郭 軍, 苑 坤, 郭經(jīng)緯, 陳相霖, 李 巖

(1.湖南省地球物理地球化學(xué)調(diào)查所,湖南 長(zhǎng)沙 410116; 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083;3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心,北京 100083)

0 引言

近年來,隨著我國(guó)加大頁巖氣勘探開發(fā)力度,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)頁巖氣地層的生烴條件、儲(chǔ)集特征、成藏規(guī)律等方面開展了大量研究[1-4],在四川盆地及其周緣地區(qū)的涪陵、富順—永川、長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)等地均獲得了頁巖氣勘探的重大突破,并形成了工業(yè)化開發(fā)[5-6]。石炭系打屋壩組是四川盆地周緣海相沉積中發(fā)育富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的層位之一,同時(shí)也是桂中—南盤江地區(qū)頁巖氣勘探的目標(biāo)地層[7-9],但目前針對(duì)打屋壩組儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)和勘探實(shí)踐還較少。黔水地1井位于貴州省六盤水市市郊,是一口以探明打屋壩組頁巖氣地質(zhì)形成條件及含氣性,獲取資源評(píng)價(jià)關(guān)鍵參數(shù)為目的頁巖氣調(diào)查井,在鉆探過程中獲得了良好的頁巖氣發(fā)現(xiàn)[10]。本文結(jié)合實(shí)鉆數(shù)據(jù)與室內(nèi)解釋,系統(tǒng)研究了黔水地1井的頁巖儲(chǔ)層含氣性及其可壓性特征,對(duì)該地區(qū)的下一步勘探方向可起到引導(dǎo)作用,有助于準(zhǔn)確尋找頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)的目標(biāo)區(qū)。

1 地質(zhì)背景

桂中—南盤江地區(qū)位于上揚(yáng)子地塊的六盤水?dāng)嘞輩^(qū),埡都—紫云—羅甸裂陷槽西部,黔西南坳陷與黔中滇東隆起交接處(圖1)。根據(jù)區(qū)域調(diào)查和野外露頭資料,研究區(qū)及周緣地區(qū)在早石炭世呈現(xiàn)北東高、南西低的構(gòu)造格局,早石炭世晚期—早二疊世,研究區(qū)主要受埡都—紫云斷裂帶和區(qū)內(nèi)NEE向的隱伏斷裂共同控制,同沉積斷裂對(duì)研究區(qū)內(nèi)的古地理演化起到了控盆、控相作用。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of the study area

黔水地1井位于桂中—南盤江地區(qū)的中北部,鉆遇地層自上而下依次為: ①第四系(Q4),厚21 m,主要發(fā)育黃色、棕黃色含礫、泥礫黏土層; ②下石炭統(tǒng)南丹組(C1n),厚1 426 m,主要發(fā)育淺灰色泥晶-中細(xì)粒生屑灰?guī)r,底部碳質(zhì)泥巖增多; ③下石炭統(tǒng)打屋壩組(C1dw),四段層厚66 m,主要發(fā)育灰色灰質(zhì)泥頁巖; 三段厚288 m,主要發(fā)育深灰色灰質(zhì)泥巖、灰質(zhì)頁巖、灰色泥晶灰?guī)r; 二段層厚122 m,主要發(fā)育深灰色灰質(zhì)頁巖夾灰黑色碳質(zhì)泥巖; 一段層厚533 m,主要發(fā)育深灰色硅質(zhì)泥巖、泥巖、灰質(zhì)泥巖,性軟、吸水性好,見少量黃鐵礦顆粒; ④下石炭統(tǒng)睦化組(C1m)主要發(fā)育深灰色黏土巖(圖2),估算目的層打屋壩組地層壓力系數(shù)約1.30,屬于高壓儲(chǔ)層。黔水地1井打屋壩組地質(zhì)錄井綜合柱狀圖見圖2。

圖2 黔水地1井打屋壩組地質(zhì)錄井綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of geological logging in Dawuba Formation of Qianshuidi 1 Well

2 頁巖儲(chǔ)層含氣性

2.1 巖相組合特征

根據(jù)實(shí)鉆資料,黔水地1井的全井地層具有灰質(zhì)泥頁巖-泥晶灰?guī)r-灰質(zhì)泥巖、灰質(zhì)頁巖-泥巖巖相組合特征,表現(xiàn)為碳酸鹽斜坡相的下斜坡亞相過渡至臺(tái)盆相,其環(huán)境閉塞、能量較低,是發(fā)育頁巖氣層的有利相帶。

2.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

全井采用美國(guó)Leco CS230碳硫分析儀完成103項(xiàng)次的巖心樣品測(cè)試,分析精度優(yōu)于0.5%。測(cè)試結(jié)果表明: 打屋壩組總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)含量為0.33%～3.67%,平均 0.92%。其中打屋壩組三段中下部測(cè)試47件樣品,巖性主要為深灰色、灰黑色泥頁巖,TOC為0.33%～3.67%,平均1.05%; 二段測(cè)試4件樣品,巖性為灰黑色泥巖,TOC為0.88%～1.13%,平均1.01%; 一段上部測(cè)試10件樣品,巖性為灰黑色泥巖、灰質(zhì)泥巖,TOC為0.48%～1.42%,平均1.13%。整體上,打屋壩組一段上部—三段中下部達(dá)到了好—優(yōu)質(zhì)烴源巖的標(biāo)準(zhǔn),具有較好的生烴潛力。

2.3 孔滲特征

2.4 含氣特征

根據(jù)氣測(cè)錄井結(jié)果,黔水地1井全井氣顯示好的地層主要集中在TOC值較高的打屋壩組一段上部—三段中下部井段1 540～2 070 m,其氣測(cè)全烴最大值為63.41%,甲烷最大值為63.40%?，F(xiàn)場(chǎng)解吸68件樣品,氣量為0 ～1.18 m3/t ,總含氣量最高達(dá)2.58 m3/t,平均含氣量為1.08 m3/t。多回次巖心出筒后的浸水實(shí)驗(yàn)顯示巖心均冒泡強(qiáng)烈,呈密集串珠狀(圖3)。多次關(guān)井點(diǎn)火,火焰最高達(dá)3.0 m,最長(zhǎng)持續(xù)60 min火焰高度未降,火焰呈黃色。打屋壩組在未壓裂的情況下已能形成穩(wěn)定的頁巖氣流,具備良好的勘探開發(fā)潛力。

圖3 黔水地1井浸水實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Water immersion experiment photo of Qianshuidi 1 Well

3 可壓性主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 巖石礦物學(xué)特征

全井采用可讀最小步長(zhǎng)0.000 1°的Bruker D8 advance X射線衍射儀對(duì)47件巖心樣品進(jìn)行全巖測(cè)試,分析顯示打屋壩組的礦物成分以方解石、黏土礦物為主,其次為石英、白云石,少量黃鐵礦、菱鐵礦等,脆性礦物含量(長(zhǎng)英質(zhì)礦物與碳酸鹽巖礦物之和所占礦物總量的百分比)為31%～100%(圖4); 垂向上,脆性礦物的總含量隨著泥質(zhì)含量的增加而減少,受巖性巖相控制顯著。其中,主要含氣層段打屋壩組一段上部—三段中下部的脆性礦物含量為31%～94%,平均73.5%。

圖4 黔水地1井打屋壩組脆性礦物含量統(tǒng)計(jì)Fig.4 Content statistics of brittle minerals in Dawuba Formation of Qianshuidi 1 Well1 ft=0.304 8 m。

3.2 裂縫發(fā)育特征

根據(jù)巖心觀察,打屋壩組裂縫較發(fā)育,主要為水平裂縫和斜裂縫(圖5),縫寬0.1～10 mm,多呈現(xiàn)為半充填或未充填狀態(tài),部分全充填。充填物質(zhì)多為方解石、泥質(zhì)等,鏡下觀察顯示裂縫主要為構(gòu)造微裂縫和成巖微裂縫。其中,構(gòu)造微裂縫呈現(xiàn)切穿礦物顆粒、方解石脈及縫合線現(xiàn)象,具有一定的開啟度并未被充填,大多數(shù)為有效裂縫; 成巖微裂縫縫寬多分布在0.02～0.1 mm,充填物主要為有機(jī)質(zhì)、方解石、黃鐵礦。

圖5 黔水地1井斜裂縫巖心照片F(xiàn)ig.5 Core photo of diagonal cracks in Qianshuidi 1 Well

通過采用哈里伯頓公司LOG-IQ測(cè)井系列的XRMI電成像測(cè)井和Geoframe解釋系統(tǒng),得出黔水地1井高導(dǎo)縫參數(shù)定量計(jì)算結(jié)果為: 井段1 400～1 650 m,裂縫長(zhǎng)度<11.812 m/m2,平均2.520 m/m2; 裂縫密度<8.202條/m,平均2.464條/m; 裂縫孔隙度<0.668%,平均0.084%; 井段1 650～2 400 m,裂縫長(zhǎng)度<8.193 m/m2,平均2.097 m/m2; 裂縫密度<6.562條/m,平均2.084條/m; 裂縫孔隙度<0.227%,平均0.028%。

綜上可知,打屋壩組天然裂縫發(fā)育,為頁巖氣的保存成藏提供了儲(chǔ)集空間,也為后期壓裂改造并形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)提供了良好條件。

3.3 巖石力學(xué)特征

采用ECLIPS-5700測(cè)井系統(tǒng)和eXpress解釋系統(tǒng)開展交叉偶極子陣列聲波測(cè)井采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,結(jié)果顯示黔水地1井以頁巖為主的地層縱波時(shí)差主要分布在70～102 μs/ft(1)1 ft=0.304 8 m。,橫波時(shí)差主要分布在130～190 μs/ft(2)1 ft=0.304 8 m。,縱橫波速度比主要分布在1.6～2.1; 主要含氣層段1 540～2 070 m 的泊松比為0.25～0.35,平均0.31; 體積彈性模量為 18.8～46.1 GPa,平均27.2 GPa; 破裂壓力為29.7～48.5 MPa。

3.4 地應(yīng)力方向特征

地應(yīng)力方向與井眼崩落及誘導(dǎo)縫的方向的關(guān)系密切。在直井中,從圖像上分析井眼崩落及鉆井誘導(dǎo)縫的發(fā)育方向可以確定最大或最小水平主應(yīng)力的方向[13-15]。根據(jù)微電阻率掃描成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),黔水地1井的井段1 415～1 445 m、2 050～2 052 m誘導(dǎo)縫發(fā)育。下部由于泥質(zhì)含量高,地層塑性強(qiáng),誘導(dǎo)縫發(fā)育較少; 井段1 400～1 650 m井眼崩落特征不明顯,井段1 650～2 400 m井眼崩落局部發(fā)育。兩者揭示的最大水平主應(yīng)力方向均為NW—SE向。

4 儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)

黔水地1井的儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)分為3個(gè)方面。

(1)具備易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力。黔水地1井地區(qū)處于拉張、擠壓、剪切等多種應(yīng)力的作用之下,天然裂縫發(fā)育,且具有與NW向的最大主應(yīng)力方向相近的高角度裂縫,使得頁巖內(nèi)的拉張應(yīng)力得到了有效釋放,導(dǎo)致主應(yīng)力差減小,有利于儲(chǔ)層的壓裂改造; 上部高應(yīng)力差的灰?guī)r巖層的存在可有效控制壓裂縫的縱向延伸高度,有助于泥頁巖井段的壓裂效果。而黔水地1井中走向、傾向均雜亂分布的高阻縫,也為天然裂縫和壓裂縫在體積改造過程中形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)提供了便利條件。

(2)具備較好的破裂潛力的脆性礦物可以反映頁巖的脆性程度,其含量在一定程度上決定了頁巖的可壓裂性。脆性礦物含量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖4)顯示黔水地1井主要含氣層段打屋壩組一段上部—三段中下部的脆性礦物總含量為31%～94%,在外力作用下易發(fā)生破碎,后期壓裂改造中可產(chǎn)生較多誘導(dǎo)縫,故重點(diǎn)井段具備較好的破裂潛力。

(3)具備較好的裂縫保持能力。彈性模量和泊松比是反映巖石脆性的主要力學(xué)參數(shù),彈性模量反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力,泊松比反映了頁巖在壓力下破裂的能力[16]。一般認(rèn)為巖石的彈性模量越大,泊松比越小,其脆性越高[17-18]。當(dāng)彈性模量大于 24 GPa、泊松比小于0.25時(shí),頁巖的脆性指數(shù)高,可壓裂性好[19]。依據(jù)巖石力學(xué)特征,黔水地1井主要含氣層段的體積彈性模量(27.2 GPa)和泊松比(0.31)均大于標(biāo)準(zhǔn)值,表明該段地層保持裂縫能力較好,但需要的破裂壓力相對(duì)較大。

5 結(jié)論

(1)黔水地1井打屋壩組由碳酸鹽斜坡相的下斜坡亞相過渡至臺(tái)盆相,泥頁巖發(fā)育,打屋壩組一段上部—三段中下部地層達(dá)到了好—優(yōu)質(zhì)烴源巖的標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)場(chǎng)氣測(cè)全烴最大值為63.41%,解吸氣量平均值1.08 m3/t,多次關(guān)井點(diǎn)火,在未壓裂的情況下已能形成穩(wěn)定的頁巖氣流。

(2)打屋壩組地層脆性礦物含量為31%～100%,天然裂縫發(fā)育,最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W—SE向; 主要含氣層段泊松比平均值為0.31,體積彈性模量平均值為27.2 GPa,破裂壓力為29.7～48.5 MPa。

(3)打屋壩組主要含氣層段具備較好的破裂潛力、裂縫保持能力、大規(guī)模體積壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的便利條件等,再加上良好的氣顯示和較大的地層壓力,揭示了該套地層具備壓裂形成工業(yè)產(chǎn)能的可能,可作為下一步勘探開發(fā)的目標(biāo)層段。