黔西北仁頁2井牛蹄塘組頁巖特點及含氣評價

張 鵬，張金川，黃宇琪，王中鵬，鄧恩德

(中國地質(zhì)大學，北京 100083)

引 言

上揚子地區(qū)下古生界廣泛發(fā)育海相富有機質(zhì)頁巖[1-3]，近年來對四川盆地及周緣地區(qū)進行了下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖特點及含氣性評價，其中古生界寒武系、奧陶系、志留系和泥盆系是評價的重點層系[4-5]，多口鉆井的實施顯示上揚子地區(qū)富有機質(zhì)頁巖厚度大、分布面積廣、成熟度高、含氣量大，表明上揚子地區(qū)頁巖氣潛力巨大[6-10]。貴州地區(qū)富有機質(zhì)頁巖作為四川盆地外延，由于其構(gòu)造、沉積條件的復雜性，其泥頁巖特點及含氣性特征尚未明確。仁頁2井的成功鉆探揭示了遵義地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性組合特征、巖石礦物學特征、地球化學特征及含氣性特征，為頁巖氣資源潛力評價和有利區(qū)優(yōu)選提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 鉆探地質(zhì)背景

黔西北區(qū)大部分均位于黔中隆起區(qū)，在大地構(gòu)造上屬揚子板塊，地質(zhì)結(jié)構(gòu)總體上以沖斷—褶皺類型為主。黔西北區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組有效頁巖厚度分布主要受該地區(qū)早寒武世古沉積環(huán)境的控制，在早寒武世，黔西—修文一線為深水陸棚相，向北、向西逐漸改變?yōu)闇\水陸棚相和潮坪—潟湖相。富有機質(zhì)頁巖段發(fā)育廣泛，沉積中心位于黔西—修文一帶，沉積最厚達80 m，由沉積中心向北、向南、向西南牛蹄塘組厚度逐漸減薄，在西北部的習水地區(qū)消失(圖1)。仁頁2井(設(shè)計2個鉆孔，無特殊強調(diào)專指1號鉆孔)位于貴州省金沙縣巖孔鎮(zhèn)后山鄉(xiāng)，鉆遇牛蹄塘組厚度127 m，中上部巖性以深灰—藍灰色泥巖為主，夾薄層粉砂巖，底部的灰黑色炭質(zhì)泥巖及灰黑色薄層硅質(zhì)巖厚度為43 m，為牛蹄塘組頁巖氣發(fā)育的富有機質(zhì)頁巖段(圖1)。

2 地球化學特征

有機質(zhì)類型及含量是頁巖氣聚集的最重要控制因素，不僅控制著頁巖的物理化學性質(zhì)，而且在一定程度上控制著頁巖彈性和裂縫發(fā)育程度，更重要的是控制著頁巖含氣量，有機質(zhì)成熟度可以影響頁巖的生氣潛力[11-13]。

通過對仁頁2井牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖樣品進行實驗測試，結(jié)果顯示泥頁巖有機質(zhì)類型為I型。顯微組分主要為腐泥組和瀝青組，缺乏鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，其中腐泥組以分散狀礦物瀝青基質(zhì)為主，瀝青組以塊狀、脈狀、碎屑狀瀝青為主。油浸反射光下呈灰白色，不發(fā)熒光。

圖1 牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖段厚度等值線

對仁頁2井79塊牛蹄塘組頁巖樣品的有機碳含量進行測試。實驗測試數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，有機碳含量最大值為11.83%，最小值為0.37%，平均值為5.04%。其中900～923 m之間的TOC值最大，均大于4.0%，且越接近地層底部，有機碳含量越高。富有機質(zhì)頁巖中的有機質(zhì)顆粒形態(tài)多樣，如不規(guī)則細粒狀、長條狀和塵點狀等，部分有機質(zhì)顆粒中可見許多極小的黃鐵礦晶體分布。

仁頁2井下寒武統(tǒng)泥頁巖有機質(zhì)成熟度測試結(jié)果為2.01% ～3.11%，有機質(zhì)處于成熟—過成熟階段。研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖成熟度較高，根據(jù)美國頁巖氣勘探經(jīng)驗，同樣具有頁巖氣資源潛力[15-16]。

3 儲層特征

頁巖氣具有自生自儲、原地成藏的特點，頁巖既是烴源巖又是儲層，其中頁巖儲層的巖石礦物學特征以及孔滲特性是影響頁巖含氣量的主要因素。實驗結(jié)果表明:仁頁2井牛蹄塘組碎屑礦物含量為50% ～69%，平均為61%;黏土礦物含量為15% ～40%，平均為31%，自生脆性礦物含量為5% ～16%，平均為9%(方解石平均占4%，白云石平均占2%，黃鐵礦平均約占3%)。仁頁2井牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖中脆性礦物含量較高，有利于后期頁巖氣開發(fā)。井下富有機質(zhì)頁巖巖心孔隙度為1.13%～2.54%，平均為1.79%，滲透率為0.001 0×10-3～0.003 9 ×10-3μm2，平均為0.010 17 ×10-3μm2。

通過對比露頭樣品和仁頁2井(2號鉆孔)井下樣品孔隙特征發(fā)現(xiàn)，牛蹄塘組孔隙類型主要有粒間孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔、晶間孔和有機孔(圖2)。無機孔中又以軟硬顆粒接觸處的粒間孔為主(石英與黏土礦物、石英與游離態(tài)有機質(zhì))。實驗發(fā)現(xiàn)了少量有機孔，有機孔的存在直接證明了有機質(zhì)生烴過程，對解釋頁巖有機生氣機理及頁巖氣賦存狀態(tài)起到了一定的積極作用。無機孔孔徑相對較大，多在100 nm以上，而有機孔與北美海相頁巖也存在較大差異，以50 nm以上的孔為主，而北美海相頁巖多在5～100 nm之間。從孔徑對頁巖氣的吸附影響來看，大孔徑的孔隙利于游離氣的賦存，小于2 nm的孔隙才可能有吸附氣的產(chǎn)生，據(jù)此推斷牛蹄塘組頁巖氣主要以游離氣的形式存在。

圖2 牛蹄塘組頁巖孔隙發(fā)育特征

4 含氣性綜合評價

4.1 等溫吸附

圖3為仁頁2井919.1 m處所取巖心的等溫吸附曲線(30℃等溫)，該樣品為寒武系牛蹄塘組黑色頁巖，有機碳含量為9.37%，有機質(zhì)成熟度為2.74%。隨著壓力增大，頁巖吸附甲烷的能力逐漸增大，當壓力達到12.04 MPa時，頁巖的甲烷吸附能力達到2.19 m3/t，隨著壓力的繼續(xù)增大，吸附曲線趨于平穩(wěn)。在對等溫吸附實驗結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，認為牛蹄塘組頁巖具有良好的吸附性特征，在地下壓力狀態(tài)下能吸附較多體積的天然氣。頁巖樣品有機碳含量高低是樣品吸附能力的主控因素，此外還受黏土礦物的成分及含量、有機質(zhì)成熟度、頁巖含水量等因素的影響。

圖3 仁頁2井頁巖甲烷等溫吸附曲線

4.2 測井評價

4.2.1 總有機碳含量和成熟度指數(shù)

利用測井資料計算烴源巖總有機碳含量的方法很多，Passey于1989年提出的ΔlgR計算方法，既適用于碳酸鹽巖又適用于碎屑巖?；赑assey法，利用測井曲線計算TOC。牛蹄塘組頁巖氣富集段集中在880～930 m，TOC為2.72% ～11.48%，平均為6.39%，且TOC由上至下有逐漸增大的規(guī)律。對仁頁2井有機質(zhì)豐度較高的頁巖段進行分析:富有機質(zhì)頁巖段成熟度指數(shù)值為3.68% ～9.51%，平均為8.05%，對應高—過成熟階段(圖4)。

黔西北仁頁2井牛蹄塘組頁巖測井擬合TOC和成熟度指數(shù)顯示，頁巖氣有效聚集段自然伽馬和放射性鈾元素均處于高值區(qū)，二者響應特征較吻合;聲波時差出現(xiàn)高值，表明頁巖段有機質(zhì)豐度高，可見周波跳躍現(xiàn)象，可能是由于地層裂縫中含氣;深側(cè)向電阻率值大于淺側(cè)向電阻率值，表明頁巖地層存在天然氣的富集。

圖4 仁頁2井牛蹄塘組含氣量綜合評價

4.2.2 吸附氣含量

依據(jù)等溫吸附實驗，頁巖吸附氣含量隨壓力增大而增加，最終趨于平穩(wěn)狀態(tài)。通過統(tǒng)計各個樣品在相同壓力下的吸附氣量，再將其與總有機碳含量進行擬合，從而確定頁巖吸附氣量與總有機碳含量的線性關(guān)系。對黔西北牛蹄塘組頁巖樣品建立TOC與吸附氣量(Q吸，m3/t)模型可以得到:Q吸=0.818TOC+0.069，擬合得到仁頁2井牛蹄塘組頁巖段在縱向上的吸附氣量變化特征，吸附氣含量高值區(qū)主要集中在炭質(zhì)、硅質(zhì)頁巖段底部，深度范圍為880～930 m，吸附氣含量為1.81～9.07 m3/t，頁巖含氣性良好。

4.2.3 游離氣含量

在巖性識別的基礎(chǔ)上，先研究有效頁巖段的孔隙度，然后分析其含氣飽和度，最終利用孔隙度和含氣飽和度確定有效頁巖段的游離氣含量。測井計算仁頁2井有效頁巖段的孔隙度為5.90%～15.47%、含氣飽和度平均值為80%，最終計算出有效頁巖段的游離氣含量范圍為1.46～2.26 m3/t。將測井計算的吸附氣量和游離氣量加和，得出仁頁2井有效頁巖段含氣量范圍為3.80～11.15 m3/t，平均為 6.04 m3/t。

5 結(jié)論

(1)仁頁2井揭示了上揚子黔西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖的基本特征。牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖段以灰黑色粉砂質(zhì)頁巖和黑色炭質(zhì)頁巖為主，厚達43 m;富有機質(zhì)頁巖段有機質(zhì)類型以I型干酪根為主，總有機碳含量為0.37% ～11.83%，有機質(zhì)成熟度為2.01% ～3.11%;頁巖巖石中脆性礦物含量較高;以孔隙型、孔隙—裂縫型儲集空間為主，氣測顯示明顯，具有良好的頁巖氣成藏條件。

(2)含氣性研究表明，牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖有很大的含氣潛力。測井數(shù)據(jù)計算出頁巖含氣量為3.80～11.15 m3/t;等溫吸附實驗顯示最大吸附氣量為0.68～2.30 m3/t，達到工業(yè)開采標準，黔西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組具有較大的頁巖氣潛力。

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