鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性影響因素及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

郭少斌，趙可英

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

鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性影響因素及儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

郭少斌，趙可英

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

評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的好壞主要考慮泥頁(yè)巖的含氣性與泥頁(yè)巖后期壓裂開(kāi)發(fā)的難易程度。據(jù)此，優(yōu)選了與泥頁(yè)巖儲(chǔ)層優(yōu)劣緊密相關(guān)的6項(xiàng)影響因素，包括有機(jī)碳含量、等溫吸附氣量、成熟度、孔隙度、伊蒙混層及脆性礦物含量。運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論，對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行了評(píng)價(jià)，應(yīng)用儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(REI)可將儲(chǔ)層分為3類：Ⅰ類儲(chǔ)層，REI≥0.5；Ⅱ類儲(chǔ)層，0.33≤REI<0.5；Ⅲ類儲(chǔ)層，0.3≤REI<0.33。同時(shí)參考前人成果和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了該區(qū)海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)方案，并用圖像的方式展示了不同儲(chǔ)層的特征。

泥頁(yè)巖儲(chǔ)層；灰色關(guān)聯(lián)；儲(chǔ)層評(píng)價(jià)；上古生界；鄂爾多斯盆地

頁(yè)巖氣藏的生儲(chǔ)蓋均為泥頁(yè)巖，屬于連續(xù)聚集、自生自儲(chǔ)型氣藏[1-2]。泥頁(yè)巖中的孔隙以有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中形成的微孔隙為主，天然氣在泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中主要以吸附態(tài)和游離態(tài)為主。由于其孔隙結(jié)構(gòu)以及其中天然氣賦存狀態(tài)的特殊性，導(dǎo)致常規(guī)油氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)方法體系難以適用于特殊的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層[3]，需要建立一套適合泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)方法。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層表征及評(píng)價(jià)的工作開(kāi)展得相對(duì)較少，前人的研究[3-11]考慮泥頁(yè)巖含氣量的影響因素不夠，沒(méi)有和泥頁(yè)巖含氣量建立關(guān)系。作者以我國(guó)上揚(yáng)子古生界巖心樣品測(cè)試為依據(jù)，首先從含氣量入手，討論儲(chǔ)層含氣性影響因素，進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，初步提出了我國(guó)上揚(yáng)子古生界頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方案[12]。在此基礎(chǔ)上，本文以鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層為例，進(jìn)一步開(kāi)展了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)初步研究，提出了我國(guó)鄂爾多斯盆地上古生界海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)分類方案。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地上古生界是以障壁島—潮坪—潟湖沉積體系為主的陸表海環(huán)境與河流—三角洲平原相沉積體系為主的陸源碎屑沉積環(huán)境交互形成的混合沉積體系。其巖性復(fù)雜，底部以灰?guī)r、泥巖、煤層及砂巖為主，上部以砂巖、泥巖及煤層為主，巖性交互頻繁，泥巖單層厚度小，但層數(shù)多，累積厚度大，泥巖主要分布在上石炭統(tǒng)的本溪組、下二疊統(tǒng)的太原組和山西組。平面上山西組、太原組的泥頁(yè)巖在整個(gè)盆地內(nèi)發(fā)育較為穩(wěn)定，橫向連續(xù)性好；本溪組的泥頁(yè)巖在盆地局部相對(duì)穩(wěn)定。上古生界泥頁(yè)巖埋深在1 400～4 000 m，累積泥頁(yè)巖厚度最小13 m，最大164.5 m，平均94.3 m。

2 泥頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

2.1 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)的選取

有機(jī)碳含量不僅是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)，而且是有機(jī)質(zhì)作為吸附氣的核心載體[13]。有機(jī)質(zhì)含有豐富的微孔隙，是吸附甲烷的重要空間，且泥頁(yè)巖中的分散有機(jī)質(zhì)是一種活性非常強(qiáng)的吸附劑，能夠提高泥頁(yè)巖的吸附能力。泥頁(yè)巖中含氣量與泥頁(yè)巖的有機(jī)碳含量呈線性正相關(guān)關(guān)系[14]，主要原因是泥頁(yè)巖對(duì)甲烷的吸附能力伴隨著TOC值增高而增強(qiáng)，吸附氣量增大[15](圖1)。因此有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的最重要參數(shù)。

目前，越來(lái)越多的研究者認(rèn)同Curtis和Martini等的觀點(diǎn)[16-17]，即吸附作用是頁(yè)巖氣聚集的基本屬性之一。泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中的天然氣主體以吸附態(tài)賦存于泥頁(yè)巖的顯微孔隙中，僅在大的孔隙和微裂縫中存在游離態(tài)[3]。因此，對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層儲(chǔ)氣性能的評(píng)價(jià)，除了其孔隙體積和孔隙結(jié)構(gòu)外，其對(duì)天然氣的吸附能力也是評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)[3]。泥頁(yè)巖對(duì)天然氣的吸附能力往往是通過(guò)等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲得的吸附氣量的多少來(lái)反映。吸附氣量的多少除了受到有機(jī)碳含量的影響，還受到地層溫度和壓力的影響。本次研究所測(cè)試的泥頁(yè)巖樣品埋深在2 300～2 500 m，其地層平均溫度在80 ℃左右，為了盡量模擬地層溫壓對(duì)泥頁(yè)巖吸附氣的影響，吸附氣量是由80 ℃時(shí)等溫吸附試驗(yàn)所獲得的。

干酪根大量生氣主要在熱裂解階段，如果成熟度太低，泥頁(yè)巖主要含油而不是含氣。王社教等人對(duì)鄂爾多斯盆地環(huán)14井山西組頁(yè)巖和任5井太原組泥頁(yè)巖的熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ro>1.1%時(shí)，氣態(tài)烴產(chǎn)率隨Ro增大迅速增大[18]，有利于頁(yè)巖氣的大量產(chǎn)出。因此，泥頁(yè)巖的成熟度也是評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的一個(gè)重要指標(biāo)。黏土礦物中的伊蒙混層與吸附氣量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖1)，也是評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的指標(biāo)。

無(wú)論是碎屑巖儲(chǔ)層還是泥頁(yè)巖儲(chǔ)層，孔隙度、滲透率始終是評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的重要指標(biāo)。泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的滲透率都很低且變化非常復(fù)雜，頁(yè)巖氣后期開(kāi)發(fā)主要借助壓裂手段，壓裂可改造其滲透率，故泥頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中主要考慮孔隙度的大小，而滲透率不作為關(guān)鍵因素。

泥頁(yè)巖中脆性礦物的含量直接影響到頁(yè)巖氣后期的壓裂開(kāi)發(fā)，鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖中石英含量占到脆性礦物的72%～98%。石英顆?？蓸?gòu)成一個(gè)相對(duì)剛性的格架，增強(qiáng)泥頁(yè)巖的抗壓實(shí)能力，有利于泥頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)微孔隙的保存[12,19]，同時(shí)是控制孔隙和裂縫發(fā)育程度的主要內(nèi)在因素之一[20]，直接影響儲(chǔ)集空間和滲流通道，增加游離氣的儲(chǔ)存空間，因此脆性礦物可作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的一個(gè)因素。

綜上所述，本文從泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、吸附氣量、孔隙度、伊蒙混層及脆性礦物6個(gè)參數(shù)入手對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)分析儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法

泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的影響因素很多，除了前面提到的6個(gè)主要指標(biāo)以外，還有埋深、厚度、裂縫的發(fā)育程度、脆性礦物的含量等。每個(gè)影響因素對(duì)儲(chǔ)層好壞的影響程度都不一樣，下面用灰色關(guān)聯(lián)法確定這些參數(shù)對(duì)儲(chǔ)層的影響程度、參數(shù)之間的相關(guān)度。

灰色理論是采用多因素來(lái)對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行綜合定量研究，用一個(gè)綜合定量評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)解決單因素儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中出現(xiàn)的矛盾問(wèn)題[21]。采用關(guān)聯(lián)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中深入挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，在非均質(zhì)性較強(qiáng)的區(qū)域?qū)ふ蚁鄬?duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層[22]。

依據(jù)前述從泥頁(yè)巖儲(chǔ)層影響因素中選取的6個(gè)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)：有機(jī)碳含量、吸附氣含量、儲(chǔ)層孔隙度、有機(jī)質(zhì)成熟度、伊蒙混層及脆性礦物，應(yīng)用灰色理論對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行了下述系統(tǒng)研究。

圖1 吸附氣含量與w(TOC)、Ro、伊蒙混層之間的關(guān)系

2.2.1 選定母序列和子序列

有機(jī)碳含量的多少直接影響頁(yè)巖氣的生氣率和吸附能力，故本文選取有機(jī)碳含量作為母序列，孔隙度、有機(jī)質(zhì)成熟度、吸附氣量、伊蒙混層和石英含量作為子序列。

2.2.2 對(duì)母序列和子序列進(jìn)行無(wú)量綱處理

由于系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的量綱不同，且部分?jǐn)?shù)值的數(shù)量級(jí)相差懸殊，這些數(shù)據(jù)不能直接進(jìn)行比較，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)消除量綱處理，轉(zhuǎn)換為可以比較的數(shù)據(jù)序列。作者采用區(qū)間值變換法將每項(xiàng)參數(shù)歸到(0，1)之間。

2.2.3 求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(Xi)和關(guān)聯(lián)度ri

所謂關(guān)聯(lián)程度實(shí)質(zhì)上是指各個(gè)參數(shù)之間的幾何形狀的差別程度，離有機(jī)碳曲線越近，其關(guān)聯(lián)度就越大，對(duì)儲(chǔ)層好壞的影響也越大，反之亦然(圖2)。從圖2可以看出吸附氣含量與有機(jī)碳的關(guān)聯(lián)度最大。

接下來(lái)在歸一化后的各參數(shù)序列中選出二級(jí)最小差和二級(jí)最大差，利用式(1)求取灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(Xi)：

(1)

式中：Dmin min為二級(jí)最小差；Dmax max為二級(jí)最大差；

圖2 有機(jī)碳含量與不同參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)度

ρ為分辨系數(shù)，本文取0.4。

每個(gè)樣品的每個(gè)參數(shù)均有1個(gè)關(guān)聯(lián)系數(shù)，數(shù)據(jù)多不便于進(jìn)行整體比較，有必要將每個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為1個(gè)值，即平均值，作為母序列與子序列之間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)據(jù)表示。若有機(jī)碳含量的關(guān)聯(lián)度為1，吸附氣量、孔隙度、Ro、伊蒙混層及石英含量的關(guān)聯(lián)度分別為0.82,0.60,0.50,0.48,0.46。

2.2.4 關(guān)聯(lián)度排序和權(quán)重系數(shù)的確定

為了反映各參數(shù)與儲(chǔ)層好壞之間的“優(yōu)劣”關(guān)系，需要對(duì)各參數(shù)關(guān)聯(lián)度的大小次序進(jìn)行描述。值越大，該參數(shù)在評(píng)價(jià)儲(chǔ)層總體特性時(shí)所占的比重越大。將所求各個(gè)參數(shù)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行歸一化處理，最后求得各個(gè)參數(shù)的權(quán)重系數(shù)(表1)。

2.2.5 儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

為了能對(duì)儲(chǔ)層綜合分類和評(píng)價(jià)，需要求取儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)REI：

(2)

式中：n為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)；ai為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重系數(shù)；Xi為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)。

2.2.6 儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)

依據(jù)各樣品的儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以作出儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值的概率累計(jì)曲線圖(圖3)，然后尋找曲線的拐點(diǎn)(曲線的最大變化點(diǎn))，該拐點(diǎn)就是儲(chǔ)層分類的區(qū)分點(diǎn)[12]。通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖樣品分析得到，該區(qū)上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層分類閥值分別為0.3，0.33和0.5，閥值非常接近，說(shuō)明鄂爾多斯盆地上古生界的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征相近。根據(jù)閥值可將儲(chǔ)層分為3類：Ⅰ類儲(chǔ)層，REI≥0.5；Ⅱ類儲(chǔ)層，0.33≤REI<0.5；Ⅲ類儲(chǔ)層，0.3≤REI<0.33；REI<0.3的為非儲(chǔ)層(圖3)。

表1 關(guān)聯(lián)度和權(quán)重系數(shù)

圖3 儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)概率累計(jì)曲線

3 泥頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方案

根據(jù)上述儲(chǔ)層評(píng)價(jià)分類指標(biāo)對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖的測(cè)試樣品進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)(表2)。綜合儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)及國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終得出鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖的儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)方案(表3，4)，對(duì)儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層的特征進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。

應(yīng)用上述評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)榆88井上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行分析，可見(jiàn)榆88井山西組泥頁(yè)巖以Ⅱ-Ⅲ類儲(chǔ)層為主，本溪組、太原組以Ⅰ類儲(chǔ)層為主，局部夾有Ⅲ類儲(chǔ)層(圖4)。

4 儲(chǔ)層空間特征

鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖中主要發(fā)育溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙和黏土礦物微孔隙，裂縫不發(fā)育。Ⅰ類儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)含量與石英等脆性礦物含量高，而且氬離子拋光顯示儲(chǔ)層的微裂縫較發(fā)育，縫寬小于1 μm居多，少量1～2 μm，偶見(jiàn)2～4 μm，縫長(zhǎng)幾到十幾微米居多，少量長(zhǎng)幾十微米。掃描電鏡表明石英、長(zhǎng)石等碎屑顆粒常見(jiàn)，少量黏土礦物，發(fā)育微米級(jí)微孔縫和粒間孔隙，且孔徑較大；核磁共振T2譜揭示微小孔和中大孔發(fā)育，少見(jiàn)裂縫。Ⅱ類儲(chǔ)層氬離子拋光顯示微孔隙發(fā)育，孔縫寬小于1 μm居多，少量1～2 μm，縫長(zhǎng)多在幾到十幾微米，少量長(zhǎng)幾十微米，少量微孔隙1～7 μm；掃描電鏡表明黏土礦物含量高，以黏土礦物晶間孔和微米級(jí)粒間孔隙為主；核磁共振T2譜揭示，只發(fā)育微小孔且微小孔的連通性差。Ⅲ類儲(chǔ)層氬離子拋光顯示少見(jiàn)微孔隙，孔縫寬小于1 μm居多，少量微孔隙1～3 μm；掃描電鏡表明礦物組成以黏土為主，多為層狀，黏土礦物層間和晶間孔發(fā)育，但孔徑較??；核磁共振T2譜揭示，只發(fā)育微小孔且微小孔的連通性差(圖5)。

表2 鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖灰色關(guān)聯(lián)儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)

表3 鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)

表4 鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參考指標(biāo)

圖4 鄂爾多斯盆地榆88井泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征綜合柱狀

5 結(jié)論

(1)與儲(chǔ)層優(yōu)劣緊密相關(guān)的6項(xiàng)因素中，有機(jī)碳含量和泥頁(yè)巖的吸附能力與泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的好壞聯(lián)系最緊密，其權(quán)重系數(shù)分別為0.26和0.21，伊蒙混層、脆性礦物對(duì)儲(chǔ)層的影響較小。

(2)應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)理論計(jì)算儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)REI，可將鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層分為3類：Ⅰ類儲(chǔ)層，REI≥0.5；Ⅱ類儲(chǔ)層，0.33≤REI<0.5；Ⅲ類儲(chǔ)層，0.3≤REI<0.33；REI<0.3的為非儲(chǔ)層。

(3)初步提出了鄂爾多斯盆地上古生界海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方案，總結(jié)出了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層識(shí)別的基本特征。

圖5 鄂爾多斯盆地上古生界3類儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間特征

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(編輯 黃 娟)

Gas-bearing influential factors and estimation of shale reservoirs in Upper Paleozoic, Ordos Basin

Guo Shaobin, Zhao Keying

(SchoolofEnergyResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

In the estimation of shale gas reservoirs, the shale gas content and the difficulty for fracture development are the main influencing factors. Six critical factors were chosen, including organic carbon content, the amount of adsorbed gas, maturity, porosity, and the content of I/S and brittle mineral. According to the theory of grey correlation grade, the shale reservoirs in the Upper Paleozoic in the Ordos Basin were studied. The reservoirs were classified into three types based on the Reservoir Estimating Index (REI). WhenREI≥0.5, the reservoirs belong to type Ⅰ. When 0.33≤REI<0.5, the reservoirs belong to type Ⅱ. When 0.3≤REI<0.33, the reservoirs belong to type Ⅲ. Combined with previous studies, an estimation scheme of transitional facies shale gas reservoirs in the study area was proposed, and the characteristics of different reservoirs were shown with images.

shale gas reservoir; gray correlation; reservoir estimation; Upper Paleozoic; Ordos Basin

1001-6112(2014)06-0678-06

10.11781/sysydz201406678

2014-01-06；

2014-09-10。

郭少斌(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事層序地層、儲(chǔ)層和油氣資源預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)(含非常規(guī))工作。E-mail: guosb58@126.com。

國(guó)土資源部2012年度“全國(guó)油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)”專項(xiàng)(2009QYXQ15-07-05)資助。

TE122.2

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