四川盆地西南雷波地区五峰组-龙马溪组页岩储层特征

2013-08-01 10:52白志强刘树根王世玉
关键词:雷波龙马黏土

白志强,刘树根,孙 玮,冉 波,罗 超,杨 迪,王世玉,张 旋

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都610059;2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,西安710075;3.中国石油西南油气田分公司 勘探开发研究院,成都610041)

页岩气是一种分布范围广、丰度低、易发现、难开采的典型自生自储非常规连续型油气资源[1-3],主要以吸附气、游离气的形式保存在页岩中,其开发相比常规油气具有开采寿命和生产周期长的优势[4]。四川盆地西南部(简称川西南地区)的上奥陶统-下志留统五峰组-龙马溪组下段黑色页岩段有机质丰富,埋藏深度适中,有机质演化程度高,是四川盆地乃至整个上扬子地区页岩气勘探的重要层位之一[5,6]。本文通过对盆地西南缘的雷波剖面五峰组-龙马溪组页岩储层特征的详细研究,为页岩气的勘探开发提供依据。

1 地质背景

四川盆地西南雷波地区位于扬子地块的西南缘(图1)。从晚奥陶世五峰期到早志留世龙马溪早期再到龙马溪晚期,雷波地区先后经历了海退—海进—海退的沉积过程。五峰期沉积半封闭深水环境的黑色页岩、碳质页岩、硅质页岩以及浅水环境的灰色粉砂质页岩、钙质页岩;龙马溪早期沉积了黑色泥/页岩、碳质泥/页岩;龙马溪晚期沉积了灰、灰绿色泥/页岩、粉砂质泥/页岩。五峰组较龙马溪组颜色深,粉砂质含量较龙马溪组少,碎屑颗粒较龙马溪组细:这说明五峰期较龙马溪期水体深。研究区五峰组-龙马溪组总厚度为284.1m。本文主要研究五峰组—龙马溪组下段110m厚的地层。雷波剖面位于长宁-威远国家级页岩气示范区周缘,地层出露完整且稳定,其页岩气储层特征的研究,对于长宁-威远周缘页岩气的勘探开发可提供参考。

图1 川西南地区区域地质图及雷波剖面综合柱状图Fig.1 Reginal geological map and the composite columnar section of Leibo in Sichuan Basin(据中华人民共和国区域地质调查报告·雷波幅,1972)

2 岩相特征

野外五峰组底部与临湘组界线清晰(图2-A),岩性变化较大。五峰组-龙马溪组由多种岩相组成,主要为黏土—粉砂级细粒沉积。五峰组底部、龙马溪组下段底部较二者顶部颜色要深,表明五峰组、龙马溪组早期沉积水体为强还原环境,五峰组、龙马溪组晚期为相对的浅水沉积。根据矿物成分、结构、碎屑和生物特征的不同,可将五峰组-龙马溪组下段分为6种主要岩相。

a.黑色(富有机质)泥/页岩(图3-A)。主要分布于五峰组底部、龙马溪组下段,由泥质、有机质、硅质陆源碎屑及生物成因硅质构成,且硅质含量较高,泥质、有机质含量次之,有机质质量分数一般在5%~10%。硅质碎屑呈不明显的纹层状分布,生物成因硅主要为硅质放射虫,并且放射虫边缘萤石化(图3-A),有不连续的收缩缝被硅质充填,野外可见大量笔石化石(图2-B)。镜下单偏光颜色较黑,有机质含量高,表明一种远离陆源地区、水体较深且安静的强还原沉积环境,陆源碎屑硅质有可能是经过海水悬移搬运而来。

b.粉砂质泥/页岩(图3-B)。主要分布于龙马溪组下段,由泥质、有机质和陆源粉砂(石英、云母和重晶石)构成,常表现为纹层状构造,粉砂质纹层夹于泥岩中。泥质的质量分数为50%~60%。泥页岩中含有机质及黄铁矿,共占10%~15%。粉砂颗粒所占的面积分数为40%~35%,粉砂质颗粒主要有石英、白云石、云母等,有机质含量相对较高。

c.泥质粉砂岩(图3-C)。主要发育于龙马溪组下段中部及五峰组顶部,主要由硅质、泥质组成,水平层理发育,泥质粉砂岩与粉砂质泥岩互层(图2-D)。其中在暗色泥岩中可见黄铁矿和有机质,非层状粉砂颗粒主要为石英,条带中脆性矿物分散分布。该岩相中少见放射虫,偶见白云石,可见萤石等热液矿物。

d.钙化含放射虫微晶灰岩结核(图3-D)。分布于五峰组的顶部,沿层理方向发育(图2-C),类似石香肠构造。其中生物含量高,由10%~20%(面积分数)的放射虫等生物和70%~80%(面积分数)方解石及少量泥质、陆源碎屑组成;还含有骨针化石,原岩的硅质骨针和放射虫被钙化成石灰岩,部分钙化方解石内部还残留硅质包体,有少量粉砂级陆源石英分布。

图2 雷波剖面五峰组—龙马溪组剖面野外照片Fig.2 The outcrop characteristics of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in the Leibo section

图3 雷波剖面五峰组—龙马溪组下段显微镜下特征Fig.3 Lithologic characteristics of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in the Leibo section under the microscope

e.白云质泥/页岩(图3-E)。主要分布于龙马溪组上段,由泥质、白云石、方解石、石英等组成,可见纹层状构造,云母定向排列,少量的白云石以及方解石交代白云石,白云石为自形晶,顺纹层的硅质细脉发育,见有萤石小斑块。

f.钙质泥/页岩(图3-F)。主要分布于龙马溪组上段,从下向上钙质含量增加,主要由泥质、方解石、白云石、云母等组成,有机质含量较少,方解石交代白云石自形晶及碎屑颗粒(去白云石化作用),方解石含量较高。

五峰组-龙马溪组剖面厚度110m的地层主要发育黑色页岩,其次为钙质、白云质泥页岩,再次为粉砂质泥页岩。泥质粉砂岩和钙化含放射虫微晶灰岩结核较少发育,仅在五峰组中部、顶部可见。

3 地球化学特征

通过对雷波地区五峰组-龙马溪组4个样品干酪根显微组分构成特征分析(表1),并据曾庆英(1984)分类标准,确定五峰组-龙马溪组下段页岩有机质类型主要为Ⅰ型和Ⅱ1型。这与该区深水环境沉积,有机质母源以低等水生生物为主相一致。五峰组底部、龙马溪组底部地层中见有多种笔石化石,笔石的硬壳体为有机质母源提供了来源(涂建琪,1998)。

通过60个样品测试,显示该剖面下部110m地层有机质含量较高,TOC的质量分数(wTOC)在0.33%~9.37%之间,平均值为2.53%。其中有2个样品的wTOC值<0.5%,出现在五峰组顶部钙质结核中;37个样品wTOC>2%,这些样品主要分布于五峰组及龙马溪组的下段;五峰组下段wTOC值最大,龙马溪组下段泥页岩次之,五峰组上段钙质结核、龙马溪组上段泥页岩段wTOC值较小(图4)。五峰组-龙马溪组下段wTOC>2%的地层厚度约为60m。可见,五峰组黑色页岩段与龙马溪组黑色页岩段有机质丰度高,为页岩气的生成提供了物质基础。

表1 样品有机质类型测试数据Table 1 Analysis data on the organic matter type

通过对雷波地区五峰组-龙马溪组13个样品的测试,Ro值主要集中在1.94%~2.34%,平均值为2.16%,其中有11个样品Ro>2%。可见该段地层有机质演化处于高成熟晚期-过成熟阶段,即天然气大量生成阶段,说明五峰组-龙马溪组黑色泥页岩有利于页岩气的生成。

4 矿物组成特征

岩石的矿物组成、有机碳含量和有机质的成熟度是页岩储层发育的3个最重要的因素[7-9]。在对雷波地区五峰组-龙马溪组下段21个样品进行全岩X射线粉晶衍射分析后表明,黏土的质量分数平均值为27.2%,石英+长石+黄铁矿+磷酸盐的平均质量分数为46.4%,碳酸盐矿物的平均质量分数为26.4%,石英含量由剖面底至顶逐渐增加,黏土、碳酸盐则降低,并呈现出明显的两段(图4)。五峰组-龙马溪组剖面泥页岩矿物成分统计投点表明(图5),五峰组下段、龙马溪组下段wTOC>2%的层段以黏土、石英居多,五峰组顶部结核投点主要为碳酸盐岩,五峰组顶部、龙马溪组上段wTOC<2%的地层以黏土及碳酸盐含量占优势,表明沉积水体环境变浅。

图4 雷波剖面五峰组—龙马溪组下段矿物组成及TOC对比图Fig.4 The contrast of mineral compositions and TOC in the Leibo section

图5 雷波剖面五峰组—龙马溪组下段泥页岩矿物组分三角图Fig.5 Temary diagram of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation mineral compositions in the Leibo section

通过薄片、扫描电镜观察发现泥页岩中的石英主要有2种来源:陆源碎屑和生物成因。陆源碎屑石英多具有悬移沉积特征,成棱角状或次棱角状,磨圆程度差,分选好(图3);生物成因石英为硅质生物,如硅质放射虫(图3-A)等。二者呈纹层状或分散状分布,颗粒大小一般为0.05~0.01mm。除陆源、生物成因石英外,还偶见自生石英,粒径约为0.005mm。长石主要为钾长石和钠长石,两者含量相当,质量分数为2%~9%。碳酸盐由方解石和白云石组成,白云石化作用、去白云石化作用发育。黏土矿物主要以伊蒙混层形式存在。五峰组-龙马溪组下段石英、碳酸盐含量高(图4),有利于页岩气开采过程中的压裂形成裂缝;另外,方解石的存在也有利于溶蚀孔的形成。

5 孔隙特征

5.1 孔隙的类型

据Loucks等2009年提出的页岩孔隙分类方法[10],五峰组-龙马溪组发育孔隙有4类:(1)粒内孔,主要形成在矿物颗粒内部;(2)有机质孔,主要形成在有机质内部;(3)粒间孔,主要形成于颗粒或晶体之间;(4)微裂隙,发育范围广泛,多数穿过颗粒或粒间。

图6 雷波剖面五峰—龙马溪组的粒内孔隙Fig.6 Intragranular pores of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in the Leibo section

a.粒内孔(图6)。粒内孔隙主要是在成岩作用后期形成的次生孔隙,多为碳酸盐和长石的溶蚀孔,部分为重矿物。通过对样品的镜下观察,主要的粒内孔有:方解石粒内溶孔、长石粒内溶孔、白云石粒内溶孔、石英粒内溶孔以及黏土矿物的粒内孔,少见重晶石粒内孔,孔隙直径10~1 000nm。此孔隙类型也为雷波地区页岩储层发育的主要孔隙类型之一。

b.有机质孔(图7)。通过对雷波剖面样品的观察,有机质孔隙主要分为2类:有机质团块内的有机质孔隙(图7-A)和分布在黏土矿物内的有机质孔隙(图7-B)。

团块内的有机质孔可能为黑色页岩内残留的沥青内的孔隙,呈蜂窝状分布;与黏土矿物结合的有机质孔多数为颗粒间的杂基内的孔隙,同时可见杂基呈颗粒状分布。孔隙的直径5~100nm。

c.粒间孔(图8)。粒间孔隙主要为残余的原生孔隙和次生孔隙。通过镜下观察,该剖面发育的孔隙有石英颗粒间的原生孔隙(图8-A)、片状黏土矿物间的孔隙(图8-B)、黄铁矿被溶蚀后形成的铸模孔隙(图8-C)、方解石粒间孔隙(图8-D)、黄铁矿颗粒的粒间孔隙(图8-F)以及黏土与其他矿物组成的粒间孔隙(图8-E),孔隙直径5~1 000nm。该类孔隙也是雷波地区页岩储层的主要发育孔隙之一。

图7 雷波剖面五峰—龙马溪组的有机质孔隙Fig.7 Organic matter pores of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in the Leibo section

图8 雷波剖面五峰—龙马溪组的粒间孔隙Fig.8 Intergranular pores of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in the Leibo section

d.微裂缝(图9)。有机碳含量和矿物组成是控制裂缝发育的主要因素[11]。五峰组-龙马溪组下段底部有机质含量高,脆性矿物含量高,有利于裂缝的发育。通过野外观察,该剖面裂缝发育,但多数裂缝被方解石充填。扫描电镜下观察,有的裂缝穿过颗粒及杂基(图9-A),这种裂缝可以较好地沟通各种孔隙,同时也可成为天然气运移的通道,可能为构造应力所致;有的只发育在颗粒内部及杂基内(图9-B,C,D),相对来讲其连通效果较差,但对于页岩气来说可以成为聚集的场所,此类裂缝多为黏土矿物脱水收缩形成的裂缝及矿物颗粒受外力作用形成的裂缝[12]。裂缝的宽度为10nm~1mm,不同类型的裂缝宽度不一。

5.2 孔隙比表面积

将吸附相对压力为0.99时的吸附量作为孔体积,根据BET模型,对12个样品进行了比表面积计算(表2),雷波剖面五峰组-龙马溪组页岩比表面积为 7.389~24.476m2/g,平均值为14.720m2/g。比表面积在纵向上的变化如图10所示,五峰组比表面积由下向上逐渐变小;龙马溪组比表面积在底部较大,到剖面20~30m时比表面积达到最大,后又逐渐减小。五峰组底部有机质含量高,有机质孔隙发育,极大地增加了页岩储层的比表面积;龙马溪组同样在20~30m段有机质含量相对较高,比表面积大,但小于五峰组底部。

对比陈尚斌对于长宁-兴文地区龙马溪组页岩比表面积(14.16~24.24m2/g,平均值为18.29 m2/g)[13],雷波地区页岩储层比表面积平均值略差于长宁-兴文地区,但也有部分层段好于长宁-兴文地区。

6 讨论

6.1 TOC与矿物组分之间的关系

通过对雷波剖面矿物组成与TOC的分析(不包含结核)发现,TOC与石英含量呈明显的正相关关系,相关系数为0.768;与黏土和碳酸盐呈负相关关系,相关系数分别为0.366和0.238(图11)。TOC与石英含量相关性相对好于与黏土矿物含量间的关系,可能是因为有利于海相优质页岩形成的台盆、台内凹陷及潟湖稳定沉积环境不利于大量陆源碎屑黏土随水体搬运沉积[14]。而这与雷波地区由海退—海进—海退的沉积环境相一致。

6.2 比表面积的控制因素

图9 雷波剖面五峰-龙马溪组的微裂缝Fig.9 Microfractures of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in the Leibo section

表2 雷波剖面比表面积值Table 2 The specific surface area data of the Leibo section

图10 雷波剖面比表面积纵向变化趋势图Fig.10 The longitudinal change trend chart of the specific surface area in the Leibo section

对比表面积的贡献较大的是<10nm的孔隙,而对于比表面积控制因素的研究也就涉及到了孔隙特征的控制因素。Loucks、Chalmers、Ross、Slatt等都对纳米孔隙特征的影响因素进行过探讨和研究[10,15-17],TOC、黏土含量是影响纳米孔隙体积与比表面积的主要因素。通过研究有全岩分析结果的8个样品发现,雷波剖面样品TOC、石英、碳酸盐、黏土都是比表面积的控制因素,其中TOC、石英、碳酸盐影响明显,TOC、石英与比表面积呈正相关关系,碳酸盐与其呈负相关关 系,相 关 系 数 分 别 为0.467 1、0.565 1和0.822 1;而黏土矿物显现正相关,但影响很弱,相关系数为0.1039(图12)。TOC含量高,有机质孔隙发育,则对比表面积的贡献较大。对于石英而言,一方面硬度大,在成岩过程中较难被压缩变形,保存了一定的原生粒间孔隙;另一方面,硅质生物的贡献导致页岩矿物组分中硅质成分增加的同时,硅质生物体内存在的体腔孔及有机质孔隙,对于比表面积有较大的贡献。该剖面的碳酸盐,一方面来源于原地沉积,另一方面来自于胶结物,在五峰组-龙马溪组黑色页岩中多为胶结物的形式存在,这就极大地降低了岩石的孔隙度,从而使孔隙体积、比表面积降低。但在岩样中存在大量的溶蚀孔隙,其直径多数为>1μm,多为地层被抬升地表经大气淡水淋滤所致,因此其相关性有可能存在一定的误差。对于黏土矿物而言,Ross和Bustin认为较高的黏土含量使得页岩气储层具有较大的比表面积[17];但对于雷波剖面而言,黏土矿物可能长期接受风化及淡水淋滤作用,使得相关性存在一定的误差。

图11 雷波剖面TOC与主要矿物含量关系Fig.11 Relationship between the main mineral content and TOC

图12 雷波剖面比表面积与TOC及主要矿物含量的关系Fig.12 Relationship between main minerals content,TOC and specific surface area

6.3 页岩气有利勘探层段

通过参考北美页岩气勘探开发经验,结合威远-长宁、威信页岩气地质条件[18,19],认为页岩气有利勘探层段的选择应着重考虑以下因素:①黑色泥页岩层位稳定,分布区域广,单层厚度在30m以上;②泥页岩wTOC值≥2%,干酪根以Ⅰ-Ⅱ1型为主,成熟度高;③页岩硅质的质量分数≥40%;④有一定的基质孔隙度,发育裂隙;⑤构造相对简单,地层横向产状无突变,页岩层埋深<3.5km。雷波剖面黑色页岩厚度52m(wTOC>2%),分别是龙马溪组底部单层连续厚度46 m和五峰组单层厚度6m。相对于威远地区20~60m,以及长宁地区长芯1井龙马溪组连续厚度30m[20]而言,雷波地区黑色页岩较为发育,且有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型,有机质演化程度高(Ro>2%),黑色页岩硅质的质量分数>40%,微裂缝、微孔隙发育,属较为有利的页岩气勘探层段。

7 结论

a.五峰组-龙马溪组主要发育6种岩相:黑色(富有机质)泥/页岩、粉砂质泥/页岩、泥质粉砂岩、钙化含放射虫微晶灰岩结核、白云质泥/页岩、钙质泥/页岩。

b.雷波剖面wTOC平均值为3.81%,且向上含量逐渐降低;有机质类型为Ⅰ型和Ⅱ1型;Ro平均值为2.16%;黑色页岩有效厚度约为60m;有机质演化程度高:有利于页岩气的生成。

c.雷波剖面石英含量由底部向顶部逐渐减少,并且底部可见硅质生物;黏土向上逐渐减少,呈现两段趋势;碳酸盐也呈现出明显的两段,向上含量逐渐减少。五峰组底部、龙马溪组下段底部wTOC>2%的层段以黏土、石英含量居多,五峰组顶部结核投点主要为碳酸盐,五峰组顶部、龙马溪组下段顶部wTOC<2%的地层以黏土及碳酸盐含量占优势。

d.孔隙主要为粒内孔、有机质孔、粒间孔、微裂隙4种类型。

e.TOC与石英、碳酸盐呈正相关关系,与黏土呈负相关关系;TOC、石英含量对于比表面积起主要的控制作用。

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