黔西北地区龙潭组海陆过渡相泥页岩孔隙分形特征

张 鹏1,黄宇琪1,张金川2,刘洪洋1,杨军伟1

(1.六盘水师范学院 矿业与土木工程学院,贵州 六盘水 553004; 2.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083)

:在黔西北地区海陆过渡相龙潭组页岩低温氮气吸附实验基础上,利用FHH模型研究了其孔隙分形维数,得到其分形维数D1D2,整体数值较大,平均值分别为2.718 6和2.782 4,反映龙潭组泥页岩孔隙非均质较强,结构较为复杂。将分形维数与页岩其他地质参数进行相关性分析,结果表明:分形维数与泥页岩的比表面积、TOC呈正相关关系,与平均孔径、石英含量、石英/黏土呈负相关关系,与镜质体反射率、黏土矿物含量呈“先正后负”的相关关系,拐点分别出现在Ro为2.5%以及黏土矿物含量为50%处。综合研究认为:D1能够较为综合反映泥页岩孔隙的大小、体积、比表面等特征,可以综合表征泥页岩孔隙的结构特征,数值越大越有利于页岩气富集,而D2对于孔隙结构复杂程度的表征更为明显,可以专用于研究泥页岩孔隙结构的复杂程度,数值需在一定范围内,不宜过大,并认为黔西北地区龙潭组海陆过渡相泥页岩孔隙分形维数D1的有利分布范围为大于2.60,而D2的有利分布范围为2.50~2.80,当D2>2.80时需要系统进行可采性评价及压裂开采设计。

关键词:黔西北;海陆过渡相;龙潭组页岩;分形维数

中图分类号:P618.11

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2018)06-1580-09

张鹏,黄宇琪,张金川,等.黔西北地区龙潭组海陆过渡相泥页岩孔隙分形特征[J].煤炭学报,2018,43(6):1580-1588.

doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.4046

ZHANG Peng,HUANG Yuqi,ZHANG Jinchuan,et al.Fractal characteristics of the Longtan formation transitional shale in northwest Guizhou[J].Journal of China Coal Society,2018,43(6):1580-1588.

doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.4046

收稿日期:2018-03-02

修回日期:2018-04-18责任编辑:毕永华

基金项目:贵州省科技厅计划资助项目(黔科合基础[2017]1420)

作者简介:张 鹏(1986—),男,山东济南人,副教授,博士。Tel:0858-8600070,E-mail:zhangpeng8611@126.com

Fractal characteristics of the Longtan formation transitional shale in northwest Guizhou

ZHANG Peng1,HUANG Yuqi1,ZHANG Jinchuan2,LIU Hognyang1,YANG Junwei1

(1.School of Mining&Civil Engimeering,Liupanshui Normal UniversityLiupanshui 553004,China; 2.School of Energy,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China)

Abstract:Based on the low temperature Nitrogen adsorption experiments of transitional facies of Longtan Formation shale in the northwest Guizhou,the pore fractal dimension was studied by using the FHH model,and the fractal dimension ofD1andD2were obtained.The average values were 2.718 6 and 2.782 4,reflecting the complexity of Longtan Formation shale pore.The correlation analysis of fractal dimension and other geological parameters showed that the fractal dimension with shale surface area,TOC are positively correlated,with the average pore size,the content of quartz,quartz/clay are negatively correlated,withRoand the content of clay minerals are related positively first and negatively later at the inflection point ofRo=2.5% and the content of clay minerals of 50%.The study results show thatD1can be more comprehensive response to the shale pore size,volume,and surface characteristics.Also,the structural features can be integrated to characterize shale pore.The numerical value is more conducive to the accumulation of shale gas.D2is more obvious for complex pore structure characterization,and can be used in the research of shale pore structure.The value should be in a certain range,should not be too large.In the northwest of Guizhou Longtan Formation,the transitional facies shale pore fractal dimension ofD1is greater than 2.60,and the distribution of the favorable range ofD2is 2.50-2.80,whenD2is higher than 2.80,then the recoverability evaluation and the fracturing design are necessary.The significance of this research is to provide new ideas and means for the exploration and development of shale gas in Guizhou area.

Key words:northwest Guizhou;transitional facies;Longtan formation shale;fractal dimension

页岩是一种具有非均质性的多孔岩石,孔隙结构复杂、形态多样,目前常采用压汞法、吸附-脱附法、结构分形法等来定量分析泥页岩孔隙结构特征[1-2],其中,孔隙分形理论在对孔隙结构复杂程度的研究中起到重要作用。贵州二叠系龙潭组为一套海陆过渡相含煤地层沉积,普遍具有有机质丰度高、含气显示好的特点,具有较大资源潜力[3-6]。海陆过渡相页岩的微观孔隙体系特征复杂,尤其是孔隙分形特征的研究相对薄,因此本文依托于低温氮气吸附实验,结合扫描电镜、XRD以及相关的地球化学实验,系统研究了贵州海陆过渡相页岩的孔隙结构,分形特征及其对页岩气储集能力的影响,以期对贵州海陆过渡相地页岩气的资源潜力评价提供一定的参考。

1 页岩发育地质条件

研究区主体位于黔中隆起区和滇黔北部坳陷区,大地构造位置上属扬子板块(图1)。区域构造上以发育北北东、北东向褶皱和断裂为特征,北部被北东向赫章-遵义断裂穿插,该断裂为黔中隆起与滇黔北部坳陷的边界断裂,东南部被纳雍断层围限,其内部发育了金沙-黔西向斜、新化向斜及纸厂背斜等褶皱[7]。研究区自中二叠世之后隆起成陆,长期遭受风化剥蚀,在剥蚀盆地的基础上,广泛沉积了一套海陆交互相含煤层系-龙潭组[7],以发育瀉湖相、潮控三角洲相、潮坪相、泥炭沼泽相的交互沉积相组合为主。此沉积背景下的泥页岩具有厚度大、层数多以及煤层发育等特点,岩性上以黑色含碳泥页岩、粉砂质页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、泥灰岩及煤层为主。

图1 研究区地质背景及龙潭组岩性特征
Fig.1 Geological background of the study area and lithological characteristics in the Longtan Formation

2 样品测试

样品测试内容包括有机碳含量(TOC)、干酪根显微组分、镜质体反射率(Ro)、全岩及黏土矿物X-射线衍射分析、氩离子抛光扫描电镜、低温氮吸附等。有机碳含量采用LECO-CS230碳硫分析仪测定,测试依据为GB/T 19145—2003;镜质体反射率和干酪根显微组分均采用Axio Scope A1显微光度计测定,测试依据分别为SY/T5124-2012和SY/T5125-2014;全岩及黏土矿物组分分析,采用荷兰PANalytical公司的X’Pert Powder X射线衍射仪测定,测试依据为SY/T5163-2010;氩离子抛光扫描电镜采用美国Gatan公司Ilion Ⅱ697型氩离子抛光仪和德国ZEISS公司Merlin Compact场发射扫描电镜仪器测定,测试依据为GB/T 16594—2008;低温液氮吸附采用比表面测定仪Quadrasorb SI测定,测试依据为GB/T 19587—2004。

3 储层特征

通过氩离子抛光-场发射扫描电镜实验发现,龙潭组泥页岩孔隙主要粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝4种类型。粒间孔通常发育在矿物颗粒接触处,呈多角形和拉长型,多为原生孔隙,本次实验可观察到矿物颗粒接触间孔及伊/蒙混层矿物聚合体中的粒间孔(图2(a),(c))。粒内孔主要形成于矿物颗粒内部,形态多为不规则状,一般可分为片状黏土矿物粒内孔、草莓状黄铁矿晶间孔等(图2(a),(c))。相比于有机质孔发育的南方古生界海相泥页岩,龙潭组泥页岩样品中有机质孔隙发育程度不是很高(图2(b),(d)),形态以圆状、椭圆状孔为主,且有机质孔之间连通性一般,多为独立孔隙。微裂缝除矿物颗粒粒缘裂缝及黏土矿物层间缝外,还可见部分构造微裂缝(图2(a),(d)),微裂缝不仅可以作为页岩气的赋存空间,其在页岩气的渗流过程中同样起着重要的作用,微裂缝的发育还利于页岩气后期的压裂改造。

图2 龙潭组泥页岩孔隙类型
Fig.2 Pore types of the Longtan Formation shale

分析统计XY1,FY1及Js1等钻井的200个龙潭组泥页岩样品的地球化学测试结果,TOC值分布范围0.56%~31.00%,测试样品中大于3.0%的样品占49.02%,本文重点研究层段泥页岩TOC分布范围1.36%~8.70%,均值为4.26%,总体有机质含量较高;Ro值主体分布于2.0%~3.0%,平均为2.46%,本文研究层段Ro平均值为2.54%,基本处于过成熟早期生干气阶段,具有较好的生气条件。通过对龙潭组泥页岩的X衍射全岩分析及黏土分析,龙潭组泥页岩主要由石英、长石、碳酸盐岩矿物及黏土矿物组成,其中石英含量10.93%~41.80%,平均29.88%,黏土矿物含量19.52%~64.30%,平均42.95%,含量较高,且黏土矿物中以伊/蒙混层为主,绿泥石、高岭石、蒙皂石含量较少(表1)。

通过测井曲线多元线性回归计算孔隙度,结果显示龙潭组泥页岩孔隙度主体为0.44%~9.17%,平均值为3.41%,为超低孔-特低孔储层,通过低温氮气吸附-脱附实验,测得龙潭组比表面积8.32~31.18 m2/g,平均为15.33 m2/g,纳米孔孔径主要分布于3~5 nm处(图3),且存在一部分大于25 nm的孔隙。根据实验样品的吸附-脱附曲线形态(图4)可以认为龙潭组泥页岩吸附曲线属于Ⅳ型等温线,在低压区的吸附量少,曲线斜率有变化但没有明显拐点,相对压力越高,吸附量越多,吸附质发生毛细管凝聚,等温线迅速上升,在相对压力1接近时,在大孔上吸附,曲线上升。且由于发生毛细管力,出现脱附滞后现象,根据IUPAC分类[6]出现H2至H3型滞后环,反映泥页岩片状颗粒较多,这与矿物成分中黏土矿物所占比例高有关,且储集空间多为狭缝型、楔形及墨水瓶型[8]

表1 龙潭组泥页岩样品实验数据
Table 1 Experimental data sheet of shale samples from Longtan Formation

样品号样品深度/mD1R2(D1)D2R2(D2)BET比表面/(m2·g-1)BJH总孔体积/(mL·g-1)平均孔直径/nmTOC含量/%Ro/%JS-65702.2 2.680.999 72.710.995 29.770.017 87.82JS-66709.3 2.670.999 72.690.993 411.800.024 48.461.842.61JS-68712.4 2.670.999 52.710.993 114.470.025 27.112.522.34JS-70717.3 2.670.999 72.680.995 810.850.021 47.683.16JS-73+722.7 2.740.997 82.790.985 318.760.021 05.266.882.78JS-74723.7 2.750.997 62.790.994 513.520.014 85.46JS-77731.9 2.720.993 82.810.986 819.020.019 14.86JS-81743.7 2.760.995 82.830.978 39.370.007 84.42JS-82750.8 2.720.998 62.780.937 512.090.016 66.121.86JS-97765.2 2.700.999 52.750.992 611.290.015 05.921.96JS-86766.7 2.710.998 02.780.994 216.210.018 15.33JS-98767.1 2.720.997 82.780.993 816.840.019 65.59JS-99768.3 2.690.995 92.760.991 116.120.018 95.712.312.32JS-100769.6 2.680.998 52.760.986 810.870.016 06.612.13JS-101771.3 2.680.998 12.780.994 115.250.015 55.20JS-102774.2 2.690.999 02.750.993 49.5110.012 46.161.362.17JS-103775.4 2.650.998 72.690.992 88.3150.016 37.94JS-89777.0 2.800.991 02.920.993 121.880.005 42.725.89JS-91778.7 2.810.989 62.900.996 429.450.001 02.966.99JS-104780.0 2.770.996 02.860.995 925.200.014 33.638.70JS-94781.3 2.810.992 22.910.986 231.180.010 32.878.622.42样品号黏土矿物总量/%石英/%碳酸盐岩矿物/%长石/%高岭石相对含量/%绿泥石相对含量/%蒙皂石相对含量/%伊利石相对含量/%伊蒙混层相对含量/%JS-65JS-66JS-6864.3010.9300150094JS-7058.2041.80000305245JS-73+42.0333.8713.9110.201706824JS-7444.7535.028.4211.80140095JS-77JS-8138.2228.8321.5511.402120086JS-82JS-9725.9425.54013.101513810JS-86JS-98JS-9937.4336.659.7212.50330940JS-10036.838.1914.456.8910102780JS-10152.4337.6209.96020980JS-102JS-103JS-8947.8529.122.260JS-9119.5224.130.000790084JS-10443.5122.275.1100010000JS-9447.3724.410.000120097

注:R2(D1),R2(D2)分别指D1D2的相关系数。

图3 龙潭组泥页岩孔径分布特征
Fig.3 Pore size distribution of the Longtan Formation shale samples from nitrogen adsorption

4 页岩孔隙分形维数

对龙潭组泥页岩样品20块进行低温氮气吸附-脱附实验(表1),实验结果采用应用最为广泛的FHH孔隙分形模型计算分形维数[8-10]。通常,岩石孔隙分形维数D介于2~3,数值接近2则反映孔隙结构简单、表面规则、均质性较强,而数值接近3则反映孔隙结构复杂、表面不规则、非均质性强,流体流动阻力较强[2]

图4 龙潭组泥页岩样品氮气吸附-脱附曲线
Fig.4 Adsorption-desorption isotherms in the Longtan Formation shale samples

通过对泥页岩样品实验数据进行计算并采用最小二乘法进行分段拟合,得到的拟合曲线反映页岩孔隙出现两种不同的分形特征(图5),且两段曲线均有较高的拟合度(表1)。将相对压力较小的一段曲线计算得出的分形维数值记为D1,相对压力较大的一段拟合曲线计算得出的分形维数为D2。 对龙潭组泥页岩样品的分形维数进行计算(表1),D1为2.653 2~2.813 7,平均值为2.718 6,D2为2.678 2~2.921 8,平均值为2.782 4。D1D2数值均偏大,更接近于3,且D2均大于D1(图6)。

图5 页岩孔隙分形维数拟合曲线
Fig.5 Fractal calculation results from ln V vs.ln(ln(P0/P))
adsorption and at low temperature
V为气体的吸附量;P0为吸附气体饱和蒸汽压力;P为系统平衡压力

图6 龙潭组泥页岩孔隙分形维数
Fig.6 Fractal calculation results

5 讨 论

5.1 分形维数与孔隙结构的关系

将计算所得的孔隙分形维数与比表面积、平均孔径进行相关性研究(图7)。结果显示分形维数D1D2与比表面积成较好的正相关关系,与泥页岩平均孔径成较好的负相关关系。且D2随比表面积增大而增大的速率以及随平均孔径增大而减小的速率均较D1更快。说明分形维数越大,泥页岩比表面积越大且孔径越小,且D2对泥页岩孔径的表征较为准确,D2越大,泥页岩孔径越小。

图7 龙潭组泥页岩分形维数与孔隙结构相关关系
Fig.7 Relationship between the fractal dimension and pore structure of Longtan Formation shale

5.2 分形维数与地球化学特征的关系

将计算所得的孔隙分形维数与泥页岩TOC含量,Ro数值进行相关性研究(图8)。结果显示分形维数D与TOC含量呈现较好的正相关关系,且D1,D2值随TOC含量增大而增大的速率基本相同。而图7反映分形维数与Ro相关关系不明显,但通过拟合仍显示出在Ro在2.0%~2.5%范围内时,分形维数随Ro增大而增大,在Ro值达到2.5%附近时分形维数达到最大值,之后则随Ro增大而减小。

图8 龙潭组泥页岩分形维数与地球化学参数相关关系
Fig.8 Relationship between the fractal dimension and the geochemical parameters of in the Longtan Formation shale

结合5.1节中结论可以认为出现这种相关关系的原因为:TOC为表征有机质丰度的地化参数,有机质增加则有机质孔相对增多,与无机质孔相比,有机质孔多为孔径较小、比表面积较大、结构复杂的孔隙,因此分形维数与TOC呈现正相关关系。分形维数与有机质成熟度相关关系不很明显,进行线性拟合的相关性不高(图8(b)),但能够观察到“先正后负”的变化趋势,这是由于Ⅲ型干酪根Ro介于2.0%至2.5%时,泥页岩处于生干气阶段,有机质孔大量发育,表现为较大的分形维数值,而当Ro值大于2.5%时,泥页岩生气能力开始衰竭,且压实作用增强,有机质开始出现碳化现象[11],有机质孔开始出现坍塌,孔隙体积及比表面积均开始降低,表现为分形维数逐渐减小,但这种现象发生的影响因素较多,机制复杂,表现为仅呈现一种变化趋势,而没有良好的线性关系。

5.3 分形维数与矿物成分的关系

龙潭组海陆过渡相泥页岩,所含石英多为陆源石英,分形维数与之具有一定的负相关关系(图9(a)),但相关系数并不很高[12]。而研究分形维数与黏土矿物含量时则发现虽然拟合曲线相关系数不很高,但仍然能够观察出分形维数在黏土矿物含量为50%附近存在趋势线拐点(图9(b))。小于50%部分呈现随黏土矿物含量增加而变大的趋势,这与前人的系列研究成果相似[12-13]。但黏土矿物含量超过50%后,分形维数与之呈现负相关关系,分析其原因认为:龙潭组海陆过渡相泥页岩中黏土矿物以伊/蒙混层为主,而影响泥页岩孔隙结构的主要是伊利石、绿泥石[14],这导致黏土矿物对于岩石微孔(<2 nm)[15]的建设作用并特别不明显,当黏土矿物含量过大时反而导致部分孔隙被堵塞,孔隙不易保存,导致比表面积减小[16],黏土矿物对孔隙结构的积极作用和消极作用共同影响下,整体呈现出“先正后负”的变化趋势。分形维数与石英/黏土值则表现出较好的负相关关系(图10),石英/黏土值能够反映距离物源的距离,当石英/黏土较小时,表示泥页岩距离物源较近,此时岩石成分相对复杂,孔隙类型较多且结构较为复杂,表现为孔隙分形维数较大,反之,石英/黏土较大时,表示泥页岩距离物源比较远,成分相对单一,脆性矿物含量较高,岩石孔隙以中孔(2~50 nm)和大孔(>50 nm)[1]为主,孔隙结构简单,比表面较小,表现为较低的分形维数。

图9 龙潭组泥页岩分形维数与矿物含量相关关系
Fig.9 Relationship between fractal dimension and mineral content of the Longtan Formation shale

图10 龙潭组泥页岩分形维数与石英/黏土值相关关系
Fig.10 Relationship between fractal dimension and Quartz/
Clayof the Longtan Formation shale

5.4 孔隙分形维数地质意义

如前文所述,泥页岩分形维数能够较为准确的反映泥页岩孔隙特别是微孔的结构特征。D1能够较为综合反映泥页岩孔隙的大小、体积、比表面等特征,而D2对于孔隙结构复杂程度的表征更为明显,当微孔所占比例增加时,D2有明显的增大。因此,可以认为D1可以综合表征泥页岩孔隙的结构特征,而D2可以专用于研究泥页岩孔隙结构的复杂程度。通过将孔隙分形维数与地球化学、矿物含量等参数进行相关性研究也能够证明上述观点,D2对于这些影响孔隙复杂程度的因素更为敏感。进行页岩气地质评价时,泥页岩孔隙体积较大、比表面较大、微孔所占比例较高均有利于游离气和吸附气的赋存[17-19],对泥页岩含气性的提升是有利的。但前人研究成果表明[20-21],岩石的渗透性能与其孔隙分形维数呈负相关关系,D2数值越大,泥页岩孔隙结构越复杂,渗透性能越差,造成页岩中气体的解吸、扩散困难,渗流能力降低[21],造成后期开采难度大,需进行压裂开采,而龙潭组泥页岩的孔隙分形维数与石英等脆性矿物含量呈负相关关系,D2较大的情况下对应脆性矿物含量较小,不利于后期压裂的进行。因此认为,在采用分形维数进行页岩气储层地质评价时,D1则越大越有利,而D2需在一定范围内,不宜过大[22]。综合页岩气资源评价关键地质参数的取值范围[20-27],并参考前人研究成果[22]提出观点:黔西北地区龙潭组海陆过渡相泥页岩孔隙分形维数D1的有利分布范围为大于2.60,而D2的有利分布范围为2.50~2.80,当D2大于2.80时需要进一步进行可采性评价及压裂开采设计[28]

6 结 论

(1)黔西北地区龙潭组海陆过渡相泥页岩孔隙具有较为明显的分形特征,进行曲线拟合后呈现分段特征,利用FHH模型计算分别得到相对压力较小段的分形维数D1,分布范围为2.653 2~2.813 7,平均值为2.718 6,相对压力较大段的分形维数D2,分布范围为2.678 2~2.921 8,平均值为2.782 4。D1,D2数值均偏大,反映龙潭组泥页岩孔隙非均质较强,结构较为复杂。

(2)分形维数D1D2与泥页岩的比表面积呈明显正相关关系,与平均孔径呈明显负相关关系;与TOC呈明显正相关关系,与Ro相关关系不明显,总体呈现“先正后负”的相关关系,在Ro为2.5%时出现拐点;与石英含量呈一定的负相关关系,与黏土矿物含量总体呈现“先正后负”的相关关系,在黏土矿物含量达到50%时出现拐点,与石英/黏土值呈现明显的负相关关系。

(3)泥页岩分形维数能够较为准确的反映泥页岩孔隙特别是微孔的结构特征。D1能够较为综合反映泥页岩孔隙的大小、体积、比表面等特征,可以综合表征泥页岩孔隙的结构特征,而D2对于孔隙结构复杂程度的表征更为明显,可以专用于研究泥页岩孔隙结构的复杂程度。在采用分形维数进行页岩气储层地质评价时,D1则越大越有利,而D2需在一定范围内,不宜过大。黔西北地区龙潭组海陆过渡相泥页岩孔隙分形维数D1的有利分布范围为大于2.60,而D2的有利分布范围为2.50~2.80,当D2大于2.80时需要系统进行可采性评价及压裂开采设计。

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