四川盆地及周缘下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙结构特征及勘探开发潜力分析

1、页岩气勘探开发背景

中国南方目前针对海相页岩气的勘探与开发正在大力开展,尤其是在四川盆地及其周缘的页岩气勘探开发效果已卓有成效,例如四川盆地边缘涪陵—焦石坝渝东南地区龙马溪组页岩已经产出工业气流,并成为中国页岩气勘探开的发典型示范区。而中国南方下寒武统牛蹄塘组页岩是目前海相页岩气勘探开发的另一主要目的层位,然而针对牛蹄塘组页岩气的勘探开发却不尽如人意,目前只在四川盆地内部井研—犍为地区和湖北宜昌地区取得突破性进展,而其他地区钻下寒武统牛蹄塘组页岩存在产气量较低,产气持续时间较短等问题,有些钻井只见微气。

此次研究以四川盆地周缘渝东南地区下志留统龙马溪组页岩和渝东北地区下寒武统牛蹄塘组页岩岩心样品为对象进行对比研究,重点剖析两套页岩的储层及孔隙结构特征,继而进一步得出牛蹄塘组页岩产气量低、稳产时间短的原因。在此次研究中,使用碳硫分析测试仪、全岩矿物XRD衍射实验、等效镜质体反射率测试、聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)、N2和CO2气体吸附实验,分析了两套页岩的孔隙结构特征,明确了其发育的主要微纳米孔隙类型、连通性、孔体积及比表面积分布特征。在页岩储层孔隙结构的研究基础之上对比探讨了两套页岩的储集能力特征,以期为后续页岩气目标区优选提供参数指标。

2、地质概况及储层特征

2.1 沉积背景

重庆地区位于中国南方上扬子板块中,属于上扬子台内坳陷构造单元,其大部分在四川盆地内,其东南部和东北部位于四川盆地边缘。早寒武世初上扬子地区整体下沉,总体上早期为深水陆棚沉积,后期逐渐向浅水陆棚及潮坪沉积演化,在深水陆棚沉积期形成分布范围广、厚度较大的黑色海相页岩。研究区内主要发育下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组两套富有机质黑色页岩层段(图1)。

图1 中国南方上扬子地台重庆地区位置及龙马溪组和牛蹄塘组页岩井位分布图

2.2 储层特征

通过介绍TOC含量、热演化程度和矿物组成展开描述。

3、微纳米孔隙结构

论述孔隙类型、孔隙连通性、孔径分布特征(孔体积和孔比表面积)进行介绍。

4、结论

(1)龙马溪组页岩样品的TOC含量变化范围为0.3%~5.3%,平均含量达到3.2%;牛蹄塘组页岩样品的TOC含量变化范围为0.1%~7.2%,平均含量达3.3%。牛蹄塘组页岩的等效镜质体反射率分布范围在3.0%~4.0%之间,样品中最高的能超过4.0%。牛蹄塘组页岩页岩储层的热演化程度已达到过成熟—变质期阶段。龙马溪组页岩的等效镜质体反射率普遍在3.0%以下,分布频率最广的在2.0%~2.5%之间,最低甚至能小于2.0%。

(2)龙马溪组页岩内部发育大量的有机质孔隙,孔隙直径分布范围在20~500nm之间,其中有机质内部大孔隙中嵌套着较小孔隙,增大了有机质孔隙的比表面积和连通性。牛蹄塘组页岩内部不发育有机质孔隙,其内部发育大量的矿物基质孔隙如粒间孔和粒内孔。龙马溪组页岩样品的N2吸附等温线的滞后环相对较大,与H3型滞回环相类似,兼具H2型滞后回线的特征,孔隙以平行壁的狭缝状孔和墨水瓶形的细颈广体孔隙为主。牛蹄塘组页岩的N2吸附脱附等温线的滞后环狭小,拐点不明显,未产生明显的滞后环,页岩中发育有单边封闭的盲孔。

(3)从氮气和二氧化碳吸附反映的微介孔孔隙结构分布来看,龙马溪组和牛蹄塘组页岩的中孔提供了绝大部分的孔体积,而微孔提供的孔体积远远小于中孔。龙马溪组和牛蹄塘组页岩的微孔提供了较多的孔比表面积,而中孔提供的孔比表面积略小于微孔。龙马溪组页岩和牛蹄塘组页岩的微介孔的平均孔体积和比表面积相差不大,两套页岩微介孔的孔径分布特征相似。 页岩中的有机质孔隙相对于粒间孔隙和粒内孔隙来说拥有最大的烃类气体赋存能力和使烃类气体形成有效渗流的连通能力,即页岩中的有机质孔隙对甲烷等烃类气体的赋存及储层孔隙的连通性起着决定性的作用。

(4)储层热演化程度对页岩有机质孔隙的发育有着直接的控制作用。龙马溪组页岩储层热演化程度适中,有机质孔隙大量发育,导致了龙马溪组页岩具有较大的储集能力及较好的孔隙连通性,有利于页岩气在储层中的富集与形成有效渗流,进一步使页岩产气量较高。渝东北地区牛蹄塘组页岩样品由于演化程度过高,古埋藏较龙马溪组页岩更深,所经历的热演化作用和压实作用更强,导致有机质中的孔隙数量急剧减少,页岩内部失去了烃类气体的有效赋存及渗流场所,进一步导致了牛蹄塘组页岩储集及渗流能力的降低,进而导致该地区页岩勘探开发潜力丧失 。

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