義馬地區(qū)上古生界頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及有利目標(biāo)層優(yōu)選

司慶紅，司馬獻(xiàn)章，張 超，王善博，曲 凱，孫衛(wèi)志，李中明

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170； 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局 第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽(yáng) 471000； 3.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

引 言

洛伊凹陷為“三鼻五次凹一推覆”的構(gòu)造格局，是一個(gè)晚古生代與中生代的疊合盆地[1-3]，受多期次差異性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造影響，各次級(jí)構(gòu)造單元上古生界埋深變化范圍大，烴源巖平面上熱演化程度總體呈“北高南低，西高東低”的變化趨勢(shì)[1,3-4]。前人在洛伊凹陷油氣勘探工作中以生界為目的層開(kāi)展圈閉油氣藏的研究[1,5-6]，很少針對(duì)上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。

本次研究選擇構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定、上古生界埋深適中、熱演化程度更貼近自然演化的義馬地區(qū)作為研究區(qū)，利用鉆探資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖分布特征、生烴條件和物性條件三方面展開(kāi)義馬地區(qū)上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖評(píng)價(jià)，并劃分頁(yè)巖氣有利層段。

義馬地區(qū)位于洛伊凹陷的西北緣，南以宜伊斷裂為界并與義馬—宜陽(yáng)—伊川逆沖推覆帶相鄰，東北以義馬—龍門斷裂與新安—龍門鼻狀構(gòu)造帶相接，東南為宜陽(yáng)次凹，面積約510 km2(圖1)[1]。

圖1 工作區(qū)及周邊構(gòu)造概況[1]Fig.1 A survey of the structures in the study area and its surrounding area[1]

1 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖分布特征

義馬地區(qū)古生界殘留部分主要出露于新安凸起以北及澠池西北部的露頭區(qū)，順該凸起走向至盆地以南宜陽(yáng)一帶見(jiàn)零星出露，由下向上為寒武系，奧陶系，石炭系本溪組，二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組等。從西到東，義馬地區(qū)上古生界地層厚度變化不大，山西組和下石盒子組略有增厚，上古生界殘存厚度為800～1 200 m，受宜伊斷裂的控制，次凹呈“北淺南深”的基本格局[1]。通過(guò)鉆孔編錄，ZK0302和ZK0402這2個(gè)鉆孔(鉆孔位置見(jiàn)圖1)，結(jié)合前人研究[2,7-8]劃分出5個(gè)上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖目標(biāo)層(表1)。

表1 上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段分布Tab.1 Distribution of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation

通過(guò)地層對(duì)比，發(fā)現(xiàn)2鉆孔上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要分布在下石盒子組、山西組和太原組，2鉆孔富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段埋深975.23～1 278.58 m，厚度分別為57.10 m和41.57 m，平均厚度為49.3 m。山2段厚度差異較大，其余各富有機(jī)質(zhì)層段厚度相對(duì)穩(wěn)定。

2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

2.1 礦物成分與脆性特征

頁(yè)巖主要由有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)礦物組成，其中石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖、黃鐵礦的脆性礦物和黏土礦物占有較大比例，并且影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、壓裂開(kāi)發(fā)[9-10]。選取ZK0302和ZK0402樣品進(jìn)行全巖X衍射分析，用礦物體積分?jǐn)?shù)表征富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的礦物組成(圖2)。

上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要由黏土礦物和脆性礦物組成，兩者占總礦物的76.4%～98.9%，平均94.6%。黏土礦物占19.3%～55.5%，平均36.1%；總脆性礦物占39.5%～78.2%，平均58.5%。脆性礦物主要為石英和碳酸鹽巖，石英占總礦物的20.5%～67.5%，平均46.7%；碳酸鹽巖占總礦物的0～29.4%，平均7.5%。

圖2 古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段礦物組成剖面Fig.2 Mineral composition profile of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation

本次上古生界5個(gè)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段脆性評(píng)價(jià)采用基于礦物組分的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即脆性指標(biāo)[11]為

BI=(φQtz+φFeld+φFes)/φTotal×100% 。

(1)

式中：BI為脆性系數(shù)，%；φQtz為石英體積分?jǐn)?shù)，%；φFeld為長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)，%；φFes為黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)，%；φTotal為總礦物占頁(yè)巖體積分?jǐn)?shù)，%。

經(jīng)計(jì)算，上古生界5個(gè)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段總體脆性系數(shù)較高，集中分布在40%～60%，各層段脆性系數(shù)區(qū)別不大。從力學(xué)角度看，上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段易于實(shí)現(xiàn)后期壓裂施工。

2.2 孔裂隙發(fā)育特征

通過(guò)掃描電鏡觀察義馬地區(qū)上古生界泥頁(yè)巖孔裂隙發(fā)育情況。在60倍鏡下觀察到巖石中一溶蝕縫，縫寬0.85 mm左右，縫內(nèi)被泥質(zhì)完全充填，未見(jiàn)孔隙(圖3(a))。在400倍鏡下觀察到巖石中一縫寬0.04 mm左右構(gòu)造縫，縫內(nèi)被方解石充填完全，另可見(jiàn)一納米—微米級(jí)不規(guī)則微裂縫；粒間充填少量片狀伊利石，孔隙極少(圖3(b))。在1 000倍掃描電鏡下，可觀察到泥質(zhì)間微孔隙(圖3(c))，在2 000倍電子掃描電鏡下，觀察到粒間及炭質(zhì)粒內(nèi)微孔隙(圖3(d))。

不同尺度的孔隙對(duì)頁(yè)巖氣的賦存和運(yùn)移具有不同的作用和貢獻(xiàn)。納米級(jí)孔隙對(duì)頁(yè)巖氣的賦存至關(guān)重要[12]，微米級(jí)及更大尺度的孔裂隙和孔隙的連通程度保障了頁(yè)巖氣的運(yùn)移。上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中發(fā)育不同尺度的孔裂隙，對(duì)頁(yè)巖氣賦存、富集有利。

采集上古生界7個(gè)泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)。樣品埋深為885～1 254 m，自上而下樣品編號(hào)依次為KS-1、KS-2、KS-3、KS-4、KS-5、KS-6、KS-7。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，上古生界泥頁(yè)巖孔隙度、孔徑分布、比表面積、孔容等孔隙結(jié)構(gòu)特征如圖4所示。

圖3 上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔裂縫SEM實(shí)驗(yàn)特征Fig.3 Characteristics of pores and cracks in organic-rich shale in Upper Paleozoic formation under SEM

圖4 壓汞實(shí)驗(yàn)反映的上古生界泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Pore structure characteristics of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation from mercury pressure tests

壓汞實(shí)驗(yàn)測(cè)得7個(gè)泥頁(yè)巖樣品的密度為2.38～2.72 t/m3，平均2.60 t/m3，平均孔徑為9.90 ～15.70 nm，平均12.54 nm；平均孔容為5.6 ～15.9 mL/g，平均10.36 mL/g；平均比表面積為1.42～5.65 m2/g，平均3.42 m2/g；孔隙度為1.22%～3.38%，平均2.22%。

由圖4(a)和圖4(b)可看出，隨著深度的增加，泥頁(yè)巖孔隙度、表面積與孔容有逐漸減小的趨勢(shì)，且三者相關(guān)性基本一致。從圖4(c)可看出泥頁(yè)巖孔隙主要由小孔和微孔組成，約占60%～80%，隨著深度增加，大孔比率呈略增加趨勢(shì)，可能是由構(gòu)造作用或者巖性差異引起的。圖4(d)顯示微孔和小孔幾乎貢獻(xiàn)了所有的表面積值，而大孔和中孔在表面積上的貢獻(xiàn)微乎其微。

由上述分析可知，上古生界泥頁(yè)巖發(fā)育微納米級(jí)孔喉網(wǎng)絡(luò)體系，主要包括微米—毫米級(jí)微裂縫和粒間-粒內(nèi)微小孔，可成為油氣運(yùn)移聚集的有效通道和儲(chǔ)集空間。

2.3 滲透性

本次研究選取編號(hào)分別為S1和S2的上古生界泥頁(yè)巖，利用壓力脈沖超低滲透率儀開(kāi)展?jié)B透率與圍壓變化關(guān)系的研究。將測(cè)得的S1和S2滲透率數(shù)據(jù)與有效應(yīng)力進(jìn)行擬合(圖5)。

圖5 上古生界泥頁(yè)巖滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between permeability and effective stress of shale samples from UpperPaleozoic formation

2個(gè)樣品所測(cè)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果分別為y=0.049 1 e-0.28x和y=0.198 5e-0.546x，相關(guān)度均高達(dá)90%。頁(yè)巖氣有利層段的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖覆壓滲透率下限為0.000 1×10-3μm2[11]，本次研究據(jù)此反演上古生界頁(yè)巖氣有利層段埋藏深度。將靜水壓力作為埋藏條件下的壓力系數(shù)，根據(jù)滲透率與有效應(yīng)力擬合曲線算出富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖滲透率大于0.000 1×10-3μm2的平均埋深在1 800 m以淺。

2.4 含氣性

選取山2段—太1段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖編號(hào)分別為X1和X2的2個(gè)樣品，試驗(yàn)溫度為30 ℃，采用純甲烷在平衡濕度條件下進(jìn)行等溫吸附測(cè)試，測(cè)得富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖對(duì)甲烷有較強(qiáng)吸附性。朗格繆爾體積VL平均為1.63 m3/t，朗格繆爾壓力pL平均為1.5 MPa。2個(gè)樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與等溫吸附曲線擬合效果好，甲烷吸附量隨著壓力增大呈增高趨勢(shì)(圖6)。

由于頁(yè)巖氣有利層段埋深開(kāi)發(fā)上限為600 m[11]，且滲透率大于0.1×10-3μm2的平均埋深為1 800 m以淺。本次主要針對(duì)埋深在600～1 800 m的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖進(jìn)行含氣性評(píng)價(jià)。按照靜水壓力系數(shù)估算地層壓力，埋深在600～1 800 m的上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖地層壓力按6～18 MPa計(jì)算。利用朗格繆爾方程

V=VL·p/(pL+p)

(2)

計(jì)算上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖吸附含氣量。

圖6 上古生界泥頁(yè)巖等溫吸附擬合曲線Fig.6 Isothermal adsorption curves of shale samples from Upper Paleozoic formation

式(2)中，V為吸附含氣量，m3/t；p為地層壓力，MPa；VL為朗格繆爾體積，1.63 m3/t；pL為朗格繆爾壓力，1.5 MPa。

利用式(2)計(jì)算出上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖最大吸附氣含量為1.30 ～1.50 m3/t，平均1.4 m3/t。說(shuō)明埋深在600～1 800 m的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖具有較高含氣性。

3 討 論

3.1 富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖生烴條件

采集下2段—太1段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段共76個(gè)樣品，樣品編號(hào)為T1—T76，其中T1— T27為鉆孔ZK0302富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖樣品，T28—T76為鉆孔ZK0402富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖樣品。對(duì)樣品T1—T76進(jìn)行有機(jī)碳TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示：富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體在0.23%～9.67%，平均為1.38%(圖7)。

圖7 上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量直方圖Fig.7 Organic carbon content histogram of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation

從圖7可看出，上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度存在較強(qiáng)非均質(zhì)性，但總體有機(jī)碳含量較高，其中91%的樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%，超過(guò) 60%的樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%。

計(jì)算干酪根類型指數(shù)是判別有機(jī)質(zhì)類型最直接有效的方法，而鏡質(zhì)組反射率是一項(xiàng)衡量有機(jī)質(zhì)熱成熟的良好指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于研究分散有機(jī)質(zhì)的熱演化程度[13-15]。干酪根類型指數(shù)計(jì)算公式

TI=(100MB+50E-75V-100I)/100。

(3)

式中：TI為類型指數(shù)，%；MB、E、V、I分別為無(wú)定性有機(jī)質(zhì)、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量，%。當(dāng)TI<0，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型；TI在0～40，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型；TI在40～80，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ1型；TI>80，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型。

選取澠池ZK0302、ZK0402上古生界富有機(jī)質(zhì)泥巖樣品進(jìn)行干酪根鏡鑒和鏡質(zhì)組反射率測(cè)定。 干酪根鏡鑒結(jié)果顯示：鏡質(zhì)組V在7.9%～100%，平均50.5%；殼質(zhì)組E在0～87.2%，平均44.6%；惰性質(zhì)組I在0～45.5%，平均4.9%。利用式(3)計(jì)算出類型指數(shù)TI<0，說(shuō)明上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。

經(jīng)分析，下石盒子組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖Ro在0.95%～1.07%，說(shuō)明下1段—下2段有機(jī)質(zhì)處于成熟階段。山西組—太原組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖樣品Ro在1.21%～1.67%，平均1.45%，其中80%樣品Ro值超過(guò)1.3%，說(shuō)明太1段—山2段有機(jī)質(zhì)主體處于高成熟階段，少部分處于成熟階段，有利于生氣。

3.2 生烴條件評(píng)價(jià)及頁(yè)巖氣有利目標(biāo)層優(yōu)選

根據(jù)頁(yè)巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法[11]，結(jié)合上述分析，對(duì)義馬地區(qū)上古生界下2段—太1段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖進(jìn)行生烴條件評(píng)價(jià)(表2)。

表2 上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖生烴條件評(píng)價(jià)Tab.2 Evaluation of hydrocarbon generation capacity of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation

注：山1段和太1段連續(xù)，總厚度平均24.2 m，作為同一層段進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由表2可見(jiàn)，作為連續(xù)層段的太1段和山1段厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，是最好的生氣源巖。山2段厚度變化較大，是僅次于太1段和山1段的優(yōu)質(zhì)生氣源巖。下1段有機(jī)質(zhì)豐度較高，但非均質(zhì)性較強(qiáng)，厚度較大，為較好生油源巖。下2段有機(jī)質(zhì)豐度較低，厚度較小，為中等生油源巖。

義馬地區(qū)上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖脆性系數(shù)較高、利于壓裂，孔隙度平均高于2.0%，微米級(jí)孔喉網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)育，可成為油氣運(yùn)移聚集的有效通道和儲(chǔ)集空間。由于滲透率受埋深影響較大，根據(jù)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的滲透率下限，埋深600～1 800 m的層段含氣性較高，優(yōu)選為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的有利層段。通過(guò)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖生烴條件評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)山2段和山1段—太1段為優(yōu)質(zhì)生氣源巖。綜合二者，將義馬地區(qū)埋深在600～1 800 m的山2段、山1段和太1段劃分為頁(yè)巖氣有利目標(biāo)層。

建議下一步在義馬地區(qū)開(kāi)展山2段和山1段—太1段頂?shù)茁裆畹恼{(diào)查工作，以圈定該區(qū)上古生界頁(yè)巖氣有利區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)義馬地區(qū)上古生界為典型的海陸交互相沉積，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖平均厚度為49.3 m。共發(fā)育下2段—太1段5個(gè)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖目標(biāo)層。山2段厚度變化較大，其余各富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段分布穩(wěn)定性相對(duì)較好。

(2)上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖脆性系數(shù)較高，集中在40%～60%，利于壓裂施工。微米級(jí)孔喉網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)育，微米—毫米級(jí)微裂縫和粒間-粒內(nèi)微小孔為油氣運(yùn)移聚集提供有效通道和儲(chǔ)集空間。在1 800 m以淺上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖滲透性和含氣性條件較好，有利于頁(yè)巖氣儲(chǔ)集。

(3)上古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型、主體處于成熟—高成熟階段，利于生氣。山2段和山1段—太1段2個(gè)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段為頁(yè)巖氣有利層段。義馬地區(qū)埋深在600～1 800 m的山2段、山1段和太1段優(yōu)選為頁(yè)巖氣有利目標(biāo)層。

致謝:

參加本次工作的還有張棟、蔡鐵剛、張偉、王立宏、陳尚斌、周曉剛、周帥等，向他們表示感謝！向?qū)徃鍖＜液途庉嬂蠋熢诎倜χ懈冻龅男羷谥乱哉\(chéng)摯的謝意！

參 考 文 獻(xiàn)：

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