湘中坳陷泥盆系页岩气生储特征及勘探潜力研究

2017-06-27 03:32:23黄俨然曹运江杨荣丰肖正辉秦明阳
非常规油气 2017年3期
关键词:涟源湘中盆系

黄俨然,曹运江,杨荣丰,肖正辉,秦明阳.

(1. 湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201;3.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083)



湘中坳陷泥盆系页岩气生储特征及勘探潜力研究

黄俨然1,2,3,曹运江2,杨荣丰2,肖正辉2,秦明阳3.

(1. 湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室,湖南湘潭 411201;2.湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201;3.中南大学地球科学与信息物理学院,湖南长沙 410083)

湘中坳陷泥盆系具有良好的生烃条件,勘探实践表明泥盆-石炭系普遍含气但地层压力偏低且产量递减快,本文主要围绕物质基础烃源岩的发育特征,从岩相古地理、发育地层、烃源岩的生烃和储集特征等方面展开研究。分析发现,湘中坳陷泥盆系沉积环境主要分为台盆相、台坪相和潮坪相,受大规模基底断裂的影响,形成台盆相间的沉积格局。由此导致烃源岩岩性非常复杂,可以分为泥页岩、泥灰岩和灰岩3大类;湘中坳陷泥盆系D2t至D3x沉积时期构成了一个完整的沉积层序旋回,海水大体上由南向北侵入和退出,高位体系域的D3s烃源岩最为发育,影响丰度指标的最根本因素是不同沉积相的岩石类型,台盆相的沉积环境最有利于烃源岩发育。烃源岩的储集空间主要分为粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝4种类型,主体孔隙为中孔,孔喉分选相对较好,利于后期改造开发。从不同凹陷对比来看,涟源凹陷烃源岩规模较大且丰度高,勘探潜力相对较高。

湘中坳陷;泥盆系;页岩气;烃源岩评价;储集空间

经过几次上下不连续的常规油气调查工作后,湘中地区在地表和井下均发现有大量油气显示。据不完全统计,湘中涟源凹陷的14口探井和7口浅井钻孔中基本都有气显示,甲烷含量在80%以上,产出特征包括气测异常、槽面气泡、气苗、气涌和气喷等类型,其中有11口井发生气喷情况[1]。以石炭系为目的层的邵10井、涟8井等天然气喷高达15 m以上[2];钻遇泥盆系的探井很少但也有一定显示,如姜1井泥盆系佘田桥组产气井口火苗达0.8 m,显示出湘中地区古生界具有良好的勘探潜力。

但研究发现多数井后续产量下降很快,勘探尚未取得突破性进展,湘中地区普遍含气但地层压力偏低且产量递减快。在下石炭统的岩关阶刘家塘段和大唐阶石磴子段等层位,新1井短期产气660 m3/d;湘冷1井1995年完钻试井产气326 m3/d[3],后于2004年酸化复试,初产仍然获得(1.2~1.5)×104m3/d的产量,短期稳定为750 m3/d[4]。它们的产出特点更符合页岩气资源特征。相比而言,勘探人员更关注资源丰度的大小,一定程度上回避了常规天然气储集和保存的问题[5]。前人评价结果表明,研究区具有相当大的页岩气资源潜力[6],近年来该地区较好的烃源条件吸引了众多学者的关注和研究,但主要集中于大范围的沉积特征和资源评价等方面[7-9],并且由于烃源岩岩性复杂容易忽略而往往笼统地简单分析,长期的抬升剥蚀也使得海相还原环境的泥盆系烃源岩极易被风化[8],给泥盆系烃源岩的系统研究带来很大困难。本文结合岩相古地理、沉积地层岩性分布和烃源岩部分关键方面的特征,系统揭示了泥盆系富有机质泥页岩的生烃和储集空间特征,为该区泥盆系提供重要的参数依据并指出有利的勘探方向。

1 区域地质概况

湘中坳陷大地构造位于华南板块中部,西南部受雪峰隆起限制,东部以衡山隆起为界,南部则与桂中坳陷相连[7],是以下古生界变质岩系为基底发展起来的准地台型沉积坳陷区。海西-印支早期该区表现为典型的地台相陆表海沉积,以台地升降为主要的运动方式,沉积了巨厚的海相地层;中三叠世后随华南陆表海一起上升成陆,主要接受陆相沉积。湘中坳陷接受印支后期、燕山期和喜山期等多期次的构造运动变形与改造,发育有涟源、邵阳、零陵等3个次级的凹陷,并可进一步分为8个三级构造单元,凹陷和龙山及关帝庙等凸起形成“三凹两凸”的构造格局。研究区自西向东分别是城步-新化、新宁-新邵、邵阳-汨罗和祁阳弧4条主要断裂,其中尤以城步-新化的深大断裂带为甚[8],并发育大量的次级断裂。褶皱形态往往以断层为界,展布狭小,互不成带,在各凹陷中形成一系列小规模的断块、复背斜和复向斜等,岩浆岩主要分布于坳陷的凸起带和周缘,对凹陷影响有限(图1)。

图1 湘中坳陷构造单元划分及特征Fig.1 The structural unit classification and its characteristic in Xiangzhong depression

图2 湘中坳陷泥盆纪主要时期岩相古地理图(据文献[9-10],有修改)Fig.2 The lithofacies paleogeographic map of main periods in Devonian Xiangzhong depression

2 岩相古地理

湘中地区泥盆系明显以角度不整合覆于前泥盆纪地层之上,该区泥盆纪发育的地层有中泥盆统半山组(D2b)、跳马涧组(D2t)、棋梓桥组(D2q)和上泥盆统佘田桥组(D3s)、锡矿山组(D3x),其中除D2b外其他地层在全区都有分布,出露情况也相对较好。泥盆纪沉积环境主要分为台盆相、台坪相和潮坪相,台盆相为碳酸盐岩台地内部相对深水的沉积环境,多是由基底大规模断裂作用形成的;后两者均发育于台地之上,台坪相位于最低落潮面以下,正常波基面以上,是以波浪作用为主的一种沉积环境;而潮坪相主要发育在最大高潮面之下,最低落潮面之上,以潮汐作用为主。从岩相古地理上来看(图2),中泥盆世晚期至晚泥盆世,由南往北、往东,碳酸盐沉积逐渐减少,陆源碎屑沉积逐渐增多。泥盆纪时期由D2b期的低位体系域,D2t—D2q期的海侵体系域,D3s期的高位体系域和D3x期的海退体系域构成一个完整的沉积层序旋回[9-11],海水大体由南向北侵入和退出。

3 沉积地层特征

受大规模基底断裂的影响,泥盆纪为开阔台地和凹槽台地相间的沉积格局,与复杂的岩相古地理特征相对应,研究区泥盆系岩性分布极为复杂(表1)。分层位来看,D3x纵向上基本可以分为上下两段,下段以泥灰岩、灰岩、泥页岩互层为主要特征,隆回、新化、涟源、双峰一带发育有标志性的泥砂质页岩夹鮞状赤铁矿层段,而邵东、新宁以南几乎全属碳酸盐岩沉积,主要为灰岩、瘤状灰岩及白云质灰岩;上段基本以石英砂岩、粉砂质泥页岩为主,但在南部零陵凹陷也有一定的薄层灰岩和泥灰岩发育。整体上从南往北下段灰岩逐渐减薄,上段砂质泥页岩逐渐加厚,两者互为消长关系。

D3s根据主要岩性可分为3个沉积区:一是页岩砂岩区,分布于安化东南一带;二是页岩灰岩区,分布于涟源、双峰、衡山、洞口及城步一带;三是灰岩泥灰岩区,岩性包括硅质岩、灰岩、泥质灰岩、生物灰岩及白云质灰岩沉积区,广泛分布于隆回、新宁、永州等地。D2q邵阳、新宁、双峰等地以南主要为灰岩、生物灰岩、白云岩的分布区;而在紧靠雪峰古陆南缘的城步、洞口、安化一带以泥页岩、泥灰岩、粉砂质泥岩为主,其间为泥页岩、泥灰岩及灰岩、生物灰岩呈犬牙状交错沉积区;南部零陵凹陷则主要发育碳酸盐岩。

4 烃源岩特征

4.1 生烃能力

从前述研究已发现湘中坳陷泥盆系烃源岩的岩性非常复杂。关于烃源岩有机质丰度下限的问题长期以来存在争论,而根据美国五大页岩气盆地开发经验来看,烃源岩多为含硅质、泥质及砂质富有机质页岩,与粗粒碎屑岩、碳酸盐岩等构成旋回,较高的有机质丰度是烃源岩共同的特征[12]。本文收集不同岩性的露头样品进行分析,样品位置如图2所示,镜下鉴定发现岩性非常复杂,包括粉砂质、硅质、炭质、灰质泥岩等。泥质成分多呈丝纤状、条带状局部富集于岩石中(图3a、3b),很多灰质含量高的样品中没有发现形态有机质,而泥质组分与TOC之间有一定的正相关关系(图4),前人也发现其碳酸盐岩烃源岩生油母质以偏泥型为主[13]。对湘中坳陷泥盆系岩性复杂而丰富的烃源岩来说,生烃能力应主要考虑其中的泥质组分。复杂相带发育不同岩石类型的烃源岩混在一起,部分岩石的储集性能变好,更有利于页岩气的自生自储。

表1 湘中坳陷中上泥盆统岩性分布特征Table 1 The characteristic of lithology distribution in mid-upper Devonian Xiangzhong depression

4.2 烃源岩的风化

对湘中坳陷泥盆系烃源岩的评价不得不考虑到地表的风化作用。野外观察发现,地层中有机碳含量高的泥页岩经历暴露在地表的风化、淋滤,演变为基本不含有机质的黏土层;越是富含有机质的泥页岩,风化分解速度越快,程度也越严重;地表上发现的烃源岩往往含一些不容易风化的矿物,如含灰质、砂质的泥页岩。前人观察发现,D2q和D3s泥页岩层风化层厚度可达8~9 m[7],据中南石油局泥盆系200多个样品的统计发现,泥盆系烃源岩地表样品TOC均值不同程度低于钻井岩心样品,因此需对地表样品TOC取一换算系数。很多学者取不同的换算系数,但基本在1~2之间,如1.45[14]、1.5[15]、1.75[3]、2[7]等,上述换算系数一定程度上反映了暴露地表后有机质的损失和烃源岩的风化程度。

5 微观储集特征

5.1 储集空间

微孔隙和微裂缝是页岩气主要的储集空间[16],扫描电镜观察按表现形式和成因可以分为粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝等4种类型。粒间孔主要包括粒缘孔、晶间孔和粒间孔,主要是岩石原生孔隙受压实和成岩作用演化残留下来的,大小在1~10 μm之间,最大可达25 μm,一般粒间微孔比粒缘微孔、晶间微孔要大(图3c)。粒内孔有溶蚀孔、印模孔、化石孔和自生矿物晶间孔,其中溶蚀孔最为常见,粒内孔大小多在1~5 μm之间(图3d)。有机质孔是由生烃作用形成的,连通性好,主要存在于有机质内部,多在TOC含量高的泥页岩中出现,微孔隙呈“蜂窝”结构密集分布,而大小则以纳米级为主(图3e)。微裂缝的成因有多方面,包括解理、黏土矿物脱水、生烃和受应力作用等[17],微裂缝宽多为纳米级的(图3f)。上述不同成因和大小的微孔隙和裂缝共同构成了页岩气主要的储集空间和运移通道。

图3 偏光镜及扫描电镜下的样品形态Fig.3 Sample morphology under the polarization and scanning electron microscopya.偏光镜下湘中涟源凹陷炉观露头样品,TOC=0.141%,D2q,含粉砂泥岩,泥质组分呈丝纤状分布;b.偏光镜下湘中邵阳凹陷坪上虎寨村样品,TOC=0.813%,D3s,含炭质泥岩,泥质、炭质组分呈条带状分布;c.扫描电镜下湘中涟源凹陷雷鸣桥露头样品,D3s,粉砂质泥岩,大小不一的粒间孔隙,一般1~10 μm,少量大于20 μm;d.扫描电镜下湘中涟源凹陷炉观露头样品,D3s,硅质泥岩,泥晶内微孔隙1~5 μm;e.扫描电镜下湘中邵阳凹陷坪上虎寨村样品,D3s,炭质泥岩,局部发育纳米级有机质微孔隙,呈蜂窝状;f.扫描电镜下湘中涟源凹陷雷鸣桥露头样品,D3s,粉砂质泥岩,微裂缝宽多小于1 μm,具一定解理性成因

图4 湘中坳陷中上泥盆统烃源岩TOC与泥质含量之间的关系Fig.4 The relationship between TOC and shale content in mid-upper Devonian source rock in Xiangzhong depression

5.2 孔隙结构

页岩的孔隙结构非常复杂,目前常分为3类孔隙:微孔(孔直径小于2 nm)、中孔(2~50 nm)和大孔(大于50 nm)。氮气吸附和解吸可以全面地分析孔径分布,主要研究除微孔以外页岩气储层的孔隙结构特征。研究区2个D3s样品和1个D2q样品氮气吸附和解吸等温线如图5所示,从图中可以看出虽然各样品曲线形态上略有差别,但总体上都呈反“S”形。

图5 不同层位样品氮气吸附-解吸等温线图Fig.5 The sorption and desorption isotherm map of nitrogen in different formation samples

根据国际纯理论与应用化学协会提出的物理吸附等温线分类,研究区泥盆系应均属Ⅳ型,说明其孔径从分子级至相对无限大的连续完整分布,主体孔隙为中孔。此类曲线还显示解吸曲线位于吸附等温曲线的上方,形成H3型滞后环,说明具有由片状颗粒如黏土矿物松散堆积形成的四周开放的平行板孔,微孔隙形态以锥形或双锥形为主,孔隙间连通性较差。对低孔、特低渗的页岩气储层来说,更应关注其受人工改造的效果而不是其本身的渗流能力[15]。微裂缝对改善页岩气储层的渗流能力较为重要,该区的吸附-解吸曲线比较平缓,反映了泥页岩孔喉分选相对较好,便于后期改造开发。

6 资源潜力的差异

相对深水的台盆相区离大陆近物源充足,有大量浮游和海底生物繁殖活动,是烃源岩主要的沉积相区,主要发育泥页岩,但可能含一定灰质。而台坪相和潮坪相区水体更浅,多位于浪基面之上,主要不利于有机质的保存,以灰质成分为多,主要发育灰岩、泥质灰岩和含砂泥岩等。由此烃源岩可分为泥页岩、泥灰岩和灰岩3大类岩性,不同岩性的烃源岩有不同的有机质丰度特征,从而有不同的烃源岩评价标准。

D2q、D3s和D3x均可能发育有良好的烃源岩,但烃源岩发育规模和其生烃贡献有一定差别,表2为统计不同凹陷不同层位烃源岩的规模及有机质丰度特征。层位对比来看,D3s烃源岩最为发育,其厚度和规模最大,烃源岩达标率和平均TOC也最高,D3s位于高位体系域及前述表1中的岩性分布特征也能充分说明这一点;而D3x作为主力烃源岩的可能性很低。凹陷对比来看,涟源凹陷整体烃源岩规模和生烃指标较好,目前也有比较好的气显示,

表2 湘中坳陷中上泥盆系烃源岩发育特征统计表[1]

注:①根据有机质丰度评价烃源岩的标准,达标率即属烃源岩样品的个数占总样品个数的百分比。 ②因烃源岩岩性非常复杂,不同比例灰质和泥质混合,TOC在此计算总体平均值,并未严格区分岩性。

因此可以作为首要的勘探目标。岩相古地理上,海水由南向北侵入和退出,南部的零陵凹陷各层位平均TOC最低,而烃源岩样品达标率显示位于中部的邵阳凹陷烃源岩发育的变化最不敏感,反映出明显受沉积环境的控制,由此造成D3x、D3s和D2q烃源岩岩性和丰度的复杂分布;影响丰度指标的最根本因素是不同沉积相的岩石类型,并由此衍生出不同层位、不同凹陷有机质丰度的不均衡分布。

7 分析与结论

(1)研究表明:湘中坳陷D2t至D3x沉积时期构成了一个完整的沉积层序旋回;D2t至D3x大体上均为台盆相间的沉积格局;烃源岩岩性复杂,包括泥页岩、泥灰岩和灰岩3大类;沉积环境主要分为台盆相、潮坪相和台坪相,台盆相是烃源岩主要发育的沉积相区;影响丰度指标的最根本因素是不同沉积相的岩石类型。

(2)湘中坳陷泥盆系烃源岩的储集空间可以分为粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝4种类型,微裂缝对改善页岩气渗流能力较为重要。烃源岩孔径从分子级至相对无限大的连续完整分布,主体孔隙为中孔,孔隙间连通性较差,孔喉分选相对较好,利于后期改造开发。

(3)总体来看,湘中泥盆系具有良好的生烃条件,岩性岩相发育非常复杂,生烃能力应主要来自于烃源岩中的泥质组分。在此背景下发育的烃源岩同时具有良好的页岩气储集和被改造条件,D3s高位体系域烃源岩最为发育,涟源凹陷整体烃源岩规模和生烃指标较好,首要的勘探目标应为涟源凹陷D3s。

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The Characteristic of Shale Gas Generation and Accumulation and ItsExploration Potential in Devonian, Xiangzhong Depression

Huang Yanran1,2,3, Cao Yunjiang2, Yang Rongfeng2, Xiao Zhenghui2, Qin Mingyang3

(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Hunan University of Science andTechnology, Xiangtan, Hunan 411201, China; 2.School of Resource, Environment and Safety Engineering,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, Hunan 411201, China; 3.School of Geosciencesand Info-Physics, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China)

The exploration practice showed that the Devonian-Carboniferous was generally gas-bearing but the formation pressure was low and the output was decreasing rapidly. This paper mainly focused on the developmental characteristics of the material source rock, Palaeogeography, development stratigraphy, hydrocarbon generation and hydrocarbon generation characteristics and other aspects of the study. It was found that the sedimentary environment of the Devonian in the Xiangzhong depression was divided into the basin, the taipen phase and the tidal flat facies, and the depositional pattern of the basin was formed by the large-scale basement fracture. The lithology of the source rocks was very complicated, which can be divided into three categories: shale, limestone and limestone. The Devonian D2t to D3x depositional period in Xiangzhong depression constitute a complete sequence of sedimentary sequence, the most influential factors of the abundance index were the rock types of different sedimentary facies, and the sedimentary environment of the basin basin was most favorable for the source rocks. The source rocks of the high-order system tract were the most developed. The reservoir space of the source rocks was mainly divided into four types: intergranular pores, granular pores, organic matter pores and microcracks. The pore of the main body was mesoporous, and the pore separation was relatively good, which was beneficial to the later development. Compared with different sags, the source rocks of Lianyuan sag were large in scale and high in abundance, and the exploration potential was relatively high.

Xiangzhong depression; Devonian system; shale gas; evaluation of source rock; reservoir space

湖南省自然科学基金 “湘中拗陷石炭系页岩气生成特征和对成藏的影响”(14JJ6032)和湖南省教育厅科学研究项目“湘中涟源凹陷二叠系页岩气生成条件研究”(15C0530)联合资助。

黄俨然(1983—),男,博士,讲师,研究方向为页岩气地质评价及油气地球化学。邮箱:hyanran2006@163.com.

TE132.2

A

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