準(zhǔn)噶爾盆地東南緣蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及其影響因素

楊 瀚,陳 思,謝 淵,陽(yáng) 暢

(1.國(guó)土資源部礦山地質(zhì)環(huán)境重慶南桐野外基地,重慶401120;2.國(guó)土資源部頁(yè)巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶401120;3.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院,重慶401120;4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川成都610081)

近年來(lái),隨著北美地區(qū)以及四川盆地涪陵、威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧等地區(qū)頁(yè)巖氣的成功開發(fā),頁(yè)巖氣資源在國(guó)內(nèi)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。頁(yè)巖既是烴源巖也是頁(yè)巖氣的主要儲(chǔ)層,是直徑小于0.0039mm的細(xì)碎屑、黏土礦物顆粒等細(xì)粒沉積物[1-3],因此,研究頁(yè)巖儲(chǔ)層的特征及其主控因素在頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)工作中必不可少。

關(guān)于準(zhǔn)噶爾盆地東南緣中二疊統(tǒng)蘆草溝組頁(yè)巖的研究,前人多從油頁(yè)巖的角度開展,且主要聚焦在其沉積環(huán)境、古氣候環(huán)境、生烴能力及熱演化史等方面,而對(duì)蘆草溝頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)氣能力、儲(chǔ)集空間類型及含氣性評(píng)價(jià)研究則相對(duì)較少。蘆草溝組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為陸相沉積,其干酪根類型以Ⅰ型為主,Ⅱ1型次之;TOC含量高,平均可達(dá)4.40%;鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.62%～1.27%,平均值為0.8%,基本進(jìn)入成熟階段。而位于烏魯木齊向斜核部附近的準(zhǔn)頁(yè)3井(ZY3)也揭示了蘆草溝組良好的含油氣性?？梢?作為已被大面積開采的高品級(jí)油頁(yè)巖,蘆草溝組頁(yè)巖有機(jī)地化參數(shù)良好,物質(zhì)基礎(chǔ)豐富,且在一定的埋深條件下具有較大的頁(yè)巖油氣資源潛力,因此對(duì)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征的研究具有良好的理論價(jià)值和一定的現(xiàn)實(shí)意義。

從鉆井(ZY3井)和野外露頭(4個(gè)剖面)系統(tǒng)采樣,利用X射線衍射全巖分析、低溫氮?dú)馕降榷喾N實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層的礦物組成、微觀孔徑和巖石力學(xué)等儲(chǔ)層特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析,再結(jié)合ZY3井揭示的含氣性資料,研究了蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征,并探討其影響因素。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底和周緣海槽之上,海相及海陸交互相的環(huán)境下,沉積形成了寒武系—石炭系地層,其后因海西運(yùn)動(dòng)形成的周緣海槽褶皺構(gòu)成了盆地的第二層褶皺基底。因此準(zhǔn)噶爾盆地具有前寒武紀(jì)結(jié)晶基底加海西期褶皺基底的雙層基底結(jié)構(gòu),成盆后接受二疊紀(jì)至今的沉積。以紅車斷裂和烏魯木齊—米泉斷裂為界,將準(zhǔn)噶爾盆地南緣山前沖斷帶劃分為西段、中段和東段3部分。

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶烏魯木齊—米泉斷裂以東,博格達(dá)山以西,行政區(qū)劃位于新疆昌吉州,東以甘河子為界,西以烏魯木齊為界,北以阜康市為界(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及地質(zhì)簡(jiǎn)圖[4]

2 沉積相特征

蘆草溝組下段為灰黑色含碳質(zhì)泥巖及灰黑色—深灰色粉砂巖交互,厚約463m,砂泥比約為1.0∶1.5;中段主要為灰—淺灰色粉—細(xì)砂巖及灰黑色碳質(zhì)泥巖互層狀,厚約136m,砂泥比約為1.5∶1.0;上段主要為灰黑色(含云或含鈣)碳質(zhì)頁(yè)巖夾白云巖或泥質(zhì)灰?guī)r,可見大量順層分布的黃鐵礦,厚約460m,白云巖(泥質(zhì)灰?guī)r)與頁(yè)巖比約為1∶30。

經(jīng)野外地質(zhì)調(diào)查,剖面實(shí)測(cè)及調(diào)查井資料采集,認(rèn)為蘆草溝組發(fā)育于海退后的半咸水環(huán)境,為扇三角洲—湖相沉積,在中二疊世蘆草溝期,研究區(qū)整體呈現(xiàn)一個(gè)湖擴(kuò)展、加深的過(guò)程。蘆草溝組下段與中段主要發(fā)育于三角洲前緣—前三角洲環(huán)境,而上段以前三角洲—湖相沉積體系為主(圖2),上段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積范圍廣,連續(xù)厚度大,是生烴主力層段。根據(jù)現(xiàn)今厚度和TOC含量等變化趨勢(shì),認(rèn)為蘆草溝組沉積時(shí)期博格達(dá)山地區(qū)既是研究區(qū)沉積中心也是沉降中心。

圖2 蘆草溝組沉積柱狀圖(葛家溝剖面)

將紅雁池剖面、榆樹溝剖面、葛家溝剖面、石人子溝剖面(位置見圖1)與永豐地區(qū)X1井、X2井進(jìn)行沉積相橫向?qū)Ρ?圖3)可見:自西向東,扇三角洲前緣沉積逐漸減少,而前扇三角洲和半深湖—深湖相沉積逐漸趨于主導(dǎo)。X2井多以扇三角洲前緣相沉積為主,向東至X1井—紅雁池一帶,扇三角洲前緣相沉積主要分布在蘆草溝組中下段,向上過(guò)渡為前扇三角洲及半深湖—深湖相沉積。而在榆樹溝—葛家溝—石人子溝一帶則以前扇三角洲及半深湖—深湖相沉積為主。這表明,自西向東,蘆草溝組漸厚,靠近博格達(dá)山,沉積水體呈加深的趨勢(shì)。

圖3 蘆草溝組沉積相對(duì)比剖面(X2井—X1井—紅雁池—榆樹溝—葛家溝—石人子溝)

3 巖相類型及特征

沉積相決定巖相組合,而巖相組合特征決定蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力。巖相是在一定沉積和成巖環(huán)境下形成的巖石或巖石組合,包括巖石顏色、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等特征[3]。

通過(guò)精細(xì)觀察露頭及巖心、結(jié)合X衍射全巖分析和顯微薄片鑒定,將研究區(qū)內(nèi)中二疊統(tǒng)蘆草溝組劃分為5類主要巖相。

從蘆草溝組沉積相特征可見,扇三角洲沉積序列以含云(含鈣)細(xì)粒巖屑砂巖相、含碳砂質(zhì)泥巖相和含云(含鈣)泥巖相組合在縱向上多旋回疊置為特征,其中含云(含鈣)細(xì)粒巖屑砂巖相、含碳砂質(zhì)泥巖相多位于扇三角洲前緣相沉積序列,而前三角洲沉積序列多為含碳砂質(zhì)泥巖、含云(含鈣)泥巖和泥巖的相組合;而水體較深的半深湖—深湖相沉積序列主要為泥巖相;泥質(zhì)微晶—粉晶白云巖相位于近蘆草溝組頂部位置,厚約2m。

3.1 含云(含鈣)細(xì)粒巖屑砂巖相

圖4顯示了蘆草溝組含云細(xì)粒巖屑砂巖相在顯微鏡下的特征。該類巖相顏色呈淺灰色,主要由細(xì)粒碎屑組成,礦物成分以巖屑為主,其次為少量石英、長(zhǎng)石等。粉砂約占6%,細(xì)粒約占90%、中粒約占4%,主要粒徑多在0.06～0.25mm,分選較好,磨圓度為次棱—次圓,顆粒支撐,孔隙式膠結(jié);雜基包括粘土礦物和粒徑小于0.004mm的長(zhǎng)英質(zhì)細(xì)碎屑,粘土礦物以伊利石為主,高嶺石、蒙脫石次之,粒徑極小(多小于0.004mm),呈泥狀微晶—隱晶質(zhì)集合體產(chǎn)出;白云石和鐵質(zhì)膠結(jié)物不均勻分布。

圖4 蘆草溝組含云細(xì)粒巖屑砂巖相顯微特征(紅雁池剖面,×10,左(—),右(+))

3.2 泥質(zhì)微晶—粉晶白云巖相

圖5顯示了蘆草溝組泥質(zhì)微晶—粉晶白云巖相在顯微鏡下的特征。該類巖相顏色呈深灰色,主要由白云石、石英等組成,其次為少量的鐵質(zhì)等,偶見長(zhǎng)石顆粒。白云石多為微晶—粉晶狀,呈它形—半自形產(chǎn)出,晶粒大小約為0.003～0.450mm,晶粒間結(jié)合不緊密,多被泥質(zhì)充填;石英呈粒狀不均勻分布,粒徑一般在0.004～0.060mm,偶見粒徑>0.06mm的顆粒和波狀消光;泥質(zhì)主要為細(xì)碎屑和粘土礦物;其它成分為少鐵質(zhì)物,呈粒狀或浸染狀不均勻分布。

圖5 蘆草溝組泥質(zhì)微晶—粉晶白云巖相顯微特征(紅雁池剖面,×10,左(—),右(+))

3.3 泥巖相

圖6顯示了蘆草溝組泥巖相在顯微鏡下的特征。該類巖相顏色呈灰黑—黑色,主要由泥質(zhì)、石英、長(zhǎng)石等組成,其次為少量的鐵質(zhì)、碳質(zhì)等,整體具有定向性。石英、長(zhǎng)石呈粒狀不均勻分布,泥質(zhì)主要為細(xì)碎屑和粘土礦物,粘土礦物以伊利石、高嶺石等為主,礦物粒徑極小,多呈泥狀集合體產(chǎn)出,較均勻分布;白云石呈粒狀或以膠結(jié)物形式不均勻分布;鐵質(zhì)多呈粒狀或浸染狀不均勻分布;碳質(zhì)為無(wú)固定形態(tài),呈碳屑狀;微裂縫發(fā)育,縫寬約0.01～0.03mm,鐵泥質(zhì)或碳質(zhì)充填;后期可見石英脈充填,脈寬約0.01～0.02mm。

圖6 蘆草溝組泥巖相顯微特征(紅雁池剖面,×10,左(—),右(+))

3.4 含碳砂質(zhì)泥巖相

圖7顯示了蘆草溝組含碳砂質(zhì)泥巖相在顯微鏡下的特征。該類巖相顏色呈深灰—灰黑色,主要由泥質(zhì)、石英、長(zhǎng)石等組成,其次為少量的鐵質(zhì)、碳質(zhì)等。石英、長(zhǎng)石呈粒狀不均勻分布,粒徑多在0.004～0.050mm,石英包括粒狀石英和少量粒狀硅質(zhì)巖屑、石英巖屑,偶見波狀消光和次生加大現(xiàn)象;斜長(zhǎng)石見聚片雙晶,絹云母化;鉀長(zhǎng)石見高嶺石化、土化;泥質(zhì)主要為細(xì)碎屑和粘土礦物,細(xì)碎屑多為長(zhǎng)英質(zhì),粘土礦物為伊利石、高嶺石、蒙脫石等,均較均勻分布;碳質(zhì)無(wú)固定形態(tài),呈碳屑狀;其它成分為少鐵質(zhì)物,呈粒狀或浸染狀不均勻分布。

圖7 蘆草溝組含碳砂質(zhì)泥巖相顯微特征(葛家溝剖面,×10,左(—),右(+))

3.5 含云(含鈣)泥巖相

圖8顯示了蘆草溝組含云泥巖相在顯微鏡下的特征。該類巖相顏色呈灰—深灰色,主要由泥質(zhì)、白云石、石英等組成,偶見巖屑顆粒,整體具有定向性,可見多條隱晶—顯微晶硅質(zhì)脈和1條白云石脈,可能為沉積過(guò)程中硅質(zhì)熱液和云質(zhì)熱液涌入所致。石英、長(zhǎng)石呈粒狀不均勻分布;泥質(zhì)主要為細(xì)碎屑和粘土礦物,粘土礦物以伊利石、高嶺石為主,呈泥狀集合體產(chǎn)出;白云石呈粒狀或以膠結(jié)物形式不均勻分布。層理縫發(fā)育,寬約0.01～0.03mm,為碳質(zhì)或鐵質(zhì)充填;見多條寬約0.05～0.30mm的微裂縫,被粉晶—細(xì)晶石英和少量亮晶白云石充填。

圖8 蘆草溝組含云泥巖相顯微特征(榆樹溝剖面,×10,左(—),右(+))

4 儲(chǔ)層特征

4.1 礦物組分特征

頁(yè)巖主要由粘土礦物(伊利石、蒙皂石、高嶺石)和脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽、黃鐵礦等自生礦物)組成。在同一區(qū)域相同力學(xué)背景下,巖石礦物組分影響頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)、脆性度和對(duì)氣體的吸附能力[5-8]。

通過(guò)X射線衍射全巖分析,蘆草溝組頁(yè)巖脆性指數(shù)為38%～98%,平均值為66.98%,其中,90%的樣品脆性指數(shù)超過(guò)50%,具有良好的可壓裂性。脆性礦物以石英為主,占10%～63%,平均值為33.82%,其次為斜長(zhǎng)石及鐵白云石;石英+長(zhǎng)石含量為25%～84%,平均值為53.86%;碳酸鹽礦物含量為0～68%,平均值為13.11%。

粘土礦物含量為2%～62%,平均值為33.02%,以伊利石及伊/蒙混層為主,而高嶺石、綠泥石及綠/蒙混層含量相對(duì)較低。伊利石含量為23%～100%,平均值為60.07%;伊/蒙混層含量為0～74%,平均值為34.55%。伊/蒙混層含量隨著伊利石含量的增加而呈相應(yīng)降低的趨勢(shì)(圖9)。

圖9 蘆草溝組頁(yè)巖粘土礦物相對(duì)含量(樣品55個(gè))

從蘆草溝組與美國(guó)Barnett頁(yè)巖和Oiho頁(yè)巖的礦物組分的三角端元圖(圖10)可以看出,研究區(qū)蘆草溝組中、下兩段頁(yè)巖樣品中各礦物組分端元分布都不集中,較為分散,而上段頁(yè)巖樣品的礦物組分含量與美國(guó)兩大頁(yè)巖大致相當(dāng),脆性度較高,具有良好的可壓裂性。

圖10 蘆草溝組上、中、下段頁(yè)巖與美國(guó)兩大頁(yè)巖礦物組分的三角端元圖(改自Hyden[9]等,2009)

4.2 孔滲特征

作為評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層的常用指標(biāo),孔滲特征在非常規(guī)的細(xì)粒頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中同樣具有重要意義。通常而言,大多數(shù)頁(yè)巖儲(chǔ)層均呈特低孔、特低滲的特征和強(qiáng)非均質(zhì)性,但孔隙度和滲透率的相關(guān)性是頁(yè)巖內(nèi)部的裂縫、微裂縫發(fā)育情況的良好指示[10-12]。

對(duì)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層采樣、選樣(盡量避開含肉眼可見裂縫的樣品)并進(jìn)行孔隙度、滲透率測(cè)試,按照國(guó)土資源部《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》,對(duì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下:

1) 研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖孔隙度最小值為0.026%,最大值為3.98%,平均值為0.98%,特低孔隙度(<2%)的樣品占89%,低孔隙度(2%～5%)的樣品占11%(圖11a);

2) 研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖滲透率最小值為0.0001mD,最大值為0.24mD,平均值為0.04mD,均呈特低(<1mD)的特征;滲透率在0～0.1mD的樣品數(shù)占81%,滲透率在0.1～0.2mD的樣品數(shù)占14%(圖11b)。

圖11 蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度(a)、滲透率(b)區(qū)間頻度分布

分析發(fā)現(xiàn),蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率無(wú)明顯的相關(guān)性(圖12)。部分較高孔隙度樣品反而具有極低滲透率值,說(shuō)明孔隙連通性較差;而部分較低孔隙度樣品反而具有較高滲透率值,表明樣品中微裂縫發(fā)育,且滲透率受樣品中的微裂縫影響明顯。

圖12 蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層各樣品的孔隙度、滲透率

4.3 楊氏彈性模量與泊松比

泊松比和楊氏彈性模量相結(jié)合能夠反映巖石在應(yīng)力(泊松比)下發(fā)生破裂時(shí)維持一個(gè)裂縫張開(楊氏模量)的能力[13]。楊氏彈性模量—泊松比交會(huì)圖對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性度具有重要的指示意義。易發(fā)育裂縫的頁(yè)巖儲(chǔ)層通常具有低泊松比、高楊氏彈性模量的特征[14-16];反之,當(dāng)高泊松比、低楊氏彈性模量時(shí),頁(yè)巖塑性相對(duì)增強(qiáng),易導(dǎo)致天然或人工裂縫閉合,影響頁(yè)巖儲(chǔ)集能力。高產(chǎn)氣頁(yè)巖通常泊松比<0.25,楊氏彈性模量>2×104MPa[17-18]。

采集了7個(gè)蘆草溝組頁(yè)巖樣品(來(lái)自ZK3井)進(jìn)行泊松比、楊氏彈性模量測(cè)試,結(jié)果如表1所示。這7個(gè)樣品的泊松比范圍為0.135～0.292,平均值為0.22;楊氏彈性模量范圍為(0.58～1.83)×104MPa,平均值為1.34×104MPa。將蘆草溝組與四川盆地志留系龍馬溪組一段、二段頁(yè)巖儲(chǔ)層樣品的楊氏彈性模量-泊松比進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn):蘆草溝組楊氏彈性模量整體略低于龍馬溪組頁(yè)巖,泊松比也較龍馬溪組更低,整體交會(huì)位置大致相當(dāng)(圖13)。

圖13 楊氏彈性模量與泊松比交會(huì)[16]

表1 泊松比、楊氏彈性模量測(cè)試結(jié)果

可見,蘆草溝組頁(yè)巖具有良好的天然裂縫網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育條件,且利于后期人工壓裂造縫,與X射線衍射全巖分析定量測(cè)試的脆性指數(shù)顯示的結(jié)果相符。

5 儲(chǔ)集空間類型

5.1 孔隙類型及特征

目前,對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙體系尚未有統(tǒng)一的分類方案,最具代表性的為L(zhǎng)OUCKS等[19]和SLATT等[20]提出的方案,前者多從孔隙分布位置進(jìn)行劃分,后者則多從孔隙大小與孔隙成因的角度綜合進(jìn)行劃分。

不同分類標(biāo)準(zhǔn)劃分出的孔隙類型也不盡相同:按孔隙成因可分為無(wú)機(jī)孔隙和有機(jī)孔隙;按孔隙位置可分為粒間孔和粒內(nèi)孔,粒內(nèi)孔通常具有良好的連通性,而粒間孔連通性較差;按孔隙大小可分為微孔隙(長(zhǎng)半軸≥0.75μm)和納米級(jí)孔隙(長(zhǎng)半軸<0.75μm)[21],吸附態(tài)的氣體多賦存于納米級(jí)孔隙表面。

掃描電鏡統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果(圖14)表明:研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖中的孔隙半徑最小值為0.08μm,最大值為2.27μm,平均值為0.67μm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.45;孔隙半徑主要分布于0.3～0.7μm。其中,孔隙半徑以0.5～0.6μm居多,其次為0.3～0.4μm和0.6～0.7μm。對(duì)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行微觀孔徑測(cè)試,48個(gè)樣品中僅有5個(gè)樣品孔隙屬于納米級(jí)孔隙(直徑<0.75μm),其余43個(gè)均為微米級(jí)孔隙,對(duì)氣體的吸附能力相對(duì)較弱。

采用低溫氮?dú)馕椒讖蕉繙y(cè)試結(jié)合掃描電子顯微鏡孔隙成像方法可見,所有的蘆草溝組樣品中,孔隙多為石英、長(zhǎng)石、方解石和黏土礦物等顆粒間的微米級(jí)孔隙,此外還含少量粒表溶蝕孔和極少的納米級(jí)有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔(圖14f)。

圖14 ZY3井蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙掃描電鏡成像結(jié)果a 粘土礦物粒間基質(zhì)孔及粒表溶孔; b 長(zhǎng)石顆粒內(nèi)微米級(jí)基質(zhì)溶孔; c 方解石粒表溶蝕孔; d 黏土礦物絮凝物作用形成的紙房狀結(jié)構(gòu)及其滲流通道; e 石英顆粒黏土礦物中的鑄模孔; f 納米級(jí)蜂窩狀干酪根粒內(nèi)有機(jī)孔

5.2 裂縫類型及特征

研究區(qū)經(jīng)受了多期次復(fù)雜的構(gòu)造作用,在野外露頭及巖心中,蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層中的宏觀裂縫和微裂縫(圖15)均極為發(fā)育。

圖15 蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層中裂縫及微裂縫a 有油滲出的裂縫(ZY3井); b 順?lè)浇馐}發(fā)育的溶蝕縫(ZY3井); c 砂巖中的縫合線(ZY3井); d 強(qiáng)烈擠壓揉皺形成的裂縫(紅雁池); e 白云巖透鏡體中瀝青充填縫(葛家溝); f 砂屑白云巖內(nèi)微裂縫

宏觀裂縫對(duì)于氣體而言具有雙重作用:部分非破壞性宏觀裂縫可作為氣體運(yùn)移通道,有利于改善儲(chǔ)層、提高儲(chǔ)層整體孔隙連通性及滲透率,同時(shí)封閉的裂縫空間還能充當(dāng)有效的儲(chǔ)集空間[22],但大型宏觀破壞性裂縫,特別是高角度裂縫可導(dǎo)致頁(yè)巖氣的逸散。

據(jù)蘆草溝組孔隙度和滲透率相關(guān)性分析以及鑄體薄片顯微觀察,研究區(qū)蘆草溝組微裂縫極為發(fā)育。蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀裂縫多為粒間溶蝕縫,頁(yè)巖氣體可呈游離態(tài)賦存其中。

通過(guò)宏觀與微觀相結(jié)合,以及觀察巖心、露頭及薄片可知,研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間類型包括裂縫、微裂縫和微米級(jí)基質(zhì)粒間孔等。而裂縫和微裂縫是頁(yè)巖儲(chǔ)層中氣體從吸附態(tài)解吸到游離態(tài)的主要通道。

結(jié)合巖心觀察可見,ZY3井中高含氣段多為夾于蘆草溝組上段黑色頁(yè)巖中的砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖段及白云巖段,尤其是其中的裂縫、微裂縫發(fā)育帶,而非富有機(jī)質(zhì)泥巖段。

綜上可知,準(zhǔn)噶爾盆地東南緣蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙中,吸附性較強(qiáng)的納米級(jí)有機(jī)孔隙較少,多為連通性、吸附性較差的微米級(jí)基質(zhì)粒間孔隙,主要儲(chǔ)集空間類型為:裂縫、微裂縫,氣體多以游離態(tài)賦存。

6 儲(chǔ)層發(fā)育的影響因素

6.1 礦物組成

巖石礦物組分是影響頁(yè)巖儲(chǔ)集能力及頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)的重要因素。而對(duì)于儲(chǔ)集空間類型主要為裂縫、微裂縫的蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層而言,礦物組成尤其是脆性礦物的含量更是影響該類頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育的重要因素。

蘆草溝組頁(yè)巖脆性指數(shù)平均為66.98%,所有測(cè)試樣品中90%的樣品脆性指數(shù)超過(guò)了50%,且脆性礦物主要以石英和長(zhǎng)石為主。較高的脆性指數(shù)對(duì)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層中天然裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成和后期誘導(dǎo)人工壓裂造縫極為有利。從各類巖相樣品的礦物組成可見,含云(含鈣)細(xì)粒巖屑砂巖相樣品中脆性礦物含量可達(dá)98%,含炭砂質(zhì)泥巖相樣品中脆性礦物含量可達(dá)83%、而含云(含鈣)泥巖相及泥巖相樣品的脆性礦物含量則相對(duì)較低?？梢姷V物組成主要影響蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性度,而高的脆性度又是影響頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育的重要因素。

6.2 成巖作用

成巖作用對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層具有強(qiáng)烈的改造作用[23],且主要體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)生排烴程度和頁(yè)巖礦物組成兩方面。

有機(jī)孔隙多為納米級(jí),是由固體干酪根轉(zhuǎn)化為烴類流體而在干酪根內(nèi)部形成的孔隙(圖14)[24-25],其發(fā)育程度與有機(jī)質(zhì)熱成熟度呈一定的正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)入成熟階段開始生排烴時(shí),有機(jī)孔隙才開始發(fā)育[18]。而蘆草溝組干酪根類型以Ⅰ型為主,Ⅱ1型次之,有機(jī)質(zhì)豐度高,TOC平均含量可達(dá)4.40%,鏡質(zhì)體反射率為0.62%～1.27%,平均值為0.8%,基本進(jìn)入成熟階段。因此認(rèn)為研究區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層雖然TOC含量高,但有機(jī)質(zhì)熱演化程度較低的特征是引起其納米級(jí)有機(jī)孔隙極不發(fā)育的至關(guān)重要因素。

碳酸鹽巖膠結(jié)作用也是頁(yè)巖儲(chǔ)層極為常見的成巖作用類型(圖15b)。根據(jù)蘆草溝組頁(yè)巖礦物組分,碳酸鹽巖礦物含量相對(duì)較高,平均值可達(dá)13.11%,其致密的膠結(jié)作用極不利于儲(chǔ)層孔隙的保存和裂縫的發(fā)育。

蘆草溝組上段在后生成巖階段中還形成了黃鐵礦等自生礦物,從巖心可見大量順層分布的黃鐵礦(圖16)。黃鐵礦微球粒內(nèi)礦物晶間的納米級(jí)孔、微米級(jí)孔隙可在一定程度上豐富蘆草溝組頁(yè)巖的儲(chǔ)集空間類型[12]?？梢姵蓭r作用對(duì)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育的影響顯著,且有利有弊。

圖16 蘆草溝組上段巖心中順層分布的黃鐵礦(a)及掃描電鏡下的黃鐵礦微球粒(b)

7 結(jié)論

1) 研究認(rèn)為蘆草溝組發(fā)育于扇三角洲前緣—前扇三角洲環(huán)境,含云(含鈣)細(xì)粒巖屑砂巖相、含碳砂質(zhì)泥巖相和含云(含鈣)泥巖相等為蘆草溝頁(yè)巖儲(chǔ)層中裂縫型儲(chǔ)集空間的主要載體,其中的砂體多為粉砂級(jí),薄粉砂或泥質(zhì)粉砂夾層可為游離氣提供大量的裂縫型儲(chǔ)集空間,ZY3井顯示該巖相組合段為含氣量最高的層段。

2) 蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層呈特低孔(平均值為0.98%)、特低滲(0～0.1mD)特征,儲(chǔ)層孔隙度和滲透率無(wú)明顯相關(guān)性,部分較高孔隙度樣品反而具有極低滲透率值,說(shuō)明孔隙連通性較差;而部分較低孔隙度樣品反而具有較高滲透率值,表明樣品中微裂縫發(fā)育,且滲透率受樣品中的微裂縫影響明顯。

3) 低溫氮?dú)馕娇讖綔y(cè)試和掃描電鏡成像顯示蘆草溝組頁(yè)巖孔隙多為連通性、吸附性較差的微米級(jí)基質(zhì)粒間孔隙,納米級(jí)孔隙較少,主要儲(chǔ)集空間類型為裂縫和微裂縫,氣體多以游離態(tài)賦存。

4) 蘆草溝組頁(yè)巖的礦物組分多為脆性礦物(其中以石英和長(zhǎng)石為主),脆性指數(shù)平均值可達(dá)66.98%,其泊松比平均值為0.22,楊氏彈性模量平均值為1.34×104MPa,二者交會(huì)圖顯示蘆草溝組具有良好的天然裂縫發(fā)育條件和一定的可壓裂性。

5) 蘆草溝組頁(yè)巖TOC值高,但熱演化程度較低,導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)具有較強(qiáng)吸附性的納米級(jí)有機(jī)孔隙極不發(fā)育;碳酸鹽巖礦物的高含量不利于孔隙、裂縫的發(fā)育和保存;而后生成巖階段,黃鐵礦等自生礦物的形成一定程度上豐富了蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間類型,提升其整體儲(chǔ)集能力。因此認(rèn)為礦物組成和成巖作用是蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征的主要影響因素。

6) 從北美以及四川盆地涪陵、威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧等地區(qū)海相頁(yè)巖氣的成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可知,頁(yè)巖儲(chǔ)層研究在頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中至關(guān)重要。本文對(duì)蘆草溝組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征、儲(chǔ)集空間類型及含氣性特征等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究分析,可為準(zhǔn)噶爾盆地頁(yè)巖氣勘探開發(fā)工作提供較好的理論依據(jù),對(duì)我國(guó)西北地區(qū)陸相頁(yè)巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)研究也具有一定的參考意義。