal pore. The organic pore mainly include biological skeleton pore and residual pore of hydrocarbon generation.Original depositional environment and diagenetic process determine the pore system in the shale,and different diagenetic stages control the evolution of pore texture as well as affect the occurrence of shale gas. The complex network of micropores in shale provides the effective space for oil or gas reservoir and the main channel for shale gas seepage,which has an important significance to shale gas accumulation and development.
页岩气是主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中、以吸附或游离状态为主要存在方式聚集的天然气(Curtis, 2002)。近年来中国对页岩气储集层的研究取得了一定进展, 认识到泥页岩中蕴含着丰富的微孔隙和微裂隙, 是页岩气重要的储存空间与流通通道。孔隙发育程度直接关系到页岩气的储量大小及勘探开发价值。但目前国内关于页岩孔隙类型的研究较少, 尚未形成统一的研究标准。
国外许多学者对这一问题已进行了深入的研究, Loucks等(2009, 2012)在对Barnett页岩孔隙研究中认为页岩储集层中常发育微孔(孔隙直径≥ 0.75 μ m)和纳米孔(孔隙直径< 0.75 μ m)2种尺度孔隙; 并将北美页岩中的孔隙类型概括为3种:(1)粒间孔, 存在于矿物颗粒和晶粒之间的孔隙; (2)粒内孔, 存在于颗粒(矿物、晶粒、生物及草莓状黄铁矿)内部的孔隙; (3)和有机质相关的一些孔隙。目前大多数研究(Chalmers et al., 2012; Fishman et al., 2012)使用国际理论与应用化学联合会的分类标准, 即孔隙直径小于2, nm的称为微孔隙(micropores), 2~50 nm的为中孔隙(mesopores), 大于50 nm的为宏孔隙(macropores)。同时, Slatt和O'Brien(2011)对Barnett和Woodfort页岩孔隙成因进行了研究, 发现其主要发育的孔隙为絮状矿物的粒间孔、埋藏和成熟阶段形成的有机质生烃反应残留孔、生物碎屑孔、生物粪粒孔、矿物颗粒粒内孔和微裂缝。
与砂岩和碳酸盐岩相比, 页岩储集层孔隙类型更复杂, 孔隙直径更小, 应用扫描电子显微镜可以对这些微孔隙的微观结构进行更直观的观察, 进一步了解孔隙的大小、形态和发育程度等, 从而对研究页岩气的成藏机理和运移规律等进行更深入的了解, 为将来的勘探开发提供可靠的依据(Milner et al., 2010; 焦淑静等, 2012)。因此, 作者分别对湘西北下古生界2套黑色页岩, 即下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组, 进行矿物组成和形态观察分析与研究, 系统总结了该区页岩中的微孔隙或微裂缝类型、特征及其形成演化过程。
湘西北位于扬子准地台东南缘上扬子台褶带、江南地轴结合部位的武陵褶断束内。在地层分区上, 隶属于扬子区和江南区的过渡地带(肖正辉等, 2012)。下古生界区内主要发育2套页岩气勘探有利层位, 包括下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组(董大忠等, 2010)。下寒武统牛蹄塘组下部为黑色高碳质页岩, 中上部为黑色碳质页岩夹灰绿色含碳质粉砂岩和粉砂质泥岩的地层序列。其主要形成于大陆边缘的深水滞留缺氧的陆棚到斜坡环境, 与Fort Worth盆地Barnett页岩的形成环境相似, 均是古生代海相水动力较弱或停滞的缺氧还原的沉积背景下形成的富含有机碳的页岩(Loucks et al., 2007)。下志留统龙马溪组为一套富含笔石的黑色碳质、硅质页岩, 反映早志留世早期属于半局限滨岸至局限浅海盆地沉积背景。本次研究, 对湘西北下古生界野外地质剖面进行观察分析素描, 并在此基础上进行系统采样(图 1), 挑选处理的样品包括下志留统龙马溪组(8个)和下寒武统牛蹄塘组(18个), 并对26个样品进行了扫描电镜分析。
实验采用顶底面比较平整的新鲜样品层面(大小约0.5 cm× 0.5 cm)进行制样, 用导电胶将样品固定在样品台上进行镀金, 以增强其导电性。样品制备完成后, 采用CX-200TM型扫描电镜对样品进行观察。
通过扫描电镜观察, 发现湘西北下古生界黑色页岩样品中分布有不同形态的有机质碎片、有机质絮团和黏土矿物碎片, 此外还观察到一些古生物的遗体化石和碎屑(图 2-A, 2-B, 2-C)。该区页岩中主要黏土矿物有片状伊利石和伊蒙混层、针状绿泥石等(图 2-D)。在扫描电镜下观察到页岩样品中黄铁矿异常发育, 莓粒状、团窝状黄铁矿集合体较普遍存在于页岩中, 其内部由许多小的球粒状、八面体状等黄铁矿单晶组成(图 2-E)。在页岩的微层面或裂缝间可见发育有自生的柱状石膏颗粒(图 2-F), 此外还观察到大量的石英、长石和方解石等常见矿物。
不同的矿物组合形成了泥页岩中微孔隙与微裂缝系统, 在扫描电镜观察中, 发现泥页岩样品内部存在多种孔隙类型, 孔径大小主要分布在10 μ m~100 nm, 因此笔者在参考前人对页岩孔隙种类划分的基础上(Loucks et al., 2012), 将湘西北下古生界黑色页岩中观察到的孔隙类型概括分为3大类:矿物基质孔、有机质孔和微裂缝(表 1)。
矿物基质孔主要产生于泥页岩中各类无机矿物颗粒内部和之间, 包括石英、长石等矿物及岩屑颗粒之间形成的格架孔, 片状黏土矿物形成的凝絮孔, 方解石和长石等矿物颗粒内部因溶蚀形成的孔隙, 黏土矿物晶片之间和黄铁矿球形颗粒之间形成的晶间孔。其主要特点为孔隙相对较大, 微米级— 纳米级不等, 孔隙结构复杂, 连通性好。
2.1.1 粒间骨架孔
粒间骨架孔主要由方解石、石英和长石等矿物颗粒、岩屑颗粒支撑形成的微米级孔隙。在成岩过程中, 石英、方解石等脆性矿物之间, 岩屑颗粒之间以及矿物颗粒与岩屑颗粒之间相互支撑和叠置, 彼此接触时会形成具有不规则形状的孔隙。同时片状黏土矿物在与上述颗粒接触时, 随着压实作用的加强, 由于彼此存在硬度差异, 黏土矿物可发生塑性变形, 在与脆性矿物或岩屑接触的边缘形成大量孔隙。泥页岩中的各种碎屑颗粒堆积形成的孔隙, 孔隙大小从几微米到几十微米, 形态复杂, 连通性好, 是游离气主要的赋存场所和渗流通道(图 3-A)。自生方解石和石英颗粒间形成的孔隙, 孔隙结构与矿物晶体形态相关, 可见三角形、多边形和长条形, 大小一般为1~5 μ m(图 3-B, 3-C); 成岩作用中, 石英颗粒周围被黏土矿物包围也可形成孔隙(图 3-D)。
2.1.2 凝絮成因孔
矿物碎片(多为黏土矿物)在海水静电作用下以絮团状沉降到海底, 形成的这些絮凝团具有一定的内部结构, 表现为黏土碎片边对边、面对面、边对面不同取向的排列。这些矿物絮凝团内部往往形成网格状或条带状的孔隙, 这就是絮凝成因孔。传统观点认为大多数黏土颗粒会形成平行于层理的线性展布, 在成岩和压实作用下絮凝物内部黏土矿物边对边或边对面排列形成似网格状孔隙会很难保存下来(Slatt and O'Brien, 2011; 吴勘等, 2012), 但正如在Barnett和Woodford页岩中见到这种孔隙一样, 在湘西北下古生界黑色页岩中确实也观察到了这种透孔织物结构(图 3-E, 3-F), 这些孔隙大小变化较大, 孔径从纳米级至数微米, 各孔隙间往往相互连通。图3-F为受一定絮凝作用影响形成的长条通道型孔隙, 通道宽度0.1~1 μ m, 微定向排列, 是页岩气在页岩基质中的重要渗流通道。也可以说, 凝絮成因孔为粒间骨架孔中较特殊的一类, 它的出现表明海相环境中大量泥质颗粒远距离悬浮沉积的特殊性和复杂性。
2.1.3 溶蚀孔
溶蚀孔隙主要是泥页岩中方解石等碳酸盐和长石等矿物在溶蚀作用下(主要是由于泥页岩生烃过程中生成的有机酸或CO2溶于水形成碳酸, 产生溶解作用)产生的孔隙。图4-A显示了碎屑颗粒发育大量的溶蚀孔, 图4-B、4-C为方解石内部和长石矿物内部生成的溶蚀孔, 这些孔大多近圆形或椭圆形, 大小多为微米以下, 彼此之间连通性通常较差, 为一些相对孤立的孔隙。但溶蚀作用较强烈时, 也会成为页岩气渗流的主要通道。
2.1.4 基质晶间孔
基质晶间孔主要是指矿物集合体内部晶体片层或晶粒之间的孔隙, 泥页岩中主要常见到为黏土片层间孔和黄铁矿晶间孔两类。通常黏土矿物具有由黏土晶层形成的层间微孔隙, 图4-D为扫描电镜下观察到的弯曲排列的伊利石晶体薄片, 集合体薄片之间形成孔径为小于3 μ m的孔隙, 这些微孔隙一般体积小, 但数量多, 表面积大, 具有较强的吸附性, 为天然气提供了吸附的场所。湘西北下古生界黑色页岩中黄铁矿普遍发育, 多呈草莓状集合体出现, 这些草莓状集合体直径为几微米到几十微米, 内部由许多黄铁矿晶粒组成, 这些黄铁矿晶粒间往往存在一定数量的微米到纳米级孔隙(图 4-E, 4-F), 连通性较差。
有机质孔主要为与生物化石有关的孔隙和有机质生烃热演化过程中产生的孔隙。该类孔隙一般相对较小, 多为纳米级, 表面积大, 是大量吸附气储集的空间。
2.2.1 有机质化石孔
有机质化石孔的形成是岩石中保存下来的有机化石物质, 后期埋藏成岩时受地下温度、压力升高的影响, 体内软体组织腐烂溶蚀之后形成的孔隙。Slatt和O'Brien(2011)在研究Barnett页岩和Woodford页岩孔隙特征时, 曾发现很多与生物化石相关的孔隙, 包括多孔的硅质海绵针状体、有孔虫等生物骨架化石以及生物扰动及排泄作用形成的孔隙。作者在湘西北下古生界黑色页岩中观察到大量的硅藻化石孔, 这种硅藻起源于前寒武纪(叶玥豪等, 2012), 外壳由坚硬的非晶质硅组成, 内部有机质腐烂后形成许多规则排列的看似筛状的小圆孔, 这些纳米级的小孔具有很好的连通性(图 5-A, 5-B)。
2.2.2 有机质生烃孔
扫描电镜下观察到湘西北黑色泥页岩中有机质内部产生大量纳米级孔隙, 这些孔隙是随着热演化程度的进行、有机质内部热解生烃残留形成的。图5-C为块状有机质生烃后残留的孤立纳米孔; 图5-D则显示了疏松多孔的絮团状有机质内部发育很多连通的纳米孔。通常其形成、分布及大小主要与泥页岩有机质丰度、类型及热演化程度有关(黄振凯等, 2013)。随着热演化程度增高, 有机质生烃后会形成更多的微孔隙, 孔径也会相应增大。一个有机质团块内部可含几百到几千个纳米孔, 这些微孔隙大多为不规则的圆形或椭圆形, 极大地提高了页岩的吸附能力。
泥页岩中微裂隙发育不仅为页岩气提供充足的储集空间与运移通道, 更重要的有利于页岩气的后期开发(龙鹏宇等, 2012)。通常这些微裂缝是在成岩过程中形成, 区别于宏观构造成因缝, 规模较小。这些微裂缝的宽度一般不超过0.5 μ m, 为甲烷分子的渗流提供了充足的空间。成岩作用中, 黏土矿物失水收缩可发育大量微裂缝, 薄片状黏土矿物层间可形成裂缝(图 6-A); 图6-B为有机质过成熟阶段, 局部压力增加或体积收缩形成的微裂缝; 通常微裂缝形成后, 会被后期矿物充填(图 6-C), 同时随着压力的增加, 常呈现闭合— 半闭合的状态。这些微裂缝有利于后期人工造缝, 往往成为连通孔隙与宏观缝的通道, 对页岩气开发有重要意义。
页岩储集层的沉积环境、成岩作用共同决定了页岩的岩石矿物特征以及孔隙类型, 是研究页岩孔隙类型的基础, 不同沉积模式下的富有机质黑色页岩矿物组成变化较大(钟太贤, 2012)。湘西北牛蹄塘组和龙马溪组黑色页岩整体上都为海相陆棚沉积, 其矿物成分变化不是十分明显, 主要矿物为石英、黏土矿物(伊利石、绿泥石)、碳酸盐矿物(方解石)等。其中黏土矿物的物理化学性质最弱, 成岩作用过程中容易发生机械变形, 同时也会产生相变, 例如蒙脱石向伊利石转变; 而石英、黄铁矿则化学性相对稳定, 抗压实性也强; 长石、碳酸盐矿物如方解石等则具有较弱的化学稳定性, 易被溶蚀。所以说, 由于各种矿物的化学物理性质不同, 在成岩过程中其对页岩孔隙的贡献率也存在差异。当然, 作为页岩孔隙体系的重要组成, 有机质生烃演化形成的孔隙也不容忽视。
在成岩作用过程中, 随着温度、压力的增高, 页岩孔隙的总体积逐渐下降, 页岩中的各类孔隙结构也随之演化, 对页岩气赋存及渗流的贡献率也发生改变(图 7)。在浅埋藏阶段, 随着压实作用的增强, 各种颗粒支撑形成的骨架孔迅速下降, 同时黏土矿物发生塑性变形, 在硬度较大的石英、长石周围可形成微孔, 同时这个阶段会形成一些化学胶结物(例如碳酸盐、黄铁矿), 总体上呈现孔隙总体积减小, 孔径变小, 微孔比例增加; 随着埋深的进一步增加, 各类矿物会发生溶蚀再沉淀、交代等作用, 致使页岩孔隙结构进一步改变, 当达到有机质生烃门限时, 有机质内部残留的纳米孔将成为主要的储气空间。
湘西北牛蹄塘组黑色页岩镜质体反射率RO在0.9%~7.52%之间, 平均为3.97%, 已达到高成熟及过成熟阶段, 志留系龙马溪组黑色泥岩镜质体反射率RO在1.06%~4.28%, 平均为2.59%, 也达到过成熟阶段, 相当处于晚成岩阶段。因此在扫描电镜中能够观察到大量的溶蚀孔, 颗粒骨架孔占的比例较小, 同时孔隙的体积较小。许多微裂缝处于闭合— 半闭合状态, 裂缝内部多被后期重结晶矿物颗粒充填。实验中样品都是常规制片(未制作Ar离子抛光薄片), 在一定程度上会影响有机质纳米级微观孔隙的鉴定(刘树根等, 2011)。但由于测试样品富集有机质且处于高— 过成熟阶段, 推测其存在大量有机质粒内孔。这一设想得到了样品低温液氮孔容分布结果的证实, 大部分黑色页岩样品主要以微小孔(< 100 nm)为主, 微孔对孔容的贡献大(图 8)。总之, 泥页岩中孔隙的类型和结构演化是由沉积环境和成岩作用过程共同控制的。
湘西北下古生界两套黑色页岩中发育大量的微观孔隙, 通过扫描电镜观察各类孔隙的大小、形态和分布等特征, 将湘西北下古生界黑色页岩中观察到的储集空间类型划分为3大类7小类:矿物基质孔(粒间骨架孔、凝絮成因孔、溶蚀孔、基质晶间孔), 与有机质有关的孔隙(生物骨架孔和生烃孔)以及微裂缝。
原始的沉积环境与成岩演化过程共同影响着泥页岩中的微观孔隙系统。各种类型的微观孔隙为页岩气提供了不同的储集空间, 影响其赋存状态。泥页岩中这种复杂的微观孔隙网络为油气从烃源岩向外排驱提供了有效通道, 对于研究页岩气成藏有重要意义, 也为页岩气的后期开发提供了理论基础。
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