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鄂爾多斯盆地三疊系延長組富有機質泥頁巖儲層特征

2013-12-23 05:11:10趙靖舟白玉彬沈武顯
石油與天然氣地質 2013年5期
關鍵詞:粘土礦巖相粉砂

耳 闖,趙靖舟,白玉彬,樊 豪,沈武顯

(1.西安石油大學地球科學與工程學院,陜西西安710065; 2.西安石油大學陜西省油氣成藏地質學重點實驗室,陜西西安710065)

頁巖氣是一種自生自儲的連續(xù)型氣藏,儲層研究是頁巖氣基礎地質研究的重要組成部分。頁巖儲層研究重點包括礦物類型與含量、孔隙度和滲透率、孔隙類型和孔隙結構等方面。礦物類型和含量是決定了頁巖儲層脆性特征,尋找脆性礦物含量高、易壓裂的地層對頁巖氣壓裂開發(fā)具有重要影響[1-3]。頁巖儲層孔隙(納米級)系統(tǒng)對烴類的儲集能力和流體向裂縫網絡傳導具有重要的控制作用[4]。頁巖儲層孔隙的類型、大小和孔隙的組合影響了烴類儲集空間和原地滯留資源量的計算[5-6]。

目前,國內外針對富有機質頁巖儲層特征的研究主要集中在海相地層[7-8],陸相富有機質頁巖儲層特征研究相對薄弱。鄂爾多斯盆地中生界三疊系延長組長7 段和長9 段是重要的烴源巖層[9-10]。近年來,延長組頁巖油氣逐漸受到國內勘探界和學術界的重視。徐士林等[11]認為鄂爾多斯盆地三疊系延長組具備頁巖氣形成條件。趙靖舟[12]認為與三疊系延長組相比,上古生界頁巖氣形成條件更為優(yōu)越。王社教等[13]認為,上三疊統(tǒng)延長組長7 段頁巖處于大量生油階段,頁巖氣主要為熱成因的伴生氣,成藏條件較致密油要差。目前針對鄂爾多斯盆地延長組富有機質泥頁巖的研究重點在頁巖油氣形成條件分析和勘探潛力上,而缺少對頁巖儲層的研究,本文試圖通過現有資料,對中生界頁巖儲層特征做初步介紹。

1 泥頁巖巖相特征

1.1 劃分方法

巖心顏色一般為灰色、黑色和深黑色。巖性包括頁巖、泥巖、粉砂質泥巖等,發(fā)育的沉積構造包括塊狀層理、水平層理和波狀層理等。

根據鏡下薄片觀察結果,綜合沉積構造和粒度兩方面特征,將中生界泥頁巖劃分為3 種巖相和8 種亞巖相。首先根據粒度特征,以粉砂含量<10%、10%≤粉砂含量<25%和25%≤粉砂含量<50%為界,將泥巖分為3 種巖相,即泥巖(M)、含粉砂泥巖(SBM)和粉砂質泥巖(SM)。其次根據顯微沉積構造,再細分為8 種亞類。

1.2 泥巖巖相(M)

包括塊狀和紋層狀兩種沉積構造,泥質含量大于90%,黃鐵礦和炭屑呈零星狀分布,含量均在2%以下,個別樣品中可見白云石微晶,含量較低。X-射線衍射分析結果表明,粘土礦物含量分布范圍為60.1%~71.2%,硅質含量為20.5%~36.1%,碳酸鹽為2.5%~10.1%,有機碳含量為3.34%~7.84%。

①塊狀泥巖(M1):碎屑顆粒含量低并呈零星點狀“漂浮”于沉積基質內(圖1a)。

②紋層狀泥巖(M2):碎屑顆粒含量低,呈線狀分布并與泥質交互出現而形成顯微紋層(圖1b)。

1.3 含粉砂泥巖巖相(SBM)

包括塊狀和條帶狀兩種類型,泥質含量介于75%~84%,黃鐵礦和炭屑零星狀分布,黃鐵礦含量1%~3%,炭屑含量1%~5%,個別樣品中可見碳酸鹽膠結物,含量較低。X-射線衍射分析結果表明,粘土礦物含量分布范圍為51.2%~68.5%,硅質含量為29.1%~47.4%,碳酸鹽為3.2%~6.6%,有機碳含量總體分布在1.89%~5.29%,其中有一個樣品達11.67%。

①塊狀含粉砂泥巖(SBM1):碎屑顆粒分布或集中或分散。集中式分布,顆粒之間呈線接觸-凹凸接觸;分散式分布,顆粒之間呈點-線接觸。泥質多被有機質浸染,富有機質部分和貧有機質部分漸變接觸(圖1c)。

②條帶狀含粉砂泥巖(SBM2):目前只發(fā)現一個樣品為該種巖相,碎屑顆粒條帶狀集中出現,顆粒之間點—凹凸接觸(圖1d)。

1.4 粉砂質泥巖巖相(SM)

包括遞變狀、塊狀、炭質紋層和復合層理4 種類型,泥質含量介于52%~71%,黃鐵礦零星分布,含量小于2%;炭屑零星或線狀分布,含量2%~4%;碳酸鹽含量低。X-射線衍射分析結果表明,粘土礦物含量分布范圍為51.1%~71.0%,硅質含量為28.2%~46.3%,碳酸鹽含量低,有機碳含量總體分布在0.30%~5.45%。

①遞變狀粉砂質泥巖(SM1):碎屑顆粒含量具有由多到少或由少到多分布的特征,呈遞變狀。隨著碎屑顆粒含量由低到高,顆粒之間也由點接觸向線接觸和凹凸接觸過渡(圖1e)。

②塊狀粉砂質泥巖(SM2):碎屑顆粒集中分布,粒徑比前述幾種顆粒的粒徑大,以石英為主,顆粒間點接觸—線接觸。炭質碎屑為團塊狀或長條狀分布于泥質或碎屑顆粒之間(圖1f)。

③炭質紋層狀粉砂質泥巖(SM3):總體以泥質為主,碎屑顆粒在局部范圍集中發(fā)育,造成整體粉砂質含量較高,炭質呈長條狀順紋層分布,個別炭屑粒徑大,分布于顆粒和泥質之間(圖1g)。

④復合層理粉砂質泥巖(SM4):具塊狀、炭質紋層狀和條帶砂多種沉積構造,塊狀和條帶狀部分碎屑含量高,炭質紋層狀部分碎屑含量低。塊狀部分由于碎屑顆粒含量高,粒度大,與其相鄰的炭質紋層部分具有差異壓實特征(圖1h)。

1.5 各巖相有機碳含量對比

圖1 鄂爾多斯盆地延長組富有機質泥頁巖巖相類型Fig.1 Lithofacies of organic-rich shales in the Yanchang Formation of Ordos Basin

對在安塞、志丹等地區(qū)采集的23 塊巖心樣品進行配套的薄片鑒定、X-射線衍射分析和有機碳含量(TOC)測試,統(tǒng)計相關分析測試結果,泥質含量和粘土礦物含量均與對應樣品的有機碳含量具有一定的正相關性(圖2,圖3)。3 種巖相類型中,總體以泥巖巖相的有機碳含量最高,含粉砂泥巖相和粉砂質泥巖相有機碳含量次之。頁巖巖相的發(fā)育特征與沉積環(huán)境具有重要的相關性,暗色泥巖中泥質含量高可以反映水體深度大或水動力條件弱;相反,泥質含量低則可能與水體深度淺或水動力條件強有關。有機碳含量與沉積環(huán)境也有一定的相關性,深水或靜水條件下,有機質處于閉塞缺氧或弱還原環(huán)境下,有利于有機質的保存,有機碳含量高。

圖2 鄂爾多斯盆地泥質含量與TOC 相關性Fig.2 Scatter diagram of shale content vs.TOC in Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地粘土礦物含量與TOC 相關性Fig.3 Scatter diagram of clay mineral content vs.TOC in Ordos Basin

2 礦物組成特征

脆性礦物含量是評價頁巖氣勘探潛力的重要指標。同時,粘土礦物含量對富有機質頁巖儲層的孔隙類型、孔喉結構和含氣性均有影響[14-18]。根據X-射線衍射全巖鑒定分析數據表明,延長組泥頁巖粘土礦物含量高,總體分布范圍為50%~75%,平均值54.2%。石英、長石和碳酸鹽膠結物等礦物含量低。石英總體含量分布在15%~30%,平均值20.7%。長石和碳酸鹽膠結物含量更低。

粘土礦物中以伊利石居多,含量集中在30%~70%,以30%~45%為主,平均值40.3%,其次為伊/蒙混層和綠泥石,高嶺石不常見。伊/蒙混層集中在25%~45%,平均值31.19%,伊/蒙混層間層比分布范圍為15%~20%;綠泥石集中在11%~42%,平均值為21.54%。

3 成巖作用和成巖階段

延長組富有機質泥頁巖發(fā)育的成巖作用類型主要包括壓實作用、膠結作用和溶蝕作用。由于泥質含量高,抗壓實能力弱,富有機質泥頁巖的壓實程度高,個別樣品中可以見到縫合線。泥質定向分布,成層性好,碎屑顆粒含量高的部分抗壓實能力較強,碎屑顆粒與泥質之間呈凹凸接觸(圖4a,b)。

膠結作用的產物主要包括硅質膠結、碳酸鹽膠結和黃鐵礦。硅質膠結表現為微晶石英和石英次生加大(圖4c),掃描電鏡下可見菱面立方體狀白云石(圖4d)。黃鐵礦多為二八面體單晶,球狀集合體少見(圖4e)。

溶蝕作用以長石溶蝕為主,形成粒內溶孔。粒內溶孔具有不規(guī)則的孔隙邊緣或沿長石解理縫發(fā)育(圖4f)。

伊/蒙混層間層比為15%或20%,鏡質體反射率(Ro)介于0.50%~1.14%,綜合有機質成熟度和伊/蒙混層間層比,根據中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準《SY/T 5477-2003 碎屑巖成巖階段劃分》,長7 段泥頁巖成巖演化階段為中成巖A 期。

成巖階段與儲層的脆性有密切聯系,頁巖處于成巖晚期或變生階段,巖石礦物向脆而穩(wěn)定的礦物轉化[3]。而延長組目目前處于中成巖作用階段,對儲層的可改造性無疑將是一項重要的挑戰(zhàn)。

4 物性特征

根據中生界延長組泥頁巖樣品物性統(tǒng)計結果,孔隙度分布在0.4%~6.99%,平均為3.05%;基質滲透率分布在0.002 ×10-3~0.219 ×10-3μm2,平均為0.031 ×10-3μm2。其中1 塊樣品裂縫滲透率可達2.990 ×10-3μm2??紫抖葦祿?%以下居多,2%以下的孔隙度占樣品總數的40%以上(圖5)。滲透率以0.01 × 10-3μm2以下居多,其中0.001 × 10-3~0.01 ×10-3μm2樣品數量占57.89%,0.1 ×10-3μm2以上樣品數量少(圖5)??傮w上,延長組泥頁巖表現為極低的孔隙度和滲透率。

按巖相統(tǒng)計,孔隙度平均值以粉砂質泥巖巖相(SM)最大,其次為含粉砂泥巖(SBM)巖相,最小的為泥巖(M)巖相(表1)。圖6 和圖7 中各點的離散程度高,相關性不明顯。泥質含量大于50%,數據點位于圖的右側,泥質含量與孔隙度有一定負相關趨勢;砂質含量小于50%,數據點位于圖的左側,砂質含量與孔隙度有一定正相關趨勢(圖6),說明砂質含量高的情況下,抗壓實能力可能較強,有利于孔隙的保存。粘土礦物含量與孔隙度總體表現為正相關,硅質含量與孔隙度相關性不明顯(圖7)。

圖4 鄂爾多斯盆地延長組富有機質泥頁巖成巖作用類型Fig.4 Diagenesis of organic-rich shale in the Yanchang Formation of Ordos Basin

從上述統(tǒng)計分析的結果可以看出:1)粉砂質泥巖和含粉砂泥巖中,碎屑顆粒含量相對較高,抗壓實能力強,有利于孔隙的保存(圖8b)。2)粘土礦物與孔隙度總體為正相關,與粘土礦物有關的孔隙對總孔隙的可能貢獻較大。

5 孔隙類型

圖5 鄂爾多斯盆地延長組泥頁巖孔隙度和滲透率分布直方圖Fig.5 Histogram of porosity and permeability of the shale in the Yanchang Formation of Ordos Basin

表1 各泥頁巖巖相泥質含量、砂質含量和孔隙度對比Table 1 Comparison of shale content,sand content and porosity among three lithofacies

圖6 鄂爾多斯盆地泥質含量和砂質含量與孔隙度交會圖Fig.6 Scatter diagram of shale content and sandy content vs.porosity in Ordos Basin

頁巖氣儲集空間包括孔隙和裂縫兩部分。富有機質頁巖中的孔隙包括有機質孔和與礦物基質有關的孔隙(粒間孔和粒內孔),粒間孔和有機質孔的連通性好于粒內孔[6]。通過掃描電鏡觀察并結合其他研究者資料[19],目前在延長組富有機質泥頁巖中能夠識別的孔隙類型包括粒間孔、粒內孔、有機質孔和裂縫。

粒間孔以原生孔隙為主,受壓實作用影響,粒間孔存在于定向排列的泥質層之間,形態(tài)更像層間縫,縫寬在1 μm 以下(圖8a)。在碎屑顆粒發(fā)育的情況下,粒間孔更發(fā)育,直徑最大可達17.8 μm(圖8b)。

圖7 硅質含量和粘土礦物含量與孔隙度交會圖Fig.7 Scatter diagram of siliceous content and clay mineral content vs.porosity in Ordos Basin

粒內孔包括溶蝕孔和晶間孔,以溶蝕孔隙為主,多為長石溶孔(圖4f),孔徑一般在25 μm 左右;晶間孔包括伊利石晶間孔、綠泥石晶間孔、黃鐵礦晶間孔等類型,晶間孔孔徑小,一般在300 nm 左右(圖10c)。

有機質孔多為狹長縫狀,發(fā)育于有機質與礦物基質邊界,孔隙寬50~200 nm[19](圖8d)。

裂縫主要發(fā)育在泥質層界面處(圖8e),孔寬200~1 000 nm,沿顯微水平層理方向延伸或與水平層理小角度斜交,裂縫多被硅質或碳酸鹽膠結物充填(圖8f)。

延長組泥頁巖儲層中納米級孔隙主要有粘土礦物的晶間孔、黃鐵礦晶間孔及有機質孔。

圖8 鄂爾多斯盆地延長組富有機質泥頁巖孔隙類型Fig.8 Pore types of organic-rich shale in the Yanchang Formation of Ordos Basin

延長組泥頁巖目前處于中成巖A 期,有機質演化形成的酸性流體促進了長石和碳酸鹽膠結物等不穩(wěn)定礦物的溶解,有利于形成溶蝕孔隙。

延長組干酪根類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主,Ro主要分布在0.50%~1.14%,仍處于生油窗,熱演化程度較低,總體不利于有機質孔的形成。根據目前中生界現有分析數據表明,孔隙度與有機碳含量相關性不明顯,略呈負相關(圖9),延長組泥頁巖以粒內孔和粒間孔為主,有機質孔不是主要的孔隙類型。這一結論與Jarvie[20]對Montney 頁巖和Harris 等.[21]對Muskwa 頁巖的研究結果相似。

圖9 鄂爾多斯盆地延長組泥頁巖TOC 與孔隙度交會圖Fig.9 Scatter diagram of TOC vs.porosity in Ordos Basin

6 孔隙特征

Nelson 的研究成果表明,頁巖儲層的孔喉直徑在0.1~0.005 μm[22]。絕大多數頁巖儲層的孔隙直徑小于1 μm[6]。Chalmers 等建議使用IUPCU(國際純化學與應用化學聯合會)的分級標準,將孔隙類型分為宏孔(>50 nm)、中(介)孔(2~50 nm)和微孔(<2 nm)[24]。鄒才能等根據孔喉半徑大小,將孔隙類型分為毫米級(>1 mm)、微米級(1 μm~1 mm)和納米級(<1 μm)3 種孔隙類型[23]。本次研究過程中,將孔徑在1 μm 以下的孔隙稱為納米孔,根據低溫CO2和N2吸附實驗測試結果開展納米孔的微孔(<2 nm)和中孔(2~50 nm)的特征研究。

孔徑分布、孔容和比表面積是分析頁巖儲層孔隙特征的有效手段。根據低溫CO2和N2吸附實驗結果編制了孔徑分布特征圖(圖10)。以累計孔隙體積、累計比表面積和孔隙體積隨孔徑的變化率[dV(d)]作縱坐標,以孔徑作橫坐標。微孔孔徑主要集中在0.4~1 nm,中孔孔徑主要集中在3~8 nm。總體上中孔對總體積的貢獻大于微孔的貢獻,而兩者具有相近的比表面積(圖10)。

高孔隙度的樣品中孔和宏孔的貢獻較大,而比表面積較小;隨著孔隙度降低,微孔的貢獻逐漸增高,比表面積增大[4,14],而微孔主要發(fā)育在有機質孔中。延長組以礦物基質孔為主,有機質孔不占主要地位,與有機質孔有關的微孔對總孔隙體積和比表面的貢獻較少。

7 結論

1)根據砂質含量,將延長組富有機質泥頁巖分為泥巖、含粉砂泥巖和粉砂質泥巖。再結合顯微構造,將上述3 種巖相進一步分為8 種類型,泥巖巖相的有機碳含量最高。

2)延長組富有機質泥頁巖粘土礦物含量高,以伊利石和伊蒙混層居多。成巖作用類型主要包括壓實作用、膠結作用和溶蝕作用。塑性礦物含量高,成巖作用較弱,可能不利于儲層的改造。

4)孔隙類型包括粒間孔、粒內孔、有機質孔和裂縫,前兩種孔隙類型是延長組泥頁巖主要的孔隙類型。納米級孔隙的主要孔隙類型有粘土礦物的晶間孔、黃鐵礦晶間孔及有機質孔。

5)碎屑顆粒含量高,有利于孔隙的保存;粘土礦物與孔隙度呈正相關,可能與粘土礦物中發(fā)育較多的微米級和納米級孔隙有關。

6)納米級孔隙中,中孔對總體積的貢獻大于微孔的貢獻,而兩者具有相近的比表面積,中孔對頁巖氣賦存的貢獻作用更大。

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