页岩孔隙研究新进展

随着非常规油气勘探的兴起页岩孔隙研究备受重视,如何研究页岩孔隙已经成为非常规油气首要解决的问题之一,其对页岩油气勘探层位选取、资源潜力评价和油气渗流能力计算具有重要意义。对页岩微—纳米孔隙表征技术、页岩孔隙类别的划分以及页岩孔隙演化规律分别进行了综述并指出存在问题,同时结合最新研究进展对页岩孔隙研究进行展望。提出工业CT—微米CT—纳米CT/FIB系列辐射扫描方法和压汞(MICP)—氮气吸附(N2)—二氧化碳吸附(CO2)流体法是孔隙定量表征的最优方法,通过单井孔隙度测井资料与实验室测定结果建立校正图版指导储层孔隙发育段优选;页岩孔隙分类研究还应该考虑含油气性,利用原子力显微镜等工具加强孔隙含油性研究;孔隙演化规律研究应该采用模拟实验和真实剖面样品对比并结合矿物组成分析等寻找主控因素。     

武乡区块山西组泥页岩孔隙结构及分形特征研究

沁水盆地东部煤系伴生泥页岩广泛发育,页岩气资源潜力大,开展该区泥页岩孔隙结构特征的研究对页岩含气性评价及实现煤层气、页岩气合探共采具有重要意义。本文以盆地内武乡区块Y井二叠系山西组泥页岩为研究对象,通过XRD、高压压汞和低温液氮吸附等实验手段对泥页岩孔隙结构特征及分形特征进行了研究。结果表明,Y井山西组泥页岩的矿物组成以黏土矿物和石英为主;泥页岩中小于50 nm的孔隙大量发育,结构形态上以狭缝平板型孔隙和"细瓶颈"孔隙为主;泥页岩样品吸附曲线呈倒S型,属于Brunauer分类方案中的Ⅱ型曲线,其脱附曲线属于IUPAC分类方案中的H2型(兼具H1型及H3型),属De Boer分类方案中的B型(兼具E型及C型); Y井山西组泥页岩分形维数接近3,非均质性较强,矿物成分、总孔体积、平均孔径和TOC含量是影响泥页岩分形维数的重要因素。     

黔西北骑龙村剖面五峰-龙马溪组黑色页岩孔隙结构特征

页岩的孔隙类型、结构对于页岩气资源评价与开采具有重要意义,为了进一步认识页岩孔隙结构特征及其演化规律,利用场发射扫描电镜、氮气吸附实验对黔西北骑龙村剖面五峰—龙马溪组黑色页岩微观孔隙类型、结构进行了研究,结果表明,研究区五峰—龙马溪组页岩气储层的储集空间类型多样,主要包含粒内孔、粒间孔、有机质孔和微裂缝。页岩孔隙以介孔为主,介孔是页岩气的主要储集空间;孔隙结构以墨水瓶状孔和平行板状孔为主。探讨了影响页岩孔隙发育的主要因素,有机碳含量、热演化程度和矿物成分含量均对页岩孔隙的发育有影响,而且并非单相性的,是相互制约的。研究剖面石英含量与微孔、中孔的发育程度呈良好的正相关关系,而与宏孔发育程度的相关性不明显;黏土矿物含量与微孔、中孔的发育程度的相关性不明显,而与宏孔的发育程度呈负相关关系;有机质孔隙正处在其发育高峰期,对于页岩孔隙具有重要贡献,且随成熟度增加而增加。     

焦石坝地区页岩孔隙连通性及有效性评价

页岩孔隙连通性直接影响油气分子在储层内的运移,从而控制页岩气产出的难易程度,是评价页岩气勘探开发潜力的重要参数之一。以焦石坝地区两口关键井（JYA井和JYB井）五峰组—龙马溪组主力层段页岩为例,开展柱塞样的氦气孔隙度与饱和盐水后的核磁共振孔隙度实验,确定页岩储层孔隙连通性特征,探讨孔隙连通性对页岩气开发的影响。研究结果显示:1）氦气膨胀法主要识别页岩储层中的连通孔隙,而核磁共振法可有效反映样品整体的孔隙空间,两者的比值可量化表征页岩孔隙连通性;2）JYA井氦气孔隙度和核磁孔隙度差异较小,具有强烈的正相关关系,页岩样品整体以连通孔隙为主,连通孔隙占比为69.13%~94.94%,平均为85.12%;3）JYB井页岩孔隙连通性相对较差,连通孔隙占比为36.15%~81.71%,均值为58.19%,仅依靠连通孔隙无法充分反映页岩样品的真实孔隙度,导致氦气孔隙度和核磁孔隙度无明显线性关系。纳米CT三维成像技术模拟的孔隙连通性特征及研究样品的脉冲渗透率差异证实了研究结果的有效性。     

页岩纳米孔隙研究新进展

随着页岩油气勘探的兴起及近年来北美地区页岩油气开发取得的巨大成功,含气页岩储层的孔隙研究受到越来越多的重视。页岩储层不同于常规储层,其以纳米孔隙为主,无法用常规储层孔隙研究方法进行表征和评价。对目前国内外含气页岩孔隙分类及孔隙表征方法进行了综述,从定性及定量的角度对表征方法进行归类和总结,指出了各类方法的优缺点及应用范围。定性表征方法主要是利用聚焦离子束扫描电子显微镜、高分辨率的场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、宽离子束扫描电子显微镜、原子力显微镜等电子显微成像分析技术及Nano-CT技术等直观描述页岩孔隙的几何形态、连通性和充填情况等;定量表征方法是利用气体吸附法、压汞实验、小角散射及核磁共振等技术定量分析页岩孔径大小及分布、比表面积等。进一步探讨了含气页岩纳米孔隙发育演化的控制因素以及纳米孔隙对页岩气聚集的影响。展望未来,在页岩纳米孔隙结构表征技术方面,应不断提高实验精度和效率,定性与定量表征相结合,改进三维成像技术;在页岩纳米孔隙储层评价研究方面,纳米孔隙发育演化的控制因素、纳米孔隙储层的储气及产气能力、陆相非均质页岩纳米孔隙的表征与评价是关注的重点领域。     

海相页岩储层微观孔隙体系表征技术及分类方案

页岩储层作为一种非常规油气储集体,对其孔隙体系的研究备受重视。通过充分调研和系统总结国际上关于页岩储层微观孔隙体系的研究现状,综述了孔隙表征技术并指出了存在问题;以客观性和普适性为基础提出了两套分类方案;定性探讨了孔隙演化的一般规律。目前最常见定性观测页岩储层孔隙的方法为高分辨率电子显微镜结合氩离子抛光技术,聚焦离子束扫描电镜系统(FIB-SEM)和纳米CT技术可用于孔隙三维模型重构。高压压汞法结合气体吸附法用于定量分析页岩孔隙结构特征,此外核磁共振也是有效测试手段。分别根据孔隙发育位置与岩石基质关系以及孔隙发育成因与岩石基质关系,将页岩储层孔隙划分为粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝以及骨架矿物孔、黏土矿物孔、有机质孔和微裂缝。无机矿物成岩作用与有机质热成熟作用是控制页岩储层孔隙演化的重要因素。     

基于扫描电镜-氮气吸脱附和压汞法的页岩孔隙结构研究

研究页岩孔隙结构特征,对于探讨页岩气赋存机理有重要意义。本文采用扫描电镜(SEM)、氮气吸脱附法与压汞法对鄂尔多斯盆地页岩样品的孔隙结构进行了全面表征,发现所研究区域页岩孔隙类型包括溶蚀孔隙、粒间孔隙和微裂缝;孔径从几个纳米到几百个微米,BET比表面积在7~25 m~2/g之间,孔体积在0.01~0.03 cm~3/g范围。研究结果表明鄂尔多斯盆地页岩具有良好的孔隙结构,孔隙类型丰富,孔径分布范围广泛,其中纳米级孔隙占主导,纳米级孔的存在有利于页岩气的存储,微裂隙的存在则有利于页岩气的运移。说明该区域页岩气的储藏具有良好的基础环境,页岩含气量可能较丰富。     

基于SEM图像灰度水平的页岩孔隙分割方法研究

微观孔隙结构是研究页岩气吸附运移机制和建立地质模型的基础,氩离子抛光-扫描电子显微镜(SEM)技术是开展此项研究的主要实验方法,但已有的研究大多是关注页岩孔隙分类,较少从定量角度表征其特征。为开展页岩微观孔隙结构定量研究,提高孔隙分割质量,本研究分别利用边缘检测分割法、流域分割法、手动和自动阈值分割法对页岩无机孔和有机孔二次电子图像进行分割实验,对比不同方法的分割效果。结果表明,通过选取合适的分割阈值,基于SEM图像的手动阈值分割法能够表征1 nm以上的孔隙,准确地识别有机质与脆性矿物边缘、孔隙与有机质边缘,使得页岩孔隙提取结果趋近于真实,能更有效地对页岩孔隙结构进行定量分析。     

基于神经网络的页岩微纳米孔隙微结构分析的正则化和最优化方法

页岩气成藏机理与页岩内部孔隙结构紧密相关,对页岩孔隙结构的研究成为页岩气勘探开发技术中至关重要的一环。页岩内部不同结构体组分对X-射线的吸收能谱不一样,这样就导致观测数据是由不同页岩组分衰减不同波段的X-射线构成的。经过对CT图像分割,能够获得页岩微孔结构的图像,尤其是获得有机质中孔隙类别、形状、尺寸、空间分布、连通特性。本文利用同步辐射X射线扫描重构的页岩CT数据,研究并设计基于多能CT图像的神经网络图像分割技术和算法,以期得到页岩体三维结构特征及空间分布,可以为建立有机质种类和无机矿物组成与微纳孔隙特征的联系以及最终实现页岩气的资源储量评估和勘探开发提供技术支持。     

沁水盆地阳泉区块太原组煤系页岩孔隙结构特征

页岩孔隙结构是影响页岩气赋存与储集的基本因素之一。为研究高演化海陆过渡相煤系页岩的孔隙结构和评价页岩气储集能力,主要运用扫描电子显微镜、高压压汞、低温N₂和CO₂气体吸附实验方法,对沁水盆地阳泉区块太原组海陆过渡相煤系页岩孔隙微观特征与孔隙结构进行了研究,并分析了太原组煤系页岩孔隙发育的影响因素。研究结果表明:沁水盆地阳泉区块太原组海陆过渡相煤系页岩孔隙度介于2.54%~12.03%之间,平均为6.61%;发育多种类型的孔隙,常见粒间孔、粒内孔和微裂缝,有机质孔不发育;太原组煤系页岩孔隙总孔容介于0.025 5~0.054 7 mL/g之间(平均0.040 1 mL/g),总比表面积介于12.34~43.38 m²/g之间(平均28.74 m²/g),微孔(<2 nm)和介孔(2~50 nm)是页岩气储集的主要载体;有机碳含量、成熟度R_o和黏土矿物含量均对煤系页岩孔隙发育产生积极影响。     

上扬子地区不同构造位置牛蹄塘组页岩孔隙特征的对比研究

对位于不同构造位置的两条下寒武统牛蹄塘组页岩采石场剖面进行了垂向系统采样研究,并进行了有机地球化学、矿物学及孔隙度测试。酉阳丹泉剖面富有机质层段集中在牛蹄塘组下部,厚度在25 m以上,总有机碳含量(TOC)均大于5.65%,遵义松林剖面仅对下部富有机质页岩进行采样,但基于富有机质层段地球化学垂向变化趋势可进行对比研究。结果表明,页岩微孔体积主要由有机孔提供,且基本不受构造作用影响。松林剖面TOC值越高,伊利石含量越低,介孔体积越小;而构造稳定区页岩介孔体积除部分样品与松林剖面重合外,仍有部分样品介孔体积明显偏高,说明构造位置的差异对页岩介孔具有明显的影响。宏孔体积在TOC大于6.4%时有减小的趋势,但不同构造位置的两剖面样品受构造应力差异影响不明显。构造应力对孔隙的影响主要与岩石的力学性质及伊利石矿物孔的保存能力有关。     

Elemental profile of black shales

A black shale sample collected from the Chimiari site(Tarbela) was analyzed for elemental contents.Inductively coupled plasma-optical emission spectrometry(ICP-OES) was employed to determine major and trace elements in the digests.Precise analysis was accomplished for the black shales,which was better than 2.0%.Result shows that the shales are very rich in Ca(25439 μg·g-1),Fe(13933 μg·g-1),Ti(6932 μg·g-1),Al(5993 μg·g-1) and K(2730 μg·g-1).     

Provenance and tectonic setting of the Lower Cambrian Niutitang formation shales in the Yangtze platform,South China: Implications for depositional setting of shales

Geochemical compositions of the Lower Cambrian Niutitang Formation shales in the southeastern Yangtze Platform margin were investigated for provenance, tectonic setting, and depositional environment. The shale samples are characterized by higher abundances of large ion lithophile elements (Cs, Ba, and Pb), lower abundances of high field strength elements (Cr, Sc, and Co) and transition elements (Th, Zr, Hf, Nb, and Ta) relative to average shale. North American shale composition (NASC) -normalized rare earth element (REE) patterns are observed, with negative Ce anomalies, negative Eu anomalies, and positive Y anomalies. The chemical index of alteration (CIA) varies from 68.67–74.93. Alkali and alkaline element contents and CIA values suggest that the source rocks have undergone moderate weathering. The index of compositional variability (ICV), Zr/Sc and Th/Sc ratios vary from 0.53 to 1.07, 5.31 to 8.18 and 0.52–1.02, respectively. ICV values and relationships between Zr/Sc and Th/Sc ratios indicate negligible sedimentary recycling. The Al₂O₃/TiO₂ (14–26) and TiO₂/Zr (56–77) ratios imply that the source rocks of the investigated shales had intermediate igneous compositions. However, Cr/V ratios and a La/Th–Hf discrimination diagram suggest that the intermediate compositional signal of the source rocks was derived from a mixture of 75% mafic and 25% felsic igneous rocks rather than intermediate igneous rocks. The major source was the Jiangnan continental island arc with bimodal igneous rocks, lying to the south of the study area, together with a contribution from granites and gneisses uplifted and eroded in the Yangtze Block. Discrimination of tectonic setting using major and trace elements indicates that the source rocks originated in a transitional setting from active continental to passive margin, consistent with the failed intracontinental rift model for the evolution of the South China plate. The Niutitang Formation shales were deposited in a rift basin setting under conditions of anoxic bottom water in a redox-stratified water column, with organic-rich shales prospective for shale-gas production being found in deep-water downslope and basin environments rather than the shallow-water shelf.     

A numerical compaction model of overpressuring in shales

A one-dimensional model of sediment compaction is presented to relate pressure, porosity, permeability, and fluid and solid-particle velocities in an evolving sedimentary basin. The burial history of a sedimentary package is followed and incorporated into rate models for diagenetic reactions to predict clay compositions with depth. The governing set of nonlinear, partial differential equations constitutes a moving boundary problem and is solved by a finite difference scheme. Sedimentation rates and a permeability-porosity function for shales are required to implement the model. Additional factors are incorporated to mimic the effect of increased fluid volume generated by dehydration from clay mineral transformations and by thermal expansion. We demonstrate that the major cause of overpressuring in sediments accumulating along passive margins is nonequilibrium compaction. Sedimentation rates and strata permeability are the most important geologic factors in the formation of overpressured zones. Smectite dehydration and aquathermal pressuring play secondary roles in the development and sustenance of overpressures.     

Main features of mudslides in tectonised highly fissured clay shales

AbstractMudslides are widespread in the world, especially in areas occupied by highly-fissured plastic stiff clays. Despite their strong impact on structures, infrastructures and, in general, human activity, the knowledge concerning the causes and mechanisms of mudslides is still rather limited. The paper reports some results of long-term research on mudslides in tectonised highly-fissured plastic clay shales carried out through laboratory and in situ tests, monitoring and numerical analyses.     

黑色页岩的资源功能和环境效应

利用ICP—MS等分析技术对典型黑色页岩的微量元素及P、S等组分进行了分析,探讨了黑色页岩的化学特征、风化机制和微量元素富集特征,阐明了黑色页岩的资源功能和环境效应。结果表明,黑色页岩不但富含多种矿产资源,产有大型、超大型多金属矿床,而且可用作复合化肥以改良土壤。同时,黑色页岩因风化分解释放CO2、产生酸性矿排水、释出重金属元素等而可能对环境产生严重影响,引起环境问题。开发利用黑色页岩不但要充分认识其资源功能特征,拓宽其应用途径,而且要特别注意其可能引发的环境问题。     

四川盆地及周缘下古生界五峰组龙马溪组页岩岩相分类

基于涪陵焦石坝地区页岩气高产工业气流的推动,四川盆地及其周缘下古生界五峰组龙马溪组页岩已经成为了中国页岩气研究的重点,至今已取得大量相关研究成果,这进一步推动了页岩气研究工作的深入。但作为页岩及页岩气研究的基础--页岩岩相分类这个问题却一直存在明显争议,为此本文全面梳理了国内外页岩岩相分类方案及相关研究,有机结合了国内五峰组龙马溪组页岩的研究和勘探实例,确定了页岩岩相分类的两个核心指标(石英百分含量、纹层发育程度),构建了五峰组龙马溪组页岩岩相的分类流程,建立了9种不同类型的页岩岩相：(1)贫硅不平行纹层页岩;(2)中硅不平行纹层页岩;(3)富硅不平行纹层页岩;(4)贫硅平行纹层页岩;(5)中硅平行纹层页岩;(6)富硅平行纹层页岩;(7)贫硅不明显纹层页岩;(8)中硅不明显纹层页岩;(9)富硅不明显纹层页岩。在系统的页岩岩相分类基础上进一步提出了四川盆地及周缘进行页岩气勘探最有利层段的页岩岩相的三高特征：高石英含量、高TOC含量及高压裂性。     

渝东南渝页1井下志留统龙马溪组页岩孔隙特征及其主控因素

富有机质黑色页岩的孔隙结构控制了页岩气的赋存状态和储气量。中国南方地区下志留统是页岩气发育的最重要层位之一。为研究页岩的孔隙特征及其主控因素,对以下志留统龙马溪组页岩气为勘探目标的渝页1井的岩心进行系统的采样,并进行了比表面和孔径、有机质成熟度(Ro)、显微组分、总有机碳(TOC)含量、全岩X射线衍射和粘土矿物含量等一系列分析测试。结果显示,黑色页岩的孔径主要分布于2~5 nm,即以中孔隙为主;中孔体积占总体积的70%左右,微孔体积和宏孔体积分别占10%和20%左右。页岩孔隙结构(微孔体积、中孔体积和宏孔体积)和组成(碎屑矿物成分、粘土矿物成分、TOC和Ro)的相关关系分析表明：粘土矿物对微孔体积和中孔体积都具有控制作用,并且对中孔体积的控制作用更加显著;陆源碎屑含量的增加有利于宏孔体积的增加;有机质成熟度较高时和高成熟度有机碳含量都与宏孔隙体积呈正相关,这可能与高成熟有机质中nm级显微裂缝的发育导致宏孔体积增加有关。     

北羌塘盆地油页岩形成环境及其油气地质意义

最近在北羌塘长蛇山地区新发现了晚侏罗世—早白垩世大套油页岩及巨厚膏盐层,该油页岩与近年来作者在胜利河、长梁山地区发现的多处油页岩连成一片,构成了目前我国规模最大的中生代海相油页岩带—北羌塘油页岩带。沉积岩相、古地理研究表明,晚侏罗世—早白垩世时期,北羌塘盆地总体上为一个向北西开口的相对闭塞的巨大海湾,发育了河流-三角洲、海湾(潮坪-潟湖)和浅海-陆棚等沉积相组合。古气候、古环境研究表明,油页岩(段)沉积期,胜利河地区处于潮湿的热带-亚热带环境,大量淡水的注入以及高的生产力等综合因素,控制了油页岩的形成,其分布主要位于局限海湾-潟湖的边缘带;膏盐层(段)沉积则发育于相对干旱、炎热气候条件下的闭塞环境。北羌塘晚侏罗世—早白垩世油页岩及其上覆膏盐层是重要的烃源岩和区域性封盖层。油页岩及含膏盐层沉积组合的发现,对于重新认识羌塘盆地生烃条件及保存条件,具有十分重要的意义。