李欣誠,侯宇光,陳振宏,何 生,梁雅琪,劉宇坤,宋穎睿,余 銳
(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074;2.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司 勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心,武漢 430034;4.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所,中國科學(xué)院 油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029)
頁巖氣是富集于泥頁巖及夾層中、連續(xù)分布、自生自儲(chǔ)的游離或吸附態(tài)氣體[1-3]。我國頁巖氣開發(fā)起步雖晚,卻是繼美加之后第三個(gè)形成規(guī)模和產(chǎn)業(yè)的國家,我國頁巖氣資源大約有23.5×1012m3[4]。頁巖氣主要儲(chǔ)集在孔隙和微裂縫中[5],富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中基本都存在有機(jī)孔隙[6-7],在有機(jī)質(zhì)中發(fā)現(xiàn)孔隙后,有機(jī)質(zhì)才被認(rèn)為是孔隙網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)者。自這一發(fā)現(xiàn)以來,大量的研究致力于識(shí)別和表征頁巖內(nèi)部的重要微觀結(jié)構(gòu)特征,這些特征最終會(huì)反映泥頁巖生烴和儲(chǔ)存能力[3-4],因此研究泥頁巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特征具有十分重要的意義。近年來,國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖孔隙做了大量的研究工作,尤其在泥頁巖儲(chǔ)層孔隙表征、孔隙成因、孔隙定量評(píng)價(jià)和預(yù)測等方面取得了突破性的進(jìn)展,但對(duì)含煤泥頁巖層系在火山活動(dòng)的影響下的孔隙特征、生烴能力、物質(zhì)組成等研究較少。
火山活動(dòng)是影響頁巖生烴的重要因素,泥頁巖儲(chǔ)層的發(fā)育和破壞與巖漿侵入的距離、侵入體的厚度、侵入時(shí)間、熱導(dǎo)率等有著密切的關(guān)系[5-12]?;鹕交顒?dòng)帶來的熱源對(duì)泥頁巖儲(chǔ)層會(huì)產(chǎn)生重要的影響,一方面可以加速烴源巖的成熟,另一方面也可以影響頁巖儲(chǔ)集體的孔隙發(fā)育。本文以黔南坳陷二疊紀(jì)峨眉山玄武巖對(duì)龍?zhí)督M泥頁巖的影響為例,研究了火山活動(dòng)對(duì)含煤泥頁巖生烴、礦物成分、儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)等的影響。
黔南坳陷屬于滇黔桂含油區(qū)內(nèi)的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元(圖1),處于特提斯和濱太平洋2大構(gòu)造域的疊合部位,面積約為4.7×104km2[13-14]。黔南坳陷是一個(gè)由震旦系、古生界和三疊系充填的殘留盆地。黔南坳陷北部以貴陽—鎮(zhèn)遠(yuǎn)斷裂帶與黔中隆起為界,西以紫云—羅甸—南丹—都安斷裂帶與羅甸坳陷為界,東部以銅仁三都斷裂與雪峰隆起為界,整體呈較完整的三角狀展布[13-14]。
圖1 峨眉山玄武巖及研究區(qū)分布(a)、黔南坳陷區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐?b)、AS-1井巖性柱狀圖及樣品位置(c)
本文研究對(duì)象為黔南坳陷西北部AS-1井的龍?zhí)督M,其構(gòu)造位置位于黔南坳陷安順凹陷普定復(fù)向斜帶安順巖性圈閉[13-15]。安順凹陷南與廣順低凸起以及長順凹陷相鄰,北以貴陽—鎮(zhèn)遠(yuǎn)斷裂帶以及黔中隆起為界,東與貫定低凸起相接,處于隆起與坳陷的過渡帶[13-15](圖1b)。
黔南坳陷上二疊統(tǒng)主要巖性為深色泥巖、黑色頁巖,其中灰色灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和暗色泥巖呈不等厚互層;龍?zhí)督M為中厚層深色泥巖、黑色頁巖、深灰色粉砂質(zhì)泥巖夾灰色含泥細(xì)砂巖以及多層不等厚黑色煤層,龍?zhí)督M底部發(fā)育厚層玄武巖(厚約60 m)[15]。
峨眉山玄武巖作為大火成巖省,其噴發(fā)期發(fā)生在二疊紀(jì)樂平統(tǒng)沉積早期,侵入年代應(yīng)為258 Ma左右,不同學(xué)者對(duì)其噴發(fā)的具體時(shí)間認(rèn)識(shí)并非一致,誤差在1~2 Ma[16-19],大體起始于晚二疊世早期,最長可持續(xù)至三疊紀(jì)。黔南坳陷二疊系玄武巖組隸屬于峨眉山玄武巖,峨眉山玄武巖橫跨川滇黔三省,貴州處于玄武巖大省的外圈范圍,而研究區(qū)處于其外緣[16-19]。黔南坳陷安順凹陷AS-1井揭示的龍?zhí)督M正處在玄武巖組的上部。
樣品取自黔南坳陷安順凹陷AS-1井鉆井巖心,深度分別為2 075~2 127,2 210~2 304,2 375~2 390 m,對(duì)應(yīng)龍?zhí)督M上、中、下部(圖1c);巖性主要為灰黑色泥巖、黑色碳質(zhì)頁巖和黑色煤。在對(duì)該剖面詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查和測量基礎(chǔ)上,采用X射線衍射(XRD)、鏡質(zhì)體反射率(Ro) 、總有機(jī)碳含量(TOC)以及二氧化碳和低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)等方法,開展了含煤泥頁巖礦物成分、有機(jī)地化和顯微組構(gòu)的研究,并探討其對(duì)儲(chǔ)層孔隙保存的影響。
粉碎的樣品(200目)經(jīng)過鹽酸處理后,利用Elementar Analyzer Vario EL Ⅲ元素分析儀測得頁巖有機(jī)碳含量;鏡質(zhì)體反射率在中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院測試中心完成;X射線衍射(XRD)由中國石化勘探分公司委托進(jìn)行測試。
氣體吸附實(shí)驗(yàn)在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。將龍?zhí)督M的樣品碎至60~80目,利用康塔Autosorb IQ3型全自動(dòng)比表面和孔徑分布分析儀,開展低溫氮?dú)夂投趸嘉綄?shí)驗(yàn)。氣體吸附法對(duì)納米孔隙的測量能得到很好的結(jié)果,在恒溫條件下,隨著相對(duì)壓力的升高,氮?dú)饣蚨趸贾饾u吸附在固體顆粒表面,用吸附量—相對(duì)壓力作圖便能得到吸附曲線;當(dāng)壓力降低,氣體逐漸從顆粒表面解吸,能得到脫附量,用脫附量—相對(duì)壓力作圖便能得到脫附曲線。根據(jù)BET方程、BJH和DFT等數(shù)據(jù)模型,能得到比表面積以及微孔、介孔和宏孔的孔體積等數(shù)據(jù)。
AS-1井二疊系龍?zhí)督M含煤泥頁巖有機(jī)碳含量高,多數(shù)已經(jīng)達(dá)到煤質(zhì),其有機(jī)碳含量為41.5%~71.3%,平均值為60.34%;鏡質(zhì)體反射率Ro為2.04%~2.88%,均值為2.45%。根據(jù)鏡質(zhì)體反射率與熱演化階段的劃分方案,龍?zhí)督M含煤泥頁巖樣品屬于過成熟階段,處于生干氣帶。
龍?zhí)督M含煤泥頁巖的礦物組成如圖2所示,黏土礦物含量最多,占11.05%~70.78%,平均為39.27%;其次為石英,含量在7.93%~45.93%,平均為23.33%;其他脆性礦物(鉀長石、斜長石、方解石、鐵白云石)之和占16.29%~42.84%,平均為28.73%;黃鐵礦含量較少,占1.85%~11.55%,平均為6.4%。黏土礦物主要為伊蒙混層、伊利石、綠泥石和高嶺石,伊蒙混層占24%~40%,伊利石占13%~39%,綠泥石占23%~53%;部分樣品中含有高嶺石,占3%~6%。石英和碳酸鹽礦物含量變多時(shí),相對(duì)應(yīng)的黏土礦物含量就減少;伊蒙混層和伊利石隨地層埋深而增加,而綠泥石含量則減少。
圖2 黔南坳陷AS-1井二疊系龍?zhí)督M含煤泥頁巖全巖及黏土礦物含量
含煤泥頁巖二氧化碳吸附等溫圖(圖3)顯示,二氧化碳的吸附量隨著相對(duì)壓力的增大而增多,曲線整體呈現(xiàn)出類似“上拋”的趨勢,即每個(gè)樣品所作的圖都為Ⅰ型等溫曲線,泥頁巖樣品在低壓力下(相對(duì)壓力小于0.01)時(shí)曲線上凸,且曲線在此壓力下的斜率較大,吸附量增長速率較快,而隨著壓力的逐漸增大,曲線逐漸趨于平緩。含煤泥頁巖吸附量為12.02~20.73 cm3/g,其中,AS-Y16、AS-Y13、AS-Y12、AS-Y19、AS-Y14的吸附量在19.78~20.73 cm3/g,要稍大于其余樣品的吸附量。根據(jù)樣品深度并結(jié)合前面的分析,龍?zhí)督M的中下部巖石對(duì)氣體的吸附量要稍大于上部巖石的吸附量。
圖3 黔南坳陷AS-1井二疊系龍?zhí)督M二氧化碳吸附等溫曲線
樣品低溫氮?dú)馕降葴厍€(圖4)顯示,當(dāng)相對(duì)壓力較低時(shí)(0~0.05),吸附曲線略微向上凸出,并呈緩慢增長的態(tài)勢;當(dāng)相對(duì)壓力在中等程度的情況下(0.05~0.8),吸附量增長得極為緩慢,氮?dú)獾葴匚角€在此階段近乎于直線;在線性段以后,隨著壓力的升高(相對(duì)壓力為0.8~1),吸附劑對(duì)氣體的吸附量劇烈上升,曲線呈現(xiàn)下凹的情況。本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在B點(diǎn) (一般認(rèn)為單層吸附容量的結(jié)束的標(biāo)志)之后吸附曲線與脫附曲線就已經(jīng)開始不再重合,脫附曲線位于吸附曲線的上面,形成滯后回線。滯后回線類型應(yīng)該混有H2和H3兩種特征,該類型滯后回線反映的是一種特殊的孔,即為細(xì)頸廣體的墨水瓶孔,在地層中表現(xiàn)為微孔較發(fā)育。
由圖4可見,樣品AS-Y03、AS-Y05、AS-Y07、AS-Y09、AS-Y11的吸附、脫附等溫曲線,在中、低壓力的情況下吸附量上升緩慢,曲線前半部分較為平滑,而在相對(duì)壓力(P/P0)越接近1時(shí),吸附量上升得越為迅速。另外5個(gè)樣品(AS-Y12、AS-Y13、AS-Y14、AS-Y16、AS-Y19)的吸附曲線整體都在穩(wěn)步上升,但在中等壓力(相對(duì)壓力為0.4~0.6)條件下,相較于吸附曲線,脫附曲線斜率更大,上升較快。
圖4 黔南坳陷AS-1井二疊系龍?zhí)督M氮?dú)馕健摳降葴厍€
IUPAC將孔徑細(xì)分為微孔(<2 nm)、介孔(2~50 nm)和宏孔(>50 nm)。氮?dú)夂投趸嘉浇Y(jié)果顯示(表1),龍?zhí)督M含煤泥頁巖樣品微孔區(qū)孔體積為0.037~0.061 cm3/g,平均值為0.055 cm3/g,介孔區(qū)體積為0.001~0.002 cm3/g,平均值為0.002 cm3/g,宏孔區(qū)體積為0.001~0.009 cm3/g,平均值為0.005 cm3/g,表明樣品中發(fā)育不同尺度的孔隙,構(gòu)造了含煤泥頁巖復(fù)雜的孔隙體系。其中,樣品以微孔為主(圖5),占89.34%,介孔占2.49%,宏孔占8.17%。含煤泥頁巖的孔體積與深度具有一定的相關(guān)性,上部樣品(AS-Y03、AS-Y05、AS-Y07、AS-Y09、AS-Y11)的微孔、介孔和宏孔數(shù)據(jù)與下部樣品孔隙體積存在明顯差別。上部樣品的微孔孔體積占比要稍低于下部樣品,而介孔和宏孔的孔體積占比則相反。
表1 黔南坳陷AS-1井二疊系龍?zhí)督M含煤泥頁巖樣品N2和CO2氣體吸附測試結(jié)果
含煤泥頁巖樣品的比表面積為125.659~212.382 m2/g,平均為188.974 m2/g,微孔的比表面積占99.64%~99.91%,平均為99.78%,證明含煤泥頁巖比表面積主要由微孔提供,其比表面積較大,易于氣體的吸附。
前人研究表明,由于巖漿巖冷卻釋放的熱量,其周圍地層泥頁巖的有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率能夠迅速升高[20],成熟度可以從0.5%升高至4.0%,總有機(jī)碳含量逐漸降低[20-22]。其他地化參數(shù)(如S1、S2等)顯示靠近巖漿巖生烴強(qiáng)度大,遠(yuǎn)離巖漿巖生烴強(qiáng)度小,表示與巖漿巖距離不同,有機(jī)質(zhì)生烴強(qiáng)度也存在差異[1,21-22]。
龍?zhí)督M下部與玄武巖距離較近,含煤泥頁巖的鏡質(zhì)體反射率最高可達(dá)2.88%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地層正常埋深熱演化所能達(dá)到的成熟度,說明巖漿侵入可能導(dǎo)致含煤泥頁巖的成熟度升高,加速有機(jī)質(zhì)的生烴演化。巖漿的烘烤作用影響范圍隨著侵入體的厚度、離侵入體的距離等因素變化,一般巖漿巖越厚,距離巖漿巖越近,對(duì)有機(jī)質(zhì)生烴的影響也就越大[22]。根據(jù)實(shí)測的鏡質(zhì)體反射率數(shù)值,可將龍?zhí)督M含煤泥頁巖分為上、下兩部分。龍?zhí)督M上部鏡質(zhì)體反射率明顯更低,表明泥頁巖地層受火山活動(dòng)影響較小,其演化程度與下伏石炭系擺佐組相當(dāng)[23],經(jīng)歷了正常的埋深壓實(shí)的熱演化;而龍?zhí)督M下部(大致2 200 m以下)鏡質(zhì)體反射率明顯增大,很可能是受火山活動(dòng)影響,導(dǎo)致熱演化速率提升,迅速達(dá)到過成熟階段,并開始大量生氣。前人研究認(rèn)為,較早進(jìn)入干氣階段和快速生烴,對(duì)于頁巖儲(chǔ)層天然氣的長期補(bǔ)充和保存是不利的[24-25]。
圖5 黔南坳陷AS-1井二疊系龍?zhí)督M孔隙體積(a)、比表面積(b)與平均孔隙直徑的關(guān)系
研究區(qū)龍?zhí)督M含煤泥頁巖的有機(jī)質(zhì)含量高,而TOC含量與生氣能力往往成正相關(guān)關(guān)系。參考煤系泥頁巖的烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[26],黔南坳陷二疊系龍?zhí)督MAS-1井巖心樣品TOC主體大于6%,為好—很好烴源巖。受到火山活動(dòng)的影響,有機(jī)質(zhì)逐漸被消耗,隨著與巖漿巖距離減小,殘余碳含量相應(yīng)降低,但殘余碳含量還會(huì)受到無機(jī)質(zhì)(石墨)的影響[27],導(dǎo)致TOC含量變化不大(圖6)。泥頁巖的TOC含量越高,其生烴潛力便越強(qiáng)。但是與海相或者陸相泥頁巖相比,二疊系龍?zhí)督M作為海陸交互相,含煤泥頁巖中有機(jī)質(zhì)的差異性較大,表現(xiàn)出典型的富碳貧氧特征,生烴潛力較弱[28]。
隨著泥頁巖儲(chǔ)層與峨眉山玄武巖的距離逐漸縮小,泥頁巖的礦物組成也出現(xiàn)了一定的變化規(guī)律(圖6)。研究區(qū)龍?zhí)督M含煤泥頁巖礦物組成大致可以分為三類:碎屑礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物。石英和長石是碎屑礦物的主要組成,石英含量平均為23.96%,長石含量平均為12.75%。隨著埋深增加,靠近侵入巖體,石英含量逐漸升高。石英的相對(duì)富集可能是與火山活動(dòng)促使臨近泥頁巖發(fā)生硅質(zhì)流體交代作用有關(guān)[27]。龍?zhí)督M含煤泥頁巖的碳酸鹽礦物主要為方解石和鐵白云石,而方解石和鐵白云石的平均含量都不到10%,含量較低。隨著與巖漿巖的距離減小,碳酸鹽礦物的總含量有所增加,頁巖中也逐漸見到含鐵碳酸鹽膠結(jié)物(鐵白云石),其含量的增高一般出現(xiàn)在晚成巖階段,它也可能是巖漿熱作用促進(jìn)泥頁巖成巖演化進(jìn)程的結(jié)果[22]。龍?zhí)督M泥頁巖黏土礦物多為伊蒙間層、伊利石、高嶺石、綠泥石。黏土礦物總量、伊利石和綠泥石礦物的相對(duì)含量都隨著埋深與巖體逐漸靠近呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化,黏土礦物總量和綠泥石呈現(xiàn)降低趨勢,而伊利石含量逐漸增加,推測與巖漿巖距離減小、溫度升高及不同類型黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化相關(guān)。一般來說,在富K+環(huán)境中蒙脫石更易發(fā)生伊利石化,堿性環(huán)境下則更有利于綠泥石的穩(wěn)定存在。玄武巖是一種基性巖漿巖,化學(xué)成分中K+含量較侵入巖略高,而Fe2+和Mg2+相對(duì)較低,可能對(duì)其附近含煤泥頁巖儲(chǔ)層富K+流體環(huán)境的形成有一定的促進(jìn)作用,從而有利于發(fā)生蒙脫石的伊利石化。鉀長石僅存在于龍?zhí)督M上部,可能也與伊利石化的消耗有關(guān)[29]。龍?zhí)督M下部樣品中幾乎不含“親水”礦物蒙脫石,伊蒙混層含量也較少,表明越靠近玄武巖,蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化越強(qiáng),綠泥石含量逐漸減少[29]。
圖6 黔南坳陷AS-1井二疊系龍?zhí)督M含煤泥頁巖樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布
火山活動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)主要有2個(gè)方面的影響。
(1)隨著與巖漿巖的距離減小,其對(duì)圍巖的烘烤作用使得過成熟的有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分解,有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[1-2]。大量研究[1,7-11]發(fā)現(xiàn),泥頁巖儲(chǔ)層在進(jìn)入高成熟和過成熟階段會(huì)發(fā)育大量的有機(jī)質(zhì)納米孔隙,而在未成熟和低成熟階段,頁巖中干酪根不發(fā)育或較少發(fā)育納米級(jí)孔隙。研究區(qū)龍?zhí)督M含煤頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度高,熱演化程度高,已進(jìn)入大規(guī)模熱裂解生干氣階段,達(dá)到了有機(jī)質(zhì)孔隙大規(guī)模發(fā)育的演化階段。前人研究認(rèn)為[27],巖漿巖的烘烤作用使得有機(jī)質(zhì)逐漸分解,原本的納米級(jí)孔隙受到破壞,而隨著與巖漿巖距離的增加,可能導(dǎo)致泥頁巖孔隙中的流體增加,孔隙壓力增大進(jìn)而發(fā)生破裂,使泥頁巖中介孔及宏孔增多。在早期成巖階段,受火山活動(dòng)的影響,有機(jī)質(zhì)孔隙會(huì)大量發(fā)育[30]。孔徑分布特征(圖6)顯示,隨著距離巖漿巖由遠(yuǎn)及近,含煤泥頁巖儲(chǔ)層中的微孔含量顯著增加,中孔和宏孔則呈現(xiàn)降低趨勢。有機(jī)質(zhì)孔隙主要以微孔為主,而有機(jī)碳含量越高,有機(jī)質(zhì)孔隙直徑也越小。因此,本次研究的孔徑變化規(guī)律應(yīng)該是受火山活動(dòng)的增溫作用,導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)微孔的大量生成所致。
(2)受火山活動(dòng)的影響,靠近巖漿巖的含煤泥頁巖中碎屑礦物和碳酸鹽礦物含量增加,黏土含量減少,也會(huì)影響無機(jī)孔隙的發(fā)育。長石和石英作為脆性礦物的重要組成部分,與周圍的作為塑性的泥巖之間可能會(huì)存在粒間孔隙,且高石英含量將有利于頁巖后期的改造壓裂。研究區(qū)含煤泥頁巖的石英和長石含量大致相當(dāng),長石和碳酸鹽礦物在成巖階段過程中易被溶蝕,形成少量次生孔隙,會(huì)一定程度增加頁巖的孔隙空間,改善儲(chǔ)層物性特征[31]。前人研究發(fā)現(xiàn)[32],在SiO2含量較高時(shí),頁巖儲(chǔ)層以發(fā)育宏孔為主,隨著SiO2/Al2O3比值增加,孔隙類型由微孔和中孔向宏孔轉(zhuǎn)變。然而,龍?zhí)督M石英與黏土礦物的比值隨埋深呈增加趨勢,與微孔增加對(duì)應(yīng),而非中孔和宏孔的增長,這一趨勢也可以說明,龍?zhí)督M孔隙結(jié)構(gòu)的變化主要與火山活動(dòng)促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)生烴演化相關(guān)。
(1)受玄武質(zhì)火山活動(dòng)的影響,黔南坳陷龍?zhí)督M含煤泥頁巖已進(jìn)入過成熟階段,明顯高于地層正常埋深熱演化所能達(dá)到的成熟度,巖漿侵入促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的生烴演化,整體進(jìn)入干氣階段。
(2)火山活動(dòng)使頁巖礦物組成發(fā)生了變化,靠近巖漿巖的泥頁巖中石英和碳酸鹽礦物含量增加,黏土含量減少;受儲(chǔ)層流體環(huán)境和增溫作用影響,伊利石和綠泥石含量也呈現(xiàn)規(guī)律變化。
(3)龍?zhí)督M含煤泥頁巖的孔徑為0.3~450 nm,以微孔為主,孔隙形狀為細(xì)頸廣體的墨水瓶孔。頁巖孔徑分布特征顯示,距離巖漿侵入體越近,微孔占比增高,而介孔和宏孔含量下降,這可能與火山活動(dòng)促使有機(jī)質(zhì)孔隙大規(guī)模發(fā)育有關(guān)。