南川地区QQ-1井龙马溪组下部页岩储层有机质发育特征精细表征

杨玉娟

(濮阳职业技术学院 能源与化学工程学院,河南 濮阳 221116)

0 引言

四川盆地广泛发育五峰组—龙马溪组海相页岩储层,构成了1套分布广泛且具有一定厚度的页岩储层[1],该储层现已形成商业化开发产能,是我国页岩气资源开发量的主要贡献者[2-3]。随着对四川盆地五峰组—龙马溪组海相页岩储层特征及页岩气成藏机理研究的不断深入,学界及工业界对页岩储层的非均质性逐渐得到认识,如何在具有较强非均质性特征的页岩地层中,精准找出优质页岩储层,进而指导页岩气的开发生产,实现降本增效[4-6],成为亟待开展深入研究的热点问题。页岩储层矿物组分极为细小[7],微观储集空间主要发育在纳米尺度[8],储层物性与含气性的影响因素较为复杂[9],对储层开展精准评价,需要基于对页岩储层的精细表征[4-5]。有机质发育特征是页岩气储层含气性的关键影响因素,是页岩成为储层和开发目标层的基础,也贡献了页岩储层主要的微观储集空间,对页岩储层的精细评价离不开对有机质发育特征的精细研究[5,10]。随着中浅层页岩气资源的不断衰竭,页岩气接续资源潜力将主要在深层页岩气储层及复杂地质区寻找,勘探开发成本不断提高,对储层精细评价预测的要求也明显更高,因此亟待开展更加精细的有机质发育特征研究,为储层精准评价、实现降本增效提供科学支撑。

由于页岩储层有机质在生烃、成孔等作用过程中起着重要作用,精细的页岩储层有机质发育特征研究将为储层成藏机理、物性控制影响因素以及含气性预测等提供重要支撑。目前对页岩储层的精准评价主要是从古地理—沉积环境的宏观角度进行研究[1,3-4,6-7],或按照现有评价参数体系对储层进行室内分析测试及数据收集[5,8-10],从精细有机质发育特征角度开展储层精细表征评价支撑依据专门研究的还相对较少。重庆地区是我国页岩气商业化开发的关键区域之一。该文以重庆南川地区QQ-1井龙马溪组下部优质页岩储层为例,通过观察与实验测试分析,探明研究区优质页岩储层的有机质类型、有机质丰度与热演化程度、有机质赋存状态以及小尺度岩石结构内有机质的分布特征等,明确优质页岩储层层段的有机质发育特点,讨论其对储层物性及含气性的影响,为研究区页岩精细勘探工作提供参考。

1 实验样品与测试方法

实验研究样品均采自南川地区QQ-1井龙马溪组下部页岩储层,样品均为黑色碳质页岩,部分断面可以观测到笔石化石,普遍发育有少量黄铁矿。共取样品5块,由下部向上编号为Q1～Q5,5块样品间隔1 m取样,用以对层段的有机质发育综合特征进行表征。

对页岩储层有机质特征的表征与研究主要采用了有机碳含量测试,干酪根显微组分观测,干酪根碳同位素含量测试,高分辨率显微镜薄片观测,有机质扫描电镜及能谱测试,以及氩离子抛光-场发射扫描电镜观测等方法。其中,有机碳含量测试用于表征有机质含量的多少,干酪根显微组分观测和干酪根碳同位素含量测试用于表征有机质类型,高分辨率显微镜薄片观测、有机质扫描电镜及能谱测试用于观察分析有机质的赋存状态以及在小尺度岩石结构内的分布特征,氩离子抛光-场发射扫描电镜观测用于观察有机质内部的纳米级孔隙。

2 储层有机质特征

2.1 有机质类型

由于沉积环境的差异,页岩储层中的有机质主要来源于陆源或水体自身,有机质类型可以划分为腐泥型、腐植腐泥型、腐泥腐植型或腐植型,划分标准见表1。研究区龙马溪组页岩有机质原始母质主要为海相沉积环境中的藻类、浮游动物和细菌等[11]。不同沉积环境中有机质的生物来源、组成和结构有很大的差异,其成烃潜力与成烃方向也不同,只有全面认识有机质的丰度和类型,才能客观地认识储层有机质相关物性与影响含气性的能力与性质。常用的有机质鉴别方法包括基于元素组成识别的判别法、显微组分鉴别法、依据岩石热解参数来源的划分方法以及依据生物来源的划分方法等。对于研究区海相页岩高成熟度有机质而言,许多方法鉴别准确度会大大降低,而干酪根显微组分和干酪根碳同位素含量特征是判别研究区海相页岩高成熟度有机质的有效方法。依据沉积环境及古地理条件,可以粗略的将不同生物来源分为腐殖质与腐泥质,据四川盆地龙马溪组沉积时期的古地理格局可知,研究区的龙马溪组下部页岩储层发育于深海陆棚环境,古地理环境控制了有机质的富集条件(如图1所示[12]),储层有机质主要来源于水生浮游生物,有机质母质以水生生物为主,富含氢元素和氮元素,有机质类型主要为Ⅰ型腐泥质。

图1 四川盆地五峰组—龙马溪组之交(观音桥段)的三维古地形Fig.1 Three-dimensional pale topographic map of the transient period between Wufeng Formation-Longmaxi Formation (Guanyinqiao Section) of Sichuan Basin

表1 页岩储层有机质类型Table 1 Types of organic matter in shale reservoirs

在显微镜下观测光片的光性特征和成因特征,光性特征包括透色光、反射性、荧光性、突起和轮廓等特征,成因特征包括显微组分的形态、结构以及光性特征所反映的改造变化等。图2所示为扫描电镜下的有机质形貌及能谱测试结果。在光片下观测有机质,发现有机显微组分主要以无定形类为主,在反射光下见较粗糙的表面,不显突起,荧光较强,扫描电镜下则呈团块状(如图2a所示),其对应能谱如图2b所示。

图2 扫描电镜下的有机质形貌及能谱测试结果Fig.2 Test results of organic matter morphology and energy spectrum under SEM

2.2 有机质丰度与热演化程度

有机质的丰度是进行页岩储层评价以及判断页岩是否为优质储层的关键指标之一。QQ-1井代表性页岩储层样品的有机碳含量测试结果表明,测试样品TOC均大于2%,指示有机碳含量相对较高,且有机碳含量由储层上部向下呈现了相对增高的趋势。海相页岩储层中缺乏陆源高等植物源镜质体组分,基质中有机质组分主要为腐泥体,当腐泥体反射率为1.60%～3.00%时,应用下式进行换算[13],换算见表2。

表2 QQ-1井龙马溪组下部页岩储层样品有机碳含量Table 2 Organic carbon content of shale reservoir samples in the lower Longmaxi Formation in well QQ-1

等效海相镜质组反射率=2.092×基质腐泥体反射率-1.079根据泥质气源岩有机质含量下限标准[14],QQ-1井龙马溪组页岩储层样品有机质热演化程度较高,处于过成熟阶段。这样的热演化程度促使有机质大量生烃并形成孔隙,有利于优质页岩储层的发育。

2.3 有机质赋存状态

通过扫描电镜及能谱测试、氩离子抛光-场发射扫描电镜观测等方法观察QQ-1井龙马溪组下部页岩储层样品的有机质赋存状态,结果如图3所示。

图3 页岩储层样品有机质赋存状态的电镜观测Fig.3 Electron microscope observation of occurrence state of organic matter in shale reservoir samples

图3观察结果表明,在常规扫描电镜下,通过样品观测断面,可以观测到呈团块状的有机质,赋存于黏土矿物及脆性矿物形成的矿物骨架结构中,其团块颗粒粒径相对较大(如图3a所示);在更高精度的氩离子抛光-场发射扫描电镜观测视域下,在储层样品的切断面中,还可以发现赋存于黏土矿物、脆性矿物间或分布于微裂隙中的固体沥青态有机质,内部有机质孔隙极为发育(如图3b所示),其赋存尺度更加细小(如图3c所示)。此外,龙马溪组下部页岩储层中普遍发育的莓状黄铁矿微晶间也发育有有机质[15],为储层微观储集空间的发育做出了正贡献,层理面间也赋存有笔石化石残余有机质(如图3d所示)[16]。总体来看,储层有机质赋存状态主要包括团块状有机质、固体沥青态有机质、莓状黄铁矿微晶间有机质和笔石化石残余有机质等,这些共同贡献了储层的总有机质含量。

2.4 小尺度岩石结构内有机质分布特征

页岩储层小尺度非均质性极强,探索有机质在小尺度岩石结构内的分布特征,可以为优质储层预测提供支撑。受到海相沉积环境影响,龙马溪组页岩储层主要发育水平层理以及粉砂质纹层等沉积构造[17]。一般来说,龙马溪组沉积初期富笔石水平层理发育,至中后期粉砂质纹层和夹层沉积构造取代水平层理成为主要发育的小尺度沉积构造[12]。研究表明,受到沉积条件及有机质富集保存条件相对差异的影响,不同的小尺度沉积构造其内部的有机质发育特征存在显著差异,这成为判别储层有机质发育品质的一项依据[1,12]。基于高分辨率显微镜薄片,观测小尺度岩石结构内有机质的分布特征,代表性的显微镜观测视域如图4所示。结果表明,有机质在小尺度岩石结构内的分布明显受到了沉积构造的控制,在宏观尺度上受到了纹层或夹层物质组分不均一的影响,在微观尺度上显示了更强的物质组分分布非均一性,微观非均质性极为强烈[17-18]。图4a所示为粉砂质-泥质层理,层理面间由于存在微裂隙而被部分方解石充填,有机质、黏土矿物和脆性矿物的分布显著受到了层理影响;图4b 所示为粉砂质夹层,体现了水动力相对变强而影响有机质的聚集;图4c则为页岩水平层理,可以观察到沿水平层理方向出现的粒度分带;图4d所示为相对上部样品,显示了显著的物质组分分异现象,不同纹层段间有机质含量存在显著差异。

图4 页岩储层样品小尺度岩石结构内有机质分布特征Fig.4 Distribution characteristics of organic matter in small-scale rock structure of shale reservoir samples

由不同层段的有机质含量测试结果可知,水平层理发育层段有机质含量显著更高,微观观测结果显示有机质微观赋存状态多为固体沥青态有机质,而粉砂质纹层发育的增强,则代表水动力环境产生变化,沉积速率加快。水动力条件的增强在一定程度上破坏了有机质富集与保存的有利条件,而导致粉砂质纹层段发育的页岩储层有机质含量相对下降,且在这些层段内由于物质分异作用,粉砂质微纹层与泥质微纹层有机质的显微赋存状态与含量存在显著差异[17],图5所示为不同沉积构造下的纳米尺度有机质分布特征。对水平层理发育层段与粉砂质纹层发育层段有机质含量进行对比发现,水平层理相对发育层段页岩的有机质含量更高(TOC=2.94%),矿物呈现显著定向性;而粉砂质纹层段矿物粒度相对更大,有机质含量则相对降低(TOC=2.15%)。因此,由于页岩储层小尺度沉积构造对有机质分布与含量的控制作用,可以通过对小尺度沉积构造的精细表征,为预测页岩储层有机特征品质的优劣提供一定支撑。

3 有机质表征与储层精细评价

有机质是页岩储层成藏成储的关键,对有机质发育特征的深度了解和精细刻画,有助于科学构建储层精细评价指标体系和评价方案[19]。对QQ-1井的研究表征表明,其下部储层宏观观察岩性较为均一,变化不大,主要为黑色碳质页岩和碳质粉砂质泥岩,但微观非均质性极强,物质组分在微观的强烈分异导致有机质的空间分布和赋存状态也存在显著的小尺度非均质性。页岩储层孔隙主要为次生孔隙,形成于储层成岩作用过程中[20],QQ-1井龙马溪组下部页岩储层样品有机碳含量相对丰富,沉积期有利的古地理格局与水体沉积环境,为有机质的富集提供了良好的环境,同时影响了页岩储层中有机质的丰度,并对储层中生物源硅质的含量有关键控制作用[21-22]。沉积环境与沉积条件控制下也形成了储层层段不同的沉积构造,在小尺度沉积构造的控制下,有机质的微观分布受到了沉积构造类型和特征的影响,呈现出空间分布的非均质性[17]。页岩储层有机质热演化达到过成熟阶段,但尚未达到极低级变质作用阶段,这样的热演化程度,使有机纳米孔隙大量发育,而没有被过高的储层热演化过程破坏,从而在充分生烃的过程中保留了大量的有机孔隙,使储层兼具较好的孔隙性和含气性。同时,由于前述有机质保存-演化过程对有机孔隙和生物源硅质的协同作用,也使富有机质层段同时具有良好的孔隙性以及力学脆性,进而在储层成岩演化过程中形成了抵抗压力破坏和保护孔隙的作用[23-24]。

有机质及其演化在很大程度上决定了页岩储层的品质[25]。首先,有机质通过热演化生烃,为页岩储层提供了页岩气来源,加之页岩气自生自储的特点,有机质含量的差异导致了其影响不同层段的储层含气性;其次,在有机质热演化生烃过程中,孔隙得以大量发育,形成丰富的有机质纳米孔隙[26-27],在有机质含量相对丰富的层段,可以通过有机质内部的纳米孔隙相互连通而形成孔隙网络,增强储层的微观渗流能力[28]。但是需要注意的是,有机质热演化程度过高会导致有机质物质组分不具有抵抗外界应力的能力,进而造成对孔隙的破坏;在这个过程中有机质的赋存状态也与孔隙的保存能力相关,如固体沥青态有机质可以在储层演化过程中进行短距离运移,充填至微裂隙和矿物间孔隙中,进而对古孔隙网络形成保护作用[29]。因此,适宜的演化程度也是页岩储层品质评价的重要依据。有机质的演化还会在储层成岩作用过程中影响其他物质组分的演化,热演化产物对储层矿物溶蚀作用或矿物转化的进程具有显著控制作用,是参与储层物质组分协同转化的重要类型[30]。此外,受沉积环境与沉积条件的影响,有机质的分布在不同层段呈现出显著差异[31],在水平层理发育层段,有机质多分布在基质中的石英脆性矿物间以及层理面间,这些位置或易于通过储层压裂形成微裂隙-孔隙渗流通道,或本身就处于连通性相对较好的位置,且在地层条件下,水平层理发育层段又具有极好的自封性能[32],使这样的层段同时具有良好的页岩气释放潜力以及地层条件下的含气性能,进而具备“高产”地层的关键属性特征。表3所示为研究区龙马溪组页岩优质储层有机质精细评价指标及特征,进一步明确了进行优质储层有机质特征评价的指标及其他条件。如相对较高含量的有机质层段还需要同时富含生物源硅质或其他脆性矿物;有机质热演化程度高-过成熟为最佳,但需要处于未达到极低级变质作用阶段,且无强烈构造破坏作用;有机质赋存以古孔隙-微裂隙网络充填有机质或层理基质富集有机质为最佳,且一般可以观察到莓状黄铁矿较为发育;优质储层层段有机质类型主要为基质中的团块状、颗粒状有机质以及固体沥青态有机质;层段常同时在层理面间发育笔石有机质,优质储层层段沉积构造一般为水平层理或富有机质泥质纹层。

表3 页岩优质储层有机质精细评价指标及特征Table 3 Fine evaluation indexes and characteristics of organic matter of shale high-quality reservoir

有机质与储层孔隙性、物性及含气性内在机理的认识,可以为通过有机质特征刻画进行更加精细的储层评价提供依据。由于有机质在泥页岩沉积物演化为储层过程中的关键作用,这样的地层评价也更加科学合理,因此,对页岩储层的精细刻画,需要深化对有机质发育特征与演化机理的认识,从而指导储层精细评价工作的科学开展。

4 结论

1)QQ-1井龙马溪组下部页岩储层样品有机碳含量普遍高于2%,等效海相镜质组反射率为3.82%～3.98%,热演化程度处于过成熟阶段,但尚未达到极低级变质作用阶段。

2)QQ-1井龙马溪组下部页岩储层有机质赋存状态主要包括团块状有机质、固体沥青态有机质、莓状黄铁矿微晶间有机质及笔石化石残余有机质等,有机质在小尺度岩石结构内的分布显著受到了沉积构造的控制。

3)有利的古地理格局与水体沉积环境有助于有机质与生物源硅质的富集,有利于形成储层良好的孔隙性以及力学脆性,其形成的特定沉积构造影响了有机质的微观分布,较为丰富的有机质含量与适宜的热演化程度,有助于有机质相关纳米孔隙发育形成微观储集空间,有助于储层优质孔隙性、渗透性及含气性的耦合发育。

4)有机质是页岩储层成藏成储的关键,对有机质发育特征的深度了解和精细刻画,有助于科学构建储层精细评价指标体系和评价方案,可为进一步精细化储层评价方案提供支撑。