張 棟,董果果,王林生,汪 超,李中明

(1.河南省地質(zhì)研究院,河南鄭州 450001;2.地下清潔能源勘查開發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,河南鄭州 450001;3.浙江海川勘察有限公司,浙江杭州 310012;4.河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司,河南鄭州 450053)

河南省中部是國務(wù)院規(guī)劃的中原城市群核心地區(qū),西至洛陽市、東至開封市、南至許昌市、北至新鄉(xiāng)市,也是河南省內(nèi)城市群體規(guī)模最大、人口最密集、經(jīng)濟(jì)實(shí)力最強(qiáng)、城鎮(zhèn)化水平最高的地區(qū)。近年隨社會(huì)發(fā)展和政策要求,區(qū)內(nèi)對(duì)清潔能源的需求急劇加大,但長期以來該地區(qū)的能源消費(fèi)中煤炭占比很高,截至2020年仍高達(dá)67%,而天然氣作為相對(duì)清潔的替代性化石能源,自給率卻長期低于10%,因此,清潔能源保障壓力極大。

2010年以來,美國頁巖氣開采取得巨大成功,為我國能源發(fā)展提供了新思路,近年來已在四川盆地成功取得海相地層頁巖氣勘探開發(fā)的重大突破并建立工業(yè)產(chǎn)能[1-2],并在川西北地區(qū)的陸相地層中取得了頁巖氣勘探進(jìn)展,河南省中部地區(qū)也于2015年在上古生界海陸過渡相地層中獲得了頁巖氣勘查發(fā)現(xiàn)。

基于河南中部上古生界太原組和山西組的頁巖氣調(diào)查研究工作,結(jié)合勘查現(xiàn)狀,對(duì)區(qū)內(nèi)的頁巖氣儲(chǔ)層特征進(jìn)行分析,提出后續(xù)勘查和研究的方向及難點(diǎn)。

1 勘查現(xiàn)狀

河南省中部地區(qū)位于南華北盆地北部,主體處于嵩箕隆起、中牟凹陷和通許隆起的交接部位(圖1),2012年以來區(qū)內(nèi)先后實(shí)施了二維、三維地震勘探,以及鉆探了MY1、ZDY2和ZDY1HF三口探井(圖1),其中,MY1井對(duì)三個(gè)儲(chǔ)層段進(jìn)行水力壓裂改造,獲得頁巖氣試氣產(chǎn)量1 256 m3/d(三層合采),首次取得了南華北地區(qū)海陸過渡相頁巖氣勘查重大發(fā)現(xiàn),經(jīng)工程工藝改進(jìn)后,鉆探了ZDY2井,獲得了太原組儲(chǔ)層單層試氣產(chǎn)量3 614 m3/d的重大勘探進(jìn)展,目前正在試氣的ZDY1HF水平井,已獲得較好的階段性試氣成果。

區(qū)內(nèi)圈定了5個(gè)有利區(qū)塊,面積724.92 km2,含氣層組總厚170 m,在垂向上圈定了4套有潛力的頁巖氣儲(chǔ)層,分別位于山西組和太原組,有利儲(chǔ)層總厚度可達(dá)50 m,其含氣性、有機(jī)地球化學(xué)特征、物性特征均達(dá)到目前國內(nèi)海陸過渡相頁巖氣有利區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《頁巖氣資源量和儲(chǔ)量估算規(guī)范》 (DZ/T 0254-2014)計(jì)算,經(jīng)相關(guān)機(jī)構(gòu)評(píng)審,海陸過渡相頁巖氣預(yù)測地質(zhì)儲(chǔ)量937.54×108m3。

2 地質(zhì)特征

研究區(qū)基底為太古界和古元古界變質(zhì)結(jié)晶巖系,沉積地層主要為長城系、薊縣系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。根據(jù)60余口鉆井揭露的地層資料,初步判斷區(qū)內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層主要分布在石炭系-二疊系的太原組和山西組[3-8],主要巖性如下(圖2)。

2.1 巖性、厚度及埋深

在眾多鉆孔中優(yōu)選4口典型代表井進(jìn)行分析,其分別位于鞏義(ZK001井)、滎陽(ZK002井)、新鄭(ZK003井)和開封(MY1井),取得頁巖氣儲(chǔ)層的巖性、厚度、埋深等資料(圖3)。

圖3 ZK001、002、003和MY1山西組、太原組綜合柱狀圖連井剖面

ZK001井:位于鞏義市站街鎮(zhèn),鉆至太原組頂部,太原組厚度大于19.8 m(僅揭露太原組頂部層位),主要為灰色-灰黑色灰?guī)r和泥巖互層,992.08～1 001.74 m發(fā)育約10.00 m的灰黑色泥巖。山西組厚度為28.30 m,底板埋深為986.20 m,主要為灰黑色-深灰色粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖夾淺灰色細(xì)砂巖,二1煤層厚1.00 m,大占砂巖層厚度較小,山西組957.97～ 986.23 m發(fā)育約29.00 m厚的粉砂巖、泥巖,該井山西組的厚度減薄與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān),在巖心中可以觀察到斷層角礫和斷層泥等明顯的斷面痕跡。

ZK002井:位于滎陽市,鉆至馬家溝組。太原組厚度53.47 m,巖性為深灰色-黑灰色泥灰?guī)r夾深灰色泥質(zhì)細(xì)砂巖、灰色-深灰色細(xì)砂巖、黑灰色粉砂巖、黑灰色泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖、黑色煤,中部碎屑巖段以砂巖、泥巖和煤線組成,發(fā)育三段灰黑色泥巖和兩層煤。與下伏本溪組地層呈整合接觸,山西組厚度62.52 m,二1煤段巖性主要為灰黑色泥巖和炭質(zhì)泥巖,但是不發(fā)育二1煤層,大占砂巖段下部發(fā)育厚層含泥礫的灰黑色厚層細(xì)粒巖屑砂巖。

ZK003井:位于新鄭市西8 km,鉆至馬家溝組。太原組厚度為71.56 m,底板埋深為813.40 m,巖性主要為灰色-淺灰色灰?guī)r和深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖互層,夾淺灰色中粒砂巖和鋁質(zhì)泥巖,一煤層厚1.50 m,中上部742.56～747.42 m和760.88～776.57 m分別為約5.00 m和16.00 m厚的泥巖,底部灰?guī)r夾4.00 m泥巖。山西組厚度為106.80 m,底板埋深為741.50 m,巖性主要為深灰色泥巖和灰白色細(xì)粒砂巖互層,二1煤層厚6.20 m,下部和上部730.87～741.56 m和634.14～696.05 m分別為約11.00 m和62.00 m深灰色泥巖。

MY1井:位于河南省開封縣西姜寨鄉(xiāng)佛堂王村,鉆至馬家溝組。太原組厚82.00 m,為一套陸源碎屑巖與碳酸鹽巖為主的含數(shù)層煤層組成的含煤建造,中部碎屑巖段巖性為粉砂質(zhì)泥巖、中細(xì)粒砂巖、泥巖、粉砂巖互層,夾灰?guī)r(L4)和3層薄煤層。山西組厚91.00 m,二1煤段厚13.50 m,巖性為灰-深灰色中細(xì)粒砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖呈互層狀產(chǎn)出,具波狀、透鏡狀條帶,脈狀層理,富含植物根、莖、葉化石,有機(jī)組分主要為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組,但二1煤層不發(fā)育。

2.2 有機(jī)地化及物性特征

針對(duì)以上4個(gè)鉆孔的巖心樣品進(jìn)行測試,獲得目標(biāo)層位泥頁巖的總有機(jī)碳含量(TOC)、孔隙度、滲透率、鏡煤反射率(Ro)和含氣量等數(shù)據(jù),經(jīng)過對(duì)比,太原組中部碎屑巖段和山西組二1煤段的深灰色泥頁巖各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)比較突出(表1)。

表1 ZK001、002、003和MY1樣品測試數(shù)據(jù)

對(duì)比樣品測試數(shù)據(jù),河南中部太原組中部碎屑巖段和山西組二1煤段的深灰色泥巖TOC均較高,為4.03%,但是孔隙度和滲透率偏低,孔隙度為1.63%、滲透率為0.023 5×10-3μm2,除新鄭地區(qū)外,其他地區(qū)的Ro偏高,為3.74%,現(xiàn)場解析氣平均含氣量為2.06 m3/t,表明具有較高的含氣潛力[9],因此,在該地區(qū)的頁巖氣勘查過程中,均將太原組中部碎屑巖段和山西組二1煤段作為最主要的頁巖氣目的層[10-12]。

3 儲(chǔ)層特性分析

通過對(duì)區(qū)內(nèi)鉆井巖心深入研究,河南中部上古生界太原組和山西組海陸過渡相頁巖氣儲(chǔ)層的部分特征與國內(nèi)海相和陸相頁巖氣儲(chǔ)層均存在明顯差異[13-16],具有特殊性。以ZDY2井太原組的巖心樣品測試數(shù)據(jù)為例,從脆性礦物含量、有機(jī)質(zhì)類型、含氣結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)方面展開分析。

3.1 脆性礦物含量

ZDY2樣品X射線衍射全巖礦物分析顯示,泥頁巖礦物主要為黏土礦物和石英,其次為長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦、菱鐵礦及鐵白云石等。黏土礦物含量最高,為10.4%～64.1%,平均為44.7%;石英含量次之,為18.6%～51.8%,平均為39.3%;長石類型主要為斜長石,含量不超過10.0%,平均值為2.9%;黃鐵礦含量變化較大,部分樣品黃鐵礦富集,含量可達(dá)23.2%,平均值為4.4%;菱鐵礦、鐵白云石含量一般低于10.0%,平均值約2.0%(圖4)。單就脆性礦物含量而言,該井中太原組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖脆性礦物含量平均為46.6%,遠(yuǎn)低于南方海相頁巖氣儲(chǔ)層(≥60%)[17-20],部分單層脆性礦物含量可達(dá)60%以上,但同時(shí)存在含量40%以下的泥頁巖層。

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

ZDY2井樣品取有機(jī)碳含量大于0.4%的巖心樣品,粉碎至80目以上,稱取粉碎后的樣品50～100 g,放入酸反應(yīng)容器中,用蒸餾水浸泡,使巖樣中的泥質(zhì)充分膨脹,2～4 h后除去上部清液,去碳酸鹽巖酸化處理,離心提取干酪根進(jìn)行鑒定。樣品中有機(jī)質(zhì)類型I、II、III型均有發(fā)現(xiàn),I型干酪根僅在灰?guī)r中分布,相應(yīng)的腐泥組含量很高,一般接近或超過90%,腐泥組+殼質(zhì)組含量超過90%;II型干酪根(II1型、II2型)偶見于太原組泥巖中,腐泥組+殼質(zhì)組含量為25%～90%;III型干酪根分布最廣泛,在太原組各巖性小層均有分布,腐泥組+殼質(zhì)組含量低,不足25%。測試樣品干酪根顯微組分三角圖顯示(圖5),腐泥組+殼質(zhì)組含量以低于10%及40%～65%為主,顯微組分含量變化較大。

圖5 ZDY2樣品干酪根顯微組分三角圖

3.3 含氣結(jié)構(gòu)

ZDY2井現(xiàn)場解析氣氣體組分以甲烷為主,剔除異常值之后,甲烷含量為50.94%～92.94%,平均值約88.10%,甲烷占烴類氣體的比例在99.00%以上,為典型的干氣,但氣體賦存狀態(tài)即含氣結(jié)構(gòu)具有自身特點(diǎn)。通過綜合測算,以巖石孔隙度、密度、地層壓力、地層溫度、壓縮系數(shù)、含氣飽和度等參數(shù)計(jì)算地層溫壓條件下游離氣含量為主,以等溫吸附實(shí)驗(yàn)計(jì)算地層條件下吸附氣含量為輔,相互校正,最終獲得ZDY2井巖石含氣結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果顯示,泥頁巖吸附氣含量為15.8%～96.4%,平均值約71.1%,主要為60.0%～90.0%(圖4),整體上泥頁巖以吸附氣為主,游離氣為輔,這與泥頁巖整體孔隙度小、單孔隙空間小、礦物組分吸附力等因素有關(guān)[21-22]。

3.4 孔隙類型

ZDY2主要通過氬離子拋光-掃描電鏡技術(shù)直接觀察描述孔隙的形態(tài)、類型、方向、連通性及孔徑大小,參考Loucks等分類方法[23],分為無機(jī)孔、有機(jī)孔和微裂縫三種類型。ZDY2井測試樣品巖性主要為泥頁巖,孔隙類型主要為無機(jī)孔、微裂縫和有機(jī)質(zhì)縫,其中無機(jī)孔主要發(fā)育粒間孔、晶間孔和溶蝕孔。

粒間孔:主要發(fā)育在方解石和黏土礦物顆粒之間,方解石粒間孔主要發(fā)育在方解石顆粒之間,由方解石顆粒相互支撐而形成,呈三角形、多邊形、狹長形或不規(guī)則狀,孔隙一般較小,基本為100～500 nm(圖6a);黏土礦物粒間孔是由于黏土礦物自身的不穩(wěn)定性,在成巖壓實(shí)過程中碎裂形成大量的黏土巖屑堆積形成,數(shù)量較多,孔徑范圍變化較大,常見1～5 μm的大孔(圖6b)。

圖6 ZDY2無機(jī)孔掃描電鏡鏡下照片

晶間孔:主要發(fā)育在黃鐵礦晶體之間,偶爾發(fā)育在碳酸鹽巖礦物晶體之間。黃鐵礦晶間孔孔徑變化較大,一般為50～600 nm,草莓狀、點(diǎn)狀或條帶狀黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切,數(shù)量相對(duì)較多,他形黃鐵礦通常與黏土礦物共存,分布范圍廣(圖6c)。另外,在局部發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖礦物晶間孔,呈多邊形或不規(guī)則狀,數(shù)量較少,孔徑30～300 nm(圖6d)。

溶蝕孔:主要發(fā)育在石英晶體內(nèi)部(圖6e),部分發(fā)育在碳酸鹽巖礦物內(nèi)部(圖6f),數(shù)量整體較少。溶蝕孔形狀各異,呈圓形、多邊形、狹長形及不規(guī)則形狀,孔徑較小,一般50～600 nm,各溶蝕孔之間基本不連通,相對(duì)較為孤立。

微裂縫:多以成巖縫為主,常見于黏土礦物層間,偶見于石英晶體與方解石晶體接觸邊緣,裂縫數(shù)量多,寬度較小,一般為20～300 nm,裂縫長度幾百納米甚至數(shù)微米(圖7a～7c)。構(gòu)造裂縫發(fā)育較少(圖7d),掃描電鏡下未發(fā)現(xiàn)高壓碎裂縫。普遍發(fā)育的微裂縫為頁巖氣提供了有效的賦存空間,規(guī)模較大的構(gòu)造裂縫是溝通各類微觀孔隙的橋梁,在頁巖氣開采壓裂時(shí),與礦物相互作用形成相互連通的網(wǎng)絡(luò)孔隙,為頁巖氣運(yùn)移提供了重要的滲流通道。

圖7 微裂縫和有機(jī)質(zhì)縫掃描電鏡鏡下照片

有機(jī)質(zhì)縫:主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部或有機(jī)質(zhì)與黏土礦物接觸部位,縫寬較窄,100 nm以內(nèi),縫長較長,一般可達(dá)數(shù)微米(圖7e、7f)。

3.5 儲(chǔ)層發(fā)育影響因素

河南中部石炭系-二疊系以海陸過渡相沉積為主,該套地層中泥頁巖單層厚度小、夾層多、巖性復(fù)雜,沉積相差異大,沉積環(huán)境不如海相地層穩(wěn)定,故而脆性礦物含量縱橫向變化較大;同時(shí),海陸過渡相沉積中廣泛發(fā)育海洋低等生物和陸地高等植物,是研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的重要來源,總體以III型干酪根發(fā)育為主。

研究區(qū)的有機(jī)質(zhì)發(fā)育特征也在很大程度上影響了儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育,如ZDY2井中海陸過渡相泥頁巖中孔隙以無機(jī)孔縫和有機(jī)質(zhì)縫為主,與海相泥頁巖中大量發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔的特征存在較大差別[24-27]。經(jīng)分析,有機(jī)質(zhì)對(duì)孔隙發(fā)育的影響可能包括以下幾個(gè)方面:III型干酪根的腐植組分繼承了植物木質(zhì)纖維脆度較大的力學(xué)性質(zhì),在外力作用下易發(fā)生內(nèi)部錯(cuò)動(dòng)形成微裂縫,微裂縫的方向一定程度上可能代表了內(nèi)部力學(xué)薄弱面以及受力方向;腐植組分的延展性很差,在其與礦物接觸處經(jīng)常會(huì)因縫合度差異而產(chǎn)生微裂縫[28];鏡質(zhì)體生烴能力強(qiáng),在熱演化過程中也可能因產(chǎn)生的異常壓力使有機(jī)質(zhì)發(fā)生破裂而形成孔隙[29-30];III型干酪根在熱演化過程中生油潛力小[31-32],推測無法在其內(nèi)部有效生成有機(jī)孔,但是可能會(huì)在生氣過程中持續(xù)消耗有機(jī)質(zhì),從而導(dǎo)致整體體積收縮而產(chǎn)生微裂縫。

4 問題與思考

1)河南中部頁巖氣儲(chǔ)層整體脆性遠(yuǎn)不如單層厚度大、巖性較單一的南方海相頁巖氣儲(chǔ)層。這種特性對(duì)頁巖氣開發(fā)過程中的各項(xiàng)工程都產(chǎn)生了不良影響[33-34],尤其對(duì)壓裂工程提出了更高的技術(shù)要求,照搬四川頁巖氣壓裂方案可能會(huì)出現(xiàn)易超壓、易砂堵、易閉合、難轉(zhuǎn)向等問題[35-37]。其他諸如鉆井液配伍性不良、鉆頭鉆進(jìn)效率低、地質(zhì)導(dǎo)向識(shí)別不準(zhǔn)確、壓裂造縫轉(zhuǎn)向困難和縫高受限等情況,這些都與區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層特殊性關(guān)系密切,部分問題經(jīng)過研究分析得到有效解決,但仍存在數(shù)個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)問題持續(xù)制約勘查工作的快速推進(jìn),因此,正確認(rèn)識(shí)區(qū)內(nèi)頁巖氣儲(chǔ)層的地質(zhì)特性并完成針對(duì)性研究和技術(shù)改良至關(guān)重要,對(duì)整個(gè)上古生界海陸過渡相頁巖氣儲(chǔ)層發(fā)育地區(qū)的勘查工作正常推進(jìn)具有重要意義。

2)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層與南方海相頁巖氣儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)類型存在顯著區(qū)別,Ⅲ型干酪根雖然主要生氣,但總體生氣潛力仍不及Ⅰ型和Ⅱ型干酪根[38-39]。由于有機(jī)質(zhì)自身的生烴潛力直接關(guān)系到頁巖氣資源潛力的客觀評(píng)估和儲(chǔ)量的科學(xué)計(jì)算,因此,河南中部上古生界泥頁巖Ⅲ型干酪根的生氣潛力不宜與四川地區(qū)直接對(duì)比,需要加以重視并開展針對(duì)性的生烴過程模擬研究。

3)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層以吸附氣為主的含氣結(jié)構(gòu)與涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖平均值僅34%的吸附氣比例存在顯著差異[40-41],由于含氣結(jié)構(gòu)是頁巖氣勘探開發(fā)中的關(guān)鍵問題,密切關(guān)系到開發(fā)方案的合理制定,因此這種含氣結(jié)構(gòu)特殊性提示業(yè)內(nèi)學(xué)者應(yīng)重視該地區(qū)頁巖氣抽排、試氣、開采方案及相關(guān)機(jī)理的進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1)河南中部的主要頁巖氣儲(chǔ)層太原組中部碎屑巖段和山西組二1煤段發(fā)育穩(wěn)定、分布廣泛,具備區(qū)域成藏的地層條件。

2)鉆孔揭露的頁巖氣儲(chǔ)層TOC含量較高,有機(jī)質(zhì)普遍過成熟,孔隙度和滲透率較低,頁巖氣含氣性較好,整體上具備成藏的物質(zhì)與物性條件。

3)河南中部上古生界太原組和山西組海陸過渡相頁巖氣儲(chǔ)層的脆性礦物含量、有機(jī)質(zhì)類型、含氣結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)等特征,與四川海相頁巖氣儲(chǔ)層均存在明顯差異,具有其特殊性,導(dǎo)致海相頁巖氣成熟的開發(fā)技術(shù)體系在區(qū)內(nèi)適用性一般,需要深入研究并針對(duì)性改良。