页岩气作为一种自生自储的非常规天然气资源,因其资源储量丰富,分布广泛,具有广阔的勘探开发前景[1-3]。随着四川盆地长宁—威远、涪陵等地区下志留统龙马溪组海相页岩气勘探开发的成功突破[4-6],陆相页岩气获得了投资者及学者的重视[7-8]。页岩气储集空间的研究发展迅速,已经可以定性或定量分析储层纳米级孔隙和微裂缝的特征[9-10]。目前对海相页岩气储层研究较为成熟,陆相页岩气储层矿物特征及孔隙的主控因素等研究薄弱。柴北缘以往开展的页岩气地质调查及研究工作,认为中侏罗统发育多套陆相富有机质泥页岩,页岩气资源潜力较好[11-14]。近些年,鱼卡凹陷施工的柴页1井、YQ-1井、ZK11-8,ZK15-3,ZK19-3等多个钻孔证实了石门沟组上段泥页岩含气性较好,具备保存条件,资源潜力大[15-16];然而,针对鱼卡凹陷石门沟组上段泥页岩有机地球化学及储层的研究较少[17-18],且以往研究样品都集中于单个钻孔,具有一定的局限性。
本次样品点分布在鱼卡凹陷内不同区域,在沉积环境及岩相分析的基础上,利用有机地球化学测试、岩矿鉴定、扫描电镜、X衍射、液氮吸附等测试实验数据,分析鱼卡凹陷石门沟组上段富有机质泥页岩有机地球化学及储层特征,探讨其主控因素及展望页岩气资源潜力。
柴达木盆地是多期构造叠置的一个大型沉积盆地,柴北缘是柴达木盆地4个一级构造单元之一。印支运动后期结束了柴达木海侵的历史,湖泊出现,进入陆相盆地演化阶段;燕山运动早期,柴北缘内部各个凹陷的形态雏形基本呈现[19],进入早中侏罗世,广泛沉积了厚层的细粒沉积物,为本次研究的主要目标层。
鱼卡凹陷属于柴达木盆地北缘的二级构造单元,位于柴达木盆地北缘中部,呈北西向展布,暗色富有机质泥页岩分布面积约430 km2(图1)。鱼卡凹陷基底为元古界和奥陶系,中生界仅发育侏罗系和白垩系,受构造演化和古地理环境气候的控制,中侏罗统石门沟组为深灰色—灰黑色含煤及碎屑沉积,植物化石丰富,为一套中等—好的烃源岩。石门沟组上段泥页岩埋深整体小于2 000 m,平均厚度达到55 m。页岩气参数井——柴页1井石门沟组上段页岩气含气量现场解吸为0.13~3.23 m3/t,YQ-1井解吸含气量为0.13~0.4 m3/t,平均为0.26 m3/t;都显示出石门沟组上段泥页岩较好的含气性。上侏罗统采石岭组和红水沟组为杂色和棕红色泥质岩、碎屑岩沉积,含较多的轮藻化石和叶肢介、介形虫。
本次在鱼卡凹陷石门沟组上段共采集14件暗色泥页岩样品,严格按照页岩气采样规范执行[20]。其中钻孔样品9件,样品新鲜;探槽样品5件,采样深度1.5~2.0 m,样品质量都大于1 kg。样品岩性以黑色油页岩、泥页岩、炭质泥岩为主。采样位置及深度如图1,2所示。样品及时送至江苏地质矿产设计研究院徐州检测中心进行测试分析,利用EA2000型碳硫仪、OGE-VI岩石热解分析仪、分别获得了TOC含量,Ro,IH及Tmax 数据;利用 Panalytical X’Pert PRO MPD 型X 衍射仪对7件样品进行矿物含量分析,获得了全岩及黏土矿物含量数据;利用TESCAN-VEGA\LMU型扫描电子显微镜对7件样品获得了微孔隙照片;利用全自动比表面与孔隙度分析仪APSP2460对7件样品进行物性分析,获得了孔隙度和比表面积数据。
图1 鱼卡凹陷石门沟组上段沉积相图及泥岩厚度、TOC含量,Ro等值线(附采样点)
Fig.1 Sedimentary facies of upper member of Shimengou formation of Yuka sag and shale thickness contours,isograms of TOC content,Ro (with sampling location)
图2 ZK7-9钻孔岩相柱状图及采样层位
Fig.2 Lithofacies histogram and sampling horizon of ZK7-9 well
本次采集的泥页岩样品TOC含量在1.34%~12.84%,平均值为5.31%;多数样品TOC含量在2%~6%(表1)。凹陷中部TOC含量较高,总体大于6.0%,向东西两侧逐渐降低(图1)。鱼卡凹陷石门沟组上段TOC含量达到了好烃源岩级别,具有良好的生烃物质基础。
干酪根元素H/C比值为0.55~1.28,平均值为1.1;O/C比值为0.09~0.27,平均值为0.16。在范式图解中落入Ⅱ2型区域,表明原始有机质组分主要源于高等乔木和灌木,富氧、富碳而缺乏氢质多环芳香烃结构组分,如图3所示。
泥页岩镜质体反射率Ro值为0.45%~1.00%,处于未成熟—成熟度阶段。由于凹陷内石门沟组上段泥页岩西部埋深总体大于东部,凹陷东部整体处于低成熟阶段,中西部泥页岩进入成熟热演化阶段(图1)。
表1 鱼卡凹陷泥页岩有机地球化学参数
Table 1 Organic geochemical parameters of shale in Yuka sag
样品号岩性采样位置TOC含量/%镜质组反射率Ro/%有机质组分H/C比值O/C比组资料来源TCY-1油页岩探槽样1.34—1.040.26TCY-3油页岩探槽样2.11—0.900.25PY-1油页岩探槽样7.79—1.220.18PY-4油页岩探槽样3.24—0.990.24GY-1油页岩探槽样12.841.000.550.27YY-1泥岩钻孔4.26—1.090.12YY-2泥岩钻孔3.58—1.110.12本文YY-4泥岩钻孔4.53—1.150.10EY-8页岩钻孔5.330.471.230.10EY-9页岩钻孔5.99———EY-10页岩钻孔5.46—1.280.10EY-11页岩钻孔5.87—1.250.10EY-12页岩钻孔5.500.451.250.09EY-13页岩钻孔6.520.491.240.09
图3 泥页岩有机质类型
Fig.3 Shale organic matter type
通过野外地质调查,根据泥页岩的岩性、结构和沉积等特征,划分出4种岩相类型,即油页岩、黑色页岩、黑色泥岩、灰黑色粉砂质泥岩。① 油页岩:页理发育,风化后呈灰褐色、纸片状,分布范围广,结构稳定,厚层状为主,主要沉积于半深湖-深湖。② 黑色页岩:发育水平层理,含黄铁矿结核,可见植物茎干化石。常与油页岩互层出现,分布较广、结构较稳定、厚度大,主要沉积于半深湖—深湖。③ 黑色泥岩:发育水平层理和缓波状层理,含大量植物化石。分布广泛,厚度较大,常与粉砂质泥岩互层。主要发育在三角洲前缘和滨浅湖环境。④ 灰黑色粉砂质泥岩:单一厚层状产出,主要发育在三角洲前缘和滨浅湖环境。
对石门沟组上段7个泥页岩样品开展了X衍射全岩及黏土矿物分析(图4)。黏土矿物含量为34%~58%,平均为46.1%,以高岭石和伊蒙混层为主,其次为伊利石和绿泥石,不含蒙脱石;石英含量42%~55%,平均为48.3%;碳酸盐矿物含量在0~5%,平均为2.3%。矿物组分表现为两低一高,即高硅质矿物含量、高黏土矿物含量、低碳酸盐矿物含量(图4);碳酸盐矿物含量较低可能与陆相沉积环境和当时的沉积水介质环境有关。
图4 石门沟组上段泥页岩储层矿物成分条形图和三角图
Fig.4 Bar chart and triangle chart of mineral composition of shale in upper member of Shimengou formation
4.3.1 孔隙度和渗透率
泥页岩的孔隙度和渗透率性能差异是控制页岩气能否高产的重要参数之一[21]。美国主要产气页岩孔隙度为2.0%~14.0%[22-24],渗透率多小于1×10-16 m2,平均喉道半径接近0.005 μm。康志宏等[14]2015年在鱼卡凹陷ZK11-3钻孔中测得石门沟组上段泥页岩孔隙度为0.2%~1.8%,平均1.06%,渗透率为0.001×10-15~0.04×10-15 m2,属于典型的低孔低渗特征。
4.3.2 泥页岩吸附性及孔隙结构
根据HOU等[25]对鱼卡凹陷YQ-1井石门沟组上段泥页岩甲烷等温吸附测试结果,泥页岩Langmuir体积为1.99~8.46 cm3/g,平均值为4.73 cm3/g。研究区泥页岩甲烷吸附能力较好,主要是由于较高的黏土矿物含量。泥页岩甲烷吸附能力受多种因素的影响,如有机质含量、成熟度、有机质类型、黏土矿物含量及孔隙结构[26]。有机质具有亲气的属性和发育微孔,页岩气的吸附量随TOC含量的增加而增加;黏土矿物对甲烷具有一定的吸附能力是因为发育了大量的孔隙。因此,孔隙结构才是影响泥页岩吸附气含量的直接因素。
泥页岩样品低温氮吸附实验均有吸附回线产生,表明页岩孔隙的开放程度较高。根据孔隙结构及能否产生吸附回线可将其大致分为3类:第Ⅰ类为开放性透气孔,包括两端开口管状孔及四边开放的板状狭缝孔等;第Ⅱ类为一端封闭的不透气性孔,包括一端封闭的管状孔、板状狭缝孔、楔形孔等;第Ⅲ类孔较为特殊,虽一端封闭,但仍能产生吸附回线,且脱附分支急剧下降,以细颈瓶或墨水瓶状孔为代表[27-29]。第Ⅰ类和第Ⅲ类孔能产生吸附回线,第Ⅱ类孔不能产生吸附回线。
本次样品吸附回线根据其形态可划分为两类:第1类(图5(a)~(d)):在p/p0<0.4时,吸附曲线与脱附曲线基本完全重合,反映在较小孔隙内,多是一端封闭不透气的Ⅱ类孔;p/p0>0.4时,脱附曲线和吸附曲线未能重合,脱附曲线p/p0在0.5附近发生陡降,吸附曲线则缓慢上升,并在p/p0接近1时出现陡升,表明较大孔隙范围内不存在大量墨水瓶孔,孔隙以四边开放的板状狭缝孔为主。第2类(图5(e)~(g)):与第1类的区别为p/p0>0.4时,脱附曲线未出现陡降,表明在较大孔径范围内,孔隙以开放性倾斜板狭缝孔为主。
图5 泥页岩样品氮气吸-脱附实验曲线
Fig.5 Experimental curve of nitrogen adsorption-desorption in shale samples
两类曲线形态在高压力范围内(0.8<p/p0<1),吸附曲线急剧上升,呈向上凹的形状,直到饱和蒸汽压时也未出现吸附饱和现象,这是氮气在泥页岩表面发生毛细凝聚的结果,表明泥页岩中存在一定量的宏孔。总体看来,鱼卡凹陷石门沟组上段泥页岩以开放性的Ⅰ类孔为主,该类孔隙结构有利于页岩气的运移。
4.3.3 孔隙比表面积、体积与孔径分布
本次样品BET比表面积在4.939~22.347 m2/g,平均为16.55 m2/g;BJH总孔体积在33.5~61.4 μL/g,平均为51.40 μL/g;平均孔径为10.761~27.710 nm,平均为14.128 nm(表2)。页岩孔隙结构参数变化范围比较宽泛,表明页岩孔隙结构复杂,非均质性较强。
表2 鱼卡凹陷石门沟组上段页岩孔隙结构参数
Table 2 Pore structure parameters of shale from the upper member of Shimengou formation in Yuka sag
层位样品编号BET比表面积/(m2·g-1)BJH总孔体积/(μL·g-1)平均孔径/nm资料来源GY-116.59561.3514.788PY-44.93933.4727.710TCY-121.14557.0010.784石门沟组上段(J2s2)EY-922.34760.1210.761本文EY-1120.21860.7512.019YY-217.04746.7210.964YY-413.57640.2911.8719个样品4.343~18.329/12.32719.086~38.307/30.2936.83~13.08/8.55邵龙义等[18]
样品中孔径分布如图6所示,纵坐标为dV/dlg D,表示孔体积对孔直径对数值的微分,反映纳米级孔隙的孔径分布峰值情况。根据泥页岩孔径分布形态分为两种类型。
图6 单峰型和双峰型孔径曲线分布
Fig.6 Single peak aperture curves and bimodal aperture curves distribution
(1)孔径分布呈单峰(6(a)),分布曲线仅存在1个主峰,峰值范围为160.08~230.43 nm,孔径主要集中在3.41~4.90 nm,由于存在一定量的介孔、宏孔,造成孔径分布曲线拖尾现象。
(2)孔径分布呈双峰(6(b)),分布曲线上存在一个主峰和一个次缝,主峰孔径集中在3.41~4.89 nm,次缝孔径在6.52~45.93 nm,也存在拖尾现象。
研究发现,样品孔径分布曲线与吸附回线具有较高的一致性,第1类回线与单峰曲线相对应,第2类吸附回线与双峰型曲线相对应。由此可见,孔径分布与孔隙结构具有较高的相关性。
根据IUPAC对泥页岩孔隙的分类方案[30],将页岩纳米级孔隙划分为微孔(<2 nm)、介孔(2~50 nm)和宏孔(>50 nm)。依据本次实验结果,石门沟组上段泥页岩微孔、介孔和宏孔分别占总孔体积的2.85%,80.98%和16.17%;占比表面积23.44%,73.65%和2.92%。微孔虽然体积占比较小,但比表面积较大,说明微孔较发育;介孔为页岩气吸附和存储的主要场所。图7表明,研究区页岩比表面积和孔隙体积呈明显的正相关关系,平均孔径与比表面积和总孔体积均呈负相关关系。与鄂尔多斯盆地延长组陆相页岩研究结果相似[31-32],这种相关性说明介孔对陆相页岩气的储存贡献最大。然而,南方海相页岩中这种相关性与陆相页岩存在一定的差异[33],主要与孔隙类型和孔隙结构有关。海相页岩中的纳米级孔隙主要来源于大量有机质孔,而有机质孔大多以微孔为主,因此具有较高的比表面积和较低的储存空间,页岩气以吸附气为主。陆相页岩孔隙既包含一定的干酪根纳米孔,也含有较多的与矿物组分有关的,孔径相对较大的孔隙(图8)。介孔既能提供大量的孔隙空间,也可以贡献较多的比表面积,因此,发育较多介孔的陆相页岩储集吸附气和游离气的能力均较强。
图7 BET比表面积、BJH总孔体积、平均孔径的关系
Fig.7 Correlation between specific surface area of BET,total volume of BJH,average pore diameter of BJH
图8 泥页岩无机孔赋存形态与特征
Fig.8 Morphological characteristics of inorganic pores in shale
鱼卡凹陷中侏罗统石门沟组上段富有机质页岩的孔隙发育特征,储集空间类型多样,包括有机孔、无机孔和裂缝(表3)。
4.4.1 无机孔
无机孔包括粒间孔、粒内孔和溶蚀孔。溶蚀孔主要发育在石英、黏土矿物中(图8(a));粒间孔通常发育于矿物颗粒接触处,发育在黏土矿物与石英颗粒之间或片状、丝状黏土矿物中;矿物内部发育有晶间孔(图8(b))。粒内孔发育于颗粒内部,黏土矿物层中的粒内孔最为发育,其中以伊蒙混层为主,黏土矿物中伊蒙混层层间孔发育(图8(c));叠层状的高岭石层间孔缝发育(图8(d))。无机孔特点是发育集中,胶结复杂,分选差,形态多样,以多边形和拉长的长条形状为主。
4.4.2 有机质孔
泥页岩中有机质孔隙普遍存在,孔隙大小从几纳米到几百纳米不等,孔隙之间的连通性极好,有机质孔隙大多数呈圆形、椭圆形,分散状(图9(b),(c));部分样品中有机质微裂缝发育(图9(a),(d))。相较于无机孔中的溶蚀孔来说,发育于有机质孔隙中的溶蚀孔较多。
表3 鱼卡凹陷石门沟组上段富有机质泥页岩孔隙分类
Table 3 Pore classification of organic-rich shale in the upper member of Shimengou formation in Yuka sag
孔隙类型孔径分布特征粒间孔Nm~μm颗粒之间的孔隙,多发育于黏土矿物间无机孔粒内孔nm沉积原生孔隙或受溶蚀作用等改造溶蚀孔Nm~μm矿物成岩或后期受溶蚀而形成的孔隙有机孔有机质孔nm有机质生烃形成于有机质内部的孔隙微裂缝μm~mm黏土矿物、有机质受成岩构造等应力作用形成的孔裂隙裂缝层间页理缝μm~mm页岩在沉积时形成的平行层理构造裂缝Mm~cm受构造作用而形成的裂缝
图9 页岩有机孔及微裂缝赋存形态与特征
Fig.9 Morphological characteristics of organic pores and microfracture in shale
4.4.3 裂缝
裂缝包括微裂缝、层间页理缝和构造裂缝。微裂缝在页岩气体的渗流中具有重要作用,是连接微观孔隙与宏观裂缝的桥梁,其一般为微米级。有机质颗粒和黏土矿物都可发育微裂缝,发育于有机质内部的微裂缝一般比较平直,裂隙较小,延伸不长(图8(e),图9(a),(d));黏土矿物内的微裂缝发育宽度大,延伸长,矿物间微裂缝形态较多样(图8(e),(f),图9(d))。存在微裂缝的区域,岩石脆性指数较高,易形成微裂缝网格,为油气渗流的主要通道。
层间页理缝指具剥离线理的平行层理纹层面间的孔缝,一般发育在强水动力条件下形成薄层页岩中,页岩间页理为力学性质薄弱的界面,极易剥离[34]。鱼卡凹陷石门沟组上段页岩中发育大量顺层的页理缝,缝宽小于0.3 mm,为页岩气富集提供了良好的储集空间(图8(d))。
构造裂缝是由于局部构造作用而形成的裂缝,按发育规模可分为巨型裂缝、大型裂缝、中型裂缝、小型裂缝和微裂缝[35]。李浩涵等[36]通过对柴页1井泥页岩储层研究,发现泥页岩储层构造裂缝以中小型和微裂缝为主,缝宽1~5 mm,高角度缝长度可达5~15 cm,断面可见相对滑动造成的镜面构造。
进入中侏罗世石门沟组,随着柴北缘西段冷湖、俄博梁地区持续抬升,鱼卡凹陷湖水深度迅速加深,湖侵面达到最大[11]。古气候逐渐温暖湿润,广泛发育的湖泊相沉积,半深湖—深湖沉积环境为泥页岩沉积提供了稳定的沉积条件[37],从而形成了鱼卡凹陷内较大范围的油页岩、页岩、泥岩。泥页岩厚度为10~170 m,平均55 m,大部分在50 m以上;其中北部地区泥页岩较厚,部分地区泥页岩达到60 m以上,最大厚度达到170 m;西部与东部地区泥岩页相对较薄,厚度小于45 m(图1)。
从鱼卡凹陷ZK11-3钻孔石门沟组上段泥页岩样品测试数据分析可知[14],脆性矿物含量与孔隙度的发育成正相关,脆性矿物含量越高,孔隙度相对越高(图10)。虽然黏土矿物含量与孔隙度呈反相关,黏土矿物含量越高,泥页岩的孔隙度越低,但黏土矿物往往比表面积较大,吸附能力较强,有利于页岩气以吸附态的储存、聚集。因此,鱼卡凹陷石门沟组上段泥页岩中相对高脆性矿物、高黏土矿物特点,有利于页岩气以游离态或吸附态的形式聚集。
图10 孔隙度和脆性矿物、黏土矿物的相关关系[14]
Fig.10 Correlation between porosity and brittle minerals and clay minerals[14]
样品中黏土矿物含量与不同类型孔的孔体积相关性表明(图11),石门沟组上段泥页岩中黏土矿物含量与介孔和总孔体积均呈良好的正相关性,与微孔体积无明显的相关性。由此可知,黏土矿物含量对介孔的发育影响较大,但对宏孔的发育影响很小;由于液氮吸附实验测试的孔径都大于1 nm,扫描电镜中反映出有机质孔较为发育,所以黏土矿物含量对微孔的影响需要进一步研究。由于介孔是孔体积的主要提供者,所以黏土矿物对总孔体积也有较大的影响。同时,石英含量较高会增强岩石的刚度,从而抵消压实作用对于黏土矿物孔隙减少的影响,致使更多的黏土矿物孔隙得以保留。研究区泥页岩热演化程度较低,TOC含量与孔体积的相关关系明显比黏土矿物的低,说明有机质孔发育较少,与矿物组分有关的介孔为页岩气的主要储集空间。
图11 泥页岩黏土矿物含量与孔隙体积的关系
Fig.11 Relationship between clay mineral content and pore volume of shale
有机质孔隙是泥页岩储集空间的重要组成部分,干酪根生烃后在其内部形成有机质孔隙,在高氧化阶段残留沥青裂解也能产生有机质孔[38]。TOC含量及有机质成熟度对有机质孔隙空间有一定的影响[39-40]。LOUCKS等[41]认为,在Ro<0.6%时,干酪根中纳米孔隙基本不发育,只有在高成熟阶段干酪根才会有大量纳米孔隙形成;CURTIS等[42]认为在Ro<0.9%的干酪根中很少有纳米孔隙形成,在Ro>1.23%时,干酪根才会发育大量的纳米孔隙。石门沟组泥页岩样品Ro在0.45%~1.0%,在较低的成熟度制约下,泥页岩中有机质热演化产生的纳米级孔隙不发育。
图12 泥页岩TOC含量与孔隙体积的关系
Fig.12 Relationship between TOC content and pore volume of shale
石门沟组上段泥页岩TOC含量与孔体积关系表明,TOC含量与介孔、总孔体积具有弱正相关性,与微孔体积相关性不大(图12)。干酪根密度较小,其体积分数约是质量分数的两倍,当TOC含量较高时,丰富的有机质占据了一定的空间,一方面会使能够提供孔隙的组分含量相对减少,另一方面也可能会充填部分已有孔隙,造成对孔隙发育的不利影响[18];当TOC含量过低时,极少的有机质显然很难对孔隙的发育构成影响。ROSS 等[26]在对加拿大西部盆地泥页岩储层研究时发现,高成熟的泥盆系—密西西比系泥页岩(Ro在1.6%~2.5%)孔体积与TOC含量有较好的正相关性;同盆地低成熟度的侏罗系泥页岩(Ro在0.8%~1.3%)则没有相关性,认为可能与侏罗系泥页岩有机质孔隙不发育有关。以往研究表明[42-43]当Ro值整体大于1%时,TOC含量与孔隙的发育呈正相关;Ro值为1%附近时,TOC含量与孔隙的发育无明显关系;有机质在热演化生烃过程中,随着成熟度的升高,有机质孔隙数量增多,比表面积和孔体积增大[39]。
(1)鱼卡凹陷石门沟组上段是一套以半深湖—深湖相沉积为主的优质烃源岩,富含动、植物化石及菱铁矿结核,富有机质泥页岩厚度大、分布连续,TOC含量为1.34%~12.84%,均值为5.3%;有机质母源类型主要为Ⅱ2型;有机质热演化程度整体处于低成熟—成熟阶段,Ro范围为0.45%~1.0%;处于低成熟—成熟阶段,烃源岩品质较好。
(2)鱼卡地区中侏罗统泥页岩矿物组成以石英和黏土矿物为主,低孔低渗。微孔隙发育,主要包括粒间孔、溶蚀孔、粒内孔等孔隙类型。介孔和总孔体积与黏土矿物含量呈正相关,与微孔体积无明显的相关性;由于成熟度较低,有机质纳米孔隙不发育,TOC含量与介孔、总孔体积具有弱正相关性,与微孔体积相关性不大;孔隙结构及孔径分布与沉积环境有关。黏土矿物是泥页岩中纳米级孔隙的主要提供者,是孔隙发育的主要控制因素,TOC含量与沉积环境也会影响泥页岩孔隙发育的程度。
(3)石门沟组上段泥页岩孔径分布曲线可分为单峰型和双峰型,前者孔径主要分布在3.41~4.90 nm,呈单峰状,与第1类吸附回线对应;后者孔径主要分布在3.41~4.89 nm和6.52~45.93 nm,呈双峰状,与第2类吸附回线对应,孔径分布与孔隙结构具有较高的相关性;微孔和介孔作为主要的储存空间。
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