河南中部石炭系-二疊系頁巖氣勘查現狀及難點

張 棟,董果果,王林生,汪 超,李中明

(1.河南省地質研究院,河南鄭州 450001;2.地下清潔能源勘查開發產業技術創新戰略聯盟,河南鄭州 450001;3.浙江海川勘察有限公司,浙江杭州 310012;4.河南豫礦地質勘查投資有限公司,河南鄭州 450053)

河南省中部是國務院規劃的中原城市群核心地區,西至洛陽市、東至開封市、南至許昌市、北至新鄉市,也是河南省內城市群體規模最大、人口最密集、經濟實力最強、城鎮化水平最高的地區。近年隨社會發展和政策要求,區內對清潔能源的需求急劇加大,但長期以來該地區的能源消費中煤炭占比很高,截至2020年仍高達67%,而天然氣作為相對清潔的替代性化石能源,自給率卻長期低于10%,因此,清潔能源保障壓力極大。

2010年以來,美國頁巖氣開采取得巨大成功,為我國能源發展提供了新思路,近年來已在四川盆地成功取得海相地層頁巖氣勘探開發的重大突破并建立工業產能[1-2],并在川西北地區的陸相地層中取得了頁巖氣勘探進展,河南省中部地區也于2015年在上古生界海陸過渡相地層中獲得了頁巖氣勘查發現。

基于河南中部上古生界太原組和山西組的頁巖氣調查研究工作,結合勘查現狀,對區內的頁巖氣儲層特征進行分析,提出后續勘查和研究的方向及難點。

1 勘查現狀

河南省中部地區位于南華北盆地北部,主體處于嵩箕隆起、中牟凹陷和通許隆起的交接部位(圖1),2012年以來區內先后實施了二維、三維地震勘探,以及鉆探了MY1、ZDY2和ZDY1HF三口探井(圖1),其中,MY1井對三個儲層段進行水力壓裂改造,獲得頁巖氣試氣產量1 256 m3/d(三層合采),首次取得了南華北地區海陸過渡相頁巖氣勘查重大發現,經工程工藝改進后,鉆探了ZDY2井,獲得了太原組儲層單層試氣產量3 614 m3/d的重大勘探進展,目前正在試氣的ZDY1HF水平井,已獲得較好的階段性試氣成果。

區內圈定了5個有利區塊,面積724.92 km2,含氣層組總厚170 m,在垂向上圈定了4套有潛力的頁巖氣儲層,分別位于山西組和太原組,有利儲層總厚度可達50 m,其含氣性、有機地球化學特征、物性特征均達到目前國內海陸過渡相頁巖氣有利區標準。根據《頁巖氣資源量和儲量估算規范》 (DZ/T 0254-2014)計算,經相關機構評審,海陸過渡相頁巖氣預測地質儲量937.54×108m3。

2 地質特征

研究區基底為太古界和古元古界變質結晶巖系,沉積地層主要為長城系、薊縣系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。根據60余口鉆井揭露的地層資料,初步判斷區內頁巖氣儲層主要分布在石炭系-二疊系的太原組和山西組[3-8],主要巖性如下(圖2)。

2.1 巖性、厚度及埋深

在眾多鉆孔中優選4口典型代表井進行分析,其分別位于鞏義(ZK001井)、滎陽(ZK002井)、新鄭(ZK003井)和開封(MY1井),取得頁巖氣儲層的巖性、厚度、埋深等資料(圖3)。

圖3 ZK001、002、003和MY1山西組、太原組綜合柱狀圖連井剖面

ZK001井:位于鞏義市站街鎮,鉆至太原組頂部,太原組厚度大于19.8 m(僅揭露太原組頂部層位),主要為灰色-灰黑色灰巖和泥巖互層,992.08～1 001.74 m發育約10.00 m的灰黑色泥巖。山西組厚度為28.30 m,底板埋深為986.20 m,主要為灰黑色-深灰色粉砂巖、泥巖、炭質泥巖夾淺灰色細砂巖,二1煤層厚1.00 m,大占砂巖層厚度較小,山西組957.97～ 986.23 m發育約29.00 m厚的粉砂巖、泥巖,該井山西組的厚度減薄與構造活動有關,在巖心中可以觀察到斷層角礫和斷層泥等明顯的斷面痕跡。

ZK002井:位于滎陽市,鉆至馬家溝組。太原組厚度53.47 m,巖性為深灰色-黑灰色泥灰巖夾深灰色泥質細砂巖、灰色-深灰色細砂巖、黑灰色粉砂巖、黑灰色泥巖、灰黑色炭質泥巖、黑色煤,中部碎屑巖段以砂巖、泥巖和煤線組成,發育三段灰黑色泥巖和兩層煤。與下伏本溪組地層呈整合接觸,山西組厚度62.52 m,二1煤段巖性主要為灰黑色泥巖和炭質泥巖,但是不發育二1煤層,大占砂巖段下部發育厚層含泥礫的灰黑色厚層細粒巖屑砂巖。

ZK003井:位于新鄭市西8 km,鉆至馬家溝組。太原組厚度為71.56 m,底板埋深為813.40 m,巖性主要為灰色-淺灰色灰巖和深灰色粉砂質泥巖、泥巖互層,夾淺灰色中粒砂巖和鋁質泥巖,一煤層厚1.50 m,中上部742.56～747.42 m和760.88～776.57 m分別為約5.00 m和16.00 m厚的泥巖,底部灰巖夾4.00 m泥巖。山西組厚度為106.80 m,底板埋深為741.50 m,巖性主要為深灰色泥巖和灰白色細粒砂巖互層,二1煤層厚6.20 m,下部和上部730.87～741.56 m和634.14～696.05 m分別為約11.00 m和62.00 m深灰色泥巖。

MY1井:位于河南省開封縣西姜寨鄉佛堂王村,鉆至馬家溝組。太原組厚82.00 m,為一套陸源碎屑巖與碳酸鹽巖為主的含數層煤層組成的含煤建造,中部碎屑巖段巖性為粉砂質泥巖、中細粒砂巖、泥巖、粉砂巖互層,夾灰巖(L4)和3層薄煤層。山西組厚91.00 m,二1煤段厚13.50 m,巖性為灰-深灰色中細粒砂巖、泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、炭質泥巖呈互層狀產出,具波狀、透鏡狀條帶,脈狀層理,富含植物根、莖、葉化石,有機組分主要為鏡質組和惰質組,但二1煤層不發育。

2.2 有機地化及物性特征

針對以上4個鉆孔的巖心樣品進行測試,獲得目標層位泥頁巖的總有機碳含量(TOC)、孔隙度、滲透率、鏡煤反射率(Ro)和含氣量等數據,經過對比,太原組中部碎屑巖段和山西組二1煤段的深灰色泥頁巖各項測試數據比較突出(表1)。

表1 ZK001、002、003和MY1樣品測試數據

對比樣品測試數據,河南中部太原組中部碎屑巖段和山西組二1煤段的深灰色泥巖TOC均較高,為4.03%,但是孔隙度和滲透率偏低,孔隙度為1.63%、滲透率為0.023 5×10-3μm2,除新鄭地區外,其他地區的Ro偏高,為3.74%,現場解析氣平均含氣量為2.06 m3/t,表明具有較高的含氣潛力[9],因此,在該地區的頁巖氣勘查過程中,均將太原組中部碎屑巖段和山西組二1煤段作為最主要的頁巖氣目的層[10-12]。

3 儲層特性分析

通過對區內鉆井巖心深入研究,河南中部上古生界太原組和山西組海陸過渡相頁巖氣儲層的部分特征與國內海相和陸相頁巖氣儲層均存在明顯差異[13-16],具有特殊性。以ZDY2井太原組的巖心樣品測試數據為例,從脆性礦物含量、有機質類型、含氣結構和孔隙結構方面展開分析。

3.1 脆性礦物含量

ZDY2樣品X射線衍射全巖礦物分析顯示,泥頁巖礦物主要為黏土礦物和石英,其次為長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦、菱鐵礦及鐵白云石等。黏土礦物含量最高,為10.4%～64.1%,平均為44.7%;石英含量次之,為18.6%～51.8%,平均為39.3%;長石類型主要為斜長石,含量不超過10.0%,平均值為2.9%;黃鐵礦含量變化較大,部分樣品黃鐵礦富集,含量可達23.2%,平均值為4.4%;菱鐵礦、鐵白云石含量一般低于10.0%,平均值約2.0%(圖4)。單就脆性礦物含量而言,該井中太原組富有機質泥頁巖脆性礦物含量平均為46.6%,遠低于南方海相頁巖氣儲層(≥60%)[17-20],部分單層脆性礦物含量可達60%以上,但同時存在含量40%以下的泥頁巖層。

3.2 有機質類型

ZDY2井樣品取有機碳含量大于0.4%的巖心樣品,粉碎至80目以上,稱取粉碎后的樣品50～100 g,放入酸反應容器中,用蒸餾水浸泡,使巖樣中的泥質充分膨脹,2～4 h后除去上部清液,去碳酸鹽巖酸化處理,離心提取干酪根進行鑒定。樣品中有機質類型I、II、III型均有發現,I型干酪根僅在灰巖中分布,相應的腐泥組含量很高,一般接近或超過90%,腐泥組+殼質組含量超過90%;II型干酪根(II1型、II2型)偶見于太原組泥巖中,腐泥組+殼質組含量為25%～90%;III型干酪根分布最廣泛,在太原組各巖性小層均有分布,腐泥組+殼質組含量低,不足25%。測試樣品干酪根顯微組分三角圖顯示(圖5),腐泥組+殼質組含量以低于10%及40%～65%為主,顯微組分含量變化較大。

圖5 ZDY2樣品干酪根顯微組分三角圖

3.3 含氣結構

ZDY2井現場解析氣氣體組分以甲烷為主,剔除異常值之后,甲烷含量為50.94%～92.94%,平均值約88.10%,甲烷占烴類氣體的比例在99.00%以上,為典型的干氣,但氣體賦存狀態即含氣結構具有自身特點。通過綜合測算,以巖石孔隙度、密度、地層壓力、地層溫度、壓縮系數、含氣飽和度等參數計算地層溫壓條件下游離氣含量為主,以等溫吸附實驗計算地層條件下吸附氣含量為輔,相互校正,最終獲得ZDY2井巖石含氣結構。計算結果顯示,泥頁巖吸附氣含量為15.8%～96.4%,平均值約71.1%,主要為60.0%～90.0%(圖4),整體上泥頁巖以吸附氣為主,游離氣為輔,這與泥頁巖整體孔隙度小、單孔隙空間小、礦物組分吸附力等因素有關[21-22]。

3.4 孔隙類型

ZDY2主要通過氬離子拋光-掃描電鏡技術直接觀察描述孔隙的形態、類型、方向、連通性及孔徑大小,參考Loucks等分類方法[23],分為無機孔、有機孔和微裂縫三種類型。ZDY2井測試樣品巖性主要為泥頁巖,孔隙類型主要為無機孔、微裂縫和有機質縫,其中無機孔主要發育粒間孔、晶間孔和溶蝕孔。

粒間孔:主要發育在方解石和黏土礦物顆粒之間,方解石粒間孔主要發育在方解石顆粒之間,由方解石顆粒相互支撐而形成,呈三角形、多邊形、狹長形或不規則狀,孔隙一般較小,基本為100～500 nm(圖6a);黏土礦物粒間孔是由于黏土礦物自身的不穩定性,在成巖壓實過程中碎裂形成大量的黏土巖屑堆積形成,數量較多,孔徑范圍變化較大,常見1～5 μm的大孔(圖6b)。

圖6 ZDY2無機孔掃描電鏡鏡下照片

晶間孔:主要發育在黃鐵礦晶體之間,偶爾發育在碳酸鹽巖礦物晶體之間。黃鐵礦晶間孔孔徑變化較大,一般為50～600 nm,草莓狀、點狀或條帶狀黃鐵礦與有機質關系密切,數量相對較多,他形黃鐵礦通常與黏土礦物共存,分布范圍廣(圖6c)。另外,在局部發現碳酸鹽巖礦物晶間孔,呈多邊形或不規則狀,數量較少,孔徑30～300 nm(圖6d)。

溶蝕孔:主要發育在石英晶體內部(圖6e),部分發育在碳酸鹽巖礦物內部(圖6f),數量整體較少。溶蝕孔形狀各異,呈圓形、多邊形、狹長形及不規則形狀,孔徑較小,一般50～600 nm,各溶蝕孔之間基本不連通,相對較為孤立。

微裂縫:多以成巖縫為主,常見于黏土礦物層間,偶見于石英晶體與方解石晶體接觸邊緣,裂縫數量多,寬度較小,一般為20～300 nm,裂縫長度幾百納米甚至數微米(圖7a～7c)。構造裂縫發育較少(圖7d),掃描電鏡下未發現高壓碎裂縫。普遍發育的微裂縫為頁巖氣提供了有效的賦存空間,規模較大的構造裂縫是溝通各類微觀孔隙的橋梁,在頁巖氣開采壓裂時,與礦物相互作用形成相互連通的網絡孔隙,為頁巖氣運移提供了重要的滲流通道。

圖7 微裂縫和有機質縫掃描電鏡鏡下照片

有機質縫:主要發育在有機質內部或有機質與黏土礦物接觸部位,縫寬較窄,100 nm以內,縫長較長,一般可達數微米(圖7e、7f)。

3.5 儲層發育影響因素

河南中部石炭系-二疊系以海陸過渡相沉積為主,該套地層中泥頁巖單層厚度小、夾層多、巖性復雜,沉積相差異大,沉積環境不如海相地層穩定,故而脆性礦物含量縱橫向變化較大;同時,海陸過渡相沉積中廣泛發育海洋低等生物和陸地高等植物,是研究區有機質的重要來源,總體以III型干酪根發育為主。

研究區的有機質發育特征也在很大程度上影響了儲層孔隙的發育,如ZDY2井中海陸過渡相泥頁巖中孔隙以無機孔縫和有機質縫為主,與海相泥頁巖中大量發育有機質孔的特征存在較大差別[24-27]。經分析,有機質對孔隙發育的影響可能包括以下幾個方面:III型干酪根的腐植組分繼承了植物木質纖維脆度較大的力學性質,在外力作用下易發生內部錯動形成微裂縫,微裂縫的方向一定程度上可能代表了內部力學薄弱面以及受力方向;腐植組分的延展性很差,在其與礦物接觸處經常會因縫合度差異而產生微裂縫[28];鏡質體生烴能力強,在熱演化過程中也可能因產生的異常壓力使有機質發生破裂而形成孔隙[29-30];III型干酪根在熱演化過程中生油潛力小[31-32],推測無法在其內部有效生成有機孔,但是可能會在生氣過程中持續消耗有機質,從而導致整體體積收縮而產生微裂縫。

4 問題與思考

1)河南中部頁巖氣儲層整體脆性遠不如單層厚度大、巖性較單一的南方海相頁巖氣儲層。這種特性對頁巖氣開發過程中的各項工程都產生了不良影響[33-34],尤其對壓裂工程提出了更高的技術要求,照搬四川頁巖氣壓裂方案可能會出現易超壓、易砂堵、易閉合、難轉向等問題[35-37]。其他諸如鉆井液配伍性不良、鉆頭鉆進效率低、地質導向識別不準確、壓裂造縫轉向困難和縫高受限等情況,這些都與區內儲層特殊性關系密切,部分問題經過研究分析得到有效解決,但仍存在數個關鍵性技術問題持續制約勘查工作的快速推進,因此,正確認識區內頁巖氣儲層的地質特性并完成針對性研究和技術改良至關重要,對整個上古生界海陸過渡相頁巖氣儲層發育地區的勘查工作正常推進具有重要意義。

2)區內儲層與南方海相頁巖氣儲層中有機質類型存在顯著區別,Ⅲ型干酪根雖然主要生氣,但總體生氣潛力仍不及Ⅰ型和Ⅱ型干酪根[38-39]。由于有機質自身的生烴潛力直接關系到頁巖氣資源潛力的客觀評估和儲量的科學計算,因此,河南中部上古生界泥頁巖Ⅲ型干酪根的生氣潛力不宜與四川地區直接對比,需要加以重視并開展針對性的生烴過程模擬研究。

3)區內儲層以吸附氣為主的含氣結構與涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖平均值僅34%的吸附氣比例存在顯著差異[40-41],由于含氣結構是頁巖氣勘探開發中的關鍵問題,密切關系到開發方案的合理制定,因此這種含氣結構特殊性提示業內學者應重視該地區頁巖氣抽排、試氣、開采方案及相關機理的進一步研究。

5 結論

1)河南中部的主要頁巖氣儲層太原組中部碎屑巖段和山西組二1煤段發育穩定、分布廣泛,具備區域成藏的地層條件。

2)鉆孔揭露的頁巖氣儲層TOC含量較高,有機質普遍過成熟,孔隙度和滲透率較低,頁巖氣含氣性較好,整體上具備成藏的物質與物性條件。

3)河南中部上古生界太原組和山西組海陸過渡相頁巖氣儲層的脆性礦物含量、有機質類型、含氣結構和孔隙結構等特征,與四川海相頁巖氣儲層均存在明顯差異,具有其特殊性,導致海相頁巖氣成熟的開發技術體系在區內適用性一般,需要深入研究并針對性改良。