試論長英質(zhì)顆粒對(duì)湖相泥頁巖脆性的控制條件

王冠民, 劉海城, 熊周海, 王京印

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)

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試論長英質(zhì)顆粒對(duì)湖相泥頁巖脆性的控制條件

王冠民1,2, 劉海城1, 熊周海1, 王京印1

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;2.海洋國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266071)

泥頁巖的脆性是評(píng)價(jià)頁巖油氣開發(fā)潛力的重要指標(biāo),一般認(rèn)為長英質(zhì)顆粒含量與泥頁巖的脆性指數(shù)具有正相關(guān)性。在渤南洼陷沙一段泥頁巖礦物成分特征分析的基礎(chǔ)上,利用三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試泥頁巖的彈性模量與泊松比,計(jì)算泥頁巖脆性指數(shù),并分析泥頁巖礦物成分與脆性指數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明:碳酸鹽礦物含量與泥頁巖的脆性指數(shù)呈正相關(guān),而長英質(zhì)礦物含量則與脆性指數(shù)基本不相關(guān),這與常規(guī)認(rèn)識(shí)有很大不同;長英質(zhì)含量作為泥頁巖的脆性指標(biāo)是有條件的,研究區(qū)沙一段處于中成巖A期,成巖作用比較弱,泥頁巖的固結(jié)程度差,陸源沉積物質(zhì)之間的黏結(jié)程度低,造成長英質(zhì)礦物含量與脆性指數(shù)不相關(guān);從成巖作用過程的角度推測泥頁巖在中成巖B期是長英質(zhì)顆粒與脆性指數(shù)由不相關(guān)轉(zhuǎn)為正相關(guān)的過渡階段,因此較強(qiáng)的成巖作用是提高湖相泥頁巖脆性的關(guān)鍵因素之一。

渤南洼陷; 長英質(zhì)顆粒; 細(xì)粒沉積巖; 脆性; 成巖作用; 頁巖氣

引用格式:王冠民,劉海城,熊周海,等. 試論長英質(zhì)顆粒對(duì)湖相泥頁巖脆性的控制條件[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,40(3):1-8.

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泥頁巖的脆性是評(píng)價(jià)頁巖油氣可開發(fā)程度的重要指標(biāo)[1]。在美國各大含頁巖氣盆地為代表的海相頁巖(包括中國上揚(yáng)子地臺(tái)的古生界)中,長英質(zhì)顆粒的含量往往是影響巖石脆性指數(shù)的主要因素[2-3]。對(duì)于陸相盆地頁巖,學(xué)者們也普遍認(rèn)為長英質(zhì)顆粒與碳酸鹽礦物同樣是影響頁巖脆性指數(shù)的重要因素,長英質(zhì)顆粒含量越高,相應(yīng)的頁巖脆性就越大[4-6]。筆者在對(duì)渤南洼陷沙一段泥頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)分析中,發(fā)現(xiàn)泥頁巖中長英質(zhì)礦物對(duì)巖石脆性指數(shù)的影響與上述認(rèn)識(shí)并不相同,泥頁巖中的長英質(zhì)顆粒并不一定是巖石脆性指數(shù)的主要貢獻(xiàn)者。在渤南洼陷沙一段泥頁巖礦物成分特征分析的基礎(chǔ)上,利用三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試泥頁巖的彈性模量與泊松比,計(jì)算泥頁巖脆性指數(shù),并分析泥頁巖礦物成分與脆性指數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1　渤南洼陷沙一段泥頁巖的礦物組成特征

渤南洼陷是濟(jì)陽坳陷沾化凹陷中的一個(gè)次級(jí)洼陷。與濟(jì)陽坳陷一樣,渤南洼陷在沙一段、沙三下—沙四段沉積了較厚的湖相泥頁巖。目前在沙三段泥灰?guī)r中已經(jīng)有裂縫型油氣藏投入開發(fā)。

研究所需樣品均取自渤南洼陷的8口探井(表1),全部為沙一段的鉆井巖心樣品。巖性大部分是紋層狀頁巖,少部分是泥灰?guī)r、泥云巖和細(xì)粉砂巖(嚴(yán)格意義上應(yīng)統(tǒng)稱細(xì)粒沉積巖,但為了敘述和與其他文獻(xiàn)對(duì)比的方便,本文中仍舊將其統(tǒng)稱為泥頁巖),測試樣品數(shù)量共36塊。

表1　渤南洼陷沙一段泥頁巖全巖礦物組成

注:括號(hào)內(nèi)為樣品數(shù)。

圖1　渤南洼陷沙一段泥頁巖礦物組成三端元圖Fig.1　Triple graph of mineral composition of shale in Sha 1 Member in Bonan sag

將所取泥頁巖樣品進(jìn)行粉碎,取樣品量約5 g放入研磨缽中,研磨至粒徑約為48 μm。在中國石油大學(xué)(華東)儀器分析中心日本理學(xué)公司生產(chǎn)的A型粉末X衍射儀上分析其成分,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1所示。結(jié)果顯示,此次試驗(yàn)的泥頁巖樣品的主要礦物成分為石英、長石、方解石、鐵白云石、白云石、菱鐵礦、黃鐵礦、文石和黏土礦物。脆性礦物中,外源脆性礦物(石英、長石)含量為3%～75%,平均為28.95%;自生脆性礦物(主要是碳酸鹽礦物)含量為4%～95%,平均為53.41%;菱鐵礦和黃鐵礦等自生礦物含量比較少,只在義117井3 391.8 m的樣品中菱鐵礦含量達(dá)21%。黏土礦物含量占總礦物成分的1%～33%,平均為17.03%,遠(yuǎn)小于脆性礦物含量。

鏡下觀察表明(圖2),研究區(qū)沙一段泥頁巖不論紋層是否發(fā)育,除少數(shù)孤立顆粒應(yīng)屬風(fēng)成砂性質(zhì)以外,大部分長英質(zhì)顆粒在粒級(jí)上一般與黏土礦物逐漸過渡,表明這些細(xì)小的長英質(zhì)顆粒是在懸浮狀態(tài)下與黏土礦物一起被搬運(yùn)到古湖盆中央沉積下來的,其含量在泥頁巖中不會(huì)超過50%,這與北美典型頁巖氣藏的頁巖中(Barnett組、Ohio組、Antrim組、New Albany組、Lewis組)硅質(zhì)主要來源于浮游微生物骨骼具有本質(zhì)的差別[7]。

圖2　紋層狀頁巖中淺色的長英質(zhì)顆粒與黏土礦物一起構(gòu)成紋層(義21井,2 755.4 m)Fig.2　Shale laminae constituted by felsic particles and clay minerals(well Yi21, 2 755.4 m)

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在富含碳酸鹽礦物的泥頁巖中,石英長石的含量小于30%時(shí),一般與黏土礦物含量呈正相關(guān);長英質(zhì)顆粒含量在30%～50%時(shí),二者的相關(guān)性不大;若超過50%,則過渡為細(xì)粉砂巖,其含量與黏土礦物開始反相關(guān)(圖3)。

圖3　渤南洼陷沙一段泥頁巖長英質(zhì)礦物含量與黏土礦物含量的關(guān)系Fig.3　Relation between the content of felsic and clay in Sha 1 Member in Bonan sag

2　泥頁巖的脆性指數(shù)

2.1標(biāo)準(zhǔn)樣品的加工準(zhǔn)備

力學(xué)測試前,將取自巖心的樣品加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。首先用金剛石鉆頭取心,然后在磨平機(jī)上將試樣兩端磨平,保證試樣周邊光滑,沿整個(gè)高度上的直徑誤差不超過0.1 mm,試樣端面不平整小于0.05 mm,兩端面不平整度最大不超過0.05 mm,試樣端面應(yīng)垂直于試樣軸線,其最大偏差不應(yīng)超過0.25 mm。

2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)備采用的是中國石油大學(xué)(華東)鉆井工程實(shí)驗(yàn)室的一套伺服控制巖石力學(xué)三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本次力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的樣品共成功取樣29塊,其中水平取心樣品28個(gè),垂直取心樣品15個(gè)。試驗(yàn)采用等側(cè)壓三軸壓縮試驗(yàn)(σ1>σ2=σ3),為較真實(shí)地模擬地層條件,根據(jù)巖性及深度,加載圍壓30 MPa。

分別從水平取心方向和垂直取心方向測試了樣品的彈性模量、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、破裂壓力等12個(gè)力學(xué)參數(shù),部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

2.3脆性指數(shù)的計(jì)算

彈性模量和泊松比是表征頁巖脆性的主要巖石力學(xué)參數(shù),彈性模量反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力,泊松比反映了頁巖在壓力下破裂的能力。一般認(rèn)為巖石的泊松比越小,彈性模量越高,反映巖石的彈性越小,脆性越強(qiáng),越容易破裂[9-10]。本文中采用Rickman的彈性模量和泊松比評(píng)價(jià)法[8]計(jì)算渤南地區(qū)沙一段泥頁巖的脆性指數(shù),計(jì)算公式為

(1)

式中,YC為巖石的靜態(tài)彈性模量(104 MPa);PC為巖石的靜態(tài)泊松比;YB和PB分別為由彈性模量和泊松比確定的脆性指數(shù);B為巖石的脆性指數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表2。

3　礦物成分與脆性指數(shù)的一般關(guān)系

根據(jù)力學(xué)分析數(shù)據(jù)計(jì)算出了渤南地區(qū)沙一段泥頁巖不同井位和深度的脆性指數(shù)(表2),進(jìn)一步與泥頁巖中長英質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物、黏土礦物的含量相對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn):碳酸鹽礦物含量與泥頁巖的脆性指數(shù)呈正相關(guān)(圖4);長英質(zhì)礦物含量則與脆性指數(shù)負(fù)相關(guān)或不相關(guān)(圖5),與通常的認(rèn)識(shí)截然不同。

對(duì)于前一點(diǎn)認(rèn)識(shí),據(jù)已有鉆井統(tǒng)計(jì),沾化凹陷內(nèi)目前已有八十余口井在沙三段泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖的天然構(gòu)造裂縫中發(fā)現(xiàn)油氣顯示,巖石構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度與巖石中方解石的含量也呈正相關(guān)[11-12]。

按照目前普遍的看法,陸源沉積物質(zhì)中,黏土礦物是最主要的塑性礦物,黏土礦物的增加會(huì)顯著降低泥頁巖的脆性程度,而長英質(zhì)顆粒一般會(huì)增加泥頁巖的脆性。這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯不符。

表2　渤南洼陷沙一段泥頁巖主要力學(xué)參數(shù)及脆性指數(shù)

圖4　渤南洼陷沙一段碳酸鹽礦物含量與脆性指數(shù)的關(guān)系Fig.4　Relation between content of carbonate and brittleness index in Sha 1 Member in Bonan sag

圖5　渤南洼陷沙一段長英質(zhì)礦物含量與脆性指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5　Relation between content of felsic and brittleness index in Sha 1 Member in Bonan sag

4　原因分析

4.1長英質(zhì)顆粒含量與泥頁巖脆性關(guān)系的表現(xiàn)

圖3揭示,當(dāng)沙一段泥頁巖中長英質(zhì)顆粒含量小于30%時(shí),與黏土礦物含量具有較好的正相關(guān)性。這說明,這些富碳酸鹽礦物泥頁巖中的長英質(zhì)顆粒是在洪水期隨大量黏土一起懸浮搬運(yùn)過來的細(xì)碎屑顆粒。當(dāng)泥頁巖中長英質(zhì)顆粒含量小于30%時(shí),隨著長英質(zhì)顆粒含量的增加,黏土礦物含量也增加,結(jié)果造成泥頁巖的脆性指數(shù)下降(圖6);當(dāng)長英質(zhì)礦物含量大于30%時(shí),顆粒含量的增加并沒有造成脆性指數(shù)的上升,甚至由泥頁巖逐漸過渡到長英質(zhì)顆粒含量已經(jīng)達(dá)到70%～75%的細(xì)粉砂巖時(shí),其脆性指數(shù)也沒有明顯的增加(圖5)。研究區(qū)沙一段長英質(zhì)顆粒對(duì)泥頁巖脆性指數(shù)的提高并沒有起到積極作用,脆性指數(shù)的變化其實(shí)主要與碳酸鹽礦物(圖4)、黏土礦物含量(圖6)的變化有關(guān),而不是長英質(zhì)顆粒本身。

必須強(qiáng)調(diào)的是:除了黏土礦物以外,出現(xiàn)此現(xiàn)象的另一個(gè)關(guān)鍵因素是渤南地區(qū)沙一段泥頁巖中碳酸鹽礦物的含量較高,最高可達(dá)95%(表1、2),需要綜合考慮黏土礦物與碳酸鹽礦物對(duì)巖石脆性的影響。由于泥頁巖中陸源碎屑物質(zhì)與碳酸鹽礦物含量呈此消彼長的關(guān)系,當(dāng)陸源碎屑含量增加時(shí)黏土礦物也增加,碳酸鹽礦物相應(yīng)減少,巖石脆性隨之降低。

圖6　渤南洼陷沙一段泥頁巖中黏土礦物含量與脆性指數(shù)的關(guān)系Fig.6　Relation between content of clay mineral and brittleness index in Sha 1 Member in Bonan sag

4.2成巖作用對(duì)泥頁巖脆性的影響

在討論泥頁巖脆性時(shí),除了礦物成分以外,成巖作用也是影響泥頁巖脆性的重要因素[13]。筆者認(rèn)為,正是由于弱的成巖作用導(dǎo)致研究區(qū)沙一段長英質(zhì)礦物含量與泥頁巖脆性指數(shù)不相關(guān)。

蒙脫石等黏土礦物主要體現(xiàn)為塑性[14],膨脹性強(qiáng),尤其是蒙脫石晶體層間距在9.6～40 ?,遠(yuǎn)超伊利石的10 ?。當(dāng)頁巖成熟度較低時(shí),蒙脫石比例往往較高,加之黏土礦物晶間和粒間體積較大,以及長英質(zhì)顆粒普遍以孤立分散狀的礦屑存在,黏土礦物之間以及與長英質(zhì)顆粒間的黏結(jié)性都很弱。因此處于低成熟度階段的頁巖脆性受黏土礦物類型、晶間結(jié)構(gòu)以及黏土與顆粒之間黏結(jié)性的影響可能要比簡單的長英質(zhì)礦物含量大得多。

隨著成巖作用的增強(qiáng),蒙皂石、高嶺石等塑性黏土礦物向伊利石、綠泥石等偏硬脆性黏土礦物[15]轉(zhuǎn)化,以及基質(zhì)重結(jié)晶、碳酸鹽膠結(jié)和交代作用等使孔隙度下降[16],可加強(qiáng)黏土礦物與長英質(zhì)顆粒之間的黏結(jié)性,泥頁巖的脆性隨之增強(qiáng)。

筆者將渤南洼陷所處的沾化凹陷沙一段泥頁巖Ro值與其他含油氣盆地的頁巖Ro值對(duì)比分析。統(tǒng)計(jì)表明,在北美地區(qū),目前已經(jīng)開發(fā)的頁巖氣產(chǎn)層Ro均大于1.0,最高可達(dá)4.9,其長英質(zhì)礦物含量與巖石的脆性是直接正相關(guān)的[17-18]。極少部分Ro小于1.0的地層頁巖(如Michigan、Illinois、Appalachain等地泥盆系)[17-18],其硅質(zhì)也主要來源于浮游生物的細(xì)小硅質(zhì)骨骼,與黏土礦物混合均勻,推測在成巖過程中這些非晶質(zhì)的硅質(zhì)骨骼很容易因重結(jié)晶等因素與黏土礦物緊密連接在一起。中國上揚(yáng)子地區(qū)的筇竹寺組、龍馬溪組和須家河組的Ro也普遍大于1.0,甚至達(dá)到5.2[19-21]。環(huán)渤海灣盆地的古近系頁巖Ro一般在0.3～1.85之間[22-23],渤南洼陷沙一段泥頁巖的Ro尤其偏低(0.3～0.65)[14],處于中成巖階段A期,成巖作用偏弱。

研究區(qū)的義東341井沙一段樣品實(shí)測的伊蒙混層黏土礦物含量在31%～45%,混層比為30%,其余為伊利石和高嶺石,其脆性指數(shù)只有20.95～27.30(表2)。羅67、義32、義49、大33、新義深9等井沙一段—沙四段53塊泥頁巖樣品黏土礦物分析結(jié)果(圖7,未做脆性實(shí)驗(yàn))表明,盡管隨著層位的加深,伊蒙混層黏土礦物含量略有降低的趨勢(shì)(混層比約為20%),但多數(shù)情況下,其含量都在15%～80%,預(yù)測其脆性普遍不會(huì)太高。

圖7　渤南洼陷沙河街組泥頁巖不同黏土礦物平均含量對(duì)比Fig.7　Comparison of average percentage of clay minerals kinds in Shahejie Formation of Bonan sag

在北美海相頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中,將有機(jī)質(zhì)成熟度Ro下限定為1.1%[24]。中國中東部湖相頁巖的熱演化程度普遍較低,結(jié)合中國陸相和海相主要含油氣盆地成巖作用的過程分析認(rèn)為,泥頁巖達(dá)到中成巖B期,有機(jī)質(zhì)高成熟、次生孔隙大量減少、裂縫開始發(fā)育的階段應(yīng)該是長英質(zhì)顆粒對(duì)泥頁巖脆性起明顯作用的過渡階段。硬且脆的粉砂質(zhì)板巖就是該過程終極產(chǎn)物的最好說明。

相比于美國和中國上揚(yáng)子地區(qū),偏高的伊蒙混層黏土含量,偏低的成巖作用強(qiáng)度,應(yīng)該是中國中東部陸相盆地頁巖氣勘探不理想的主要原因,如僅濟(jì)陽坳陷已鉆牛頁1、樊頁1等頁巖氣井10余口,但無一口見產(chǎn)能。由此看來，對(duì)于中國東部陸相盆地頁巖油氣的勘探而言，較高的成巖作用強(qiáng)度(黏土礦物中的蒙脫石層基本消失、巖石致密、黏土礦物與長英質(zhì)顆粒緊密黏結(jié))或者較高的碳酸鹽礦物含量是頁巖油氣能夠有效開發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)條件。在濟(jì)陽坳陷大量頁巖氣井不斷失利的情況下,渤南洼陷羅家地區(qū)沙三段泥灰?guī)r中裂縫性油氣藏早在20 世紀(jì) 60 年代初期就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)并投入開發(fā)就是一個(gè)極好的實(shí)例。針對(duì)復(fù)雜的陸相頁巖[25]如何設(shè)計(jì)出適宜的壓裂方案[26]將是今后重點(diǎn)攻關(guān)的方向。

5　結(jié)　論

(1)渤南地區(qū)沙一段泥頁巖中碳酸鹽礦物含量與泥頁巖的脆性指數(shù)呈正相關(guān),而長英質(zhì)礦物含量與脆性指數(shù)基本不相關(guān),導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要因素是泥頁巖成巖作用弱,黏土礦物與長英質(zhì)顆粒之間的黏結(jié)作用很差。

(2)長英質(zhì)含量做為泥頁巖脆性指標(biāo)是有條件的,必須在成巖作用達(dá)到一定程度后,顆粒與黏土礦物緊密黏結(jié)在一起才能起作用。

(3)通過大量數(shù)據(jù)調(diào)研,結(jié)合成巖作用特點(diǎn),預(yù)測中國中東部湖相泥頁巖在中成巖B期是長英質(zhì)顆粒與脆性指數(shù)由不相關(guān)轉(zhuǎn)為正相關(guān)的過渡階段,這可以用來指導(dǎo)今后陸相盆地頁巖氣的勘探開發(fā)。

(4)較高的成巖作用強(qiáng)度,或者較高的碳酸鹽礦物含量,是中國東部陸相盆地泥頁巖油氣能夠獲得有效開發(fā)的關(guān)鍵地質(zhì)因素。

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(編輯徐會(huì)永)

Control condition of felsic on brittleness of lacustrine shales

WANG Guanmin1,2, LIU Haicheng1, XIONG Zhouhai1, WANG Jingyin1

(1.School of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580, China;2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266071,China)

The brittleness of shale is one of the important indices for evaluating the potential of shale oil and gas development. In general, the felsic content is positively correlated with the brittleness index of shale. Based on mineral composition characteristic analyses of shale in the Sha 1 Member of Bonan sag, we applied triaxial testing system to measure the Young modulus and poisson ratio of shale, calculated the brittleness index and analyzed the corresponding relationship between the shale mineral composition and its brittleness index. The results indicate that the content of carbonate minerals is positively related to the brittleness index, whereas there is no such correlation between felsic minerals and the brittleness index, which is different from previous empirical conclusions. Therefore, it must be cautious to utilize the content of felsic mineral as the brittleness index of shale. Our study suggests that Sha 1 Member, Paleogene Shahejie Formation, is in the period A of middle diagenetic stage, resulting in the relatively weak diagenesis, poor degree of consolidation in shale, and weak bonding strength between terrigenous sediment, which leads to noncorrelative relation between the content of felsic and the brittleness index. From the perspective of diagenesis processes, it is speculative that the period B of middle diagenetic stage is a transition phase, in which the relationship between the content of felsic and the brittleness index transforms from non-correlative to positively correlative. As a summary, strong diagenesis is one of the key factors to promote the brittleness of lacustrine shale.

Bonan sag; felsic; fine-grained sedimentary rocks; brittleness; diagenic metamorphism; shale gas

2015-11-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572123);山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014DM013)

王冠民(1969-),男,教授,博士,研究方向?yàn)槌练e學(xué)和儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)。E-mail:wguanmin@sina.com。

1673-5005(2016)03-0001-08doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2016.03.001

P618.12

A