莱阳凹陷水南组页岩气储层特征及可压性分析

高兵艳

(山东省第一地质矿产勘查院，山东省富铁矿勘查技术开发工程实验室，山东 济南 250110)

0 引言

近来，国际油价不断攀升，能源供给压力日益增大[1-2]，作为常规能源的重要补充，页岩气的作用逐渐显现，在中国南方页岩气已实现规模性商业开发[3-6]。山东省是中国的资源大省，常规油气资源丰富，非常规能源调查业已开展，但页岩气压裂开采工作至今尚未实施。莱阳凹陷是山东省中生代暗色泥页岩最为发育的凹陷盆地之一。以往对莱阳凹陷水南组开展过沉积相、页岩气生储条件、页岩气资源潜力、储层含气性等研究工作[7-10]，尚未对水南组页岩气储层改造性能进行评价或探讨。本次在分析莱阳凹陷水南组页岩气储层岩性和有机地化特征基础上，对泥页岩裂缝发育特征、岩石脆性、可压性进行分析，结果表明莱阳凹陷水南组泥页岩宏观裂缝和微裂缝发育、岩石脆性矿物含量高、脆性指数评价为岩石脆性很强，具有较好的可压性，有利于人工压裂形成网状体积裂缝，研究结果对水南组页岩气储层压裂具有借鉴意义。

1 地质背景特征

山东省暗色泥页岩主要发育在古生界、中生界和新生界中，其中，中生界暗色泥页岩以胶莱坳陷的莱阳凹陷水南组最为发育[11-13]。莱阳凹陷位于大野头凸起和胶北凸起之间，为一中生代残留陆相沉积盆地，整体形态为一南断北超型箕状盆地，南以五龙村断裂与大野头凸起相接，东侧以桃村-东陡山断裂为界，西侧边界为莱西断裂，向北超覆于胶北隆起之上(图1)。

1—第四系；2—白垩纪王氏群；3—白垩纪莱阳群水南组；4—白垩纪青山群；5—古元古代荆山群；6—中细粒含角闪英云闪长质片麻岩；7—潜英安斑岩；8—疏粗斑中粒含角闪二长花岗岩；9—地质界线；10—构造界线；11—断裂；12—钻孔及编号

莱阳凹陷水南组岩性以灰黑色、深灰色泥页岩为主，夹粉砂质页岩、粉砂岩和薄层细砂岩，显示还原条件下暗色色调沉积特征，为半深湖―深湖相沉积，水南组岩石中含丰富的动植物化石，水南组暗色泥页岩发育厚度为200～443m，泥地比大于70%，暗色泥页岩含丰富有机质。

2 页岩气储层特征

2.1 有机地化特征

有机碳含量是评价泥页岩生烃质量的重要指标，获取莱阳凹陷莱孔2、ZK1、ZK2、ZK8-ZK10水南组泥页岩有机碳样品23件(表1)，有机碳含量为0.17%～2.92%，平均值为1.38%；其中有机碳含量小于0.4%的样品2件，0.4%～0.6%的2件，0.6%～1.0%的3件，大于1.0%的16件(图2)；从有机碳含量分析水南组以好烃源岩为主，具备页岩气形成的物质基础。

图2 水南组泥页岩有机碳含量范围分布图

表1 莱阳凹陷水南组有机碳丰度一览表

生烃潜量是表征岩石中能够生成但还未生成烃类物质的最大量，获取莱阳凹陷水南组剖面和钻孔样品38件，生烃潜量为0.01～23.03mg/g，平均值为4.42mg/g；其中小于0.5mg/g样品11件，0.5～2.0mg/g样品6件，2.0～6.0mg/g样品12件，大于6.0mg/g样品9件；从生烃潜量分析水南组以较好烃源岩为主，说明具备较好的生烃能力。

干酪根类型一般采用三类四分法，其中Ⅰ型干酪根也称腐泥型干酪根，生油气潜能最高[14-15]，Ⅱ型(分为Ⅱ1型和Ⅱ2型)干酪根也称混合型干酪根，生油气潜能中等，Ⅲ型干酪根也称腐殖型干酪根，以生气为主。在莱孔2、莱参1、ZK2、ZK8中获取莱阳凹陷水南组干酪根样品26件，其中Ⅰ型干酪根8件，Ⅱ型干酪根11件(其中Ⅱ1型8件和Ⅱ2型3件)，Ⅲ型干酪根7件；水南组干酪根以Ⅱ型为主，Ⅰ型次之，说明其具有较好的油气生成潜能。

镜质体反射率反映了有机质的演化程度，一般认为镜质体反射率小于0.50%为未成熟；0.50%～1.30%为成熟阶段，以油气共生为主。大于1.30%为过程成熟阶段，以大量生气为主[16-19]。莱阳凹陷水南组镜质体反射率值为0.54%～1.45%，19件镜质体样品中反射率0.70%～1.30%之间15件(占79%)，大于1.30%有4件，说明莱阳凹陷水南组烃源岩以油气共生为主，局部进入大量生气阶段。

2.2 裂缝发育特征

裂缝发育程度直接影响着储层压裂改造性能和后期产能[20-21]。水南组宏观裂缝系统较为发育，以小型裂缝为主，主要发育构造裂缝、溶蚀裂缝，裂缝多被方解石充填。靠近断裂位置，构造裂缝明显增多，以剪切裂缝为主，局部为张裂缝。微观裂隙肉眼难以辨认，在光学显微镜下显示微裂缝发育，长短不一，一般延伸长度大于500μm，宽度为5～20μm不等，裂缝见方解石充填(图3a、图3b)。

扫描电镜显示水南组泥页岩微观裂缝类型主要为外力作用下形成的外生裂隙及颗粒间裂隙，长度从几微米到几百微米，裂缝宽度一般在0.5～2μm之间，其中外生裂隙往往穿过多个颗粒，呈笔直状，很少分叉。颗粒间裂隙分布于颗粒周围，为颗粒与周围矿物的接触界线，且主要发育在有机质颗粒和石英周围，为颗粒在后期成岩过程中基质收缩所致。根据成因可分为构造微裂缝、卸载微裂缝、溶蚀微裂缝和收缩微裂缝等(图3c、图3d)。

a、b—光学显微镜下裂缝发育特征;c—扫描电镜下溶蚀微裂缝；d—扫描电镜下收缩微裂缝

3 矿物成分

3.1 脆性矿物

脆性矿物含量对页岩气储层的改造、压裂难易程度有直接影响[22-25]，因此，脆性矿物含量也是页岩气储层评价的重要参数之一。《页岩气资源储量计算与评价技术规范》(DZ/T0254—2014)要求页岩气储层脆性矿物不低于30%。

莱阳凹陷水南组15件X-衍射全岩矿物成分分析显示，水南组泥页岩脆性矿物主要由白云石、石英、斜长石、钾长石、方解石、黄铁矿组成，脆性矿物总含量为75.2%～94.1%，平均含量为84.9%。白云石含量为13.4%～59.6%，平均含量为33.7%，石英含量为9.4%～30.0%，平均含量为20.9%，斜长石含量为2.5%～32.5%，平均含量为15.3%，钾长石含量为3.0%～16.0%，平均含量为5.9%，方解石含量为0～45.2%，检出样品平均含量为12.2%，黄铁矿含量为0～5.0%(图4)，检出样品平均含量为3.6%。

1—石英；2—钾长石；3—斜长石；4—方解石；5—白云石；6—黄铁矿；7—黏土矿物

莱阳凹陷水南组泥页岩脆性矿物含量最小值为75.2%，说明水南组泥页岩脆性矿物含量较高，从脆性矿物含量来看有利于储层的压裂改造。

3.2 黏土矿物

莱阳凹陷水南组泥页岩中黏土矿物含量为5.9%～24.8%，平均含量为15.1%，15件X衍射黏土矿物成分分析显示，黏土矿物以伊利石和伊/蒙混层为主，部分样品检出高岭石和绿泥石。伊利石含量为35%～84%，平均含量为59%，伊/蒙混层含量为16%～60%，平均含量为39%，高岭石含量为0～10%，检出样品平均含量为3%，绿泥石含量为0～7%，检出样品平均含量为2%。样品中未检出水敏性最强的黏土矿物蒙脱石[26]，说明水南组泥页岩利于后期压裂改造。

3.3 脆性指数

储层的岩石脆性一般用脆性指数来衡量，传统岩石脆性指数计算方法仅以石英含量进行计算[27-28]，近年来学者认为泥页岩中的长石、黄铁矿等对岩石脆性也有贡献作用，进而改进以石英、长石、黄铁矿计算岩石脆性指数，使之更加切合实际。

改进岩石脆性指数(BI2法)计算公式为：

(1)

式中：BI2—岩石脆性指数(以石英+长石+黄铁矿含量计，%)；V石英+长石+黄铁矿—石英含量+长石含量+黄铁矿含量(%)；V碳酸盐矿物—碳酸盐矿物含量(%)；V黏土—黏土矿物含量(%)。

BI2法计算水南组脆性指数为28%～63%(表2)，全部属脆性很强。BI2法已被学者们所认可[29-33]，并在我国南方页岩气储层评价实践中得到证实，因此莱阳凹陷水南组泥页岩脆性评价为脆性很强。

表2 莱阳凹陷水南组脆性指数计算表

4 可压性探讨

莱阳凹陷水南组为半深湖—深湖相沉积，岩性以灰黑色、深灰色泥页岩为主，夹粉砂质页岩、粉砂岩和薄层细砂岩，泥页岩发育厚度为200～443m，泥地比大于70%，泥页岩中主要发育构造裂缝、溶蚀裂缝等宏观裂缝，构造微裂缝、卸载微裂缝、溶蚀微裂缝和收缩微裂缝等微观裂缝，易于在外力的诱导下形成网状体积裂缝。水南组脆性矿物总含量为75.2%～94.1%，脆性矿物含量高，黏土矿物含量小于24.8%，且不含水敏性最强的黏土矿物蒙脱石，易于页岩气储层的压裂改造。

综合分析莱阳凹陷水南组泥页岩宏观和微观裂缝发育、脆性矿物含量高、脆性指数评价储层岩石脆性很强，认为莱阳凹陷水南组泥页岩具有较好的可压性，利于人工改造、压裂，形成人造网状缝。

5 结论

(1)莱阳凹陷水南组发育较厚的泥页岩，有机碳含量0.17%～2.92%，平均值为1.38%，生烃潜量为0.01～23.03mg/g，平均值为4.42mg/g；干酪根以Ⅱ型为主，Ⅰ型次之；镜质体反射率为0.54%～1.45%；水南组泥页岩具备页岩气生成的物质基础、较好的生烃能力、主体已演化至油气共生阶段，局部进入大量生气阶段。

(2)水南组泥页岩中宏观裂缝和微裂缝均发育，裂缝之间具有一定的联通性和相接性，易于在压裂改造时形成诱导网状体积裂缝，提高页岩气产能。

(3)水南组泥页岩脆性矿物含量为75.2%～94.1%，脆性矿物含量高，利用改进岩石脆性指数评价，水南组泥页岩脆性指数为28%～63%，岩石脆性很强，说明水南组泥页岩脆性和可压性均较好，利于后期人工压裂和储层改造，为莱阳凹陷水南组页岩气储层压裂改造提供的借鉴。