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(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300452;2.中聯(lián)煤層氣股份有限公司,北京 100011)
我國(guó)頁(yè)巖氣勘探技術(shù)程度較低,地質(zhì)條件復(fù)雜,工程技術(shù)不完善,嚴(yán)重制約我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)。特別是我國(guó)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣勘探開發(fā)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)比較匱乏,鑒于目前我國(guó)90%以上的頁(yè)巖氣鉆井需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)層壓裂改造后才可能有較好的產(chǎn)量,因此評(píng)價(jià)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓性是判斷海陸過(guò)渡相頁(yè)巖區(qū)塊勘探開發(fā)能否取得重要突破的關(guān)鍵之一[1-4]。鑒于此,本文基于鄂爾多斯東緣臨興區(qū)塊近三年頁(yè)巖氣探井資料,綜合分析巖性、孔裂隙、礦物含量及脆性指數(shù)等可壓地質(zhì)參數(shù),探討了該區(qū)石炭-二疊系海陸過(guò)渡相頁(yè)巖層系可壓潛力,為該區(qū)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造提供科學(xué)依據(jù)。
鄂爾多斯盆地位于中國(guó)大陸中部,是一個(gè)多旋回演化、多沉積類型的大型沉積盆地。鄂爾多斯盆地構(gòu)造上隸屬華北地臺(tái)西部,現(xiàn)今構(gòu)造面貌為一南北翹起、東翼緩而長(zhǎng)、西翼短而陡的不對(duì)稱向斜[5-6]。盆地內(nèi)劃分為六個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元:伊盟隆起、渭北隆起、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、西緣沖斷帶、晉西撓褶帶(圖1)。
圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃圖
臨興中氣田歸屬于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶。上古生界地層以海陸過(guò)渡相-陸相碎屑巖沉積為主,地層自下而上發(fā)育石炭系本溪組、二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組[7]。其中石炭系-二疊系山西組下段發(fā)育大套海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖層段,氣測(cè)顯示明顯的頁(yè)巖層段累計(jì)可達(dá)10~100 m,其中山2 段為1.7~32.6 m,太1 段為1.4~29.1 m,太2 段為5~25 m,本1 為2.2~21 m,本2 段為1~7 m,為該區(qū)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣勘探提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。
臨興中區(qū)塊海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖層段發(fā)育泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖、薄煤層等多種細(xì)粒巖性,進(jìn)一步細(xì)分為黏土質(zhì)泥頁(yè)巖、碎屑質(zhì)泥頁(yè)巖、含灰質(zhì)泥頁(yè)巖、碳質(zhì)泥巖四大類型。黏土質(zhì)泥頁(yè)巖整體均發(fā)育,灰色呈塊狀,層理不發(fā)育;碎屑質(zhì)泥頁(yè)巖多發(fā)育于山西組山2 段,偶見(jiàn)平行層理,多夾砂質(zhì)條帶;碳質(zhì)泥巖多發(fā)育太原組含煤層系,層理相對(duì)發(fā)育,局部見(jiàn)植物碎屑和薄煤線;灰質(zhì)泥頁(yè)巖多發(fā)育本溪組和太原組下部太2 段,其層理不發(fā)育,以塊狀-層狀結(jié)構(gòu)為主,見(jiàn)黃鐵礦和貝殼類化石。
氬離子拋光-場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡表明海陸過(guò)渡相頁(yè)巖中無(wú)機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)均有發(fā)育,裂縫形態(tài)多樣,且多在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部見(jiàn)微裂隙,呈鋸齒狀、片狀、彎曲狀、X 型、Y 型,寬度主要介于10~500 nm 之間,長(zhǎng)度為微米級(jí)(圖2)。利用CT 掃描刻畫不同類型泥頁(yè)巖裂縫特征,結(jié)果顯示碎屑質(zhì)頁(yè)巖微裂縫裂縫最發(fā)育,裂縫寬度較寬及延伸較長(zhǎng),灰質(zhì)泥頁(yè)巖次之(表1)。
表1 不同泥頁(yè)巖樣品CT 掃描裂縫參數(shù)
圖2 太原組泥頁(yè)巖孔隙發(fā)育特征
頁(yè)巖的礦物成分主要組成為脆性礦物和黏土礦物,它們是影響其力學(xué)性質(zhì)、基質(zhì)孔隙和裂縫發(fā)育以及壓裂改造方式等的重要因素,因此,常將脆性礦物含量作為泥頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一[8]。
根據(jù)X-衍射全巖礦物成分分析結(jié)果,石炭-二疊系泥頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性礦物以石英為主,另外還含有鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦、鐵白去石等。通過(guò)對(duì)臨興中區(qū)182 件樣品實(shí)驗(yàn)分析,山西組-太原組-本溪組泥頁(yè)巖中脆性礦物總含量為8%~91%,其中石英平均含量為34.9%,長(zhǎng)石平均含量為4.0%,黃鐵礦平均含量為0.8%,碳酸鹽平均含量為7.3%(圖3)。
黏土礦物是泥頁(yè)巖的重要組成部分,也是泥頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂改造的不利因素。黏土特征含量越高,儲(chǔ)層的塑性越強(qiáng),越難壓裂[9]。黏土礦物主要包括蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等。
臨興中泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中黏土礦物含量在3.4%~92%,其中山2 段黏土礦物平均含量為42.7%,太1 段黏土礦物平均含量為49.4%,太2段黏土礦物平均含量為37.6%,本1 段黏土礦物平均含量為50.1%,本2 段黏土礦物平均含量為59.7%。樣品中未檢出水敏性最強(qiáng)的蒙脫石,說(shuō)明臨興中泥頁(yè)巖儲(chǔ)層有利于人工壓裂改造。
選取石英、長(zhǎng)石、方解石作為海陸過(guò)渡相頁(yè)巖脆性主要礦物成分,利用礦物組分計(jì)算脆性指數(shù)探討頁(yè)巖可壓性。其中:脆性指數(shù)>40%,脆性很強(qiáng);20%~40%為脆性中等,10%~20%為脆性較弱,小于10%為塑性。
脆性指數(shù)(BI)計(jì)算公式:
式中:BI為巖石脆性指數(shù)(以石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽礦物+黃鐵礦含量計(jì)),%。
182 件樣品脆性指數(shù)結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)海陸過(guò)渡相樣品脆性指數(shù)差異較大,總體樣品的脆性系統(tǒng)介于40%~60%,其中碎屑質(zhì)泥頁(yè)巖脆性指數(shù)最大可達(dá)60%以上,脆性很強(qiáng);碳質(zhì)泥頁(yè)巖、灰質(zhì)泥頁(yè)巖樣品脆性指數(shù)在20%~40%,黏土質(zhì)泥巖樣品脆性指數(shù)在0~20%。
海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖層段巖性復(fù)雜,夾雜碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖、薄煤層等,氣測(cè)顯示較好的頁(yè)巖層段具有“平面累計(jì)厚度大、縱向薄層多疊置”的特征,平面資源潛力有保障,但后期縱向優(yōu)勢(shì)層段選取是勘探開發(fā)的基礎(chǔ);可壓性方面,頁(yè)巖中具有“孔裂隙組合、脆性指數(shù)差異大”的特點(diǎn),其中孔隙類型中無(wú)機(jī)孔、有機(jī)孔均有發(fā)育,但不同類型的泥頁(yè)巖孔裂隙發(fā)育有差異,呈現(xiàn)出多種孔隙類型組合的特征;利用石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖脆性指數(shù)顯示,總體以中等脆性為主,其中碎屑質(zhì)泥頁(yè)巖脆性最高,其次為灰質(zhì)泥頁(yè)巖和碳質(zhì)泥頁(yè)巖;黏土礦物中不發(fā)育水敏性最強(qiáng)的蒙脫石是有利可壓的條件。綜上所述,該區(qū)海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖具有一定的資源潛力,且碎屑質(zhì)泥頁(yè)巖、灰質(zhì)泥頁(yè)巖、碳質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙-裂隙發(fā)育且脆性礦物含量高,脆性較強(qiáng),具有一定的可壓潛力,后期優(yōu)選上述泥頁(yè)巖層段進(jìn)行壓裂測(cè)試。
1)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖可分為黏土質(zhì)泥頁(yè)巖、碎屑質(zhì)泥頁(yè)巖、含灰質(zhì)泥頁(yè)巖四大類,涉及的巖性包括泥碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖、薄煤層等。
2)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖孔裂隙發(fā)育,但類型多樣,不同泥頁(yè)巖孔裂隙連通性不同。其碎屑質(zhì)頁(yè)巖微裂縫裂縫最發(fā)育,裂縫寬度較寬及延伸較長(zhǎng),連通性較好;灰質(zhì)泥頁(yè)巖次之。
3)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖脆性礦物以石英為主,平均含量為34.9%。脆性指數(shù)差異較大,樣品的脆性指數(shù)介于40%~60%,碎屑質(zhì)泥頁(yè)巖脆性指數(shù)最大可達(dá)60%以上,脆性最強(qiáng)。
4)海陸過(guò)渡相有利頁(yè)巖層段具有“平面累計(jì)厚度大、縱向薄層多疊置”的特征,資源有保障;碎屑質(zhì)泥頁(yè)巖、灰質(zhì)泥頁(yè)巖、碳質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙-裂隙發(fā)育、脆性指數(shù)適中,為具有可壓潛力的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段。