地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (6): 840-851
引用本文
梁明亮, 王宗秀, 李春麟, 李会军, 张林炎, 冯兴强, 张凯逊. 构造变形对海相页岩储层渗透率演化的影响[J]. 地质力学学报, 2020, 26(6): 840-851.
LIANG Mingliang, WANG Zongxiu, LI Chunlin, LI Huijun, ZHANG Linyan, FENG Xingqiang, ZHANG Kaixun. Effect of structural deformation on permeability evolution of marine shale reservoirs[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(6): 840-851.
构造变形对海相页岩储层渗透率演化的影响
梁明亮1,2,3, 王宗秀1,2,3, 李春麟1,2,3, 李会军1,2,3, 张林炎1,2,3, 冯兴强1,2,3, 张凯逊1,2,3    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室, 北京 100081;
3. 中国地质调查局油气地质力学重点实验室, 北京 100081
摘要:与北美不同,中国南方海相页岩层经历了多期构造改造,页岩储层物性受构造变形作用的影响较大。为了研究构造变形对南方海相页岩储层渗透率的影响特征和机理,以雪峰山西侧地区五峰-龙马溪组页岩为研究对象,利用气体脉冲衰减法、压汞法和扫描电子显微镜等手段对不同变形页岩样品的渗透率、孔隙结构及孔隙形貌特征进行了测试分析,探讨构造变形页岩的渗透率演化特征及其对孔隙结构演化的响应机理。测试结果显示,强烈构造变形页岩的渗透性较原生页岩和弱变形页岩的渗透性显著提高,强变形页岩样品的渗透率在0.2 mD和2.69 mD之间,比未变形和弱变形页岩样品的渗透率(在1.5×10-4 mD和1.7×10-3 mD之间)高三个数量级,表明强构造变形作用对页岩渗透率具有显著促进作用;同时,不同有效压力条件下页岩渗透率的演化特征显示,强变形页岩气体渗透率的压力敏感性比原生页岩和弱变形页岩显著降低。构造变形条件下页岩孔隙结构与渗透率相关性的进一步分析认为,强变形页岩的孔隙结构变化特别是大孔和裂隙的发育,是促进其渗透率增加的主要原因。这些研究结果表明,伴随强烈的构造变形,南方海相页岩易形成大孔和微裂隙发育的孔隙结构特征,有助于强变形页岩层渗透性的显著提高。构造变形页岩渗透率的提高有利于地质条件下气体的运移,一方面,将有利于页岩气往构造高点的迁移和富集从而形成游离气型或外源型页岩气甜点;另一方面,也可能导致页岩气在盖层条件不佳和断裂发育区的散失。
关键词构造变形    海相页岩    渗透率    孔隙结构    富集与散失    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.06.066     文章编号:1006-6616(2020)06-0840-12
Effect of structural deformation on permeability evolution of marine shale reservoirs
LIANG Mingliang1,2,3, WANG Zongxiu1,2,3, LI Chunlin1,2,3, LI Huijun1,2,3, ZHANG Linyan1,2,3, FENG Xingqiang1,2,3, ZHANG Kaixun1,2,3    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Laboratory of Paleomagnetism and Tectonic Reconstruction, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China;
3. Key Laboratory of Petroleum Geomechanics, China Geological Survey, Beijing 100081, China
Abstract: Compared to North America,the geological conditions of marine shale reservoirs in South China are highly diversified and complicated due to the multi-tectonic movement,which transformed the structure of shale seams and resulted in structural deformed shale with unique reservoir properties. To investigate the effect of structural deformation on shale permeability,we experimentally examined the impacts of mineralogy,structural and fabric properties,and effective pressure on permeability evolution using two sets of undeformed shales(U) and deformed shales(D) collected from the Wufeng-Longmaxi Formations in the Upper Yangtze Block. Experimental analysis showed that the permeability between 0.2 and 2.69 millidarcies (mD) of strongly deformed shale samples were three orders of magnitude higher than the permeability (between 1.5×10-4 and 1.7×10-3 mD) of undeformed and slightly deformed shale samples. Meanwhile,strong deformation also reduces the pressure sensitivity of shale permeability when effective pressure increases from 700 PSI to 1200 PSI. These results indicated that accompanied by strong tectonic deformation,the shale permeability improved significantly,ant it would contribute to the development of macropore and micro-crack in the strong deformed shale samples. Moreover,the implications of permeability evolution with structural deformation is presented as that it would conducive to the transport and accumulation of shale gas,and may also lead to the leakage of shale gas in areas with poor seal conditions under the geological conditions of tectonic complex areas in South China.
Key words: structural deformation    marine shale    permeability    pore structure    accumulation and leakage    
0 引言

与北美相比,中国海相优质页岩具有较好的物质基础和页岩品质(张金川等,2004胡东风等,2014王淑芳等,2015刘树根等, 2016, 郭彤楼, 2016, 郭永岩等,2019Zhai et al., 2018a; Zou et al., 2019),但近年来的勘探显示不同构造区的含气性和勘探效果差异巨大(Zhai et al., 2018b舒逸等,2018;姜振学等,2020邱振等,2020)。以四川盆地及其周缘为代表的中上扬子地区经历了多期构造改造(He, et al., 2018;王宗秀等,2019),优质海相页岩普遍发育构造变形作用,这是中国南方海相页岩与北美页岩层在地质构造特征上的主要差异,也是中国南方海相页岩气资源调查、评价和勘探开发的主要挑战(刘树根等,2016)。渗透率是页岩储层调查评价的关键参数之一,页岩储层的渗透率不仅影响页岩气的赋存状态,更通过影响页岩气的运移和富集,直接决定了页岩储层突破压力的大小(Curtis, 2002; Jarvie et al., 2007),从而对页岩气储层的储集能力和页岩气的开采效益均具有控制作用。

已有研究显示,受构造变形影响,南方海相变形页岩的储层孔隙结构发生了显著变化,不仅大孔和微裂隙的比例获得大幅提高(Liang et al., 2017),孔隙的连通性也得到增强(Zhu et al., 2018, 2019),使得变形页岩的渗透率普遍大于未变形页岩(Zhu et al., 2018, 2020; Zheng et al., 2018),不仅造成中国典型页岩气田的游离气含量普遍较高(王玉满等,2016),更形成了独特的外源型页岩气藏(何江林等,2018He, et al., 2018a)。野外地质调查和实验研究结果表明,构造变形对南方海相页岩的储层结构和渗透性影响显著,明确了构造变形对页岩储层渗透率影响的现实问题和研究意义。但这些认识主要以构造变形影响储层孔隙结构和连通性为中心,间接讨论变形页岩渗透性演化问题,而直接结合构造变形与页岩渗透率演化特征和机理的研究相对较少。

基于以上认识,本文以南方地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩为研究对象,从构造改造对页岩储层渗透率演化影响的角度,利用气体瞬态脉冲测试法对采自雪峰山西侧地区被划分为强变形页岩、弱变形页岩和非变形页岩的三组样品的气体渗透率参数进行测试和定量分析。同时结合页岩储层孔隙-裂隙组成特征,探讨构造变形对页岩储层渗透率演化的影响特征、机制及意义。

1 样品与实验 1.1 样品采集与分类

采样点位于雪峰山西侧的湖南永顺地区,构造位置上属于四川盆地-雪峰山盆山过渡带的隔槽式多层次滑脱变形带(王宗秀等,2012),主要变形样式为冲断-褶皱构造样式。五峰组-龙马溪组页岩地层为研究区主力滑脱层之一,发育滑脱变形构造。实验样品采自永顺城郊一处露头点,为一大型工程新鲜开挖面,野外观察点GPS坐标N28°58′51″,E109°49′37″,地层出露以构造变形集中的滑脱变形带为中心,上下层位的五峰组黑色笔石页岩至龙马溪组下段上部黑灰色中层状含粉砂质页岩均有出露(Liang et al., 2017),变形层样品共5块,记录为Deformed 1-5(D1-D5),未变形页岩3块,记录为Undeformed 1-3 (U1-U3)。变形和未变形样品在剖面中的相对位置和接触关系如图 1所示。其中,D1、D2、D3为采自构造应力集中的滑脱剪切变形层中的次级A型褶皱变形层(或称鞘褶皱)中较完整的样品,D5为采自同一滑脱层的次级小型构造透镜体变形层边缘较完整的变形页岩,而D4样品采自该滑脱层右上部一S-C构造变形层。龙马溪组页岩地层发育的A型褶皱、构造透镜体及S-C构造均受雪峰山西侧隔槽式多层次滑脱变形地区五峰-龙马溪组滑脱构造体系的控制(王宗秀等,20122019),是滑脱层应力集中变形带发育剪切变形的典型特征(Davis et al., 2012)。

图 1 雪峰山西侧五峰-龙马溪组页岩样品采集点剖面照片及样点位置图(据Liang et al., 2017修改) Fig. 1 Photographs showing the profile and sampling points in the Wufeng-Longmaxi shales on the west side of the Xuefeng Mountain(modified after Liang et al., 2017)

结合手标本样品(图 2)及镜下薄片样品(图 3)鉴定,将变形页岩进一步划分为强变形页岩和弱变形页岩。其中,未变形页岩(U1-U3)在手标本和镜下主要保持原始断面和较少的原生层理裂隙(图 2a-2c图 3a-3c)。强变形页岩在手标本尺度上,不仅发育断层镜面(图 2d-2f),且可观察到小型褶皱现象;在薄片尺度上,强变形页岩显示先存裂隙的挠曲发育(图 3d3e),也发育多期复杂裂隙现象(图 3d3f)。而弱变形页岩在手标本尺度上(图 2g2h),主要沿原始层理发育有剪切断层镜面(Fault Mirrors),而进一步可发现其断裂面的内部仍保持原始未变形状态(图 2h);在薄片尺度上,弱变形页岩和未变形页岩的微观表现较为接近,表现为原始层理(图 3g)或较少的裂隙(图 3h)。样品分类及基本物质组成参数见(表 1)。

a-未变形页岩U1; b-未变形页岩U2; c-未变形页岩U3; d-强变形页岩D1; e-强变形页岩D2; f-强变形页岩D3; g-弱变形页岩D4; h-弱变形页岩D5 图 2 手标本尺度下页岩样品宏观特征 Fig. 2 Macro appearances of shale samples on hand specimen scale

a-未变形页岩U1; b-未变形页岩U2; c-未变形页岩U3; d-强变形页岩D1; e-强变形页岩D2; f-强变形页岩D3; g-弱变形页岩D4; h-弱变形页岩D5 图 3 薄片尺度下页岩样品微观结构及裂隙发育特征 Fig. 3 Micro appearances of structure and fracture of shale samples on thin-section scale

表 1 雪峰山西侧五峰-龙马溪组页岩样品分类与物质组成 Table 1 Basic geochemical characteristics and classification of the Wufeng-Longmaxi shale samples on the west side of the Xuefeng Mountain
1.2 实验方法 1.2.1 渗透率

岩石样品渗透率参数的测试手段多样,包括直接的压汞法、流体压力稳态法和瞬态法以及间接的模拟计算等各种手段(Ghanizadeh et al., 2014a, 2014b; Liu et al., 2019; Cai et al., 2019)。对于低渗透的页岩储层,一般仍认为其气体运移符合达西定律,气体压力脉冲法测试是被广泛接受的一种测试方法(Ghanizadeh et al., 2014a, 2014b; Gao and Li., 2018; Liu et al., 2019)。为研究构造变形对渗透率的影响,文中亦采用气体瞬态脉冲法进行页岩样品的渗透率实验。从8块原始样品中分别钻取获得8个直径25 mm、长度25~35 mm的柱状岩心,所有样品使用平行一致的处理方法和分析手段,所获得的数据之间具有可比性。实验仪器采用中国地质科学院页岩油气资源调查与评价重点实验室自主改进研发的Smart-Perm气体渗透率测试仪(Gao and Li, 2018),载气为氦气,渗透率测量范围为1×10-6~50 mD。

1.2.2 孔隙-裂隙

页岩的孔隙结构组成与渗透率具有一定的相关性,特别是大孔和微裂隙的发育对渗透率具有积极影响。基于此主要采用压汞法(MICP-Mercury Injection Capillary Pressure)对页岩的中孔(Mesopore)和大孔(Macropore)分布进行定量分析,并结合扫描电子显微镜(SEM)对孔隙-裂隙发育情况进行定性描述。同时,利用压汞侵入孔隙体积与氦比重计测量的骨架密度,获得样品孔隙度。

压汞实验采用美国Micromeritics Instrument公司IV 9510型压汞测定仪,实验最高压力可达60000 PSI (413 MPa),孔径测量范围7.5~10000 nm。本文借助压汞实验数据,结合国际纯化学分析协会(IUPAC)标准和Warren-Root双重孔隙介质模型,获得页岩的中孔(7.5~50 nm)和大孔/微裂隙(50~10000 nm)二元孔隙结构参数的定量数据。压汞实验在北京理化分析测试中心进行。

扫描电子显微镜SEM图像可以直观的观察到页岩样品中纳米微观尺度的孔隙-裂缝几何形状及其与围岩矿物的接触关系。基于孔隙几何形态和接触关系的SEM图像,研究者将页岩孔隙结构进行了描述性分类(Slatt and O′Brien, 2011; Chalmers et al., 2012a; Loucks et al., 2012; Clarkson et al., 2016)。目前,Loucks et al的描述性分类被广泛接受和应用(Loucks et al., 2012; Clarkson et al., 2016),页岩孔隙结构被划分为三大类:有机质孔、矿物基质孔和裂隙类孔隙。其中,矿物基质孔又包含矿物粒内孔和粒间孔,粒内孔主要包括黄铁矿聚合物晶间孔,矿物溶蚀孔等;粒间孔主要指层状黏土矿物层间孔,不同矿物颗粒之间的孔隙等。裂隙类孔隙,一般不受单个矿物颗粒控制,形态上也以狭长型微裂缝为主。样品的扫描电镜样品处理及分析测试在中国石油大学(北京)理学院物质结构分析实验室完成。

2 结果与讨论

作为研究区内最主要的富有机质页岩地层,五峰组与龙马溪组通常在剖面上连续分布,成整合接触关系,可作为同一套页岩系统进行研究,称为五峰组-龙马溪组页岩。结合样品的物质组成(表 1),显示用于渗透率测试的样品有机碳含量均较高,在1.8%~6.6%之间,属于富有机质页岩。样品矿物组成以石英为主,在34%~77%之间;黏土矿物次之,在14%~44%之间。较高的石英和有机质含量被认为是五峰-龙马溪组页岩生物硅质沉积发育的一个典型特征(Luo et al., 2016)。同时发现变形页岩中的石英矿物含量更高一些,可能与变形页岩构造脉体次生石英矿物充填发育有关(Liang et al., 2017)。样品的孔隙度在1.3%~7.5%之间,与构造变形没有明显的正相关性(表 2)。双重孔隙-裂隙模型认为,页岩储层总渗透性能包含基质渗透和裂缝渗透两种运移途径,页岩储层的渗透率主要受其孔隙连通性、裂隙的发育程度及孔隙的结构所控制,而与总孔隙度关系不大(Bernabé, et al., 2003),裂隙渗透率决定页岩的总渗透率,即使裂隙孔隙度或总孔隙度并不高也可以依靠裂隙的发育获得较高的渗透率(Doolin and Mauldon, 2001)。

表 2 页岩样品孔隙结构与渗透率参数 Table 2 Pore structure and permeability of the shale samples
2.1 构造变形页岩的渗透率特征

根据氦气压力脉冲法测试获得的构造变形页岩和非变形页岩在不同有效压力下的渗透率演化特征(表 2图 4)显示,所有样品的渗透率随有效压力的增加均呈降低趋势,表明压力增高会抑制气体在页岩储层中的流动和运移(Chalmers et al., 2012b)。但强变形页岩样品D1、D2、D3的渗透率比非变形页岩和弱变形页岩样品高几个数量级。不考虑构造变形因素时,先存层理裂隙是页岩中主要的流体运移路径。构造变形作用改变了页岩原始的层理结构,从而对变形页岩渗透率产生一定的影响。当页岩在滑脱剪切变形作用下发育弱变形程度的结构变形时,剪切应力集中在部分先存层理软弱面,发育压缩剪切摩擦镜面,该部分受压缩剪切影响的层理裂隙有被挤压闭合的可能(Martin and Chandler, 1994; Hoek and Martin, 2014),而其他大部分的围岩部分仍保持页岩的原始层理,导致弱变形页岩的渗透率(1.47×10-4~4.97×10-4 mD)相对未变形页岩(2.9×10-4~1.74×10-3 mD)没有太大变化,甚至还有下降趋势,这符合非结构破坏(Damage)应力作用下页岩渗透率下降的规律(Li et al., 2016; Liu et al., 2019),也与岩石应力-应变第一阶段首先发育裂隙闭合效应的力学机制相吻合(Martin and Chandler, 1994; Hoek and Martin, 2014)。而强变形页岩发育多期变形作用,早期挤压闭合的剪切裂隙继续受到后期构造应力的改造,既有多级裂隙的叠加引起的连通作用,也有先存构造裂隙的进一步褶皱引起的张裂效应,均利于流体在强变形页岩中的运移,导致其渗透率明显增高,甚至最高值达2.69 mD(D3),从岩石应力-应变的角度分析,在先期裂隙闭合和线弹性应变阶段后,持续的应力挤压会引起新裂隙的生成,在外部应力超过岩石压缩强度值时会导致岩石的原始结构的破坏失稳(Damage)和渗透率的几何级增长(Tang et al., 2002)。总的来看,外部应力会引起页岩结构的应变变形,结构变形与裂隙发育阶段联系紧密。无论构造变形发育程度的强与弱,均会对页岩渗透率产生一定的影响,发育剪切变形的弱变形页岩渗透率变化幅度较小或略有下降,而发育叠加构造变形的强变形页岩的渗透率获得显著增强。

a-不同有效压力下页岩样品的渗透率演化特征;b-有效压力升高时页岩样品渗透率的降低效应 图 4 页岩样品在不同有效压力条件下的渗透率演化特征 Fig. 4 Permeability evolution of the shale samples with different structure deformations under different effective pressures

观察有效压力从初始压力700 PSI升至1200 PSI时(图 4b),强变形页岩渗透率没有明显变化,而未变形页岩和弱变形页岩渗透率均发生突降现象,降低幅度达几个数量级。这一结果显示,构造变形作用对页岩渗透率的流体压力敏感性也具有强烈的影响作用,强变形作用有效改善页岩渗透率,并降低了页岩渗透率的流体压力敏感性。这可能与强变形页岩裂隙结构复杂及裂隙发育次生脆性矿物充填物有关。如上所述,外部压力增加的早期,岩石材料的先存裂隙会发生闭合现象(Martin and Chandler, 1994; Hoek and Martin, 2014)。未变形页岩和弱变形页岩的裂隙主要由原始层理裂隙提供,裂隙结构以平行发育为主,且无后期构造改造及流体充注相关的次生矿物的支撑作用,在外部压力的影响下迅速闭合,引起渗透率的显著降低。而强变形页岩不仅裂隙结构和发育的方向更复杂,且在多期构造改造的过程中接受了部分流体运移过程,发育一定程度的次生脆性矿物支撑作用,裂隙受外部流体压力的影响不明显,渗透率降低幅度较小。

2.2 构造变形页岩渗透率与孔隙形貌的关系

为了进一步厘清构造变形对渗透率演化的影响机制,有必要对页岩结构构造的变形作用和孔隙形貌特征的相关性进行分析。未变形页岩、弱变形页岩和强变形页岩在扫描电子显微镜(SEM)下的典型的微观孔隙-裂隙形貌发育特征如图 5所示。

a-有机质孔;b-黄铁矿粒内孔;c、d-黏土矿物粒间孔; e、f-有机质-矿物粒间裂隙; g-裂缝型孔隙;h-溶蚀孔;i、j-剪切变形裂缝;k-裂缝型孔隙;l-裂缝及其次生矿物充填 图 5 扫描电子显微镜SEM下不同构造变形页岩典型孔隙-裂隙发育特征 Fig. 5 Typical pore-crack structures of the Wufeng-Longmaxi shales under different deformation degrees on SEM images

对页岩样品SEM下微观孔隙-裂隙形貌特征的分析发现,几乎所有页岩样品均发育有典型的有机质孔(图 5a)和黄铁矿晶间孔(图 5b)等粒内孔,也发育有一定的粒间孔(图 5c-5g)等基质孔。所不同的是未变形页岩以粒内孔发育为主,且保留有部分方解石溶蚀孔(图 5h),发育部分粒间孔,如黏土矿物层间孔和有机质-脆性矿物粒间孔,基本不发育裂缝型孔隙。弱变形页岩除了发育有和未变形页岩一样的有机质孔和基质孔外,还发育有少量的构造滑脱缝剪切裂隙,但没有形成裂缝网络,裂隙的张开度小,角度平直,且无充填物(图 5i5j);强变形页岩发育多期次和多角度裂隙型孔隙(图 5g5k5l),且发育有次生矿物充填现象(图 5l)。根据SEM下页岩样品的微观孔隙形貌特征的分析分类,不难看出构造变形作用改变了页岩孔隙结构特征,即变形页岩的裂隙型孔隙空间含量明显增加。已有关于孔隙结构特征与页岩渗透率的关系研究(Barenblatt et al., 1960; Kazemi, 1969),认为构造变形页岩渗透率的提高主要来自于裂隙渗透率的贡献,而非基质渗透率的作用(Barenblatt et al., 1960; Kazemi, 1969)。即强构造变形作用增加了页岩的裂隙,进而提高了渗透率。同时,强变形页岩中的复杂裂缝网络及其充填物的骨架支撑作用,可能是强变形在有限流体压力下渗透率受压力影响较小的原因(图 4b)。

2.3 构造变形页岩渗透率与孔隙结构的定量分析

尽管在页岩孔隙-裂隙形貌的定性分析中,已经发现强烈构造变形会增加页岩裂隙型孔隙的发育,会提高样品的渗透性,但这一认识主要建立在孔隙结构的定性描述上,要科学的评价构造变形作用对页岩渗透率的影响机理,仍需要进行量化研究,以获得更加科学合理的认识和结论。

在Warren-Root双重孔隙介质模型下(Barenblatt et al., 1960; Kazemi, 1969),孔隙介质被二分为含有孔隙空间的基质岩块和分割岩块的裂隙空间。从流体存贮上来说,基质岩块中的孔隙和和岩块间的裂隙均可以为流体提供储存空间;但考虑流体迁移能力的情况下,则主要是裂隙为流体提供运移通道。对先存面理发育的沉积岩而言,裂隙可以是原始沉积层理,也可以是后期构造作用形成的构造面理。由后期的构造应力和其他外部应力如人工水力压裂造成的裂隙,也称为次生裂隙,对流体的运移和渗透性具有显著的影响。Warren-Root模型认为虽然裂隙的孔隙度有可能小于基质块体的孔隙度,但是裂隙提供的渗透率却明显高于基质孔隙提供的渗透率,裂隙渗透率要高基质渗透率几个数量级。Warren-Root模型因为有利于理解流体渗透特征而被应用于页岩气开发过程中。目前除了双重孔隙介质模型及SEM下孔隙结构的形貌学分类外,研究者还利用IUPAC的定量化分类法将页岩孔隙结构根据孔径大小进行分类(Sing et al., 1985; Thommes et al., 2015)。双重孔隙介质模型主要是基于开发过程及渗透率相关的分类方法,而基于孔径大小定量的对孔隙分类的方法主要应用于页岩储层孔隙物理特征的量化研究和评价。结合储层渗透率数据与定量孔隙结构数据,有助于进一步的理解渗透率与孔隙结构之间的关系。

已有研究通常将页岩的物质组成特征和储层评价相结合,显示物质组成与储层孔隙结构及渗透率有一定的相关性(Chalmers et al., 2012b)。因此对渗透率与物质组成及孔隙结构之间的关系分别进行分析。结果显示(图 6),构造变形发育的情况下,页岩样品的渗透率与物质组成并没有很好相关性(图 6a6b),这与北美页岩储层物质组成决定渗透率特征的研究认识不太一致(Chalmers et al., 2012a)。研究认为,这可能是由于北美页岩为非变形页岩,构造裂隙不发育,孔隙结构较单一,以基质孔隙为主,渗透率也是基质渗透率为主,渗透率受页岩基质物质组成所控制;而中国南方地区海相页岩储层受构造改造作用较强,裂隙发育,渗透率主要与裂隙发育程度相关(张晓明等,2015)。此次研究中页岩样品主要采自构造变形带,孔隙结构为基质孔隙和裂隙的二元组合,裂隙的发育不受物质组成控制而是受构造应力影响,裂隙渗透率不受页岩基质物质组成的控制。

a-渗透率与TOC含量关系;b-渗透率与石英含量关系;c-渗透率与孔隙度关系;d-渗透率与孔隙结构组成(大孔/中孔比值)关系 图 6 渗透率与页岩物质组成及孔隙结构特征的关系图 Fig. 6 Relationship of permeability with shale composition and pore structure

由于构造变形对页岩样品的渗透率与总孔隙度的影响是不同的,造成构造变形页岩的渗透率与孔隙度没有相关性(图 6c)。渗透率受构造裂隙的发育影响显著,总孔隙度并不受构造变形的影响而明显改变。这是因为构造应力作用既会造成裂隙和大孔的增加,也可能导致发育在软弱部位的有机质孔的变形(Wang, 2020; Ma et al., 2020)和原生层间孔的退化,造成变形页岩微孔、中孔含量的降低(Liang et al., 2017)。在量化研究页岩孔隙结构的研究中,通常根据IUPAC的建议,将页岩孔隙分为微孔(<2 nm)、中孔(2~50 nm)和大孔(>50 nm),这其中,可被压汞法量化的部分裂隙空间也被归为大孔类别。前期研究发现,构造变形作用对页岩孔隙结构具有显著影响,其主要表现形式是变形页岩大孔或裂隙比例得到显著提高(Liang et al., 2017)。将页岩样品压汞孔隙结构参数与渗透率参数进行拟合发现,页岩渗透率与压汞参数大孔(裂隙)-中孔的孔隙结构之间有非常好的相关性,与测得的大孔(裂隙)/中孔比值的相关系数更是达到R2=0.9929的强烈正相关值(图 6d)。基于扫描电子显微镜的定性分析直观的显示了构造变形页岩-孔隙裂隙结构-渗透率三者的相关性,而基于压汞法的量化分析明确了构造变形-孔隙裂隙结构-渗透率协同演化的机理。研究表明,构造变形页岩的渗透率参数演化与孔隙结构演化具有很好的同步性,即随着强烈构造变形页岩大孔和微裂隙比例的增加,渗透率也会随之增加。

2.4 构造变形页岩渗透率演化对页岩气富集与散失的意义

北美克拉通页岩储层渗透率与页岩物性紧密相关(Chalmers et al., 2012a, 2012b),主要表现为基质渗透率(matrix permeability)影响页岩气运移距离有限,吸附气含量占比高(Wu et al., 2014)。中国南方下古生界页岩自沉积、成岩、成藏以来,发生多期强烈的构造变形,隆升剥蚀强烈,断裂发育,页岩变形程度高,裂缝渗透率(fracture permeability)大,游离气含量占比较高(王玉满等,2016),页岩气发生一定距离运移,游离气型或“外源型”页岩气藏发育(郭彤楼和张汉荣,2014;郭彤楼, 2016何江林等,2018)。在南方构造复杂区优质页岩地层滑脱剪切变形普遍发育的情况下(王宗秀等, 2012, 2019Liang et al., 2017; He et al., 2018a; Zheng et al., 2018),高产页岩气井区发育有裂缝型页岩气和“外源型”页岩气藏的富集特征(郭彤楼和张汉荣,2014;郭彤楼, 2016何江林等,2018),构造保存条件而非原生物性条件是裂缝型页岩气藏富集形成与保存的关键(胡东风等,2014;郭旭升等,2016孙健和罗兵,2016刘树根等,2016胡东风,2019),构造复杂区页岩气的保存条件相对较为苛刻,包括高角度断裂、张性断裂发育的大型通天断裂带和盖层条件不佳的区域,都可能是页岩气易散失的地区,会导致游离气的散失,吸附气被置换,页岩气富集规律和保存条件更加的复杂。

强烈构造改造和页岩强烈变形导致储层渗透率增加及页岩气运移能力增强的地质背景下,构造改造与保存条件成为中国南方下古生界页岩气富集与散失评价的首要因素,在页岩气甜点区评价指标中应重视构造因素的影响因子,正向构造、盖层、超压等对页岩气的甜点富集具有重要作用,构造强度、构造样式、断裂密度和断距等构造因子都可以作为关键参数(郭旭升等,2016孙健和罗兵,2016);应认识到构造改造作用下断裂带和高渗透层的发育对页岩气藏的散失影响和破坏作用,加强地表露头及深部地层的构造变形、构造断裂和构造裂隙发育的调查与研究工作,有助于构造变形背景下裂缝型页岩气甜点富集区和散失区的预测识别。

3 结论与认识

文章主要利用扫描电子显微镜SEM,压汞法及脉冲气体渗透率等测试分析技术,对采自雪峰山西侧地区的构造变形页岩的变形特征、孔隙-裂隙结构特征及渗透率演化特征进行了系统分析,探讨构造变形对页岩储层渗透率演化的影响特征和机理,获得了以下认识:

(1) 构造变形作用对页岩的渗透率具有一定的影响。强变形页岩渗透率获得显著增强,弱变形页岩渗透率与非变形页岩相当或微弱下降。同时,有效压力升高时,强变形页岩渗透率降低幅度较小,认为构造变形不仅提高页岩的渗透率,更增强了页岩渗透率的抗压能力,使其在较高气体流体压力下仍保持稳定的渗透性。

(2) 对孔隙-裂隙结构的定性-定量分析表明,强变形页岩的裂隙型孔隙显著发育,是强变形页岩渗透率比未变形及弱变形页岩高几个数量级的主要原因,明确了页岩构造变形、渗透率演化受孔隙-裂隙结构发育控制的影响机理。

(3) 构造变形对页岩储层渗透率演化特征及影响机理的认识,对中国南方构造复杂区页岩气富集与散失的调查评价工作具有一定的意义。强烈的构造变形作用提高了变形页岩的渗透率和页岩气的运移能力,既利于游离型页岩气的运移和富集;也可能导致页岩气散失能力的增强。构造改造与保存条件,应是中国南方下古生界海相富有机质页岩发育区页岩气富集与散失评价的首要条件。

致谢: 在样品实验分析过程中获得北京市理化分析测试中心张涛高级工程师的指导和帮助,杜伦大学地球科学学院Chris Greenwell教授在论文修改过程中与作者进行了讨论并对部分英文表述进行了指导,对以上专家一并表示感谢。

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