朱毅秀,呂 品,金 科,郭芪恒,王 歡,王昕堯,師 源
(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京),北京 102249;2.中國(guó)石油遼河油田分公司,遼寧 盤錦 124010;3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司,陜西 西安 710018)
中國(guó)沉積盆地在多旋回的構(gòu)造演化過程中,發(fā)育了海相、陸相及海陸過渡相3類富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖層系[1]。以四川盆地為例,不僅相繼在川東南涪陵焦石壩、川南威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧、昭通示范區(qū)實(shí)現(xiàn)海相頁巖氣商業(yè)開發(fā)[2],還在以侏羅系自流井組及上三疊統(tǒng)須家河組為代表的陸相頁巖層系中取得了重大突破[3],特別是元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲(chǔ)層發(fā)現(xiàn)的高產(chǎn)工業(yè)氣流,進(jìn)一步證實(shí)中國(guó)陸相頁巖氣具有巨大的潛力和良好的勘探開發(fā)前景[4-5]。中國(guó)陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖具有地層時(shí)代新、分布范圍廣、有效厚度大、演化程度低的特點(diǎn),儲(chǔ)層單層厚度普遍小,有機(jī)質(zhì)含量相差大,非均質(zhì)性強(qiáng),成熟度相對(duì)較低,且開發(fā)難度大[6-7]。元壩地區(qū)大安寨段陸相頁巖分布面積廣,油氣顯示較好,勘探潛力大,但針對(duì)湖相頁巖儲(chǔ)層物性方面的研究還不夠細(xì)致深入。因此,通過對(duì)四川盆地元壩地區(qū)大安寨段陸相細(xì)粒巖儲(chǔ)層物性特征分析,明確有利儲(chǔ)集巖性和儲(chǔ)集層段,為陸相頁巖油氣的勘探及開發(fā)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。
四川盆地是一個(gè)位于上揚(yáng)子地臺(tái)西部、呈北東向展布、菱形構(gòu)造的沉積型疊合盆地[8]。晚二疊世—晚三疊世印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期,盆地整體抬升、海水退出,由海相沉積逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喑练e[9]。晚三疊世和侏羅紀(jì)盆地演化為巨大的陸相湖盆,呈現(xiàn)出北陡南緩的不對(duì)稱大型寬緩湖盆,形成了上三疊統(tǒng)須家河組及侏羅系自流井組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組沉積層序。下侏羅統(tǒng)自流井組劃分為珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段、大安寨段,分別代表早侏羅世的4個(gè)沉積演化階段[10]。大安寨段沉積期為伸展作用最弱、造山帶活動(dòng)最穩(wěn)定的時(shí)期,盆地拗陷速率遠(yuǎn)大于陸源碎屑堆積速率,導(dǎo)致了早侏羅世最大湖盆的形成[11]。元壩地區(qū)處于四川省廣元市蒼溪縣、閬中市和巴中市境內(nèi)(圖1),面積為3 200 km2。受構(gòu)造作用的影響,區(qū)域內(nèi)共有5個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。研究區(qū)處于川中和川北的過渡帶,地層產(chǎn)狀平緩,斷裂不發(fā)育。大安寨段時(shí)期,湖盆經(jīng)歷一個(gè)完整的湖進(jìn)—湖退旋回。大安寨段從上至下劃分為大一亞段、大二亞段和大三亞段。大三亞段為深灰—褐灰色介屑灰?guī)r,夾粉砂巖、泥巖及頁巖;大二亞段為深灰—灰褐色頁巖(泥巖)和介屑灰?guī)r,呈互層狀或條帶狀;大一亞段以深灰色—灰黑色介屑灰?guī)r為主。大安寨段沉積厚度為70~138 m,一般厚度在90 m左右。湖盆中心位于儀隴一帶,大安寨段沉積亞相包括濱湖、淺湖和半深湖,由湖盆中心逐漸向淺湖和濱湖過渡。
圖1 元壩地區(qū)構(gòu)造單元和研究區(qū)位置示意圖
元壩地區(qū)大安寨段細(xì)粒沉積巖依據(jù)其組分進(jìn)行分類,以黏土礦物、粉砂級(jí)長(zhǎng)英質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物含量作為三端元,分為泥巖、粉砂巖、灰?guī)r三大類,頁理發(fā)育的泥巖稱為頁巖。研究區(qū)大安寨段細(xì)粒巖巖石類型以泥頁巖、介殼頁巖、介殼泥巖和介殼灰?guī)r為主,粉砂巖含量較低,混合巖不發(fā)育。
元壩地區(qū)大安寨段細(xì)粒巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間為微米—納米細(xì)小孔隙和裂縫,孔隙類型為有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔、晶間孔、溶蝕孔和黏土礦物間微孔,裂縫包括構(gòu)造縫、頁理縫和成巖收縮縫(圖2),圖中所有照片為掃描電子顯微鏡照片,樣品經(jīng)過氬離子拋光處理。
2.1.1 有機(jī)質(zhì)孔
巖石中的有機(jī)質(zhì)在生烴演化過程中形成很多微孔,有效提高了頁巖儲(chǔ)層的孔隙度,是油氣重要的儲(chǔ)集空間。掃描電鏡下有機(jī)質(zhì)色暗,其內(nèi)發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔,單一形狀多為圓狀、橢圓狀及不規(guī)則狀,集合體不均勻狀和網(wǎng)絡(luò)狀均發(fā)育(圖2a、b),孔隙直徑為2~700 nm,主要分布在30~80 nm。有機(jī)質(zhì)成熟生烴過程中,氣態(tài)和液態(tài)烴類形成與運(yùn)移及聚集,改變有機(jī)質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu),在有機(jī)質(zhì)顆粒內(nèi)部形成納米級(jí)大小的孔隙[12-17]。研究顯示,當(dāng)有機(jī)質(zhì)的鏡質(zhì)體反射率(Ro)大約為0.50%時(shí)就開始產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)孔,隨著熱演化程度在一定范圍內(nèi)增加,有機(jī)質(zhì)孔的體積也增加,Ro和有機(jī)質(zhì)孔隙度呈正相關(guān)[18]。研究區(qū)陸相富有機(jī)質(zhì)含量和較高的成熟度有利于頁巖中有機(jī)質(zhì)納米孔隙的形成,富含有機(jī)質(zhì)的頁巖和介殼頁巖中有機(jī)孔發(fā)育。
圖2 四川盆地元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲(chǔ)層微孔隙顯微特征
2.1.2 粒間孔
大安寨段埋藏深度較大,粒間孔呈現(xiàn)殘余狀,殘余粒間孔主要分布在硅質(zhì)礦物、灰質(zhì)顆粒的邊緣,呈現(xiàn)定向分布(圖2c、d)。孔隙形態(tài)不規(guī)則,同時(shí)黏土礦物、碳酸鹽礦物、硅質(zhì)、有機(jī)質(zhì)或?yàn)r青等雜基與成巖礦物充填粒間孔,因而大安寨段粒間孔相對(duì)不發(fā)育。
2.1.3 晶間孔
研究區(qū)細(xì)粒沉積巖中發(fā)育方解石晶間孔(圖2e)、黏土礦物晶間孔(圖2d、f、g)和草莓狀黃鐵礦晶間孔(圖2h)。方解石晶間孔大多呈現(xiàn)多邊形、零星狀和不均勻網(wǎng)狀分布,多為單個(gè)存在或線狀定向分布,孔徑為100~300 nm;草莓狀黃鐵礦晶間孔呈多邊形狀,集合體呈網(wǎng)絡(luò)狀分布在草莓狀球內(nèi),連通性較好,孔徑主要為10~150 nm;黏土礦物晶間孔相對(duì)復(fù)雜,不同礦物類型對(duì)應(yīng)孔隙形態(tài)不同,儲(chǔ)層片狀伊利石發(fā)育,此晶體多為重結(jié)晶形成的厚片狀伊利石晶,此晶間孔呈現(xiàn)不規(guī)則狀、長(zhǎng)片狀、彎曲狀等,晶間孔徑大小不一,孔徑為10~500 nm。整體晶間孔分布無規(guī)律、相互連通性較差,部分晶間孔被泥質(zhì)、灰質(zhì)充填。
2.1.4 溶蝕孔
研究區(qū)細(xì)粒沉積巖的鏡質(zhì)體反射率Ro為1.38%~1.83%,有機(jī)質(zhì)熱演化程度高,處于成熟—高成熟演化階段,演化過程中曾有有機(jī)酸發(fā)育,其在不同巖性中形成不一樣的溶蝕孔隙,產(chǎn)生了一定量的方解石和硅質(zhì)組分的溶蝕孔隙,孔隙大小多為微米級(jí)別(圖2i),孔徑為500~3 000 nm,溶蝕孔形態(tài)多為不規(guī)則狀,分布不均、多為零星狀。介殼灰?guī)r內(nèi)基本均為零星狀孤立溶蝕微孔,在富含有機(jī)質(zhì)的灰質(zhì)頁巖和介殼頁巖中溶蝕微孔較發(fā)育。
2.1.5 黏土礦物間孔
黏土礦物間孔隙為線狀孔隙和網(wǎng)狀孔隙(圖2g,圖3a、b)。在伊利石厚層中、伊利石紋層、其他黏土礦物和細(xì)粒組分紋層間、伊利石與礦物顆粒間均可見線狀微孔隙,部分線狀孔隙中半充填少量有機(jī)質(zhì)(圖3a、b),沉積和成巖共同作用使線狀方向和紋層、層面方向近平行;此片狀微縫延伸距離相對(duì)較遠(yuǎn),有時(shí)平行排列,片狀縫有利于微孔之間的連通。在頁巖中暗色黏土礦物紋層間、裂隙與粒間孔自生黏土礦物充填區(qū)域常發(fā)育網(wǎng)狀微孔隙(圖2g),分布不均勻,網(wǎng)絡(luò)孔隙及網(wǎng)內(nèi)微孔隙發(fā)育、連通性好。這類微孔隙和黏土礦物相伴生,發(fā)育于多種黏土礦物及包裹其他礦物顆粒的黏土礦物間,孔徑為2~2 000 nm。
元壩地區(qū)大安寨段地層發(fā)育以上5種微孔隙類型,黏土礦物間孔和有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育,溶蝕孔和晶間孔較發(fā)育,粒間孔較少(表1),均為微米—納米級(jí)微孔隙。黏土礦物間孔主要分布在黏土礦物含量高的頁巖和介殼頁巖中,形態(tài)上多呈線狀。有機(jī)質(zhì)孔主要分布在TOC含量高的泥頁巖和介殼泥頁巖中,發(fā)育較少的粒間孔主要分布于介殼灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖中。晶間孔在各類巖石中均有發(fā)育,頁巖中主要發(fā)育自生黏土礦物晶間孔和黃鐵礦晶間孔,介殼灰?guī)r和介殼泥巖、介殼頁巖中發(fā)育方解石晶間孔。溶蝕孔主要發(fā)育于介殼灰?guī)r和介殼泥巖、介殼頁巖中,其中,溶蝕孔的粒徑相對(duì)較大,頁巖儲(chǔ)層宏孔相對(duì)發(fā)育,主要是溶蝕孔。統(tǒng)計(jì)顯示,研究區(qū)陸相頁巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間以無機(jī)孔隙為主,有機(jī)質(zhì)孔不同于海相頁巖儲(chǔ)層,因其僅是重要儲(chǔ)集空間,而不是最主要的儲(chǔ)集空間。
表1 四川盆地元壩地區(qū)大安寨段孔隙發(fā)育與分布
裂縫是元壩地區(qū)大安寨段細(xì)粒沉積巖中油氣運(yùn)移的重要通道和儲(chǔ)集空間,成因上可分為構(gòu)造裂縫、頁理縫、成巖收縮縫三大類。
2.2.1 構(gòu)造裂縫
構(gòu)造裂縫是最主要的裂縫類型,是構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果,常伴生斷層和褶皺,可分為張裂縫和剪裂縫。
張裂縫:拉張應(yīng)力造成巖石張裂縫破裂面較粗糙不平整,縫長(zhǎng)度介于幾厘米至幾米,寬度介于幾十微米至幾厘米,易被自生礦物充填和半充填。元壩地區(qū)大安寨段發(fā)育的張裂縫主要為低角度張裂縫,巖心上裂縫寬度為毫米級(jí)別(圖3c、d),剖面上縫寬多為厘米級(jí)(0.5~3.0 cm),灰白色灰質(zhì)充填、半充填為主,介殼灰?guī)r層中多被全充填。
剪裂縫(剪節(jié)理):是受到剪切應(yīng)力形成的裂縫,裂縫面閉合,平直光滑,可見擦痕,常切過礦物顆粒,成對(duì)出現(xiàn),呈共軛“X”形,延伸較遠(yuǎn)。元壩地區(qū)大安寨段巖心中剪裂縫少見,多在光學(xué)顯微鏡下觀察到顯微型剪裂縫(圖3e、f);在重慶梁平剖面可見多處此類裂縫,在介殼頁巖中發(fā)育,縫寬為0.10~7.00 mm,延伸長(zhǎng)度可達(dá)1 m。
圖3 四川盆地元壩地區(qū)大安寨段微納孔隙及裂縫特征
2.2.2 頁理縫
層間紋層間縫主要在沉積作用下形成的,形成于震蕩的弱水動(dòng)力條件,由一系列薄層細(xì)粒沉積物沉積成巖而成,薄層間頁理為極易剝離的力學(xué)薄弱面,即層間頁理縫。大安寨段頁巖儲(chǔ)層中的頁理縫發(fā)育,主要是富有機(jī)質(zhì)的暗色(深灰色)黏土礦物紋層和含有機(jī)質(zhì)富介殼的灰色灰質(zhì)紋層交互疊置,組分與顏色等呈韻律狀,此類黑色頁巖與紋層狀介殼頁巖中發(fā)育頁理縫(圖3g)??p寬為0.01~0.50 mm,平行紋層面,層面有摩擦痕跡、亮化面。
2.2.3 成巖收縮縫
多見于不同礦物間和有機(jī)質(zhì)與無機(jī)礦物顆粒間(圖3h、i),縫寬為微米—納米級(jí)(0.01~5.00 μm),縫長(zhǎng)為毫米—厘米級(jí)。
使用氦氣法測(cè)量元壩地區(qū)大安寨段細(xì)粒沉積巖的孔隙度和滲透率如表2所示。由表2可知,元壩地區(qū)大安寨段頁巖儲(chǔ)層孔隙度為0.92%~8.12%,平均孔隙度為3.35%;滲透率為0.001~33.930 mD,平均滲透率為2.630 mD,平均值偏高主要是由于個(gè)別樣品滲透率在30.000 mD以上??紫抖刃∮?.00%的樣品占90%,小于2.00%的樣品占45%;滲透率也偏低,小于0.100 mD的樣品占55%。因此,元壩地區(qū)大安寨段儲(chǔ)層屬于特低孔特低滲致密儲(chǔ)層。
表2 大安寨段不同巖性的孔隙度和滲透率
3.2.1 氮?dú)馕椒紫督Y(jié)構(gòu)特征
國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)將氮?dú)馕?解吸等溫線分為4類,Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類表征均為開放性孔,Ⅳ類為封閉性孔[19];元壩4井3 755.32 m處介殼灰?guī)r發(fā)育孤立的微米級(jí)溶蝕孔,但整體致密,不發(fā)育開放性孔,呈現(xiàn)Ⅳ類孔隙結(jié)構(gòu),不具儲(chǔ)氣能力。頁巖儲(chǔ)層與灰?guī)r的孔隙結(jié)構(gòu)有一定差異,參數(shù)檢測(cè)顯示儲(chǔ)層樣品的比表面積為2.505 1~14.960 8 m2/g,其中介殼灰?guī)r的比表面積最小,粉砂質(zhì)頁巖的比表面積最大,平均比表面積為9.006 6 m2/g。
采用BJH法計(jì)算細(xì)粒沉積巖的孔徑,得到元壩地區(qū)大安寨段的孔徑分布特征(圖4)??讖椒植记€顯示,元壩地區(qū)細(xì)粒沉積巖的孔徑均在10 nm內(nèi)出現(xiàn)峰值,樣品具有在3~7 nm的微孔隙對(duì)孔體積貢獻(xiàn)最大的特點(diǎn),孔徑小于10 nm時(shí),累積曲線很陡,孔徑大于10 nm時(shí),累積曲線逐漸變得平緩,說明細(xì)粒沉積巖的微孔(小于2 nm)和介孔(2~50 nm)在孔體積中占比大,宏孔(大于50 nm)占比小。
圖4 四川盆地元陸4井大安寨段巖石孔徑分布
3.2.2 三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型
聚集離子束掃描電鏡(FIB-SEM)的出現(xiàn)提供了一種研究泥頁巖納米孔隙結(jié)構(gòu)的新方法,該技術(shù)分辨率高,在制樣過程中不會(huì)產(chǎn)生人造孔隙,能夠真實(shí)還原頁巖孔隙的三維結(jié)構(gòu)特征。實(shí)驗(yàn)樣品為元陸4井大安寨段3 757.52 m處的介殼頁巖,通過三維分布特征可以看出,樣品中各種礦物成分、有機(jī)質(zhì)和納米孔隙在三維空間上的分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該樣品中黃鐵礦發(fā)育(圖5a),有機(jī)質(zhì)豐富(圖5b),納米孔隙在三維空間上形狀復(fù)雜(圖5c)。由圖5可以看出:①圖a中顏色最暗的區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量最高,該區(qū)域?yàn)橛袡C(jī)質(zhì),有機(jī)質(zhì)微孔大量發(fā)育,連通性很好;②黃鐵礦分布區(qū)域,有機(jī)質(zhì)含量低,孔隙發(fā)育較少,圖5c上部中右部分顯示孔隙為黃鐵礦晶間孔和有機(jī)質(zhì)孔復(fù)合;③孔隙的空間分布與有機(jī)質(zhì)空間分布有一定的規(guī)律性,有機(jī)質(zhì)含量高的部位,孔隙發(fā)育好,連通性好,故孔隙發(fā)育受有機(jī)質(zhì)含量的影響,有機(jī)質(zhì)含量高,孔隙越發(fā)育,孔隙在三維空間上連通性好。
圖5 FIB-SEM法細(xì)粒沉積巖有機(jī)質(zhì)和孔隙三維空間展布
富有機(jī)質(zhì)頁巖既是烴源巖,也是儲(chǔ)集巖,具有自生自儲(chǔ)、源儲(chǔ)一體、源內(nèi)成藏的特點(diǎn)。因此,有機(jī)質(zhì)含量的高低決定了頁巖氣資源的潛力。研究區(qū)大安寨段泥頁巖、介殼泥巖、介殼頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度普遍高于介殼灰?guī)r。頁巖氣主要以吸附氣和游離氣的狀態(tài)存在于泥頁巖微孔隙空間中,吸附氣的含量對(duì)頁巖氣長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。有機(jī)質(zhì)孔隙具有親油(氣)性,對(duì)頁巖氣的吸附具有天然的分子引力,因而容易產(chǎn)生吸附作用;而黏土礦物孔則具有親水性,甚至在孔壁形成水膜,難以吸附烴類氣體,因而黏土礦物間孔中多數(shù)烴類氣體呈現(xiàn)游離狀、游離—吸附過渡狀存在。元壩地區(qū)大安寨段細(xì)粒巖有機(jī)質(zhì)豐度與黏土含量具有很好的正相關(guān)性(圖6),出現(xiàn)高有機(jī)質(zhì)豐度、高黏土含量的頁巖及介殼頁巖相比介殼灰?guī)r吸附氣的能力更強(qiáng),納米儲(chǔ)集空間相對(duì)更為發(fā)育。三維孔隙網(wǎng)絡(luò)顯示高有機(jī)質(zhì)豐度的區(qū)域孔隙的發(fā)育更好,連通性更高。
綜上所述,元壩地區(qū)大安寨段高有機(jī)質(zhì)含量的泥頁巖及介殼泥巖相比介殼灰?guī)r,生氣潛力更大,吸附氣的能力更強(qiáng),孔隙度和滲透率也更高。結(jié)合研究區(qū)儲(chǔ)層物性數(shù)據(jù)、TOC和黏土礦物含量以及常規(guī)試氣結(jié)果,對(duì)陸相頁巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行分類,可得出最有利儲(chǔ)層、有利儲(chǔ)層、較有利儲(chǔ)層和非儲(chǔ)層(較差儲(chǔ)層)(圖6)。元壩地區(qū)大安寨段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖和富有機(jī)質(zhì)介殼泥頁巖為研究區(qū)最有利的儲(chǔ)集巖性,而有利儲(chǔ)集巖性在整個(gè)研究區(qū)均有分布,有利儲(chǔ)集層段為大安寨段的中部和下部泥巖層段。
圖6 四川盆地元壩地區(qū)元陸4井大安寨段細(xì)粒沉積巖儲(chǔ)層物性特征及儲(chǔ)層分類
(1) 元壩地區(qū)大安寨段細(xì)粒巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間分為孔隙和裂縫2類,包括黏土礦物間微孔、有機(jī)質(zhì)孔、晶間孔、溶蝕孔、粒間孔和構(gòu)造縫、頁理縫、成巖收縮縫,無機(jī)質(zhì)孔優(yōu)于有機(jī)質(zhì)孔。
(2) 大安寨段細(xì)粒沉積巖儲(chǔ)層以微孔和介孔為主,孔徑主要集中在3~7 nm,為特低孔低滲致密儲(chǔ)層。
(3) 研究區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較高的泥頁巖和介殼泥頁巖物性好于介殼灰?guī)r,前者含氣性高于后者,有利儲(chǔ)集層段為大安寨段中部和下部泥(頁)巖和介殼泥(頁)巖層段。
致謝:感謝國(guó)家專項(xiàng)課題承擔(dān)方中石化研究院非常規(guī)所胡宗全、劉光祥、馮動(dòng)軍、朱彤、劉忠寶、王鵬威等領(lǐng)導(dǎo)專家的大力支持與指導(dǎo),以及研究過程中參與的研究生李新、肖勁光、李眾、李碩、劉振宇等同學(xué),特別感謝前期工作的趙建華博士和后期論文審稿專家的辛勤勞動(dòng)。