梁家驹, 马若龙, 步少峰, 刘文俊, 杨 成
(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)
沉积盆地中,各地质时期泥页岩沉积约占总沉积物的80%,页岩储层主要由暗色富有机质页岩及以薄的夹层状态存在的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等组成。不同页岩储层其岩石矿物组分、粒度、比表面积、生气能力差异较大[1]。
泥页岩储集性能主要与其矿物组分有关:脆性矿物中石英较致密,减小了泥页岩储层中的原始孔隙及裂缝,方解石的胶结作用使泥页岩储层的储集空间变小;但同时石英和方解石含量的增加,使得储层脆性提高,在外力作用下易形成天然裂缝和诱导裂缝,形成树状或网状结构缝。黏土矿物含量高的页岩塑性强,以形成平面裂缝为主,不利于页岩的后期改造;但黏土矿物颗粒更小,相同体积单位具有较多的微孔隙和较大的比表面积,对页岩气有较强的吸附能力。因此,理想的矿物组分应综合考虑黏土矿物与脆性矿物的含量,找到最有利的平衡点。
泥页岩储层具有低孔渗的物性特征,微孔隙和微裂缝是页岩气主要的储集空间,基质孔隙主要有残余原生孔隙、成熟阶段有机质生烃形成的有机质孔、絮状矿物颗粒和晶粒之间的粒间孔、黏土矿物伊利石及不稳定矿物(如长石、方解石)溶蚀形成的溶蚀孔、生物体的粒内孔、矿物颗粒的粒内孔和微裂缝等[2]。为了更好地评价页岩的储气能力,对泥页岩储层的微孔隙、微裂缝的类型和结构的研究具有重要的意义。
在构造区划上,湘中、湘东南地区同属华南加里东褶皱带,与湘西地区之间有一构造过渡带,通称江南复背斜或江南古陆(图1)。
湘中拗陷在大地构造上位于华南褶皱系的北部,雪峰隆起南缘,主要由涟源凹陷、龙山凸起、邵阳凹陷、关帝庙凸起和零陵凹陷5个二级构造单元组成。根据本区多期构造变形特点和变形结果,将3个凹陷进一步划分为8个三级构造单元(表1)。
一级二级三级雪峰东缘隆起湘中拗陷湘东南拗陷涟源凹陷龙山凸起邵阳凹陷关地庙凸起零陵凹陷衡山隆起九嶷山隆起桂耒凹陷桂汝隆起安仁隆起西北断褶带中部褶皱带东部褶皱带西部断褶带中部褶皱带东部块断带中部褶断带东缘断褶带常桂复式向斜永耒复式向斜
湘东南拗陷在行政区划上位于湖南省郴州市永兴县、耒阳市、安仁县、桂阳县以及衡阳市常宁县境内。考虑区内地层出露、岩浆活动和褶皱断裂特征,以燕山期构造变形结果为依据,根据燕山-喜马拉雅期构造演化格局,将湘东南拗陷划分为如下构造单元:衡山隆起、九嶷山隆起、桂汝隆起、安仁隆起以及4个隆起之间的桂耒凹陷等5个二级构造单元。桂耒凹陷又细分为常桂复式向斜、永耒复式向斜2个三级构造单元(表1)。
湘中拗陷:是以下古生界变质岩系为基底发展起来的以碳酸盐岩为主夹碎屑岩为特征的准地台型沉积拗陷区[3,4]。
寒武系属于广海沉积,奥陶系以台地斜坡相沉积为主,加里东期属于扬子地台向东南缘的延伸部分,并由下古生界变质岩系组成了湘中拗陷上古生界的基底,形成了近东西向隆凹相间的隔档式构造的基本格局。
中三叠世因太平洋板块由南东向北西方向俯冲,激发了强烈的印支运动。海西—印支早期的陆表海沉积以升降运动为主要活动方式,形成了典型台地相沉积[5],使湘中拗陷随华南陆表海一道上升为陆地,主要经历了印支、燕山及喜马拉雅3期构造变形。
印支期的构造变形演化是以宽缓的褶皱、明显的断裂、规模较大的岩浆侵入为主要特征[5],形成宽缓的区域构造。隔档式构造样式最终定型,且局部凹陷内形成了一系列轴向近东西方向的宽缓褶皱及断层组合,奠定了湘中地区局部构造格架。
燕山早期形成了轴向北东方向的成左行斜列构造样式展布的系列构造带,控制了湘中拗陷各凹陷和凸起上的次级构造单元。晚燕山运动以块断升降运动为主要活动方式。晚燕山-喜马拉雅期地壳大幅度隆起,并迅速褶皱成山。喜马拉雅早期运动主要为近东西向的挤压作用,而晚期主要为近南北向挤压,所以喜马拉雅运动总体表现为强烈挤压和快速隆升[6],造成本区普遍遭受强烈剥蚀。
湘东南拗陷:大地构造上位于华南褶皱系的北部,西北以衡山隆起与湘中拗陷为界,东界为桂东-汝城隆起,南与桂中拗陷毗连,自中、晚三叠世以来历经了华南扬子板块与华夏板块之间的赣湘桂大陆边缘(加里东期)-板内拗陷(海西-印支期)-板内活化(印支-喜马拉雅期)的多期构造运动[6],形成了东西向、南北向、北东向的复杂构造体系。
加里东期主要是伴随着地壳强烈的升降运动,基底断裂加大,形成规模较大的逆断层。沿着断裂缝,岩浆活动加剧。加里东末期地壳以上升活动为主,海西初期则以地壳下降活动为主,发生较轻微的区域变质作用,构成研究区不太固结的沉积基底,属于较强烈的板内活动阶段。加里东运动结束时,全区隆起成山,接着经受了剥蚀、夷平作用。早三叠世后至早侏罗世前发生的印支运动,伴随着强烈的褶皱断裂运动,基底断裂,形成轴向北北西至北北东为主的过渡型走向逆断层(为主)、正断层等,有强烈的、规模较大的花岗岩浆活动及小规模含矿热液活动[7]。
印支运动后,全区隆起,在中东部以走向北北东至南北向之垅状山脉为主,间有大小不等的山间盆地。北部为相对凹陷区,衡阳断陷盆地雏形开始形成。
燕山早期(侏罗纪)早时以升降运动为主,伴随着强烈的岩浆活动,区域性的花岗岩大部分就是这个时期形成的;晚时以断裂运动为主,褶皱运动次之,使早侏罗世沉积平缓,断裂而成山,形成断续型构造盆地,单斜及过渡型拱状褶皱,断层以逆断层为主,主要分布于西南部及中南部。隆起区经受剥蚀,上述断陷盆地进一步断陷,接受了碎屑、黏土等沉积。
燕山晚期(白垩纪)早时以地壳下降活动为主,晚时表现为断裂及轻微的褶皱运动。在早期燕山运动期间继续发展的衡阳断陷盆地及该期形成的小型山间盆地进一步断陷,接受了初期以粗碎屑为主过渡到晚期以粉砂质为主的沉积。
研究区不同时期沉积环境主要受到全球性海平面变化的影响,海进海退及地壳抬升剥蚀导致其沉积相带在平面上有一定的展布规律,连续性的半深水沉积环境下,可以发育巨厚的泥页岩沉积,抬升过程中的溶蚀作用,又可以使得其孔隙条件变好,为页岩气的成藏提供了基础条件。泥页岩有机质丰度与类型、发育程度等这些油气形成条件的微观特征,无一不受更高层次的海域沉积的宏观条件控制[2],这些宏观地质作用对页岩层系的形成具有重要影响。
加里东运动末期,研究区的古轮廓为“一隆两坳”,即湘中拗陷、零陵-株洲中央隆起、湘东南拗陷,这些拗陷和隆起均呈北东向相间排列[8]。寒武纪,研究区处于赣湘桂次深海和赣粤次深海之间,属于半深—浅海相沉积。奥陶纪中国南方整体进入挤压环境,处于斜坡—半深海相。志留纪,处于古赣湘隆起区。
海西—印支期沉积了厚度很大的晚古生代地层。随着全球性海进海退的变化,研究区经受了4次大规模海侵,湘中拗陷主要为台地相-陆地边缘相,湘东南拗陷发育典型的碳酸盐岩台地沉积环境,主要由台地相-台地边缘相-陆棚浅海相-台间裂陷盆地相等构成。其中台地相主要发育开阔台地相、局限台地相及凹槽台地相带,陆地边缘相则包括潮坪和滨岸沼泽2个相带,纵向上分为4套沉积旋回。每套旋回从初始的低水位体系域开始,经过海进的过程,发展为高水位体系域,同时也是海域面积不断扩大、水体变深的过程[5]。各种生物大量繁殖,为泥页岩提供了有机质来源。依据海水深度的不同,可以划分为不同的相带,其主要沉积环境、沉积速率、沉积物的成分都不同。在浪基面之下的相对深水低能区域内,受到潮汐与波浪作用的影响很小,发育台地海盆相,沉积地层主要是泥页岩、泥灰岩,沉积物中的有机碳含量很高,主体沉积由浅水碎屑岩沉积变为深水碳酸盐岩沉积;同时海底发生基底断裂作用,开始呈现开阔台地和凹槽台地相间的沉积格局。开阔台地和凹槽台地相带是主要的泥页岩沉积相区,其含灰质的泥页岩也是研究区主要的泥页岩类型。
对于水体相对较浅处于浪基面之上的台坪、潮坪相区,受到高能量海浪的影响,其沉积物以含少量泥质的碳酸盐为主,有机质丰度并不高,主要发育有含泥质的灰岩和含砂泥岩[7-9]。
根据薄片鉴定结果,泥页岩类型主要有深灰色泥岩、灰黑色页岩、深灰色灰质泥岩、含粉砂炭屑泥质岩和深灰色粉砂质泥岩等。
泥盆系佘田桥组泥页岩类型较丰富,可见黑色碳质泥岩、富海绵骨针泥岩、含碳质粉砂泥晶灰岩、含云生物屑泥晶灰岩。泥盆系棋梓桥组泥页岩类型包括黑色碳质泥岩、含粉砂碳质泥岩。石炭系大塘阶测水段泥页岩包括黑色碳质泥岩、含云泥质岩、含粉砂泥质岩、夹粉砂纹层泥岩、含钙斑泥质岩等。二叠系龙潭组、大隆组泥页岩包括黑色碳质泥岩、含碳粉砂质泥岩、泥晶灰岩、含炭屑泥质岩等(图2)。
泥页岩层是超低孔渗的储层,微孔隙是主要的储集空间,渗透率极低,在实际的勘探开发中,除了像常规油气一样考虑孔渗条件以外,更为重要的是需要分析其矿物成分。实际开发中需要压裂造缝,改善泥页岩的物性,所以矿物组分研究是泥页岩储层研究中不可或缺的部分,更是页岩气藏能否开发的关键条件。
研究区泥页岩矿物成分复杂,黏土矿物含量较高,其质量分数介于18%~75%之间,平均达40.7%。石英、长石、方解石、白云石等碎屑矿物和自生矿物含量变化较大,石英的质量分数在7%~51%之间,平均为31%;方解石的平均质量分数为21.7%。除了个别样品的长石和白云石含量较高以外,其余样品均较低,部分样品还含有代表还原环境的黄铁矿(图3)。
黏土矿物含量很高的泥页岩在构造应力的作用下,易产生塑性变形。而脆性矿物含量高,则易形成天然裂隙和诱导裂隙,有利于页岩气从泥页岩中解吸出来[10]。研究表明,美国沉积盆地中页岩气高产的主要原因,除了具有很高的含气量外,泥页岩的脆性矿物含量很高。
图2 湘中拗陷、湘东南拗陷主要泥页岩类型Fig.2 Main shale types in the Xiangzhong depression and Xiangdongnan depression(A)碳质泥岩,二叠系龙潭组; (B)富海绵骨针泥岩,泥盆系佘田桥组; (C)泥岩夹粉砂纹层,石炭系大塘阶测水段; (D)含粉砂碳质泥岩,泥盆系棋梓桥组
图3 全岩粉晶X射线衍射矿物成分图Fig.3 The mineralogical compositions obtained by the whole-rock powder X-ray diffractometry
黏土矿物对于孔隙的演化和保存具有重要作用。黏土矿物因为颗粒更加细小,相同体积的情况下具有更多的微孔隙和较大的比表面积。页岩气的主要成分就是烃类中分子量最小的甲烷,所以对页岩气有较强的吸附能力。研究区具有较高的黏土矿物含量,平均质量分数达40.7%,有利于页岩气的吸附,其含气量较大。美国东部主力页岩气产区的石英含量都很高,其质量分数大都在40%以上[11]。而研究区石英含量变化范围很大,平均质量分数只有31%;但是和长石、方解石、白云石以及黄铁矿等脆性矿物总的质量分数可以达到57%,这对于泥页岩储层的压裂开发十分有利(表2)。
表2 北美页岩与研究区页岩石英含量对比Table 2 The comparison of the quartz content in the North American shale with that in the shale of study area
图4 湘中拗陷泥页岩岩石学特征Fig.4 Shale petrography in the Xiangzhong depression
从湘中拗陷泥页岩矿物组成三角图上可以看出泥页岩的矿物组成有2种类型(图4),一类泥页岩的矿物组分主要为黏土矿物和脆性矿物(石英+长石+黄铁矿),碳酸盐矿物含量极低,几乎不含方解石和白云石;而另一类泥页岩碳酸盐矿物含量较高,而黏土矿物含量相对第一类来说要低。湘东南拗陷除了大隆组的一个泥页岩样品以外,其余泥页岩样品均含有一定量的碳酸盐矿物(图5)。
图5 湘东南拗陷泥页岩岩石学特征Fig.5 Shale petrography in the Xiangdongnan depression
野外采集的样品因近地表遭受风化淋滤作用,导致裂隙发育且有机质、矿物组分流失,测得孔隙度较大,但也能相对地反映泥页岩储层的物性优劣。研究区孔隙度均值达到7.0%,孔隙度分布在0.5%~17.2%之间,>2%的孔隙度约占85.7%,其中2%~7%之间的孔隙度约占48.5%,7%~10%的约占0.06%,>10%的约占31.4%(图6)。孔隙度与渗透率之间具有较好的相关性,泥页岩一般随着孔隙度的增加,渗透率随之增加;同时裂缝发育的部分,渗透率会更好。湘东南拗陷泥页岩孔隙度平均值为7.04%,湘中拗陷泥页岩孔隙度平均值为7.17%,孔渗差别不大。
图6 湘中拗陷、湘东南拗陷泥页岩储层孔隙度大小分布图Fig.6 Distribution of the shale porosity size in the Xiangzhong depression and Xiangdongnan depression
根据场发射扫描电镜观察,揭示出研究区泥页岩微孔隙类型如下(表3):大塘阶测水段微孔隙类型主要是晶内微孔、溶蚀孔、割理缝,局部可见呈孤立状分布的微孔,微气孔呈椭圆状,边缘见撕裂,见裂缝充填方解石,局部黄铁矿呈单体和霉球状,局部长石溶蚀为粒内溶孔。佘田桥组泥页岩微孔隙类型主要是晶间孔、粒间微孔、溶蚀孔、粒缘微缝,局部可见片状黏土矿物伊利石晶间微孔、粒间蒙脱石呈蜂窝状,地表暴露溶蚀,见褐铁矿。棋梓桥组泥页岩微孔隙类型主要是粒间微孔,可见霉球状黄铁矿。跳马涧组泥页岩微孔隙类型主要是粒间微孔、溶蚀孔、粒缘微缝,溶蚀孔充填自生石英,晶间微孔发育。二叠系泥页岩微孔隙类型主要是粒间微孔、溶蚀孔、微裂缝,黏土矿物卷曲变形,粒间微孔发育,见粒缘缝及黏土矿物张开缝,局部见方解石晶体附着表面,溶蚀孔充填沥青。
研究区总体上主要的孔隙类型为存在于矿物颗粒和晶粒之间的粒间孔、存在于颗粒内部的粒内孔及有机质溶蚀形成的孔隙[12]。基质孔隙有残余原生孔隙、大粒矿物颗粒之间形成的格架孔、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物伊利石化形成的微孔隙和不稳定矿物(如长石、方解石)溶蚀形成的溶蚀孔、生物死亡后残留的生物体腔孔、大型和小型裂缝及微裂缝等(图7、图8)。
相同体积情况下如果具有较多的微孔隙和较大的比表面积,就对页岩气有较强的吸附能力。研究区页岩比表面积平均为5.189 m2/g,主要分布在1.068~11.638 m2/g范围之间(图9)。以单位质量的样品吸附相对压力最大时对应的吸附量作为孔体积(质量体积),质量体积分布在0.002~0.045 mL/g之间,平均为0.012 4 mL/g,孔径分布在3.349~34.273 nm之间,平均为10.123 nm(图10),可知泥页岩储层的孔隙以小孔为主。其微孔的质量体积分布范围在0.000 5~0.004 3 mL/g之间,平均为0.001 9 m2/g,微孔隙占的体积很小。
从层位上来看,二叠系大隆组、龙潭组比表面积值相对较大,而石炭系大塘阶测水段、泥盆系佘田桥组的孔径最大。比表面积大的泥页岩,其吸附天然气的能力较强;而主要孔径较大的泥页岩,其储存游离气的能力则较强。
在研究泥页岩孔喉分布特征时,将泥页岩样品在液氮中进行等温物理吸附-解吸过程,得到等温条件下的吸附-解吸曲线和平均孔径数据。选用多点BET模型线性回归算出样品的比表面积,根据DFT模型计算得到孔喉直径分布、孔隙体积等参数。
根据吸附-解吸曲线类型可以判别样品的孔隙特点。当压力低于气体的临界压力时,对于中孔与大孔,首先发生多层吸附;相对压力更高时,则发生毛细管凝聚,形成类似液体的弯液面[13]。根据不同样品的解吸曲线对比,总结为2类曲线变化形态:一类是缓慢下降型,下降幅度几乎不变(图11-A);另一类是先下降至某一值,稳定一段时间后,再快速下降至另一值,之后缓慢下降(图11-B)。从两种曲线类型分析可知,龙潭组泥页岩样品的孔喉大小和排列相对都很规则,而大塘阶测水段的泥页岩样品孔喉尺寸和排列相对不规则,孔隙形态复杂。
图8 湘中拗陷与湘东南拗陷泥页岩层系裂缝发育特征Fig.8 The development characteristics of the fractures of the shale layer system in the Xiangzhong depression and Xiangdongnan depression(A)大型裂缝(5~8 m); (B)小型裂缝(穿层裂缝0.3~1 m); (C)微裂缝(225~303 nm); (D)微裂缝(567 nm~1.15 μm)
图9 湘中拗陷与湘东南拗陷泥页岩储层比表面积分布图Fig.9 The distribution of the shale reservoir specific surface area in the Xiangzhong depression and Xiangdongnan depression
图10 湘中拗陷与湘东南拗陷泥页岩储层孔径分布图Fig.10 The pore size distribution of the shale reservoirs in the Xiangzhong depression and Xiangdongnan depression
图11 湘中拗陷与湘东南泥页岩等温吸附-解吸曲线图谱Fig.11 The isothermal adsorption-desorption curves of the shale in the Xiangzhong depression and Xiangdongnan depression(A)龙潭组野外样品; (B)大塘阶测水段野外样品
整个研究区绝大部分泥页岩样品的吸附-解吸曲线都比较平缓,在形态上整体呈反“S”形,说明泥页岩的孔喉分选较好,有利于页岩气在泥页岩储层中渗流,便于将来页岩气开发。
湘中拗陷与湘东南拗陷泥页岩矿物成分复杂,除均含有黏土矿物、石英、斜长石、钾长石、方解石、白云石等矿物外,大部分还含有黄铁矿,部分含有石膏,说明泥页岩沉积于缺氧的还原环境。脆性矿物平均质量分数已达50%以上,有利于页岩气储层将来的压裂改造。
经场发射环境扫描电镜仪测试泥页岩主要的微孔隙类型有:格架孔、溶蚀孔、有机质孔、生物体腔孔和微裂缝等,此为页岩气赋存和吸附的主要空间。绝大部分样品的吸附-解吸曲线都比较平缓,在形态上整体呈反“S”形,说明泥页岩的孔喉分选较好,有利于页岩气在泥页岩储层中渗流,便于将来页岩气的开发。
[参考文献]
[1] 徐国盛,徐志星,段亮,等.页岩气研究现状及发展趋势[J].成都理工大学学报:自然科学版,2011,38(6):603-610.
Xu G S, Xu Z X, Duan L,etal. Status and development tendency of shale gas research [J]. Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition), 2011, 38(6): 603-610.(In Chinese)
[2] 叶玥豪,刘树根,孙玮,等.上扬子地区上震旦统—下志留统黑色页岩微孔隙特征[J].成都理工大学学报:自然科学版,2012,39(6):575-582.
Ye Y H, Liu S G, Sun W,etal. Micropore characteristics of Upper Sinian-Lower Silurian black shale in upper Yangtze area of China [J]. Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition), 2012, 39(6): 575-582. (In Chinese)
[3] 敬乐,潘继平,徐国盛,等.湘中拗陷海相页岩层系岩相古地理特征[J].成都理工大学学报:自然科学版,2012,39(2):215-222.
Jing L, Pan J P, Xu G S,etal. Lithofacies-paleogeography characteristics of the marine shale series of strata in the Xiangzhong depression, Hunan, China [J]. Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition), 2012, 39(2): 215-222. (In Chinese)
[4] 杨鑫,刘兴旺,王亚东,等.构造活动对雪峰山邻区海相油气分布的控制[J].西南石油大学学报:自然科学版,2011,33(4):7-12.
Yang X, Liu X W, Wang Y D,etal. The tectonic controls on the distribution of marine oil and gas in the adjacent areas of Xuefeng Mountain[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2011, 33(4): 7-12. (In Chinese)
[5] 赵宗举,俞广,朱琰,等.中国南方大地构造演化及其对油气的控制[J].成都理工大学学报:自然科学版,2003,30(2):155-168.
Zhao Z J, Yu G, Zhu Y,etal. Tectonic evolution and its control over hydrocarbon in southern China [J]. Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition), 2003, 30(2): 155-168. (In Chinese)
[6] 杨怀宇.湘桂地区泥盆纪—中三叠世构造古地理格局及其演化[D].东营:中国石油大学,2010.
Yang H Y. Pattern and Evolution of the Devonian-Middle Triassic Tectono-palaeogeography in Hunan and Guangxi Provinces[D]. Dongying: Chian University of Petroleum, 2011. (In Chinese)
[7] 石文斌,李启桂,李健.湘东南坳陷构造演化及油气成藏研究[J].国土资源导刊,2006(S1):15-21.
Shi W B, Li Q G, Li J. Depression tectonic evolution in southeastern Hunan and petroleum accumulation[J]. Resources Herald, 2006(S1): 15-21. (In Chinese)
[8] 徐元刚.湘中地区海相泥页岩层系沉积相及有利区预测[D].成都:成都理工大学档案馆,2012.
Xu Y G. The Sedimentary Facies and Favourable Area Forecast of the Marine Shale Formations in Xiangzhong Area[D]. Chengdu: The Archive of Chengdu University of Technology, 2012. (In Chinese)
[9] Richard C. Selley. Introduction to Sedimentology[M]. New York: Academic Press, 1982: 1-417.
[10] Hickey J J, Henk B. Lithofacies summary of the Mississippian Barnett Shale, Mitchell 2 TP Sims well, Wise County, Texas[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 437-443.
[11] Martineau D F. History of the newark east field and the Barnett Shale as a gas reservoir[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 399-403.
[12] 蒋裕强,董大忠,漆麟.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业,2010,30(10):7-12.
Jiang Y Q, Dong D Z, Qi L. Basic features and evaluation of shale gas reservoirs[J]. Natural Gas Industry, 2010, 30(10): 7-12. (In Chinese)
[13] 张远弟,喻高明,赵辉.油藏数值模拟技术在页岩气藏开发中的应用[J].新疆石油地质,2012,33(6):736-740.
Zhang Y D, Yu G M, Zhao H. Application of reservoir numerical simulation technology to shale gas development[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2012, 33(6): 736-740. (In Chinese)