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    中國東部中小型斷陷盆地陸相頁巖氣成藏潛力分析
    ——以阜新盆地為例

    2018-06-26 02:08:00王紅巖臧煥榮劉德勛孫欽平姜馨淳
    天然氣工業(yè) 2018年5期
    關(guān)鍵詞:沙海海相儲集

    趙 群 王紅巖 楊 慎 臧煥榮 劉德勛 孫欽平 姜馨淳

    1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心

    我國中西部多個盆地發(fā)育陸相富有機質(zhì)頁巖,如準(zhǔn)噶爾盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組、鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組等,東部斷陷盆地群中也發(fā)育多套富有機質(zhì)頁巖[1-3]。近年來,陜西延長石油(集團)有限責(zé)任公司和中國石油長慶油田公司開展了鄂爾多斯盆地延長組陸相頁巖氣勘探評價,但由于該區(qū)頁巖儲層成熟度總體偏低且以生油為主[1-3],頁巖氣資源勘探潛力有限。而我國東部地區(qū)則發(fā)育大量的中生代中小型斷陷盆地,得益于白堊紀(jì)活躍的火山活動[4-5],加速了該區(qū)頁巖有機質(zhì)的成熟生氣,具備了頁巖氣成藏富集的先決條件,是我國陸相頁巖氣勘探的新方向。

    筆者以我國東部地區(qū)阜新盆地最新鉆井資料、巖心和巖屑測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),重點分析評價了富有機質(zhì)頁巖厚度、展布、總有機碳含量(TOC)、烴源巖有機質(zhì)熱演化成熟度(Ro)、儲集能力和可壓性等6項成藏要素,提出對我國東部斷陷盆地陸相頁巖氣成藏的幾點思考。

    1 阜新盆地概況

    阜新盆地位于遼寧省西部,主體在阜新市境內(nèi)。在構(gòu)造位置上,該盆地位于郯廬斷裂和赤峰—開原斷裂夾持的三角地區(qū)(圖1),屬華北地塊燕山褶皺帶[4-5]。盆地南北長約120 km, 東西寬10~20 km,面積約為2 000 km2, 基底最大埋藏深度約為6 000 m,呈北北東—北東向展布[5-6]。

    與中國東部大多數(shù)中新生代斷陷盆地類似,阜新盆地構(gòu)造演化大致經(jīng)歷了初始張裂(下白堊統(tǒng)義縣組沉積期)→斷陷發(fā)育(下白堊統(tǒng)九佛堂、沙海、阜新組沉積期)→擠壓反轉(zhuǎn)(上白堊統(tǒng)孫家灣組沉積期)3 個發(fā)展階段[4-5]。

    阜新盆地自下而上,分別發(fā)育下白堊統(tǒng)義縣組、九佛堂組、沙海組、阜新組及上白堊統(tǒng)孫家灣組(表1)[7]。自晚侏羅世燕山一期阜新盆地形成早期,火山巖漿活動強烈,在初始張裂期形成了義縣組沉積[4-7];斷陷發(fā)育期首先沉積了九佛堂組,燕山構(gòu)造活動中該組地層褶皺變形,沉降中心向東轉(zhuǎn)移,沉積了沙海組和阜新組[4-7];在擠壓反轉(zhuǎn)期,沉積了孫家灣組[4-7]。阜新盆地發(fā)育沙海組和九佛堂組富有機質(zhì)頁巖儲層,多口鉆井發(fā)現(xiàn)油氣顯示,具備頁巖氣勘探開發(fā)良好前景。

    圖1 阜新盆地區(qū)域構(gòu)造圖

    表1 阜新盆地主要地層表

    2 頁巖氣成藏的有利條件

    東部斷陷盆地陸相頁巖具有儲層總厚度大、總有機碳含量高和熱成熟度適中3項頁巖氣成藏的有利條件。

    2.1 儲層總厚度大

    東部斷陷盆地陸相頁巖儲層縱向總厚度大。阜新盆地主要發(fā)育沙海組和九佛堂組兩套頁巖儲層(表1),其中沙海組富有機質(zhì)頁巖厚度介于200~700 m,九佛堂組富有機質(zhì)頁巖厚度介于100~600 m。沙海組下部沙一段—沙三段以砂巖、泥巖夾煤層和砂礫巖為主,厚度300~800 m。沙海組上部沙四段以泥巖為主、夾砂礫巖透鏡體(厚度介于0.5~1.5 m),頁巖總厚度介于200~700 m。九佛堂組厚度介于200~2 000 m,上部為灰色—黑色泥頁巖和砂質(zhì)泥巖,中部為細砂巖、粉砂巖,下部為白云質(zhì)含泥砂巖、含泥粉砂巖。其中,上部黑色富有機質(zhì)頁巖是頁巖氣成藏的有利儲層,厚度介于100~600 m。

    2.2 總有機碳含量高

    東部斷陷盆地陸相頁巖總有機碳含量(TOC)高,頁巖氣成藏具有充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。中上揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖內(nèi)有機質(zhì)主要為腐泥—混合型干酪根,TOC介于1.0%~8.5%,其中已開發(fā)層段厚度10~30 m,平均TOC為4.0%(表2)[3,8-12]。與五峰組—龍馬溪組海相頁巖相比,阜新盆地陸相頁巖具有更高的TOC值(圖2、3)。阜新盆地沙海組和九佛堂組頁巖內(nèi)有機質(zhì)主要為混合型干酪根,TOC介于0.5%~13.6%(表2)。沙海組頂部沙四段頁巖TOC介于0.8%~9.1%,平均為4.0%,其中沙四段底部40 m頁巖層段TOC介于2.6%~9.5%,平均為5.3%。九佛堂組頂部頁巖TOC介于0.9%~13.6%,平均為4.3%,其下部80 m頁巖層段TOC介于1.7%~13.0%,平均值為5.6%。

    2.3 熱成熟度適中

    受火山活動影響,東部斷陷盆地陸相頁巖熱成熟度適中,位于生氣窗內(nèi)。中上揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁巖Ro值介于2.0%~3.8%,成熟度較高,頁巖氣為干氣[8-10]。鄂爾多斯盆地延長組、準(zhǔn)噶爾盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組和松遼盆地的上白堊統(tǒng)嫩江組富有機質(zhì)頁巖成熟度普遍偏低(Ro介于0.5%~1.5%),以生油為主[1]。東部斷陷盆地經(jīng)歷多期巖漿活動[4-5],火山熱事件加速了頁巖儲層的成熟,為頁巖氣成藏提供有利的先決條件。阜新盆地的巖漿活動主要有3期[4],頁巖Ro總體隨埋深增加呈現(xiàn)增加趨勢[13]。根據(jù)Ro和埋深關(guān)系曲線推算,Ro>1.2%對應(yīng)埋深為1 350 m。除埋深變化外,頁巖Ro與距火山侵入巖體的遠近也呈現(xiàn)相關(guān)關(guān)系,導(dǎo)致局部地區(qū)埋深更淺部位也具有較高的Ro值[13],如YY1井埋深1 170 m對應(yīng)的實測Ro值達1.2%。總體上,阜新盆地埋深超過1 350 m的沙海組和九佛堂組富有機質(zhì)頁巖均達到了成熟生氣階段,具備了有利于頁巖氣成藏的基本條件。

    表2 不同頁巖儲層特征對比表

    圖2 沙海組四段頁巖儲層特征綜合評價柱狀圖

    圖3 阜新盆地陸相頁巖樣品CT掃描圖

    3 頁巖氣成藏的不利條件

    東部斷陷盆地陸相頁巖儲層具有厚度橫向變化大、儲集能力偏低和可改造性偏差3項頁巖氣成藏的不利條件。

    3.1 儲層厚度橫向變化大

    東部陸相斷陷盆地總體上規(guī)模較小,沉積相橫向變化較快,頁巖儲層橫向分布不穩(wěn)定、厚度變化大。海相頁巖儲層大面積連續(xù)分布,如美國Barnett頁巖儲層分布面積達1.55×104km2,其中核心區(qū)面積5 000 km2,頁巖厚度30~180 m[14-15];四川盆地及鄰區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲層分布面積達5.00×104km2,頁巖厚度介于40~60 m[3,8-9](表2)。而阜新盆地總體規(guī)模較小(表2),在10~20 km寬的范圍內(nèi)發(fā)育多個沉積相,因此頁巖儲層厚度變化較大,富有機質(zhì)頁巖分布面積介于500~1 000 km2。

    阜新盆地陸相頁巖儲層主要形成于沖擊扇前緣湖相沉積[6-7],頁巖儲層靠近物源區(qū)TOC降低,富有機質(zhì)頁巖厚度減薄,遠離物源區(qū)富有機質(zhì)頁巖厚度增加。九佛堂組沉積期主要為水下扇前緣相、濱淺湖相和半深湖—深湖相,九佛堂上部發(fā)育高水位體系域沉積,但受盆地規(guī)模限制沉積相橫向變化較大??拷镌磪^(qū)以水下扇前緣相沉積為主,富有機質(zhì)頁巖厚度較?。═OC>2.0%的頁巖儲層厚度介于30~50 m);遠離物源區(qū)以半深湖—深湖相沉積為主,富有機質(zhì)頁巖厚度較大(TOC>2.0%的頁巖儲層厚度介于300~500 m)。沙海組沉積期主要為扇三角洲、湖沼相和半深湖—深湖相沉積,其中沙四段發(fā)育高水位體系域沉積,但受盆地規(guī)模限制沉積相橫向變化較大(TOC>2.0%的頁巖儲層厚度介于30~300 m)。陸相頁巖儲層橫向變化大,水平井多段壓裂技術(shù)在頁巖氣開采應(yīng)用中具有一定挑戰(zhàn)。

    3.2 儲集能力偏低

    與海相頁巖儲層相比,阜新盆地陸相頁巖納米級孔隙相對較少,天然氣儲集能力偏低,頁巖含氣量偏低。頁巖儲層致密,納米級孔隙是油氣最重要的儲集空間,因此納米孔隙的發(fā)育程度決定了頁巖儲層的含氣性。中上揚子地區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁巖儲層發(fā)育大量有機納米孔隙,采用脈沖法實測孔隙度2%~12%[8-9],巖心解吸法實測含氣量2~6 m3/t;阜新盆地陸相頁巖有機質(zhì)內(nèi)納米孔隙相對較少(圖4),采用脈沖法實測孔隙度0.5%~2.5%,巖心解吸法實測含氣量0.50~2.50 m3/t。

    圖4 阜新盆地陸相頁巖雙束電鏡(FIB/FEM)圖像

    有機納米孔隙偏少是陸相頁巖儲集能力差的主要原因。通過雙束掃描電鏡(FIB/FEM)分析,阜新盆地陸相頁巖有機質(zhì)內(nèi)納米孔隙不發(fā)育,納米級孔隙主要由礦物顆粒之間的粒間孔、有機質(zhì)邊緣的裂縫孔和少量有機質(zhì)孔構(gòu)成(圖4)。與五峰組—龍馬溪組頁巖相比,阜新陸相頁巖中有機質(zhì)的發(fā)育程度與頁巖儲集能力的相關(guān)性相對較弱(圖5)。五峰組—龍馬溪組海相頁巖內(nèi)有機質(zhì)納米孔隙發(fā)育,因此TOC與比表面積呈現(xiàn)典型正相關(guān)關(guān)系。按照海相頁巖TOC>2%的評價標(biāo)準(zhǔn)[8-9],對應(yīng)的比表面積為13.3 m2/g(圖5-b)。阜新陸相頁巖中有機質(zhì)邊緣的裂縫孔、有機質(zhì)孔與TOC相關(guān),礦物粒間孔與TOC無明顯關(guān)系,因此TOC與比表面積呈現(xiàn)相對較弱的正相關(guān)關(guān)系。陸相頁巖TOC為10%,對應(yīng)的比表面積僅為2.9 m2/g(圖5-a)。

    3.3 可改造性偏差

    圖5 阜新盆地、四川盆地頁巖TOC與比表面積關(guān)系圖

    阜新盆地陸相頁巖脆性礦物含量偏低、層理不發(fā)育,壓裂改造形成體積縫網(wǎng)難度高于海相頁巖。五峰組—龍馬溪組頁巖脆性礦物含量介于60%~85%,其中石英礦物含量介于35%~60%,具有較強的脆性[8-9]。阜新陸相頁巖脆性礦物總含量介于57%~69%,其中石英含量介于15.8%~34.9%、長石含量介于12.6%~22.8%、方解石含量介于3.6%~19.8%、白云石含量介于6.5%~35.6%(圖6)。該頁巖段底部40 m脆性礦物總含量平均值達到66%,其中石英含量為26%、長石含量為16%、方解石含量為8%、白云石含量為14%、黃鐵礦含量為2%(圖 6)。

    阜新陸相頁巖層理不發(fā)育,水力壓裂過程中不易使人工裂縫轉(zhuǎn)向,因此壓裂形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的難度偏大[17-18]。通過大量模擬試驗發(fā)現(xiàn),五峰組—龍馬溪組大量發(fā)育的層理可以不同程度地使垂直層理方向裂縫終止發(fā)育,并延層理開啟。因此,層理發(fā)育的頁巖改造中更容易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò),以建立“人工油氣藏”實現(xiàn)頁巖氣有效開發(fā)[17-20]。而頁巖層理不發(fā)育的陸相頁巖儲層,在高主應(yīng)力差的條件下水力壓裂過程易于形成人工主裂縫,提升了實現(xiàn)體積改造建立“人工油氣藏”的難度。

    4 東部斷陷盆地陸相頁巖氣成藏的幾點思考

    我國東部斷陷盆地陸相頁巖具有儲層總厚度大、TOC高、熱成熟度適中3項頁巖氣成藏的有利條件和厚度橫向變化大、儲集能力偏低、可改造性偏差3項不利條件。結(jié)合斷陷盆地陸相頁巖儲層特點,提出如下幾點思考。

    圖6 阜新盆地沙海組四段頁巖礦物組成圖

    1)從鄂爾多斯盆地延長組、準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組頁巖油氣勘探情況來看,陸相頁巖儲層TOC較高,但熱成熟度普遍偏低(Ro介于0.5%~1.5%)(表1),富有機質(zhì)頁巖多未進入成熟生氣階段,頁巖氣成藏缺乏物質(zhì)基礎(chǔ)。阜新盆地陸相頁巖TOC高(平均值為5.4%),在中生代巖漿熱事件的作用下大部分頁巖位于生氣窗內(nèi)(Ro>1.2%),烴源巖生氣量充足。我國東部斷陷盆地多與阜新盆地類似,發(fā)育多套富有機質(zhì)頁巖,且在巖漿熱事件的作用下烴源巖成熟生氣,具備頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

    2)頁巖儲層超致密低滲,有效開發(fā)需要進行體積壓裂,建立“人工油氣藏”。我國已實現(xiàn)有效開發(fā)的四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖大面積連續(xù)分布,水平井多段壓裂技術(shù)在頁巖儲層內(nèi)建立“人造氣藏”,以實現(xiàn)頁巖氣資源有效開發(fā)。鑒于陸相頁巖縱向厚度大、橫向展布不穩(wěn)定,較難實現(xiàn)長水平段水平井的“工廠化”作業(yè)。因此海相頁巖氣開發(fā)所采用的水平井多段壓裂技術(shù)在陸相頁巖氣開發(fā)中效果有待商榷。結(jié)合陸相頁巖儲層特點,需要探索直井縱向多層立體開發(fā)技術(shù),以實現(xiàn)頁巖氣、煤層氣和致密氣等多類型非常規(guī)天然氣資源的合采、共采,提升單井開發(fā)的經(jīng)濟效益。

    3)從阜新盆地頁巖儲層分析結(jié)果來看,儲集能力差(孔隙度介于0.5%~3.0%),進而含氣量偏低(0.50~2.50 m3/t),是陸相頁巖氣富集成藏的致命不足。此外,陸相頁巖層理不發(fā)育、脆性礦物含量偏低,與海相頁巖相比儲層改造難度較大。因此,斷陷盆地陸相頁巖氣下一步勘探重點是找到高儲集能力區(qū)、落實易改造層段,開展頁巖氣井產(chǎn)能評價,確定頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟性。

    5 結(jié)論

    1)與四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖儲層相比,我國東部中小型斷陷盆地陸相頁巖具有儲層總厚度大、TOC高和熱成熟度適中3項頁巖氣成藏的有利條件,具有厚度橫向變化大、儲集能力偏低和可改造性偏差3項不利條件。

    2)與鄂爾多斯盆地、準(zhǔn)噶爾盆地陸相頁巖儲層相比,我國東部斷陷盆地陸相頁巖在中生代火山活動的作用下,有機質(zhì)熱演化程度較高(Ro>1.2%),位于生氣窗內(nèi),具備頁巖氣富集成藏的先決條件,是陸相頁巖氣勘探突破的新方向。

    3)針對東部斷陷盆地陸相頁巖儲層特點,提出直井縱向多層立體開發(fā)理念,并加強頁巖氣單井經(jīng)濟產(chǎn)能評價研究的建議。

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