鄂西宜昌斜坡區(qū)寒武系頁巖儲層發(fā)育特征
——以鄂宜頁1井為例

李 海，劉 安，羅勝元，陳孝紅，陳 林

(中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205)

近年來，緊靠四川盆地外圍的鄂西地區(qū)頁巖氣勘查工作逐漸深入，與上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖相比，該區(qū)時代更老、埋深更大的下寒武統(tǒng)水井沱組頁巖分布面積廣泛，沉積厚度更大，資源潛力巨大[1-5]。宜昌斜坡區(qū)是中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心自2015年以來重點調(diào)查的區(qū)塊之一，截至目前已完成10余口頁巖氣鉆井，其中鄂宜頁1井在寒武系水井沱組鉆遇高含氣頁巖層，并通過實施水平井分段壓裂成功點火，獲得高產(chǎn)頁巖氣流，首次確立了寒武系水井沱組為頁巖氣勘查開發(fā)新的主力層系。因此，以鄂宜頁1井為重點研究對象，查明水井沱組頁巖儲層發(fā)育特征，對正確評價寒武系頁巖儲集性能、提高頁巖氣儲層改造效果具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

宜昌斜坡區(qū)位于中揚子板塊北部黃陵隆起的東南側(cè)，東北以通城河斷層為界，西南以天陽坪斷層為界，向東南延伸與江漢盆地相連，面積約2 150 km2。區(qū)內(nèi)主要出露南華系—二疊系以及白堊系，巖層一般走向北東，傾向南東，地層產(chǎn)狀較平緩，傾角多在30°以下，總體表現(xiàn)為向北西抬升的單斜構(gòu)造(圖1)。研究區(qū)早寒武世(水井沱期)沉積基底演化進(jìn)入大規(guī)模均勻撓曲沉降階段，加之海平面快速上升，廣泛發(fā)育臺地邊緣斜坡深水陸棚沉積[6-7]，由東北向西南水體逐漸變深；寒武系水井沱組上覆地層為石牌組，下伏地層為巖家河組，其與兩者均為整合接觸，富有機(jī)質(zhì)頁巖主要發(fā)育在水井沱組下段。

圖1 鄂西宜昌斜坡區(qū)構(gòu)造綱要及地層特征

鄂宜頁1井位于宜昌市點軍區(qū)土城鄉(xiāng)茅家店村，是中國地質(zhì)調(diào)查局在宜昌地區(qū)實施的第一口公益性頁巖氣參數(shù)井，開孔層位為白堊系石門組，完井層位為南華系南沱組，完鉆井深2 418 m(圖1)。在水井沱組鉆遇86 m(1 786～1 872 m)含氣頁巖層，主體巖性為灰黑色鈣質(zhì)頁巖和黑色碳質(zhì)頁巖，現(xiàn)場解析總含氣量在0.579～5.48 m3/t，平均值為2.047 m3/t。其中，總含氣量超過2 m3/t的頁巖累計厚度為35 m(1 837～1 872 m)，平均值為2.78 m3/t ；總含氣量超過3 m3/t的頁巖累計厚度為18 m(1 854～1 872 m)，平均值高達(dá)3.86 m3/t。

2 樣品與測試

將鄂宜頁1井水井沱組含氣頁巖段(1 786～1 872 m)作為重點研究對象，以巖性特征及含氣性數(shù)據(jù)為依據(jù)劃分出1 786～1 832 m和1 832～1 872 m2個采樣區(qū)間，分別按照1 m和0.5 m的采樣間隔，系統(tǒng)采集124塊巖心樣品進(jìn)行了有機(jī)碳含量(TOC)、干酪根顯微組分及類型、鏡質(zhì)體反射率、礦物X射線衍射、場發(fā)射掃描電鏡及核磁共振分析等測試。其中，有機(jī)碳和核磁共振分析是在國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，其他測試項目均在瑞華通正非常規(guī)油氣技術(shù)檢測(北京)有限公司實驗室完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 有機(jī)地化參數(shù)

鄂宜頁巖1井124塊巖心的有機(jī)地化測試顯示，水井沱組含氣頁巖段的TOC在0.43%～10.45%，平均2.62%。其中，1 786～1 832 m段的頁巖TOC在0.43%～2.5%，平均1.12%，TOC大于2.0%的樣品占比僅為6.8%；1 832～1 872 m段的頁巖TOC為1.23%～10.45%，平均3.45%，TOC大于2.0%的樣品占比可達(dá)75%。水井沱組頁巖干酪根顯微組分以腐泥組為主，干酪根碳同位素值(δ13Corg)在-32.5‰～-30.9‰，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，等效鏡質(zhì)體反射率(Ro)在2.06%～2.66%，平均2.29%，處于過成熟演化階段。與鄂西其他地區(qū)相比，研究區(qū)內(nèi)水井沱組頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度相對較低，其原因可能是宜昌斜坡區(qū)與黃陵古隆起具有一致的雙層基底，受古老基地整體持續(xù)抬升及隔熱作用的影響較大[8-9]。

3.2 巖石礦物組成

頁巖礦物組成是影響儲層壓裂改造效果的關(guān)鍵因素之一。本文系統(tǒng)采集了鄂宜頁1井1 788～1 872 m含氣頁巖段的36塊巖心樣品進(jìn)行了礦物X射線衍射分析。結(jié)果表明，水井沱組頁巖的礦物組成在縱向上差異明顯，1 788～1 832 m段頁巖中的碳酸鹽和黏土礦物含量較高，石英礦物含量較低，較小深度段內(nèi)的礦物含量變化較大，物質(zhì)組成非均質(zhì)性明顯；而1 832～1 872 m段頁巖中的石英和黏土礦物含量較高，碳酸鹽礦物含量較低，總體表現(xiàn)出石英礦物含量隨深度增加逐漸升高，而碳酸鹽和黏土礦物含量則逐漸降低，并且較小深度段內(nèi)的礦物含量變化相對較小，巖石礦物組成相對穩(wěn)定(圖2)。與北美及涪陵焦石壩主要產(chǎn)氣頁巖層的礦物組成對比，宜昌斜坡區(qū)水井沱組與Barnett頁巖、龍馬溪組頁巖區(qū)別明顯，但與Marcellus和Eagle Ford頁巖具有較大相似性，表現(xiàn)出“低硅、高鈣”特征，適合采用高砂比的大顆粒支撐劑及混合壓裂液體系的儲層改造工藝[10-14]。

3.3 孔隙類型

頁巖具有典型的源儲一體特征，由于物質(zhì)組成的復(fù)雜性，其內(nèi)部常發(fā)育納米級到微米級的微觀孔隙，它們構(gòu)成了頁巖儲集空間的主體，在很大程度上制約了頁巖氣的賦存及滲流[15]。通過場發(fā)射掃描電鏡觀察，研究區(qū)水井沱組頁巖中的孔隙可主要劃分為無機(jī)孔、有機(jī)孔和微裂縫3種類型。

圖2 鄂西宜昌斜坡區(qū)鄂宜頁1井寒武系水井沱組頁巖礦物組成

無機(jī)孔隙按照成因分類又可以劃分為粒間孔、溶蝕孔、鑄模孔和晶間孔。粒間孔隙多為殘余粒間孔，個體直徑較大，可見其受壓實或擠壓作用而收縮變小，多呈不規(guī)則孤立狀分布或沿顆粒邊緣條帶狀分布(圖3a)；溶蝕孔隙較多，以礦物內(nèi)部的溶孔為主，形狀多不規(guī)則(圖3b)；黃鐵礦晶體溶蝕后產(chǎn)生的鑄?？卓梢娸^規(guī)則的六邊形，但其相互之間的連通性較差(圖3c)；晶間孔隙多見于黏土礦物、黃鐵礦及方解石等礦物集合體中，大小及形態(tài)不一，在空間上可呈網(wǎng)狀分布，具有較好的連通性(圖3d)。

有機(jī)孔載體主要為瀝青質(zhì)體和藻類，有機(jī)質(zhì)多充填原生孔隙或與黃鐵礦、自生(硅質(zhì))石英等礦物共生出現(xiàn)，呈散塊狀或填隙狀分布，內(nèi)部可見球?？?圖3e-g)；而藻類體則多覆蓋于礦物之上，其表面常有縱向溝槽、皺紋或凸起紋飾，內(nèi)部見一定孔隙發(fā)育(圖3h)。

對于經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運動及高熱演化程度的水井沱組頁巖而言，微裂縫的發(fā)育可能是受構(gòu)造應(yīng)力的影響，也可能由礦物成巖作用產(chǎn)生。本次鏡下觀察到的微裂縫以黏土礦物內(nèi)部的層狀縫為主(圖3i)，其具有較好的延伸性和連通性，對孔隙系統(tǒng)的改造具有優(yōu)化作用。

3.4 孔隙度及孔徑分布特征

頁巖孔隙度是其儲集空間的定量表征，在儲層物性、頁巖氣藏及資源潛力評價等方面有著至關(guān)重要的作用[16]。本次研究采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的NMRC12-010V60核磁共振儀，選取鄂宜頁1井1 793～1 870 m段23塊巖心樣品進(jìn)行了實驗測試，通過獲得的T2弛豫時間譜圖反演計算得到孔隙度值。水井沱組頁巖孔隙度在0.96%～3.32%，主要集中在1.48%～2.50%，平均2.08%，表現(xiàn)出明顯的低孔特征(表1)。根據(jù)有機(jī)碳、巖性組合及測井曲線特征對實測孔隙度段的頁巖分層統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，由淺至深頁巖孔隙度呈逐漸增大的特征，并且孔隙度與TOC呈正相關(guān)性，尤其是TOC大于2.0%的層段，兩者的相關(guān)性明顯增強(qiáng)，表明有機(jī)質(zhì)的富集有利于頁巖孔隙的發(fā)育(圖4)。

圖3 鄂西宜昌斜坡區(qū)鄂宜頁1井寒武系水井沱組頁巖孔隙類型

層號深度/m厚度/m有機(jī)碳含量/%實測核磁孔隙度/%01 793.0～1 820.027.00.43～2.04/0.980.96～2.35/1.4511 820.0～1 841.021.01.07～2.50/1.631.48～2.24/1.8721 841.0～1 851.010.01.31～3.37/2.321.51～2.17/1.9831 851.0～1 856.05.02.10～4.31/3.131.55～2.29/2.0741 856.0～1 865.49.42.65～10.45/5.272.37～2.92/2.5851 865.4～1 872.06.62.08～8.63/5.472.23～3.32/2.74

注：表中數(shù)據(jù)意義為最小值～最大值/平均值。

采用HODOT[17]對煤巖孔隙系統(tǒng)的劃分方案，對各孔徑段孔隙體積占比的統(tǒng)計結(jié)果顯示，水井沱組頁巖中直徑在0～10 nm的微孔所占比例為31.66%～57.96%，平均45.50%；10～100 nm的小孔所占比例為34.32%～63.56%，平均43.42%；100～1 000 nm的中孔所占比例為2.80%～27.89%，平均8.39%；直徑大于1 000 nm的大孔所占比例為0.16%～5.83%，平均2.69%。由此可知，水井沱組頁巖主要發(fā)育微孔和小孔，可見少量中孔和大孔。此外，通過對各層段典型頁巖樣品的孔徑分布分析，孔徑分布曲線雖然都在10 nm附近出現(xiàn)第一個明顯峰值，但是深度越大樣品的第一峰幅度更大，并且向右偏移明顯，尤其是靠近水井沱組底部的4～5號小層頁巖樣品在100 nm后出現(xiàn)了第二個峰值，并且幅度也相應(yīng)更大，表明4～5號小層頁巖中的小孔和中孔比例有所增加，與儲層孔隙度變大顯示出較好的匹配性(圖5)。

圖4 鄂西宜昌斜坡區(qū)鄂宜頁1井頁巖核磁孔隙度與有機(jī)碳含量的相關(guān)性

圖5 鄂西宜昌斜坡區(qū)鄂宜頁1井水井沱組頁巖孔徑分布特征

3.5 頁巖基質(zhì)孔隙定量表征

已有的頁巖孔隙研究都證實，頁巖中的基質(zhì)孔隙類型差異較小，但各類孔隙的貢獻(xiàn)差異明顯，這種差異對頁巖氣的富集高產(chǎn)具有重要控制作用[18-20]。為定量評價研究區(qū)水井沱組頁巖的基質(zhì)孔隙，本文借鑒王玉滿等[21]建立的頁巖三層巖石物理模型，分別計算了巖石中有機(jī)質(zhì)孔、脆性礦物內(nèi)部孔及黏土礦物層間孔對頁巖基質(zhì)孔隙的貢獻(xiàn)。其計算公式如下：

ρAbriVbri+ρAclayVclay+ρAtocVtoc=Φ

(1)

式中：ρ為頁巖巖石密度；Abri為頁巖中脆性礦物(石英、長石、碳酸鹽和黃鐵礦)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Vbri為頁巖中單位質(zhì)量脆性礦物產(chǎn)生的孔隙體積；Aclay為頁巖中黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Vclay為頁巖中單位質(zhì)量黏土礦物產(chǎn)生的孔隙體積；Atoc為頁巖中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Vtoc為頁巖中單位質(zhì)量有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的孔隙體積；Φ為頁巖總孔隙度。

在上述建立的孔隙模型基礎(chǔ)上，選擇鄂宜頁1井水井沱組實測數(shù)據(jù)豐富的頁巖層段，根據(jù)有機(jī)碳含量、巖石礦物組成及孔徑分布特征，分別在1 825～1 830，1 845～ 1850，1 868 ～1 872m選擇了3個具有代表性的頁巖樣品資料點(表2)。通過將統(tǒng)計所得數(shù)據(jù)代入公式(1)，進(jìn)行求解方程組得到了Vbri、Vclay和Vtoc3個關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果表明，水井沱組頁巖中單位質(zhì)量有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的孔隙體積最大，具有明顯的數(shù)量級優(yōu)勢；黏土礦物產(chǎn)生的孔隙體積次之，脆性礦物最小，但后兩者產(chǎn)生的體積差距相對較小。

通過計算得到的Vbri、Vclay和Vtoc值，對鄂宜頁1井水井沱組1 820～1 872 m段的15個頁巖樣品進(jìn)行了基質(zhì)孔隙貢獻(xiàn)表征(圖6)。結(jié)果顯示，頁巖中脆性礦物內(nèi)的孔隙對基質(zhì)孔隙貢獻(xiàn)率較穩(wěn)定，分布在29.34%～46.62%，平均36.78%。有機(jī)質(zhì)孔及黏土礦物層間孔對頁巖孔隙貢獻(xiàn)變化明顯，分別為20%～59.2%(平均38.31%)和9.59%～44.81%(平均24.92%)；黏土礦物層間孔隙對頁巖基質(zhì)孔隙的貢獻(xiàn)由淺至深逐漸降低，而有機(jī)質(zhì)孔隙對頁巖基質(zhì)孔隙的貢獻(xiàn)由淺至深逐漸升高，兩者都表現(xiàn)出與礦物含量變化的正相關(guān)性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)孔隙對頁巖基質(zhì)孔隙的貢獻(xiàn)在1 820～1 847 m區(qū)間較低，均小于30%，而當(dāng)深度超過1847m后，隨著TOC的增大(均大于2.5%)，其對基質(zhì)孔隙的貢獻(xiàn)占比突然升高，都在40%以上。結(jié)合前文中有機(jī)碳含量與頁巖孔隙度正相關(guān)性及水井沱組底部頁巖孔徑分布結(jié)果，認(rèn)為研究區(qū)水井沱組頁巖中的有機(jī)質(zhì)發(fā)育不僅對頁巖孔隙度貢獻(xiàn)明顯，對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)也具有明顯的改善作用。

圖6 鄂西宜昌斜坡區(qū)鄂宜頁1井水井沱組頁巖基質(zhì)孔隙貢獻(xiàn)定量表征

4 結(jié)論

(1)鄂西宜昌斜坡區(qū)水井沱組富有機(jī)質(zhì)的高含氣優(yōu)質(zhì)頁巖位于目的層下部，受黃陵隆起長期持續(xù)隆升的影響，有機(jī)質(zhì)熱演化程度相對周圍區(qū)域較低，頁巖礦物組成總體上顯示出“高鈣低硅”特征，與北美Barnett頁巖和重慶涪陵龍馬溪組頁巖區(qū)別明顯。

(2)水井沱組頁巖儲集空間主要包括殘余原生粒間孔、次生溶蝕孔、礦物鑄?？?、晶間孔、微裂縫和有機(jī)孔，以直徑0～10 nm的微孔和10～100 nm的小孔為主，靠近水井沱組底部頁巖的小孔和中孔比例有所增加，孔隙度明顯增大。

(3)水井沱組頁巖基質(zhì)孔隙中脆性礦物內(nèi)的孔隙對頁巖基質(zhì)孔隙的貢獻(xiàn)穩(wěn)定，而有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物層間孔隙對其各自含量變化較敏感，有機(jī)質(zhì)發(fā)育不僅對頁巖孔隙度貢獻(xiàn)明顯，對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)也具有明顯的改善作用。