湘中漣源凹陷二疊系小江邊組頁巖氣地質(zhì)條件

田 巍,苗鳳彬,陳 林,王 強,白云山

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

頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)能源,且頁巖氣資源在我國十分豐富,其勘探潛力越來越受到重視。國內(nèi)外學者在頁巖氣形成機理、富集條件、成藏特征等方面做了大量工作,形成了重要認識[1-6]。近年來,隨著南方海相油氣勘探的進行,湘中坳陷成為非常規(guī)油氣勘探熱點地區(qū)[7-8]。

湘中坳陷發(fā)育不同類型、 多套層系的烴源巖,包括泥盆系、石炭系和二疊系,其主要烴源巖的熱演化值大多已達到過成熟階段, 處于裂解氣濕氣—干氣階段。 因此, 廣泛分布的泥頁巖是湘中坳陷非常規(guī)天然氣勘探的重要領(lǐng)域。 漣源凹陷作為湘中坳陷的主要構(gòu)造單元之一, 具有優(yōu)越的頁巖氣地質(zhì)條件, 擁有多個優(yōu)質(zhì)的頁巖氣勘探目的層系, 其中二疊系大隆組、 龍?zhí)督M,石炭系測水組, 泥盆系佘田橋組、 棋梓橋組等多套泥頁巖最有可能形成頁巖氣藏。 近年來, 較多的研究者對湘中坳陷主要頁巖氣目的層系展開了研究, 如: 文獻[9-12]探討了湘中坳陷二疊系龍?zhí)督M、 大隆組的頁巖氣地質(zhì)條件； 文獻[13-16]對湘中坳陷泥盆系佘田橋組、 棋梓橋組和石炭系測水組的地球化學特征進行了描述, 認為湘中坳陷泥頁巖厚度大, 分布廣, 生烴潛力大, 具備頁巖氣富集的基本條件。 而對二疊系小江邊組泥頁巖的研究程度較低, 僅文獻[17]從地化、 物性特征方面初步探討了該組的頁巖氣勘探潛力, 但未對該組富有機質(zhì)頁巖的平面展布特征進行細致分析。 本文通過對小江邊組富有機質(zhì)頁巖的厚度、 TOC、Ro分布、 儲層特征及含氣性的綜合分析, 預(yù)測出漣源凹陷小江邊組的頁巖氣有利分布區(qū)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征及地層特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

漣源凹陷位于湘中坳陷北部, 整體呈北西西向展布。 漣源凹陷基底為前泥盆系淺變質(zhì)巖系, 蓋層為泥盆系至三疊系沉積巖, 中泥盆世至早三疊世凹陷內(nèi)連續(xù)沉積, 厚度變化不大。 漣源凹陷東西分別以鳳冠山斷裂帶和集云斷裂帶為界, 劃分為東部滑覆疊瓦沖斷帶、中部斷褶帶和西部疊瓦逆掩沖斷帶。中部斷褶帶自東向西由恩口-斗笠山向斜、橋頭河向斜和車田江向斜組成，向斜呈NE向平行式展布(圖1)。

圖1 漣源凹陷構(gòu)造格架及小江邊組有效泥頁巖厚度分布圖Fig.1 Structural framework and effective shale thickness of Xiaojiangbian Formation in Lianyuan sag

在早二疊世小江邊期,漣源凹陷沉積環(huán)境為臺盆相-半局限臺地相沉積,小江邊組與下伏棲霞組呈整合接觸,總體巖性表現(xiàn)為一套灰黑色炭質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖夾薄層狀泥灰?guī)r及少量硅質(zhì)巖。本文以有機碳含量(TOC)大于1.0%為標準劃分有效泥頁巖厚度[18]。小江邊組有效泥頁巖厚度整體上具有由南向北增厚的趨勢,厚度為12.46～49.89 m，最厚處位于橋頭河向斜、車田江向斜和恩口-斗笠山向斜北部,厚度接近50 m(圖1)。

1.2 沉積地層特征

小江邊組和茅口組可劃分為一個三級層序,其中小江邊組主要劃分為TST。漣源凹陷小江邊組主要發(fā)育淺海陸棚-臺盆相沉積,其巖性主要由泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)碳酸鹽巖及碳酸鹽巖組成(圖2)。其中,在漣頁3井以南主要發(fā)育淺海陸棚相泥質(zhì)夾碳酸鹽巖沉積,在漣頁3井以北主要發(fā)育臺緣斜坡相滑塌灰?guī)r及臺盆相泥頁巖、鈣質(zhì)頁巖夾薄層狀泥晶灰?guī)r,局部見含磷結(jié)核發(fā)育。整體上，小江邊組具有自下向上水體逐漸變深的演化特征；橫向上，自南向北由淺海陸棚過渡到斜坡、臺盆的沉積相展布格局。

2 小江邊組泥頁巖儲層特征

2.1 地球化學特征

2.1.1 有機質(zhì)豐度 有機質(zhì)豐度是評價烴源巖的主要指標,頁巖中有機質(zhì)的含量是頁巖氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)?；跐i源凹陷內(nèi)鉆井、露頭剖面的42件小江邊組泥頁巖有機碳含量分析測試結(jié)果繪制的TOC平面分布圖上,凹陷內(nèi)主體部位自南東向北西TOC逐漸變大,TOC值分布在0.89%～1.99%,多數(shù)樣品TOC大于1%,局部個別樣品最高可達3%，平均1.48%(圖3)。

2.1.2 有機質(zhì)成熟度 根據(jù)露頭剖面、鉆井巖心39個小江邊組泥頁巖樣品干酪根鏡質(zhì)體反射率測試分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計,小江邊組鏡質(zhì)體反射率Ro值范圍為1.61%～2.31%,均值為1.88%,處于高成熟—過成熟階段。從圖3中可以看出,構(gòu)造主體部位自西南向北東成熟度呈增大趨勢,最大值位于恩口-斗笠山向斜北部,高達2.0%以上。

2.1.3 有機質(zhì)類型 有機質(zhì)類型是決定泥質(zhì)巖產(chǎn)氣效率、 生產(chǎn)方式及烴源巖評價的重要因素。 通過對小江邊組13個泥頁巖樣品的干酪根顯微組分鑒定分析發(fā)現(xiàn):主要成分為腐泥組和殼質(zhì)組,有少量鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組,無樹脂體。腐泥組在54%～92%,殼質(zhì)組在5%～41%,惰質(zhì)組很少(0～3%),其主要有機質(zhì)類型為Ⅰ型(腐泥型),少數(shù)為Ⅱ1型(圖4),具有良好的生油生烴能力。

圖2 漣源凹陷漣頁4井-隆回石塘小江邊組沉積相對比Fig.2 Sedimentary facies contrast of Xiaojiangbian Formation from Well LY4 to Shitang in Lianyuan sag

圖3 小江邊組泥頁巖有機碳含量與鏡質(zhì)體反射率平面分布圖Fig.3 Distribution of TOC and Ro of Xiaojiangbian Formation shales1—TOC等值線;2—Ro等值線

2.2 巖石學特征

剖面露頭和鉆井巖心樣品的全巖及粘土礦物X射線衍射定量分析結(jié)果顯示, 漣源凹陷小江邊組泥頁巖粘土礦物含量低、 脆性礦物含量高。 粘土礦物平均含量為19.8%, 石英平均含量為33%, 碳酸鹽礦物(主要為方解石、 白云石)平均含量為40%(表1)。 此外, 泥頁巖樣品中含有一定量的黃鐵礦, 為強還原環(huán)境沉積的泥頁巖, 這種沉積條件對有機質(zhì)的沉積與保存十分有利。

圖4 小江邊組泥頁巖干酪根顯微組分及類型Fig.4 Kerogen component and type of Xiaojiangbian Formation shales in Lianyuan sag

3 儲集空間特征

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)特征

對漣源凹陷小江邊組泥頁巖樣品進行壓汞測試發(fā)現(xiàn):總孔比表面積1.23～5.26 m2/g;孔徑16.3～23.7 nm; 孔隙度1.74%～5.63%, 平均3.28%。 根據(jù)壓汞實驗測得的泥頁巖中值孔徑繪制階段進汞量與孔徑的關(guān)系圖(圖5)可知, 小江邊組泥頁巖孔徑多為微孔、小孔和中孔,對頁巖氣的儲存與富集比較有利。

表1 小江邊組泥頁巖XRD全巖礦物成分

注： “-”為未檢出。

圖5 小江邊組泥頁巖壓汞實驗階段進汞量與孔徑關(guān)系Fig.5 Relationship between differential intrusion and pore diameter of the shale samples in Xiaojiangbian Formation

小江邊組泥頁巖樣品比表面積與孔徑分布測試結(jié)果顯示: BJH比表面積為13.26～22.21 m2/g; 吸附孔隙體積為0.031～0.034 mL/g; BJH吸附孔徑為16.85～19.04 nm, 平均18.47 nm; BJH脫附孔徑為18.85～18.99 nm, 平均18.89 nm， 說明樣品中孔孔隙發(fā)育豐富,單位巖石比表面積大,可以為孔隙中氣體的吸附提供大量的吸著點位。從樣品的BJH氮氣吸附體積與孔徑關(guān)系曲線也能看出,氮氣吸附體積的最高峰值位于孔徑20 nm處附近(圖6),屬于中孔級別,對滲透率有較大貢獻,且中孔提供了主要的孔比表面積。

3. 2 孔隙連通性

根據(jù)低溫液氮吸附脫附曲線類型可以判別樣品孔隙的另一特點。從小江邊組泥頁巖吸附脫附曲線形態(tài)來看(圖7),當相對壓力大于0.45時,脫附曲線趨勢產(chǎn)生向上的拐點,隨后回歸趨勢與吸附曲線上下并行,呈現(xiàn)較大幅度的滯后環(huán),表明小江邊組黑色頁巖孔隙形態(tài)屬狹縫狀孔。

當相對壓力趨近1時,脫吸附曲線都出現(xiàn)向上劇增現(xiàn)象,并未表現(xiàn)出飽和吸附的情況, 表明樣品在吸附氮氣過程中出現(xiàn)了毛細凝聚的現(xiàn)象, 反映出頁巖中除了介孔外可能含有一定量的過渡孔和中孔。陳尚斌等[19]認為孔隙的開放程度也與吸附線的上升速率有關(guān), 上升越快說明孔隙開放度越大。小江邊組泥頁巖樣品在最高壓處都呈現(xiàn)出快速上升過程,表明大孔孔隙開放程度大,而在中壓區(qū)上升緩慢,說明這個區(qū)間的孔隙開放程度小,即中孔(介孔)開放程度小。整體而言,小江邊組孔隙間的連通性比較好。

圖6 泥頁巖樣品氮氣吸附體積與孔徑關(guān)系Fig.6 Relationship between nitrogen adsorption volume and pore diameter of shale samples

圖7 小江邊組泥頁巖氮氣吸附脫附曲線Fig.7 Adsorption and desorption isotherms of Xiaojiangbian Formation shales

3.3 儲集空間類型

野外露頭觀察和氬離子拋光-掃描電鏡觀察結(jié)果顯示,漣源凹陷小江邊組泥頁巖儲層孔隙、裂隙類型多樣:野外露頭可見垂直或斜交層面的構(gòu)造裂縫發(fā)育(圖8a);巖心裂隙以高角度構(gòu)造縫為主,亦可見小型裂縫發(fā)育,多數(shù)后期被方解石脈填充(圖8b); 鏡下觀察顯示，小江邊組泥頁巖微孔隙主要發(fā)育有機質(zhì)孔、 微裂縫、 黃鐵礦間粒內(nèi)孔和收縮縫等類型(圖8c—f)。其中,有機質(zhì)微孔隙直徑分布在160～400 nm,呈密集分布狀態(tài),平面上呈不規(guī)則形狀,空間上形成洞穴狀、蜂窩狀等復(fù)雜結(jié)構(gòu)(圖8c); 微裂縫與其脆性礦物含量較高及漣源凹陷地區(qū)經(jīng)受的多期構(gòu)造應(yīng)力作用相關(guān)(圖8d)。這些微孔隙和微裂縫的發(fā)育為頁巖氣提供了大量的儲集空間。

圖8 小江邊組泥頁巖孔隙類型Fig.8 Pore characteristics of Xiaojiangbian Formation shalesa—露頭裂縫;b—巖心高角度構(gòu)造縫;c—有機質(zhì)孔;d—微裂縫;e—黃鐵礦間粒內(nèi)孔;f—收縮縫

4 勘探潛力

4.1 含氣量

頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離狀態(tài)賦存于泥頁巖之中,含氣性是頁巖氣資源評價的直接參數(shù)之一,也是評價頁巖氣保存條件及是否具有開發(fā)價值的重要標準。

為了解小江邊組泥頁巖的吸附能力,利用Langmuir等溫吸附模型對該組泥頁巖進行等溫吸附試驗。在測試溫度30 ℃下, 等溫條件下吸附氣量隨著壓力增大而呈線性增長,然后趨于平穩(wěn),得出小江邊組泥頁巖最大吸附量為0.37～0.78 cm3/g(圖9)。

圖9 小江邊組不同深度泥頁巖等溫吸附曲線Fig.9 Isothermal adsorption curves of Xiaojiangbian Formation shale at different depths

4.2 勘探潛力分析

結(jié)合漣源凹陷小江邊組沉積特征,得出其頁巖氣成藏的有利條件為:富有機質(zhì)泥頁巖厚度大于20 m;總有機碳含量(TOC)大于1.0%;有機質(zhì)成熟度Ro大于1.0%。漣源凹陷小江邊組中廣泛分布富含有機質(zhì)的泥頁巖,其厚度滿足頁巖氣聚集的條件(一般為12～50 m)、 有機質(zhì)豐度高(平均1.48%)、 演化程度高(Ro平均為1.88%),具有較強的生烴能力,屬于較為有利的生氣泥頁巖。綜合考慮泥頁巖氣聚集的各項關(guān)鍵參數(shù)及指標,小江邊組泥頁巖在車田江向斜北部、橋頭河北部以及恩口-斗笠山向斜北部等區(qū)域具有較大的勘探潛力(圖10)。

圖10 漣源凹陷小江邊組頁巖氣有利區(qū)分布Fig.10 Distribution of shale gas favorable area of Xiaojiangbian Formation in Lianyuan sag1—TOC等值線;2—Ro等值線；3—等厚線；4—有利區(qū)

5 結(jié) 論

(1)漣源凹陷二疊系小江邊組泥頁巖累計厚度一般為12.46～49.89 m;有機質(zhì)含量豐富,TOC平均為1.48%;干酪根類型為Ⅰ型,含少量Ⅱ1型;熱演化程度高,Ro均值為1.88%,處于高成熟—過成熟階段,利于頁巖氣生成,具備頁巖氣成藏的基本地質(zhì)條件。

(2)氬離子拋光-掃描電鏡觀察結(jié)果顯示,小江邊組泥頁巖孔隙發(fā)育且類型多樣,發(fā)育有機質(zhì)孔隙、晶間微孔隙,以及收縮縫、微裂縫,為頁巖氣賦存提供了較好的儲集空間。壓汞及氮氣吸附脫附試驗表明，小江邊組泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)以中孔為主,孔隙間連通性較好。

(3)綜合泥頁巖有效厚度、有機質(zhì)含量及類型、熱演化程度和含氣量等因素,預(yù)測漣源凹陷小江邊組頁巖氣有利區(qū)主要位于車田江向斜北部、橋頭河北部以及恩口-斗笠山向斜北部等區(qū)域。