海陸過渡相泥頁巖可壓地質(zhì)特征研究—臨興中區(qū)石炭-二疊系泥頁巖為例

韓 冬 吳 鵬 孔 為

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中聯(lián)煤層氣股份有限公司，北京 100011）

我國頁巖氣勘探技術(shù)程度較低，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程技術(shù)不完善，嚴(yán)重制約我國頁巖氣勘探開發(fā)。特別是我國海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)及經(jīng)驗比較匱乏，鑒于目前我國90%以上的頁巖氣鉆井需要經(jīng)過儲層壓裂改造后才可能有較好的產(chǎn)量，因此評價海陸過渡相頁巖氣儲層可壓性是判斷海陸過渡相頁巖區(qū)塊勘探開發(fā)能否取得重要突破的關(guān)鍵之一[1-4]。鑒于此，本文基于鄂爾多斯東緣臨興區(qū)塊近三年頁巖氣探井資料，綜合分析巖性、孔裂隙、礦物含量及脆性指數(shù)等可壓地質(zhì)參數(shù)，探討了該區(qū)石炭-二疊系海陸過渡相頁巖層系可壓潛力，為該區(qū)海陸過渡相頁巖氣儲層壓裂改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于中國大陸中部，是一個多旋回演化、多沉積類型的大型沉積盆地。鄂爾多斯盆地構(gòu)造上隸屬華北地臺西部，現(xiàn)今構(gòu)造面貌為一南北翹起、東翼緩而長、西翼短而陡的不對稱向斜[5-6]。盆地內(nèi)劃分為六個二級構(gòu)造單元：伊盟隆起、渭北隆起、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、西緣沖斷帶、晉西撓褶帶（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃圖

臨興中氣田歸屬于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶。上古生界地層以海陸過渡相－陸相碎屑巖沉積為主，地層自下而上發(fā)育石炭系本溪組、二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組[7]。其中石炭系-二疊系山西組下段發(fā)育大套海陸過渡相泥頁巖層段，氣測顯示明顯的頁巖層段累計可達(dá)10～100 m，其中山2 段為1.7～32.6 m，太1 段為1.4～29.1 m，太2 段為5～25 m，本1 為2.2～21 m，本2 段為1～7 m，為該區(qū)海陸過渡相頁巖氣勘探提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 頁巖氣儲層特征

2.1 巖性特征

臨興中區(qū)塊海陸過渡相泥頁巖層段發(fā)育泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖、薄煤層等多種細(xì)粒巖性，進(jìn)一步細(xì)分為黏土質(zhì)泥頁巖、碎屑質(zhì)泥頁巖、含灰質(zhì)泥頁巖、碳質(zhì)泥巖四大類型。黏土質(zhì)泥頁巖整體均發(fā)育，灰色呈塊狀，層理不發(fā)育；碎屑質(zhì)泥頁巖多發(fā)育于山西組山2 段，偶見平行層理，多夾砂質(zhì)條帶；碳質(zhì)泥巖多發(fā)育太原組含煤層系，層理相對發(fā)育，局部見植物碎屑和薄煤線；灰質(zhì)泥頁巖多發(fā)育本溪組和太原組下部太2 段，其層理不發(fā)育，以塊狀-層狀結(jié)構(gòu)為主，見黃鐵礦和貝殼類化石。

2.2 孔裂隙發(fā)育特征

氬離子拋光-場發(fā)射掃描電鏡表明海陸過渡相頁巖中無機孔、有機質(zhì)均有發(fā)育，裂縫形態(tài)多樣，且多在有機質(zhì)內(nèi)部見微裂隙，呈鋸齒狀、片狀、彎曲狀、X 型、Y 型，寬度主要介于10～500 nm 之間，長度為微米級（圖2）。利用CT 掃描刻畫不同類型泥頁巖裂縫特征，結(jié)果顯示碎屑質(zhì)頁巖微裂縫裂縫最發(fā)育，裂縫寬度較寬及延伸較長，灰質(zhì)泥頁巖次之（表1）。

表1 不同泥頁巖樣品CT 掃描裂縫參數(shù)

圖2 太原組泥頁巖孔隙發(fā)育特征

3 礦物成分

頁巖的礦物成分主要組成為脆性礦物和黏土礦物，它們是影響其力學(xué)性質(zhì)、基質(zhì)孔隙和裂縫發(fā)育以及壓裂改造方式等的重要因素，因此，常將脆性礦物含量作為泥頁巖儲層可壓性評價的重要參數(shù)之一[8]。

3.1 脆性礦物

根據(jù)X-衍射全巖礦物成分分析結(jié)果，石炭-二疊系泥頁巖儲層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、鐵白去石等。通過對臨興中區(qū)182 件樣品實驗分析，山西組-太原組-本溪組泥頁巖中脆性礦物總含量為8%～91%，其中石英平均含量為34.9%，長石平均含量為4.0%，黃鐵礦平均含量為0.8%，碳酸鹽平均含量為7.3%（圖3）。

3.2 黏土礦物

黏土礦物是泥頁巖的重要組成部分，也是泥頁巖儲層壓裂改造的不利因素。黏土特征含量越高，儲層的塑性越強，越難壓裂[9]。黏土礦物主要包括蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等。

臨興中泥頁巖儲層中黏土礦物含量在3.4%～92%，其中山2 段黏土礦物平均含量為42.7%，太1 段黏土礦物平均含量為49.4%，太2段黏土礦物平均含量為37.6%，本1 段黏土礦物平均含量為50.1%，本2 段黏土礦物平均含量為59.7%。樣品中未檢出水敏性最強的蒙脫石，說明臨興中泥頁巖儲層有利于人工壓裂改造。

3.3 脆性指數(shù)

選取石英、長石、方解石作為海陸過渡相頁巖脆性主要礦物成分，利用礦物組分計算脆性指數(shù)探討頁巖可壓性。其中：脆性指數(shù)＞40%，脆性很強；20%～40%為脆性中等，10%～20%為脆性較弱，小于10%為塑性。

脆性指數(shù)（BI）計算公式：

式中：BI為巖石脆性指數(shù)（以石英+長石+碳酸鹽礦物+黃鐵礦含量計），%。

182 件樣品脆性指數(shù)結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)海陸過渡相樣品脆性指數(shù)差異較大，總體樣品的脆性系統(tǒng)介于40%～60%，其中碎屑質(zhì)泥頁巖脆性指數(shù)最大可達(dá)60%以上，脆性很強；碳質(zhì)泥頁巖、灰質(zhì)泥頁巖樣品脆性指數(shù)在20%～40%，黏土質(zhì)泥巖樣品脆性指數(shù)在0～20%。

4 可壓性探討

海陸過渡相泥頁巖層段巖性復(fù)雜，夾雜碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖、薄煤層等，氣測顯示較好的頁巖層段具有“平面累計厚度大、縱向薄層多疊置”的特征，平面資源潛力有保障，但后期縱向優(yōu)勢層段選取是勘探開發(fā)的基礎(chǔ)；可壓性方面，頁巖中具有“孔裂隙組合、脆性指數(shù)差異大”的特點，其中孔隙類型中無機孔、有機孔均有發(fā)育，但不同類型的泥頁巖孔裂隙發(fā)育有差異，呈現(xiàn)出多種孔隙類型組合的特征；利用石英、長石、碳酸鹽礦物評價泥頁巖脆性指數(shù)顯示，總體以中等脆性為主，其中碎屑質(zhì)泥頁巖脆性最高，其次為灰質(zhì)泥頁巖和碳質(zhì)泥頁巖；黏土礦物中不發(fā)育水敏性最強的蒙脫石是有利可壓的條件。綜上所述，該區(qū)海陸過渡相泥頁巖具有一定的資源潛力，且碎屑質(zhì)泥頁巖、灰質(zhì)泥頁巖、碳質(zhì)泥頁巖孔隙-裂隙發(fā)育且脆性礦物含量高，脆性較強，具有一定的可壓潛力，后期優(yōu)選上述泥頁巖層段進(jìn)行壓裂測試。

5 結(jié)論

1）海陸過渡相頁巖可分為黏土質(zhì)泥頁巖、碎屑質(zhì)泥頁巖、含灰質(zhì)泥頁巖四大類，涉及的巖性包括泥碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖、薄煤層等。

2）海陸過渡相頁巖孔裂隙發(fā)育，但類型多樣，不同泥頁巖孔裂隙連通性不同。其碎屑質(zhì)頁巖微裂縫裂縫最發(fā)育，裂縫寬度較寬及延伸較長，連通性較好；灰質(zhì)泥頁巖次之。

3）海陸過渡相頁巖脆性礦物以石英為主，平均含量為34.9%。脆性指數(shù)差異較大，樣品的脆性指數(shù)介于40%～60%，碎屑質(zhì)泥頁巖脆性指數(shù)最大可達(dá)60%以上，脆性最強。

4）海陸過渡相有利頁巖層段具有“平面累計厚度大、縱向薄層多疊置”的特征，資源有保障；碎屑質(zhì)泥頁巖、灰質(zhì)泥頁巖、碳質(zhì)泥頁巖孔隙-裂隙發(fā)育、脆性指數(shù)適中，為具有可壓潛力的優(yōu)質(zhì)頁巖層段。