海相页岩储层矿物质孔隙的形貌–成因类型_张慧.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 形貌–成因类型；下古生界；场发射扫描电镜 中图分类号P618文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2018.04.012 The morphology-origin types of mineral pores in the marine shale reservoir ZHANG Hui1,2, WEI Xiaoyan3, YANG Qinglong2, LIN Bowei2, HAO Linshan2 1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology 2. SGS-CSTC Standards Technical Services Co., Ltd. / Minerals Services Beijing 100176, China; 3. Xi’an Center of Geological Survey, China Geology Survey, Xi’an 710054, China Abstract Based on the identification and genetic analysis of the Lower Paleozoic marine shale in the Southern China, the genetic types of mineral pores and their influence on the physical properties of shale reservoir are studied in detail. According to the microstructure morphology of pores under the field emission scanning electron microscope FESEM, and the mineral composition, sedimentation, diagenesis, tectonic of shale are also synthetically considered, the morphology-origin of mineral pores in Lower Paleozoic marine shale reservoir in Southern China are divided into three types 1 main pores bedding gap, mud pores, gaps between ingredient and interbedding fissure, common and numerous under microscope, have a certain influence on the properties of shale reservoir; 2 other pores intercystalline pores, corroded pores, gas-liquid inclusion pores and gaps between pieces, rare and limited in the shale, have little influence on the properties of shale reservoir; 3 tectonic porestectonic fissure and particle pores is the record of geological tectonic activity, plaid the role of double-edged sword for the shale reservoir. Main pore types are different in different shale lithology, different pores have different effects for shale reservoir. Keywords shale reservoir; mineral pore; morphology-origin types; Lower Paleozoic; FESEM 孔隙成因类型及其发育特征是衡量和评价储层 优劣的重要依据。页岩储层孔隙的测试方法大致可 分为定量分析和定性观测，定量分析压汞、液氮吸 附等可以检测孔隙的大小与结构[1-2]，但不能判断 孔隙的成因，也无法将有机质孔隙与矿物质孔隙区 别对待。定性观测主要借助各种显微镜来进行，页 岩作为细粒碎屑岩，光学显微镜和钨灯丝扫描电镜 下可获得的信息很有限。目前，定性观测页岩储层 ChaoXing 第 4 期张慧等 海相页岩储层矿物质孔隙的形貌–成因类型73 最有效的手段是场发射扫描电镜，即本文主要研究 手段。 近年，国内外场发射扫描电镜在页岩储层孔隙 研究方面的成果[3-5]不断涌现，其中大多采用常规储 层的术语和孔隙分类方案。页岩储层与常规储层在 岩石组成和孔隙类型上均有较大区别，用同一套术 语存在不少问题。本文立足于页岩的矿物组成，在 矿物成因判断和有机质纳米级孔隙研究[6-7]的基础 上，进而研究矿物质孔隙并划分其成因类型。页岩 的主体是矿物质，矿物质孔隙的成因类型及其发育 程度决定储层物性。本文对揭示和认识页岩储层提 供一些新方法和新思路。 1研究手段与样品概况 1.1研究手段 页岩组成矿物组分的粒度和孔隙均以微米级 纳米级为主，光学显微镜下可获得的信息很少， 钨灯丝扫描电镜下可分辨的细节也很有限，场发射 扫描电镜本文简称扫描电镜以其分辨率高、图像 清晰的优势倍受青睐，现已成为页岩储层测试的必 备工具。 场发射扫描电镜的页岩样品制备， 多采用由国外 引进的氩离子抛光技术[8-9]。本文同时制备抛光面和 自然断面。自然断面上可观测的内容多于抛光面[10]， 就页岩矿物质而言，在自然断面上不仅可以观测陆 源碎屑颗粒的结构、大小、接触关系、孔隙发育特 征等，还可以判断自生矿物包括蚀变矿物、后生矿 物等的种类、结晶程度、赋存状态及其孔隙发育程 度等，这些现象在抛光样品的制备过程中多被损伤 或消失。 1.2样品概况 样品为南方下古生界五峰组–龙马溪组、 下寒武 统两套海相黑色页岩，采样地点有贵州省、四川省、 重庆市、湖南省、安徽省等，以钻孔岩心为主。 页岩的 95左右是矿物质，矿物质孔隙决定储 层物性。孔隙度和渗透率是储层物性研究的 2 个重 要参数。非常规油气储层与常规油气储层的主要区 别是孔隙度低、渗透率低。渗透率110-3μm2的储 层均归为非常规储层[11]。本文部分研究样品的孔隙 度和渗透率的常规气测法结果见表 1，均为超低渗 储层。 吸附法气体、液体是页岩储层孔渗性的常用检 测方法，可获得比表面积、总孔体积、主要孔径等参 数。以某区块下寒武统页岩储层为例图 1，比表面 积与总孔体积有较好的一致性， 二者相辅相成， 比表 面积范围为 6.50230.37 m2/g，总孔体积范围为 7.07430.6510-3cm3/g。所有测点的共同之处是， 最可几孔径主要孔径均为 4 nm 左右。龙马溪组页 岩的吸附试验结果表明， 孔径主要分布于 25 nm[1-2]， 压汞试验结果表明，中值半径平均 10 nm[5]。南方下 古生界海相页岩纳米级孔隙为主的特征很突出。 表 1南方下古生界页岩储层孔隙度与渗透率统计表 Table 1The porosity and permeability statistics in Lower Palaeozoic shale in South China 地层组样品组编号孔隙度/渗透率/10-3μm2 龙马溪组L01.172.830.000 70.005 9 五峰组HS1.081.690.000 90.001 4 牛蹄塘组 XIN2.333.340.000 730.001 80 MA0.622.310.001 40.021 4 CE0.731.570.001 10.002 3 图 1某钻孔下寒武统页岩储层液氮吸附试验结果 Fig.1Liquid nitrogen adsorption testing results of shale reservoir in Lower Cambrian Series in a borehole 根据等温吸附实验所表征的孔隙形态结构及其能 否产生吸附回线，页岩的孔隙模型划分为3 类表 2， Ⅰ类为开放型， Ⅱ类为半开放型， Ⅲ类为墨水瓶状[12]， 有的学者描述为平板狭缝型孔、圆柱孔和混合型孔[13]。 这些模型与扫描电镜下直观的孔隙有一定的对应性。 2矿物质孔隙成因类型的划分 页岩储层中孔隙、缝隙、裂隙并存。本文孔隙 指广义的孔隙，包括孔洞、裂隙、缝隙、裂纹及其 他各种空隙。页岩中晶质的、非晶质的、陆源碎屑、 ChaoXing 74煤田地质与勘探第 46 卷 表 2利用等温吸附脱附曲线划分的页岩孔隙模型[12] Table 2Pore models from adsorption/desorption isothermal chart 孔隙模型孔隙形态孔隙模型类型 Ⅰ类 开放透气性 孔隙 两端开口圆筒状孔，四边都开 口的平行板状孔 Ⅱ类 一端封闭的不 透气性孔隙 一端封闭的圆筒状孔、一端封 闭的平行板状孔或尖劈形孔 Ⅲ类 细颈瓶状墨水 瓶状孔隙 细颈瓶状墨水瓶状孔 自生矿物等统称为矿物质。矿物质成因不同，种类 不同，构成的孔隙类型不同，矿物质成因判断、种 类识别是孔隙类型划分的基础。 以往研究[6]表明，页岩储层中矿物质的主要 成因类型有沉积阶段形成的陆源碎屑、成岩阶 段形成的自生矿物、成岩期后形成的后生矿物 等。沉积阶段形成的孔隙为原生孔隙，成岩阶段 形成的孔隙为次生孔隙，这些术语的含义与常规 油气储层相同。页岩中同一矿物可以形成于不同 阶段，构建不同的孔隙，有些孔隙是多种地质作 用的叠加。 在矿物质成因判断和种类识别的基础上，立足 于页岩的矿物组成，综合考虑沉积作用、成岩后生 作用、地质构造作用等因素，以扫描电镜形貌观测 结果为主要依据， 将页岩矿物质孔隙的形貌–成因类 型划分为 3 大类 10 小类表 3。 近年国内外以扫描电镜观测结果为基础的页 岩孔隙类型划分方案已有不少， 但目前尚无统一方 案。国外的划分方案以 R. M. Slatt 和 R. G. Loucks 为代表，R. M. Slatt 等[14]将页岩孔隙类型划分为黏 土矿物片间孔隙、有机孔隙、球粒内孔隙、化石碎 屑内孔隙、颗粒内孔隙和微裂缝通道 6 种。R. G. Loucks 等[15]把页岩基质孔隙分成粒间孔隙、粒内 孔隙和有机质孔隙。 国内以邹才能和于炳松的方案为代表，邹才能 等[11]首先将孔隙分为原生孔和次生孔，然后根据孔 隙所在位置，原生孔进一步分为粒间微孔和晶间微 孔；次生孔隙进一步分为粒内微孔、粒间溶蚀微孔 和微裂缝。于炳松[16]根据孔隙大小和产状，将页岩 孔隙分为粒间孔隙、粒内孔隙、有机质孔隙、裂缝 孔隙。很多划分方案[4,12-13]都基于常规油气储层，沿 用了较多常规油气储层的术语。 表 3页岩矿物质孔隙的形貌-成因类型及其形成阶段 Table 3Morphology-origin types of mineral pores and their ative phase in shale 形貌–成因类型基本含义形成阶段 主要孔隙 顺层缝隙片状矿物顺层理方向延展而形成的短缝隙原生为主 泥粒孔泥粒级颗粒之间的孔隙原生为主 组分间隙不同组分矿物质或有机质之间的缝隙原生为主 层间裂隙规模远小于层理、大于顺层缝隙且平行层理的单向裂隙原生为主 其他孔隙 晶间孔由自生矿物晶体支撑的孔隙和缝隙次生 溶蚀孔由溶蚀、淋滤、交代作用而形成的孔隙和缝隙次生 气液包体孔矿物质内部气液包裹体逸散后留下的孔隙次生为主 片间缝隙层片状矿物片理或解理之间的缝隙原生为主 构造孔隙 构造裂隙地质构造应力作用下形成的方向性明显的裂隙 与构造活动同步 碎粒孔地质构造应力破坏形成的碎粒之间的孔隙 作者对页岩孔隙类型的划分方案表 3与业界 诸多方案相比有所不同，明显差异有 3 点① 大部 分划分方案均有粒间孔。粒间孔是常规砂岩储层的 主要孔隙类型，指陆源碎屑颗粒之间的孔隙[10,17]， 微米级为主，孔渗性好。页岩储层中陆源碎屑颗粒 少而小，粉砂质碎屑体积分数小于 10[5]，细粉砂 级陆源碎屑呈分散状分布，周围被泥质包裹，相互之 间基本没有孔隙图 2a，故表 3 中没有粒间孔。② 将 地质构造作用产生的孔隙列为一大类，其他分类方案 中考虑构造作用的较少。 ③ 本文首先将孔隙分为主要 孔隙和其他孔隙，前者在镜下多见，对储层物性影响 明显；后者在镜下少见，对储层物性影响微弱。 3主要孔隙及其发育特征 主要孔隙镜下常见且普遍发育，因数量多，对 储层物性即孔渗性有影响，包括顺层缝隙、泥粒 孔、组分间隙、层间裂隙，下面简述各种孔隙的发 育特征及其在页岩储层中的作用。 3.1顺层缝隙 顺层缝隙指片状矿物顺层理方向延展而形成的 短缝隙，属原生孔隙。由碎屑沉积成因的黏土矿物 主要为伊利石集合体形成，其长度一般为几十微米， 宽度为 10 μm 左右， 呈曲线状， 大体平行层理图 2b。 碎屑伊利石质量分数较多＞30左右的页岩中， 顺 ChaoXing 第 4 期张慧等 海相页岩储层矿物质孔隙的形貌–成因类型75 注图中的放大倍数仅表示拍摄图片时放大倍数不同仪器有差别，现在图片放大倍数以图中比例尺为准，以下相同。 图 2页岩中的主要矿物质孔隙自然断面 Fig.2Main mineral pores in the shalenatural section 层缝隙普遍发育，垂直层理的断面上特征清晰，一 般在 2 000 倍左右的镜下即可分辨。自生伊利石或 碎屑云母、长石蚀变的伊利石，可形成局部顺层缝 隙，如图 3a 所示，此处的顺层缝隙为次生孔隙，与 层理的关系不严格，有顺层理的，也有其他方向的。 顺层缝隙相当于 G. Desbois[3]描述的定向排列 黏土片之间的细长孔和新月形孔，近似于 R. M. Slatt[14]和于炳松[16]描述的黏土矿物片间孔隙和黏土 集合体内的片间孔隙，黏土矿物对页岩微孔和中孔 有一定的控制作用[2]。从形貌上看，顺层缝隙表现 为开放型或半开放型，与吸附实验建立的两端开口 圆筒状孔，四边都开口的平行板状孔[12-13]有较好的 对应关系。顺层缝隙因由黏土矿物伊利石构成，当 含量较大时，会增加页岩储层的韧性和各向异性。 3.2泥粒孔 泥粒孔指泥粒级颗粒5 μm之间的孔隙，原生 为主。扫描电镜下，15 μm 左右的泥粒多见，故泥 粒孔为主要孔隙类型之一。其孔径大者几微米，小 者几十纳米，属中孔–宏孔范围[10]，形状不规则，分 布不均匀，局部连通图 3b。泥粒的成因多为陆源 碎屑，泥粒孔也可以说是纳米级粒间孔，但也有一 些泥粒与成岩矿物质或地质构造的破碎作用有关。 泥粒孔在抛光面上便于观测，10 000 倍左右时形貌 特征清晰。泥粒孔镜下多见，发育较普遍，影响储 层物性，可以储集页岩气，与裂隙沟通后对渗透率 有贡献。 3.3组分间隙 组分间隙指不同组分矿物质或有机质之间 的缝隙，原生为主，有些在成岩过程中加大。常 见的有矿物质与有机质之间图 3c、有机质团块 之间、黄铁矿集合体之间或黄铁矿与硅质之间图 2c、黏土矿物与碳酸盐矿物之间、碎屑颗粒与泥 质之间、自生矿物与碎屑颗粒之间等，镜下普遍 可见，规模大小不等，微米级纳米级均有，在 方向上与层理没有明显关系。碎屑颗粒与泥质之 间的间隙也称为粒边缝隙[10]， 组分间隙有开放型、 半开放型，也有封闭型[12]。在页岩抛光面上表现 为裂缝，不少学者称之为微裂缝[5,11,14]。与有机质 有关的间隙是页岩气优先储集的空间，有些组分 间隙可局部连通，如与构造裂隙或人工裂隙连通 可参与渗流系统。 3.4层间裂隙 层间裂隙指规模远小于层理、 大于顺层缝隙且平 行层理的单向裂隙， 原生为主，有些是成岩作用的叠 加。其宽度以几微米者居多图 2d，1 000 倍左右的 镜下即可显现，一般没有充填物，取样、制样过程可 ChaoXing 76煤田地质与勘探第 46 卷 能会加大开启程度。 层间裂隙可以是矿物质与有机质 之间的，也可以是同一矿物之间的， 与组分间隙不同 的是层间裂隙一定平行层理， 且规模大于组分间隙和 顺层缝隙。 各类页岩中均有数量、 规模大小不等的层 间裂隙， 垂直层理的面上可见率高，数量比较多时会 增加页岩储层的各向异性和横向上的孔渗性。 图 3页岩的矿物质孔隙抛光面 Fig.3Mineral pores in the shale polished surface 4其他孔隙及其发育特征 页岩储层中数量少、规模小、局限性大的孔隙归 为其他孔隙。主要有晶间孔、溶蚀孔、气液包体孔、 片间缝隙等。这些孔隙镜下可见率低，但成因特征明 显，便于识别，因发育程度低，对储层物性影响微弱。 4.1晶间孔 由自生矿物晶体支撑的孔隙和缝隙统称为晶间 孔，因自生矿物形成于成岩阶段，故属次生孔隙。 海相页岩中有的自生矿物很少， 有的自生矿物很多。 自生矿物晶粒以几微米至纳米级为主，其晶间孔小 于矿物晶体，孔径为几百至几十纳米，属中孔–宏孔 范围。方解石晶间孔呈缝隙图 3e，自生石英晶体 之间的孔隙常赋存有机质图 3f，黄铁矿晶间孔也 较多见且常与有机质相间[10,13]。自生矿物晶体发育 较大时，晶间孔发育相对较好图 4a。晶间孔的发 育程度和形状受控于自生矿物，分布不均匀，局部 可连通。总体来看，自生矿物晶粒细小且常被有机 质填充，晶间孔数量很有限，故归为其他孔隙。 4.2溶蚀孔 由溶蚀、淋滤、交代作用而形成的孔隙和缝隙 统称为溶蚀孔，属次生孔隙。海相页岩中发育溶蚀 孔的主要为碳酸盐矿物图 3c、图 4b，其次碎屑长 石、石英等也有少量溶蚀孔。溶蚀孔孔径为几微米 至纳米级，多表现为孤立、半封闭–封闭型孔隙，限 于矿物内部或表面，有的学者称之为粒内孔或粒内 溶蚀孔[4-5,13]。溶蚀孔可以对应于吸附实验[1-2,12-13]模 拟的圆柱孔、墨水瓶形孔。页岩储层致密，流体不 活跃，溶蚀孔总体发育程度低，近地表或导水裂隙 附近的页岩除外。 4.3气液包体孔 气液包体孔指矿物质内部气液包裹体逸散后留 下的孔隙。多见于自生矿物质石英、 硅质、 方解石、 钙质等内部，属次生孔隙。形状与有机质中的气 孔[7]很相似，圆形为主，孔壁光滑，内部无充填物。 气液包体孔在方解石中表现为菱形图 4c，在石英 中表现为六方形[10]。孔径主要为纳米级，集合体呈 线状分布，有时也成群分布。气液包体孔被封闭于 母体矿物内部，为粒内封闭性孔隙，与吸附实验描 述的墨水瓶形孔相似，在海相页岩中数量很有限。 4.4片间缝隙 层片状矿物片理或解理之间的缝隙为片间缝隙。 常见于云母、蚀变长石，以原生为主，成岩后生过程 中的溶蚀作用会加宽缝隙。其宽度从微米级至纳米 级，形状为平行线状图 4d，少量为曲线状，长短与 延展方向受所在矿物制约， 与层理没有明确关系。片 ChaoXing 第 4 期张慧等 海相页岩储层矿物质孔隙的形貌–成因类型77 间缝隙与吸附实验模拟的平行板状孔相对应， 数量远少于顺层缝隙或组分间隙，故归为其他缝隙。 图 4页岩中的其他矿物质孔隙自然断面 Fig.4Mineral pores in the shalenatural section 5构造孔隙及其发育特征 构造孔隙形成于地质构造作用，是地应力活动 的记录，在储层中具有双刃剑的作用。扫描电镜下 常见的构造孔隙主要有构造裂隙和碎粒孔。 5.1构造裂隙 指在地质构造应力作用下形成的方向性明显的 裂隙，形成时间与地质构造活动同步。大多呈直线 状或折线状，穿越层理和不同岩石组分，延伸比较 长，常以不同角度与层理斜交图 5a，层面上有时 呈曲线状。构造裂隙也称之为构造缝[5]。剪性裂隙 多表现为 x 形图 5b，压性裂隙呈闭合状。 按力学性质，构造裂隙可分为张性裂隙、压性 裂隙、剪性裂隙[10]。张性裂隙适度发育，可以连通 各类基质孔隙，有助于储层渗流裂隙网络形成。压 性裂隙和剪性裂隙数量过多，表明储层原生架构已 被严重破坏，甚至失去储层意义。 5.2碎粒孔 指地质构造应力破坏形成的碎粒之间的孔隙。 此 处的碎粒包括不同大小和形状的各种构造粒角砾、 碎粒、糜棱质。页岩中常可见到挤压面、磨擦面、 擦痕等，与其伴生的碎粒的大小为泥粒级几微米， 碎粒孔小于碎粒， 多为几微米至几百纳米， 形状不规 则，局部发育图 5c。少量碎粒孔的发育，对储层物 性影响不大， 但数量多时，大量微米级构造粒容易堵 塞较大的孔隙和裂隙，对储层孔渗性产生负面影响。 图 5页岩中的构造孔隙自然断面 Fig.5Tectonic pores in the shale natural section ChaoXing 78煤田地质与勘探第 46 卷 6结 论 a. 从矿物类别来讲，与黏土矿物有关的孔隙主 要有顺层缝隙、片间缝隙，与脆性矿物有关的孔隙 有晶间孔、溶蚀孔、气液包体孔，泥粒孔、组分间 隙、层间裂隙、碎粒孔等可以由多种矿物或组分构 成。除构造裂隙外，其余孔隙均属基质孔隙。 b. 扫描电镜下，主要孔隙顺层缝隙、泥粒孔、 组分间隙、层间裂隙均表现为开放型或半开放型， 开放型孔隙多是页岩孔隙的特征之一，这与诸多吸 附实验结果吻合很好。页岩中孔隙的尺度范围从几 纳米至几微米不等， 中孔–宏孔占绝对优势， 与压汞、 液氮吸附等多种定量测试结果一致。 c. 页岩储层中孔隙、裂隙、缝隙并存，具有孔 径尺度小，成因类型多，连通性差等特点。所有孔 隙都可作为页岩气的吸附储集空间。页岩气优先吸 附、聚集于有机质孔隙，有机质孔隙饱和之后向矿 物质孔隙扩散。页岩岩性不同，主要孔隙类型不同， 不同的孔隙在页岩储层中发挥不同的作用。 参考文献 [1] 陈尚斌，朱炎铭，王红岩，等. 川南龙马溪组页岩气储层纳米孔 隙结构特征及其成藏意义[J]. 煤炭学报，2012，373438–444. 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