龙马溪组页岩无机孔隙结构演化及其控制因素

论文摘要

成岩矿物受不同地质时期物理化学条件的控制,其堆积模式往往差异很大,甚至生成新的矿物（胶结物）,持续改造页岩无机孔隙结构,严重制约着页岩油气储集能力。而页岩油气的迁移和储集过程也和页岩孔隙结构变化过程在时间上密切相关,重现页岩无机孔隙结构的演化过程对于认识和理解页岩内油气运移、储集方式具有重要的意义,近年来引起了广泛的关注。龙马溪组页岩是我国重要的页岩气储集地层,其勘探开发水平代表着中国页岩气储层研究以及工业化生产的最高水平。历年来龙马溪组页岩基础研究所积累的资料丰富且涵盖面广,为孔隙结构特征的深入研究奠定了基础。但目前针对其页岩无机孔隙结构演化过程的研究尚不充足。本次研究旨在探究龙马溪组页岩无机孔隙结构在不同地质时期的演化规律及其影响因素。在前人对龙马溪组页岩的研究基础上,本文以贵州省习水县鲁城村龙马溪组页岩剖面样品为研究对象,根据成岩作用的时间顺序将龙马溪组页岩无机孔隙结构演化过程的研究划分为（1）沉积阶段不同水动力条件下矿物的分选;（2）早成岩阶段矿物堆积形成原生无机孔隙;（3）中成岩阶段胶结物改造原生无机孔隙及原生无机孔隙特征;（4）现阶段龙马溪组页岩无机孔隙特征与非均质性。应用现代测试技术、实验模拟以及多重分形等数学理论模拟演算,深入研究了龙马溪组页岩在各个成岩阶段的无机孔隙结构特征,进而揭示了龙马溪组页岩无机孔隙结构演化特点及其控制因素。经过近四年研究,取得以下成果:1、在龙马溪组页岩矿物、主量元素组成分析的基础上,通过矿物超声波剥离法得到龙马溪组页岩10份样品的单矿物分离。使用激光粒度仪和场发射扫描电镜统计并观察分离矿物的粒径分布和形貌特征,表明龙马溪组页岩石英矿物粒径分布的不均匀系数小于2.1,属极高的分选程度;运用泥沙学公式定量计算了龙马溪组页岩在沉积阶段的水动力条件,认为龙马溪组页岩沉积阶段的水动力条件弱,且不同层位间水动力强度最大差异仅为12.5%,沉积时水动力强度基本一致。2、建立了一种基于不同含量、粒径大小比例的石英粉末与蒙脱石粉末堆积而成的页岩人工岩芯制作方法来模拟页岩无机孔隙结构的特征,尽可能降低试验中胶结物等因素对试验结果的干扰。根据此方法制作了24个人工岩芯,分别模拟了脆性矿物与黏土矿物粒径大小比值不同时,页岩早成岩阶段无机孔隙结构特征。试验结果显示,当脆性矿物粒径大于黏土矿物粒径时,页岩内黏土矿物围绕脆性矿物堆积排列;而当脆性矿物粒径小于黏土矿物时,脆性矿物在黏土矿物间起到支撑作用,黏土矿物的排列有较为明显的定向性。上述脆性矿物与黏土矿物排列方式的不同导致页岩渗透率出现跳跃式变化。随着脆性矿物含量的增加,渗透率以二次式的形式持续上升,孔隙度也随之上升;当脆性矿物和黏土矿物粒径比值上升时,渗透率呈反函数形式上升、孔隙度则随之下降。对比人工岩心和龙马溪组页岩内矿物堆积方式,并参考前人关于曲折度与页岩渗透率间关系的研究成果,进一步提出一个页岩矿物含量、粒径与渗透率间的数学理论模型,定量预测了页岩脆性矿物和黏土矿物含量和粒径大小对不含胶结物的早成岩阶段无机孔隙结构渗透率的影响方式。3、通过场发射扫描电镜、阴极发光、碳氧同位素和电子探针等方法对龙马溪组页岩L3和L7样品的测试,初步确定了龙马溪组页岩胶结物主要由硅质（石英）和碳酸盐（铁白云石）组成。根据场发射扫描电镜观察到的铁白云石胶结物形貌特征以及对比龙马溪组页岩SQ1段和SQ2段样品的氮气吸附测试结果,得出龙马溪组页岩中铁白云石胶结物倾向于充填较大的微米级孔隙,而石英胶结物则倾向于充填黏土矿物间的纳米级孔隙。使用Land等1985的计算方法定量计算了铁白云石形成所需地层水量,揭示铁白云石胶结物形成时期稍早于石英胶结物。利用多重分形分析方法对石英和铁白云石胶结物对应的硅元素和钙元素分布图进行处理和计算。通过多重分形参数进一步定量表征了不同类型页岩胶结物的空间分布区间,发现铁白云石胶结物与石英胶结物的分布形态完全不同,同时铁白云石胶结物的存在也会影响后续形成的石英胶结物的分布模式。4、根据成岩阶段钾元素在页岩连通孔隙内随地层水迁移、参与蒙脱石的伊利石化过程并优先富集在靠近原生连通孔隙的伊蒙混层和伊利石中的规律,使用电子探针技术揭示钾元素富集区域,即原生孔隙所在位置。龙马溪组SQ1段与SQ2段在中成岩阶段原生孔隙结构形态特征均具有连续分布范围在数十微米,孔径接近1微米的特征,且多重分形结果显示中成岩阶段龙马溪组页岩内原生孔隙结构分布特征基本一致,石英胶结物与中成岩原生孔隙结构在空间分布上关系密切,是影响页岩孔隙度与渗透率的最主要因素。5、龙马溪组地层SQ1和SQ2段样品的光学显微镜、场发射扫描电镜观察和氮气吸附实验结果表明龙马溪组页岩无机孔隙结构在SQ1段主要由纳米级和微米级孔隙组成,而SQ2段则主要由纳米级孔隙组成。龙马溪组页岩无机孔隙结构非均质性受微米级矿物堆积以及百米级沉积环境的差异影响明显,毫米尺度上SQ2段样品具有明显的纹层,而SQ1段样品则呈块状构造;百米尺度上龙马溪组页岩无机孔隙结构沿地层走向上呈现均质性,而垂直地层方向则有明显的非均质性。6、研究表明,龙马溪组页岩无机孔隙结构经历了受沉积阶段矿物分选,确定脆性矿物和黏土矿物含量与粒径特征;早成岩阶段由脆性矿物和黏土矿物在粒径与含量的控制下堆积挤压形成较为疏松的孔隙结构;中成岩阶段地层温度压力上升,龙马溪组页岩无机孔隙结构因不同类型的胶结物充填而变得致密。本文通过矿物学和地球化学方法对龙马溪组页岩无机孔隙结构进行了较为系统的研究,应用多种现代测试技术、人工岩芯实验模拟、钙元素及硅元素指示胶结物分布状态、钾元素指示原生孔隙等研究手段和多重分形计算,使用现有龙马溪组页岩样品定量揭示了沉积阶段矿物分选和水动力强度;脆性矿物和黏土矿物粒径和含量对页岩无机孔隙结构孔隙度、渗透率的影响;胶结物和原生孔隙的形态分布特征以及不同类型胶结物对原生孔隙的充填模式;现阶段龙马溪组页岩无机孔隙结构特征,揭示龙马溪组页岩在各地质时期无机孔隙结构演化过程与主要影响因素。该研究有助于石油地质学家更好地认识页岩孔隙结构的发育过程,为油气的运移与储集机理研究提供了理论支撑。

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作者简介

摘要

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第一章引言

1.1 研究意义

1.2 课题来源

1.3 页岩孔隙结构研究现状

1.4 存在的问题

1.5 研究内容和研究思路

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究思路

1.6 技术路线

1.7 完成工作量

1.8 主要研究成果和创新点

1.8.1 研究成果

1.8.2 创新点

第二章区域地质概况

2.1 区域地质背景

2.2 地层特征

2.3 龙马溪组页岩沉积环境特征

第三章研究对象、实验方法和龙马溪组页岩的岩石学-地球化学特征

3.0 龙马溪组页岩野外研究剖面及样品特征

3.1 X射线衍射分析

3.2 矿物粒径统计

3.3 总有机碳测试

3.4 页岩主量元素测试

3.5 页岩孔隙度-渗透率测试

3.6 高分辨率CT测试

3.7 场发射扫描电镜观察

3.8 电子探针测试

3.9 C/O同位素测试

3.10 阴极发光测试

3.11 氮气吸附测试

3.11.1 测试模型的选择

3.11.2 氮气吸附模型调试与测试样品选择

3.12 图像多重分形分析

3.12.1 图像二值化

3.12.2 多重分形参数计算

3.13 矿物组成

3.14 总有机碳含量

3.15 主量元素特征

3.16 小结

第四章沉积阶段龙马溪组页岩水动力条件

4.1 超声剥离页岩矿物方法

4.2 龙马溪组页岩矿物形态

4.3 矿物粒径

4.4 龙马溪组页岩不同层位水动力条件

4.4.1 水动力强度和矿物粒径间的关系

4.4.2 龙马溪组页岩沉积时水动力强度

4.5 小结

第五章早成岩阶段龙马溪组页岩无机孔隙结构特征

5.1 早成岩阶段龙马溪组页岩无机孔隙结构研究方法

5.1.1 人工岩芯制作

5.1.2 人工岩芯理论孔隙度

5.2 实验结果

5.2.1 脆性矿物含量对孔隙度、渗透率的影响

5.2.2 矿物粒径对孔隙度、渗透率的影响

5.2.3 页岩人工岩芯孔隙结构CT测试结果

5.3 页岩人工岩芯中矿物排列特征

5.4 早成岩阶段龙马溪组页岩无机孔隙结构理论模型

5.4.1 脆性矿物含量对早成岩阶段页岩渗透率的控制作用

5.4.2 矿物粒径对早成岩阶段页岩渗透率的控制作用

5.5 孔隙度与矿物含量和粒径的关系

5.6 小结

第六章中成岩阶段龙马溪组页岩胶结物特征

6.1 实验结果

6.1.1 元素分布

6.1.2 C/O同位素组成

6.1.3 场发射扫描电镜与能谱结果

6.1.4 阴极发光结果

6.1.5 矿物空间分布特征

6.1.6 氮气吸附结果

6.2 龙马溪组页岩胶结物类型

6.2.1 铁白云石胶结物

6.2.2 石英胶结物

6.3 龙马溪组页岩胶结物形成期次

6.4 龙马溪组页岩胶结物分布特征

6.5 胶结物对页岩无机孔隙结构的影响

6.5.1 铁白云石胶结物对无机孔隙结构的影响

6.5.2 石英胶结物对无机孔隙结构的影响

6.6 小结

第七章中成岩阶段连通无机孔隙结构特征

7.1 实验结果

7.1.1 电子探针结果

7.1.2 场发射扫描电镜和能谱结果

7.1.3 龙马溪组页岩中成岩阶段连通孔隙空间分布特征

7.2 中成岩阶段龙马溪组页岩连通无机孔隙特征

7.2.1 中成岩阶段原生连通无机孔隙特征

7.2.2 中成岩阶段黏土矿物转化对原生孔隙的影响

7.3 小结

第八章龙马溪组页岩无机孔隙结构特征

8.1 实验结果

8.1.1 岩石薄片结果

8.1.2 场发射扫描电镜结果

8.1.3 孔隙度-渗透率测定结果

8.2 龙马溪组页岩现阶段无机孔隙结构特征

8.3 龙马溪组页岩现阶段无机孔隙结构均质性

8.4 小结

第九章结论与展望

9.1 结论

9.2 展望与不足

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周闻达

导师: 鲍征宇

关键词: 龙马溪组页岩,无机孔隙结构,原生孔隙,胶结物,孔隙演化

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 中国地质大学

基金: 国家重大专项项目海相碳酸盐岩层系大中型油气田分布规律及勘探评价(No.2008ZX05005),国家重点基础研究发展计划(973计划)项目碳酸盐岩储层溶蚀动力学实验,三维储集岩孔隙结构数值表征与计算模拟(No.2012CB214802),中国石油化工股份有限公司项目塔里木深层不同类型碳酸盐岩储层定量表征与水岩作用机理模拟(No.P14038)

分类号: P618.13

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000212

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