黔江凹陷五期頁巖氣儲層特征及含氣性研究

0富有機質頁巖氣地質特征及勘探方向巖流是指含有在含有30ml黑粘土、粘土、粘土和其他混合天然氣的混合天然氣。具有“自生自養、隱蔽聚集、制備區塊”的典型特點。頁巖氣主要以2種狀態賦存于頁巖中:一種是以吸附狀態大量吸附于有機質顆粒、黏土礦物顆粒以及孔隙表面之上;另一種以游離方式大量存在于天然裂縫和巖石孔隙中。因此,掌握富有機質頁巖的儲層發育特征是尋找頁巖氣以及明確頁巖氣主要賦存方式的關鍵。近年來我國頁巖氣勘探開發進展迅速,特別是針對四川盆地下古生界海相頁巖的研究進展顯著,但仍有部分地區研究相對滯后。本文研究區為渝東南地區黔江凹陷,位于四川盆地東南部外緣,廣泛發育五峰組—龍馬溪組富有機質海相頁巖。該區頁巖氣的勘探仍處于初期階段,缺少大量鉆井、測錄井等資料,前人對該地區頁巖儲層發育條件以及含氣性特征研究也較少,缺乏顯示該地區勘探潛力的證據以及對該地區研究可借鑒的數據,增加了對該地區頁巖氣有利地區優選以及資源評價的難度。因此,本文對研究區五峰組—龍馬溪組頁巖儲層特征的研究,有利于掌握該套頁巖中頁巖氣的賦存條件以及在該條件下頁巖含氣量的多少,對評價其中的頁巖氣資源潛力、指導頁巖氣勘探方向具有重要意義。1間生物界及沉積相渝東南地區位于重慶的東南部和四川盆地的東部,南與黔北交接,東與湘西為鄰,包括黔江區、石柱縣、彭水縣、酉陽縣和秀山縣(圖1)。該區屬于上揚子前陸盆地,位于川中隆起與黔中隆起之間,是上揚子板塊的重要組成部分。構造活動強烈,歷經多期構造運動形成了現今的NNE向山脈及小型山間盆地相間的地貌景觀,主要發育金佛山凸起褶皺帶、七曜山凸起褶皺帶、黔江凹陷褶皺帶和秀山凸起褶皺帶4個四級構造單元,多為中生代燕山期水平擠壓作用所形成,并與重慶陷褶束的一系列NNE向褶皺群呈有規律的帶狀分布。該區地層剝蝕較為嚴重,下古生界出露最為完整,五峰組—龍馬溪組在該區保存良好,出露廣泛,分布面積約占該區的1/2,主要集中分布在該地區的西北部,埋深較大,而南部地區分布范圍較小,埋深淺。本文進一步選取渝東南地區黔江凹陷進行研究。2項目所需層位及目的層深度范圍為了研究頁巖的儲層特征,對以五峰組—龍馬溪組頁巖氣為勘探目標的黔頁1井、黔淺1井和酉淺1井的巖心進行了系統采集。黔頁1井和黔淺1井均位于黔江區西南部,桑柘坪向斜的北東軸部,其中黔頁1井位于黔淺1井東北部5km處,目的層深度范圍為726~805m,黔淺1井目的層深度范圍為726~800m;酉淺1井位于酉陽縣西北部,濯河壩向斜東北緣,目的層深度范圍為1085~1166m(圖2);本文研究平均每隔3m取樣,共選取106塊巖心,進行了薄片鏡下鑒定、X-射線衍射巖礦分析、TOC實驗、顯微組分實驗、氮氣吸附實驗以及掃描電鏡實驗,對該套頁巖的巖石學特征、巖礦特征、有機質豐度和分布特征以及儲層物性特征進行研究。3層的特性3.1巖石組分結構渝東南地區五峰組—龍馬溪組頁巖為海相碎屑巖,發育于淺海陸棚環境。整體上,以黏土—粉砂級細粒沉積為主,含有豐富的筆石[圖3(k)],黃鐵礦發育[圖3(j),圖3(l)];該套頁巖可劃分為上、下2段,下段位于高水位體系域(圖2黃色部分),為海侵最大時期的產物,主要為黑色頁巖,是較為有利的勘探目標段,上段為海退體系域,巖性復雜,砂質含量較大(圖2)。該套頁巖主要由水云母泥頁巖、炭質泥頁巖、粉砂質泥頁巖、黏土質泥頁巖、硅質泥頁巖組成[圖3(a)—圖3(f)],頁巖的顏色隨著碎屑含量的變化而變化,炭質含量較高的主要呈深灰色至灰黑色,而隨著硅質、粉砂質等成分的增加呈現淺灰色的變化[圖3(g)—圖3(i)],硅質含量較高時,頁巖硬度變大,相對均質性較好[圖3(i)]。頁巖中發育泥質粉砂巖、粉砂巖等夾層,巖石中的綠泥石、白云石、石英、有機質等顆粒順紋層狀分布,使巖石顯示出紋層等構造特征[圖3(h),圖3(j)],部分紋層被微弱的生物擾動破壞,導致細微的斑雜狀結構[圖3(c)—圖3(e)];頁巖中少量碎屑顆粒呈不均勻分布,分選較好,磨圓度中等,多呈棱角狀、次棱角狀,同時顆粒間分布有不均勻的成熟度偏低礦物,如長石、方解石、白云石、云母等。3.2全巖顯微組分法渝東南地區黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁巖有機碳含量(TOC)變化范圍較大,總體表現為下部高上部低(圖2)。98塊樣品TOC值介于0.22%~5.31%之間,平均為1.78%。根據國土資源部《頁巖氣資源潛力評價方法與有利區優選標準》可將TOC值分布頻率劃分為3個區間,其中0<TOC<0.5%頻率很低,僅占11.22%,0.5%≤TOC<2%占60.20%,TOC≥2.0%占28.57%。全巖顯微組分分析顯示,顯微組分主要為鏡質組,油浸反射光下為灰白色,多呈細小碎屑狀產出于礦物粒間,少數呈塊狀和條帶狀產出,無熒光顯示[圖4(a)],屬于低煤化鏡質組,具有好的黏結性,有利于頁巖氣的吸附;在鏡下觀察也發現,有機質對應著表現為中等降解的煤素質,此外還有微細的干酪根[圖4(b)],干酪根以腐泥型為主,源巖母質主要為選擇性聚集的藻類物質以及受微生物改造的分散有機質,鏡下呈團粒狀、云霧狀或棉絮狀,常見藻體痕跡,反映出五峰組—龍馬溪組頁巖為下古生界海相沉積;微細干酪根通常表面包覆黏土顆粒和碎屑顆粒,幫助保存了相當高的粒間孔隙,部分干酪根也見被黃鐵礦交代[圖4(c)—圖4(e)]。較高的熱演化程度使得殘余有機碳含量相對較低,稍高于海陸過渡相的Lewis頁巖(表1),Lewis頁巖作為典型的中等有機碳含量和中等成熟度頁巖,單層厚度較小,常與砂巖等互層,Lewis頁巖的成功開采也說明渝東南黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁巖在有機質豐度和有機質成熟度方面具有較好的生烴基礎。3.3巖石學和礦物學特征通過對渝東南黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁巖98塊樣品進行全巖及黏土礦物X-射線衍射實驗分析發現,其中礦物成分主要為脆性礦物,其次為黏土礦物。脆性礦物含量在38.4%~86.7%之間,平均為66.62%;黏土礦物含量在12.1%~56.5%之間,平均為29.79%;此外還含有少量的黃鐵礦、重晶石等。脆性礦物中石英含量最大,占全巖礦物含量的17%~73.8%,平均含量為43.29%;其次為長石,含量為2.7%~26.7%,平均含量為14.85%,主要以斜長石為主,碳酸鹽礦物主要為方解石和白云石,以膠結物狀態存在于泥頁巖裂隙中[圖5(a)];黏土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主,其相對含量依次為2.42%~64.81%和8.20%~60.0%,平均相對含量依次為45.81%和39.49%,其余為少量的綠泥石,相對含量為2.0%~44.35%,平均為12.12%,部分綠泥石順層理分布或充填于粒間孔隙內[圖5(b)],極少數樣品中含有微量的高嶺石。另外,五峰組—龍馬溪組頁巖也普遍發育了黃鐵礦,但含量很低(圖2),主要表現為等粒度的亞微米級晶體緊密堆積的草莓狀黃鐵礦[圖5(c)],呈星散狀分布,通常為幾微米到幾十微米,指示了渝東南早志留世良好的還原性沉積環境。美國含氣頁巖普遍具有石英等脆性礦物較為發育的現象,石英含量最高可達75%(表1),五峰組—龍馬溪組礦物含量與之相似,石英連片、呈骨架式的發育不僅有利于裂縫的形成,更有利于后期頁巖的壓裂開發,而如若黏土礦物含量較大,包裹于石英表面,則壓裂開發效果大大降低。3.4有機質孔隙發育頁巖中含有大量微孔隙和微裂縫,是頁巖氣賦存的主要場所,其中微孔隙主要包括為微米—納米級無機孔隙和納米級有機孔隙,其中納米級孔隙對頁巖的吸附能力具有重要貢獻。五峰組—龍馬溪組頁巖中納米級孔隙體積為(5.57~28.8)×10-3mL/g,平均為1.67×10-2mL/g,其中中孔(2~50nm)體積約占總孔體積的64.7%,而微孔(<2nm)體積和宏孔(>50nm)體積分別占12.3%和23.0%;豐富的納米級孔隙具有較大的孔隙比表面積,介于4.61~21.30m2/g之間,平均為12.44m2/g,大部分數據在平均值以上,中孔的比表面積貢獻最大,占總比表面積的63.93%,其次為微孔比表面積,約占34.93%,宏孔比表面積很小;頁巖孔隙的比表面是頁巖氣吸附的主要場所,也是影響頁巖吸附氣量的重要主控因素之一,因此孔隙比表面的增大有助于增強對頁巖氣的吸附能力。納米級有機孔隙是在熱演化過程中有機質的不斷裂解生成液態或氣體烴類后,有機質內部形成的殘留空間。該套五峰組—龍馬溪組頁巖中的有機質熱成熟度在1.78%~2.93%之間,處于高—過成熟階段,因此有機質中發育了較為豐富的有機孔隙。從氬離子拋光掃描電鏡圖中發現,有機質納米級孔隙多呈不規則的、氣泡形的、橫剖面為橢圓狀等形態,大小多為幾納米到幾百納米不等,以幾十納米的為主[圖6(a)];五峰組—龍馬溪組頁巖微米—納米級無機孔隙同樣較為發育,多數直徑小于5μm,孔隙類型多樣,包括成巖作用改造后的碎屑顆粒粒間孔隙[圖6(b)]、黏土礦物晶間孔隙[圖6(c)]、黃鐵礦晶間孔隙[圖6(d)]等,這些孔隙的發育多受成巖作用改造、礦物間轉化以及有機酸等地層流體的溶解侵蝕等作用控制。另外,微裂縫也是頁巖氣重要的賦存空間,對頁巖氣的滲流與聚集成藏具有重要意義。該套頁巖中微裂縫多為數微米到數十微米,成因類型多樣,包括構造應力作用下發生破裂形成的構造解理縫[圖6(e)]、成巖過程中地層流體溶蝕形成的溶蝕裂縫[圖6(f)]以及有機質熱演化過程中生排烴作用引起有機質體積減小形成的有機質收縮縫[圖6(a)]。這些微裂縫有效地改善了頁巖儲層的物性,為頁巖氣運移提供了有效的疏導通道,在北美頁巖氣開發過程中也發現,微裂縫較為發育的部位頁巖氣產量往往較高。由于泥頁巖儲層的低孔低滲性,常規手段無法準確獲得其孔滲數據,為此利用脈沖法對該套頁巖106塊樣品進行孔隙度和滲透率的研究。實驗數據表明,黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁巖的孔隙度為0.58%~6.24%,平均為3.71%,滲透率在1×10-7~1.73×10-4μm2之間,平均為1.68×10-5μm2。與Barnett頁巖和Lewis頁巖相當(表1),且滿足頁巖氣開發下限標準。4有機質豐度對頁巖含氣量的影響現場解析法是測量頁巖含氣量最直接的方法,被廣泛地應用于頁巖含氣量測試中。本文研究對酉淺1井和黔淺1井進行現場解析獲取含氣量,總體上含氣量偏低,介于0.066~2.811m3/t之間,平均為0.657m3/t,其中含氣量超過1m3/t的均發育于該套頁巖的底部(圖2紅色部分)。從儲層物性角度分析,頁巖中孔隙越發育,孔隙比表面積就越大,增加了頁巖中可供頁巖氣吸附的空間,進而增強了頁巖的吸附能力,頁巖含氣量升高,從圖7(a)中可見,含氣量與總孔比表面積具有明顯的正相關關系,隨著總孔比表面積的增大,含氣量有增大的趨勢;有機質中發育的納米級孔隙,較微米級孔隙具有更大的比表面積,是總孔比表面積主要的貢獻者,因此目的層底部含氣量較高的頁巖有機質豐度也很高,從圖7(b)中也可見,隨著有機質豐度的增加,頁巖含氣量也隨之增大。從礦物含量角度分析發現,五峰組—龍馬溪組頁巖中石英、長石和綠泥石的含量大小影響了頁巖氣含量的高低。從含氣量與以上3種礦物相關性分析圖中可以看出,石英含量大于45%、長石含量小于15%或綠泥石含量小于10%時,頁巖含氣量普遍大于1m3/t,并且,隨著石英含量的增加、長石含量的減少或綠泥石含量的減小,含氣量均有減小的趨勢。海相頁巖中生物來源的硅質沉積占主導地位,即來源于較為豐富的硅質生物殘體,同時間接增加了有機質的含量,且石英是該套頁巖中含量最高的礦物成分,從圖5(e)掃面電鏡圖中也可見其與有機質伴生,發育了較豐富的微孔隙及比表面積,增加了頁巖中的可供頁巖氣吸附以及游離狀態賦存的空間[圖7(d)],使得頁巖含氣量隨著石英含量的增加呈增大的趨勢,同時石英呈骨架式發育有利于后期頁巖氣的壓裂開發。長石是標志性造巖礦物之一,具有不穩定、抗風化能力差的特點,長石經歷風化過程在形態上主要呈現2方面變化:(1)外形由規整的長柱狀多邊形向不規則形轉變;(2)礦物內部的孔隙由不發育向發育、由小到大轉變。長石含量較高,表明其風化程度較低,孔隙和比表面積較不發育[圖7(e)],從而含氣量較低;從前文礦物特征分析發現,渝東南黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁巖中的綠泥石多數充填于礦物粒間孔隙中,其含量越高,孔隙越不發育,比表面積減小[圖7(f)],從而降低了含氣量。因此,五峰組—龍馬