四川盆地红星地区二叠系页岩岩相及其微观孔隙结构特征

四川盆地红星地区二叠系是页岩气勘探的重要接替领域,目前整体勘探程度低,页岩岩相类型不清、储层微观孔隙结构特征不明。利用铸体薄片、扫描电镜、X射线衍射、总有机碳(total organic carbon,TOC)和低温氮气吸附实验等技术手段,明确了二叠系茅口组四段-吴家坪组页岩岩相类型及其微观孔隙结构特征,探讨了优质储层主控因素。结果表明:①红星地区二叠系页岩发育高碳高硅类、高碳低硅类、低碳高硅类、高黏土类和灰质混合类共5种岩相类型;②高碳高硅类岩相储集特征以微孔-小孔为主,高碳低硅类页岩储集特征以微孔为主,低碳高硅类页岩储集特征以小孔-中孔为主,高黏土类页岩储集特征以中孔-大孔为主;灰质混合类页岩储集特征以大孔为主;③高碳高硅类岩相孔隙度、孔体积和比表面积最大,其次为高碳低硅类、高黏土类和低碳高硅类,灰质混合类岩相最小;④微孔主要受有机质含量控制,微孔体积与有机质含量成正比,小孔体积与长英质矿物含量成正比,中孔体积与黏土矿物含量成正比,大孔基本不发育;⑤综合岩相发育占比和储集特征认为,高碳高硅类和高碳低硅类岩相是最优质的岩相类型,高黏土类和低碳高硅类次之,灰质混合类相对最差。

从能耗比论低熟富有机质页岩原位改质转化的经济可行性及增效途径

在原位改质技术开发中,对低熟页岩的巨大的油气资源潜力的技术可行性质疑不多,但由于致热页岩耗能巨大,经济可行性还面临重重质疑,也缺乏有力的定量论证。本文从能量守恒原理出发,对致热页岩过程中生成油气的获能和裂解有机质的耗能、页岩吸热耗能、围岩散热耗能分别进行了定量评价,得到了不同条件下的能耗比及其影响因素,结果表明:能耗比随TOC含量的升高快速增大,对倾油性的页岩,能耗比为3时对应的TOC含量≈4.2%,表明,当TOC含量较高时,有望通过大规模作业摊薄工程成本,使考虑工程成本之后的能耗比>1,即原位加热改质技术可以具有经济效益。从有关因素对能耗比的影响幅度来看,提高经济可行性的增效途径之一是探寻高效致热页岩、减少围岩传导耗热的技术;途径之二是探寻高效转化有机质为油气的技术,即探索具有催化效应/能力的技术,减少页岩吸热和致热时间;途径之三是探寻综合考虑能耗比、时间成本、工程成本的水平井综合布井技术。

致密气充注聚集机理及数理模型

致密气的气-水分布和产出非均质性虽已从实验和地质观察角度总结了相应认识规律,但一直缺少定量的数理模型揭示其聚集机理。从驱替-核磁物理模拟、考虑物质平衡和力学平衡的数值模拟以及实际地质观察3方面论证致密气充注聚集机理,结果显示致密气充注聚集时会在源-储界面附近优先形成含气饱和度稳定带,气源不足时,从源-储界面起,依次形成含气饱和度降低带和未充注带。源岩条件越好,排气量越多、超压越大,致密储集层含气饱和度稳定带和降低带越厚,整体含气饱和度越高;源岩条件有限时,致密储集层条件越好,孔渗越高、孔喉越大,含气饱和度稳定带和降低带厚度越薄,但含气饱和度高。致密气“甜点”有利层段发育在靠近源岩的优质储集层中,对应含气饱和度稳定带。基于数理模型的数值模拟结果很好地吻合了驱替-核磁物理模拟结果,并合理解释了松辽盆地徐家围子断陷深层和鄂尔多斯盆地临兴—皇甫致密气区的气-水分布和产出规律。

页岩气/煤层气运移过程中的同位素分馏研究进展

从同位素分馏特征与影响因素、分馏机理与定量表征模型和地质应用等3方面对页岩气/煤层气运移过程中的同位素分馏研究进展进行综述。研究发现,页岩气/煤层气完整产出过程中的同位素分馏表现为“稳定—变轻—变重—再变轻”的4阶段特征,这与页岩/煤层孔隙内复杂的气体运移方式密切相关。页岩/煤层内气体运移机制包括渗流、扩散和吸附/解吸,其中压差驱动的体相渗流基本不产生同位素分馏,而扩散和吸附/解吸过程中的同位素分馏显著。现有的同位素分馏模型包括纯扩散分馏模型、扩散、吸附/解吸耦合模型和多尺度多机制耦合模型,模型计算结果表明,天然气运移过程中的同位素分馏主要受控于岩石孔隙结构、吸附能力和初始/边界条件。目前,同位素分馏模型已成功应用于评价页岩/煤岩原位含气量和吸附气/游离气比例等关键参数,同时在气井生产状态判识和产能变化趋势预测等方面展现出一定的应用前景。下一步研究应重点关注:①天然气运移过程不同组分碳、氢同位素组成的协同演化规律;②生—排—运—聚—散全过程同位素分馏的整体表征;③复杂孔-裂隙系统内天然气运移过程同位素分馏的定量表征及应用。

湖相页岩油有利甜点区优选方法及应用——以渤海湾盆地东营凹陷沙河街组为例

页岩油有利目标区既是页岩油资源甜点区、物性甜点区,又是工程甜点区,因此寻找表征页岩油资源甜点、物性甜点及工程甜点的主地质参数,是建立页岩油有利区优选方法的关键。建立了一种基于主地质参数的页岩油有利区优选综合定量评价方法:①以游离油量、渗透率和杨氏模量为主地质参数并作为评价指标,建立权重评价值函数;②以主地质参数权重评价值乘积构建综合权重因子,确定页岩油勘探开发有利层、低效层和无效层综合权重因子分布范围;③确定页岩油勘探开发有利层系及有利区分布。将该方法应用于渤海湾盆地东营凹陷,评价了27口井沙河街组三段下亚段和沙河街组四段上亚段页岩油层系综合权重因子,预测出页岩油勘探开发有利层系及有利区分布范围,研究结果对东营凹陷页岩油勘探开发具有一定的参考意义。

渝东南地区海相页岩有机质孔隙发育特征

有机质孔隙是高-过成熟海相页岩主要的气体储集空间。基于四川盆地东南部(渝东南地区)五峰组-龙马溪组页岩研究,将有机质划分为干酪根和沥青两种基本类型,其中,干酪根可进一步划分为无结构型干酪根和结构型干酪根两种类型,沥青可划分为固体沥青和复合有机质;根据有机质孔隙的分布和发育特征,将其划分为干酪根内孔隙、海绵状孔隙和气泡状孔隙3种类型。通过扫描电镜实验和ImageJ软件提取有机质孔隙,结合圆度、凸性、伸长率、分形维数等孔隙形态参数分析不同类型有机质孔隙发育特征。结果表明:①随总有机碳的增加,有机质面孔率逐渐增加;②当总有机碳低于2%时,随总有机碳的增加,平均孔径、分形维数逐渐减小,有机质孔隙趋于均一;当总有机碳高于2%,随总有机碳的增加,平均孔径、分形维数逐渐增大,有机质孔隙趋于复杂;③无结构型干酪根有机质孔隙以微孔(孔径小于25 nm)和小孔(孔径为25~100 nm)为主,发育少量中孔(孔径为100~1000 nm);结构型干酪根有机质孔隙以微孔为主,小孔其次,中孔发育较少;沥青有机质孔隙以小孔为主,发育部分中孔和大孔(孔径大于1000 nm);④与沥青有机质孔隙相比,干酪根有机质孔隙圆度、凸性较大,伸长率较低;但由于干酪根有机质孔隙的平均孔径较小,小孔含量高,分形维数相较于沥青偏高。

基于扫描电镜的页岩微观孔隙结构定量表征

根据二维高分辨率扫描电镜(2D-SEM)图像孔隙灰度阈值提取页岩孔隙分布,采用分形理论计算孔隙形态和孔径分布分形维数,在此基础上分析孔径分布模型、步长及分辨率对页岩2D-SEM孔径分布影响,并与高压压汞(MICP)和低温氮气吸附-解吸(LNA/D)孔径分布对比。结果表明:2D-SEM孔隙提取结果能够定量表征页岩孔隙结构复杂性,孔隙形态分形维数越高,孔隙越复杂,孔径分布分形维数越高,孔径分布越复杂,微孔所占比例越高;连续型孔径分布模型能够准确表征页岩孔径分布,以1/2平均孔喉半径为步长提取的2D-SEM与MICP和LNA/D孔径分布吻合最好;2D-SEM孔径分布受分辨率和页岩非均质性双重影响,应选择代表页岩孔隙结构的高分辨率区域,或采用多张高分辨率SEM拼接图像提取孔径分布;2D-SEM图像能够精确定量表征页岩孔隙结构特征,为取心及制样困难的页岩孔隙结构研究提供了新方法。

基于过程分析法的页岩原位含气性评价

为了确定页岩中总含气量、吸附气/游离气含量及其比例,建立了一种新的页岩原位含气性定量评价方法,即过程分析法。该方法将钻井取芯及现场解析全过程拆分为5个阶段,依次评价不同阶段气体(吸附气、游离气)逸散量。在获取钻井取芯、储层物性、吸附/扩散、气体特性及岩芯现场解析等数据之后,使用该方法可正演计算获得全过程的气体解析量,同时获得原位总含气量、吸附气/游离气含量及其比例等数据。应用该方法对焦石坝区块JY182-6井五峰组—龙马溪组海相页岩原位含气性进行了评价。过程分析法所得总含气量是USBM直接法结果的0.8~5.4倍(平均2.0倍);两者之间的差值为-1.27~1.58 m^(3)/t(平均0.39 m^(3)/t),且随吸附气比例的增加而逐渐减小。吸附气含量及其比例主要受控于总有机碳含量(正相关),游离气含量受控于孔隙度(正相关)和含水饱和度(负相关),同时受黏土矿物含量的影响(弱正相关)。

南方海相页岩物质组成与孔隙微观结构耦合关系

为研究页岩物质组成与孔隙微观结构耦合关系,对南方海相五峰组—龙马溪组30个高—过成熟页岩样品开展低温氮气吸附实验,并根据迟滞回线形态划分3类页岩。结果表明:(1)黏土矿物主要发育板状孔,孔径较大,从微孔(<2nm)到宏孔(>50nm)均较为发育;有机质主要发育墨水瓶状孔,主要为微孔和介孔(2～50nm)级别。(2)页岩比表面积主要由微孔、介孔贡献,其中微孔比表面积主要由有机质提供,黏土矿物主要提供介孔、宏孔比表面积;总孔体积主要由介孔、宏孔贡献,其中有机质主要贡献微孔、介孔体积,黏土矿物主要贡献宏孔体积。(3)样品普遍具有三段分形特征,且在不同孔径范围,墨水瓶状孔均要较板状孔复杂。研究成果有助于认识页岩气的储集、运移规律。

页岩气运移过程中的碳同位素分馏:机理、表征及意义

页岩原位含气量和吸附气/游离气比例是页岩气资源评价的2个关键参数,因此受到了广泛关注.然而,业已提出评价上述关键参数的多种方法均未得到广泛认可.甲烷在运移过程中的碳同位素分馏效应为有效区分不同赋存状态气体(吸附气、游离气)运移过程并最终确定这2个参数提供了全新的途径.文章通过页岩气运移模拟实验发现,页岩气解析/生产过程中甲烷碳同位素分馏存在4个阶段:游离气压差渗流阶段(Ⅰ)、吸附-游离转换阶段(Ⅱ)、吸附气解吸阶段(Ⅲ)和浓度差扩散阶段(Ⅳ).解耦实验揭示了甲烷运移过程中各单一作用(压差渗流、吸附-解吸和扩散)的碳同位素分馏效应.结合Amoco曲线拟合法和碳同位素分馏方法,文章进一步评价了页岩气解析/生产过程中吸附气/游离气比例动态变化,结果表明:第Ⅰ阶段产出的气体主要为游离气,甲烷碳同位素值(δ13C1)基本保持不变,且与气源值(13C10)相近;第Ⅱ阶段,游离气比例降低,吸附气比例增加,δ13C1值逐渐变轻;随着游离气的大量消耗,吸附气占据主导地位(接近100%),碳同位素分馏进入第Ⅲ阶段,δ13C1值逐渐变重;第Ⅳ阶段,残留在页岩基质内的吸附气在浓度差作用下向外扩散,该阶段δ13C1值再次变轻并最终稳定在一个较轻值.此外,文章还建立了定量描述页岩气解吸与扩散的动力学模型.

页岩基质孔隙水定量表征及微观赋存机制

页岩基质赋水性是影响页岩气富集和运移的重要地质因素之一,但针对基质孔隙内不同状态(吸附与游离)水的定量表征理论和方法尚不成熟、微观赋存机制还不够清楚。基于孔隙内吸附水和游离水两相共存特征,提出了吸附比例方程和液体状态方程两个理论模型,前者可计算饱和页岩基质孔隙内吸附水所占质量比,后者可用于描述饱和页岩中孔隙水赋存状态及评估吸附参数(吸附水的密度和厚度)。进一步结合核磁共振技术,建立了基于核磁共振T2谱的(非)饱和页岩基质孔隙水定量评价方法,并以四川盆地东南部五峰组—龙马溪组海相页岩为例进行了应用。研究结果显示:①在实验室条件(20℃、常压)下,饱和蒸馏水页岩基质孔隙内吸附水质量比(即吸附比例)为26.8%~62.9%、平均为45.5%;吸附水饱和度为19.19%~52.36%,平均为35.71%;吸附水平均密度和平均厚度分别约为1.54 g/cm^3和0.65 nm。②在核磁共振T2谱上,吸附水主要分布于较小的T2值区间,游离水则反之,两者之间有交叉重叠。③存在一个临界孔径,小于该孔径的孔隙内完全被吸附水充填;大于该孔径的孔隙内吸附水和游离水两相共存,且随孔径增大,吸附水饱和度逐渐减小、游离水饱和度逐渐增加;总体上,吸附水主要分布于<50 nm的孔隙内,游离水分布于>50 nm的孔隙内。④同一页岩岩心在不同含水率情况下吸附水含量及分布总体上变化较小;随着含水率减小,游离水含量及分布变化较大,含量逐渐减小、幅度逐渐降低。