中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖儲層特征

范家維，陳孔全，沈均均，朱 薇，唐協(xié)華，李君軍，王鵬萬，張 放

(1.長江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100；2.中國石油 長慶實業(yè)集團有限公司，西安 710016；3.中國石油 浙江油田分公司，杭州 310023；4.中國石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023)

中上揚子地區(qū)晚奧陶世—早志留世受加里東構(gòu)造運動的影響，盆山格局發(fā)生重大的轉(zhuǎn)變，伴隨著華夏板塊向揚子板塊的強烈擠壓作用，古陸上升形成古隆起，周緣的川西古陸、川中和黔中隆起范圍進一步擴大，與雪峰隆起和江南隆起相連，形成了古隆起帶半包圍的局限陸表海(陸棚)沉積環(huán)境。與此同時該時期發(fā)生2次大規(guī)模全球海侵，海平面快速上升形成欠補償和缺氧的水體，沉積了一套分布廣泛的奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組富有機質(zhì)黑色筆石頁巖[1-4]，該套頁巖是目前海相頁巖氣勘探開發(fā)的重點對象。

近期的國內(nèi)頁巖氣勘探與研究成果表明，除了上揚子四川盆地及周緣以外，在中揚子地區(qū)，五峰組—龍馬溪組頁巖也有較大的勘探潛力，其儲層具有富有機質(zhì)頁巖厚度大、分布廣，有機質(zhì)豐度較高，熱演化程度適中的特點，成為目前頁巖氣勘探開發(fā)的又一熱點[5-9]。前人研究表明中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜巡檢—溪前向斜帶及宜昌斜坡帶地層平緩，構(gòu)造穩(wěn)定、斷裂相對不發(fā)育、目的層埋深適中，是頁巖氣藏保存的有利區(qū)域，具備形成較好工業(yè)產(chǎn)能的條件[10]。中國石油浙江油田分公司在當陽復(fù)向斜相繼鉆探了Y101井、Y102井、DY1井和DY2井(圖1)，優(yōu)質(zhì)頁巖層段含氣量平均值分別為3.23，3.65，3.16，2.97 m3/t，具備較好含氣性顯示；中國地質(zhì)調(diào)查局在宜昌斜坡帶南端鉆探了YY2井，優(yōu)質(zhì)頁巖層段含氣量分布在1.76～2.66 m3/t之間，平均2.31 m3/t，同樣具備一定含氣性顯示。然而當陽復(fù)向斜及周緣不同地區(qū)勘探效果卻差異明顯，對優(yōu)質(zhì)頁巖的發(fā)育特征及空間分布規(guī)律認識不清楚，嚴重制約了本區(qū)頁巖氣的勘探開發(fā)進程。

據(jù)此，本文以當陽復(fù)向斜五峰組—龍馬溪組為研究對象，從巖石學(xué)特征、有機地球化學(xué)特征、儲集空間類型及特征和含氣性等方面，精細描述當陽復(fù)向斜頁巖儲層發(fā)育特征，明確研究區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲層在縱向上和橫向上的分布及變化規(guī)律，并優(yōu)選水平箱體，為該研究區(qū)下一步頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

圖1 中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜北部構(gòu)造位置及構(gòu)造區(qū)劃

1 區(qū)域地質(zhì)背景

當陽復(fù)向斜構(gòu)造位置處于中揚子地塊，屬于江漢盆地的次級構(gòu)造單元，主體位于南漳、遠安、當陽、荊門和江陵等縣市境內(nèi)，復(fù)向斜北到巴洪沖斷背斜帶為止，南靠宜都—鶴峰背斜帶，西鄰黃陵—神農(nóng)架背斜，東鄰樂鄉(xiāng)關(guān)—潛江復(fù)背斜[10]，呈近東南至西北向展布(圖1)。當陽復(fù)向斜由東向西可進一步劃分為龍坪—肖堰—栗溪背斜帶、巡檢—溪前向斜帶、峽口—遠安背斜帶和宜昌斜坡帶等4個次級構(gòu)造單元。研究區(qū)在晉寧運動時形成穩(wěn)定地臺后，經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等構(gòu)造運動，在加里東期先后接受震旦紀—早奧陶世的拉張型被動大陸邊緣沉積，發(fā)育巨厚海相碳酸鹽巖；到中奧陶世—晚志留世的擠壓型前陸盆地充填，普遍發(fā)育暗色細粒碎屑巖，其中包括紗帽組(S2s)、羅惹坪組(S1lr)、龍馬溪組(S1l)和五峰組(O3w)[11]，五峰組—龍馬溪組發(fā)育暗色泥頁巖的厚度為500～600 m，五峰組與下伏臨湘組瘤狀灰?guī)r呈整合接觸。

2 研究樣品采集與分析測試

本次研究的153塊巖石樣品均取自中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜內(nèi)五峰組—龍一1亞段5口取心井，其中36塊來自Y101井，44塊來自Y102井，48塊來自DY1井，5塊來自DY2井，20塊來自YY2井，分別進行有機碳測定、有機質(zhì)成熟度、干酪根顯微組分及類型、礦物含量分析、雙束掃描電鏡和低溫低壓氮氣吸附分析；現(xiàn)場含氣量測試是在鉆井現(xiàn)場，巖心出筒后，第一時間將巖心放入解吸罐內(nèi)進行。采樣鉆井分布如圖1所示。

文中關(guān)于有機碳測定、有機質(zhì)成熟度、干酪根顯微組分及類型、礦物含量分析、低溫低壓氮氣吸附和雙束掃描電鏡樣品的分析測試工作由中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院地質(zhì)實驗室完成。X-衍射分析所用儀器為Phillips Xpert-MPD型X射線衍射儀，根據(jù)2θ角度(掃描范圍在20°～40°之間)和譜峰強度確定礦物種類和含量；雙束掃描電鏡測試儀器為聚焦離子束發(fā)射掃描雙束電鏡，儀器型號為Zeiss Auriga；低溫低壓氮氣吸附測定是根據(jù)氮氣在低溫低壓(-196 ℃和127 kPa)條件下的超臨界性質(zhì)，利用美國麥克公司生產(chǎn)的ASAP2020比表面積與孔徑分析儀器進行分析?，F(xiàn)場含氣量測試工作由中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)測試中心完成，測試儀器為QXCS-3A型氣體自動計量系統(tǒng)。

3 頁巖儲層發(fā)育特征

3.1 有機地球化學(xué)特征

3.1.1 有機質(zhì)豐度

圖2 中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜DY1井五峰組—龍馬溪組頁巖沉積—儲層評價綜合柱狀圖

3.1.2 有機質(zhì)成熟度與類型

對Y101井5塊樣品、DY1井3塊樣品和DY2井5塊樣品進行瀝青反射率測試，并根據(jù)前人研究成果換算為等效鏡質(zhì)體反射率[16]，結(jié)果表明(表1)，研究區(qū)五峰組—龍一1亞段等效鏡質(zhì)體反射率(EqVRo)分布在2.30%～4.05%，平均值為2.80%，處于高溫、裂解氣生氣階段。干酪根顯微組分主要為腐泥無定形及部分惰質(zhì)組，類型主要為Ⅱ2型，小部分為Ⅱ1型。在早志留世，海水中大量的浮游生物和少量的陸生植物發(fā)育，這是形成Ⅱ型干酪根的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜五峰組—龍一1亞段TOC含量橫向變化特征

表1 中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜五峰組—龍一1亞段頁巖樣品有機質(zhì)成熟度、類型及干酪根顯微組分

井號樣品編號層位深度/mEqVRo/%BRo/%組分含量/%腐泥組瀝青組殼質(zhì)組鏡質(zhì)組惰質(zhì)組類型Y101Y101-1龍一1亞段4小層4 061.6 4.05 5.65 62 ---38 Ⅱ2Y101Y101-10龍一1亞段4小層4 071.2 2.68 3.57 65 ---35 Ⅱ2Y101Y101-16龍一1亞段3小層4 077.3 3.01 4.07 58 ---42 Ⅱ2Y101Y101-26龍一1亞段2小層4 087.8 2.73 3.64 52 ---48 Ⅱ2Y101Y101-33五峰組4 095.1 2.82 3.78 51 ---49 Ⅱ2DY1DY1-3龍一1亞段1小層3 497.0 2.96 3.99 76 22 --2 ⅠDY1DY1-6五峰組3 498.4 3.01 4.07 74 20 -2 4 Ⅱ1DY1DY1-14五峰組3 503.0 3.09 4.19 70 23 -2 5 Ⅱ1DY2DY2-5龍一1亞段4小層3 958.2 2.30 2.99 60 ---40 Ⅱ2DY2DY2-7龍一1亞段4小層3 962.0 2.54 3.35 58 ---42 Ⅱ2DY2DY2-11龍一1亞段3小層3 973.2 2.40 3.14 55 ---45 Ⅱ2DY2DY2-13龍一1亞段2小層3 980.0 2.46 3.23 54 ---46 Ⅱ2DY2DY2-15龍一1亞段1小層3 982.8 2.30 2.99 60 ---40 Ⅱ2

注：瀝青反射率(BRo)與鏡質(zhì)體反射率(EqVRo)相關(guān)關(guān)系：EqVRo=0.656 9BRo+0.336 4[16]。

3.2 巖石學(xué)特征

當陽復(fù)向斜內(nèi)Y101井、Y102井和DY1井128塊五峰組—龍一1亞段泥頁巖樣品全巖X射線衍射分析結(jié)果表明，頁巖礦物成分以石英、碳酸鹽礦物和黏土礦物為主，長石和黃鐵礦含量較少，其中黏土礦物以伊利石為主，綠泥石和伊蒙混層含量較低，成巖程度較高。具體特征如下：

圖4 中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜五峰組—龍一1亞段脆性礦物和黏土礦物含量橫向變化特征

3.3 儲集空間類型及特征

3.3.1 儲集空間類型

本次研究基于氬離子拋光聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)對研究區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖儲集空間進行大量的系統(tǒng)性觀察，發(fā)現(xiàn)該套頁巖儲層中儲集空間類型以有機質(zhì)孔隙為主，此外還發(fā)育無機孔隙和微裂縫。

有機質(zhì)孔隙的形成、大小及分布與頁巖中有機質(zhì)豐度、類型和熱演化程度有直接的關(guān)系[19]。研究區(qū)五峰組—龍一1亞段頁巖有機質(zhì)豐度高，熱演化程度處于高—過成熟階段，其儲層儲集空間類型以有機孔隙為主，有機孔隙對總孔隙起主要貢獻作用。有機質(zhì)大多呈團塊狀、條帶狀分布在礦物顆粒中，呈現(xiàn)出“千瘡百孔”的形態(tài)特征，常伴生發(fā)育在黃鐵礦晶粒間和石英顆粒間(圖5a，b)。無機孔隙包括黏土礦物層間孔隙、黃鐵礦晶間孔、顆粒邊緣縫、溶蝕孔和粒內(nèi)孔，在成巖作用過程中形成的黏土礦物層間孔隙常呈薄片狀或纖維狀，片層之間易發(fā)育狹縫型孔或楔形孔，大部分被有機質(zhì)所充填，連通性好(圖5c)；莓粒狀黃鐵礦集合體在缺氧環(huán)境下形成，內(nèi)部由小的黃鐵礦晶粒組成，晶間孔隙連通性較差(圖5d)；在石英和白云石等剛性礦物顆粒邊緣形成微孔縫，形態(tài)不規(guī)則(圖5e)；粒內(nèi)孔發(fā)育在石英和磷灰石顆粒內(nèi)部的孔隙，多因為顆粒內(nèi)部晶格缺陷或礦物溶蝕等原因造成，以多邊形形態(tài)為主，連通性較差(圖5f,g)。微裂縫為納米—微米級呈條帶狀或樹枝狀分布(圖5h)，延伸較遠，為游離氣提供儲集空間，與其他類型的孔隙連通組成錯綜復(fù)雜的立體孔隙網(wǎng)絡(luò)，也有助于吸附氣的解析，是氣體滲流的重要通道[20]。

圖5 中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜五峰組—龍一1亞段泥頁巖儲集空間特征

3.3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過低溫低壓氮氣吸附實驗?zāi)軌虻玫綐悠返牡獨馕健摳角€、比表面積、孔隙體積和孔徑分布等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而研究其孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙發(fā)育特征，進而在一定程度上認識五峰組—龍一1亞段頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)的差異。依據(jù)IUPAC的分類方案，根據(jù)孔隙直徑大小將頁巖孔隙分為3種類型：微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(>50 nm)，其中介孔又可分為小介孔(2～10 nm)和大介孔(10～50 nm)[21]。

(1)氮氣吸附—脫附曲線特征

(2)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)特征

(3)頁巖孔徑分布特征

圖6 中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜五峰組—龍一1亞段頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征

表2 中揚子地區(qū)當陽復(fù)向斜五峰組—龍一1亞段頁巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

井號樣品編號層位深度/mBET比表面積/(m2·g-1)BJH總孔容/(cm3·g-1)t-plot微孔比表面積/(m2·g-1)t-plot微孔孔容/(cm3·g-1)微孔比表面積比例/%微孔孔容比例/%平均孔徑/nmDY1DY1-4龍一1亞段1小層3 498.0 36.51 0.012 6 21.04 0.008 5 57.62 67.516.15 DY1DY1-6五峰組3 498.4 38.77 0.011 7 22.87 0.009 3 59.00 79.345.44 DY1DY1-8五峰組3 502.1 14.25 0.012 9 6.05 0.002 5 42.4719.396.60 DY2DY2-5龍一1亞段4小層3 958.2 5.39 0.020 6 0.68 0.000 3 12.691.4114.96 DY2DY2-7龍一1亞段4小層3 962.0 5.26 0.021 0 0.60 0.000 3 11.461.1915.44 DY2DY2-11龍一1亞段3小層3 973.2 21.84 0.025 2 8.14 0.003 9 37.26 15.54 8.42 DY2DY2-13龍一1亞段2小層3 980.0 18.65 0.021 9 6.20 0.003 0 33.27 13.49 8.22 DY2DY2-15龍一1亞段1小層3 982.8 18.07 0.023 9 6.02 0.002 9 33.3212.029.04

3.4 含氣性特征

4 水平箱體的選取

4.1 儲層各項參數(shù)

4.2 井軌跡控制

5 結(jié)論