加拿大西加盆地泥盆系頁巖氣儲層特征

陳小東，淮銀超，丁 黎，王為林，李 偉，黃 瓊

(1.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710021；2.西北大學 地質(zhì)學系，陜西 西安 710069；3.中國石油長慶油田分公司 第七采油廠，陜西 西安 710200)

0 引 言

頁巖氣是由吸附氣、游離氣以及溶解氣3種組成的一種重要的非常規(guī)天然氣資源[1-3]，其中吸附氣所占比例最大。作為一種新興的非常規(guī)天然氣能源，頁巖氣開發(fā)在環(huán)境保護、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整以及能源安全保障等方面意義重大[4-6]。頁巖自身不僅要作為頁巖氣儲層，同時又是烴源巖，具有十分復(fù)雜的含氣性、低孔、低滲以及極強的非均質(zhì)性特點，針對頁巖氣儲層特征分析對于頁巖氣富集規(guī)律研究、開發(fā)方案設(shè)計以及開發(fā)有利區(qū)的優(yōu)選具有重要的意義。頁巖氣儲層由于自身的儲層特性以及后續(xù)儲層改造需要，儲層特征研究內(nèi)容相比于常規(guī)儲層更加復(fù)雜，主要包括巖石學、礦物學、儲層物性、地球化學、含氣性以及巖石力學。西加盆地作為加拿大頁巖氣最重要產(chǎn)地，不僅地質(zhì)儲量豐富，頁巖儲層品質(zhì)高、含氣量高，同時在工廠化鉆井、水平井分段壓裂等鉆井、儲層改造的技術(shù)方面占據(jù)優(yōu)勢地位[7-9]。西加盆地內(nèi)部的泥盆系富瀝青質(zhì)暗色頁巖具有厚度均勻、分布范圍廣、有機質(zhì)豐度高、含氣量高等特點，是頁巖氣最有利發(fā)育層位，隨著頁巖氣勘探開發(fā)工作的不斷進展，原有盆地內(nèi)部零散的、單一儲層特征相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)不能滿足頁巖氣儲層在進一步勘探開發(fā)的需求。為了更加準確的系統(tǒng)性掌握加拿大西加盆地泥盆系頁巖氣儲層特征，筆者以西加盆地泥盆系頁巖的取心資料為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆井、測井、地震等資料，采用薄片鑒定、XRD全巖分析、儲層物性分析、地球化學分析、含氣量測定以及三軸應(yīng)力實驗等分析手段，系統(tǒng)性的開展了頁巖氣儲層的巖石學、礦物學、儲層物性、地球化學、含氣性以及巖石力學特征研究。力爭為后續(xù)頁巖氣開發(fā)方案設(shè)計、富集規(guī)律、有利區(qū)優(yōu)選等研究奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

西加拿大沉積盆地(West Canadian Sediment Basin，WCSB)是一個巨大沉積盆地，面積1.4×106km2，主要位于加拿大的曼尼托巴省、薩斯喀徹溫曼尼托巴省、阿爾伯特曼尼托巴省、不列顛哥倫比亞曼尼托巴省和西北行政區(qū)之間的廣大區(qū)域[10](圖1)。盆地演化主要受到四期構(gòu)造運動的影響，依次為安特勒運動(泥盆紀、石炭紀)、桑諾馬運動(晚二疊世)、哥倫比亞運動(侏羅紀-早白堊世)和拉臘米運動(中、晚侏羅世-第三紀)。其中，二、四期構(gòu)造運動對于西加盆地的影響更加深遠，在盆地規(guī)模、地層發(fā)育以及空間布局方面起到?jīng)Q定性作用[11-13]。

研究區(qū)位于西加盆地(WCSB)向斜的西翼，整個構(gòu)造平緩，是一個北東-南西向傾斜的平緩單斜構(gòu)造，地層傾角不超過5°.目的層為泥盆紀的一套最大海侵期的富瀝青質(zhì)暗色頁巖，以黑色、黑灰色硅質(zhì)、鈣質(zhì)泥頁巖、泥頁巖為主，骨架礦物為石英與方解石，厚度在45～65 m之間，研究區(qū)西南部發(fā)育的灰?guī)r夾層將頁巖分為上下2段。實驗室測定孔隙度為1.32%～6.88%，滲透率為0.056 88～0.352 79×10-3μm2，總有機碳含量為0.23%～8.37%，含氣量為0.16～2.93 m3/t.

2 頁巖氣儲層特征

2.1 巖石與礦物學特征

研究區(qū)的泥盆紀頁巖屬于最大海侵期的海相頁巖，厚度一般在45～65 m之間，在西南部發(fā)育灰?guī)r將頁巖分為上、下2段。根據(jù)常規(guī)巖心觀察、電子顯微鏡觀察以及薄片鑒定確定研究區(qū)的頁巖氣儲層巖性主要為層狀的硅質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥頁巖，頁巖(圖2(a)，(b))，粉砂巖與砂巖在頁巖局部呈條帶狀、透鏡體狀展布。隨著有機質(zhì)含量增加，頁巖顏色從灰色、深灰色逐漸向黑色變化。研究區(qū)頁巖中存在大量的竹節(jié)石、雙殼類等深海相生物化石，而化石體腔多被方解石、石英所充填(圖2(c)，(d))，頁巖中的有機質(zhì)以分散的有機質(zhì)殘骸及孢子類為主，主要呈現(xiàn)長條狀或者高度濃縮的顆粒狀。頁巖中的有機質(zhì)與成巖礦物多呈定向排列的層狀結(jié)構(gòu)(圖2(e)，(f))，頁巖中發(fā)育的裂縫會被方解石、重晶石填充，研究區(qū)的部分方解石、石英和黃鐵礦會交代有機質(zhì)與生物碎片，呈現(xiàn)方解石、石英和黃鐵礦條帶狀的礦物分布(圖2(g)，(h))。頁巖中偶爾會出現(xiàn)有機質(zhì)被粉砂質(zhì)石英顆粒所替代，呈現(xiàn)條帶狀分布石英脈，隨后又被重晶石、方解石、石英等填充的微裂縫或者脈理所破壞。作為夾層的灰?guī)r多為淺灰色到深灰色的微晶、隱晶質(zhì)泥灰?guī)r。

圖2 泥盆紀取心頁巖的鏡下鑒定特征Fig.2 Lithologic characteristics of Devonian shale

礦物學特征決定著儲層物性和后續(xù)的儲層改造，XRD全巖分析是研究頁巖氣儲層礦物學特征的最常用也是最好的方法，研究區(qū)取心井的頁巖氣儲層XRD全巖分析結(jié)果表明，研究區(qū)的頁巖主要骨架礦物為石英、方解石與長石(圖3)。其中，石英含量2.2%～52.1%，平均值30.6%；方解石含量3.2%～58.6%，平均值21.8%，長石含量1%～16%，平均值6.8%.作為頁巖氣儲層的特征礦物的黃鐵礦含量0.8%～8.2%，平均值3.4%.黏土礦物主要為伊蒙混層、綠泥石、伊利石，含有少量高嶺石，其中伊蒙混層含量1.5%～41%，平均值21.9%，綠泥石含量1.2%～9.9%，平均值3.3%，伊利石含量0.35%～23.2%，平均值8.34%，高嶺石含量0.1%～3.1%，平均值0.6%.礦物含量分布圖表明由于沉積環(huán)境的改變，骨架礦物含量隨著深度的增加，表現(xiàn)為在減少-增加-再減少的趨勢，黏土礦物則表現(xiàn)為增加-減少-增加少的趨勢，但總體上的變化幅度不大，同時也表明研究區(qū)儲層非均質(zhì)性較弱。西加盆地泥盆紀頁巖中脆性礦物(石英、方解石和長石之和)含量大于50%，尤其是石英含量大于20%，使得研究區(qū)的頁巖氣儲層具有很好的易壓裂性，為后續(xù)儲層改造奠定了基礎(chǔ)。

圖3 泥盆紀頁巖礦物含量百分比Fig.3 Percentage of mineral content of Devonian shale

2.2 物性特征

在頁巖氣儲層中，頁巖自身不僅作為頁巖氣儲層，同樣還要作為蓋層、烴源巖[14-15]，儲層物性決定著頁巖內(nèi)部的氣體的賦存以及頁巖氣的富集規(guī)律?？紫抖扰c滲透率作為頁巖氣賦存和滲流主控因素，是儲層物性評價的重要參數(shù)[16]。電鏡掃描、薄片鑒定以及實驗室分析等技術(shù)是開展頁巖氣儲層的孔隙性以及滲流性的最佳手段，研究區(qū)電鏡掃描與薄片鑒定表明頁巖孔隙普遍發(fā)育，孔隙之間具有良好的連通性，且與滲透率相關(guān)性好。表明研究區(qū)的頁巖氣儲層具有很好的物性特征。

頁巖氣儲層作為非常規(guī)儲層，孔隙類型具有多樣性，研究區(qū)內(nèi)的微觀孔隙類型分為裂縫型與基質(zhì)型孔隙2大類，根據(jù)成因不同，基質(zhì)型孔隙可進一步細分為原生孔隙、有機孔、黏土礦物間微孔以及溶蝕孔，在所有的孔隙中，有機孔對整個孔隙度“貢獻”最大。

無論是常規(guī)儲層還是非常規(guī)儲層，裂縫都是研究重點。在頁巖氣儲層中，裂縫不僅可以作為儲集空間，同時也是儲層中流體的最重要運移通道。相比于常規(guī)儲層，裂縫對于頁巖氣儲層中的孔隙“貢獻”更大，同時也是頁巖氣在后期開發(fā)過程中的重要滲流通道。研究區(qū)裂縫發(fā)育與眾多因素有關(guān)，可以分為內(nèi)因、外因2部分，骨架礦物中脆性礦物(石英、方解石、長石)含量是內(nèi)因，而構(gòu)造、斷裂以及褶皺等作為外因?qū)τ陧搸r氣儲層的裂縫發(fā)育與延伸具有控制性意義。研究區(qū)裂縫主要發(fā)育礦物顆粒之間的層間縫以及呈45度的斜交縫(圖4(a)，(b))，裂縫多被方解石、重晶石填充，在一定程度上降低了氣體流通有效性。

圖4 泥盆紀取心頁巖孔隙與裂縫電鏡特征Fig.4 SEM photographs of Devonian shale

在沉積過程中，由于石英，方解石等脆性礦物顆粒支撐，在礦物顆粒之間形成的孔隙稱之為原生孔隙，由于成巖和壓實作用的共同影響，此類型孔隙在研究區(qū)的頁巖氣儲層中所占的比例非常??；當有機質(zhì)成熟后，頁巖中的干酪根會轉(zhuǎn)化為油氣并運移或繼續(xù)存儲在頁巖中，從而在剩余的有機碳形成次生孔隙[17-18]，稱之為有機孔，研究區(qū)的有機孔多呈蜂窩狀，分布于有機質(zhì)內(nèi)部，是基質(zhì)孔隙度的最大“貢獻”者(圖4(c)，(d))。儲層在后期成巖過程中，隨著成巖作用加劇，不穩(wěn)定礦物如方解石、長石等受到地下流體作用后，會被溶蝕掉，形成溶蝕孔，研究區(qū)內(nèi)的溶蝕孔以方解石溶蝕孔為主(圖4(e)，(f))。泥巖在成巖作用下導致地下水酸堿性改變后，黏土礦物會發(fā)生脫水轉(zhuǎn)化，在黏土礦物之間產(chǎn)生微裂隙稱之為黏土礦物間微孔，研究區(qū)內(nèi)的黏土礦物間微孔數(shù)量較少，對總孔隙的“貢獻”十分有限。

孔隙半徑不僅決定著儲層的孔隙度，同時也反映出孔隙度的分選性。三維掃描電鏡技術(shù)表明研究區(qū)頁巖的孔隙半徑分布在0.001 24～0.293 μm之間，并且呈現(xiàn)正態(tài)分布，表明孔隙具有較好的分選性，說明了研究區(qū)沉積環(huán)境的穩(wěn)定性。研究區(qū)內(nèi)的頁巖的實驗室測試孔隙度為1.32%～6.88%，平均值為3.79%，滲透率介于0.056 88×10-6-0.352 79×10-3μm2，中位值0.162 67×10-3μm2(圖5)，并且孔隙度與滲透率相關(guān)性較好。良好的儲層物性特征為頁巖氣的富集以及滲流建立了物性基礎(chǔ)，有利于后續(xù)通過儲層改造來實現(xiàn)頁巖氣的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

圖5 頁巖孔隙度與滲透率分布Fig.5 Porosity and permeability distribution of Devonian shale

2.3 有機地球化學特征

頁巖氣儲層的地球化學特征不僅在一定程度上決定著頁巖氣的生烴潛力、富集能力，同時有機質(zhì)作為甲烷的最重要載體，對于頁巖中的氣體吸附具有重要意義[19-20]。頁巖氣儲層的有機地球化學研究參數(shù)包括有機質(zhì)豐度、類型以及成熟度3種。

總有機碳含量是表征頁巖氣儲層有機質(zhì)豐度的最重要參數(shù)，加拿大頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗表明，頁巖氣獲得工業(yè)氣流的總有機碳含量百分數(shù)門限值為2.0%。研究區(qū)的實驗室取心分析總有機碳含量百分數(shù)分布在0.23%～8.37%之間，平均值為3.48%(圖6)，主要分布范圍在3%～6%之間，屬于高總有機碳含量，具備良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)，為頁巖氣富集奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖6 頁巖總有機碳含量分布Fig.6 Distribution of TOC for shale

有機質(zhì)類型決定著頁巖的生烴能力和潛力，常見的干酪根類型分為Ⅰ，Ⅱ1，Ⅱ2和Ⅲ等4種，其中，Ⅰ型干酪根中含氫量和含氧量較低，有機質(zhì)主要來自于藻類堆積物及低等水生物，具有最高的生烴潛力[21-23]。Ⅲ型腐植型干酪根具有較低的原始含氫量和較高的含氧量，主要來自于陸生的高等植物，生烴潛力相對有限[21]。Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根的含氧量、含氫量、元素之比以及生烴潛力等均介于Ⅰ和Ⅲ型干酪根之1間，有機質(zhì)多來自于藻類和高等植物的混合，根據(jù)混合比例的不同劃分為Ⅱ1和Ⅱ2型2種干酪根。

氧指數(shù)與氫指數(shù)交會圖可以看出研究區(qū)的干酪根類型為Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根(圖7)，表明頁巖具有較好的“生氣”潛力，根據(jù)交會圖還可判斷出研究區(qū)的頁巖具有生產(chǎn)凝析油潛力，在頁巖氣的開發(fā)過程中，可以通過同步開發(fā)凝析油來降低頁巖氣的開發(fā)成本。

有機質(zhì)類型反映頁巖生烴潛力，而成熟度則反映有機質(zhì)所處熱演化階段，鏡質(zhì)體反射率由于自身精確率高，樣品易于采集分析，是有機質(zhì)成熟度最常用的表征參數(shù)。依據(jù)鏡質(zhì)體反射率可以將研究區(qū)的有機質(zhì)劃分為未成熟階段，成熟階段以及過成熟階段，鏡質(zhì)體反射率門限值為0.56%和1.3%.研究區(qū)的有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率為1.73%，說明有機質(zhì)正處于過成熟階段，正在大量排烴階段，十分有利于開發(fā)。

圖7 氧指數(shù)與氫指數(shù)Fig.7 Crossplot of OI vs HI

另一種確定有機質(zhì)成熟度的方法就是氫指數(shù)(HI)與最大熱解溫度(Tmax)的交會圖，能更加精細、準確的劃分有機質(zhì)的演化階段(圖8)。根據(jù)加拿大西加盆地的開發(fā)經(jīng)驗認為，依據(jù)Tmax門限值可以將有機質(zhì)演化階段劃分為未成熟期，成熟早期、成熟晚期以及過成熟期等4個階段，門限值分別為435，455和475 ℃.研究區(qū)Tmax介于450與485 ℃之間，說明有機質(zhì)正處于成熟晚期，主要產(chǎn)生凝析氣與濕氣。這一結(jié)果也驗證了根據(jù)鏡質(zhì)體反射率判定有機質(zhì)演化階段結(jié)果。

2.4 含氣性特征

頁巖含氣性是頁巖氣儲層最主要的研究對象，決定著研究區(qū)是否具有開發(fā)價值[24-25]。頁巖氣分為游離氣、吸附氣和溶解氣3種類型，其中，吸附氣與游離氣所占比例最大，可以達到含氣量的95%以上。研究區(qū)內(nèi)的頁巖含氣量測定采用直接法，將通過密閉取心方式獲得的頁巖樣品放入解吸罐中，通過記錄解吸罐中氣體體積來測定解吸氣、散溢氣利用數(shù)值模擬獲取、而殘余氣則是在粉碎樣品后獲得。含氣量測定結(jié)果表明，研究區(qū)頁巖總的含氣量為0.76～2.95 m3/t，平均值為1.81 m3/t(表1)，與具有相同演化程度的頁巖氣儲層相比，含氣量較高。等溫吸附模擬實驗確定研究區(qū)頁巖吸附氣含氣量0.45～2.79 m3/t，平均值1.65 m3/t，游離氣含氣量0.08～0.84 m3/t，平均值0.41 m3/t.

圖8 熱解最大溫度與氫指數(shù)交會Fig.8 Crossplot of Tmax vs HI

表1 泥盆紀頁巖含氣量測定結(jié)果

2.5 巖石力學特征

頁巖氣儲層的低孔低滲特征使得只有通過儲層改造才能獲得工業(yè)氣流，而水平井分段壓裂技術(shù)是儲層改造的最為實用、常見的方法。通過研究頁巖氣儲層巖石力學特征研究，可以確定頁巖儲層的可壓裂性[26-31]。泊松比和楊氏模量是最常用的2個反映頁巖可壓裂性的巖石力學參數(shù)，其中，泊松比反映頁巖在壓力下破裂能力，楊氏模量反映壓裂后保持裂縫的能力。在巖石學范疇內(nèi)，如果楊氏模量越大，泊松比越小，則脆性指數(shù)越大，地層則容易壓裂。文中通過對研究區(qū)的頁巖12塊取心樣品進行三軸應(yīng)力壓裂，其中3組樣品成功實現(xiàn)壓裂，壓裂樣品的三軸應(yīng)力實驗結(jié)果見表2，頁巖儲層的靜態(tài)楊氏模量為33.2～41.2 GPa，平均值為35.6 GPa，泊松比分比為0.24～0.28，平均值為0.26.

加拿大西加盆地的頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗表明當頁巖的靜態(tài)楊氏模量超過30 GPa，泊松比小于0.3時，巖石可壓裂性明顯增強。而研究區(qū)的頁巖靜態(tài)楊氏模量均大于30 GPa，泊松比小于0.3，表明研究區(qū)頁巖質(zhì)地較脆，適宜通過水平井壓裂等儲層改造措施來改造儲層以實現(xiàn)頁巖氣的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

表2 泥盆紀頁巖巖石力學特征

3 結(jié) 論

1)西加盆地頁巖屬于最大海侵期的深海相頁巖沉積，主要為層狀灰色、灰黑色層狀硅質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥頁巖，頁巖，厚度在45～65 m之間。頁巖的礦物中，石英、方解石和長石等脆性礦物質(zhì)量百分數(shù)普遍超過50%，黏土礦物主要有伊蒙混層、綠泥石、伊利石，含有少量的高嶺石，利用礦物含量計算的脆性系數(shù)較高，有利于后期的儲層壓裂處理。

2)頁巖氣儲層主要的孔隙類型以裂縫與有機孔為主，含有少量原生孔、黏土礦物間微孔以及溶蝕孔，其中裂縫是流體重要運移通道，有機孔是頁巖儲集空間的最重要“貢獻者”?？紫抖?.32%～6.88%，滲透率0.056 88～0.352 79×10-3μm2，屬于低孔低滲儲層，需要通過后續(xù)儲層改造來實現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)。

3)頁巖氣儲層總有機碳含量為3.48%，屬于高豐度有機質(zhì)頁巖；有機質(zhì)類型為Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根，處于成熟晚期，主要生成凝析氣與濕氣，具備良好生氣物質(zhì)基礎(chǔ)，同時產(chǎn)有一定量的凝析油。

4)實驗室測定頁巖含氣量0.76～2.95 m3/t，平均值1.81 m3/t，與相同演化程度有機質(zhì)相比，屬于高含氣量頁巖，同時高楊氏模量和低泊松比等特點，反映出頁巖易被壓裂的特點，為后續(xù)的頁巖氣儲層改造奠定工藝基礎(chǔ)。