萊陽(yáng)凹陷水南組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及可壓性分析

高兵艷

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250110)

0 引言

近來(lái)，國(guó)際油價(jià)不斷攀升，能源供給壓力日益增大[1-2]，作為常規(guī)能源的重要補(bǔ)充，頁(yè)巖氣的作用逐漸顯現(xiàn)，在中國(guó)南方頁(yè)巖氣已實(shí)現(xiàn)規(guī)模性商業(yè)開發(fā)[3-6]。山東省是中國(guó)的資源大省，常規(guī)油氣資源豐富，非常規(guī)能源調(diào)查業(yè)已開展，但頁(yè)巖氣壓裂開采工作至今尚未實(shí)施。萊陽(yáng)凹陷是山東省中生代暗色泥頁(yè)巖最為發(fā)育的凹陷盆地之一。以往對(duì)萊陽(yáng)凹陷水南組開展過(guò)沉積相、頁(yè)巖氣生儲(chǔ)條件、頁(yè)巖氣資源潛力、儲(chǔ)層含氣性等研究工作[7-10]，尚未對(duì)水南組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造性能進(jìn)行評(píng)價(jià)或探討。本次在分析萊陽(yáng)凹陷水南組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層巖性和有機(jī)地化特征基礎(chǔ)上，對(duì)泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征、巖石脆性、可壓性進(jìn)行分析，結(jié)果表明萊陽(yáng)凹陷水南組泥頁(yè)巖宏觀裂縫和微裂縫發(fā)育、巖石脆性礦物含量高、脆性指數(shù)評(píng)價(jià)為巖石脆性很強(qiáng)，具有較好的可壓性，有利于人工壓裂形成網(wǎng)狀體積裂縫，研究結(jié)果對(duì)水南組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂具有借鑒意義。

1 地質(zhì)背景特征

山東省暗色泥頁(yè)巖主要發(fā)育在古生界、中生界和新生界中，其中，中生界暗色泥頁(yè)巖以膠萊坳陷的萊陽(yáng)凹陷水南組最為發(fā)育[11-13]。萊陽(yáng)凹陷位于大野頭凸起和膠北凸起之間，為一中生代殘留陸相沉積盆地，整體形態(tài)為一南斷北超型箕狀盆地，南以五龍村斷裂與大野頭凸起相接，東側(cè)以桃村-東陡山斷裂為界，西側(cè)邊界為萊西斷裂，向北超覆于膠北隆起之上(圖1)。

1—第四系；2—白堊紀(jì)王氏群；3—白堊紀(jì)萊陽(yáng)群水南組；4—白堊紀(jì)青山群；5—古元古代荊山群；6—中細(xì)粒含角閃英云閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖；7—潛英安斑巖；8—疏粗斑中粒含角閃二長(zhǎng)花崗巖；9—地質(zhì)界線；10—構(gòu)造界線；11—斷裂；12—鉆孔及編號(hào)

萊陽(yáng)凹陷水南組巖性以灰黑色、深灰色泥頁(yè)巖為主，夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖和薄層細(xì)砂巖，顯示還原條件下暗色色調(diào)沉積特征，為半深湖―深湖相沉積，水南組巖石中含豐富的動(dòng)植物化石，水南組暗色泥頁(yè)巖發(fā)育厚度為200～443m，泥地比大于70%，暗色泥頁(yè)巖含豐富有機(jī)質(zhì)。

2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

2.1 有機(jī)地化特征

有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖生烴質(zhì)量的重要指標(biāo)，獲取萊陽(yáng)凹陷萊孔2、ZK1、ZK2、ZK8-ZK10水南組泥頁(yè)巖有機(jī)碳樣品23件(表1)，有機(jī)碳含量為0.17%～2.92%，平均值為1.38%；其中有機(jī)碳含量小于0.4%的樣品2件，0.4%～0.6%的2件，0.6%～1.0%的3件，大于1.0%的16件(圖2)；從有機(jī)碳含量分析水南組以好烴源巖為主，具備頁(yè)巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 水南組泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量范圍分布圖

表1 萊陽(yáng)凹陷水南組有機(jī)碳豐度一覽表

生烴潛量是表征巖石中能夠生成但還未生成烴類物質(zhì)的最大量，獲取萊陽(yáng)凹陷水南組剖面和鉆孔樣品38件，生烴潛量為0.01～23.03mg/g，平均值為4.42mg/g；其中小于0.5mg/g樣品11件，0.5～2.0mg/g樣品6件，2.0～6.0mg/g樣品12件，大于6.0mg/g樣品9件；從生烴潛量分析水南組以較好烴源巖為主，說(shuō)明具備較好的生烴能力。

干酪根類型一般采用三類四分法，其中Ⅰ型干酪根也稱腐泥型干酪根，生油氣潛能最高[14-15]，Ⅱ型(分為Ⅱ1型和Ⅱ2型)干酪根也稱混合型干酪根，生油氣潛能中等，Ⅲ型干酪根也稱腐殖型干酪根，以生氣為主。在萊孔2、萊參1、ZK2、ZK8中獲取萊陽(yáng)凹陷水南組干酪根樣品26件，其中Ⅰ型干酪根8件，Ⅱ型干酪根11件(其中Ⅱ1型8件和Ⅱ2型3件)，Ⅲ型干酪根7件；水南組干酪根以Ⅱ型為主，Ⅰ型次之，說(shuō)明其具有較好的油氣生成潛能。

鏡質(zhì)體反射率反映了有機(jī)質(zhì)的演化程度，一般認(rèn)為鏡質(zhì)體反射率小于0.50%為未成熟；0.50%～1.30%為成熟階段，以油氣共生為主。大于1.30%為過(guò)程成熟階段，以大量生氣為主[16-19]。萊陽(yáng)凹陷水南組鏡質(zhì)體反射率值為0.54%～1.45%，19件鏡質(zhì)體樣品中反射率0.70%～1.30%之間15件(占79%)，大于1.30%有4件，說(shuō)明萊陽(yáng)凹陷水南組烴源巖以油氣共生為主，局部進(jìn)入大量生氣階段。

2.2 裂縫發(fā)育特征

裂縫發(fā)育程度直接影響著儲(chǔ)層壓裂改造性能和后期產(chǎn)能[20-21]。水南組宏觀裂縫系統(tǒng)較為發(fā)育，以小型裂縫為主，主要發(fā)育構(gòu)造裂縫、溶蝕裂縫，裂縫多被方解石充填。靠近斷裂位置，構(gòu)造裂縫明顯增多，以剪切裂縫為主，局部為張裂縫。微觀裂隙肉眼難以辨認(rèn)，在光學(xué)顯微鏡下顯示微裂縫發(fā)育，長(zhǎng)短不一，一般延伸長(zhǎng)度大于500μm，寬度為5～20μm不等，裂縫見方解石充填(圖3a、圖3b)。

掃描電鏡顯示水南組泥頁(yè)巖微觀裂縫類型主要為外力作用下形成的外生裂隙及顆粒間裂隙，長(zhǎng)度從幾微米到幾百微米，裂縫寬度一般在0.5～2μm之間，其中外生裂隙往往穿過(guò)多個(gè)顆粒，呈筆直狀，很少分叉。顆粒間裂隙分布于顆粒周圍，為顆粒與周圍礦物的接觸界線，且主要發(fā)育在有機(jī)質(zhì)顆粒和石英周圍，為顆粒在后期成巖過(guò)程中基質(zhì)收縮所致。根據(jù)成因可分為構(gòu)造微裂縫、卸載微裂縫、溶蝕微裂縫和收縮微裂縫等(圖3c、圖3d)。

a、b—光學(xué)顯微鏡下裂縫發(fā)育特征;c—掃描電鏡下溶蝕微裂縫；d—掃描電鏡下收縮微裂縫

3 礦物成分

3.1 脆性礦物

脆性礦物含量對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的改造、壓裂難易程度有直接影響[22-25]，因此，脆性礦物含量也是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一。《頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0254—2014)要求頁(yè)巖氣儲(chǔ)層脆性礦物不低于30%。

萊陽(yáng)凹陷水南組15件X-衍射全巖礦物成分分析顯示，水南組泥頁(yè)巖脆性礦物主要由白云石、石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石、黃鐵礦組成，脆性礦物總含量為75.2%～94.1%，平均含量為84.9%。白云石含量為13.4%～59.6%，平均含量為33.7%，石英含量為9.4%～30.0%，平均含量為20.9%，斜長(zhǎng)石含量為2.5%～32.5%，平均含量為15.3%，鉀長(zhǎng)石含量為3.0%～16.0%，平均含量為5.9%，方解石含量為0～45.2%，檢出樣品平均含量為12.2%，黃鐵礦含量為0～5.0%(圖4)，檢出樣品平均含量為3.6%。

1—石英；2—鉀長(zhǎng)石；3—斜長(zhǎng)石；4—方解石；5—白云石；6—黃鐵礦；7—黏土礦物

萊陽(yáng)凹陷水南組泥頁(yè)巖脆性礦物含量最小值為75.2%，說(shuō)明水南組泥頁(yè)巖脆性礦物含量較高，從脆性礦物含量來(lái)看有利于儲(chǔ)層的壓裂改造。

3.2 黏土礦物

萊陽(yáng)凹陷水南組泥頁(yè)巖中黏土礦物含量為5.9%～24.8%，平均含量為15.1%，15件X衍射黏土礦物成分分析顯示，黏土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主，部分樣品檢出高嶺石和綠泥石。伊利石含量為35%～84%，平均含量為59%，伊/蒙混層含量為16%～60%，平均含量為39%，高嶺石含量為0～10%，檢出樣品平均含量為3%，綠泥石含量為0～7%，檢出樣品平均含量為2%。樣品中未檢出水敏性最強(qiáng)的黏土礦物蒙脫石[26]，說(shuō)明水南組泥頁(yè)巖利于后期壓裂改造。

3.3 脆性指數(shù)

儲(chǔ)層的巖石脆性一般用脆性指數(shù)來(lái)衡量，傳統(tǒng)巖石脆性指數(shù)計(jì)算方法僅以石英含量進(jìn)行計(jì)算[27-28]，近年來(lái)學(xué)者認(rèn)為泥頁(yè)巖中的長(zhǎng)石、黃鐵礦等對(duì)巖石脆性也有貢獻(xiàn)作用，進(jìn)而改進(jìn)以石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦計(jì)算巖石脆性指數(shù)，使之更加切合實(shí)際。

改進(jìn)巖石脆性指數(shù)(BI2法)計(jì)算公式為：

(1)

式中：BI2—巖石脆性指數(shù)(以石英+長(zhǎng)石+黃鐵礦含量計(jì)，%)；V石英+長(zhǎng)石+黃鐵礦—石英含量+長(zhǎng)石含量+黃鐵礦含量(%)；V碳酸鹽礦物—碳酸鹽礦物含量(%)；V黏土—黏土礦物含量(%)。

BI2法計(jì)算水南組脆性指數(shù)為28%～63%(表2)，全部屬脆性很強(qiáng)。BI2法已被學(xué)者們所認(rèn)可[29-33]，并在我國(guó)南方頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)實(shí)踐中得到證實(shí)，因此萊陽(yáng)凹陷水南組泥頁(yè)巖脆性評(píng)價(jià)為脆性很強(qiáng)。

表2 萊陽(yáng)凹陷水南組脆性指數(shù)計(jì)算表

4 可壓性探討

萊陽(yáng)凹陷水南組為半深湖—深湖相沉積，巖性以灰黑色、深灰色泥頁(yè)巖為主，夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖和薄層細(xì)砂巖，泥頁(yè)巖發(fā)育厚度為200～443m，泥地比大于70%，泥頁(yè)巖中主要發(fā)育構(gòu)造裂縫、溶蝕裂縫等宏觀裂縫，構(gòu)造微裂縫、卸載微裂縫、溶蝕微裂縫和收縮微裂縫等微觀裂縫，易于在外力的誘導(dǎo)下形成網(wǎng)狀體積裂縫。水南組脆性礦物總含量為75.2%～94.1%，脆性礦物含量高，黏土礦物含量小于24.8%，且不含水敏性最強(qiáng)的黏土礦物蒙脫石，易于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的壓裂改造。

綜合分析萊陽(yáng)凹陷水南組泥頁(yè)巖宏觀和微觀裂縫發(fā)育、脆性礦物含量高、脆性指數(shù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石脆性很強(qiáng)，認(rèn)為萊陽(yáng)凹陷水南組泥頁(yè)巖具有較好的可壓性，利于人工改造、壓裂，形成人造網(wǎng)狀縫。

5 結(jié)論

(1)萊陽(yáng)凹陷水南組發(fā)育較厚的泥頁(yè)巖，有機(jī)碳含量0.17%～2.92%，平均值為1.38%，生烴潛量為0.01～23.03mg/g，平均值為4.42mg/g；干酪根以Ⅱ型為主，Ⅰ型次之；鏡質(zhì)體反射率為0.54%～1.45%；水南組泥頁(yè)巖具備頁(yè)巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)、較好的生烴能力、主體已演化至油氣共生階段，局部進(jìn)入大量生氣階段。

(2)水南組泥頁(yè)巖中宏觀裂縫和微裂縫均發(fā)育，裂縫之間具有一定的聯(lián)通性和相接性，易于在壓裂改造時(shí)形成誘導(dǎo)網(wǎng)狀體積裂縫，提高頁(yè)巖氣產(chǎn)能。

(3)水南組泥頁(yè)巖脆性礦物含量為75.2%～94.1%，脆性礦物含量高，利用改進(jìn)巖石脆性指數(shù)評(píng)價(jià)，水南組泥頁(yè)巖脆性指數(shù)為28%～63%，巖石脆性很強(qiáng)，說(shuō)明水南組泥頁(yè)巖脆性和可壓性均較好，利于后期人工壓裂和儲(chǔ)層改造，為萊陽(yáng)凹陷水南組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造提供的借鑒。