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楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖儲層特征分析
——以滇祿地3井為例

2021-10-21 05:11秦建華牟必鑫魏洪剛郝學峰周家云龔大興
科學技術(shù)與工程 2021年28期
關(guān)鍵詞:楚雄黏土頁巖

客 昆, 秦建華*, 牟必鑫, 余 謙, 魏洪剛, 郝學峰, 陳 楊, 客 達, 周家云, 龔大興

(1.中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)綜合利用研究所, 成都 610041; 2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院, 成都 610072; 3.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 成都 610081; 4.云南省地質(zhì)調(diào)查院, 昆明 650216; 5.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司, 涿州 072750)

頁巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源,具有自生、自儲、低孔、低滲、儲集空間類型較多、納米-微米級孔吼結(jié)構(gòu)、較大的礦物表面積等特征,與常規(guī)油氣相比,頁巖氣的開采難度相對較大[1-3],儲層特征是影響頁巖氣聚集成藏的主要因素[4]。因此對泥頁巖儲層特征的研究十分必要。

伴隨海相頁巖氣不斷取得重大突破,海陸過渡相泥頁巖的研究也備受關(guān)注[5-8],前人對楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖儲層特征的研究較少,通過前期野外地質(zhì)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖具有良好的頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)條件。以楚雄盆地-滇祿地3井舍資組泥頁巖為研究對象,結(jié)合泥頁巖的有機地化特征,運用掃描電子顯微鏡、全巖X-射線衍射分析、孔隙度與滲透率測量、現(xiàn)場解析、核磁共振等技術(shù)對滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖采集的35件巖心樣品進行分析測試,進而分析泥頁巖儲層特征,為楚雄盆地舍資組頁巖氣的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

楚雄盆地屬揚子西南緣的前陸盆地,西部界限為紅河斷裂和哀牢山斷裂,即為哀牢山小洋盆的俯沖帶和大陸邊緣前陸逆沖斷裂帶;北部的西側(cè)被程海斷層截切,上三疊統(tǒng)超覆在前震旦系基底上;東部的東山和云龍地區(qū)在祿豐、祿勸和武定以北,上三疊統(tǒng)超覆在古生代地層上[9]。舍資組下部巖性為:深灰色-灰黑色塊狀泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖間夾灰色薄層狀鈣質(zhì)粉砂巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖,層面見大量植物化石,發(fā)育平行層理、斜層理、交錯層理,偶見沖刷面,局部間夾數(shù)層1~3 cm厚煤線;上部巖性為:灰色塊狀鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖間夾灰色薄層狀泥灰?guī)r,發(fā)育平行層理、交錯層理(圖1[10])。

圖1 楚雄盆地構(gòu)造位置[10]及上三疊統(tǒng)舍資組綜合柱狀圖Fig.1 Structural location of Chuxiong Basin[10]and comprehensive column chart of Upper Triassic Shezi Formation

2 有機地化特征

泥頁巖有機質(zhì)類型、有機質(zhì)豐度以及成熟度是控制頁巖氣聚集、成藏的主要因素[11],為了直觀的認識楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖基礎(chǔ)地質(zhì)條件,通過樣品采集進行實驗分析。

2.1 有機質(zhì)類型

泥頁巖有機質(zhì)類型的差異直接影響生烴產(chǎn)物的類型及形成過程[12],Ⅰ型與Ⅱ型干酪根為頁巖氣生成的主要有機質(zhì)類型[1],運用偏光顯微鏡、光度計對滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖樣品進行測試分析(表1),結(jié)果顯示干酪根顯微組分以殼質(zhì)組為主,含量在80%~89%,平均為84.44%;其次為鏡質(zhì)組,含量在7%~14%,平均為10.19%;其余為惰質(zhì)組,含量在3%~7%,平均為5.38%,干酪根類型指數(shù)在23.5~35.5,干酪根類型均為Ⅱ2型,有利于頁巖氣的生成。

2.2 有機質(zhì)豐度

總有機碳(total organic carbon, TOC)是衡量有機質(zhì)豐度的重要指標之一[13],直接影響著頁巖吸附氣的含量和生烴強度[6,14]。運用碳硫儀對滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組黑色泥頁巖進行測試分析(表1),結(jié)果顯示泥頁巖有機碳含量主要集中在0.4%~1.25%,平均為0.67%,其中,小于0.5%的樣品占31.58%,在0.5%~1%的樣品占63.16%,大于1%的樣品占5.26%;結(jié)合陸相頁巖氣評價指標,有機碳含量大于1%的泥頁巖定義為富有機質(zhì)泥頁巖,大于0.5%的定義為潛在泥頁巖[15],滇祿地三井上三疊統(tǒng)舍資組下段黑色泥頁巖以潛在頁巖為主,具有良好的勘探潛力。

表1 滇祿地3井泥頁巖有機地化數(shù)據(jù)Table 1 Organic geochemistry data of shale from well, Yunnan-Ludi 3

2.3 有機質(zhì)成熟度

成熟度是衡量烴源巖有機質(zhì)生成油、氣的重要指標[16-19],北美勘探經(jīng)驗證實頁巖氣成藏要求有機質(zhì)成熟度RO適中,在1.1%~3.0%最佳[20-22],運用偏光顯微鏡、光度計對滇祿地3井泥頁巖進行分析(表1),結(jié)果顯示有機質(zhì)成熟度主要集中在1.84%~2.31%,平均為2.06%,其中,有機質(zhì)成熟度大于2%的樣品占72.1%,在1.5%~2%的樣品占27.9%,泥頁巖樣品均處于成熟-過成熟階段,有利于頁巖氣的生成。

3 物性特征

3.1 礦物組分

泥頁巖礦物組分對頁巖的可壓裂性、孔隙發(fā)育情況以及氣體吸附性能有著重要的影響,石英等脆性礦物含量越高,泥頁巖的可壓裂性越大,受外力作用時容易形成誘導裂縫,利于頁巖氣的滲流,從而直接影響頁巖氣的產(chǎn)能[23-26]。運用帕納科衍射儀對滇祿地3井泥頁巖樣品進行分析,結(jié)果表明滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖的礦物主要由脆性礦物(石英、長石、菱鐵礦)、碳酸鹽礦物(方解石、白云石)、黏土礦物組成,其中脆性礦物含量相對較高在27%~66%,平均為40.87%,達到了陸相頁巖氣勘探開發(fā)標準[27],有利于頁巖氣的壓裂,碳酸鹽礦物含量在0~23%,平均為6.15%,黏土礦物含量較高在23%~71%,平均為52.97%(圖2)。

圖2 滇祿地3井泥頁巖礦物組分三角圖Fig.2 Triangle diagram of mineral components of shale in well, Yunnan-Ludi 3

黏土礦物中主要為伊利石、綠泥石,含少量高嶺石。黏土礦物中伊利石的含量在35%~71%,平均含量為55.34%;綠泥石的含量在3%~65%,平均含量為40.57%;高嶺石的含量在0~30%,平均含量為0.73%;伊/蒙混層的含量在0~10%,平均含量為3.18%(圖3)。黏土礦物中蒙脫石的比表面較大,對天然氣有很好的吸附能力,但滇祿地3井泥頁巖中絕大多數(shù)樣品中僅在伊蒙混層中含有極少量蒙脫石,同時伊利石、綠泥石、綠/蒙混層和伊/蒙混層的比表面較小,對天然氣的吸附能力較小。

圖3 滇祿地3井泥頁巖黏土礦物組分分布Fig.3 Composition distribution of clay minerals in shale of well, Yunnan-Ludi 3

3.2 孔、滲特征

運用PHI-220型自動孔隙度測定儀對滇祿地3井的8件巖心樣品進行分析,實驗測試結(jié)果(表2)表明,滇祿地3井泥頁巖的孔隙度在0.6%~1.6%,平均為1.01%,其中,孔隙度小于1%的樣品5件,約占62.5%,大于1%的占37.5%(圖4);滲透率在0.000 965 2×10-3~0.033 542 1×10-3μm2,平均為0.007 027×10-3μm2,其中,滲透率大于0.01×10-3μm2的樣品占14.29%,在0.001×10-3~0.01×10-3μm2的樣品占57.14%,小于0.001×10-3μm2的樣品占28.57%(圖5),總體表現(xiàn)出低孔、低滲特征,孔、滲之間相關(guān)性不明顯(圖6)。

表2 滇祿地3井泥頁巖孔隙度、滲透率特征Table 2 Porosity and permeability characteristics of shale in well, Yunnan-Ludi 3

圖4 滇祿地3井泥頁巖孔隙度分布直方圖 Fig.4 Histogram of shale porosity distribution in well, Yunnan-Ludi 3

圖5 滇祿地3井泥頁巖滲透率分布直方圖Fig.5 Histogram of sample permeability distribution of shale in well,Yunnan-Ludi 3

圖6 滇祿地3井泥頁巖孔隙度、滲透率關(guān)系圖Fig.6 Relationship diagram of pore and permeability of shale in well,Yunnan-Ludi 3

3.3 微觀孔隙類型

運用氬離子束拋光掃描電子顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)滇祿地3井泥頁巖中存在多種類型的微-納米級孔縫,主要以黏土礦物層間縫、顆粒粒緣縫、粒間孔、溶蝕孔、微裂縫、有機質(zhì)生烴孔,其中,黏土礦物層間縫、顆粒粒緣縫發(fā)育較好,為頁巖氣提供了良好的儲集空間。

3.3.1 粒間孔

粒間孔是礦物顆粒之間相互支撐形成的孔隙,滇祿地3井泥頁巖粒間孔十分發(fā)育,且種類繁多,主要以片狀黏土礦物與片狀黏土礦物之間的層間縫[圖7(a)]、片狀黏土礦物與微晶礦物顆粒之間的粒緣孔縫[圖7(b)]、礦物顆粒與礦物顆粒之間的粒間孔[(圖7(c)],由于片狀黏土礦物與礦物顆粒大小、形態(tài)不一,致使粒間孔孔徑分布范圍較廣,一般孔徑范圍在0.1~4 μm,連通性較好,是游離氣的最主要儲集空間,同時也可作為頁巖氣良好的運移通道[28]。

圖7 滇祿地3井泥頁巖粒間孔掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron microscope image of intergranular pores in shale of well, Yunnan-Ludi 3

3.3.2 粒內(nèi)孔

粒內(nèi)孔是礦物顆粒內(nèi)發(fā)育的孔隙,以溶蝕孔為主,滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖溶蝕孔發(fā)育較好,種類較多,常見于石英顆粒發(fā)育的溶蝕孔[圖8(a)]、白云石顆粒發(fā)育的溶蝕孔[圖8(b)]、團塊狀黃鐵礦顆粒之間的鑄??譡圖8(c)]、方解石顆粒發(fā)育的溶蝕孔[圖8(d)]溶蝕孔形態(tài)多樣,孔徑分布范圍集中在0.1~2 μm,連通性一般,但同樣可以最為頁巖氣的運移通道及儲集空間。

3.3.3 有機質(zhì)孔

有機質(zhì)孔的發(fā)育對頁巖氣的富集也具有極為重要的控制作用[29-32],有機質(zhì)孔是有機質(zhì)在生烴過程中形成的孔隙,滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖中有機質(zhì)孔發(fā)育較差,有機質(zhì)孔零星分布,截面呈近橢圓狀,孔徑在0.1~3 μm,有機質(zhì)孔之間不具連通性[圖9(a)],儲集性能較差。

3.3.4 微裂縫

微裂縫即可作為頁巖氣的儲集空間又可作為頁巖氣的運移通道,水力壓裂過程中微裂縫的發(fā)育程度直接影響生產(chǎn)井的產(chǎn)量[33],滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖中見一條縫寬0.5~2 μm的微裂縫[圖9(b)],即可作為頁巖氣良好的運移通道,又可作為頁巖氣良好的儲集空間。

圖9 滇祿地3井泥頁巖有機質(zhì)孔及微裂縫掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope images of organic pores and microfractures in the shale of well, Yunnan-Ludi 3

通過在鏡下觀察滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖孔隙類型可知,泥頁巖發(fā)育不同成因的微觀孔隙,主要發(fā)育粒間孔,粒內(nèi)孔次之,偶見微裂縫,有機質(zhì)孔發(fā)育較少,孔徑分布范圍較廣。粒間孔、微裂縫連通性較好,即為楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組頁巖氣的運移提供良好的運移通道又為頁巖氣的聚集提供了良好的儲集空間。

3.4 微觀孔隙結(jié)構(gòu)

泥頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)對頁巖氣賦存狀態(tài)有著重要影響[34],核磁共振是通過磁場強度來對巖石孔隙內(nèi)流體的核磁信號進行檢測,從而獲取流體的T2譜分布,其弛豫時間T2與巖石有效孔隙半徑及孔徑分布特征存在著一定關(guān)系,弛豫時間的大小可間接反映孔徑的大小[35],泥頁巖孔隙越發(fā)育,則弛豫時間較長的核磁信號占T2譜的比例就越大,反之泥頁巖孔隙不發(fā)育,弛豫時間短的區(qū)間所占的比例就越多[36-39],運用核磁共振分析與成像系統(tǒng)(圖10),對滇祿地3井泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)進行分析。

圖10 核磁共振分析與成像系統(tǒng)Fig.10 Nuclear magnetic resonance analysis and imaging system

泥頁巖孔隙以納米級為主[40],按Choquette等[41-44]劃分方案,將1~10 nm的孔隙認定為微孔、10~100 nm的孔隙認定為小孔、100~1 000 nm的孔隙認定為中孔、大于1 000 nm的孔隙認定為大孔。

滇祿地3井黑色泥頁巖樣品的核磁T2圖譜(圖11)呈雙峰分布,表明泥頁巖孔隙類型復雜、多樣,左鋒弛豫時間相對較小、分布寬且核磁信號幅度較大,最大弛豫時間約為1 ms,右峰弛豫時間相對較大,核磁信號幅度較小,最大弛豫時間約為60 ms,左側(cè)峰與右側(cè)峰連續(xù)性較差,且雙峰之間有明顯的谷值。表明滇祿地3井黑色泥頁巖樣品孔徑以微孔、小孔為主,含少量中孔,且孔隙之間連通性較差,與孔徑分布及孔隙體積分布相吻合。

圖11 滇祿地3井泥頁巖核磁T2圖譜及孔徑分布Fig.11 Nuclear magnetic resonance T2 map and pore size distribution of shale in well,Yunnan-Ludi 3

5 儲層對比

與中國已取得突破的海陸過渡相頁巖氣勘探區(qū)鄂爾多斯盆地長7段、長9段,四川盆地千佛崖組、大安寨組、東岳廟組、須家河組5段,阜新盆地沙海組,松遼盆地青山口組泥頁巖的厚度、埋深、TOC、有機質(zhì)類型、Ro、脆性礦物含量、孔隙度、滲透率以及含氣量等基礎(chǔ)地質(zhì)條件對比(表3)[45-59],分析得出,楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖在厚度、埋深、熱演化程度等地質(zhì)條件上優(yōu)于鄂爾多斯盆地長9段、松遼盆地青山口組,泥頁巖有機質(zhì)類型、含氣量等地質(zhì)條件與已獲得工業(yè)氣流的四川盆地千佛崖組、大安寨組泥頁巖地質(zhì)條件相似,表明楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組具有良好的頁巖氣勘探潛力。

表3 典型海陸過渡相盆地泥頁巖基礎(chǔ)地質(zhì)條件測試結(jié)果統(tǒng)計[45-59]Table 3 Statistic of test results of shale foundation geological conditions in typical marine and continental transition facies basins[45-59]

6 結(jié)論

(1)滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖干酪根顯微組分以殼質(zhì)組為主,含量在80%~89%,平均為84.44%,類型指數(shù)在23.50~35.50,干酪根類型均為Ⅱ2型;泥頁巖有機碳含量,主要集中在0.4%~1.25%,平均為0.67%,以潛在頁巖為主;有機質(zhì)成熟度主要集中在1.84%~2.31%,平均為2.06%,主體為處于成熟-過成熟階段,有利于頁巖氣的生成。

(2)滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖的礦物主要由脆性礦物(石英、長石、菱鐵礦)、碳酸鹽礦物(方解石、白云石)、黏土礦物組成,其中,脆性礦物含量相對較高在27%~66%,平均為40.87%,有利于頁巖氣的壓裂,黏土礦物中主要為伊利石、綠泥石,含少量高嶺石,不含蒙皂石和綠/蒙混層;泥頁巖的孔隙度在0.6%~1.6%,平均為1.01%,其中,孔隙度小于1%的樣品約占62.5%,孔隙度大于1%的占37.5%;滲透率在0.000 965 2×10-3~0.033 542 1×10-3μm2,平均為0.007 027×10-3μm2,總體表現(xiàn)出低孔、低滲特征。

(3)運用氬離子束拋光掃描電子顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)滇祿地3井泥頁巖中存在多種不同成因類型的微-納米級孔縫,主要以黏土礦物層間縫、顆粒粒緣縫、粒間孔、溶蝕孔、微裂縫、有機質(zhì)生烴孔,其中,黏土礦物層間縫、顆粒粒緣縫發(fā)育較好,為頁巖氣提供了良好的儲集空間;泥頁巖中以微孔、小孔為主,含少量中孔,微孔、小孔與中孔之間連通性較差,泥頁巖現(xiàn)場解析的總含氣量在0.06~1.00 m3/t,平均值為0.564 m3/t,含氣量相對較低。

(4)楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組頁巖氣的勘探研究尚處于初期階段,頁巖氣相關(guān)地質(zhì)資料相對較少,通過滇祿地3井泥頁巖的各項實驗數(shù)據(jù)與國內(nèi)已取得突破的海陸過渡相頁巖氣勘探區(qū)進行對比,結(jié)果顯示楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁巖具有良好的頁巖氣勘探潛力,該井的實施,為楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組頁巖氣的勘探開發(fā)提供了依據(jù)。

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