页岩有机质体积含量:概念、测试方法及意义.pdf
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1、1958西南石油大学学报(自然科学版)2024 年 4 月 第 46 卷 第 2 期Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)Vol.46 No.2 Apr.2024DOI:10.11885/j.issn.1674 5086.2022.07.15.03文章编号:1674 5086(2024)02 0001 14中图分类号:TE31文献标志码:A页岩有机质体积含量:概念、测试方法及意义游利军*,范道全,康毅力,周 洋,陈 杨西南石油大学石油与天然气工程学院,四川 成都 610500摘要:有机质含量是评
2、价页岩生产油气能力的重要指标,对孔隙度及含气量均有影响,也是页岩储层地质甜点评价的关键参数,而有机质含量无法体现有机质的分布、连通性、空间占比及其对油气渗流、储层改造的影响。通过对资料的整理与分析,厘清了有机质体积含量的概念,给出并分析了公式法、扫描电镜估算法、CT 扫描法、低场核磁共振测量法及岩石物理模型法等 5 种计算方法的优势与不足,并探讨了有机质体积含量对富有机质页岩油气开发的意义。有机质体积含量指单位体积页岩中有机质的体积,用百分数表示,强化了页岩气层评价与开发中有机孔的重要性,丰富了页岩气储层评价参数体系;有机质是页岩的弱结构点或弱结构面,有机质体积含量的特性为地质甜点与工程甜点指
3、标搭建了桥梁;有机质的可溶性及空间占比为油气储层孔缝溶扩“物质净移除、减量增渗”新思路的提出奠定基础,将有机质作为溶蚀改造对象,少量有机质溶蚀将极大增加储层改造体积。关键词:页岩;有机质含量;有机质体积含量;有机孔;氧化改造;地质 工程一体化Organic Volume Proportion in Shale:Concept,MeasurementMethod and SignificanceYOU Lijun*,FAN Daoquan,KANG Yili,ZHOU Yang,CHEN YangPetroleum Engineering School,Southwest Petroleum U
4、niversity,Chengdu,Sichuan 610500,ChinaAbstract:Total Organic Content is an essential index for evaluating the oil and gas production capacity of shale,which has animpact on porosity and gas content and is also a key parameter for evaluating the“geological sweet spot”of shale reservoir.However,TOC ca
5、nnot reflect the distribution,connectivity,spatial proportion of organic matter and its influence on oil and gasflow and reservoir transformation.Through data sorting and analysis,the concept of Organic Volume Proportion was clarifiedand gave and analyzed the advantages and disadvantages of five cal
6、culation methods,including the formula method,scanningelectron microscopy estimation method,CT scanning method,low-field NMR measurement method,and rock physics modelmethod.The significance of organic matter volume content to developing organic-rich shale oil and gas is also discussed.TheOrganic Vol
7、ume Proportion refers to the volume of organic matter per unit volume of shale.It is expressed as a percentage,whichstrengthenstheimportanceoforganicporesinshalegasreservoirevaluationanddevelopment,andenrichestheevaluationparameter system of shale oil and gas reservoirs.Organic matter is the weak st
8、ructural point or weak structural plane of shale,the characteristics of OVP bridge the geological sweet spot and engineering sweet spot indicators,the solubility and spatialproportion of organic matter lay the foundation for the new idea of“removal material and increment permeability”in oil andgas r
9、eservoirs.When organic matter is taken as the object of dissolution,a small amount of organic matter dissolution willgreatly increase the reservoir reconstruction volume.Keywords:shale;totalorganiccontent;organicvolumeproportion;organicpore;oxidationstimulation;geologicalengineeringintegration网络出版地址
10、:http:/ 14.YOU Lijun,FAN Daoquan,KANG Yili,et al.Organic Volume Proportion in Shale:Concept,Measurement Method and SignificanceJ.Journal ofSouthwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2024,46(2):114.*收稿日期:2022 07 15网络出版时间:2023 12 20通信作者:游利军,E-mail:基金项目:国家自然科学基金(51674209);非常规油气层保护四川省青年科
11、技创新研究团队项目(2021JDTD0017)2西南石油大学学报(自然科学版)2024 年引言页岩沉积于还原性环境,富含有机质1,有机质是油气生成的物质基础,是评价页岩气储层含气量2和纳米孔隙3的重要参数。页岩储层为特低孔渗储集层,其孔隙类型包括颗粒间微孔、颗粒溶孔、黏土片间微孔、粒内溶蚀孔、溶蚀杂基内孔及有机质孔等4。研究发现,有机质孔是页岩气储集层的主要孔隙类型,是页岩气富集的关键要素5 8,有机质孔的发育和连通性深受有机质分布的影响,有机质分布连续性与密集性越好,则有机孔越易与各类粒缘缝相互连通形成孔缝网络,为油气渗流提供高速通道9,在三维空间上,有机质分布的连续性与密集性则可通过有机质
12、空间占比反映得出。目前,体积压裂是实现页岩气高效开发的主要技术手段10 13,而体积压裂过程中,裂缝的延伸及扩展受有机质分布影响14。因此,分析有机质的分布以及体积分数对页岩储层地质甜点与工程甜点评价具有重要意义。国内外学者开展了大量关于有机质含量(TotalOrganic Content,TOC)对有机孔隙度、含气量及生烃能力影响的研究15 18。康毅力等19发现声波传播速度随有机质含量增加而减少,付博烨等20研究了有机质含量对页岩弹性性质的影响,王建国等21考虑有机质含量对页岩吸附气含量的影响,建立了吸附气含量计算模型,也有学者研究了有机质的分布对有机质孔隙发育、连通性及裂缝发育的影响9,
13、14。L等22分析了有机质体积分数对干湿页岩基质气体运移的影响,首次使用有机质的体积分数而非有机质含量来耦合不同的传输基质,提出一种新的传输模型。选准“甜点区”是页岩气成功开发的首要条件,无论在地质上还是工程上,有机质都有着不可或缺的作用,然而,在地质甜点评价中通常只关注有机质的“量”对有机孔发育、生烃能力及含气量的影响,忽略了其形态、体积分数对油气渗流的影响,且有机质的“形”在工程中,对裂缝延伸、拓展有着极强控制作用。为了搭建有机质在地质甜点和工程甜点中的桥梁作用,本文提出有机质体积含量(Organic VolumeProportion,OVP)的概念,探讨 OVP 不同计算方法的优劣性,并
14、分析其对页岩油气开发的重要意义。1 页岩有机质体积含量的概念根据岩石热解的氢指数和氧指数可将页岩有机质划分为 I 型干酪根、II 型干酪根、III 型干酪根和 IV型干酪根等 4 种干酪根类型23,其中,IV 型干酪根生烃能力基本为零,因此,在地质学上一般只探讨前3 种干酪根。根据有机质的形态、反射率、结构和荧光性等特点又可将有机质划为多种显微组分,包括类脂体(I 型或 II 型干酪根)、镜质体(III 型干酪根)、惰质体(IV 型干酪根)、动物碎屑和次生有机质,其中,动物碎屑主要是指笔石、几丁虫等动物碎屑,只在部分页岩中存在,次生有机质主要包括固体沥青、油和焦沥青。根据有机质成因可将有机质划
15、分为迁移有机质和沉积有机质24,迁移有机质指由其他地方运移而来的沥青或石油逐渐演变而成的固体沥青或焦沥青25,沉积有机质主要包括干酪根和其演化形成且分布在干酪根内部的固体沥青或焦沥青。综上所述,页岩有机质可分为干酪根和沥青(固体沥青、油、焦沥青及其他非烃组分)两种类型。页岩有机质含量(TOC)指单位质量页岩中有机质的质量,用百分数来表示,通常采用化学分离的方法将有机质从页岩样品中分离出来后,根据其质量与页岩样品质量的比值得出质量分数,而分离出来的有机质即是干酪根和极少部分不溶的固体沥青,除去了可溶有机质,因此,TOC 所代表的只是页岩有机质中部分不溶于有机溶剂的有机质的质量分数。有机质体积含量
16、(OVP)指单位体积页岩中有机质的体积,用百分数来表示,其中的有机质指岩石中的干酪根、固体沥青、焦沥青及其他非烃组分。OVP 与 TOC 具有很好的正相关性,即 TOC 含量越高,OVP 含量就越高。OVP 代表的是页岩中所有类型的有机质的体积,相比较 TOC 而言,能更准确地反映页岩中有机质的数量及空间占比。2 页岩有机质体积含量测试方法2.1 公式计算法选取页岩柱塞样品,测量其直径 D 与长度 L,页岩样品体积为V1=D2L4(1)式中:V1页岩样品体积,cm3;D页岩样品直径,cm;L页岩样品长度,cm。根据 GB/T 191442010 沉积岩中干酪根分离方法26,采用多种有机酸和无机
17、酸,在加温加压第 2 期游利军,等:页岩有机质体积含量:概念、测试方法及意义3条件下,去除页岩中的其他成分,通过离心机分离出有机质,烘干后称其质量,根据式(2)可求出有机质体积V2=mOM(2)式中:V2页岩有机质体积,cm3;m页岩有机质质量,g;OM页岩有机质密度,g/cm3。页岩密度在 2.552.65 g/cm3,有机质密度与干酪根类型有关(有机质密度与干酪根密度基本等同),一般 I 型干酪根的密度在1.21.4)g/cm3,II 型干酪根的密度在1.41.6)g/cm3,III 型干酪根的密度在1.61.8)g/cm327。运用式(3),即可求出 WOVPWOVP=V2V1(1 )1
18、00%(3)式中:WOVP页岩有机质体积含量,%;页岩孔隙度,%。若已知 WTOC,可根据式(4)计算出页岩有机质体积含量WOVP=AWTOCbOM(1 )100%(4)式中:A有机质与有机碳转换系数,需要根据干酪根类型及成岩作用进行判断;WTOC页岩有机碳含量,%;b页岩密度,g/cm3。2.2 扫描电镜估算法页岩样品经过氩离子抛光后,表面光滑平整,通过场发射扫描电镜背散射模式观察,不同矿物在图片中具有不同的亮度,常见矿物的亮度由大到小依次是黄铁矿、基质和有机质,其中,基质包括碳酸盐、硅酸盐及石英等28 31。在一张图片中亮度最低的则为有机质,在识别出有机质后,可由计算机计算出有机质面积占比
19、32,完成页岩样品的多张扫描电镜照片有机质面积占比计算后(图 1),取其平均值作为最终结果。a!#,$%&(d!),*+,-./0c!),$%&(b!#,*+,-./0图 1页岩样品中部分区域有机质扫描电镜图及通过 ImageJ 计算有机质面积占比Fig.1Scanning electron microscopy of organic matter in some areas of shale samples and proportion of organicmatter area calculated by ImageJ2.3 CT 扫描法CT 扫描法33的原理是利用 CT 扫描岩芯整体,基
20、于实验数据进行岩芯三维图像构建,包括微米 CT和纳米 CT。在纳米 CT 中,通过有机质图像灰度值辨识岩石内部的有机质、其他矿物与孔隙,进而计算有机质体积含量;而在微米 CT 中利用灰度值辨识岩石内部有机质,其他矿物与孔隙存在较大误差,因此,通过密度差进行辨识。4西南石油大学学报(自然科学版)2024 年微米 CT 方法包括以下步骤:1)选取一岩芯样品,研磨成粉,采用 X 射线扫描样品,得到岩石矿物组成。2)分析岩石矿物的密度差异,确定有机质密度范围。3)对另一柱体样品进行微米 CT 扫描,利用扫描数据进行三维重构,统计有机质的体积,进而计算出有机质的体积及体积含量。对于不同地区的岩石,其所包
21、含的有机质在成分、密度及类型上是有区别的,在对某个地区的岩石样品应用纳米 CT 扫描法时,需先进行该样品有机质灰度值范围的标定;根据确定的有机质灰度值范围设定有机质的灰度阈值;再根据灰度阈值,确定每块岩芯样品中的有机质体积含量。具体地,可将岩芯样品的三维图像中灰度值位于所属灰度阈值之间的像素点的数量统计出来,将统计得到的像素点数量与岩芯样品的三维图像的像素点数量相除,得到有机质的体积含量。2.4 低场核磁共振测量法低场核磁共振测量法34是指采用 CPMG 脉冲序列(90 脉冲后跟一系列 180 脉冲)对页岩样品进行低场核磁共振测量,获得样品 CPMG 回波强度曲线,记录 CPMG 首回波强度值
22、 E;采用固体回波脉冲序列对页岩样品进行低场核磁共振测量,获得样品固体回波强度曲线,记录固体回波首回波强度值B;对样品 CPMG 回波强度曲线与样品固体回波强度曲线进行比对分析,根据式(5)获得比对后的样品差值 CC=B E(5)式中:C差值,dBZ;B固体回波首回波强度,dBZ;ECPMG 首回波强度,dBZ。由式(6)可获得样品回波强度数据 R,根据样品回波强度数据,在页岩标样定标信息中查找,获得与样品回波强度数据对应的页岩样品的有机质体积含量。R=C/B(6)式中:R回波强度,无因次。2.5 岩石物理模型法利用地震波在致密储层孔隙介质中传播时岩石组分的物性差异导致波速的不同,孙卫涛等35
23、提出了基于波速的有机质体积含量反演方法,该方法包括以下步骤:1)确定岩石中掺杂物孔隙介质和背景相孔隙介质的物理参数。2)确定背景相等效体积模量与掺杂物等效体积模量,根据式(7)计算岩石的体积模量K=Km+(Kp Km)(4Gm+3Km)4Gm+3Kp+3(Km Kp)(7)式中:K非均匀孔隙岩石体积模量,Pa;Km,Kp以 Krief 模型计算的背景相等效体积模量及掺杂物等效体积模量,Pa;Gm,Gp以 Gassmann 模型计算的背景相等效体积模量及掺杂物等效体积模量,Pa;背景相体积比,无因次。3)根据岩石物性参数,计算岩石纵波速度。4)测量弹性波速度,建立纵波速度与弹性波速度的差异函数,
24、最后根据岩石体积模量反演得到岩石中固态有机质含量。该方法计算参数简单、测量步骤简便,具有很好的稳定性和适用性(表 1)。表 1有机质体积含量测试方法及其适用性Tab.1Measurement method of organic volume proportion and its applicability测试方法优点缺点适用情况公式计算法原理、计算过程简单在提取干酪根的过程中由于一些不可避免的损失会导致计算结果偏小适用性广扫描电镜估算法操作简单,能够清晰地展现出有机质的二维分布结果受放大比例的影响,完成一组测试需要拍摄大量扫描电镜图片,且制样是选取岩样的一部分进行抛光处理,因此,计算的有机质体
25、积也只是这一部分的含量,不代表整个岩样的含量,针对有机质分布非常不均匀的样品,误差较大仅适用于实验室条件下对页岩样品局部地区且有机质分布较为均匀的有机质体积含量计算CT 扫描法准确性高,处理效率高灰度阈值为人为设定,存在一定的误差适用于实验室条件下对岩芯有机质体积含量的评价核磁共振法快速、准确、实验周期短需要建立一个页岩标样信息库,从而确定与所测页岩样品回波强度差值数据对应的有机质体积含量,因此,需要组建基础数据库适用于建有页岩标样定量信息库的条件下岩石物理模型法适用性广、参数简单、精度高适用于测井阶段固态有机质含量预测第 2 期游利军,等:页岩有机质体积含量:概念、测试方法及意义53 有机质
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