薛 丹

(中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

黔北-湘西牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層特征分析

薛 丹

(中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

黔北-湘西下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖分布廣泛，頁巖氣具有較好的勘探前景。本次研究以野外露頭、鉆井取心等資料為基礎(chǔ)，結(jié)合顯微薄片分析資料，從平面、層內(nèi)和微觀3個(gè)方面，對頁巖的厚度、有機(jī)碳含量、成熟度、礦物組分、孔隙與裂縫進(jìn)行對比研究，并根據(jù)研究結(jié)果作出相應(yīng)的分析。研究表明，黔北-湘西牛蹄塘組頁巖沉積厚度在50～350 m，有機(jī)碳含量高，有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到過成熟干氣階段；頁巖礦物成分中石英含量高，儲(chǔ)層脆性強(qiáng)，易產(chǎn)生天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，儲(chǔ)存空間豐富，有利于油氣的滲流，為該區(qū)的頁巖氣富集提供了儲(chǔ)集空間。

非均質(zhì)性 牛蹄塘組 頁巖儲(chǔ)層 下寒武統(tǒng)

我國頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134×1012m3，其中可采資源潛力在25×1012m3，資源豐富、勘探潛力大[1]。隨著頁巖氣資源開發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，頁巖氣儲(chǔ)層特征研究的重要性不斷凸顯，已成為提高頁巖氣采收率研究的關(guān)鍵。針對頁巖氣資源潛力、成藏條件、礦物成分特征、主控因素等方面[2-4]，前人進(jìn)行了大量研究，并取得了一系列重要研究成果，但對下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層特征的系統(tǒng)性分析相對薄弱[5-6]。

本次研究針對黔北-湘西地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層，在區(qū)域頁巖氣形成背景和條件研究基礎(chǔ)上，從頁巖的厚度、有機(jī)碳含量、成熟度、礦物組分、孔滲情況等方面，對儲(chǔ)層特征進(jìn)行對比分析，評價(jià)頁巖氣區(qū)，預(yù)測頁巖氣資源分布和潛力。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

上揚(yáng)子地區(qū)寒武系地層分布廣泛，經(jīng)歷了克拉通和前陸盆地兩個(gè)構(gòu)造演化階段，寒武紀(jì)時(shí)期受到北、西兩側(cè)板塊拉張以及東南側(cè)與華夏之間的板內(nèi)拉張、海平面變化和古地形控制，上揚(yáng)子克拉通區(qū)接受穩(wěn)定陸表海沉積，在晚寒武世逐漸形成比較穩(wěn)定的碳酸鹽巖臺(tái)地沉積[7]；晚三疊世以來多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加和改造，又使上揚(yáng)子地區(qū)的總體地貌呈現(xiàn)為被周緣山系所圍限的四川“菱形”盆地。黔北、湘西地區(qū)范圍在雪峰山隆起以西、龍門山斷裂以東地帶，其寒武系地層自下而上可劃分為牛蹄塘組、明心寺組、金頂山組、清虛洞組、高臺(tái)組和婁山關(guān)群，其中牛蹄塘組是下寒武統(tǒng)頁巖儲(chǔ)層最發(fā)育的組，與川中-川西南地區(qū)的筇竹寺組中下部地層、川東北地區(qū)的筇竹寺組相當(dāng)[3]。

早寒武世初期是全球海平面快速上升期，物源方向來自西部的康滇古陸和瀘定古陸[8]，牛蹄塘?xí)r期隨著海平面的上升，在上揚(yáng)子地區(qū)造成缺氧環(huán)境，研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組整體上以碎屑巖陸棚沉積為主，盆地東部和南部發(fā)育水體相對較深的深水陸棚，中部則為水體相對較淺的淺水陸棚[9-12]，整體來說空間分布比較穩(wěn)定，是比較有利的一類頁巖氣儲(chǔ)層(圖1)。

圖1 黔北-湘西地區(qū)早寒武世早期沉積環(huán)境特征

圖2 資5井—永和牛蹄塘組地層對比剖面

上揚(yáng)子早寒武世頁巖儲(chǔ)層以黑色炭質(zhì)泥頁巖為主，夾粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖，沉積厚度變化不一，一般分布在50～350 m之間。根據(jù)鉆井及野外剖面資料統(tǒng)計(jì)，西北部的資5井-資1井-威基井3口井牛蹄塘組地層主要發(fā)育黑色泥巖、灰色粉砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖，地層沉積厚度在263～406 m，頁巖的厚度約在165～212 m，雖然厚度較大，但泥頁巖中砂質(zhì)含量相對較高；而東南部的松林—永和露頭剖面牛蹄塘組地層以黑色炭質(zhì)頁巖、泥巖為主，局部夾灰色粉砂質(zhì)泥巖，地層沉積厚度均在100 m之下，泥頁巖中砂質(zhì)含量相對較低。

整體上，研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組地層厚度自西北向東南呈現(xiàn)出由厚變薄的趨勢，基本上與沉積相帶展布一致，進(jìn)一步表明沉積環(huán)境影響著頁巖地層的區(qū)域分布和發(fā)育(圖2)。

研究區(qū)地層沉積厚度及頁巖厚度橫向變化明顯，這表明儲(chǔ)層層間非均質(zhì)性特征明顯，差異大，富含有機(jī)質(zhì)的頁巖厚度越大，頁巖氣的資源量越大，越具有開采價(jià)值。

2 有機(jī)地化指標(biāo)分布

有機(jī)碳含量是頁巖儲(chǔ)層生烴能力評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)，是目前評價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)而劃分氣源巖級別的主要依據(jù)[13]。通過對巖石樣品進(jìn)行TOC含量統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)巖樣TOC一般較高，總體分布在0.21%～15.39%，含量大于2.0%的占62%，單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)為好氣源巖。

圖3 黔北-湘西地區(qū)牛蹄塘組有機(jī)碳含量平面分布

研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖的有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，少量為Ⅱ型[14]，在區(qū)域上，TOC展布特征直接受到了沉積環(huán)境的影響，且TOC的高值區(qū)一般反映為沉積中心。從平面分布圖上來看(圖3)，研究區(qū)內(nèi)的永和-遵義-石阡一帶與咸豐-茨巖塘-白果坪一帶TOC值較高，普遍大于3.0%，多形成于深水陸棚環(huán)境，為優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層段。資陽-自貢-重慶一帶TOC值中等，普遍在1.5%～2.0%，形成于淺水陸棚環(huán)境，為中等頁巖儲(chǔ)層段。

另外，參考?xì)庠磶r層成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)，對研究區(qū)樣品進(jìn)行鏡質(zhì)體反射率(Ro)的鑒定，樣品多為黑色泥頁巖，Ro普遍偏高，多分布在3.1%～3.8%之間，已達(dá)到過成熟干氣階段，但由于高演化程度的氣源巖有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率影響因素較多，如原始沉積物在壓實(shí)和成巖過程中異常壓力的產(chǎn)生或存在，以及富氫鏡質(zhì)組對Ro值可能會(huì)產(chǎn)生抑制作用等，導(dǎo)致Ro值的不準(zhǔn)確，因此，單獨(dú)應(yīng)用Ro值評價(jià)有機(jī)質(zhì)成熟度應(yīng)慎重，需要結(jié)合多種參數(shù)綜合評價(jià)有機(jī)質(zhì)成熟度[15]。對樣品中的Ro與埋深關(guān)系進(jìn)行擬合分析(圖4)，發(fā)現(xiàn)隨著埋藏深度的增加，有機(jī)質(zhì)成熟度呈現(xiàn)增加趨勢，反映出有機(jī)質(zhì)地化指標(biāo)層內(nèi)非均質(zhì)性明顯的特征。

圖4Ro與埋深的關(guān)系擬合曲線

3 微觀非均質(zhì)性

頁巖儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性的研究對頁巖氣的開采十分重要，脆性礦物含量高、孔隙-裂縫發(fā)育好的頁巖，孔隙性好，儲(chǔ)層物性好，勘探開發(fā)潛力大[16]。

3.1 礦物組分

黔北-湘西地區(qū)牛蹄塘組礦物組分種類多，以石英、長石、粘土礦物為主，脆性礦物體積分?jǐn)?shù)較高，少量自生非粘土礦物。據(jù)野外露頭觀察和采樣統(tǒng)計(jì)礦物成分，定量分析結(jié)果表明(表1)，脆性礦物組分含量在54%～79.5%，平均63.1%，其中，石英含量最大，長石以鉀長石、斜長石為主。

從礦物組分與深度分布關(guān)系來看，不同深度的脆性礦物含量差異明顯，石英含量較高，脆性強(qiáng)，礦物非均質(zhì)性強(qiáng)，在外力作用下更容易產(chǎn)生天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，有利于油氣的滲流，為該區(qū)的頁巖氣富集提供了儲(chǔ)集空間。

表1 礦物組分定量分析數(shù)據(jù)

3.2 孔隙與裂縫

頁巖氣主要是以吸附氣和游離氣兩種形式存于泥頁巖儲(chǔ)層中，其中吸附氣主要吸附在有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面，而游離氣主要充填于孔隙與微裂縫中，影響游離氣量大小的主要因素就是頁巖基質(zhì)孔隙的大小和微裂縫的發(fā)育程度。

研究區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖結(jié)構(gòu)致密，脆性強(qiáng)，節(jié)理和微裂縫發(fā)育，這就直接影響了儲(chǔ)層的滲透性及儲(chǔ)層的連通程度。據(jù)部分樣品資料統(tǒng)計(jì)(表2)，松林剖面頂部發(fā)育有X節(jié)理，頁巖儲(chǔ)層孔隙度為0.71%～1.05%，滲透率(0.09～0.21)×10-3μm2；白果坪剖面發(fā)育有X節(jié)理，頁巖儲(chǔ)層孔隙度為1.45%～1.77%，滲透率(0.2～0.22)×10-3μm2。樣品統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，孔隙度和滲透率呈一定的正相關(guān)關(guān)系，隨著孔隙度的增大，滲透率也是增大的趨勢，且隨著裂縫的發(fā)育其滲透率快速增加。

表2 牛蹄塘組黑顏巖的孔滲數(shù)據(jù)

據(jù)鏡下觀察可以看出(圖5)，礦物顆粒以石英為主，長石和巖屑含量少(圖5a)，可見片狀粘土礦物，云母碎片呈鱗片狀結(jié)構(gòu)，可見清晰的順層微裂縫(圖5b)，多種碎屑礦物與富有機(jī)質(zhì)粘土礦物構(gòu)成平行紋層，次生溶蝕孔隙發(fā)育呈蜂巢狀分布(圖5c)。微裂縫在三維空間多成網(wǎng)絡(luò)狀分布，受地層中流體及地應(yīng)力作用影響較大，各地區(qū)形態(tài)差異較大，一部分呈原始開啟狀態(tài)存在，大部分微裂縫被方解石或?yàn)r青質(zhì)等礦物充填，反映了有過油氣運(yùn)移或油氣聚集的跡象。

綜合分析認(rèn)為，影響頁巖儲(chǔ)層孔滲性好壞的因素有很多，包括沉積環(huán)境、沉積相、熱演化條件、成巖作用、有機(jī)碳含量、礦物組成等。礦物組成主要指石英含量、黏土礦物含量、碳酸鹽含量等，其中，石英含量與孔隙度呈一定的正相關(guān)關(guān)系(圖6)，而黏土礦物含量與孔隙度之間關(guān)系相對較小[17]。隨著地層的抬升，埋深的不斷減少，頁巖上覆地層壓力減少，致使頁巖儲(chǔ)層破裂，導(dǎo)致同一套地層，在不同的地理位置，其孔滲性差異也較大。

圖5 黔北-湘西地區(qū)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)集空間

圖5 黔北-湘西地區(qū)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)集空間

圖6 頁巖石英含量與孔隙度關(guān)系

4 結(jié)論

(1)在盆地物源與古地理環(huán)境等因素的共同影響下，黔北-湘西地區(qū)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層沉積厚度差異明顯，非均質(zhì)性較強(qiáng)。巖性以黑色含炭質(zhì)頁巖為主，夾粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖，沉積厚度在50～350 m，有機(jī)碳含量高，有機(jī)質(zhì)成熟度大于3%，達(dá)到過成熟干氣階段，具有較高的生烴潛力。

(2)研究區(qū)牛蹄塘組頁巖結(jié)構(gòu)致密，礦物成分中石英含量高，儲(chǔ)層脆性強(qiáng)，在外力作用下更容易產(chǎn)生天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，儲(chǔ)集空間也多以微孔隙與微裂縫為主，有利于油氣的滲流，為該區(qū)的頁巖氣富集提供了儲(chǔ)集空間。

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StudyonshalereservoirheterogeneityofNiutitangFormationinQianbei-Xiangxiarea

XUE Dan

(ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofJiangsuOilfieldCompany,SINOPEC,Yangzhou225009,China)

Shale of lower Cambrian Niutitang Formation in Qianbei-Xiangxi area is widely distributed. So shale gas has better exploration prospects. Based on the data of outcrop, well logging and coring, combined with analysis data of microsection, from three aspects of plane heterogeneity, inlayer heterogeneity and micro heterogeneity, the comparative studies were carried out on thickness of shale, organic matter content, maturity, mineral composition, porosity and fracture. The study results showed that thickness of shale with higher organic matter content is from 50 m to 350 m, and the organic matter maturity reaches the stage of overmature dry gas. A higher content of brittle quartz in shale mineral composition easily causes the natural and induced fractures, which are beneficial for the flow of oil and gas. As a result, this can provide reservoir spaces for shale gas accumulation.

heterogeneity; Niutitang Formation; shale reservoirs; lower Cambrian

TE122

A

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.04.003

2017-02-28；改回日期2017-05-27。

薛丹(1989—)，女，碩士,助理工程師，現(xiàn)主要從事開發(fā)地質(zhì)研究工作。E-mail：xued_1.jsyt@sinopec.com。

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2011CDB005)。

(編輯 楊芝文)