海陸過渡相高黏土含量微孔致密巖屑砂巖儲層特征

劉曾勤，郭少斌

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

非常規(guī)氣(致密砂巖氣、頁巖氣和煤層氣)已成為滿足全球能源需求中天然氣供給的重要組成部分[1]。其中，在美國和中國的眾多油氣盆地取得了致密砂巖氣的重大發(fā)現(xiàn)，如美國西部的大綠河盆地和中國的鄂爾多斯盆地[2-3]。這些致密砂巖氣主要發(fā)現(xiàn)于海相或陸相地層中，但海陸過渡相地層中的致密砂巖氣發(fā)現(xiàn)較少[2,4]。海陸過渡相地層在中國分布廣泛，如中國南方地區(qū)的上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和鄂爾多斯盆地的下二疊統(tǒng)太原組，其致密砂巖氣、頁巖氣和煤層氣的勘探開發(fā)前景十分廣闊[5-6]。

通過對致密砂巖儲集特征(宏觀和微觀屬性)研究，可以初步評價致密砂巖氣的資源潛力和生產(chǎn)能力[4,7]。其中，宏觀屬性(孔隙度和滲透率)在氣體聚集和流動中起著重要的作用[8]，微觀屬性(孔喉結(jié)構(gòu))對致密砂巖氣產(chǎn)能有很大的影響[9]。為了掌握宏觀和微觀屬性之間的關(guān)系，必須詳細(xì)描述和定量評價孔喉結(jié)構(gòu)[7,10]。國內(nèi)外學(xué)者通過應(yīng)用薄片觀察、X射線衍射分析、掃描電鏡、壓汞法和核磁共振實驗來刻畫孔喉結(jié)構(gòu)特征，從而為致密砂巖氣的資源潛力評價提供參考[7-8,10-11]。因此，使用上述技術(shù)手段系統(tǒng)分析儲集特征對評估致密砂巖的儲層質(zhì)量和資源潛力至關(guān)重要。

黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂巖、泥頁巖和煤層廣泛發(fā)育，大多數(shù)前人研究的重點在海陸過渡相泥頁巖[12-17]和煤層[18-19]的地球化學(xué)和儲集特征上，而對致密砂巖的特征研究較少，制約了黔西地區(qū)致密砂巖氣后期的勘探開發(fā)工作。黔西地區(qū)在致密砂巖氣勘探評價過程中發(fā)現(xiàn)眾多的噴氣井及氣苗，說明龍?zhí)督M致密砂巖含氣性好[20]。其中，黔西地區(qū)X1井在龍?zhí)督M致密砂巖段鉆遇致密砂巖氣，氣測全烴值維持在20%～30%，砂巖層持續(xù)出氣，表明龍?zhí)督M存在一定的致密砂巖氣潛力[6]。由于龍?zhí)督M砂巖儲層復(fù)雜，缺乏詳細(xì)的儲層評價工作，目前龍?zhí)督M致密砂巖氣勘探尚處于探索實踐階段，未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模致密砂巖氣藏。因此，本文通過薄片觀察、掃描電鏡、X射線衍射、壓汞法、核磁共振實驗等技術(shù)手段研究龍?zhí)督M致密砂巖的儲層特征，并探討其致密氣資源潛力及可能的開發(fā)方式。

1 研究區(qū)概況

貴州省位于上揚子地臺南緣，緊鄰四川盆地，構(gòu)造從南往北分為滇黔北部坳陷、武陵坳陷、黔中隆起、黔西南坳陷、黔南坳陷和雪峰隆起[21]。黔西地區(qū)主體位于黔西南坳陷和黔中隆起，包括貴州盤州、六盤水、畢節(jié)等地(圖1a)。黔西地區(qū)經(jīng)歷了多個構(gòu)造演化階段，構(gòu)造樣式復(fù)雜。研究區(qū)內(nèi)主要以隔檔式褶皺為主，向斜開闊，使得煤系地層大部分得以保存，煤層氣資源豐富[18]。

圖1 黔西地區(qū)構(gòu)造區(qū)劃、地層和井資料Fig.1 Tectonic divisions, lithological column, and well data of study area, west Guizhou

貴州省上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M地層沉積類型多樣，自西向東發(fā)育有陸相、海陸過渡相和海相沉積。黔西地區(qū)龍?zhí)督M為海陸過渡相，沉積體系主要為淺水三角洲、潮坪、潟湖、障壁島等沉積組合[22-23]。龍?zhí)督M主要為互層的致密砂巖、頁巖和煤層(圖1c)，具有非常規(guī)氣的勘探開發(fā)潛力[5-6]。通過對研究區(qū)內(nèi)24口探井(圖1b)開展單井和連井對比分析，結(jié)合前人的研究成果[22-23]，刻畫了龍?zhí)督M的沉積環(huán)境和砂體、泥巖、煤層的分布(圖2)。龍?zhí)督M砂巖主要分布在三角洲附近，砂體厚度超過150 m(圖2a)，砂地比超過50%(圖2b)；往東和往北方向為潮坪—潟湖相區(qū)域，砂體厚度明顯變薄(圖2a)，砂地比降低(圖2b)。龍?zhí)督M泥巖主要分布于東北和南部的潮坪—潟湖相區(qū)域，厚度一般在50 m以上(圖2c)。龍?zhí)督M煤層主要發(fā)育于西南三角洲沉積環(huán)境，厚度在20 m以上(圖2d)。進(jìn)一步統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)24口探井(圖1b)的龍?zhí)督M巖性單層厚度包括964層砂體、1 134層煤和737層泥巖，結(jié)果顯示黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂巖、泥巖和煤層的單層厚度薄，大部分單層厚度薄于2 m(表1)。

圖2 黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M主要巖性沉積環(huán)境和分布Fig.2 Sedimentary environment and distribution of main lithofacies in Upper Permian Longtan Formation, west Guizhou

2 龍?zhí)督M致密砂巖儲集特征

2.1 龍?zhí)督M砂巖礦物成分與結(jié)構(gòu)

根據(jù)FOLK推薦的分類方案[24]，海陸過渡相龍?zhí)督M致密砂巖屬于典型的巖屑砂巖，與陸相致密砂巖(如長7砂巖和巴什基奇克組砂巖)礦物成分明顯不同(圖3a)。陸相致密砂巖(長7、登樓庫組、徐家河組和巴什基奇克組)的碎屑礦物主要為石英和長石，含量在50%～90%之間[2,10,25]；海陸過渡相龍?zhí)督M砂巖的主要碎屑礦物是巖屑，其含量大于70%(圖3a)。進(jìn)一步礦物成分研究表明，巖屑主要由泥粒組成，含量為48%～50%，并含少量的火山巖、變質(zhì)巖、沉積巖、凝灰?guī)r和云母碎屑。這些泥粒一般是在海陸過渡相環(huán)境中形成的。龍?zhí)督M砂巖填隙物以泥質(zhì)成分為主，包括約7%的雜基和10%的膠結(jié)物(圖3b-c)。龍?zhí)督M砂巖顆粒大小從極細(xì)到細(xì)砂不等，分選為中等至較差，具有較低的圓球度(次棱—次圓)(圖3b-c)?？傮w上，龍?zhí)督M砂巖具有較低成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度。

X射線衍射成分分析結(jié)果(表2)表明，龍?zhí)督M砂巖具有黏土礦物含量高的特征，平均含量為42.5%。黏土礦物含量從三角洲區(qū)域向潮坪—潟湖相區(qū)域略有降低，而白云石含量急劇增加，主要是受海相碳酸鹽沉積的影響。黏土礦物通常會降低粒間孔的大小并阻塞孔喉，從而顯著降低滲透率[10]。因此，砂巖中黏土含量越高，儲層質(zhì)量越差。此外，龍?zhí)督M砂巖的黏土礦物中伊蒙混層相對含量超過55%。伊蒙混層含量與孔隙度和滲透率具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[26]。研究表明，黏土礦物含量高及伊蒙混層占比高是導(dǎo)致龍?zhí)督M砂巖儲層質(zhì)量差的關(guān)鍵因素之一。

表1 黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M主要巖性單層厚度統(tǒng)計

圖3 中國典型致密砂巖和黔西地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖礦物成分

a.中國典型盆地致密砂巖和黔西地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖；b.龍?zhí)督M巖屑砂巖：細(xì)粒，次棱，中等分選，單偏光，YV-1-1井，810.85 m；c.龍?zhí)督M巖屑砂巖：細(xì)—非常細(xì)的顆粒，次棱—次圓，中等—差分選，單偏光，YV-1-3井，681.11 m

Fig.3 Mineral composition of tight sandstones in Longtan Formation in west Guizhou and other typical tight sandstones in China

2.2 龍?zhí)督M砂巖儲層物性和儲集空間類型

龍?zhí)督M砂巖樣品的物性分析結(jié)果(圖4)顯示其孔隙度介于3.14%～11.1%之間，平均值為7.05%；滲透率為(0.013～4.42)×10-3μm2，平均值為0.81×10-3μm2。孔隙度—滲透率相關(guān)系數(shù)低表明孔隙度和滲透率之間沒有明顯關(guān)系，因為滲透率受到了孔喉結(jié)構(gòu)和微裂縫發(fā)育的影響。其中一些砂巖樣品具有孔隙度低，但滲透率高的特點。

根據(jù)NELSON[9]的孔徑分類，小于10 μm的孔被歸類為微孔，小于1 μm的孔喉被歸類為微孔喉。通過對龍?zhí)督M砂巖樣品鏡下薄片和掃描電鏡觀察，砂巖中粒間和粒內(nèi)大孔很少見(圖5a-b)；其微裂縫發(fā)育(圖5a-b)，通過其連接孤立孔有利于提高儲層質(zhì)量；黏土礦物中伊蒙混層呈纖維狀和片狀形態(tài)，其微孔廣泛存在(圖5c)；同時還觀察到有機物內(nèi)的微孔(圖5d)。這些黏土礦物中微孔大多是孤立孔，連通性較差，對氣體的流動能力基本沒有貢獻(xiàn)。

2.3 龍?zhí)督M砂巖孔喉結(jié)構(gòu)

2.3.1 壓汞法測定的孔喉結(jié)構(gòu)

通過壓汞法研究龍?zhí)督M砂巖的毛細(xì)管壓力曲線(圖6a)、孔喉大小、分布(圖6b)和非均質(zhì)性(圖6c)等特征發(fā)現(xiàn)龍?zhí)督M砂巖孔喉小、孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在最大注汞壓力50 MPa下，最大注汞飽和度在26%～37%(遠(yuǎn)小于100%)(圖6a)，說明龍?zhí)督M砂巖中只有少部分孔喉系統(tǒng)可接觸到注入汞。最大注入汞飽和度受砂巖孔喉結(jié)構(gòu)控制，意味著龍?zhí)督M砂巖的孔喉結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。圖6b顯示龍?zhí)督M砂巖的總體孔喉分布特征是90%以上孔喉半徑小于1 μm。根據(jù)KASSAB等[26]的研究，孔喉分布對儲層內(nèi)油氣運移有控制作用。由于龍?zhí)督M砂巖中的孔喉較小，因此需要較高的驅(qū)替壓力才能發(fā)生油氣運移。

分形理論被廣泛用于表征頁巖、煤層和致密砂巖的孔喉結(jié)構(gòu)特征及其非均質(zhì)性[7,10]。常用的方法之一就是利用壓汞數(shù)據(jù)進(jìn)行分形分析。分形維數(shù)(Df)可以通過注汞飽和度(lnSHg)和毛管壓力(lnPc)交會圖得到，其值通常在2～3之間，用來表征孔喉表面粗糙度和孔喉結(jié)構(gòu)不規(guī)則性[7]。分形維數(shù)和孔喉結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性呈正相關(guān)。龍?zhí)督M砂巖的Df值接近或略大于3(圖6c)，說明孔喉結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性強。另外，研究表明龍?zhí)督M砂巖中發(fā)育微裂縫可能會導(dǎo)致分形維數(shù)大于3.0。

表2 黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂巖樣品X衍射全巖礦物成分及黏土礦物相對含量

Table 2 Mineral composition and relative clay mineral content the Longtan sandstone samples in west Guizhou based on X-ray diffraction analysis %

測試樣品沉積相黏土總含量全巖定量分析石英鉀長石斜長石方解石白云石黃鐵礦菱鐵礦黏土礦物相對含量高嶺石綠泥石伊利石伊蒙混層YV-1-1三角洲5930632118477YV-1-2三角洲5723173610678YV-1-3三角洲56312831526455HV-3三角洲67147122010367YV-4三角洲23.931.10.53.69.13.90.227.7209467Y-28-1潮坪—潟湖21.216.30.30.517.740.53.56121864Y-28-2潮坪—潟湖26.8120.24.30.155.80.8131482XD-1-1潮坪—潟湖25.812.20.54.30.156.11491671XD-1-2潮坪—潟湖46.226.70.40.39.111.40.35.6213265

圖4 黔西地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖孔隙度和滲透率交會圖Fig.4 Cross-plots of porosity versus air permeability for Longtan sandstones in west Guizhou

圖5 黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂巖的儲集空間類型Fig.5 Photomicrographs showing pores and microfractures within Longtan sandstones in west Guizhou

圖6 壓汞法分析黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂巖樣品孔喉結(jié)構(gòu)特征 a.壓汞曲線；b.孔喉半徑分布；c.毛管壓力(Pc)和注汞飽和度(SHg)的分形分析Fig.6 Pore throat structure characteristics of Longtan sandstones in west Guizhou by mercury injection capillary pressure analysis

2.3.2 核磁共振實驗測定的孔喉結(jié)構(gòu)

在儲層研究中，核磁共振技術(shù)被廣泛用于評估流體和儲層參數(shù)[7,10,27-30]。前人研究證實，核磁共振實驗測量得到的橫向弛豫時間(T2)與孔喉尺寸大小呈正相關(guān)[10]。通過核磁共振實驗測試，龍?zhí)督M砂巖樣品100%飽和水和離心后巖心樣品的T2信號強度和累積強度分布(圖7a-b)顯示T2值范圍為0.1～10 ms，對應(yīng)于非常小的孔徑尺寸。龍?zhí)督M砂巖的T2值范圍(圖7a-b)比中國其他典型的致密砂巖(如延長組、徐家河組和巴什基奇克組砂巖)的T2值范圍(圖7c-e)要窄得多，這主要歸因于龍?zhí)督M砂巖中黏土含量高和微孔多。龍?zhí)督M砂巖(圖7a-b)和頁巖(圖7f)的T2譜非常相似，可能因為龍?zhí)督M砂巖富含黏土礦物，進(jìn)一步表明龍?zhí)督M砂巖中孔隙以微孔為主。

T2截止值(T2cutoff)將T2譜分為2部分，即束縛水和可動水區(qū)域[10]。T2截止值可以通過樣品離心后曲線最大累積值在100%飽含水累積曲線上對應(yīng)的T2值獲得。圖7a中龍?zhí)督M砂巖樣品的T2cutoff值是3.2 ms，大于3.2 ms的紅色充填區(qū)域表征樣品中可動流體含量；圖7b中龍?zhí)督M砂巖樣品的T2cutoff值是2.4 ms，大于2.4 ms的紅色充填區(qū)域表征樣品中可動流體含量。總體而言，龍?zhí)督M砂巖的T2cutoff值(圖7a-b)比常規(guī)砂巖的33 ms[27]小很多，因為其微孔含量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。此外，束縛水飽和度可通過樣品離心后累積曲線的最大值與100%飽含水累積曲線的最大值之比獲得。龍?zhí)督M砂巖的束縛水飽和度值大于70%(圖7a-b)，這主要是由上述致密砂巖中以微孔為主導(dǎo)致的。

圖7 中國典型致密砂巖和黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂泥巖T2譜

a.貴州西部龍?zhí)督M砂巖，T2cutoff= 3.2 ms，束縛水飽和度74%，Y-28-1井，680.3 m；b.貴州西部龍?zhí)督M砂巖，T2cutoff= 2.4 ms，束縛水飽和度88%，XD-1-1井，1 150.8 m；c.鄂爾多斯盆地延長組砂巖，S103井，2 042.56 m[28]；d.四川盆地徐家河組砂巖，PL2井，2 877.21 m[10]；e.塔里木盆地巴什基奇克組砂巖，KS4井，3 390.54 m[10]；f.貴州西部龍?zhí)督M泥巖，Y-6井，982.8 m[13]

Fig.7 Nuclear magnetic resonanceT2spectra for tight sandstones and shale in Longtan Formation in west Guizhou and other typical tight sandstones in China

3 龍?zhí)督M致密砂巖氣潛力討論

通過對黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂巖儲層宏觀屬性(孔隙度和滲透率)和微觀屬性(儲集空間類型和孔喉結(jié)構(gòu)特征)分析，表明龍?zhí)督M砂巖碎屑顆粒壓實作用強、儲層致密(圖3b-c)；其礦物成分以巖屑為主，黏土含量高，伊蒙混層占比超過55%(表2)；孔隙空間以微孔為主(圖6b)，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜(圖6c)，束縛水飽和度含量高(圖7a-b)。龍?zhí)督M砂巖包裹體均一溫度顯示原生的氣水包裹體均一溫度區(qū)間為105～140 ℃(圖8a)，龍?zhí)督M樣品Ro在0.85%～1.17%[13]。綜上所述，根據(jù)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，龍?zhí)督M砂巖屬于中成巖階段A期。

與中國已成功勘探和開發(fā)的典型致密砂巖(如鄂爾多斯盆地的延長組致密砂巖)相比，龍?zhí)督M致密砂巖單層厚度薄、孔喉結(jié)構(gòu)致密、非均質(zhì)性強、儲層質(zhì)量差，因此，單獨開發(fā)龍?zhí)督M致密砂巖氣經(jīng)濟性差。但龍?zhí)督M的海陸過渡相沉積環(huán)境造成砂巖與泥巖和煤層呈互層分布，因此，致密砂巖氣具有與煤層氣和頁巖氣一起開發(fā)利用的地質(zhì)基礎(chǔ)。致密砂巖氣、煤層氣和頁巖氣的潛力主要由龍?zhí)督M烴源巖生氣量和后期構(gòu)造活動中的散失天然氣量決定的，而龍?zhí)督M中的烴源巖生氣量主要受有機質(zhì)的厚度、類型、豐度和成熟度控制，散失氣量主要受構(gòu)造活動的強弱和頻率控制[31-32]。龍?zhí)督M烴源巖厚度大(圖2c-d)、有機碳含量高[13]、成熟度高、有機質(zhì)轉(zhuǎn)化率較高[12]，因此，推測龍?zhí)督M烴源巖的生烴能力強。然而，龍?zhí)督M經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，如燕山運動和喜馬拉雅運動[18]，龍?zhí)督M地層中天然氣保存風(fēng)險大，后期工作應(yīng)研究構(gòu)造運動對龍?zhí)督M天然氣保存的影響，尋找變形程度低、保存條件好的有利區(qū)帶。包裹體鏡下照片顯示龍?zhí)督M砂體樣品中存在次生的氣液包裹體(圖8b)，而且主要成分是甲烷和二氧化碳，這就說明致密砂巖中存在天然氣聚集，證明了高有機碳含量和高成熟度的烴源巖可以產(chǎn)生足夠的天然氣充注到致密砂巖中。前人研究成果顯示，黔西地區(qū)頁巖氣[12-13]和煤層氣[18]具有勘探開發(fā)的潛力，致密砂巖氣通過與頁巖氣和煤層氣的共同開采方式，可以實現(xiàn)經(jīng)濟有效地利用黔西地區(qū)的非常規(guī)氣資源(圖9)。

4 結(jié)論

(1)黔西地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M砂巖屬于高黏土含量微孔致密巖屑砂巖，其特征是結(jié)構(gòu)和成分成熟度低，黏土含量高，伊蒙混層占比高。高黏土礦物含量是導(dǎo)致龍?zhí)督M砂巖儲層質(zhì)量差的關(guān)鍵因素之一。

(2)龍?zhí)督M砂巖整體進(jìn)入中成巖A期，壓實作用強，大孔隙不發(fā)育。黏土礦物中存在大量孤立的微孔，導(dǎo)致儲層滲透性差。另一方面，微裂縫的存在改善了儲層質(zhì)量，出現(xiàn)低孔高滲現(xiàn)象。

圖8 黔西地區(qū)龍?zhí)督M砂巖樣品流體包裹體分析 a.包裹體均一溫度柱狀圖；b.流體包裹體鏡下照片F(xiàn)ig.8 Fluid inclusion analysis of Longtan sandstones in west Guizhou

圖9 黔西地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖氣、頁巖氣和煤層氣合采示意Fig.9 A schematic section of commingled production for tight gas, shale gas and coalbed methane in Longtan Formation, west Guizhou

(3)壓汞實驗結(jié)果顯示，龍?zhí)督M砂巖孔喉結(jié)構(gòu)致密，90%以上孔喉半徑小于1 μm。此外，壓汞曲線分形維數(shù)表明，龍?zhí)督M砂巖具有復(fù)雜的、非均質(zhì)性強的微觀孔喉結(jié)構(gòu)。

(4)核磁共振實驗結(jié)果顯示龍?zhí)督M砂巖橫向弛豫時間T2在0.1～10 ms的范圍內(nèi)，對應(yīng)的孔徑十分小。低T2截止值和高束縛水飽和度均表明龍?zhí)督M砂巖儲層質(zhì)量較差。與國內(nèi)其他典型致密砂巖(如延長組、徐家河組和巴什基奇克組砂巖)相比，龍?zhí)督M砂巖的孔喉結(jié)構(gòu)更致密。

(5)龍?zhí)督M致密砂巖單層厚度薄、孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜、致密，致密砂巖氣潛力比較有限。但砂巖與泥巖和煤層呈互層分布，致密砂巖氣與頁巖氣和煤層氣的共同開采是一種可行方式。