南方海相頁巖含水性與頁巖氣富集成藏關(guān)系研究

南方海相頁巖含水性與頁巖氣富集成藏關(guān)系研究

巖氣是一種非常常見的天然氣資源。美國巖氣藏深度為76.55m，主要深度為1500-3500m。目前，礦區(qū)內(nèi)的巖氣藏一般不超過5000米。中國南方古生界頁巖分布范圍廣泛,成熟度高,大部分地區(qū)經(jīng)歷了深埋過程,成熟度較高,同時(shí)經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造熱演化歷史,具有“高成熟、強(qiáng)改造”的地質(zhì)背景。根據(jù)其現(xiàn)今賦存的區(qū)域地質(zhì)背景,可以劃分為盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)、盆緣過渡區(qū)和盆外改造區(qū)。盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)的頁巖具有分布連續(xù)、埋藏深度大的特征,該區(qū)地層傾角小、斷裂不發(fā)育、地形簡單;盆緣過渡區(qū)具有分布連續(xù)、埋深變化大、地層傾角局部變化大、斷裂發(fā)育、地形相對(duì)復(fù)雜的特征;盆外改造區(qū)具有分布不連續(xù)、地層傾角大、斷裂發(fā)育和地形復(fù)雜的特征。以上3類地區(qū)的頁巖地層都經(jīng)歷了不同幅度的構(gòu)造抬升,抬升作用對(duì)處于不同構(gòu)造位置的頁巖的含氣性產(chǎn)生了直接影響,尤其對(duì)頁巖的儲(chǔ)集能力和含氣飽和度有著重要的影響。筆者對(duì)中國南方海相下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的成熟—生烴演化進(jìn)行了深入的剖析,同時(shí)利用核磁共振、流體包裹體分析,對(duì)該區(qū)頁巖的含氣性進(jìn)行了理論研究預(yù)測。分析認(rèn)為:中國南方海相頁巖普遍經(jīng)歷高成熟度的演化歷程,而且在喜馬拉雅期普遍經(jīng)歷了一次劇烈的抬升過程,一方面儲(chǔ)層的孔隙度大幅度下降,另一方面造成頁巖氣大量散失,含氣飽和度大幅度降低,只有位于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)和部分過渡區(qū)才得以保存良好。構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)和部分過渡區(qū)富含天然氣的頁巖由于其含氣飽和度高,地層孔隙壓力大,游離氣量大,頁巖氣形成超壓狀態(tài),即形成超壓頁巖氣富集區(qū)。筆者認(rèn)為,這種地區(qū)才是頁巖氣勘探的主要方向,并據(jù)此提出了適合中國南方海相頁巖高成熟、復(fù)雜地質(zhì)條件的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)。1中國南方海相火山巖的含水量和飽和度特征1.1美國頁巖含氣飽和度美國是頁巖氣開發(fā)利用最成功的國家,全美頁巖氣技術(shù)可采資源量為24.4×1012m3,投入商業(yè)開發(fā)的主要為海相頁巖,有Barnett、Marcellus、Antrim、Fayetteville、Woodford和Haynesville頁巖等。2005年以來,隨著以水平井分段壓裂為代表的關(guān)鍵技術(shù)的突破,促進(jìn)了美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)美國能源信息署預(yù)測,2015年美國頁巖氣產(chǎn)量將達(dá)到2600×108~2800×108m3,約占天然氣總產(chǎn)量的1/3。北美地區(qū)凡是商業(yè)化的頁巖,其含水飽和度都很低,平均為15%~35%,反之則含氣飽和度較高(圖1)。在巖心分析中發(fā)現(xiàn),中國南方海相頁巖的含水飽和度可以劃分為2類:(1)一類為含水飽和度超高的,如昭101、YQ1井等,其頁巖的含水飽和度介于60%~95%,這些井一般位于斷裂或構(gòu)造活動(dòng)較為強(qiáng)烈的部位;(2)另一類為含水飽和度超較低的,如威201、寧201井等,其頁巖的含水飽和度介于30%~45%,位于構(gòu)造穩(wěn)定的部位。蜀南地區(qū)含水飽和度高的井含氣量低(含氣飽和度低),產(chǎn)量低;含水飽和度低的井含氣量高,產(chǎn)量高(含氣飽和度高),相關(guān)性非常好(圖2)。1.2超低含水飽和度頁巖巖心充分抽真空、浸泡后,利用離心實(shí)驗(yàn)、相對(duì)滲透率實(shí)驗(yàn)證明頁巖具有較高的束縛水飽和度值,介于80%~95%,評(píng)價(jià)達(dá)到92%(圖3)。一般富氣頁巖孔隙內(nèi)主要為天然氣,其含水飽和度較低(10%~40%),把富氣頁巖儲(chǔ)層中初始含水飽和度值低于束縛水飽和度值的現(xiàn)象,稱為超低含水飽和度現(xiàn)象(圖4)。研究發(fā)現(xiàn),富氣頁巖在儲(chǔ)層條件下含氣飽和度低,貧氣頁巖儲(chǔ)層條件下含水飽和度高。這種現(xiàn)象將對(duì)頁巖氣的成藏與開發(fā)產(chǎn)生重要影響,如果含水飽和度高,水將以束縛水形式大量存在,水分子膜降低了吸附能力,影響吸附量;如果含水飽和度較高,孔隙中大量充填水,將大大降低頁巖氣原地儲(chǔ)量;超低含水飽和度現(xiàn)象的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致頁巖納米孔隙中的氣體流動(dòng)呈現(xiàn)滑脫流的流動(dòng)方式,將有效增加頁巖氣滲流能力。1.3氣化攜帶液能力對(duì)于頁巖儲(chǔ)層中含水飽和度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于束縛水飽和度值的原因,經(jīng)過分析認(rèn)為主要由于生烴排水作用和汽化攜液作用所造成。烴原巖在大量生烴期間,干酪根的體積不斷減小,之前由干酪根支撐的那部分有效壓應(yīng)力向孔隙流體轉(zhuǎn)移,倘若不能及時(shí)排除流體就必然將產(chǎn)生異常高壓,壓力突破巖石破裂極限強(qiáng)度產(chǎn)生裂縫,排水過程即開始。熱裂解氣在運(yùn)移過程中存在較強(qiáng)的攜液能力。隨著埋深的增加地層溫度逐漸增加,熱裂解氣氣化攜液作用愈發(fā)強(qiáng)烈。據(jù)Bennion等研究,在10MPa下,天然氣在40℃條件下攜液能力(85kg/103m3)僅僅是在100℃條件下攜液能力(789kg/103m3)的1/10。熱裂解氣汽化作用增大了地層水被攜帶到上覆地層的可能性,從而形成了超低含水飽和度現(xiàn)象。2巖相儲(chǔ)層超壓條件的居民已將在盆地內(nèi)穩(wěn)定區(qū)擴(kuò)散,頁巖氣富集的有利區(qū)帶頁巖氣的勘探需要尋找含氣量高的地區(qū),其資源豐度高,在同樣的增產(chǎn)改造規(guī)模下,單井最終開采量(EUR)也較高,經(jīng)濟(jì)性也好。頁巖含氣量=吸附氣+游離氣+溶解氣,與壓力系數(shù)關(guān)系密切。由于北美地質(zhì)條件穩(wěn)定,美國頁巖氣研究者認(rèn)為超壓對(duì)于頁巖氣藏不太重要,正常壓力、甚至欠壓都可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā),因此未將超壓作為一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),但是在中國南方是一個(gè)必需的關(guān)鍵指標(biāo)。中國與北美的差異主要體現(xiàn)在地質(zhì)成藏背景的不同,北美頁巖氣產(chǎn)區(qū)主要位于環(huán)加拿大克拉通盆地,較為穩(wěn)定,中國由多個(gè)地塊拼接構(gòu)成,總體構(gòu)造復(fù)雜,頁巖時(shí)代較老。成熟度高低和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱差別是最大差別,北美頁巖成熟適中,而中國南方海相成熟度高,造成孔隙度低;中國構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)活躍,斷裂發(fā)育,保存條件相對(duì)要差。對(duì)于中國高成熟、低孔隙度的頁巖,同樣的含水飽和度需要較大的地層壓力系數(shù),才能使得地下頁巖達(dá)到較高的含氣量,從而形成超壓頁巖氣藏,單井EUR達(dá)到經(jīng)濟(jì)。因此,中國的頁巖氣有利勘探區(qū)需要超壓地質(zhì)條件。筆者以昭101井、103等井為例開展了歷史模擬和流體包裹體分析,證實(shí)了斷裂對(duì)氣藏起強(qiáng)烈破壞這一判斷。昭通除靠近四川盆地的小部分區(qū)域外,多數(shù)鉆井都不成功,含氣量低(0.05~0.50m3/t)。昭通與蜀南相鄰,應(yīng)該大致經(jīng)歷了相似的演化歷程(圖5),含氣性差別大。昭101井位于芒部背斜,地表斷裂發(fā)育。目的層筇竹寺組因斷裂出現(xiàn)地層重復(fù),頁巖裂隙發(fā)育、方解石充填嚴(yán)重,含氣量的現(xiàn)場分析結(jié)果不足0.1m3/t,評(píng)價(jià)為極低含氣量,基本全部逸散。開展的昭101井熱演化歷史和含氣量歷史模擬研究表明:昭通地區(qū)J—K末期含氣量最大,如果穩(wěn)定抬升頁巖將出現(xiàn)超壓,含氣量應(yīng)該至少介于3~5m3/t,但是目前小于0.1m3/t(圖6)。同時(shí),采集分析了頁巖巖石裂隙中發(fā)育的方解石脈130多塊,60%~70%的樣品中發(fā)現(xiàn)了群體包裹體,多為氣—液包裹體;另外30%~40%樣品未發(fā)現(xiàn)包裹體。綜合熱演化歷史和包裹體均一溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示溫度以90~110℃為主(圖7),分析認(rèn)為,包裹體為低溫包裹體,推斷其形成時(shí)期為喜馬拉雅期,頁巖在喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了大量的方解石脈捕集到逸散的天然氣并形成包裹體。據(jù)此推斷,頁巖氣藏破壞是因?yàn)橄柴R拉雅期產(chǎn)生大量斷裂導(dǎo)致包裹體的產(chǎn)生,并且推測整個(gè)南方頁巖氣情況基本相似。由此看來,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的斷裂對(duì)頁巖氣成藏起破壞作用;而超壓現(xiàn)象說明天然氣沒有逸散,保存條件好,斷裂少,是頁巖氣富集的有利區(qū)帶。因此有必要把超壓條件用于頁巖氣的選區(qū)指標(biāo)中。據(jù)此可以認(rèn)為:在盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū),頁巖分布連續(xù),斷裂稀少,頁巖氣保存條件較好,頁巖儲(chǔ)層普遍具有大面積超壓現(xiàn)象,局部壓力系數(shù)超過2.0;盆緣過渡區(qū),頁巖分布較為連續(xù),部分地區(qū)抬升幅度過大、斷裂發(fā)育,頁巖氣散失,只有在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)適中的位置頁巖氣得以保存且地層超壓現(xiàn)象明顯,壓力系數(shù)介于1.3~2.0;在盆外改造區(qū),頁巖分布不連續(xù),頁巖氣保存條件較差,只在局部頁巖斷裂不發(fā)育的、地層傾角較小的區(qū)域得以保存,超壓范圍非常有限。3巖相頁巖儲(chǔ)層傾角北美地區(qū)頁巖氣地質(zhì)選區(qū)需要考慮埋深、頁巖厚度、TOC含氣量、硅質(zhì)礦物含量,由于美國地質(zhì)條件簡單、成熟度適中,孔隙度相對(duì)較低,在地層低壓、欠壓條件下都可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)。因此,北美可以不把地層壓力系數(shù)作為指標(biāo)(正常壓力、欠壓都可以商業(yè)化),但是在中國南方海相頁巖高成熟、斷裂發(fā)育的背景下,必須把地層壓力系數(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵性的重要參數(shù)進(jìn)行考慮,只有超壓的地區(qū)才有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。頁巖氣之所以能夠被經(jīng)濟(jì)開發(fā),從儲(chǔ)層本身性質(zhì)來看,脆性對(duì)于頁巖能夠被大規(guī)模體積改造至關(guān)重要,但是頁巖的脆性特征在其地質(zhì)演化過程中對(duì)頁巖氣的保存是不利的,過脆的頁巖在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的應(yīng)力條件下會(huì)產(chǎn)生裂縫,導(dǎo)致頁巖氣散失。中國南方海相頁巖大多經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)改造過程,地層的傾角大小在很大程度上指示了其改造的強(qiáng)烈程度。如果頁巖儲(chǔ)層經(jīng)歷了漫長的演化歷史后地層傾角較小且斷裂稀少,基本上說明了其受改造的程度較弱,也就指示了其良好的保存條件。在中國南方海相頁巖成藏“高成熟和強(qiáng)改造”的總體地質(zhì)背景下,這一點(diǎn)尤為重要,尤其在盆外活動(dòng)區(qū),地層傾角越小越好,越有利于頁巖氣保存。因此,提出了考慮地層壓力系數(shù)、頁巖儲(chǔ)層傾角的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新標(biāo)準(zhǔn),具體指標(biāo)如下:(1)頁巖埋深;頁巖有利埋深范圍為1500~4500m,該埋深段頁巖氣最富集,利于控制鉆探成本;(2)頁巖厚度;單層連續(xù)厚度大于30m,利于水平井鉆探、體積改造,并增加單井控制儲(chǔ)量;(3)TOC,頁巖總有機(jī)碳含量大于2%,有機(jī)碳含量高,生烴潛力大,含氣量高、孔隙連通性好;(4)地層壓力系數(shù),地層壓力系數(shù)大于1.3,地層壓力系數(shù)高表明保存條件好,并利于頁巖氣產(chǎn)出;(5)頁巖儲(chǔ)層傾角,盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)傾角小于25°,盆緣過渡區(qū)傾角小于15°,盆外改造區(qū)傾角小于10°;(6)硅質(zhì)礦物含量,硅質(zhì)含量大于30%,較高的硅質(zhì)含量提高脆性、增強(qiáng)可改造性,易于形成網(wǎng)狀縫。上述主要指標(biāo)中,地層壓力系數(shù)、頁巖儲(chǔ)層傾角為考慮超壓條件的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新的指標(biāo)。4超壓巖氣存在的地質(zhì)意義1)中國頁巖的含水性存在2種現(xiàn)象,即低含水飽和度和高含水飽和度現(xiàn)象,富氣頁巖一般含水飽和度較低,貧氣頁巖含水飽和度一般較高。由于納米孔隙發(fā)育,頁巖的束縛水飽和度值一般較高,把地層儲(chǔ)層條件下,頁巖含水飽和度值低于束縛水飽和度值的現(xiàn)象,稱為超低含水飽和度現(xiàn)象。超低含水飽和度存在是超壓頁巖氣存在的基礎(chǔ),只有超低含水飽和度才能形成超壓頁巖氣核心區(qū)和超壓頁巖氣藏。2)中國與