中揚子地區(qū)中下寒武系頁巖氣儲層特征及含氣性特征

中揚子地區(qū)中下寒武系頁巖氣儲層特征及含氣性特征

0頁巖氣勘探潛力巨近年來，隨著水平井技術、水力壓裂技術的進步和天然氣價格的不斷上升，一些罕見、低效的油氣資源逐漸被重視。頁巖氣作為非常規(guī)油氣資源,其資源潛力巨大,是現(xiàn)代油氣勘探的重要領域之一。頁巖氣是天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結果,表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式,具有自生、自儲、自保及儲層致密等特點,為一種連續(xù)性、大規(guī)模、低豐度、非常規(guī)的天然氣聚集。在北美地區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)了頁巖氣商業(yè)開發(fā),中國也在積極尋找頁巖氣開發(fā)的有利區(qū),中揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖具有連續(xù)沉積厚度大,有機質含量高及成熟度高等特點,具有良好的頁巖氣勘探前景。因此,開展中揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層及含氣性特征研究對該區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義。1早志留世龍溪期巖相古地理中揚子地區(qū)指北以襄廣斷裂為界、西以湘鄂西地區(qū)的花果坪復向斜為界、南以江南隆起為界的區(qū)域,面積約為15×104km2,構造上屬中揚子準臺地(圖1),可劃分為湘鄂西區(qū)、江漢平原區(qū)和鄂東區(qū)。研究區(qū)經(jīng)晉寧運動形成穩(wěn)定地臺后,先后經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期、燕山期及喜馬拉雅期等重大構造運動改造,經(jīng)歷了克拉通盆地、前陸盆地和斷陷盆地等多個構造演化階段。早志留世龍馬溪期是繼晚奧陶世以來中上揚子地區(qū)盆山格局發(fā)生重大轉變的時期,該時期受加里東構造運動影響陸塊邊緣處于擠壓、褶皺造山過程,為形成古隆起的高峰階段。除邊緣的川西—滇中古陸、漢南古陸擴大以外,川中隆起的范圍不斷擴大,揚子南緣的黔中隆起、武陵隆起、雪峰隆起和江南隆起基本相連形成了滇黔桂隆起帶。中揚子地區(qū)上奧陶統(tǒng)—中下志留統(tǒng)暗色細粒碎屑巖沉積普遍發(fā)育,其中包括五峰組(O3w)、龍馬溪組(S1l)、羅惹坪組(S1lr)和紗帽組(S2s)。上奧陶統(tǒng)五峰組與下伏臨湘組碳酸鹽巖地層呈整合接觸,中志留統(tǒng)紗帽組與上覆泥盆系、石炭系呈不整合接觸。五峰組—龍馬溪組主要為黑色泥頁巖、硅質泥頁巖、炭質泥頁巖夾泥質粉砂巖,厚度一般為400~500m,為頁巖氣儲層主要發(fā)育層位;羅惹坪組主要為灰綠、黃綠色砂頁巖夾灰?guī)r,厚度一般為650~800m;紗帽組主要為灰綠、黃綠色泥質粉砂巖、粉砂巖,一般厚度為300~500m。2儲層地質組成頁巖氣是指賦存于泥頁巖層系中的天然氣,所謂泥頁巖層系即以暗色泥頁巖為主,夾少量薄層狀的泥質粉砂巖、粉砂巖、砂巖的巖性組合。在常規(guī)油氣勘探中,暗色泥頁巖顆粒較小,巖石致密,孔滲條件差,一般都作為常規(guī)油氣藏的烴源巖或蓋層,因此對泥頁巖儲層的研究較薄弱。近年來美國頁巖氣的成功勘探開發(fā)極大地推動了頁巖氣儲層內(nèi)部結構和構造特征的研究,筆者通過對頁巖氣生成、運聚及賦存機理等的分析,分別從巖相、巖石礦物學及儲集空間類型3個方面對研究區(qū)頁巖氣儲層進行論述。2.1巖石有機碳特征五峰組—龍馬溪組由多種巖性組成,主要為黏土級碎屑巖沉積,根據(jù)礦物成分、結構和沉積構造特征等方面將研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層分為8種巖相。(1)泥(頁)巖相。泥頁巖主要發(fā)育于龍馬溪組中下部。在露頭剖面上呈灰色—灰黑色,多以薄—中層狀產(chǎn)出,發(fā)育水平層理、塊狀層理,可見保存完好的筆石化石[圖2(a)]。鏡下觀察發(fā)現(xiàn),巖石內(nèi)陸源碎屑顆粒較少[圖3(a)],礦物組分有黏土、石英、長石、方解石和黃鐵礦等,其中石英、長石等呈零星狀漂浮于黏土礦物中,其反映沉積環(huán)境為相對安靜的深水陸棚環(huán)境。該巖相脆性礦物含量為53.2%~68.2%,有機碳含量為0.46%~2.38%。(2)硅質泥(頁)巖相。硅質泥(頁)巖主要發(fā)育于五峰組—龍馬溪組底部,露頭剖面上呈灰黑色—黑灰色,以中—薄層狀產(chǎn)出,性脆且硬,不易風化,風化后常呈棱角狀[圖2(b)]。常含硅藻、放射蟲和筆石等化石,這為硅質來源與生物有關提供了證據(jù),其代表著深水陸棚—半深海沉積環(huán)境。該巖相脆性礦物含量為68.5%~73.1%,有機碳含量范圍為1.35%~4.21%。(3)筆石泥(頁)巖相。筆石泥(頁)巖主要發(fā)育于龍馬溪組底部,露頭剖面上呈黑色,以薄層狀產(chǎn)出,僅見浮游類筆石,保存完好,含量約為30%。龍馬溪組底部泥頁巖筆石含量較高,且筆石類型主要為耙筆石,與五峰組叉筆石相區(qū)別[圖2(c)]。鏡下觀察可知,石英、長石顆粒很少,主要為黏土礦物,混有少量分散狀的黃鐵礦[圖3(b)],其代表著安靜滯留還原環(huán)境,水體較深。該巖相脆性礦物含量在50.6%~61.2%之間,有機碳含量范圍在1.53%~4.15%之間。(4)炭質泥(頁)巖相。炭質泥(頁)巖主要發(fā)育于龍馬溪組下部,在露頭剖面上呈灰黑色—黑灰色,中—厚層狀,性軟,易風化,含有大量炭化有機質,染手[圖2(d)]。其鏡下特征與普通泥頁巖相似,但有機質含量相對更高,它代表著相對安靜的深水陸棚環(huán)境。該巖相脆性礦物含量為52.7%~62.4%,有機碳含量為1.76%~5.01%。(5)粉砂質泥(頁)巖相。粉砂質泥(頁)巖主要發(fā)育于龍馬溪組中下部,露頭剖面上呈黑灰—深灰色,以中—薄層狀為主,發(fā)育水平層理,塊狀層理。粉砂質常以夾層狀產(chǎn)出,其中亮紋層為粉砂質層,暗紋層為泥炭質層[圖2(e)]。鏡下見石英、長石顆粒,含量約為20%~40%,分選較差,磨圓中等,呈棱角—次棱角狀[圖3(c)];黏土礦物多呈鱗片狀,成分主要為伊利石礦物;其反映沉積環(huán)境為總體安靜但有少量陸源碎屑的淺水陸棚環(huán)境。該巖相脆性礦物含量在48.7%~82.5%之間,有機碳含量范圍在0.17%~1.26%之間。(6)泥質粉砂巖相。泥質粉砂巖主要發(fā)育于龍馬溪組中部,露頭剖面上呈深灰色,以中—薄層狀為主,泥質含量為15%~40%,可見少量的筆石化石,含量一般小于5%,部分保存完好。鏡下觀察可知,礦物顆粒以石英為主,長石和巖屑很少,炭質較少,斑狀分布[圖3(d)],其反映沉積環(huán)境為水體較深的淺水陸棚環(huán)境。該巖相有機碳含量范圍為0.14%~0.62%。(7)粉砂巖相。粉砂巖主要發(fā)育于龍馬溪組中上部,露頭剖面上呈灰色—深灰色,多呈中層狀,泥質含量小于5%,粗粉砂含量為20%~40%,細粉砂含量為50%~80%。礦物顆粒以石英為主,長石和巖屑較少,另含少量黃鐵礦,局部顆粒邊緣被鐵白云石交代,其代表著水體較淺的淺水陸棚沉積環(huán)境。(8)砂巖相。砂巖主要發(fā)育于龍馬溪組上部,露頭剖面上呈灰色—深灰色,呈中層狀。覆蓋于泥頁巖沉積之上,底部可見槽模、粒序層理、丘狀交錯層理等沉積構造[圖2(f)—圖2(h)]。其代表著風暴浪基面之上淺水陸棚環(huán)境。此種巖相與粉砂巖相一般呈夾層狀產(chǎn)出。以上8種巖相總體發(fā)育于淺水陸棚—深水陸棚的環(huán)境中,其中硅質泥(頁)巖為深水陸棚—半深海盆地的產(chǎn)物,其脆性礦物和有機碳含量均很高;泥(頁)巖、筆石泥(頁)巖、炭質泥(頁)巖為深水陸棚環(huán)境的產(chǎn)物,其有機碳含量普遍較高但脆性礦物含量不高;粉砂質泥(頁)巖、泥質粉砂巖、粉砂巖、砂巖為淺水陸棚環(huán)境的產(chǎn)物,其沉積水動力條件較強,脆性礦物含量高但有機碳含量相對很低。2.2巖石礦物組成泥頁巖礦物成分以石英和黏土礦物為主,含鉀長石、斜長石、方解石、鐵白云石、白云石、菱鐵礦和黃鐵礦等。通過對研究區(qū)8口井226塊五峰組—龍馬溪組泥頁巖樣品進行全巖X-射線衍射分析表明:石英礦物含量平均值為57.6%(50.8%~64.7%),黏土礦物含量平均值為23.8%(18.7%~29.5%),長石礦物含量平均值為11.2%(7.5%~15.8%),碳酸鹽礦物含量平均值為4.8%(1.0%~11.2%),黃鐵礦等礦物含量平均值為1.6%(1.0%~3.4%)(圖4)。石英礦物主要為外源碎屑顆粒,呈層狀漂浮于頁巖中,碳酸鹽礦物主要以膠結物形式存在于頁巖中,黃鐵礦是深水還原環(huán)境下自生礦物。礦物組分縱向上隨巖性變化而變化,底部泥頁巖段黏土礦物含量相對較高,石英含量相對較低;上部主要為粉砂巖段,石英礦物含量較高,黏土礦物含量較低(圖5);其平面上的分布特征表現(xiàn)為石英礦物南東高北西低,黏土礦物則略具北西高南東低的特點,分析表明其分布特征與該時期古地理環(huán)境密切相關。黏土礦物由伊/蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石等構成。其中以伊利石含量最高,絕對含量為9.4%~15.4%(相對含量為42.4%~64.4%);伊/蒙混層次之,其絕對含量為2.1%~8.7%(相對含量為11.2%~38.3%);高嶺石含量和綠泥石含量相對最小,其絕對含量分別為0.8%~2.2%(相對含量為2.0%~23.0%)和2.6%~6.4%(相對含量為14.0%~23.0%)(圖6)。伊利石含量高與研究區(qū)泥頁巖高熱演化程度及地下流體性質密切相關。2.3儲層結構表征Milner等曾針對北美Haynesville頁巖、HornRiver頁巖、Barnett頁巖及Marcellus頁巖中的微觀孔隙進行系統(tǒng)觀察,發(fā)現(xiàn)上述4套泥頁巖中主要發(fā)育3種類型孔隙,即基質晶間孔、有機質孔和粒間孔。筆者通過對中揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖孔隙類型進行大量、系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn),該套頁巖中存在基質孔、有機質孔和溶蝕孔,此外還發(fā)育大量的微裂縫。(1)基質孔?；|孔指沉積物自沉積后經(jīng)過壓實作用依然保存的原生孔隙,其主要存在于片狀黏土礦物、集合體及巖屑顆粒之間?；|孔在五峰組—龍馬溪組泥頁巖中普遍發(fā)育,但由于受壓實作用影響其所占總孔隙度比例較小。掃描電鏡下觀察到片狀伊利石間的孔隙[圖7(a)],孔徑大小在0.2~1.0μm之間;絹云母片間孔隙[圖7(b)],孔徑大小在0.8~2.5μm之間;礦物顆粒與周圍黏土礦物間孔隙[圖7(c)],孔徑大小在0.6~2.2μm之間。(2)有機質孔。有機質孔指有機質團塊內(nèi)部或者有機質生烴后內(nèi)部殘余的次生孔隙。Loucks等通過對Barnett頁巖樣品掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)大量有機質孔,黃振凱等在松遼盆地白堊系青山口組泥頁巖樣品中發(fā)現(xiàn)孔徑為10~1500nm有機質孔,并且總結出有機質孔的形成、分布及大小與泥頁巖中有機質含量、類型及熱演化程度有著直接關系。中揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖有機質含量高,有機質類型以Ⅱ型為主,熱演化程度較高,總體上處于高—過成熟階段,因此泥頁巖經(jīng)過漫長的生烴后殘留了大量的有機質孔,為研究區(qū)內(nèi)泥頁巖儲層內(nèi)主要儲集空間,受分析測試手段局限,其孔徑大小有待進一步量化。(3)溶蝕孔。溶蝕孔指泥頁巖中由于溶蝕作用形成的次生孔隙,其形成機理為生烴過程中產(chǎn)生的有機酸或CO2溶于地層水形成的碳酸將巖石內(nèi)部碳酸鹽、磷酸鹽、硅鋁酸鹽等礦物溶解,產(chǎn)生孔隙。掃描電鏡下觀察到礦物溶蝕孔隙,孔徑大小在15.0~20.7μm之間[圖7(d)];溶蝕孔中被長石填充后再次被溶蝕,孔徑大小約為8.0~45.0μm[圖7(e)]。溶蝕微孔隙受地層中流體性質影響明顯,各地區(qū)發(fā)育程度不一。(4)微裂縫。泥頁巖樣品中發(fā)現(xiàn)大量微裂縫,主要包括黏土礦物層間縫、溶蝕縫、構造縫等。黏土礦物層間縫是由于伊利石的定向排列形成的,縫寬為1.0~2.5μm[圖7(f)];溶蝕縫是由于酸性地層水流經(jīng)裂縫后溶解礦物產(chǎn)生的,縫寬約為2.0~4.0μm[圖7(g)];構造縫是由于巖層受應力作用產(chǎn)生破碎形成的微裂縫,縫寬約為10.0~100.0μm[圖7(h)]。微裂縫受地層中流體及地應力作用影響較大,各地區(qū)差異較大。通過對以上孔縫特征分析可知,有機質孔最小,一般在10~1500nm之間,屬納米級孔隙,為研究區(qū)最重要的儲集空間;其次為基質孔,孔徑范圍一般在0.1~2.5μm之間,僅占總孔隙的一小部分;再次為溶蝕孔,孔徑一般在8.0~45.0μm之間,是一種重要的儲集空間,特別是黏土含量相對較高地區(qū),溶蝕孔較發(fā)育;最大的為微裂縫,縫寬一般在1.0~100.0μm之間,局部地區(qū)極為發(fā)育,不同地區(qū)差異較大。3巖石氣測異常頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于低孔、低滲的泥頁巖中,其中吸附氣主要吸附于有機質和黏土礦物表面,游離氣主要充填于孔隙與微裂縫中。研究區(qū)鉆遇五峰組—龍馬溪組頁巖的鉆井較多,利川復向斜帶上的Y1井、L1井在鉆井過程中多次發(fā)現(xiàn)氣測異常和氣浸;花果坪復向斜帶上的H2井龍馬溪組氣測產(chǎn)氣量為3.0m3/d,完井40余年井口仍可見天然氣;HY1井五峰組—龍馬溪組取心段的炭質泥頁巖出筒后巖心表面可見較多針孔狀氣泡,氣泡最大直徑可達3mm,對巖心做浸水實驗無氣泡溢出,泥漿洗凈后放置一段時間可見氣泡溢出。以上鉆井氣顯示表明研究區(qū)五峰組—龍馬溪組暗色頁巖段存在天然氣,本文通過對游離氣和吸附氣定量化計算進一步表征其含氣性特征。3.1含氣飽和度的確定游離氣是指以游離態(tài)填充于泥頁巖微孔隙和微裂縫中的天然氣。國內(nèi)外學者普遍認為游離氣量取決于孔隙度的大小和含氣飽和度。目前國內(nèi)對泥頁巖孔隙度測試方法主要采用常規(guī)孔隙度測試方法和儀器,其測試結果為相互連通的那部分孔隙體積分數(shù),還有部分死孔隙未統(tǒng)計;含氣飽和度還沒有可靠的測試方法,主要是通過計算得出的結果。采用SY/T5336-2006《巖心分析方法》對HY1井下志留統(tǒng)龍馬溪組18塊泥頁巖樣品進行孔滲測試表明:孔隙度范圍為0.82%~1.84%,平均為1.17%;滲透率范圍為(0.0021~0.0238)×10-3μm2。HY1井五峰組—龍馬溪組泥頁巖現(xiàn)場解析所得游離氣量范圍在0.09~0.17m3/t之間,如表1所示(1)。根據(jù)體積法計算游離氣量公式q游=φ×Sg/ρ(φ為孔隙度,%;Sg為含氣飽和度,%;ρ為巖石密度,g/cm3)可計算出泥頁巖中含氣飽和度范圍為14%~45%(表1)。泥頁巖孔隙為游離氣儲集空間,其對游離氣量大小起到?jīng)Q定性作用;含氣飽和度與泥頁巖層中保存條件密切相關,其對游離氣量具有一定的影響作用。3.2有機質含量對巖石儲層的控制吸附氣是指以吸附態(tài)吸附于有機質,部分吸附于黏土礦物、礦物顆粒等表面的天然氣。國外學者普遍認為吸附氣主要吸附于有機質表面;國內(nèi)部分學者認為吸附氣不僅吸附于有機質表面,而且吸附于黏土礦物及礦物顆粒表面。根據(jù)頁巖氣吸附理論可知,天然氣吸附于物質表面,其表面積越大吸附量越大。表面積可分為外表面積和內(nèi)表面積2類,理想的非孔性物質僅具有外表面積,多孔物質既具有外表面積還具有內(nèi)表面積,且其內(nèi)表面積遠大于外表面積。因此,有機質為多孔物質時由于具有大量內(nèi)表面積較黏土礦物更有利于頁巖氣的吸附。HY1井有機碳含量測試和現(xiàn)場解析殘余氣量對比結果表明,有機碳含量與吸附氣量關系式為y=0.1292x+0.1915,其相關系數(shù)為0.8906(圖8)。通過以上關系式說明當有機質含量為0時,其黏土礦物及礦物顆粒表面吸附天然氣量為0.1915m3/t;隨著有機碳含量增加吸附氣量也逐漸增加。中揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組泥頁巖TOC值分布范圍為0.11%~5.01%,平均值為1.88%。縱向上表現(xiàn)為底部黑色硅質、炭質泥頁巖有機碳含量高,向上發(fā)育的深灰色泥頁巖、粉砂質泥頁巖的有機碳含量逐漸降低(圖5)。在頁巖氣中一般TOC<1.0%認為其為不好的氣源巖,經(jīng)過剔除不達標的樣品后統(tǒng)計可知,研究區(qū)五峰組—龍馬溪組泥頁巖TOC值絕大部分大于1.5%,占整個樣品總數(shù)的75%(圖9)。根據(jù)上述吸附氣量與有機碳含量關系式計算出吸附氣量范圍為0.20~0.84m3/t?？偤瑲饬繛橛坞x氣量與吸附氣量之和,可以推算出總含氣量范圍為0.29~1.01m3/t,其直接影響因素為游離氣量和吸附氣量,間接控制因素主要為總孔隙度和有機碳含量的大小。3.3