黔江凹陷五期頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及含氣性研究

黔江凹陷五期頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及含氣性研究

0富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖氣地質(zhì)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(yǎng)、隱蔽聚集、制備區(qū)塊”的典型特點(diǎn)。頁(yè)巖氣主要以2種狀態(tài)賦存于頁(yè)巖中:一種是以吸附狀態(tài)大量吸附于有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)頁(yè)巖的儲(chǔ)層發(fā)育特征是尋找頁(yè)巖氣以及明確頁(yè)巖氣主要賦存方式的關(guān)鍵。近年來我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)進(jìn)展迅速,特別是針對(duì)四川盆地下古生界海相頁(yè)巖的研究進(jìn)展顯著,但仍有部分地區(qū)研究相對(duì)滯后。本文研究區(qū)為渝東南地區(qū)黔江凹陷,位于四川盆地東南部外緣,廣泛發(fā)育五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)海相頁(yè)巖。該區(qū)頁(yè)巖氣的勘探仍處于初期階段,缺少大量鉆井、測(cè)錄井等資料,前人對(duì)該地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育條件以及含氣性特征研究也較少,缺乏顯示該地區(qū)勘探潛力的證據(jù)以及對(duì)該地區(qū)研究可借鑒的數(shù)據(jù),增加了對(duì)該地區(qū)頁(yè)巖氣有利地區(qū)優(yōu)選以及資源評(píng)價(jià)的難度。因此,本文對(duì)研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征的研究,有利于掌握該套頁(yè)巖中頁(yè)巖氣的賦存條件以及在該條件下頁(yè)巖含氣量的多少,對(duì)評(píng)價(jià)其中的頁(yè)巖氣資源潛力、指導(dǎo)頁(yè)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(qū)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(qū)、石柱縣、彭水縣、酉陽(yáng)縣和秀山縣(圖1)。該區(qū)屬于上揚(yáng)子前陸盆地,位于川中隆起與黔中隆起之間,是上揚(yáng)子板塊的重要組成部分。構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,歷經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了現(xiàn)今的NNE向山脈及小型山間盆地相間的地貌景觀,主要發(fā)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(gè)四級(jí)構(gòu)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(guī)律的帶狀分布。該區(qū)地層剝蝕較為嚴(yán)重,下古生界出露最為完整,五峰組—龍馬溪組在該區(qū)保存良好,出露廣泛,分布面積約占該區(qū)的1/2,主要集中分布在該地區(qū)的西北部,埋深較大,而南部地區(qū)分布范圍較小,埋深淺。本文進(jìn)一步選取渝東南地區(qū)黔江凹陷進(jìn)行研究。2項(xiàng)目所需層位及目的層深度范圍為了研究頁(yè)巖的儲(chǔ)層特征,對(duì)以五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣為勘探目標(biāo)的黔頁(yè)1井、黔淺1井和酉淺1井的巖心進(jìn)行了系統(tǒng)采集。黔頁(yè)1井和黔淺1井均位于黔江區(qū)西南部,桑柘坪向斜的北東軸部,其中黔頁(yè)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(yáng)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(jìn)行了薄片鏡下鑒定、X-射線衍射巖礦分析、TOC實(shí)驗(yàn)、顯微組分實(shí)驗(yàn)、氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)以及掃描電鏡實(shí)驗(yàn),對(duì)該套頁(yè)巖的巖石學(xué)特征、巖礦特征、有機(jī)質(zhì)豐度和分布特征以及儲(chǔ)層物性特征進(jìn)行研究。3層的特性3.1巖石組分結(jié)構(gòu)渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖為海相碎屑巖,發(fā)育于淺海陸棚環(huán)境。整體上,以黏土—粉砂級(jí)細(xì)粒沉積為主,含有豐富的筆石[圖3(k)],黃鐵礦發(fā)育[圖3(j),圖3(l)];該套頁(yè)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(shí)期的產(chǎn)物,主要為黑色頁(yè)巖,是較為有利的勘探目標(biāo)段,上段為海退體系域,巖性復(fù)雜,砂質(zhì)含量較大(圖2)。該套頁(yè)巖主要由水云母泥頁(yè)巖、炭質(zhì)泥頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖、黏土質(zhì)泥頁(yè)巖、硅質(zhì)泥頁(yè)巖組成[圖3(a)—圖3(f)],頁(yè)巖的顏色隨著碎屑含量的變化而變化,炭質(zhì)含量較高的主要呈深灰色至灰黑色,而隨著硅質(zhì)、粉砂質(zhì)等成分的增加呈現(xiàn)淺灰色的變化[圖3(g)—圖3(i)],硅質(zhì)含量較高時(shí),頁(yè)巖硬度變大,相對(duì)均質(zhì)性較好[圖3(i)]。頁(yè)巖中發(fā)育泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等夾層,巖石中的綠泥石、白云石、石英、有機(jī)質(zhì)等顆粒順紋層狀分布,使巖石顯示出紋層等構(gòu)造特征[圖3(h),圖3(j)],部分紋層被微弱的生物擾動(dòng)破壞,導(dǎo)致細(xì)微的斑雜狀結(jié)構(gòu)[圖3(c)—圖3(e)];頁(yè)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(shí)顆粒間分布有不均勻的成熟度偏低礦物,如長(zhǎng)石、方解石、白云石、云母等。3.2全巖顯微組分法渝東南地區(qū)黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)碳含量(TOC)變化范圍較大,總體表現(xiàn)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(jù)國(guó)土資源部《頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)方法與有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)》可將TOC值分布頻率劃分為3個(gè)區(qū)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(zhì)組,油浸反射光下為灰白色,多呈細(xì)小碎屑狀產(chǎn)出于礦物粒間,少數(shù)呈塊狀和條帶狀產(chǎn)出,無熒光顯示[圖4(a)],屬于低煤化鏡質(zhì)組,具有好的黏結(jié)性,有利于頁(yè)巖氣的吸附;在鏡下觀察也發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)對(duì)應(yīng)著表現(xiàn)為中等降解的煤素質(zhì),此外還有微細(xì)的干酪根[圖4(b)],干酪根以腐泥型為主,源巖母質(zhì)主要為選擇性聚集的藻類物質(zhì)以及受微生物改造的分散有機(jī)質(zhì),鏡下呈團(tuán)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(yè)巖為下古生界海相沉積;微細(xì)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(dāng)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(jī)碳含量相對(duì)較低,稍高于海陸過渡相的Lewis頁(yè)巖(表1),Lewis頁(yè)巖作為典型的中等有機(jī)碳含量和中等成熟度頁(yè)巖,單層厚度較小,常與砂巖等互層,Lewis頁(yè)巖的成功開采也說明渝東南黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖在有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)成熟度方面具有較好的生烴基礎(chǔ)。3.3巖石學(xué)和礦物學(xué)特征通過對(duì)渝東南黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖98塊樣品進(jìn)行全巖及黏土礦物X-射線衍射實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),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(zhǎng)石,含量為2.7%~26.7%,平均含量為14.85%,主要以斜長(zhǎng)石為主,碳酸鹽礦物主要為方解石和白云石,以膠結(jié)物狀態(tài)存在于泥頁(yè)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(duì)含量依次為2.42%~64.81%和8.20%~60.0%,平均相對(duì)含量依次為45.81%和39.49%,其余為少量的綠泥石,相對(duì)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(nèi)[圖5(b)],極少數(shù)樣品中含有微量的高嶺石。另外,五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖也普遍發(fā)育了黃鐵礦,但含量很低(圖2),主要表現(xiàn)為等粒度的亞微米級(jí)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(huán)境。美國(guó)含氣頁(yè)巖普遍具有石英等脆性礦物較為發(fā)育的現(xiàn)象,石英含量最高可達(dá)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(fā)育不僅有利于裂縫的形成,更有利于后期頁(yè)巖的壓裂開發(fā),而如若黏土礦物含量較大,包裹于石英表面,則壓裂開發(fā)效果大大降低。3.4有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育頁(yè)巖中含有大量微孔隙和微裂縫,是頁(yè)巖氣賦存的主要場(chǎng)所,其中微孔隙主要包括為微米—納米級(jí)無機(jī)孔隙和納米級(jí)有機(jī)孔隙,其中納米級(jí)孔隙對(duì)頁(yè)巖的吸附能力具有重要貢獻(xiàn)。五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中納米級(jí)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(jí)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?jǐn)?shù)據(jù)在平均值以上,中孔的比表面積貢獻(xiàn)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(yè)巖孔隙的比表面是頁(yè)巖氣吸附的主要場(chǎng)所,也是影響頁(yè)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(qiáng)對(duì)頁(yè)巖氣的吸附能力。納米級(jí)有機(jī)孔隙是在熱演化過程中有機(jī)質(zhì)的不斷裂解生成液態(tài)或氣體烴類后,有機(jī)質(zhì)內(nèi)部形成的殘留空間。該套五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)熱成熟度在1.78%~2.93%之間,處于高—過成熟階段,因此有機(jī)質(zhì)中發(fā)育了較為豐富的有機(jī)孔隙。從氬離子拋光掃描電鏡圖中發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)納米級(jí)孔隙多呈不規(guī)則的、氣泡形的、橫剖面為橢圓狀等形態(tài),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(yè)巖微米—納米級(jí)無機(jī)孔隙同樣較為發(fā)育,多數(shù)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(fā)育多受成巖作用改造、礦物間轉(zhuǎn)化以及有機(jī)酸等地層流體的溶解侵蝕等作用控制。另外,微裂縫也是頁(yè)巖氣重要的賦存空間,對(duì)頁(yè)巖氣的滲流與聚集成藏具有重要意義。該套頁(yè)巖中微裂縫多為數(shù)微米到數(shù)十微米,成因類型多樣,包括構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生破裂形成的構(gòu)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(jī)質(zhì)熱演化過程中生排烴作用引起有機(jī)質(zhì)體積減小形成的有機(jī)質(zhì)收縮縫[圖6(a)]。這些微裂縫有效地改善了頁(yè)巖儲(chǔ)層的物性,為頁(yè)巖氣運(yùn)移提供了有效的疏導(dǎo)通道,在北美頁(yè)巖氣開發(fā)過程中也發(fā)現(xiàn),微裂縫較為發(fā)育的部位頁(yè)巖氣產(chǎn)量往往較高。由于泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的低孔低滲性,常規(guī)手段無法準(zhǔn)確獲得其孔滲數(shù)據(jù),為此利用脈沖法對(duì)該套頁(yè)巖106塊樣品進(jìn)行孔隙度和滲透率的研究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁(yè)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(yè)巖和Lewis頁(yè)巖相當(dāng)(表1),且滿足頁(yè)巖氣開發(fā)下限標(biāo)準(zhǔn)。4有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)頁(yè)巖含氣量的影響現(xiàn)場(chǎng)解析法是測(cè)量頁(yè)巖含氣量最直接的方法,被廣泛地應(yīng)用于頁(yè)巖含氣量測(cè)試中。本文研究對(duì)酉淺1井和黔淺1井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(fā)育于該套頁(yè)巖的底部(圖2紅色部分)。從儲(chǔ)層物性角度分析,頁(yè)巖中孔隙越發(fā)育,孔隙比表面積就越大,增加了頁(yè)巖中可供頁(yè)巖氣吸附的空間,進(jìn)而增強(qiáng)了頁(yè)巖的吸附能力,頁(yè)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(guān)關(guān)系,隨著總孔比表面積的增大,含氣量有增大的趨勢(shì);有機(jī)質(zhì)中發(fā)育的納米級(jí)孔隙,較微米級(jí)孔隙具有更大的比表面積,是總孔比表面積主要的貢獻(xiàn)者,因此目的層底部含氣量較高的頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度也很高,從圖7(b)中也可見,隨著有機(jī)質(zhì)豐度的增加,頁(yè)巖含氣量也隨之增大。從礦物含量角度分析發(fā)現(xiàn),五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中石英、長(zhǎng)石和綠泥石的含量大小影響了頁(yè)巖氣含量的高低。從含氣量與以上3種礦物相關(guān)性分析圖中可以看出,石英含量大于45%、長(zhǎng)石含量小于15%或綠泥石含量小于10%時(shí),頁(yè)巖含氣量普遍大于1m3/t,并且,隨著石英含量的增加、長(zhǎng)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(shì)。海相頁(yè)巖中生物來源的硅質(zhì)沉積占主導(dǎo)地位,即來源于較為豐富的硅質(zhì)生物殘?bào)w,同時(shí)間接增加了有機(jī)質(zhì)的含量,且石英是該套頁(yè)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(jī)質(zhì)伴生,發(fā)育了較豐富的微孔隙及比表面積,增加了頁(yè)巖中的可供頁(yè)巖氣吸附以及游離狀態(tài)賦存的空間[圖7(d)],使得頁(yè)巖含氣量隨著石英含量的增加呈增大的趨勢(shì),同時(shí)石英呈骨架式發(fā)育有利于后期頁(yè)巖氣的壓裂開發(fā)。長(zhǎng)石是標(biāo)志性造巖礦物之一,具有不穩(wěn)定、抗風(fēng)化能力差的特點(diǎn),長(zhǎng)石經(jīng)歷風(fēng)化過程在形態(tài)上主要呈現(xiàn)2方面變化:(1)外形由規(guī)整的長(zhǎng)柱狀多邊形向不規(guī)則形轉(zhuǎn)變;(2)礦物內(nèi)部的孔隙由不發(fā)育向發(fā)育、由小到大轉(zhuǎn)變。長(zhǎng)石含量較高,表明其風(fēng)化程度較低,孔隙和比表面積較不發(fā)育[圖7(e)],從而含氣量較低;從前文礦物特征分析發(fā)現(xiàn),渝東南黔江凹陷五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖中的綠泥石多數(shù)充填于礦物粒間孔隙中,其含量越高,孔隙越不發(fā)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