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加拿大魁北克省奥陶系Utica海相页岩矿物分析及孔隙结构特征

鲍衍君 张鹏辉 梁杰 薛路 付奕霖

鲍衍君,张鹏辉,梁 杰,等. 加拿大魁北克省奥陶系Utica海相页岩矿物分析及孔隙结构特征[J]. 海洋地质前沿,2020,36(10):57-67 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.095
引用本文: 鲍衍君,张鹏辉,梁 杰,等. 加拿大魁北克省奥陶系Utica海相页岩矿物分析及孔隙结构特征[J]. 海洋地质前沿,2020,36(10):57-67 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.095
BAO Yanjun, ZHANG Penghui, LIANG Jie, XUE Lu, FU Yilin. MINERALOGY AND PORE STRUCTURES OF THE ORDOVICIAN UTICA SHALE IN QUEBEC, CANADA[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(10): 57-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.095
Citation: BAO Yanjun, ZHANG Penghui, LIANG Jie, XUE Lu, FU Yilin. MINERALOGY AND PORE STRUCTURES OF THE ORDOVICIAN UTICA SHALE IN QUEBEC, CANADA[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(10): 57-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.095

加拿大魁北克省奥陶系Utica海相页岩矿物分析及孔隙结构特征

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.095
基金项目: 国家自然科学基金(41702162);江苏省研究生科研与实践创新计划(KYCX20_0522);中央高校基本科研业务费项目(B200202144)
详细信息
    作者简介:

    鲍衍君(1996—),男,在读硕士,主要从事海洋地质研究工作. E-mail:baoyj025@163.com

    通讯作者:

    张鹏辉(1986—),男,博士,讲师,主要从事沉积学、储层地质学和石油地质学等方面的教学与研究工作. E-mail:zph010@163.com

  • 中图分类号: P736.21;618.13

MINERALOGY AND PORE STRUCTURES OF THE ORDOVICIAN UTICA SHALE IN QUEBEC, CANADA

  • 摘要: 北美圣劳伦斯地台发育的奥陶系Utica海相页岩是加拿大魁北克省的页岩油气潜在有利区。以这套页岩为研究对象,基于野外露头和钻井岩心样品,综合运用了场发射扫描电镜、TIMA集成矿物分析系统和有机地球化学分析等多种分析测试手段,系统研究了Utica页岩的矿物组成和有机质特征,分析了孔隙特征及其影响因素。研究结果表明:Utica页岩经历了从成熟—高成熟阶段至过成熟阶段的热演化过程,有机质含量较高;Utica页岩矿物成分以方解石、石英、长石和黏土矿物为主,含少量白云石及黄铁矿等,且页岩样品随热演化程度的增加而表现为方解石含量逐渐减小,长石和石英含量逐渐增加,黏土矿物含量变化不大;其孔隙类型主要为基质孔隙(粒间孔隙和粒内孔隙)、有机质孔隙和裂隙,且平均孔隙度随埋藏深度的增加呈现降低的趋势;埋藏热演化和成岩作用对孔隙影响较为明显,成熟—高成熟阶段主要的孔隙类型为有机质孔隙,碳酸盐胶结会显著降低孔隙度,黏土矿物粒内孔隙较为发育并对总孔隙度有一定贡献,而过成熟阶段的压实作用构成了该阶段孔隙演化的主要因素,进一步降低了页岩孔隙空间,孔隙类型则多以基质孔隙为主。
  • 图  1  圣劳伦斯地台地质简图和早古生代地层层序

    (A) 圣劳伦斯地台区域地质图(据文献[12]修改);(B) 圣劳伦斯地台在加拿大魁北克地区的早古生代地层层序(据文献[12]修改)

    Figure  1.  Schematic geological map and Paleozoic stratigraphic column of the St. Lawrence Platform

    图  2  圣劳伦斯地台地质剖面图及Utica页岩发育特征

    (A)剖面位置见图1A,揭示了厚层古生代地层与3口钻遇Utica页岩的取心井:①Junex Saint Augustin De Desmaures 1井,②Junex Becancour 8井,③Talisman Energy Saint-Edouard 1井(据文献[12]修改);(B) 魁北克Cap Santé剖面(第1处露头);(C) 魁北克Cap Santé剖面(第2处露头);(D) Cap Santé剖面Utica页岩样品,见笔石化石;(E) 魁北克地区F-21井Utica页岩岩心(据文献[13]修改)

    Figure  2.  Geological section cross St. Lawrence Platform and characteristics of Utica shale

    图  3  基于TIMA矿物集成分析系统确定Utica页岩矿物组分及分布特征

    Figure  3.  Mineral composition and distribution of Utica Shale by TIMA integrated mineral analysis system

    图  4  Utica页岩和龙马溪组页岩岩性三角图

    Utica页岩根据文献[12]整理总结;龙马溪组页岩据文献[43]整理总结

    Figure  4.  Lithology of Utica and Longmaxi shales

    图  5  场发射扫描电镜镜下的Utica页岩孔隙特征

    (A) Cap Santé剖面露头样品,发育粒间溶蚀孔隙,有机质填充粒间孔隙,见有机质孔隙,见方解石晶内裂隙发育;(B) Cap Santé剖面露头样品,有机质填充粒间溶蚀孔隙,见有机质孔隙;(C) Cap Santé剖面露头样品,黄铁矿粒内孔隙中填充固体沥青,方解石溶蚀粒内孔隙发育;(D) Cap Santé剖面露头样品,方解石溶解形成粒内孔隙;(E) Cap Santé剖面露头样品,见黄铁矿和有机质;(F) 过成熟阶段岩心样品细菌硫酸盐还原(BSR)产生的含大量伴生草莓状黄铁矿的几丁虫,主要孔隙空间是有机质和基质之间的收缩裂缝,Talisman Energy Saint-Edouard 1井(据文献[12]修改)

    Figure  5.  Pore characteristics of Utica shale under field emission scanning electron microscope

    图  6  场发射扫描电镜镜下的Utica页岩孔隙特征

    (A) Cap Santé剖面露头样品,固体沥青填充粒间孔隙,固体沥青中发育亚微米级有机质孔隙;(B) Cap Santé剖面露头样品,粒间孔隙为固体沥青和方解石胶结物所充填,可见基质内方解石晶内裂隙及少量溶蚀孔,有机质内见少量有机质孔隙;(C) Cap Santé剖面露头样品,有机质填充粒间孔隙,可见有机质孔隙及粒内孔隙;(D) 成熟—高成熟阶段岩心样品,白云石和固体沥青填充粒间孔隙,固体沥青中发育亚微米级的有机质孔隙(据文献[12]修改);(E) Cap Santé剖面露头样品,发育有机质孔隙、有机质与基质间有机质裂隙和晶间孔隙;(F) 几丁虫碎片结构中未见有机质孔隙发育,在几丁虫和基质间可见裂缝,Junex Saint Augustin De Desmaures 1井(据文献[12]修改)

    Figure  6.  Pore characteristics of Utica shale under field emission scanning electron microscope

    图  7  Utica页岩孔隙发育影响因素分析

    (A) 处于成熟—高成熟阶段样品孔隙度与TOC呈弱正相关关系,处于过成熟阶段样品孔隙度与TOC呈弱负相关关系;(B) 处于成熟—高成熟阶段样品孔隙度与固体沥青相关性较孔隙与TOC相关性更好,而处于过成熟阶段样品孔隙度与固体沥青呈弱相关性;(C) 处于成熟—高成熟阶段样品孔隙度与黏土矿物呈显著正相关关系,而处于过成熟阶段样品无相关关系;(D) 处于成熟—高成熟阶段样品固体沥青和黏土矿物含量呈弱相关性,表明固体沥青存在填充黏土矿物粒内孔隙,而处于过成熟阶段样品固体沥青与黏土矿物含量无相关性;(E) 处于成熟—高成熟阶段样品碳酸盐与孔隙度呈负相关关系,而处于过成熟阶段样品与碳酸盐无相关关系;(F) 处于成熟—高成熟阶段样品孔隙度与黏土矿物呈正相关关系,截距反映了黏土矿物在总孔隙度中的近似贡献(据文献[12]修改)

    Figure  7.  Analysis of influencing factors of Utica shale pore development

    表  1  Utica页岩矿物组分分析及不同技术方法结果对比

    Table  1.   Mineral composition statistics and comparison based on XRD or TIMA analysis of Utica shale

    矿物Utica页岩岩心样品
    (XRD分析结果)
    Utica页岩岩心样品
    (XRD分析结果)
    Utica页岩岩心样品(XRD分析结果)Utica页岩Cap Santé剖面样品
    (本次TIMA集成矿物分析结果)
    400~700 m2 000 mUtica上段Utica下段
    (1 487 m)
    Utica下段
    (1 584 m)
    方解石(55.5±14.6)%(47.2±7.3)%30%~80%20%~25%65%~70%55%~60%45%
    石英和长石(15.1±4.2)%(22.8±5.1)%≥30%25%~30%10%~15%10%~15%30%
    白云石2.65%3.9%2%
    黏土矿物≈23%≈22%20%~30%25%~30%5~10%5%~15%16%
    注:①岩心样品取自Junex Saint Augustin De Desmaures 1井、Junex Becancour 8井和Talisman Energy Saint-Edouard 1井;②岩心样品取自本区水力压裂测试井;③岩心样品取自圣劳伦斯Lowlands 地区钻井;Utica页岩岩心样品XRD分析结果据文献[12, 34, 41]整理总结。
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    表  2  魁北克Utica页岩与其他地区页岩矿物成分对比

    Table  2.   Comparison of mineral composition between Utica shale in Quebec and the shale in other areas

    地区石英和长石 方解石 白云石 黏土矿物
    魁北克露头剖面Utica页岩30%45%2%16%
    美国阿巴拉契亚盆地Utica页岩33%25%8%27%
    四川盆地龙马溪组页岩48.4%3.5%6.8%38.3%
    注:①岩心样品取自阿巴拉契亚盆地水力压裂测试井,据文献[42]整理;②岩心样品取自Y1-14井,据文献[43]整理。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-16
  • 网络出版日期:  2020-10-13
  • 刊出日期:  2020-10-20

加拿大魁北克省奥陶系Utica海相页岩矿物分析及孔隙结构特征

doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.095
    基金项目:  国家自然科学基金(41702162);江苏省研究生科研与实践创新计划(KYCX20_0522);中央高校基本科研业务费项目(B200202144)
    作者简介:

    鲍衍君(1996—),男,在读硕士,主要从事海洋地质研究工作. E-mail:baoyj025@163.com

    通讯作者: 张鹏辉(1986—),男,博士,讲师,主要从事沉积学、储层地质学和石油地质学等方面的教学与研究工作. E-mail:zph010@163.com
  • 中图分类号: P736.21;618.13

摘要: 北美圣劳伦斯地台发育的奥陶系Utica海相页岩是加拿大魁北克省的页岩油气潜在有利区。以这套页岩为研究对象,基于野外露头和钻井岩心样品,综合运用了场发射扫描电镜、TIMA集成矿物分析系统和有机地球化学分析等多种分析测试手段,系统研究了Utica页岩的矿物组成和有机质特征,分析了孔隙特征及其影响因素。研究结果表明:Utica页岩经历了从成熟—高成熟阶段至过成熟阶段的热演化过程,有机质含量较高;Utica页岩矿物成分以方解石、石英、长石和黏土矿物为主,含少量白云石及黄铁矿等,且页岩样品随热演化程度的增加而表现为方解石含量逐渐减小,长石和石英含量逐渐增加,黏土矿物含量变化不大;其孔隙类型主要为基质孔隙(粒间孔隙和粒内孔隙)、有机质孔隙和裂隙,且平均孔隙度随埋藏深度的增加呈现降低的趋势;埋藏热演化和成岩作用对孔隙影响较为明显,成熟—高成熟阶段主要的孔隙类型为有机质孔隙,碳酸盐胶结会显著降低孔隙度,黏土矿物粒内孔隙较为发育并对总孔隙度有一定贡献,而过成熟阶段的压实作用构成了该阶段孔隙演化的主要因素,进一步降低了页岩孔隙空间,孔隙类型则多以基质孔隙为主。

English Abstract

鲍衍君,张鹏辉,梁 杰,等. 加拿大魁北克省奥陶系Utica海相页岩矿物分析及孔隙结构特征[J]. 海洋地质前沿,2020,36(10):57-67 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.095
引用本文: 鲍衍君,张鹏辉,梁 杰,等. 加拿大魁北克省奥陶系Utica海相页岩矿物分析及孔隙结构特征[J]. 海洋地质前沿,2020,36(10):57-67 doi:  10.16028/j.1009-2722.2020.095
BAO Yanjun, ZHANG Penghui, LIANG Jie, XUE Lu, FU Yilin. MINERALOGY AND PORE STRUCTURES OF THE ORDOVICIAN UTICA SHALE IN QUEBEC, CANADA[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(10): 57-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.095
Citation: BAO Yanjun, ZHANG Penghui, LIANG Jie, XUE Lu, FU Yilin. MINERALOGY AND PORE STRUCTURES OF THE ORDOVICIAN UTICA SHALE IN QUEBEC, CANADA[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(10): 57-67. doi: 10.16028/j.1009-2722.2020.095
    • 全球非常规天然气资源量约920×1012 m3,其中页岩气资源量约为456.2×1012 m3[1-3],主要分布在北美、东亚、北非和澳大利亚等地区。从美国首次发现页岩气开始,到加拿大和中国等多个国家实现页岩气的商业开采,页岩气在天然气资源中的比重逐渐增加,页岩气的成功勘探开发是全球油气工业的一次理论技术的创新和跨越[4-7]。加拿大是继美国之后第2个对页岩气进行勘探和商业开采的国家,主要页岩气区块群有5个:Elkhorn River(霍恩河)、Montney(蒙特尼)、Utica(尤蒂卡)、Colorado(科罗拉多)和Holden cliff(霍尔顿断崖)[8]。据加拿大能源保护委员会和阿尔伯塔地质调查局等机构评估,加拿大页岩气储量约为141×1012 m3[9],呈现出巨大的勘探潜力。

      Utica(尤蒂卡)页岩主要分布于北美圣劳伦斯地台奥陶系,有机质丰度较高[10-11],是加拿大魁北克省南部古生界重要的烃源岩层。目前关于该套页岩的研究主要包括地层学、沉积环境、油气资源潜力、资源量和对环境影响的评估等[9, 11-13]。在2006—2010年间,魁北克省南部Utica页岩是页岩油气勘探开发的重要目标[11-12];期间钻遇Utica页岩的钻井共约170口,页岩气产量为173×106 m3/d,页岩油产量为4.8 t/d,受当地政府政策影响本区Utica页岩油气开采于2011年暂时中止[11, 14]。最新研究表明,加拿大魁北克省Utica页岩的资源量约为天然气4.64×1012 m3和石油2.45×108 t[11]

      页岩储层质量评价高度依赖于孔隙类型、体积和排列的认识[15-18]。而页岩储层中不同孔隙对总孔隙度的贡献则主要取决于其矿物组分、结构以及有机质含量、类型及其成熟度的变化[12, 19-26]。因此,对Utica海相页岩孔隙特征及演化的研究将有助于页岩储层的深入评价,然而目前关于Utica页岩储层表征的研究很少且尚未形成系统的认识。本文充分利用Utica页岩钻井岩心资料和笔者在加拿大魁北克地区野外考察期间获取的Utica页岩典型野外露头样品,基于有机地球化学特征和矿物组分特征分析,确定了页岩孔隙类型并系统分析了孔隙演化特征以及影响孔隙结构特征的主控因素。

    • 加拿大魁北克省Utica页岩广泛分布于北美圣劳伦斯地台(图1A)。圣劳伦斯地台在早古生代经历了较为复杂的构造演化,主要包括:①中奥陶世断层控制的凹陷阶段[13, 27];②晚奥陶世Taconian造山运动的挤压变形阶段[13, 27];③奥陶纪之后的断层褶皱发育阶段[13, 28-30]。圣劳伦斯地台主要发育晚寒武世—晚奥陶世地层(图1A),自下而上分别为上寒武统至下奥陶统Potsdam群、下奥陶统Beekmantown群和中上奥陶统Chazy群,以及上奥陶统Black River群、Trenton群、Utica页岩、Lorraine群和Queenston群(图1B图2A),未见志留纪地层发育。在魁北克南部,圣劳伦斯地台是由一套最大厚度约1 200 m的碎屑岩沉积建造和一套最小厚度约为 1 800 m的碳酸盐岩台地相叠加的沉积体系[31]

      图  1  圣劳伦斯地台地质简图和早古生代地层层序

      Figure 1.  Schematic geological map and Paleozoic stratigraphic column of the St. Lawrence Platform

      在魁北克南部,Potsdam群碎屑岩不整合覆盖于前寒武系基底之上,或与基底以断层接触[11, 32]。Beekmantown群为潮间带至潮下带的灰岩和白云岩,其上覆地层为由灰岩和泥灰岩组成的Chazy、Black River和Trenton群;向上至富有机质的Utica黑色页岩,其上覆地层为Lorraine群复理石和Queenston组磨拉石建造[11, 27]。Utica页岩的主要有机质成分包括沥青以及几丁虫和笔石的动物碎屑[12, 33],笔石生物地层学研究表明,Utica页岩主要形成于约4.45亿a前的晚奥陶世凯迪期[9, 13]。根据岩性、矿物和岩石物理特征,将Utica页岩划分为2个非正式段:下段矿物成分与下伏Trenton组碳酸盐岩接近;上段为灰岩和页岩互层,底部以泥质岩为主,同上覆地层Lorraine组富黏土质页岩和粉砂岩呈良好过渡[11, 13]

      野外露头剖面和钻井取心中均揭示了厚层Utica页岩(图2),以钙质泥页岩为主,局部化石较为丰富[11-12, 27, 34]。Utica页岩厚度从100 m至300 m不等,受正断层影响,厚度沿SE向呈增加趋势[12, 27]。本区Utica页岩的碳酸盐含量较高,缺失砂岩层段,这是同其上覆Lorraine群的主要岩性差异[27]

      在加拿大魁北克省魁北克市西南部Cap Santé剖面共有2处Utica页岩的出露:第1处露头位于46°40′11.6″ N,71°47′23.5″ W(图1A);第2处露头位置位于46°40′09.2″ N,71°46′59.8″ W(图1A),以钙质泥页岩为主,夹薄层泥晶灰岩。此次研究对这一典型剖面进行了较为系统的取样(图2B-D)。岩心样品取自Junex Saint Augustin De Desmaures 1井、Junex Becancour 8井和Talisman Energy Saint-Edouard 1井(图1A图2A),且24块岩心样品主要集中于400、700和2 000 m深度附近[12]

      图  2  圣劳伦斯地台地质剖面图及Utica页岩发育特征

      Figure 2.  Geological section cross St. Lawrence Platform and characteristics of Utica shale

    • 沥青、藻质体和动物化石碎屑(笔石、几丁虫、虫牙以及其他介壳碎屑)构成了早古生代沉积物中的主要有机显微组分[35-38]。在镜下观测到Utica页岩的有机质显微组分包括固体沥青、焦沥青和动物有机碎屑(主要是几丁虫和少量笔石)[12]。其干酪根类型主要为Ⅱ型干酪根,主要来源于海相浮游生物和微生物,生油气潜力中等[9, 33]

      Utica页岩有机质含量较高,TOC值普遍>1%。其中Cap Santé剖面的Utica页岩露头样品的TOC分别为1.22%和1.52%[27]。钻井岩心样品TOC值主要介于0.1%~2.1%,平均值为(1.1±0.4)%[12, 33]。Utica页岩岩心样品在地层浅部、中部和深部的等效镜质体反射率(VRo)的平均值分别为1.17%、1.24%和2.12%[12],反映了热演化程度随埋深的增加而增大。Utica页岩中浅部样品主要处于成熟—高成熟阶段,主要产物为石油和湿气;而深部则处于过成熟阶段,主要产物为干气。

    • 页岩矿物组成分析主要基于常规的X射线衍射(XRD)分析和/或集成(自动)矿物分析。本次研究利用了一款新型的结合场发射扫描电镜(SEM)+能谱(EDS)的可实现自动矿物分析的TIMA集成矿物分析系统,通过矿物原始峰谱图,进行查看、定量化、匹配和重新定义,可以对岩石样品进行快速的定量矿物分析[39-40];其分析精度达微米级,可有效获取岩石样品中的矿物成分、种类、含量和粒度分布,以及元素的赋存状态。本文利用这一技术对魁北克Cap Santé剖面Utica页岩露头样品进行分析,其中方解石质量分数约为45%,石英和长石约为30%,白云石约为2%,黏土矿物约为16%(图3表1)。这一分析结果与前期野外露头样品和岩心样品的矿物组分X射线衍射分析结果相似(表1),总体而言,Utica页岩方解石占比较高,主要介于30%~80%;石英和长石等脆性矿物和黏土矿物次之,均不超过30%;伊利石和云母构成了主要的黏土矿物类型;此外还含有少量的白云石和黄铁矿等。

      图  3  基于TIMA矿物集成分析系统确定Utica页岩矿物组分及分布特征

      Figure 3.  Mineral composition and distribution of Utica Shale by TIMA integrated mineral analysis system

      表 1  Utica页岩矿物组分分析及不同技术方法结果对比

      Table 1.  Mineral composition statistics and comparison based on XRD or TIMA analysis of Utica shale

      矿物Utica页岩岩心样品
      (XRD分析结果)
      Utica页岩岩心样品
      (XRD分析结果)
      Utica页岩岩心样品(XRD分析结果)Utica页岩Cap Santé剖面样品
      (本次TIMA集成矿物分析结果)
      400~700 m2 000 mUtica上段Utica下段
      (1 487 m)
      Utica下段
      (1 584 m)
      方解石(55.5±14.6)%(47.2±7.3)%30%~80%20%~25%65%~70%55%~60%45%
      石英和长石(15.1±4.2)%(22.8±5.1)%≥30%25%~30%10%~15%10%~15%30%
      白云石2.65%3.9%2%
      黏土矿物≈23%≈22%20%~30%25%~30%5~10%5%~15%16%
      注:①岩心样品取自Junex Saint Augustin De Desmaures 1井、Junex Becancour 8井和Talisman Energy Saint-Edouard 1井;②岩心样品取自本区水力压裂测试井;③岩心样品取自圣劳伦斯Lowlands 地区钻井;Utica页岩岩心样品XRD分析结果据文献[12, 34, 41]整理总结。

      在不同的热演化阶段,Utica页岩矿物组分具有一定的差异性。表现为:处于成熟—高成熟阶段的Utica页岩方解石质量分数为(55.5±14.6)%,石英和长石为(15.1±4.2)%,白云石为2.65%,黏土矿物约为23%;处于过成熟阶段的Utica页岩方解石质量分数为(47.2±7.3)%,石英和长石为(22.8±5.1)%,白云石为3.9%,黏土矿物约为22%[12]。总体而言,随着VRo的增加,具有方解石含量逐渐降低,而石英和长石含量逐渐增加的趋势,白云石含量和黏土矿物含量变化不大(表1)。

      魁北克Utica页岩和美国阿巴拉契亚盆地Utica页岩矿物成分差别不大,主要区别在于方解石含量和黏土矿物的含量,相对于阿巴拉契亚盆地Utica页岩,魁北克Utica页岩的方解石含量较高,黏土矿物含量则相对较低(表2)。而与四川盆地龙马溪组页岩相比,魁北克Utica页岩石英和长石含量相对较低,方解石含量较高,黏土矿物含量较低[42]表2)。岩性三角图表明Utica页岩主要为钙质页(泥)岩,部分为混合泥岩,含少量泥质灰岩;龙马溪组主要为硅质页(泥)岩,部分为富黏土质硅质泥岩,含少量硅质岩(图4)。矿物组成的不同,反映出沉积背景的差异,Utica富钙质页岩主要形成于碳酸盐岩台地相,受到海进-海退旋回的影响[27];四川盆地下志留统龙马溪组富硅质页岩则形成于深水陆棚环境,受构造运动和海侵作用的影响[43-46]

      表 2  魁北克Utica页岩与其他地区页岩矿物成分对比

      Table 2.  Comparison of mineral composition between Utica shale in Quebec and the shale in other areas

      地区石英和长石 方解石 白云石 黏土矿物
      魁北克露头剖面Utica页岩30%45%2%16%
      美国阿巴拉契亚盆地Utica页岩33%25%8%27%
      四川盆地龙马溪组页岩48.4%3.5%6.8%38.3%
      注:①岩心样品取自阿巴拉契亚盆地水力压裂测试井,据文献[42]整理;②岩心样品取自Y1-14井,据文献[43]整理。

      图  4  Utica页岩和龙马溪组页岩岩性三角图

      Figure 4.  Lithology of Utica and Longmaxi shales

    • Utica页岩碎屑颗粒的接触方式主要为点接触和线接触,镜下所见的粒间填充物主要为碳酸盐胶结物、黏土矿物及有机质等。基于野外露头样品和岩心样品的扫描电镜观察,Utica页岩主要发育3种孔隙类型,分别为:①有机质孔隙;②基质孔隙,主要包括粒内孔隙和粒间孔隙;③裂隙孔隙,可分为基质内主要裂隙和有机质微裂隙。

      粒间孔隙在露头样品和岩心样品中均有发育(图5A-B),随热演化程度增加,粒间孔隙尺寸略有减小。粒内孔隙常见于处于成熟—高成熟阶段的露头和岩心页岩样品的碳酸盐胶结物和黄铁矿中(图5C-F),而在处于过成熟阶段的样品中相对较少(图5F)。

      图  5  场发射扫描电镜镜下的Utica页岩孔隙特征

      Figure 5.  Pore characteristics of Utica shale under field emission scanning electron microscope

      白宝君等[41]在Utica岩心和露头样品均观察到了基质孔隙。在露头样品中可见直径约20~200 nm的粒间孔隙和孔隙直径约5~20 nm的粒内孔隙;岩心样品中可见直径约10~50 nm的粒间孔隙和直径约5 nm的粒间孔隙发育。利用聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)对Utica页岩岩心样品进行三维重构,结果表明其以纳米级孔隙为主,孔隙直径多集中于20 nm[41]。处于成熟—高成熟阶段的页岩样品粒间孔隙往往通过不同的裂隙相互连通,但是其孔隙部分或者全部为有机质所充填,而处于过成熟阶段的页岩样品粒间主要存在孔隙未填充有机质或完全填充有机质2种状态(图5B图6A-B[12]。处于成熟—高成熟阶段的样品粒内孔隙多为固体沥青所充填,而在处于过成熟阶段的样品粒内孔隙则填充焦沥青。

      图  6  场发射扫描电镜镜下的Utica页岩孔隙特征

      Figure 6.  Pore characteristics of Utica shale under field emission scanning electron microscope

      有机质孔隙主要见于固体沥青和焦沥青中,而在几丁虫结构中少见孔隙,其中固体沥青多填充于粒间孔隙和黏土矿物粒内孔隙空间(图5A-B图6A-E)。在露头样品中可见有机质孔隙直径约为10~100 nm,而岩心样品中多见直径约10~50 nm的有机质孔隙(图6C-E)。虽然有机质的发育增加了有机质孔隙空间,但有机质占据了较大的粒间孔隙,对整体的总孔隙度也会产生不利的影响[12]

      裂隙常见于岩石基质、有机质内部以及有机质同基质矿物颗粒之间的接触处(图5F图6BE-F)。有机质内部裂隙一般位于几丁虫内或几丁虫与基质之间,其长度一般<10 μm,而岩石基质中的裂缝在规模上一般要大于有机质内部的裂缝(图5AF图6F[12]

      Utica页岩孔隙度具有一定的演化规律,其中14块处于成熟—高成熟阶段(400 m、700 m)的页岩岩心样品平均孔隙度为(3.9±0.9)%,10块处于过成熟阶段(2 000 m)的页岩岩心样品平均孔隙度为(2.6±0.4)%[12],表明深部处于过成熟阶段样品的孔隙度小于浅部处于成熟—高成熟阶段的孔隙度。

    • Utica页岩岩心样品随深度的增加以及有机质成熟度的增大,其平均孔隙度由(3.9±0.9)%降为(2.6±0.4)%[12],同时,镜下孔隙发育特征表明,处于成熟—高成熟阶段埋藏较浅的Utica页岩样品孔隙发育与处于过成熟阶段埋藏较深的页岩样品存在显著的差异性。Utica页岩孔隙度随埋深增加而降低,反映了随埋深和热演化程度的增加,压实作用是导致孔隙度降低的主要因素之一[47-49]。此外,随热演化程度的变化,有机质发育、矿物组分以及除压实作用外的其他类型成岩作用均可以影响Utica页岩孔隙的演化规律。

    • 处于成熟—高成熟阶段的Utica页岩样品孔隙度与TOC呈弱正相关性(R2=0.20,图7A),孔隙度与固体沥青则呈较好的正相关关系(R2=0.40,图7B[12],反映出沥青中的有机质孔隙是该热演化阶段重要的孔隙类型,这与场发射扫描电镜的观察结果一致(图6D)。孔隙度与黏土矿物含量具有很好的正相关性(图7C-D),而与碳酸盐胶结物呈负相关关系(图7E),表明黏土矿物粒内孔对总孔隙度有一定的贡献(图7F),而碳酸盐胶结作用填充阻塞孔隙,是这一阶段重要的降低孔隙度的机制,这与镜下观察到碳酸盐胶结物填充孔隙的现象是一致的。

      图  7  Utica页岩孔隙发育影响因素分析

      Figure 7.  Analysis of influencing factors of Utica shale pore development

    • 处于过成熟阶段的Utica页岩孔隙度与TOC呈一定的负相关性(R2=0.21,图7A),且孔隙度与固体沥青呈相似的负相关关系(R2=0.19,图7B[12],表明有机质孔隙对处于过成熟阶段的样品总孔隙度的贡献是很小的。几丁虫是Utica页岩中除沥青外最主要的有机质组分[12],基于场发射扫描电镜观察发现,无论是处于成熟—高成熟阶段还是处于过成熟阶段的Utica页岩样品中几丁虫内部均未见明显的有机质孔隙,仅见少量内部裂隙,表明几丁虫并不能作为有效的有机质孔隙空间。以往的研究表明有机质孔隙是富有机质页岩孔隙系统中的重要组成部分[12, 16-17, 21, 50-52],这些有机质孔隙往往在很大程度上控制着页岩储层的储集性能。此外,有机质随热演化程度会发生变化,进而影响有机质孔隙发育[51, 53]。Utica页岩岩心样品有机质孔隙的研究则反映出页岩有机质孔隙与有机质类型密切相关,并不是所有类型的有机质都存在有机质孔隙。几丁虫尽管是Utica页岩有机质的重要组成,但其未对总孔隙有所贡献。这一阶段孔隙度与黏土矿物含量以及孔隙度与碳酸盐胶结物含量的相关均很差(图7CE),反映出黏土矿物和碳酸盐胶结物并不是Utica页岩孔隙演化的主控因素。镜下观察可见这一阶段的孔隙多以粒间孔隙为主,这也能够很好解释受压实作用而引起页岩总孔隙度的减少。

    • (1)加拿大魁北克省奥陶系Utica海相页岩以钙质泥岩为主,矿物组成主要包括方解石、石英、长石和黏土矿物以及少量的白云石和黄铁矿。Utica页岩有机质含量相对较高,地层浅部和中部处于成熟—高成熟阶段,深部处于过成熟阶段,其有机质类型主要为II型干酪根。

      (2)Utica页岩中可见3种孔隙类型,分别为以粒间孔隙和粒内孔隙为主的基质孔隙、以固体沥青为主的有机质孔隙、以岩石基质和几丁虫中裂隙为主的裂隙孔隙。Utica页岩随着埋深的增加和热演化程度的增大,孔隙度逐渐较低,压实作用是孔隙度降低的主要因素之一。

      (3)Utica页岩在不同热演化阶段其矿物组分存在差异性,表现为成熟—高成熟阶段样品方解石含量略高于过成熟阶段样品,而石英和长石在成熟—过成熟阶段的含量低于过成熟阶段,黏土矿物含量则在不同演化阶段变化不大。

      (4)随着热演化程度的变化,有机质组分、矿物成分以及除压实作用外其他成岩作用均可影响Utica页岩孔隙变化。处于成熟—高成熟阶段的页岩样品孔隙度随TOC增加而增大,而过成熟阶段的页岩样品孔隙度随TOC的增加而减小。成熟—高成熟阶段黏土矿物粒内孔隙可为有机质所填充,尽管可见少量碳酸盐胶结物粒内溶孔,但碳酸盐胶结作用则常填充粒间孔隙,对孔隙发育产生不利影响。处于成熟—高成熟阶段样品以有机质孔隙为主,黏土矿物粒间孔隙具有一定的贡献;处于过成熟阶段样品则以粒间孔隙为主,粒间填充物对孔隙度贡献不大,孔隙演化主要与压实作用有关。

参考文献 (53)

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