湖北来凤LD-1井龙马溪组页岩孔隙结构特征分析

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2020.04.035

摘要/Abstract

摘要：

在分析湖北来凤地区海相龙马溪组页岩地球化学特征和岩石矿物学特征的基础上,通过高压压汞-低温N₂吸附-脱附联合实验对页岩孔隙结构进行了分析。湖北来凤地区龙马溪组页岩TOC(总有机碳含量)为0.41%~2.35%,R_o(镜质体反射率)在3.09%~3.42%之间,处于过成熟阶段,矿物组成以石英(29.9%~49.3%)和黏土矿物(17.8%~49.6%)为主,孔隙类型以无机粒间孔、无机粒内孔、微裂缝和有机质孔为主。高压压汞及低温N₂吸附-脱附联合实验表明页岩孔隙主要以微孔和介孔为主,孔喉细小且结构复杂,孔隙形态以细颈广体墨水瓶孔为主。利用FHH模型研究了其孔隙分形维数,得到其低相对压力条件下(P/P₀≤0.5)分形维数D₁(2.73~2.76,平均值为2.74),高相对压力条件下(P/P₀>0.5)D₂(2.80~2.89,平均值为2.85),通过建立分形维数与孔隙结构其他参数之间的关系认为:分形维数能够较为全面表征孔隙大小、孔隙复杂程度及孔隙吸附储气性能,可以作为有效的孔隙结构表征参数。分形维数研究揭示研究区龙马溪组页岩具有较高的吸附储气能力但孔隙结构复杂、连通性差,开采时对储层改造措施要求较高。进一步研究显示:分形维数与有机质丰度、黏土矿物含量、黄铁矿含量呈正相关关系,与石英含量呈负相关关系,由于研究区龙马溪组页岩有机质均处在过成熟阶段,吸附能力降低,有机质丰度对页岩吸附能力的控制作用不明显。

关键词: 湖北, 龙马溪组页岩, 孔隙结构, 高压压汞, 分形维数, 低温N₂吸附-脱附

Abstract:

Pore structural analysis of the Longmaxi Formation shale in Laifeng (Hubei) was conducted based on geochemistry, petrophysics, and combined experiments on high-pressure mercury injection and low temperature N₂ adsorption-desorption. The Longmaxi Formation shale is over-matured with 0.41% to 2.35% TOC (total organic carbon) and 3.09% to 3.42% R_o (vitrinite reflectance). Mineral contents include mainly quartz (29.9% to 49.3%) and clay minerals (17.8% to 49.6%). Major pore types include inorganic inter-/intra-granular pores, micro-cracks and organic pores. The combined experiments show that the pore size is mainly micro-/meso-porous, pore throat is small and complex, and that the pore morphology is mainly fine-necked wide-body ink bottle shape. Based on the FHH model, the low relative pressure (P/P₀≤0.5) fractal dimension D₁ (2.73 to 2.76, average 2.74) and the high relative pressure (P/P₀>0.5) D₂ (2.80 to 2.89, average 2.85) are obtained. By establishing the relationship between fractal dimension and other pore structure parameters, it is concluded that fractal dimension can characterize the pore size, pore complexity and reservoir property, which can be an effective pore structure characterization parameter. Our results suggest that the Longmaxi Formation shale has high gas adsorption capacity, but the pore structure is complex and the connectivity is poor, yielding high requirements for reservoir transformation measures. Further research shows that the fractal dimension is positively correlated with the contents of organic matter, clay minerals and pyrite, but negatively correlated with the quartz content. Since the organic matter of Longmaxi shale in the study area is over-mature, its adsorption capacity is reduced, and the control of organic matter abundance on the shale adsorption capacity is unobvious.

Key words: Hubei, Longmaxi Formation shale, pore structure, high-pressure Hg injection experiment, fractal dimension, low temperature N₂ adsorption-desorption experiment

中图分类号:

TE132.2

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图/表 9

表1 页岩岩石矿物和地球化学特征

Table 1 Shale minerals and geochemical characteristics

样品号	深度/m	TOC/%	R_o/%	矿物组成/%							黏土矿物组成/%
样品号	深度/m	TOC/%	R_o/%	黏土矿物	石英	长石	方解石	白云石	黄铁矿		伊/蒙混层	伊利石	绿泥石
1	903.38	1.95	3.28	49.6	32.7	11.4	0.6	2.1	3.6	24		56	20
2	911.26	0.41	3.31	17.8	49.3	21.9	2.8	6.2	2.0	29		62	9
3	920.10	0.33	3.09	28.8	44.7	19.1	3.2	2.5	1.7	38		51	11
4	927.89	1.32	3.40	34.9	35.9	18.7	3.0	4.4	3.1	29		57	14
5	935.44	1.33	3.42	25.3	42.6	17.8	7.3	3.6	3.4	24		65	11
6	942.79	2.35	3.37	45.8	29.9	13.4	3.9	3.0	4.0	31		58	11

图1 页岩孔隙分布与形态特征

Fig.1 Pore distribution and morphological characteristics of the Longmaxi Formation shale

图2 页岩孔径分布

Fig.2 Pore size distribution of the Longmaxi Formation shale

图3 页岩吸附-脱附曲线

Fig.3 Adsorption-desorption isotherms of the Longmaxi Formation shale samples

图4 页岩分形维数

Fig.4 Fractal dimension of the Longmaxi Formation shale

表2 氮气吸附法计算页岩分形维数及储层特征参数

Table 2 Fractal dimensions of the Longmaxi Formation shale from nitrogen adsorption and reservoir characteristic parameters

样品号	深度/m	D₁	R²(D₁)	D₂	R²(D₂)	BET比表面/ (m²/g)	BET平均孔直径/nm	BJH微孔比例/%	BJH介孔比例/%	有效孔隙度 /%
1	903.38	2.743 7	0.988 6	2.885 0	0.985 7	15.20	3.48	31.8	57.2	/
2	911.26	2.751 7	0.988 8	2.834 3	0.997 1	7.26	4.41	22.0	61.3	0.732
3	920.1	2.728 4	0.994 3	2.798 4	0.999 1	5.35	5.14	20.3	62.2	0.637
4	927.89	2.740 0	0.991 9	2.862 7	0.986 9	10.70	3.94	26.6	60.3	0.12
5	935.44	2.739 2	0.992 5	2.831 5	0.997 7	9.09	4.31	23.6	62.3	0.963
6	942.79	2.756 2	0.990 2	2.861 1	0.997 0	14.70	3.69	28.7	60.2	0.273

图5 分形维数与孔隙大小相关关系

Fig.5 Relationship between fractal dimension and pore size

图6 储集物性与分形维数相关关系

Fig.6 Relationship between reservoir property and fractal dimension

图7 孔隙结构的影响因素

Fig.7 Main controlling factors of pore structure

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