沁水盆地石炭-二疊系頁巖儲(chǔ)層特征及評(píng)價(jià)

李 薇

(1.華新燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司技術(shù)中心,太原 030032;2.山西國新氣體能源研究院有限公司,太原 030032)

沁水盆地作為中國主要的含煤盆地之一,該區(qū)煤層氣已經(jīng)開發(fā)了數(shù)十年,也形成了大型的煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地,但對(duì)于其他非常規(guī)油氣勘探的程度較低[1]。近年來,北美的頁巖氣開采取得了巨大成功,中國也逐漸加強(qiáng)了對(duì)頁巖氣的勘探開發(fā)研究,目前主要集中在中國南部四川盆地的海相頁巖,對(duì)于海陸過渡相的頁巖儲(chǔ)層研究較少[2-3]。隨著對(duì)沁水盆地勘探程度的加深和對(duì)地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí),石炭-二疊系頁巖儲(chǔ)層逐漸受到重視。國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心(2011-03—2013-03)和中國地質(zhì)調(diào)查局(2014-09—2015-07)分別組織了對(duì)沁水盆地及周緣頁巖氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)[4]。中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司2012年施工3口頁巖氣參數(shù)井,均見到良好的頁巖氣顯示[1,4]。2012年,由山西省國新能源發(fā)展集團(tuán)有限公司和中國石油大學(xué)(北京)合作,開展了“山西頁巖氣先導(dǎo)項(xiàng)目研究”,結(jié)果顯示沁水盆地有很可觀的頁巖氣資源量。

本次研究以沁水盆地石炭-二疊系頁巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象,通過分析有機(jī)地球化學(xué)特征、巖石學(xué)特征和儲(chǔ)層物性特征,對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),以期為下一步研究煤系地層中煤層氣和頁巖氣的共探共采提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

沁水盆地位于山西省東南部,是中生代末在古生界基底上發(fā)育形成的大型復(fù)式向斜構(gòu)造盆地(如圖1所示),軸向總體上呈NNE-SSW向展布,面積約26 000 km2,構(gòu)造簡單,內(nèi)部斷裂不甚發(fā)育,處于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)[2,5-6]。

沁水盆地泥頁巖儲(chǔ)層主要分布于上古生界石炭-二疊系太原組、山西組和下石盒子組[2]。太原組形成于陸表海碳酸鹽巖臺(tái)地沉積,主要由深灰色-灰色石灰?guī)r、泥頁巖、粉砂巖及煤層組成,整體上具有南厚北薄的特點(diǎn),變化幅度較小,其中沁源一帶厚度最大,達(dá)104 m,如圖2(a)所示[6]。山西組形成于泛濫盆地相,巖性為灰黑色碳質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥頁巖、粉砂巖、砂巖夾煤層,厚度分布在20～90 m之間,總體北部厚南部薄,東邊厚西邊薄,如圖2(b)所示[2,6]。

2 樣品來源

本次研究的樣品來自沁水盆地5口井的太原組和山西組頁巖,采樣井位如表1所示,采集樣品257塊。對(duì)采集的樣品進(jìn)行了測(cè)試和分析,主要包括巖石的有機(jī)碳分析、巖石熱解檢測(cè)、鏡質(zhì)組反射率測(cè)定、全巖及粘土礦物X射線衍射分析、掃描電鏡和孔滲的分析化驗(yàn)。

圖1 沁水盆地構(gòu)造綱要圖Fig.1 Tectonic outline map of Qinshui Basin

(a) 太原組厚度等值線圖

(b) 山西組厚度等值線圖圖2 沁水盆地太原組和山西組厚度等值線圖Fig.2 Thickness contour map of Taiyuan Group and Shanxi Group in Qinshui Basin

表1 本次研究的采樣井位Table 1 Sampling well locations in this study

3 有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

巖石中所含的有機(jī)質(zhì)是生成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ),有機(jī)質(zhì)豐度是評(píng)價(jià)泥頁巖生烴能力的重要參數(shù)。目前常用的有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)主要有:有機(jī)碳(TOC)含量、巖石熱解生烴潛量(S1+S2)、氯仿瀝青“A”和總烴含量(HC)。其中,TOC含量是頁巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一,它既決定著頁巖的生烴強(qiáng)度,也是頁巖吸附氣的載體之一[2]。根據(jù)含煤地層生油巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7](表2),對(duì)本次測(cè)試的有機(jī)質(zhì)豐度數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

沁水盆地發(fā)育海陸交互相煤系泥頁巖[8-9],根據(jù)表2中煤系生油巖的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),本次所采集的石炭-二疊系頁巖樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.19%～31.60%,平均值為2.59%,在煤層附近的TOC含量較高。

表2 含煤地層生油巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]Table 2 Evaluation standards for organic matter abundance of oil source rock in coal-bearing strata

w(toc)/%>3.0%的數(shù)據(jù)占到總數(shù)據(jù)的19%,屬于中等以上生油級(jí)別的w(toc)/%數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的61%,沁水盆地石炭-二疊系頁巖有機(jī)碳含量分布直方圖如圖3所示。有機(jī)碳含量指標(biāo)屬于中等偏好,具備生氣的物質(zhì)基礎(chǔ),同時(shí)也是頁巖孔隙空間增加的重要因素之一,為頁巖氣的富集和吸附提供了空間。

圖3 沁水盆地石炭-二疊系頁巖有機(jī)碳含量分布直方圖Fig.3 Distribution histogram of organic carbon content of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是反映有機(jī)質(zhì)來源和化學(xué)組成的主要標(biāo)志,目前對(duì)于有機(jī)質(zhì)類型的評(píng)價(jià)主要有:顯微組分類型指數(shù)法、顯微組分三角圖法和巖石熱解法。本文采取巖石熱解法對(duì)沁水盆地石炭-二疊系泥頁巖的有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行分析。

通過對(duì)tmax-w(HI)有機(jī)質(zhì)類型圖進(jìn)行分析,泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主,僅有少量樣品屬于Ⅱ2型,有機(jī)質(zhì)類型差,但有機(jī)質(zhì)豐度高,總生烴潛力大,更有利于生氣。沁水盆地石炭-二疊系頁巖有機(jī)質(zhì)類型分布特征如圖4所示。

圖4 沁水盆地石炭-二疊系頁巖有機(jī)質(zhì)類型分布特征Fig.4 Distribution characteristics of organic matter types of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

沉積巖中有機(jī)質(zhì)的豐度和類型是生成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ),但是有機(jī)質(zhì)只有達(dá)到一定的熱演化程度才能大量生烴。勘探實(shí)踐證明,只有在成熟生油巖分布區(qū)才有較高的油氣勘探成功率。黃第藩等[7]主要根據(jù)烴源巖中有機(jī)質(zhì)的Ro值將有機(jī)質(zhì)演化階段劃分為未成熟階段、成熟階段和過成熟階段,各階段所對(duì)應(yīng)的Ro值分布范圍為:Ro<0.5%,屬于未成熟階段;Ro=0.5%～2.0%,屬于成熟階段(其中0.5%～0.7%屬于低成熟階段;0.7%～1.3%屬于成熟階段;1.3%～2.0%屬于高成熟階段);Ro>2.0%,屬于過成熟階段。

本次所測(cè)樣品的Ro介于1.54%～2.65%之間,平均為2.15%,處于高成熟-過成熟階段。最大熱解峰溫tmax劃分泥頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化階段的溫度節(jié)點(diǎn)分別為435,455,465 ℃,分別對(duì)應(yīng)未成熟階段、低成熟階段、高成熟階段和過成熟階段[10]。對(duì)熱解實(shí)驗(yàn)中的tmax進(jìn)行分析(圖5),有74%的樣品處于高成熟-過成熟階段,與Ro研究結(jié)果一致。

圖5 沁水盆地石炭-二疊系頁巖最大熱解峰溫分布圖Fig.5 Distribution of the maximum pyrolytic peak temperature of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

4 巖石學(xué)特征

4.1 礦物組成特征

頁巖礦物組分含量不同,一方面,影響頁巖的脆性,大齡脆性礦物的存在是頁巖能夠通過壓裂改造縫獲得高產(chǎn)油氣的原因;另一方面,礦物組分影響著孔隙結(jié)構(gòu),從而影響氣體的吸附和儲(chǔ)存[2]。

通過全巖X射線粉末衍射儀進(jìn)行分析,沁水盆地石炭-二疊系頁巖儲(chǔ)層主要由粘土礦物和石英組成,粘土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%,石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%,此外還有少量的白云石、黃鐵礦、菱鐵礦和石膏,如圖6所示。總體來說,該地區(qū)頁巖具有較高的脆性礦物含量,有利于頁巖后期壓裂而產(chǎn)生裂縫。部分樣品有黃鐵礦的存在,說明該地區(qū)頁巖儲(chǔ)層發(fā)育于較穩(wěn)定的靜水還原環(huán)境,有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

圖6 沁水盆地石炭-二疊系頁巖礦物組分圖Fig.6 Mineral components of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

4.2 粘土礦物特征

粘土礦物的存在,對(duì)于氣體有較強(qiáng)的吸附能力,同時(shí),粘土礦物具有豐富的微孔隙,是游離氣的主要儲(chǔ)集空間。沁水盆地的頁巖樣品中,粘土礦物主要有高嶺石、綠泥石和伊利石,如圖7所示。高嶺石含量最高,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54%,有利于孔隙空間的增加[11]。總的來說,粘土礦物有利于頁巖氣的吸附和在孔隙空間的聚集。

脆性礦物的存在有利于后期壓裂造縫,粘土礦物的存在有利于頁巖氣的吸附和聚集,此消彼長的兩者含量在沁水盆地哪個(gè)地區(qū)哪個(gè)層位能達(dá)到既有利于后期壓裂造縫又不影響頁巖氣的產(chǎn)量,是需要繼續(xù)研究的科學(xué)問題。

圖7 沁水盆地石炭-二疊系頁巖粘土礦物含量圖Fig.7 Clay mineral content of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

5 儲(chǔ)層物性特征

5.1 孔隙度和滲透率特征

一般來說,頁巖儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率都比較小。本次分析的數(shù)據(jù)中,孔隙度介于0.97%～9.74%之間,平均值為4.05%。孔隙度低于2%的樣品數(shù)僅占到樣品總數(shù)的12%,孔隙度大于3%的樣品占比為73%,如圖8所示。由圖可知該地區(qū)具有較高的孔隙度,為頁巖氣的富集提供空間保障。滲透率介于0.003 5～0.022 0 mD之間,平均為0.012 mD。我國四川盆地主力頁巖層位龍馬溪組頁巖有效孔隙度在0.73%～7.40%,滲透率在0.003 6～1.776 0 mD[12]。研究區(qū)的孔隙度、滲透率與四川盆地頁巖類似。

圖8 沁水盆地石炭-二疊系頁巖孔隙度分布直方圖Fig.8 Porosity distribution histogram of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

5.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過掃描電鏡分析沁水盆地頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間特征。該地區(qū)主要發(fā)育層間裂隙、微裂隙、黃鐵礦鑄模孔、晶間孔和納米級(jí)孔隙。

層間裂隙主要為粘土礦物片層間裂隙,如圖9(a)、(b)所示,主要受到壓實(shí)作用的影響而形成;微裂隙十分發(fā)育,多存在于碎屑礦物與粘土礦物之間,如圖9(c)所示;碎屑礦物之間也存在微裂隙,如圖9(d)所示,并具有一定的方向性,主要是粘土礦物之間轉(zhuǎn)化引起體積收縮或者有機(jī)質(zhì)生烴時(shí)導(dǎo)致的內(nèi)部壓力不均造成的;粘土礦物晶間孔不甚發(fā)育,如圖9(e)所示;均勻發(fā)育納米級(jí)孔隙,布滿裂紋,如圖9(f)、(g)所示;在大量樣品中發(fā)現(xiàn)有黃鐵礦鑄模孔,如圖9(h)、(i)所示,指示地層沉積時(shí)的還原環(huán)境。

整體而言,該地區(qū)層間裂隙、微裂縫和黃鐵礦鑄模孔十分發(fā)育,為頁巖氣的儲(chǔ)存提供了豐富的儲(chǔ)集空間。

圖9 沁水盆地石炭-二疊系頁巖氬離子拋光掃描電鏡圖Fig.9 Ar ion milled-SEM images of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

6 結(jié)論

1)沁水盆地石炭-二疊系頁巖樣品的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于0.19%～31.60%,平均值為2.59%,在煤層附近的TOC含量較高,有機(jī)碳含量指標(biāo)屬于中等偏好,具備生氣的物質(zhì)基礎(chǔ);有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主,更有利于生氣;有機(jī)質(zhì)成熟度Ro介于1.54%～2.65%之間,平均為2.15%,處于高成熟-過成熟階段。

2)沁水盆地石炭-二疊系頁巖儲(chǔ)層主要由粘土礦物和石英組成,粘土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%,石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%,具有較高的脆性礦物含量,有利于頁巖后期壓裂而產(chǎn)生裂縫。粘土礦物主要有高嶺石、綠泥石和伊利石,其中高嶺石含量最高,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54%,有利于頁巖氣的吸附和在孔隙空間的聚集。

3)孔隙度介于0.97%～9.74%之間,平均值為4.05%,具有較高的孔隙度,滲透率介于0.003 5～0.022 0 mD之間,平均為0.012 mD。研究區(qū)孔隙度、滲透率與四川盆地頁巖類似。該地區(qū)層間裂隙、微裂縫和黃鐵礦鑄模孔十分發(fā)育,為頁巖氣的儲(chǔ)存提供了豐富的儲(chǔ)集空間。

4)脆性礦物的存在有利于后期壓裂造縫,粘土礦物的存在有利于頁巖氣的吸附和聚集,此消彼長的兩者含量在沁水盆地哪個(gè)地區(qū)哪個(gè)層位能達(dá)到既有利于后期壓裂造縫又不影響頁巖氣的產(chǎn)量,是需要繼續(xù)研究的科學(xué)問題。

5)基于樣品的分析化驗(yàn)結(jié)果,對(duì)研究區(qū)的頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析,總體來看,沁水盆地石炭-二疊系頁巖有機(jī)質(zhì)有豐富的生氣物質(zhì)條件,巖石礦物的組成有利于頁巖氣的吸附和儲(chǔ)存,同時(shí)脆性礦物的存在又為后期的開采壓裂提供良好的支撐條件,表明研究區(qū)頁巖氣資源潛力大,開發(fā)前景廣闊。至于山西組和太原組哪個(gè)層位的頁巖氣資源賦存狀況更好,還需要做大量的科學(xué)研究和實(shí)踐來進(jìn)行對(duì)比和證實(shí)。