涪陵地區(qū)大安寨段頁巖地球化學(xué)和儲集特征變化規(guī)律

何柳，蔡忠賢

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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涪陵地區(qū)大安寨段頁巖地球化學(xué)和儲集特征變化規(guī)律

何柳，蔡忠賢

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

通過對涪陵地區(qū)大安寨段頁巖有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型、巖礦物組、微觀孔隙結(jié)構(gòu)和儲集空間分析研究，探討了涪陵大安寨不同亞段地球化學(xué)和儲集特征及變化規(guī)律,為尋找頁巖氣開發(fā)“甜點”提供依據(jù)。結(jié)果表明：大安寨段總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(TOC)平均為0.79%,屬低有機質(zhì)豐度，但大二亞段屬于好的烴源巖，平面上從東北往西南方向w(TOC)呈現(xiàn)減小趨勢。烴源巖有機質(zhì)處于高成熟的濕氣演化階段。石英在縱向上分布較穩(wěn)定，黃鐵礦和菱鐵礦的普遍存在有利于有機質(zhì)的保存，硅質(zhì)含量與w(TOC)呈正相關(guān)，碳酸鹽含量與吸附氣含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。大安寨段為低孔、特低滲儲層，縱向上大二亞段物性好于大一和大三亞段，頁巖構(gòu)造微裂縫、黏土礦物間孔隙較發(fā)育。

頁巖氣；頁巖礦物組成；儲集性能；大安寨；涪陵地區(qū)

據(jù)2013年資源評價頁巖氣占世界氣資源總量的32%[1]。中國頁巖氣資源潛力巨大，分布面積廣、發(fā)育層系多，據(jù)“全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選”評估報告，中國陸域頁巖氣資源潛力達134.42×1012m3(不含青藏區(qū))，其中已獲得工業(yè)氣流或有頁巖氣發(fā)現(xiàn)的單元資源量93.01×1012m3。國內(nèi)不少學(xué)者開始研究黑色頁巖[2～7]，研究內(nèi)容涉及黑色頁巖地球化學(xué)特征、古環(huán)境意義及成礦規(guī)律等方面。

重慶涪陵大安寨頁巖(油)氣田構(gòu)造上屬于四川盆地的川東褶皺帶萬縣復(fù)向斜帶拔山寺向斜，東鄰大池干井構(gòu)造、西鄰黃泥塘-云安廠構(gòu)造，構(gòu)造呈北東向延伸。涪陵地區(qū)自流井組地層厚度約為300～350m，其中大安寨段地層厚度約為70～90m。涪陵地區(qū)大安寨段發(fā)育多期沉積旋回，結(jié)合沉積旋回與測井曲線及取心將大安寨段劃分為3個中期旋回(大一亞段、大二亞段和大三亞段)，根據(jù)次一級短期旋回劃分出8個小層，由上往下依次為：大一1、大一2、大一3、大二1、大二2、大二3、大二4和大三。筆者在大安寨段系統(tǒng)取樣分析的基礎(chǔ)上，對大安寨段頁巖地球化學(xué)和儲集特征進行研究、總結(jié)其規(guī)律，并初步探討了成因。

1 有機質(zhì)豐度分布特征

烴源巖中的有機質(zhì)是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，油氣生成潛力評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一是有機質(zhì)豐度，表征有機質(zhì)豐度的指標(biāo)有總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))、總烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(HC))和生烴潛量(w(S1+S2))。形成頁巖氣要求頁巖有機質(zhì)豐度高，通常要求w(TOC)大于2%[8]。

統(tǒng)計分析涪陵地區(qū)大安寨段頁巖共92個樣品，大安寨段w(TOC)最大為3.06%，最小為0.01%，平均為0.79%(見圖1)，為低有機質(zhì)豐度；w(TOC)在0.5%～1.5%的樣品占47.7%，而w(TOC)大于2%的樣品占23.7%；平面上工區(qū)內(nèi)w(TOC)從東北往西南涪頁1、5井方向w(TOC)呈現(xiàn)減小趨勢(見圖2)。其中大一亞段w(TOC)在0.01%～1.23%，平均為0.31%；大二亞段w(TOC)在0.51%～6.84%，平均為2.37%，大二亞段w(TOC)最高。對于常規(guī)油氣來講，大二亞段頁巖屬于好的烴源巖；但針對頁巖氣勘探，只有工區(qū)東北部屬于中等氣源巖，工區(qū)其他地方w(TOC)小于1%，為頁巖氣勘探非有利區(qū)。大三亞段w(TOC)在0.01%～1.24%，平均為0.28%。

圖1 涪陵地區(qū)大安寨段頁巖w(TOC)統(tǒng)計圖

圖2 涪陵地區(qū)大二亞段頁巖w(TOC)平面分布圖

2 有機質(zhì)類型及成熟度

大安寨段烴源巖干酪根主要含腐泥組(生油)和鏡質(zhì)組(生氣)，腐泥組體積分?jǐn)?shù)50%～70%，鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)30%～50%，有機質(zhì)類型以Ⅱ2型為主(見圖3)。腐泥組主要以生油為主，鏡質(zhì)組以生氣為主，因此反映侏羅系自流井組大安寨段烴源巖以生油為主，并具有一定的生氣潛力。巖心巖石熱解結(jié)果(見圖4)表明，有機質(zhì)類型以Ⅱ2、Ⅱ1型為主，少量Ⅲ1型。有機質(zhì)主要源于浮游生物和細菌，有較高的原始H/C原子比，較低的O/C原子，生烴潛力為0.3～0.5。

圖3 大安寨段有機質(zhì)類型顯微照片

圖4 烴源巖熱解數(shù)據(jù)反映有機質(zhì)類型圖

描述有機質(zhì)成熟度參數(shù)常有：鏡質(zhì)體反射率Ro(%)、巖石熱解峰溫tmax(℃)以及可溶有機質(zhì)中生物標(biāo)志化合物和芳烴等成熟度指標(biāo)。該次評價烴源巖成熟度主要采用Ro。

室內(nèi)測定了大一亞段、大二亞段和大三亞段樣品的鏡質(zhì)體反射率。結(jié)果表明涪陵地區(qū)大安寨段巖樣干酪根成熟度Ro介于1.10%～1.50%之間。平面上呈現(xiàn)出由北東往南西方向有變大的趨勢，只有西南部屬于高成熟階段，其他區(qū)域?qū)儆诰鶎儆诔墒祀A段，高成熟區(qū)域以生成濕氣為主。

3 頁巖礦物組成特征

3.1 硅質(zhì)、碳酸鹽、黃鐵礦等礦物特征

大安寨段黑色頁巖的石英體積分?jǐn)?shù)平均為37.62%(表1)；長石(斜長石)體積分?jǐn)?shù)較低，平均為3.83%。其中大一亞段石英體積分?jǐn)?shù)小于5%的占79.25%，僅有11.32%樣品含長石。大二亞段石英體積分?jǐn)?shù)大于10%的占85.96%，有76.86%樣品含長石。大三亞段石英體積分?jǐn)?shù)均小于10%，幾乎不含長石(斜長石)。縱向上大安寨段石英分布穩(wěn)定，大一亞段、大三亞段長石體積分?jǐn)?shù)較低，而在大二亞段中上部長石體積分?jǐn)?shù)相對較高。該區(qū)頁巖的硅質(zhì)礦物主要為陸源和生物成因，屬于同沉積產(chǎn)物。

表1 大安寨段硅質(zhì)、碳酸鹽、黃鐵礦等體積分?jǐn)?shù)表

大安寨段黑色頁巖中碳酸鹽礦物主要為白云石和方解石。方解石體積分?jǐn)?shù)平均值69.97%。白云石體積分?jǐn)?shù)平均值0.99%。方解石體積分?jǐn)?shù)縱向上分布穩(wěn)定，而白云石體積分?jǐn)?shù)很低且縱向上分布不穩(wěn)定，大三亞段幾乎不含白云石。黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)平均1.77%；菱鐵礦體積分?jǐn)?shù)平均0.83%。大二亞段黃鐵礦和菱鐵礦分布廣泛，2種礦物的普遍存在表明曾經(jīng)所處的還原沉積環(huán)境，利于有機質(zhì)的保存。

3.2 黏土礦物組成

涪陵地區(qū)大安寨段黑色頁巖的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)在1.20%～68.20%，平均24.69%。黏土礦物組成見表2，在黏土礦物中，伊-蒙混層(I/S)體積分?jǐn)?shù)較高，平均11.34%;伊利石體積分?jǐn)?shù)平均為7.72%，綠泥石和高嶺石體積分?jǐn)?shù)較低，脆性較低，不利于形成無機孔。

表2 大安寨段黏土礦物組成表

4 頁巖儲集性能

4.1 物性特征

涪陵地區(qū)大安寨段為泥頁巖儲層，巖性主要為暗色泥頁巖，夾薄層介殼灰?guī)r、泥灰?guī)r等，灰?guī)r泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)相對較高。大安寨段孔隙度介于0.02%～7.41%之間，平均為1.77%;滲透率介于0.011～4.65mD之間，平均滲透率為0.33mD(表3)，為低孔、特低滲儲層?？v向上來看大二亞段物性好于大一和大三亞段；且大二亞段下部孔滲條件要優(yōu)于上部，下部孔隙度一般介于3%～4%之間。橫向上興隆1井、興隆3井、興隆101井的孔滲條件較好，且隨著孔隙度增加，滲透率有增大的趨勢；但滲透率變化不明顯，反映為孔隙之間連通性較好，為孔隙-裂縫型儲集層。

表3 大安寨段儲層物性參數(shù)表

從表4中分析不同巖性物性表明，大安寨段的泥、頁巖和粉砂巖的物性明顯好于含泥灰?guī)r的儲層物性，泥頁巖和粉砂巖段孔隙度較高，介殼灰?guī)r和灰質(zhì)泥頁巖滲透率較高。

表4 大安寨段不同巖性儲層物性統(tǒng)計表

4.2 頁巖微觀孔隙特征

應(yīng)用薄片、掃描電鏡、氬離子拋光-掃描電鏡、壓汞等資料研究表明，大安寨段頁巖構(gòu)造微裂縫發(fā)育。從興隆101井大二亞段等的頁巖氬離子拋光-掃描電鏡圖片(圖5)可知，頁巖中定向分布張性裂縫和不規(guī)則孔隙，應(yīng)為構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果；孔隙呈圓形、橢圓形或不規(guī)則形態(tài)，孔徑0.1～3μm表面星羅棋布著大小不一的石英和黃鐵礦顆粒，大小0.5～8μm，面孔率5%，有機孔隙不發(fā)育。

圖5 灰黑色頁巖氬離子拋光后的構(gòu)造微裂縫

圖6 頁巖黏土礦物層間次生微孔

4.3 儲集空間類型

通過巖心觀察、薄片、掃描電鏡、氬離子拋光—掃描電鏡綜合分析表明，大安寨段頁巖構(gòu)造微裂縫發(fā)育，黏土礦物間孔隙較發(fā)育，少量生屑黃鐵礦后粒間孔隙；與有機質(zhì)相關(guān)的孔、縫主要為有機質(zhì)邊緣縫、有機質(zhì)內(nèi)部生物結(jié)構(gòu)孔等。

1)黏土礦物層間次生微孔隙 大安寨段泥頁巖中伊利石結(jié)晶度高，且伊利石順層定向排列的，微孔隙也具有定向分布的特征，連通性一般，結(jié)構(gòu)致密；但對于伊-蒙混層、蒙脫石體積分?jǐn)?shù)較高的，因黏土礦物的卷曲、彎曲，其間微孔隙較發(fā)育，尺寸為納米級～微米級，連通性較好(圖6)。

2)剛性顆粒邊緣殘余的原生微孔及粒內(nèi)溶孔 從圖7可以看出，大安寨段頁巖中粉砂顆粒(石英、長石)、碳酸鹽(泥晶、粉晶方解石，白云石等)等剛性顆粒邊緣有殘余幾微米～十幾微米的微孔隙及粒內(nèi)溶孔。

3)與生屑構(gòu)造有關(guān)的原生微孔 由于大安寨段泥頁巖中的生屑常為鈣質(zhì)生屑、黃鐵礦化生屑等，由圖8可以看出，鈣質(zhì)生屑邊緣常殘余微米級孔隙，黃鐵礦化生屑內(nèi)部則會保存與生物結(jié)構(gòu)有關(guān)的納米級-微米級孔隙。

4)與有機質(zhì)有關(guān)的孔、縫 通過氬離子拋光-掃描電鏡觀察(圖9)可知，大安寨段頁巖中有機質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，有機質(zhì)生烴形成的有機質(zhì)孔不發(fā)育，其邊緣常發(fā)育數(shù)十納米～數(shù)百納米的微裂縫，僅少量有機質(zhì)內(nèi)發(fā)育生物結(jié)構(gòu)孔，其尺寸最大可達微米級。

圖7 大安寨段剛性顆粒邊緣殘余原生微孔及粒內(nèi)溶孔

圖9 頁巖有機質(zhì)內(nèi)部生物結(jié)構(gòu)孔

5 相關(guān)性分析

5.1 硅質(zhì)礦物和黃、菱礦物與w(TOC)的關(guān)系

頁巖作為一種特殊的儲集巖，一般呈現(xiàn)低孔、特低滲的物性特征；微裂系發(fā)育程度對頁巖氣藏有效開發(fā)非常重要，脆性礦物含量高是形成天然裂縫和人造縫的基礎(chǔ)。從表5可以看出,大二亞段硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高，硅質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和w(TOC)呈正相關(guān)關(guān)系，表明當(dāng)時沉積水體較深，有利于有機質(zhì)的富集。硅質(zhì)礦物的成因較多，主要為陸源搬運的硅質(zhì)碎屑、熱水沉積以及有機生物成因等。

5.2 碳酸鹽與吸附氣含量的關(guān)系

表5 硅質(zhì)礦物含量與有機碳關(guān)系表

表6 碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)與吸附氣關(guān)系表

表6可以看出，大安寨段表現(xiàn)為碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)和吸附氣體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。主要是由于碳酸鹽以膠結(jié)物的形式出現(xiàn)，充填了微孔隙或微裂縫，降低了頁巖吸附頁巖氣的比表面積，導(dǎo)致隨碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)增大頁巖的吸附氣體積分?jǐn)?shù)減小。

6 結(jié)論

1)涪陵地區(qū)大安寨段殘余w(TOC)最大為3.06%，最小為0.01%，平均為0.79%；平面上工區(qū)內(nèi)w(TOC)從東北往西南涪頁1、5井方向呈現(xiàn)減小趨勢，大安寨段頁巖仍為低有機質(zhì)豐度。但大二亞段w(TOC)平均為2.37%，屬于好的烴源巖。

2)有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，有機質(zhì)主要來源于水盆地中浮游生物和細菌；干酪根成熟度Ro介于1.10%～1.50%之間。平面上呈現(xiàn)出由北東往南西方向有變大的趨勢，只有西南部屬于高成熟階段，其他區(qū)域?qū)儆诰鶎儆诔墒祀A段，高成熟區(qū)域以生成濕氣為主。

3)涪陵地區(qū)大安寨段為低孔、特低滲儲層?？v向上來看大二亞段物性好于大一和大三亞段，且大二亞段下部孔滲條件要優(yōu)于上部。儲集空間主要類型為：黏土礦物層間次生微孔隙，剛性顆粒邊緣殘余的原生微孔及粒內(nèi)溶孔，與生屑構(gòu)造有關(guān)的原生微孔，與有機質(zhì)有關(guān)的孔、縫。

4)涪陵地區(qū)大安寨段黑色頁巖脆性礦物含量較高，黏土礦物中的伊-蒙混層含量較高，伊利石、綠泥石和高嶺石含量較低，晶間孔欠發(fā)育。涪陵地區(qū)大安寨段硅質(zhì)含量與w(TOC)呈正相關(guān)，碳酸鹽含量與吸附氣含量呈負(fù)相關(guān)。

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[編輯] 宋換新

2016-01-20

何柳(1991-)，女，碩士生，從事石油地質(zhì)研究， hjhhl3335@sina.com。

TE122.1;TE122.2

A

1673-1409(2016)32-0007-07

[引著格式]何柳，蔡忠賢.涪陵地區(qū)大安寨段頁巖地球化學(xué)和儲集特征變化規(guī)律[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(32):7～13.