發(fā)布時間：2020-01-20所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要四川盆地東南部及其盆緣轉(zhuǎn)換帶(以下簡稱渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶)頁巖氣資源量較大，但其地質(zhì)條件復雜、地層呈常壓特征，給頁巖氣的經(jīng)濟開發(fā)帶來了困難。為了深入認識該區(qū)頁巖氣儲層的非均質(zhì)性，借助X射線衍射、氬離子拋光掃描電鏡、低溫氮氣吸附等手段，從巖
摘 要四川盆地東南部及其盆緣轉(zhuǎn)換帶(以下簡稱渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶)頁巖氣資源量較大，但其地質(zhì)條件復雜、地層呈常壓特征，給頁巖氣的經(jīng)濟開發(fā)帶來了困難。為了深入認識該區(qū)頁巖氣儲層的非均質(zhì)性，借助X射線衍射、氬離子拋光掃描電鏡、低溫氮氣吸附等手段，從巖石骨架、儲集空間的角度研究了該區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層的非均質(zhì)性及其主控因素。研究結(jié)果表明：①該轉(zhuǎn)換帶五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層非均質(zhì)性主要表現(xiàn)在骨架非均質(zhì)性和孔隙非均質(zhì)性兩個方面，優(yōu)質(zhì)頁巖層段與上覆頁巖段在脆性礦物含量、黏土礦物含量、有機質(zhì)豐度、孔隙度等方面差異較大，具有較強的縱向非均質(zhì)性;②儲層發(fā)育有機質(zhì)孔、脆性礦物孔、裂縫等多種儲集空間類型，并且孔隙在形態(tài)、分布、孔徑、結(jié)構(gòu)特征方面的差異明顯，具有較強的微觀非均質(zhì)性;③頁巖巖石物理參數(shù)泊松比、楊氏模量也相應表現(xiàn)出較大的差異;④頁巖氣儲層非均質(zhì)性的主控因素是沉積環(huán)境差異導致的巖石骨架變化，構(gòu)造縫及其多向性增強了儲層的非均質(zhì)性，成巖作用進一步改變了骨架礦物和有機質(zhì)的含量，對孔隙類型及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進一步加劇了頁巖儲層的非均質(zhì)性。結(jié)論認為，龍一下亞段應為該區(qū)下一步頁巖氣開發(fā)的首選目的層系，平面上以遠離構(gòu)造相對活動帶和深大斷裂為宜，區(qū)塊上優(yōu)選南川區(qū)塊。
關(guān)鍵詞 四川盆地東南 盆緣轉(zhuǎn)換帶 晚奧陶世—早志留世 頁巖氣 儲集層 非均質(zhì)性 骨架 孔隙 勘探區(qū)
0 引言
中國已成為繼美國和加拿大之后，第3個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)性開發(fā)的國家[1-2]。四川盆地是世界上最早發(fā)現(xiàn)和利用天然氣的地區(qū)[3]，在常規(guī)天然氣繼承性發(fā)展的基礎(chǔ)上，近年在涪陵、長寧和威遠等地區(qū)頁巖氣的發(fā)現(xiàn)和生產(chǎn)無疑是非常成功的亮點。但除了這幾個重點區(qū)域外，其他地區(qū)投入與產(chǎn)出并不成比例，規(guī)模開發(fā)仍面臨極大困境。橫向(區(qū)域上)和縱向(層間)非均質(zhì)性、宏觀和微觀非均質(zhì)性是影響儲層含氣性和可改造性的關(guān)鍵因素。
近年來，涉及儲層非均質(zhì)性研究的內(nèi)容和方法主要包括：①在等時地層格架中分析頁巖儲層在礦物組成、黃鐵礦含量、沉積構(gòu)造、有機質(zhì)豐度等方面的結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性[4];②從微觀尺度對孔隙及孔隙結(jié)構(gòu)的研究[5-9];③通過氬離子拋光—場發(fā)射掃描電鏡、高壓壓汞、低溫氮吸附等實驗技術(shù)手段，利用極差、突進系數(shù)、變異系數(shù)、孔隙度、總孔容、孔比表面積、核磁共振弛豫時間等參數(shù)來表征頁巖孔隙非均質(zhì)性[10-12];④利用頁巖CT掃描圖像的數(shù)字處理技術(shù)研究頁巖礦物組分的分布特征，試圖通過建立礦物組分含量與分形維數(shù)之間的關(guān)系來表征其非均質(zhì)特征[13]。
在頁巖氣領(lǐng)域性的研究方面，江凱禧等[14]通過平面、層內(nèi)和微觀3個方面較全面地分析了四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組泥頁巖非均質(zhì)性特征，Borkloe等[15]對四川盆地威201井區(qū)筇竹寺(九老洞)組的巖石骨架、有機質(zhì)和含氣性的分析;王香增等[16]通過巖心觀測、薄片觀察、脈沖滲透率測試、有機碳含量測試、氣體組分分析、結(jié)合測井解釋對鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組陸相頁巖巖性、地球化學參數(shù)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、力學參數(shù)等非均質(zhì)特征進行系統(tǒng)的研究。
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渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶位于四川盆地東南部，包括南川向斜、桑柘坪向斜、武隆向斜、道真向斜等。面積為1.3×104km2，預計頁巖氣可采資源量為14578×108m3。其中，南川向斜相對改造弱、保存條件較好、埋深適中，頁巖氣資源量為914×108m3，是高產(chǎn)地區(qū);桑柘坪向斜頁巖氣資源量為2178×108m3，武隆向斜頁巖氣資源量為7037×108m3，道真向斜頁巖氣資源量為4080×108m3。目前已完鉆的彭頁1HF井、彭頁2HF井、彭頁3HF井、彭頁4HF井測試日產(chǎn)氣量介于1.5×104～3.8×104m3;武隆向斜分別于2015年和2017年部署了隆頁1井和隆頁2井，測試日產(chǎn)氣量分別為4.6×104m3和9.22×104m3。
從目前已鉆采的情況看，渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶具有很好的資源潛力，但由于其特殊位置和地質(zhì)背景，有別于四川盆地內(nèi)部的其他區(qū)塊，地層呈常壓特征，加之非均質(zhì)性強，給經(jīng)濟高效開采帶來難度。鑒于目前該地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層非均質(zhì)性的系統(tǒng)認識還有待深入，筆者從頁巖儲層的巖石骨架(基質(zhì)礦物、有機質(zhì))、儲集空間兩個方面來探究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組儲層的非均質(zhì)性特征，并分析其非均質(zhì)性的主要控制因素。
1 地質(zhì)背景
渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶位于武陵褶皺帶，橫跨武隆—利川復向斜和中央復背斜，構(gòu)造走向呈北北東向展布，為川東南—湘鄂西“槽—擋”過渡區(qū)，受彭水—建始斷層、大千斷層、茶園斷層和胡家園斷層等斷裂的控制，形成了以北東向復向斜與復背斜相間分布的構(gòu)造格局(圖1)。在構(gòu)造演化上，早燕山期到中燕山期受到江南—雪峰陸內(nèi)造山的持續(xù)擠壓作用，區(qū)內(nèi)產(chǎn)生多期斷層;晚燕山期開始隆升并遭受剝蝕致使泥盆系、石炭系缺失，喜馬拉雅期由于太平洋板塊俯沖及印度板塊向歐亞板塊碰撞擠入雙重影響，整體迅速隆升致使古近系地層缺失，從而形成了現(xiàn)今構(gòu)造面貌和地層格局。總體上，渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶主力頁巖氣層為五峰組—龍馬溪組，發(fā)育了大套的黑色硅質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，沉積相可細分為深水陸棚相和淺水陸棚相(圖1)。可劃分為9個小層，并歸于上、中、下3個亞段，由于五峰組較薄，研究中將其歸于龍一下亞段。其中下亞段(1～5小層)埋深4379.93～4412.67m，中亞段(6～7小層)埋深4349.03～4379.93m，上亞段(8～9小層)埋深4307.23～4349.03m。
2 巖石骨架的非均質(zhì)性
頁巖的骨架由基質(zhì)礦物和有機質(zhì)組成，基質(zhì)礦物包括黏土礦物與脆性礦物。對于富有機質(zhì)頁巖，純泥巖段不易開采，脆性礦物含量高的細粒巖層本身易發(fā)育天然裂縫并有利于壓裂改造，是好的產(chǎn)層;頁巖氣的主要吸附載體是黏土礦物與有機質(zhì)，在有機質(zhì)含量相同的情況下，黏土礦物含量與吸附的氣體含量成正比，且隨壓力的增大吸附的氣體增加速率越大[17];有機質(zhì)中大量的納米級孔隙是頁巖氣的主要儲集空間，也有學者認為黏土礦物中鋁硅酸鹽的開放孔隙增大頁巖總孔隙度是主因[18]。因此，研究礦物骨架和有機質(zhì)的非均質(zhì)性對認識優(yōu)質(zhì)產(chǎn)氣層段意義重大。
2.1礦物組成
頁巖的礦物組分多樣，顆粒大小參差不齊，一般以細粒物質(zhì)為主，整體上表現(xiàn)出較強的非均質(zhì)特性。從南頁1井龍馬溪組近80m頁巖段90塊樣品進行全巖X射線衍射的分析結(jié)果來看：礦物組成主要包括碎屑類礦物和黏土礦物，碎屑類礦物以脆性礦物石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦為主，黏土礦物包括伊蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石(圖2)。剖面上自下而上石英含量呈明顯減少趨勢，其他碎屑礦物含量比例相對較小，變化也參差不齊，表現(xiàn)不甚明顯;黏土礦物含量呈明顯增多趨勢(圖2-a)。
黏土礦物含量自下而上明顯增多，其中伊蒙混層和綠泥石含量占明顯增多優(yōu)勢，伊利石相對含量在減小，高嶺石呈零星間斷式分布(圖2-b)。
各小層黏土礦物及脆性礦物含量分布統(tǒng)計分析表明，9個小層的黏土礦物含量從下至上呈遞增趨勢，但其中伊利石含量呈現(xiàn)遞減趨勢，脆性礦物總量也呈遞減趨勢，其中主要脆性礦物石英含量遞減明顯。
6～9小層的方解石含量整體偏高，1～5小層整體較低;而后者的黃鐵礦含量則整體高于前者，反映了下部沉積環(huán)境還原性強，有利于有機質(zhì)的保存。
上述特征表明：龍一下亞段優(yōu)于上覆的中、上亞段的巖石骨架特征在于黏土礦物中具有頁巖氣吸附優(yōu)勢[19]的伊利石明顯偏高，前者在黏土礦物中占比高于65%，后者小于60%，有利于頁巖氣的吸附;前者石英等脆性礦物的全巖占比大于60%，后者小于60%，更有利于儲層的壓裂改造。同時，下亞段沉積環(huán)境更強的還原性成就了其更好地保存條件。
2.2有機質(zhì)含量及演化
南頁1井龍馬溪組樣品有機質(zhì)類型及鏡質(zhì)體反射率(Ro)測試數(shù)據(jù)分析表明：有機質(zhì)類型為腐泥型，鏡質(zhì)體反射率介于2.26%～2.83%，平均值為2.51%，整體差異較小，演化程度偏高(圖3)。
65塊樣品的地球化學測試分析表明：五峰組—龍馬溪組龍一段樣品總有機碳含量(TOC)介于0.04%～7.74%，平均值為2.26%，從下至上9個小層的變化規(guī)律為增大—減小—增大—減小—增大，但總的趨勢為減小，且存在明顯的非均質(zhì)性(圖3)。
龍一下亞段具有高有機碳含量、高孔隙度、較大比表面積和BET平均孔直徑(圖3)，具有自生自儲的有利儲集條件。前人研究成果表明：有機碳含量改變頁巖包括顏色、密度、抗風化能力、放射性和硫含量等理化性質(zhì)，也在一定程度上制約其中裂縫的發(fā)育程度，并進一步控制頁巖的含氣量[20]，實際樣品的統(tǒng)計分析表明：含氣量與總有機碳含量呈明顯的正相關(guān)性，總有機碳含量每增加一個百分點，每噸泥頁巖大約增加0.5m3含氣量(圖4)。分析結(jié)果表明，龍一下亞段較中、上亞段具有更好的頁巖氣自生自儲條件，中、上亞段成為下亞段最好的區(qū)域蓋層，這在遭受多期構(gòu)造嚴重改造的盆緣轉(zhuǎn)換帶尤其重要。
2.3 巖石力學性質(zhì)
巖石力學參數(shù)反映巖石在外力作用下所表現(xiàn)出的物理性質(zhì)，是頁巖氣井壓裂改造設(shè)計的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。利用縱、橫波測井資料或在沒有橫波測井資料的情況下重構(gòu)橫波數(shù)據(jù)可計算評價頁巖儲層的泊松比、楊氏模量等參數(shù)。一般來講，泊松比小、楊氏模量大的地層脆性好，有利于壓裂改造。
通過測井資料計算得到A井的泊松比和楊氏模量，龍一下亞段泊松比介于0.17～0.31(圖3)，平均值為0.21，楊氏模量介于33.23～69.33GPa，平均值為42.35GPa;中、上亞段泊松比介于0.16～0.27，平均值為0.23，楊氏模量介于31.18～46.44GPa，平均值為37.66GPa。龍一下亞段的脆性明顯好于中、上亞段。
礦物組分與有機質(zhì)含量的縱向變化導致龍馬溪組頁巖的巖石力學參數(shù)表現(xiàn)出較強的非均質(zhì)性，龍一下亞段的高脆性礦物含量決定了其巖石物理參數(shù)與上覆中、上亞段的差異。
3 儲集空間的非均質(zhì)性
頁巖中納米級孔隙是游離氣和吸附氣賦存的載體，其孔隙類型多，發(fā)育位置、分布狀態(tài)、孔徑大小均受到礦物組分微觀非均質(zhì)性的控制[4]。氬離子拋光掃描電鏡結(jié)果表明，該地區(qū)龍馬溪組納米級孔隙主要發(fā)育有機質(zhì)孔隙、脆性礦物孔隙和微裂縫等3種儲集空間類型。
3.1 孔隙類型及大小
本地區(qū)主要發(fā)育屬次生孔隙的有機質(zhì)孔，孔徑從小于2nm的微孔到大于50nm的宏孔都有，最大者接近1000nm。其形態(tài)呈現(xiàn)多樣：平面上為圓狀、橢圓狀和不規(guī)則狀(圖5-a)，空間上為管狀喉道連接，形成復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，時間上主要發(fā)育在成巖晚期[21]。
黃鐵礦多與有機質(zhì)及黏土礦物伴生，形成晶間孔(圖5-b);脆性礦物粒內(nèi)溶蝕孔較少發(fā)育(圖5-c)，孔徑最大可達523nm，小孔孔徑不足100nm;脆性礦物粒間原生孔和粒間溶蝕孔，多被有機質(zhì)充填，充填的有機質(zhì)后期生烴演化為有機質(zhì)孔(圖5-d)。
3.2 微裂縫及狀態(tài)
微裂縫一般未被充填，形態(tài)以平直狀、彎曲狀、不規(guī)則狀最為常見(圖6-a)，微裂縫多發(fā)育在有機質(zhì)邊緣、黏土礦物邊緣、顆粒礦物與其他組分接觸部位等，張開距離較小，礦物層間縫、解理縫(圖6-b、c)多被有機質(zhì)充填。上述3種儲集空間類型，不僅孔隙形態(tài)組合差異產(chǎn)生非均質(zhì)性，而且孔隙的發(fā)育程度及分布差異也產(chǎn)生較強的非均質(zhì)性，而微裂縫的發(fā)育更使其復雜化了(圖6-a、d)。
