四川盆地北緣米倉(cāng)山隆起頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征研究

李華兵，王 喆，許 峰，金 凱，王 寧.

(陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西西安 710068)

頁(yè)巖氣作為一種清潔能源，能夠減輕我國(guó)北方地區(qū)的霧霾現(xiàn)象。四川盆地是我國(guó)重要的含油氣盆地之一，其北緣米倉(cāng)山隆起地區(qū)主要位于陜西省境內(nèi)，近些年研究發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域同樣具有頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)潛力，本文研究頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，為陜西頁(yè)巖氣發(fā)展提供參考。目前研究區(qū)內(nèi)主要研究方向集中在烴源巖研究，缺少儲(chǔ)層特征相關(guān)方面的研究。本文從微觀出發(fā)，直觀地體現(xiàn)了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征，并對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造特征

米倉(cāng)山隆起受到青藏高原的隆升、龍門(mén)山造山和秦嶺造山帶的影響，其北部為回軍壩向斜，緊鄰漢南基地隆起帶；南部為撓曲帶，經(jīng)過(guò)平緩變形區(qū)進(jìn)入四川盆地；東部為寬緩的傾伏背斜，與大巴山弧形構(gòu)造帶相交；西部同樣為寬緩的傾伏背斜，受龍門(mén)山推覆構(gòu)造帶影響。復(fù)雜的構(gòu)造地質(zhì)背景對(duì)頁(yè)巖氣的富集產(chǎn)生較大影響。

復(fù)雜的構(gòu)造作用對(duì)頁(yè)巖氣富集是一把雙刃劍[1]。頁(yè)巖氣一般儲(chǔ)集在烴源巖中，構(gòu)造的擠壓作用使烴源巖形成多種裂隙，增大儲(chǔ)集空間和形成運(yùn)移通道。一定程度上的擠壓使得烴源巖儲(chǔ)層處于壓而不破狀態(tài)下，更利于頁(yè)巖氣的聚集以及后期儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)。相反，如果擠壓過(guò)度， “通天”斷裂會(huì)破壞壓力場(chǎng)下的平衡，從而使游離氣大量散失，不利于頁(yè)巖氣的保存。

米倉(cāng)山隆起經(jīng)歷多起構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，最終形成箱狀背斜，大多為小型斷裂(圖1)，這為頁(yè)巖氣的富集創(chuàng)造了良好的儲(chǔ)集條件[2]。

圖1 米倉(cāng)山隆起帶大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Map of the tectonic position of Micang Mountain uplift belt1.一級(jí)構(gòu)造單元界線；2.二級(jí)構(gòu)造單元界線；3.斷層；4.推測(cè)隱伏斷層；5.研究區(qū)；6.構(gòu)造單元代號(hào)；Ⅰ.米倉(cāng)山推覆構(gòu)造帶；Ⅰ1.米倉(cāng)山推覆隆起帶；Ⅰ11.官壩-水磨逆沖疊瓦帶；Ⅰ12.光霧山推覆體；Ⅰ13.曾家-吳家滑褶帶；Ⅰ14.碑壩推覆體；Ⅰ2.米倉(cāng)山南緣滑脫構(gòu)造帶；Ⅰ3.漢南推覆隆起帶；Ⅰ4.漢南南緣滑脫帶；Ⅱ.龍門(mén)山推覆構(gòu)造帶；Ⅱ1.后龍門(mén)山推覆構(gòu)造帶；Ⅱ1.前龍門(mén)山滑脫帶；Ⅲ.松潘-甘孜構(gòu)造帶；Ⅳ.秦嶺構(gòu)造帶；Ⅴ.大巴山推覆構(gòu)造帶；Ⅴ1.北大巴山推覆構(gòu)造帶；Ⅴ2.南大巴山滑脫帶；Ⅵ.四川盆地；Ⅵ1.川北弱變區(qū)；Ⅵ2.川東滑脫帶

1.2 沉積特征

頁(yè)巖氣具有自生自儲(chǔ)的特點(diǎn)，米倉(cāng)山隆起頁(yè)巖氣主要儲(chǔ)集層位是寒武系牛蹄塘組和志留系龍馬溪組，本文主要介紹這兩個(gè)層系的沉積環(huán)境。

早寒武世牛蹄塘期是四川盆地的首次海侵，米倉(cāng)山隆起處于深水陸棚亞相與淺水陸棚亞相的過(guò)渡相帶(圖2)，水動(dòng)力條件較弱，沉積厚度較大[3]。牛蹄塘組主要為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、含硅質(zhì)炭質(zhì)頁(yè)巖夾炭質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r。

圖2 早寒武世牛蹄塘期巖相古地理(據(jù)程俊，2017)Fig.2 Lithofacies and Palaeogeographic map of the Early Cambrian Niutitang Formation

四川盆地在晚奧陶—早志留世龍馬溪期海域面積逐漸縮小，盆地外緣為陸棚淺海和陸架邊緣海。揚(yáng)子板塊周緣隆起不斷上升，陸源碎屑沉積逐漸增加[4]。米倉(cāng)山隆起沉積相變?yōu)闇\水陸棚相、潮坪相。受沉積影響，龍馬溪組巖性主要為深灰色—黑色含炭硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖夾粉砂巖條帶，普遍含炭質(zhì)、含黃鐵礦晶粒及結(jié)核。該區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖沉積環(huán)境為濕潤(rùn)、厭氧的邊緣淺海沉積環(huán)境(圖3)，物源以陸源碎屑為主，部分來(lái)自生物成因及熱水沉積作用。

2 儲(chǔ)層特征分析

頁(yè)巖氣做為一種非常規(guī)能源，具有自生自儲(chǔ)自保存的特點(diǎn)，一般呈現(xiàn)游離氣和吸附氣賦存于頁(yè)巖之中。頁(yè)巖既是烴源巖又是儲(chǔ)層，甚至還是蓋層[5]。頁(yè)巖一般做為常規(guī)油氣的烴源巖，是一種特殊的儲(chǔ)層，具有特低孔、特低滲特點(diǎn)。由于四川盆地頁(yè)巖氣主要存儲(chǔ)于下寒武系牛蹄塘組和上奧陶系-下志留系龍馬溪組，所以本文著重從這兩套層系進(jìn)行分析。

2.1 巖石礦物學(xué)特征

牛蹄塘組底部為黑色炭質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖，頂部為深灰色炭質(zhì)硅質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖，水平紋層發(fā)育，含鈣質(zhì)，厚度薄，含碳量低，與上覆石牌組巖性較接近。

龍馬溪組巖石組合為黑色碳質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、含碳泥質(zhì)頁(yè)巖夾黑色薄層硅質(zhì)巖和薄層狀、條帶狀粉砂巖、斑脫巖。底部為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾棕褐色粘土層，頂部為深灰—灰黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖，整體巖石碳質(zhì)、硅質(zhì)含量較低。

圖3 晚奧陶—早志留世龍馬溪期沉積相圖Fig.3 Upper Ordovician-Early Silurian Longmaxi sedimentary facies

2.1.1 牛蹄塘組

根據(jù)在研究區(qū)收集樣本，利用礦物X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)，得到牛蹄塘組黑色頁(yè)巖組成礦物主要有石英、粘土、長(zhǎng)石以及少量的黃鐵礦和菱鐵礦。其中石英含量最大，為33%～54%，平均含量為44%；粘土含量為22%～38%，平均含量為30%；長(zhǎng)石含量為0%～30%，平均18%(其中鉀長(zhǎng)石平均0～7%，平均3%；斜長(zhǎng)石13～27%，平均19%)；黃鐵礦含量為0～6%，平均含量為3%；菱鐵礦含量最小，為0～2%，平均含量為0.33%(圖4)。

圖4 牛蹄塘組礦物成分含量圖Fig.4 Mineral composition of the hoofed pond group

2.1.2 龍馬溪組

上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖X射線全巖衍射分析實(shí)驗(yàn)表明：龍馬溪組頁(yè)巖主要成分為石英、粘土礦物和長(zhǎng)石以及少量的菱鐵礦。其中石英含量為55%～75%，平均含量為63%，粘土礦物含量分布在24%～38%范圍內(nèi)，平均含量為31%；長(zhǎng)石含量為6%(全部為斜長(zhǎng)石)；菱鐵礦含量為0～1%，平均為0.5%(圖5)。

圖5 龍馬溪組礦物成分含量圖Fig.5 Mineral composition of Longmaxi Formation

2.2 儲(chǔ)集空間類型

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的原生孔隙主要分散于頁(yè)巖所包含的粘土礦物中的粉砂質(zhì)顆粒之間。原生孔隙隨著埋深而逐漸降低，與常規(guī)儲(chǔ)層相似[6]。次生孔隙主要是顆粒內(nèi)部的偏基性斜長(zhǎng)石在熱力學(xué)作用下溶蝕而得到的孔隙。這類孔隙具有連通性較差，但孔隙半徑較大，是頁(yè)巖氣的主要儲(chǔ)集空間[7]。

2.2.1 原生孔隙

研究區(qū)雖然位于四川盆地邊緣，埋深相對(duì)于盆地中部較淺，但牛蹄塘組埋深約在4 500 m，龍馬溪組埋深大約3 000 m，因此原生孔隙也被較大程度的壓縮，發(fā)育程度較低，鏡下觀察也表明原生孔隙并不發(fā)育(圖6、圖7)。

通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)，牛蹄塘組原生孔隙孔徑約在2 μm左右，龍馬溪組原生孔隙孔徑約在0.5 μm左右(表1)。

圖6 牛蹄塘組原生孔隙鏡下觀測(cè)圖Fig.6 Observation of primary porosity in Niuhuatang Formation

圖7 龍馬溪組原生孔隙鏡下觀測(cè)圖Fig.7 Observation of primary porosity in Longmaxi Formation

表1 儲(chǔ)集空間研究采樣統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistical tables for sampling Space Studies in storage

2.2.2 次生孔隙

研究區(qū)牛蹄塘組次生孔隙主要包括由顆粒部分或全部溶解形成的溶蝕孔或鑄模孔和草莓狀黃鐵礦結(jié)核內(nèi)晶體之間的孔隙(圖8)，大部分孔徑分布在4～10 μm。

龍馬溪組頁(yè)巖內(nèi)大量發(fā)育由顆粒部分或全部溶解形成的溶蝕孔及黃鐵礦鑄模孔(圖9)。其中溶蝕孔孔徑可以達(dá)到微米級(jí)別，鑄模孔孔徑分布在200～400 nm范圍內(nèi)。

2.2.3 裂縫

研究區(qū)經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的裂縫為頁(yè)巖氣儲(chǔ)集和運(yùn)移提供了條件。頁(yè)巖特低孔、特低滲的特點(diǎn)決定了儲(chǔ)層孔隙達(dá)不到商業(yè)開(kāi)采價(jià)值，只有儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)育的裂縫才能使得頁(yè)巖氣進(jìn)行運(yùn)移[8]。因此，裂縫的發(fā)育情況對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)能產(chǎn)生較大影響。

圖8 牛蹄塘組次生孔隙鏡下觀測(cè)圖Fig.8 Observation of secondary porosity in Niuhuatang Formation

圖9 龍馬溪組次生孔隙鏡下觀測(cè)圖Fig.9 Observation of secondary porosity in Longmaxi group

下寒武系牛蹄塘組受印支運(yùn)動(dòng)影響，發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生大量裂縫。普遍發(fā)育三組節(jié)理，產(chǎn)狀233o∠54o，260o∠80o，65o∠67°(圖10a)。而下志留統(tǒng)龍馬溪組地層是受燕山期末發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，在中產(chǎn)生大量構(gòu)造裂縫(圖10b)。

圖10 裂隙、節(jié)理發(fā)育圖Fig.10 development diagram of fracture and joint

2.3 儲(chǔ)層物性特征

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性主要包括孔隙度和滲透率，研究孔隙度和滲透率特征能夠指導(dǎo)后期的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)。頁(yè)巖中發(fā)育大量的原生孔隙和次生孔隙，這些孔隙都有較大的比表面，能夠賦存大量的吸附氣[9]。頁(yè)巖的滲透性非常差，不利于頁(yè)巖氣的運(yùn)移后期開(kāi)發(fā)必須制造人工裂縫[10]。

目前北美頁(yè)巖氣物性評(píng)價(jià)采用GRI頁(yè)巖巖心測(cè)量方法，而我國(guó)還不掌握該項(xiàng)方法，所以國(guó)內(nèi)普遍利用常規(guī)方法-壓汞實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層物性[11]。

此次研究充分利用該區(qū)野外地質(zhì)調(diào)查采集的樣品，利用壓汞實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)每塊樣品進(jìn)行分析，得到牛蹄塘組頁(yè)巖有效孔隙度為0.2%～6.9%，平均為3.4%，滲透率在0.001 5×10-3μm2-0.009×10-3μm2，平均為0.005×10-3μm2。龍馬溪組頁(yè)巖有效孔隙度為0.47%～14.9%，平均為4.57%，滲透率在0.02×10-3μm2-0.04×10-3μm2，平均為0.0328×10-3μm2(表2)。孔隙度與滲透率都很低，屬于致密儲(chǔ)層[12]。

表2 物性采樣統(tǒng)計(jì)表Table 2 Physical sampling statistical tables

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)研究區(qū)巖石礦物學(xué)特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，脆性礦物含量最高，牛蹄塘組和龍馬溪組石英的含量分別為44%和63%，有利于后期對(duì)儲(chǔ)層的壓裂改造[13]；長(zhǎng)石含量最低，不利于次生孔隙的發(fā)育；粘土礦物含量較高，有利于吸附氣的賦存，但也會(huì)對(duì)儲(chǔ)層孔隙進(jìn)行堵塞，傷害到儲(chǔ)層物性。

(2)原生孔隙孔徑較低，牛蹄塘組約在2 μm左右，龍馬溪組約在0.5 μm左右，達(dá)不到游離氣的賦存(>5 μm)要求[14]。但是，原生孔隙內(nèi)表面積較大，牛蹄塘組約在4～10 μm，龍馬溪組約在200～400 nm，能夠賦存吸附氣(>100 nm)；次生孔隙較為發(fā)育，孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頁(yè)巖氣的直徑(0.4 nm)；受構(gòu)造影響，裂縫較為發(fā)育，對(duì)儲(chǔ)層起到改善作用[15]。

(3)儲(chǔ)層物性差，屬于特低孔(0～10 μm)、特低滲(<0.01×10-3μm2)儲(chǔ)層，自身不具備自然產(chǎn)能，后期開(kāi)發(fā)必須對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，實(shí)施大規(guī)模壓裂。