魯西地區(qū)山西—太原組泥頁巖可壓性分析

彭文泉，張春池，呂小紅，梁云漢，高兵艷 .

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東濟(jì)南 250109；2.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東濟(jì)南 250014；3.山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)與污染防治工程技術(shù)研究中心，山東濟(jì)南 250014)

中國四川盆地等地區(qū)頁巖氣已實現(xiàn)規(guī)模性商業(yè)開發(fā)[1-4]。山東省在頁巖氣勘查領(lǐng)域也投入大量工作，在魯西地區(qū)先后施工了LYC1井、CYC1井、LY1井、YYC1井等多口頁巖氣參數(shù)井(圖1)，山東省地質(zhì)調(diào)查院利用煤炭勘查鉆孔(ZKLP4-1、ZK13-3S等)采集了大量樣品，為頁巖氣生儲條件和潛力評價工作提供了翔實資料。以往研究明確了魯西地區(qū)山西—太原組為頁巖氣有利勘探層系，優(yōu)選了頁巖氣有利區(qū)[5-6]，并針對頁巖氣生儲條件開展了大量研究工作[7-10]，未對頁巖氣儲層改造性能進(jìn)行探討。本次研究工作在分析利用以往獲取的地質(zhì)資料和分析測試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對山西—太原組泥頁巖脆性和可壓性進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明魯西地區(qū)山西—太原組泥頁巖微裂隙發(fā)育、脆性礦物含量高、巖石脆性很強(qiáng)，具有較好的可壓性，有利于后期人工壓裂改造。

1 地質(zhì)背景

魯西地區(qū)山西—太原組主要分布在魯西南含煤區(qū)、陽谷—茌平含煤區(qū)和黃河北含煤區(qū)。研究區(qū)位于魯中隆起西緣，北以齊(河)—廣(饒)斷裂為界與濟(jì)陽坳陷相接，西以聊(城)—(蘭)考斷裂為界與臨清坳陷相連(圖1)，東、南一般接于魯中隆起之上。

區(qū)域上地層一般發(fā)育有新太古代泰山巖群，古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生代侏羅系、白堊系，新生代古近系、新近系和第四系[11-12]。

新太古代泰山巖群：巖性以黑云變粒巖、斜長角閃巖為主。

下古生界：發(fā)育有寒武系和奧陶系，巖性主要以海相沉積的灰?guī)r、白云巖、泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖為主。

上古生界：發(fā)育有石炭系和二疊系，巖性為泥頁巖、砂巖夾灰?guī)r、煤層。

中生界：發(fā)育有侏羅系和白堊系，巖性以砂巖、泥巖、凝灰?guī)r等為主。

新生界：發(fā)育有古近系、新近系和第四系，巖性為泥巖、粉砂巖、砂巖、含礫砂巖等不等厚互層，第四系以黏土和粉砂為主。

2 頁巖氣儲層特征

2.1 巖性特征

太原組發(fā)育巖性為砂巖、粉砂巖、粉砂泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r、煤層，整體色調(diào)呈灰—深灰色，為海陸交互相含煤沉積。山西組巖性以砂巖、粉砂泥巖、泥巖夾煤層為主，整體為一套灰色調(diào)陸相沉積為主的含煤地層。山西—太原組泥頁巖一般發(fā)育厚度為80～120 m，泥地比為60%～70%。

2.2 有機(jī)地化特征

魯西地區(qū)山西—太原組泥頁巖有機(jī)碳含量主要集中在1.0%～6.0%，平均為3.1%，其中太原組369件樣品中311件有機(jī)碳含量在1.0%～6.0%，占84.3%，整體以中等烴源巖為主；山西組52件樣品中32件有機(jī)碳含量在1.0%～6.0%，占61.5%，整體以中—好烴源巖為主(表1)。

表1 山西組、太原組泥頁巖有機(jī)碳含量統(tǒng)計Table 1 Statistical of organic carbon content of mud shale in Shanxi group and Taiyuan group

山西—太原組115件樣品中，Ⅲ型干酪根占61.7%，Ⅱ2型干酪根占29.6%，干酪根以Ⅲ型為主；大部分樣品的鏡質(zhì)體反射率為0.8%～1.4%，已進(jìn)入生氣階段。

2.3 微裂隙發(fā)育特征

裂隙發(fā)育強(qiáng)弱一方面影響泥頁巖的含氣量，另一方面影響著泥頁巖的改造性能。微裂隙發(fā)育程度直接影響了游離氣儲存空間的大小，一般游離氣量隨微裂隙的發(fā)育密度和規(guī)模的增加而增大。微裂隙的發(fā)育程度還影響著甲烷與有機(jī)質(zhì)的接觸面積，相同有機(jī)碳含量的泥頁巖隨微裂隙的發(fā)育吸附氣量具有增加的趨勢[13-14]。

微裂隙發(fā)育程度對后期改造和產(chǎn)能具有重要作用[15-17]，通過對山西—太原組泥頁巖自然斷面掃描電鏡研究，泥頁巖中主要發(fā)育有微裂隙、礦物間隙、礦物顆粒內(nèi)部溶蝕孔、碎屑表面溶蝕孔、泥?？椎取Ｎ⒘严栋l(fā)育寬度一般小于5 μm，發(fā)育長度從幾十微米到幾百微米不等(圖2a、2b)，部分微裂隙之間具有一定的聯(lián)通性和相接性；另外一些微裂隙沿礦物間隙發(fā)育(圖2c、2d)，改造時壓裂液易于沿這些微裂隙形成人工改造縫。

3 礦物成分

3.1 脆性礦物

頁巖氣儲層的改造、壓裂難易程度受脆性礦物含量的直接影響，因此，一般將脆性礦物含量作為評價儲層物理性能的重要參數(shù)之一?！俄搸r氣資源儲量計算與評價技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254-2014)要求頁巖氣儲層中脆性礦物不低于30%[18-20]。

依據(jù)鉆孔獲取的X-衍射全巖礦物成分分析結(jié)果，山西—太原組泥頁巖中脆性礦物以石英為主，另外還含有鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦等(表2)。

表2 山西組、太原組泥頁巖全巖礦物含量Table 2 Mineral content of total shale in Shanxi and Taiyuan formations

山西—太原組泥頁巖中脆性礦物總含量為6%～98%，各孔平均含量為38%～63%。其中，石英平均含量為25%～47%，山西組石英平均含量為30%～47%，太原組石英平均含量為25%～40%，山西組石英平均含量略高于太原組；鉀長石平均含量為0～6%；斜長石平均含量為1%～7%；方解石平均含量為0～6%，太原組方解石平均含量高于山西組；白云石平均含量為0～6%；黃鐵礦檢出樣品平均含量為0～15%，太原組黃鐵礦平均含量大于山西組。

222件樣品中脆性礦物含量小于30%的樣品共12件(ZKLP4-1井3件、ZK13-3S井3件、YYC1井4件、LYC1井2件)，占樣品總數(shù)的5.41%，說明研究區(qū)山西—太原組泥頁巖脆性礦物含量較高，從脆性礦物含量分析有利于壓裂改造。

3.2 黏土礦物

泥頁巖中除有機(jī)質(zhì)吸附甲烷之外，黏土礦物也是甲烷吸附的另一重要載體[21-24]。同時黏土礦物對當(dāng)時的沉積環(huán)境具有較強(qiáng)的敏感性。

魯西地區(qū)山西—太原組泥頁巖中黏土礦物含量為1%～87%，各鉆孔平均含量為37%～62%；ZKLP4-1、ZK13-3S、YYC1井中太原組黏土含量高于山西組。黏土礦物成分主要由伊/蒙混層、伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石組成。伊/蒙混層含量為0～87%，各鉆孔平均含量為16%～52%；伊利石平均含量為11%～43%；高嶺石平均含量為21%～33%；綠泥石平均含量為6%～15%；太原組伊/蒙混層和伊利石含量高于山西組，太原組和山西組高嶺石含量相近，山西組高嶺石含量一般略高于太原組(表3)。樣品中未檢出水敏性最強(qiáng)的蒙脫石[25-26]，說明泥頁巖有利于人工壓裂改造。

表3 山西組、太原組泥頁巖黏土礦物含量Table 3 Clay mineral content of shale in Shanxi and Taiyuan formations

3.3 脆性指數(shù)

巖石的脆性特征一般用脆性指數(shù)來表征，以往評價中脆性礦物以石英為主[27-28]，因此傳統(tǒng)的脆性指數(shù)(BI1法)計算公式為：

(1)

式中BI1——巖石脆性指數(shù)(以石英含量計)，%；

V石英——石英含量，%；

V碳酸鹽礦物——碳酸鹽礦物含量，%；

V黏土——黏土礦物含量，%。

海陸交互相沉積的山西—太原組泥頁巖中石英的平均含量為25%～47%，泥頁巖中長石、巖屑礦物等對巖石脆性也有貢獻(xiàn)作用，因此將巖石脆性指數(shù)求取公式改進(jìn)為(BI2法)：

(2)

式中BI2——巖石脆性指數(shù)(以石英+長石+黃鐵礦含量計)，%；

V石英+長石+黃鐵礦——石英+長石+黃鐵礦含量，%。

利用改進(jìn)的(2)脆性指數(shù)法計算山西—太原組脆性指數(shù)(表4)，該方法能夠較全面地體現(xiàn)泥頁巖脆性，并在我國南方勘查實踐中得到了應(yīng)用，被學(xué)者們所認(rèn)可[29-33]。

表4 山西組、太原組脆性指數(shù)統(tǒng)計Table 4 Statistical of brittleness index of Shanxi group and Taiyuan group

一般認(rèn)為脆性指數(shù)大于25%為脆性很強(qiáng)，15%～25%為脆性中等，10%～15%為脆性較弱，小于10%為塑性。山西—太原組222件樣品中208件樣品脆性指數(shù)大于25%，占樣品總數(shù)的94%，說明山西—太原組泥頁巖脆性很強(qiáng)。

從山西組和太原組脆性指數(shù)分布區(qū)間(圖3)來看，山西組59%的樣品脆性指數(shù)集中在50%～70%，太原組70%的樣品脆性指數(shù)集中在40%～60%，鉆孔脆性指數(shù)均值顯示山西組泥頁巖脆性一般強(qiáng)于太原組泥頁巖。

4 可壓性探討

山西—太原組巖性多以砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、灰?guī)r和煤層組成，發(fā)育泥頁巖厚度為80～120 m，泥地比為60%～70%；泥頁巖中微裂隙發(fā)育，發(fā)育方向不規(guī)則，分布無規(guī)律，易于形成誘導(dǎo)網(wǎng)狀體積裂縫；山西—太原組中發(fā)育的暗色泥頁巖脆性礦物含量最小為6%，最大為98%，統(tǒng)計鉆孔脆性礦物平均含量為38%～63%，脆性礦物含量較高，黏土礦物含量低，且不含水敏性最強(qiáng)的蒙脫石，易于壓裂改造。

利用石英、長石和黃鐵礦含量評價泥頁巖脆性指數(shù)，獲取的脆性指數(shù)較高，94%樣品為脆性很強(qiáng)，利于人工造縫。

綜上所述，山西—太原組泥頁巖微裂隙發(fā)育、脆性礦物含量高、脆性指數(shù)顯示巖石脆性很強(qiáng)，因此認(rèn)為山西—太原組泥頁巖可壓性較好，利于人工壓裂改造。

5 結(jié)論

(1)山西—太原組發(fā)育較厚的泥頁巖，其有機(jī)碳含量平均為3.1%，鏡質(zhì)體反射率為0.8%～1.4%，干酪根以Ⅲ型為主，具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)和演化條件。

(2)巖石中微裂隙發(fā)育，微裂隙之間具有一定的聯(lián)通性和相接性，改造時易于壓裂和形成誘導(dǎo)網(wǎng)狀體積裂縫，提高改造效果。

(3)各鉆孔脆性礦物含量為38%～63%，脆性礦物含量較高；山西組59%的樣品脆性指數(shù)主要集中在50%～70%，太原組70%的樣品脆性指數(shù)主要集中在40%～60%；山西—太原組94%樣品脆性指數(shù)大于25%，脆性很強(qiáng)，說明山西—太原組泥頁巖具有較高的脆性和較好的可壓性，利于人工壓裂改造，為魯西地區(qū)山西—太原組頁巖氣儲層改造提供了借鑒。