准噶尔盆地东南缘芦草沟组页岩储层特征及其影响因素

杨 瀚,陈 思,谢 渊,阳 畅

(1.国土资源部矿山地质环境重庆南桐野外基地,重庆401120;2.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室,重庆401120;3.重庆地质矿产研究院,重庆401120;4.中国地质调查局成都地质调查中心,四川成都610081)

近年来,随着北美地区以及四川盆地涪陵、威远、长宁等地区页岩气的成功开发,页岩气资源在国内受到越来越广泛的关注。页岩既是烃源岩也是页岩气的主要储层,是直径小于0.0039mm的细碎屑、黏土矿物颗粒等细粒沉积物[1-3],因此,研究页岩储层的特征及其主控因素在页岩气的勘探开发工作中必不可少。

关于准噶尔盆地东南缘中二叠统芦草沟组页岩的研究,前人多从油页岩的角度开展,且主要聚焦在其沉积环境、古气候环境、生烃能力及热演化史等方面,而对芦草沟页岩储层的储气能力、储集空间类型及含气性评价研究则相对较少。芦草沟组富有机质页岩为陆相沉积,其干酪根类型以Ⅰ型为主,Ⅱ1型次之;TOC含量高,平均可达4.40%;镜质体反射率(Ro)为0.62%～1.27%,平均值为0.8%,基本进入成熟阶段。而位于乌鲁木齐向斜核部附近的准页3井(ZY3)也揭示了芦草沟组良好的含油气性。可见,作为已被大面积开采的高品级油页岩,芦草沟组页岩有机地化参数良好,物质基础丰富,且在一定的埋深条件下具有较大的页岩油气资源潜力,因此对芦草沟组页岩储层特征的研究具有良好的理论价值和一定的现实意义。

从钻井(ZY3井)和野外露头(4个剖面)系统采样,利用X射线衍射全岩分析、低温氮气吸附等多种实验手段,对芦草沟组页岩储层的矿物组成、微观孔径和岩石力学等储层特征参数进行测试分析,再结合ZY3井揭示的含气性资料,研究了芦草沟组页岩储层特征,并探讨其影响因素。

1 地质概况

准噶尔盆地在前寒武纪结晶基底和周缘海槽之上,海相及海陆交互相的环境下,沉积形成了寒武系—石炭系地层,其后因海西运动形成的周缘海槽褶皱构成了盆地的第二层褶皱基底。因此准噶尔盆地具有前寒武纪结晶基底加海西期褶皱基底的双层基底结构,成盆后接受二叠纪至今的沉积。以红车断裂和乌鲁木齐—米泉断裂为界,将准噶尔盆地南缘山前冲断带划分为西段、中段和东段3部分。

研究区位于准噶尔盆地南缘冲断带乌鲁木齐—米泉断裂以东,博格达山以西,行政区划位于新疆昌吉州,东以甘河子为界,西以乌鲁木齐为界,北以阜康市为界(图1)。

图1 研究区位置及地质简图[4]

2 沉积相特征

芦草沟组下段为灰黑色含碳质泥岩及灰黑色—深灰色粉砂岩交互,厚约463m,砂泥比约为1.0∶1.5;中段主要为灰—浅灰色粉—细砂岩及灰黑色碳质泥岩互层状,厚约136m,砂泥比约为1.5∶1.0;上段主要为灰黑色(含云或含钙)碳质页岩夹白云岩或泥质灰岩,可见大量顺层分布的黄铁矿,厚约460m,白云岩(泥质灰岩)与页岩比约为1∶30。

经野外地质调查,剖面实测及调查井资料采集,认为芦草沟组发育于海退后的半咸水环境,为扇三角洲—湖相沉积,在中二叠世芦草沟期,研究区整体呈现一个湖扩展、加深的过程。芦草沟组下段与中段主要发育于三角洲前缘—前三角洲环境,而上段以前三角洲—湖相沉积体系为主(图2),上段富有机质页岩沉积范围广,连续厚度大,是生烃主力层段。根据现今厚度和TOC含量等变化趋势,认为芦草沟组沉积时期博格达山地区既是研究区沉积中心也是沉降中心。

图2 芦草沟组沉积柱状图(葛家沟剖面)

将红雁池剖面、榆树沟剖面、葛家沟剖面、石人子沟剖面(位置见图1)与永丰地区X1井、X2井进行沉积相横向对比(图3)可见:自西向东,扇三角洲前缘沉积逐渐减少,而前扇三角洲和半深湖—深湖相沉积逐渐趋于主导。X2井多以扇三角洲前缘相沉积为主,向东至X1井—红雁池一带,扇三角洲前缘相沉积主要分布在芦草沟组中下段,向上过渡为前扇三角洲及半深湖—深湖相沉积。而在榆树沟—葛家沟—石人子沟一带则以前扇三角洲及半深湖—深湖相沉积为主。这表明,自西向东,芦草沟组渐厚,靠近博格达山,沉积水体呈加深的趋势。

图3 芦草沟组沉积相对比剖面(X2井—X1井—红雁池—榆树沟—葛家沟—石人子沟)

3 岩相类型及特征

沉积相决定岩相组合,而岩相组合特征决定芦草沟组页岩储层的储集能力。岩相是在一定沉积和成岩环境下形成的岩石或岩石组合,包括岩石颜色、结构和构造等特征[3]。

通过精细观察露头及岩心、结合X衍射全岩分析和显微薄片鉴定,将研究区内中二叠统芦草沟组划分为5类主要岩相。

从芦草沟组沉积相特征可见,扇三角洲沉积序列以含云(含钙)细粒岩屑砂岩相、含碳砂质泥岩相和含云(含钙)泥岩相组合在纵向上多旋回叠置为特征,其中含云(含钙)细粒岩屑砂岩相、含碳砂质泥岩相多位于扇三角洲前缘相沉积序列,而前三角洲沉积序列多为含碳砂质泥岩、含云(含钙)泥岩和泥岩的相组合;而水体较深的半深湖—深湖相沉积序列主要为泥岩相;泥质微晶—粉晶白云岩相位于近芦草沟组顶部位置,厚约2m。

3.1 含云(含钙)细粒岩屑砂岩相

图4显示了芦草沟组含云细粒岩屑砂岩相在显微镜下的特征。该类岩相颜色呈浅灰色,主要由细粒碎屑组成,矿物成分以岩屑为主,其次为少量石英、长石等。粉砂约占6%,细粒约占90%、中粒约占4%,主要粒径多在0.06～0.25mm,分选较好,磨圆度为次棱—次圆,颗粒支撑,孔隙式胶结;杂基包括粘土矿物和粒径小于0.004mm的长英质细碎屑,粘土矿物以伊利石为主,高岭石、蒙脱石次之,粒径极小(多小于0.004mm),呈泥状微晶—隐晶质集合体产出;白云石和铁质胶结物不均匀分布。

图4 芦草沟组含云细粒岩屑砂岩相显微特征(红雁池剖面,×10,左(—),右(+))

3.2 泥质微晶—粉晶白云岩相

图5显示了芦草沟组泥质微晶—粉晶白云岩相在显微镜下的特征。该类岩相颜色呈深灰色,主要由白云石、石英等组成,其次为少量的铁质等,偶见长石颗粒。白云石多为微晶—粉晶状,呈它形—半自形产出,晶粒大小约为0.003～0.450mm,晶粒间结合不紧密,多被泥质充填;石英呈粒状不均匀分布,粒径一般在0.004～0.060mm,偶见粒径>0.06mm的颗粒和波状消光;泥质主要为细碎屑和粘土矿物;其它成分为少铁质物,呈粒状或浸染状不均匀分布。

图5 芦草沟组泥质微晶—粉晶白云岩相显微特征(红雁池剖面,×10,左(—),右(+))

3.3 泥岩相

图6显示了芦草沟组泥岩相在显微镜下的特征。该类岩相颜色呈灰黑—黑色,主要由泥质、石英、长石等组成,其次为少量的铁质、碳质等,整体具有定向性。石英、长石呈粒状不均匀分布,泥质主要为细碎屑和粘土矿物,粘土矿物以伊利石、高岭石等为主,矿物粒径极小,多呈泥状集合体产出,较均匀分布;白云石呈粒状或以胶结物形式不均匀分布;铁质多呈粒状或浸染状不均匀分布;碳质为无固定形态,呈碳屑状;微裂缝发育,缝宽约0.01～0.03mm,铁泥质或碳质充填;后期可见石英脉充填,脉宽约0.01～0.02mm。

图6 芦草沟组泥岩相显微特征(红雁池剖面,×10,左(—),右(+))

3.4 含碳砂质泥岩相

图7显示了芦草沟组含碳砂质泥岩相在显微镜下的特征。该类岩相颜色呈深灰—灰黑色,主要由泥质、石英、长石等组成,其次为少量的铁质、碳质等。石英、长石呈粒状不均匀分布,粒径多在0.004～0.050mm,石英包括粒状石英和少量粒状硅质岩屑、石英岩屑,偶见波状消光和次生加大现象;斜长石见聚片双晶,绢云母化;钾长石见高岭石化、土化;泥质主要为细碎屑和粘土矿物,细碎屑多为长英质,粘土矿物为伊利石、高岭石、蒙脱石等,均较均匀分布;碳质无固定形态,呈碳屑状;其它成分为少铁质物,呈粒状或浸染状不均匀分布。

图7 芦草沟组含碳砂质泥岩相显微特征(葛家沟剖面,×10,左(—),右(+))

3.5 含云(含钙)泥岩相

图8显示了芦草沟组含云泥岩相在显微镜下的特征。该类岩相颜色呈灰—深灰色,主要由泥质、白云石、石英等组成,偶见岩屑颗粒,整体具有定向性,可见多条隐晶—显微晶硅质脉和1条白云石脉,可能为沉积过程中硅质热液和云质热液涌入所致。石英、长石呈粒状不均匀分布;泥质主要为细碎屑和粘土矿物,粘土矿物以伊利石、高岭石为主,呈泥状集合体产出;白云石呈粒状或以胶结物形式不均匀分布。层理缝发育,宽约0.01～0.03mm,为碳质或铁质充填;见多条宽约0.05～0.30mm的微裂缝,被粉晶—细晶石英和少量亮晶白云石充填。

图8 芦草沟组含云泥岩相显微特征(榆树沟剖面,×10,左(—),右(+))

4 储层特征

4.1 矿物组分特征

页岩主要由粘土矿物(伊利石、蒙皂石、高岭石)和脆性矿物(石英、长石、碳酸盐、黄铁矿等自生矿物)组成。在同一区域相同力学背景下,岩石矿物组分影响页岩力学性质、孔隙结构、脆性度和对气体的吸附能力[5-8]。

通过X射线衍射全岩分析,芦草沟组页岩脆性指数为38%～98%,平均值为66.98%,其中,90%的样品脆性指数超过50%,具有良好的可压裂性。脆性矿物以石英为主,占10%～63%,平均值为33.82%,其次为斜长石及铁白云石;石英+长石含量为25%～84%,平均值为53.86%;碳酸盐矿物含量为0～68%,平均值为13.11%。

粘土矿物含量为2%～62%,平均值为33.02%,以伊利石及伊/蒙混层为主,而高岭石、绿泥石及绿/蒙混层含量相对较低。伊利石含量为23%～100%,平均值为60.07%;伊/蒙混层含量为0～74%,平均值为34.55%。伊/蒙混层含量随着伊利石含量的增加而呈相应降低的趋势(图9)。

图9 芦草沟组页岩粘土矿物相对含量(样品55个)

从芦草沟组与美国Barnett页岩和Oiho页岩的矿物组分的三角端元图(图10)可以看出,研究区芦草沟组中、下两段页岩样品中各矿物组分端元分布都不集中,较为分散,而上段页岩样品的矿物组分含量与美国两大页岩大致相当,脆性度较高,具有良好的可压裂性。

图10 芦草沟组上、中、下段页岩与美国两大页岩矿物组分的三角端元图(改自Hyden[9]等,2009)

4.2 孔渗特征

作为评价油气储层的常用指标,孔渗特征在非常规的细粒页岩储层评价中同样具有重要意义。通常而言,大多数页岩储层均呈特低孔、特低渗的特征和强非均质性,但孔隙度和渗透率的相关性是页岩内部的裂缝、微裂缝发育情况的良好指示[10-12]。

对芦草沟组页岩储层采样、选样(尽量避开含肉眼可见裂缝的样品)并进行孔隙度、渗透率测试,按照国土资源部《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》,对结果统计如下:

1) 研究区芦草沟组页岩孔隙度最小值为0.026%,最大值为3.98%,平均值为0.98%,特低孔隙度(<2%)的样品占89%,低孔隙度(2%～5%)的样品占11%(图11a);

2) 研究区芦草沟组页岩渗透率最小值为0.0001mD,最大值为0.24mD,平均值为0.04mD,均呈特低(<1mD)的特征;渗透率在0～0.1mD的样品数占81%,渗透率在0.1～0.2mD的样品数占14%(图11b)。

图11 芦草沟组页岩储层孔隙度(a)、渗透率(b)区间频度分布

分析发现,芦草沟组页岩储层孔隙度和渗透率无明显的相关性(图12)。部分较高孔隙度样品反而具有极低渗透率值,说明孔隙连通性较差;而部分较低孔隙度样品反而具有较高渗透率值,表明样品中微裂缝发育,且渗透率受样品中的微裂缝影响明显。

图12 芦草沟组页岩储层各样品的孔隙度、渗透率

4.3 杨氏弹性模量与泊松比

泊松比和杨氏弹性模量相结合能够反映岩石在应力(泊松比)下发生破裂时维持一个裂缝张开(杨氏模量)的能力[13]。杨氏弹性模量—泊松比交会图对页岩储层的脆性度具有重要的指示意义。易发育裂缝的页岩储层通常具有低泊松比、高杨氏弹性模量的特征[14-16];反之,当高泊松比、低杨氏弹性模量时,页岩塑性相对增强,易导致天然或人工裂缝闭合,影响页岩储集能力。高产气页岩通常泊松比<0.25,杨氏弹性模量>2×104MPa[17-18]。

采集了7个芦草沟组页岩样品(来自ZK3井)进行泊松比、杨氏弹性模量测试,结果如表1所示。这7个样品的泊松比范围为0.135～0.292,平均值为0.22;杨氏弹性模量范围为(0.58～1.83)×104MPa,平均值为1.34×104MPa。将芦草沟组与四川盆地志留系龙马溪组一段、二段页岩储层样品的杨氏弹性模量-泊松比进行对比发现:芦草沟组杨氏弹性模量整体略低于龙马溪组页岩,泊松比也较龙马溪组更低,整体交会位置大致相当(图13)。

图13 杨氏弹性模量与泊松比交会[16]

表1 泊松比、杨氏弹性模量测试结果

可见,芦草沟组页岩具有良好的天然裂缝网络的发育条件,且利于后期人工压裂造缝,与X射线衍射全岩分析定量测试的脆性指数显示的结果相符。

5 储集空间类型

5.1 孔隙类型及特征

目前,对页岩储层孔隙体系尚未有统一的分类方案,最具代表性的为LOUCKS等[19]和SLATT等[20]提出的方案,前者多从孔隙分布位置进行划分,后者则多从孔隙大小与孔隙成因的角度综合进行划分。

不同分类标准划分出的孔隙类型也不尽相同:按孔隙成因可分为无机孔隙和有机孔隙;按孔隙位置可分为粒间孔和粒内孔,粒内孔通常具有良好的连通性,而粒间孔连通性较差;按孔隙大小可分为微孔隙(长半轴≥0.75μm)和纳米级孔隙(长半轴<0.75μm)[21],吸附态的气体多赋存于纳米级孔隙表面。

扫描电镜统计分析结果(图14)表明:研究区芦草沟组页岩中的孔隙半径最小值为0.08μm,最大值为2.27μm,平均值为0.67μm,标准偏差为0.45;孔隙半径主要分布于0.3～0.7μm。其中,孔隙半径以0.5～0.6μm居多,其次为0.3～0.4μm和0.6～0.7μm。对芦草沟组页岩储层进行微观孔径测试,48个样品中仅有5个样品孔隙属于纳米级孔隙(直径<0.75μm),其余43个均为微米级孔隙,对气体的吸附能力相对较弱。

采用低温氮气吸附法孔径定量测试结合扫描电子显微镜孔隙成像方法可见,所有的芦草沟组样品中,孔隙多为石英、长石、方解石和黏土矿物等颗粒间的微米级孔隙,此外还含少量粒表溶蚀孔和极少的纳米级有机质粒内孔(图14f)。

图14 ZY3井芦草沟组页岩储层孔隙扫描电镜成像结果a 粘土矿物粒间基质孔及粒表溶孔; b 长石颗粒内微米级基质溶孔; c 方解石粒表溶蚀孔; d 黏土矿物絮凝物作用形成的纸房状结构及其渗流通道; e 石英颗粒黏土矿物中的铸模孔; f 纳米级蜂窝状干酪根粒内有机孔

5.2 裂缝类型及特征

研究区经受了多期次复杂的构造作用,在野外露头及岩心中,芦草沟组页岩储层中的宏观裂缝和微裂缝(图15)均极为发育。

图15 芦草沟组页岩储层中裂缝及微裂缝a 有油渗出的裂缝(ZY3井); b 顺方解石脉发育的溶蚀缝(ZY3井); c 砂岩中的缝合线(ZY3井); d 强烈挤压揉皱形成的裂缝(红雁池); e 白云岩透镜体中沥青充填缝(葛家沟); f 砂屑白云岩内微裂缝

宏观裂缝对于气体而言具有双重作用:部分非破坏性宏观裂缝可作为气体运移通道,有利于改善储层、提高储层整体孔隙连通性及渗透率,同时封闭的裂缝空间还能充当有效的储集空间[22],但大型宏观破坏性裂缝,特别是高角度裂缝可导致页岩气的逸散。

据芦草沟组孔隙度和渗透率相关性分析以及铸体薄片显微观察,研究区芦草沟组微裂缝极为发育。芦草沟组页岩储层微观裂缝多为粒间溶蚀缝,页岩气体可呈游离态赋存其中。

通过宏观与微观相结合,以及观察岩心、露头及薄片可知,研究区芦草沟组页岩储集空间类型包括裂缝、微裂缝和微米级基质粒间孔等。而裂缝和微裂缝是页岩储层中气体从吸附态解吸到游离态的主要通道。

结合岩心观察可见,ZY3井中高含气段多为夹于芦草沟组上段黑色页岩中的砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩段及白云岩段,尤其是其中的裂缝、微裂缝发育带,而非富有机质泥岩段。

综上可知,准噶尔盆地东南缘芦草沟组页岩储层的孔隙中,吸附性较强的纳米级有机孔隙较少,多为连通性、吸附性较差的微米级基质粒间孔隙,主要储集空间类型为:裂缝、微裂缝,气体多以游离态赋存。

6 储层发育的影响因素

6.1 矿物组成

岩石矿物组分是影响页岩储集能力及页岩气赋存状态的重要因素。而对于储集空间类型主要为裂缝、微裂缝的芦草沟组页岩储层而言,矿物组成尤其是脆性矿物的含量更是影响该类页岩储层发育的重要因素。

芦草沟组页岩脆性指数平均为66.98%,所有测试样品中90%的样品脆性指数超过了50%,且脆性矿物主要以石英和长石为主。较高的脆性指数对芦草沟组页岩储层中天然裂缝网络的形成和后期诱导人工压裂造缝极为有利。从各类岩相样品的矿物组成可见,含云(含钙)细粒岩屑砂岩相样品中脆性矿物含量可达98%,含炭砂质泥岩相样品中脆性矿物含量可达83%、而含云(含钙)泥岩相及泥岩相样品的脆性矿物含量则相对较低。可见矿物组成主要影响芦草沟组页岩储层的脆性度,而高的脆性度又是影响页岩储层发育的重要因素。

6.2 成岩作用

成岩作用对页岩储层具有强烈的改造作用[23],且主要体现在有机质生排烃程度和页岩矿物组成两方面。

有机孔隙多为纳米级,是由固体干酪根转化为烃类流体而在干酪根内部形成的孔隙(图14)[24-25],其发育程度与有机质热成熟度呈一定的正相关。研究发现:当有机质含量进入成熟阶段开始生排烃时,有机孔隙才开始发育[18]。而芦草沟组干酪根类型以Ⅰ型为主,Ⅱ1型次之,有机质丰度高,TOC平均含量可达4.40%,镜质体反射率为0.62%～1.27%,平均值为0.8%,基本进入成熟阶段。因此认为研究区芦草沟组页岩储层虽然TOC含量高,但有机质热演化程度较低的特征是引起其纳米级有机孔隙极不发育的至关重要因素。

碳酸盐岩胶结作用也是页岩储层极为常见的成岩作用类型(图15b)。根据芦草沟组页岩矿物组分,碳酸盐岩矿物含量相对较高,平均值可达13.11%,其致密的胶结作用极不利于储层孔隙的保存和裂缝的发育。

芦草沟组上段在后生成岩阶段中还形成了黄铁矿等自生矿物,从岩心可见大量顺层分布的黄铁矿(图16)。黄铁矿微球粒内矿物晶间的纳米级孔、微米级孔隙可在一定程度上丰富芦草沟组页岩的储集空间类型[12]。可见成岩作用对芦草沟组页岩储层发育的影响显著,且有利有弊。

图16 芦草沟组上段岩心中顺层分布的黄铁矿(a)及扫描电镜下的黄铁矿微球粒(b)

7 结论

1) 研究认为芦草沟组发育于扇三角洲前缘—前扇三角洲环境,含云(含钙)细粒岩屑砂岩相、含碳砂质泥岩相和含云(含钙)泥岩相等为芦草沟页岩储层中裂缝型储集空间的主要载体,其中的砂体多为粉砂级,薄粉砂或泥质粉砂夹层可为游离气提供大量的裂缝型储集空间,ZY3井显示该岩相组合段为含气量最高的层段。

2) 芦草沟组页岩储层呈特低孔(平均值为0.98%)、特低渗(0～0.1mD)特征,储层孔隙度和渗透率无明显相关性,部分较高孔隙度样品反而具有极低渗透率值,说明孔隙连通性较差;而部分较低孔隙度样品反而具有较高渗透率值,表明样品中微裂缝发育,且渗透率受样品中的微裂缝影响明显。

3) 低温氮气吸附孔径测试和扫描电镜成像显示芦草沟组页岩孔隙多为连通性、吸附性较差的微米级基质粒间孔隙,纳米级孔隙较少,主要储集空间类型为裂缝和微裂缝,气体多以游离态赋存。

4) 芦草沟组页岩的矿物组分多为脆性矿物(其中以石英和长石为主),脆性指数平均值可达66.98%,其泊松比平均值为0.22,杨氏弹性模量平均值为1.34×104MPa,二者交会图显示芦草沟组具有良好的天然裂缝发育条件和一定的可压裂性。

5) 芦草沟组页岩TOC值高,但热演化程度较低,导致储层内具有较强吸附性的纳米级有机孔隙极不发育;碳酸盐岩矿物的高含量不利于孔隙、裂缝的发育和保存;而后生成岩阶段,黄铁矿等自生矿物的形成一定程度上丰富了芦草沟组页岩储集空间类型,提升其整体储集能力。因此认为矿物组成和成岩作用是芦草沟组页岩储层特征的主要影响因素。

6) 从北美以及四川盆地涪陵、威远、长宁等地区海相页岩气的成功开发经验可知,页岩储层研究在页岩气勘探开发中至关重要。本文对芦草沟组页岩储层特征、储集空间类型及含气性特征等进行了较为系统的研究分析,可为准噶尔盆地页岩气勘探开发工作提供较好的理论依据,对我国西北地区陆相页岩储层的评价研究也具有一定的参考意义。