高兵艷

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250110)

0 引言

近來，國際油價不斷攀升，能源供給壓力日益增大[1-2]，作為常規(guī)能源的重要補(bǔ)充，頁巖氣的作用逐漸顯現(xiàn)，在中國南方頁巖氣已實(shí)現(xiàn)規(guī)模性商業(yè)開發(fā)[3-6]。山東省是中國的資源大省，常規(guī)油氣資源豐富，非常規(guī)能源調(diào)查業(yè)已開展，但頁巖氣壓裂開采工作至今尚未實(shí)施。萊陽凹陷是山東省中生代暗色泥頁巖最為發(fā)育的凹陷盆地之一。以往對萊陽凹陷水南組開展過沉積相、頁巖氣生儲條件、頁巖氣資源潛力、儲層含氣性等研究工作[7-10]，尚未對水南組頁巖氣儲層改造性能進(jìn)行評價或探討。本次在分析萊陽凹陷水南組頁巖氣儲層巖性和有機(jī)地化特征基礎(chǔ)上，對泥頁巖裂縫發(fā)育特征、巖石脆性、可壓性進(jìn)行分析，結(jié)果表明萊陽凹陷水南組泥頁巖宏觀裂縫和微裂縫發(fā)育、巖石脆性礦物含量高、脆性指數(shù)評價為巖石脆性很強(qiáng)，具有較好的可壓性，有利于人工壓裂形成網(wǎng)狀體積裂縫，研究結(jié)果對水南組頁巖氣儲層壓裂具有借鑒意義。

1 地質(zhì)背景特征

山東省暗色泥頁巖主要發(fā)育在古生界、中生界和新生界中，其中，中生界暗色泥頁巖以膠萊坳陷的萊陽凹陷水南組最為發(fā)育[11-13]。萊陽凹陷位于大野頭凸起和膠北凸起之間，為一中生代殘留陸相沉積盆地，整體形態(tài)為一南斷北超型箕狀盆地，南以五龍村斷裂與大野頭凸起相接，東側(cè)以桃村-東陡山斷裂為界，西側(cè)邊界為萊西斷裂，向北超覆于膠北隆起之上(圖1)。

1—第四系；2—白堊紀(jì)王氏群；3—白堊紀(jì)萊陽群水南組；4—白堊紀(jì)青山群；5—古元古代荊山群；6—中細(xì)粒含角閃英云閃長質(zhì)片麻巖；7—潛英安斑巖；8—疏粗斑中粒含角閃二長花崗巖；9—地質(zhì)界線；10—構(gòu)造界線；11—斷裂；12—鉆孔及編號

萊陽凹陷水南組巖性以灰黑色、深灰色泥頁巖為主，夾粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖和薄層細(xì)砂巖，顯示還原條件下暗色色調(diào)沉積特征，為半深湖―深湖相沉積，水南組巖石中含豐富的動植物化石，水南組暗色泥頁巖發(fā)育厚度為200～443m，泥地比大于70%，暗色泥頁巖含豐富有機(jī)質(zhì)。

2 頁巖氣儲層特征

2.1 有機(jī)地化特征

有機(jī)碳含量是評價泥頁巖生烴質(zhì)量的重要指標(biāo)，獲取萊陽凹陷萊孔2、ZK1、ZK2、ZK8-ZK10水南組泥頁巖有機(jī)碳樣品23件(表1)，有機(jī)碳含量為0.17%～2.92%，平均值為1.38%；其中有機(jī)碳含量小于0.4%的樣品2件，0.4%～0.6%的2件，0.6%～1.0%的3件，大于1.0%的16件(圖2)；從有機(jī)碳含量分析水南組以好烴源巖為主，具備頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 水南組泥頁巖有機(jī)碳含量范圍分布圖

表1 萊陽凹陷水南組有機(jī)碳豐度一覽表

生烴潛量是表征巖石中能夠生成但還未生成烴類物質(zhì)的最大量，獲取萊陽凹陷水南組剖面和鉆孔樣品38件，生烴潛量為0.01～23.03mg/g，平均值為4.42mg/g；其中小于0.5mg/g樣品11件，0.5～2.0mg/g樣品6件，2.0～6.0mg/g樣品12件，大于6.0mg/g樣品9件；從生烴潛量分析水南組以較好烴源巖為主，說明具備較好的生烴能力。

干酪根類型一般采用三類四分法，其中Ⅰ型干酪根也稱腐泥型干酪根，生油氣潛能最高[14-15]，Ⅱ型(分為Ⅱ1型和Ⅱ2型)干酪根也稱混合型干酪根，生油氣潛能中等，Ⅲ型干酪根也稱腐殖型干酪根，以生氣為主。在萊孔2、萊參1、ZK2、ZK8中獲取萊陽凹陷水南組干酪根樣品26件，其中Ⅰ型干酪根8件，Ⅱ型干酪根11件(其中Ⅱ1型8件和Ⅱ2型3件)，Ⅲ型干酪根7件；水南組干酪根以Ⅱ型為主，Ⅰ型次之，說明其具有較好的油氣生成潛能。

鏡質(zhì)體反射率反映了有機(jī)質(zhì)的演化程度，一般認(rèn)為鏡質(zhì)體反射率小于0.50%為未成熟；0.50%～1.30%為成熟階段，以油氣共生為主。大于1.30%為過程成熟階段，以大量生氣為主[16-19]。萊陽凹陷水南組鏡質(zhì)體反射率值為0.54%～1.45%，19件鏡質(zhì)體樣品中反射率0.70%～1.30%之間15件(占79%)，大于1.30%有4件，說明萊陽凹陷水南組烴源巖以油氣共生為主，局部進(jìn)入大量生氣階段。

2.2 裂縫發(fā)育特征

裂縫發(fā)育程度直接影響著儲層壓裂改造性能和后期產(chǎn)能[20-21]。水南組宏觀裂縫系統(tǒng)較為發(fā)育，以小型裂縫為主，主要發(fā)育構(gòu)造裂縫、溶蝕裂縫，裂縫多被方解石充填。靠近斷裂位置，構(gòu)造裂縫明顯增多，以剪切裂縫為主，局部為張裂縫。微觀裂隙肉眼難以辨認(rèn)，在光學(xué)顯微鏡下顯示微裂縫發(fā)育，長短不一，一般延伸長度大于500μm，寬度為5～20μm不等，裂縫見方解石充填(圖3a、圖3b)。

掃描電鏡顯示水南組泥頁巖微觀裂縫類型主要為外力作用下形成的外生裂隙及顆粒間裂隙，長度從幾微米到幾百微米，裂縫寬度一般在0.5～2μm之間，其中外生裂隙往往穿過多個顆粒，呈筆直狀，很少分叉。顆粒間裂隙分布于顆粒周圍，為顆粒與周圍礦物的接觸界線，且主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)顆粒和石英周圍，為顆粒在后期成巖過程中基質(zhì)收縮所致。根據(jù)成因可分為構(gòu)造微裂縫、卸載微裂縫、溶蝕微裂縫和收縮微裂縫等(圖3c、圖3d)。

a、b—光學(xué)顯微鏡下裂縫發(fā)育特征;c—掃描電鏡下溶蝕微裂縫；d—掃描電鏡下收縮微裂縫

3 礦物成分

3.1 脆性礦物

脆性礦物含量對頁巖氣儲層的改造、壓裂難易程度有直接影響[22-25]，因此，脆性礦物含量也是頁巖氣儲層評價的重要參數(shù)之一?！俄搸r氣資源儲量計(jì)算與評價技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0254—2014)要求頁巖氣儲層脆性礦物不低于30%。

萊陽凹陷水南組15件X-衍射全巖礦物成分分析顯示，水南組泥頁巖脆性礦物主要由白云石、石英、斜長石、鉀長石、方解石、黃鐵礦組成，脆性礦物總含量為75.2%～94.1%，平均含量為84.9%。白云石含量為13.4%～59.6%，平均含量為33.7%，石英含量為9.4%～30.0%，平均含量為20.9%，斜長石含量為2.5%～32.5%，平均含量為15.3%，鉀長石含量為3.0%～16.0%，平均含量為5.9%，方解石含量為0～45.2%，檢出樣品平均含量為12.2%，黃鐵礦含量為0～5.0%(圖4)，檢出樣品平均含量為3.6%。

1—石英；2—鉀長石；3—斜長石；4—方解石；5—白云石；6—黃鐵礦；7—黏土礦物

萊陽凹陷水南組泥頁巖脆性礦物含量最小值為75.2%，說明水南組泥頁巖脆性礦物含量較高，從脆性礦物含量來看有利于儲層的壓裂改造。

3.2 黏土礦物

萊陽凹陷水南組泥頁巖中黏土礦物含量為5.9%～24.8%，平均含量為15.1%，15件X衍射黏土礦物成分分析顯示，黏土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主，部分樣品檢出高嶺石和綠泥石。伊利石含量為35%～84%，平均含量為59%，伊/蒙混層含量為16%～60%，平均含量為39%，高嶺石含量為0～10%，檢出樣品平均含量為3%，綠泥石含量為0～7%，檢出樣品平均含量為2%。樣品中未檢出水敏性最強(qiáng)的黏土礦物蒙脫石[26]，說明水南組泥頁巖利于后期壓裂改造。

3.3 脆性指數(shù)

儲層的巖石脆性一般用脆性指數(shù)來衡量，傳統(tǒng)巖石脆性指數(shù)計(jì)算方法僅以石英含量進(jìn)行計(jì)算[27-28]，近年來學(xué)者認(rèn)為泥頁巖中的長石、黃鐵礦等對巖石脆性也有貢獻(xiàn)作用，進(jìn)而改進(jìn)以石英、長石、黃鐵礦計(jì)算巖石脆性指數(shù)，使之更加切合實(shí)際。

改進(jìn)巖石脆性指數(shù)(BI2法)計(jì)算公式為：

(1)

式中：BI2—巖石脆性指數(shù)(以石英+長石+黃鐵礦含量計(jì)，%)；V石英+長石+黃鐵礦—石英含量+長石含量+黃鐵礦含量(%)；V碳酸鹽礦物—碳酸鹽礦物含量(%)；V黏土—黏土礦物含量(%)。

BI2法計(jì)算水南組脆性指數(shù)為28%～63%(表2)，全部屬脆性很強(qiáng)。BI2法已被學(xué)者們所認(rèn)可[29-33]，并在我國南方頁巖氣儲層評價實(shí)踐中得到證實(shí)，因此萊陽凹陷水南組泥頁巖脆性評價為脆性很強(qiáng)。

表2 萊陽凹陷水南組脆性指數(shù)計(jì)算表

4 可壓性探討

萊陽凹陷水南組為半深湖—深湖相沉積，巖性以灰黑色、深灰色泥頁巖為主，夾粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖和薄層細(xì)砂巖，泥頁巖發(fā)育厚度為200～443m，泥地比大于70%，泥頁巖中主要發(fā)育構(gòu)造裂縫、溶蝕裂縫等宏觀裂縫，構(gòu)造微裂縫、卸載微裂縫、溶蝕微裂縫和收縮微裂縫等微觀裂縫，易于在外力的誘導(dǎo)下形成網(wǎng)狀體積裂縫。水南組脆性礦物總含量為75.2%～94.1%，脆性礦物含量高，黏土礦物含量小于24.8%，且不含水敏性最強(qiáng)的黏土礦物蒙脫石，易于頁巖氣儲層的壓裂改造。

綜合分析萊陽凹陷水南組泥頁巖宏觀和微觀裂縫發(fā)育、脆性礦物含量高、脆性指數(shù)評價儲層巖石脆性很強(qiáng)，認(rèn)為萊陽凹陷水南組泥頁巖具有較好的可壓性，利于人工改造、壓裂，形成人造網(wǎng)狀縫。

5 結(jié)論

(1)萊陽凹陷水南組發(fā)育較厚的泥頁巖，有機(jī)碳含量0.17%～2.92%，平均值為1.38%，生烴潛量為0.01～23.03mg/g，平均值為4.42mg/g；干酪根以Ⅱ型為主，Ⅰ型次之；鏡質(zhì)體反射率為0.54%～1.45%；水南組泥頁巖具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)、較好的生烴能力、主體已演化至油氣共生階段，局部進(jìn)入大量生氣階段。

(2)水南組泥頁巖中宏觀裂縫和微裂縫均發(fā)育，裂縫之間具有一定的聯(lián)通性和相接性，易于在壓裂改造時形成誘導(dǎo)網(wǎng)狀體積裂縫，提高頁巖氣產(chǎn)能。

(3)水南組泥頁巖脆性礦物含量為75.2%～94.1%，脆性礦物含量高，利用改進(jìn)巖石脆性指數(shù)評價，水南組泥頁巖脆性指數(shù)為28%～63%，巖石脆性很強(qiáng)，說明水南組泥頁巖脆性和可壓性均較好，利于后期人工壓裂和儲層改造，為萊陽凹陷水南組頁巖氣儲層壓裂改造提供的借鑒。