鄂尔多斯盆地西缘奥陶系乌拉力克组海相页岩气储层甜点分类评价

张琳琳,王孔杰,赖枫鹏,郭 伟,苗丽丽

1.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083;2.非常规天然气能源地质评价与开发工程北京市重点实验室,北京 100083;3.中国石油 川庆钻探工程有限公司 长庆井下技术作业公司,西安 710016;4.中国石油 长城钻探工程有限公司 地质研究院,辽宁 盘锦 124010;5.中国地质大学(北京),北京 100083

我国埋深4 500 m以浅页岩气可采资源量约22×1012m3,2022年我国页岩气产量达到240×108m3,涪陵、长宁—威远和昭通国家级海相页岩气示范区开发技术的提升,有力支撑了页岩气产量的增长[1-8]。甜点评价是页岩气实现高效勘探开发过程中的关键工作,系统分析不同参数对页岩气甜点的影响,明确地质甜点和工程甜点的主要特征,以及构建甜点分级分类评价体系,均有助于提高甜点评价效果。目前,国内外学者主要通过建立评价模型[9-13]和分级分类评价标准[14-18]两种方法,进行页岩气甜点评价研究。在评价模型研究方面,主要有应用地球物理方法完成甜点评价指标优选[19-20]、使用“甜点”核心参数分析法进行核心参数指标判别[21]、利用多元参数拟合和层次分析法确定甜点参数与指标参数拟合[22]等;在分级分类评价标准方面,前人在评价模型研究的基础上,增加甜点评价指标[23-25]及主控指标的筛选[26],建立了页岩气甜点评价体系。

虽然关于页岩气甜点评价的方法越来越多样,考虑到的参数范围也越来越广泛,但缺乏对不同参数与页岩气甜点评价关系的分析,且各参数之间的相关性较强,而大部分研究都是根据地质甜点参数和工程甜点参数分类进行分级评价,很少根据地质甜点和工程甜点的主要特征进行关系相近性参数的细分类。鉴于此,以鄂尔多斯盆地西缘某中高成熟度海相页岩气储层为研究对象,通过岩石薄片分析、X射线衍射、SEM扫描电镜、低温氮气吸附、等温吸附、总有机碳(TOC)含量、有机质镜质体反射率(Ro)和三轴岩石力学测试8个实验,明确不同参数对甜点评价的影响。同时,根据页岩储层地质甜点的吸附性能和储集性能两个典型特征,以及工程甜点的可压性特征,进行不同特征对应的参数指标细分类,初步建立鄂尔多斯盆地海相页岩气储层地质甜点和可压性甜点的分类分级评价方案,并根据建立的方案对研究区进行甜点评价分析。

1 目标区域概况

鄂尔多斯盆地是我国北方主要的页岩气开发潜力区之一,处于多个构造单元的交接处(图1)[27]。盆地西部地区面积大约为5×104km2,在后期构造运动的影响下,褶皱逆冲强烈,变形更为复杂,与中东部的沉积特征表现明显不同。研究区位于盆地西缘底部,地层发育从早奥陶世早期到中晚奥陶世,由于此期间鄂尔多斯盆地内部构造及沉积差异演化的显著性越来越高,导致研究区在演化过程中发生大幅沉降,沉积了一套中晚奥陶世泥页岩[28]。目的层为乌拉力克组,位于下古生界奥陶系,厚度可达1 200 m[29],具有低孔高渗、微裂缝和水平层理发育的特征。乌拉力克组普遍含气且存在局部富集,因此依据甜点评价方案明确其甜点分布,对鄂尔多斯盆地海相页岩气的勘探开发具有重要意义。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划及研究区位置[27]

2 实验样品及步骤

2.1 样品准备

实验样品为鄂尔多斯盆地西缘某海相页岩气储层钻井岩心,取自2 861.90、2 864.43、2 864.90 m深度各两块,分别命名为R1、R2、R3、R4、R5、R6。各个样品的孔隙度和渗透率如表1所示,样品整体表现为低孔低渗特征。

表1 实验样品孔渗数据

2.2 实验步骤

岩石薄片分析测试按照行业标准《岩石薄片鉴定:SY/T 5368—2016》[30],依次对岩石标本进行肉眼观察、颜色描述、致密度分类、构造描述、岩性分类及宏观结构构造观察等。X射线衍射实验流程参照行业标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法:SY/T 5163—2018》[31]。SEM扫描电镜测试流程按照行业标准《岩石样品扫描电子显微镜分析方法:SY/T 5162—2021》[32]执行。低温氮气吸附测试参照国家标准《气体吸附BET法测定固态物质比表面积:GB/T 19587—2017》[33]。总有机碳测定实验流程参照国家标准《沉积岩中总有机碳测定:GB/T 19145—2022》[34]。等温吸附实验流程参照国家标准《页岩甲烷等温吸附测定方法第2部分:重量法:GB/T 35210.2—2020》[35]。有机质镜质体反射率测试流程参照行业标准《沉积岩中镜质体反射率测定方法:SY/T5124—2012》[36]。三轴岩石应力测试流程参照行业标准《岩石物理力学性质试验规程第20部分:岩石三轴压缩强度试验:DZ/T 0276.20—2015》[37]。

3 实验结果分析

3.1 岩石学特征

3.1.1 岩石薄片分析

岩石类型以灰褐色泥页岩为主,主要由泥质组成,其次为粉砂质石英、铁白云石和有机质条带等,含有少量黄铁矿,其中泥质物约占岩石总体积的95%,粉砂质颗粒约占4%,颗粒粒径约为0.01～0.02 mm。实验观察结果如图2所示,在R1—R4不同深度样品中均有混杂分布的石英颗粒和铁白云石颗粒(图2b,d),位于储层下部的R3样品可见灰黑色零散分布的黄铁矿(图2a),约占岩石总体积的1%,说明同一井区储层的泥质含量会随着深度的改变表现出差异。除此之外,在储层上部的R1样品中可以观察到明显顺层排列分布的有机质条带(图2c)。

图2 光学显微镜下的矿物分布

3.1.2 矿物组成

X射线衍射实验结果(图3)表明,储层矿物组分按含量由高到低依次为石英和黏土矿物、碳酸盐岩矿物、长石类矿物;根据国内岩石脆性指数公式(公式1)计算得到目标区脆性指数为36.23%～50.89%,平均为44.19%,达到国家标准《海相页岩气勘探目标优选方法:GB/T 35110—2017》规定的脆性较大的标准[38],脆性矿物含量高,为勘探甜点区优选、储层实施压裂改造及人工裂缝的形成提供了重要前提保证。

图3 X射线衍射实验矿物含量

(1)

式中:BI为脆性指数,单位%;mqua为石英含量,单位%;mcla为黏土矿物含量,单位%;mcar为碳酸盐岩矿物含量,单位%。

储层黏土矿物组成主要为伊利石和伊蒙混层,其次为绿泥石,蒙皂石最少(图4),不同深度样品表现相似。黏土矿物对页岩气吸附能力的大小主要取决于伊蒙混层和高岭石[39],对页岩气储集能力的影响程度主要受控于伊利石和高岭石[40]。研究区样品的伊利石和伊蒙混层含量较高,平均含量分别为50.50%和28.83%,因此该储层在利于压裂改造的情况下,其吸附性能和储集能力也较好。

图4 X射线衍射实验黏土矿物含量

3.2 微观孔隙结构特征

3.2.1 扫描电镜实验

从实验结果(图5)可以看到,不同深度的样品均发育粒内孔、粒间孔及黏土矿物层间孔3种孔隙类型,少见有机质孔。其中,黄铁矿晶间孔占粒内孔比例最大(图5c,f),呈草莓状或裙带状分布,多以介孔为主,在分散的黄铁矿晶体间可见少量孤立或聚集分布的不规则有机质孔;粒间孔(晶间孔)里宏孔占比居多,存在于碎屑颗粒间和一些未被有机质与黏土充填的晶体间(图5a,e),多呈不规则状分布;黏土矿物层间孔大多呈窄条状分布,长度在几微米到几十纳米之间,被有机质充填(图5b,d),同时具备黏土矿物的吸附及储集性能。整体上看,研究区发育的孔隙类型丰富,孔径多以介孔为主,储层的吸附能力和储集能力俱佳。

图5 样品扫描电镜实验结果

3.2.2 低温氮气吸附实验

通过低温氮气吸附实验,研究储层的孔隙体积和孔比表面积特征。实验得到的微孔孔径分布如图6所示,样品的孔隙体积分布均表现为“双峰”特点,峰值对应的孔径分别为2～4 nm和35～61 nm。根据BET和BJH方法计算得到平均孔径(表2),深度较小样品R1、R2的平均孔径相对较大,但总体上表现为介孔(2～50nm)占比最大,有利于页岩气的储集。BET比表面解释表明(表2),深度较大样品R3—R6的孔比表面积大,为16.83～19.66 cm2/g,深度较小样品R1、R2的孔比表面积小,为13.46～15.37 cm2/g。

表2 低温氮气吸附测试孔径解释结果

图6 微孔孔径分布

实验结果表明,孔径越小的样品其孔比表面积越大。孔径决定了页岩气的储集能力,孔比表面积是页岩气吸附性能的主控因素。研究区不同深度表现出的孔径、孔比表面积虽然略有不同,但整体上都利于页岩气的吸附和储集,具有甜点开发区的良好特征。

3.3 储层地球化学特征

3.3.1 总有机碳含量与等温吸附测试

总有机碳含量测定结果(表3)表明,研究区深度大样品的总有机碳含量值较深度小样品略大,整体上有机质含量平均为1.005%。根据我国页岩气资源/储量计算与评价技术规范[41],总有机碳含量1%以上的页岩储层即具有生烃潜力,研究区储层虽有机质丰度较低,但为有效海相烃源岩,可以生烃。

表3 样品总有机碳含量测定和等温吸附实验数据

根据等温吸附测试结果(表3),兰氏体积平均为1.11 m3/t,表明该区域吸附能力较强;兰氏压力平均为13.65 MPa,页岩气吸附量增加主要集中在高压区段;吸附相密度平均为0.27 g/mL。在等温吸附图(图7)中,Vex为过剩吸附量,Vabs为绝对吸附量,其中深度较大样品R3—R6的最大气体绝对吸附量较R1、R2样品的大。

图7 样品等温吸附曲线

根据实验结果可以看到,样品的最大气体绝对吸附量与总有机碳含量具有较好的正相关关系,进一步表明了总有机碳含量通过控制页岩气的吸附能力来影响泥页岩甜点评价。

3.3.2 有机质镜质体反射率

测试结果表明,泥页岩镜质体反射率分布在1.52%～1.98%范围内,平均为1.71%,主要为Ⅰ型(腐泥型),其次为Ⅱ1型(腐殖腐泥型)(图8)。烃源岩整体表现为高成熟生气阶段。燕继红等[42]通过热模拟实验发现泥页岩的高演化程度对吸附性能有影响。当烃源岩处于中高演化程度(Ro介于0.7%～3.5%)时,泥页岩孔隙以大孔为主,有机质孔隙发育且表面粗糙,利于页岩气吸附的比表面积也较大;当烃源岩处于低水平或过高演化阶段时,孔隙体积小且孔隙变光滑,孔比表面积变小,从而导致页岩的吸附能力变差。

图8 泥页岩有机质类型频率分布

3.3.3 三轴岩石应力

三轴应力实验测试结果如表4所示。根据最大和最小水平主应力计算(公式2)得到样品的地应力差异系数分布在0.071 8～0.08范围内,页岩储层的地应力差异系数在影响压裂后裂缝形态的同时也控制了体积压裂缝网的形成,对储层可压裂性有一定影响。

表4 样品三轴应力实验结果

(2)

式中:Δσ为地应力差异系数,无量纲;σH为最大水平主应力,单位MPa;σh为最小水平主应力,单位MPa。

根据国内基于岩石力学参数的简易脆性指数计算方法(公式3),计算得到岩石脆性指数为46.43%～56.36%,平均为51.395%,与基于矿物组分计算得到的脆性指数相近。研究区不同深度样品的地应力差异系数和脆性指数相差不大,且地应力差异系数平均值低于0.3,脆性指数平均值大于50%,脆性程度较高,因此在人工压裂的作用下易形成可作为甜点开发区的缝网。

(3)

式中:E为杨氏模量,单位104MPa;μ为泊松比,无量纲;BI为脆性指数,单位%。

4 甜点评价分类

页岩气甜点一般指储层物性好、富有机质、可进行压裂改造并具商业开采价值的层位或区域,主要包括地质甜点和工程甜点两方面[43-45]。

4.1 地质甜点分类评价

根据实验研究得到,孔隙类型、孔径大小控制了页岩气储集性能;孔比表面积、总有机碳含量通过影响页岩气的吸附量控制了其吸附性能;Ro值通过影响页岩气的生成间接控制了其吸附性能;黏土矿物组分对页岩气的储集性能和吸附性能具有双重影响。页岩气的吸附性能和储集性能是地质甜点评价的主要指标,因此以两个指标为相近关系的判别标准,进行不同特征对应的参数指标细分类分析。

在地质甜点评价中:①通过对同类型页岩气藏调研认为[23],硅质组分的增加会伴随黏土矿物含量的减少,即页岩储层的吸附能力会随之减弱,因此认为45%为甜点评价中硅质矿物和黏土矿物组分含量的极佳值,35%为两个参数的下限值;②通过对其他地区同类型气藏分析得到,海相页岩的解吸气量与比表面积具有较好的正相关性,认为比表面积5.2 m2/g是页岩气富集的下限,当其大于14.1 m2/g时,页岩的吸附能力好,页岩气富集明显;③通过其他学者对同一区域的地质特征研究[46]得到,海相泥页岩甜点区的生烃下限为总有机碳含量0.5%,大于0.7%的烃源岩为甜点区优选;④通过总结国内外研究成果[39]认为,有机质成熟度处在0.7%～3.5%范围内时适合成为海相泥页岩的甜点区,储层的吸附能力最强出现在Ro为2.6%左右,此时孔隙以大孔为主,同时吸附的比表面积达到最大;⑤通过该区域孔隙结构特征分析认为,介孔占比高,孔隙体积大的区域为海相页岩气甜点区。一般介孔的孔径范围为2～50 nm,因此将2 nm作为甜点评价的孔径下限;粒内孔和黏土矿物层间孔多以介孔为主,粒间孔中宏孔占比居多,从而发育任一种孔隙类型的储层都可以作为甜点区。根据以上两个指标7个参数将地质甜点划分为Ⅰ(充分具备甜点区优选条件)、Ⅱ(基本达到甜点区评选标准)、Ⅲ(未达到作为甜点开发的标准)三个等级,建立的鄂尔多斯盆地海相页岩气储层地质甜点分类评价如表5所示。

表5 鄂尔多斯盆地海相页岩气储层地质甜点分类评价

研究区的脆性矿物含量为34.6%～48.7%,黏土矿物含量为37.4%～49.4%,孔比表面积为13.46～19.66 cm2/g,总有机碳含量为0.85%～1.14%,Ro值为1.52%～1.98%,孔径为7.78～13.64 nm,发育粒间孔、粒内孔和黏土矿物层间孔三种孔隙类型,所有参数都在地质甜点分类评价中的Ⅱ级以上,说明研究区的吸附能力和储集能力符合成为甜点区的标准,可进行勘探开发。

4.2 可压性分类评价

根据实验研究得到,脆性矿物含量、泊松比和杨氏模量通过控制脆性指数,最大和最小水平主应力通过控制地应力差异系数,分别对页岩气的可压性特征造成一定程度的影响。本文从储层的可压性特征方面进行工程甜点评价研究,因此以脆性指数和地应力差异系数为主要参数进行分级分析。

可压性甜点评价中:①通过总结前人研究结果[47]得到,当页岩储层的脆性指数大于50%时,脆性表现最优,有利于页岩储层进行压裂改造,而国家标准《海相页岩气勘探目标优选方法:GB/T 35110—2017》[38]中认为脆性指数大于35%时页岩脆性较大,因此将35%作为可压性评价中脆性指数的下限;②根据国外研究成果,地应力差异系数影响了裂缝分布形态,当其小于0.3时,储层越易形成复杂网络状的压裂改造缝网,当数值超过0.3后,形成的裂缝数量较多,但逐渐由复杂交错向简单转变,当数值超过0.5后,形成的裂缝数量减少,且呈对称规律分布,因此将0.5作为可形成复杂网络缝的地应力差异系数上限。根据以上2个参数将可压性甜点划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(等级概念同地质甜点)三个等级,建立的鄂尔多斯盆地海相页岩气储层可压性甜点分类评价如表6所示。

表6 鄂尔多斯盆地海相页岩气储层可压性甜点分类评价

研究区根据脆性矿物和岩石力学参数计算得到的脆性指数分别为36.23%～50.89%、46.43%～56.36%,地应力差异系数为0.071 8～0.08,全部在可压性甜点分类评价方案的Ⅱ级以上,说明研究区的可压性特征较好,可在压裂改造措施后形成缝网,有利于页岩气的开采。

5 结论

(1)储层岩石类型为灰褐色泥页岩,黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主;孔径范围集中分布在2～4 nm和35～61 nm,主要发育的孔隙类型为粒间孔、黏土矿物层间孔和粒内孔;总有机碳含量平均为1.005%,镜质体反射率平均为1.75%;根据矿物含量和岩石力学参数计算得到脆性指数分别平均为44.19%和51.4%。

(2)脆性矿物含量、杨氏模量、泊松比影响脆性指数及储层实施压裂可能性;烃源岩吸附气量主控因素为岩石有机质数量与分布、有机质成熟度;黏土矿物内发育的微孔结构、孔比表面积、有机质孔及总有机碳含量与页岩气储层的吸附能力具有较好的正相关关系;矿物连接形成的缝隙、不同空间展布的孔隙类型和孔隙体积决定了储集层的储集能力。

(3)鄂尔多斯盆地海相页岩气储层地质甜点分类评价应重点考虑硅质矿物含量、黏土矿物含量、孔比表面积、总有机碳含量、Ro值、孔径大小和孔隙类型数量;建立了鄂尔多斯盆地西缘乌拉力克组海相页岩气储层可压性甜点分类评价方案,工程甜点评价应以脆性指数和地应力差异系数为主要参数;目标区所有参数都达到了Ⅱ级分类标准,初步认为可作为甜点开发区。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

张琳琳完成实验操作,参与论文撰写及修改;王孔杰参与实验设计;赖枫鹏参与实验设计和论文修改;郭伟和苗丽丽完成实验操作。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

ZHANG Linlin completed experimental operation, and participated in manuscript drafting and modification. WANG Kongjie participated in experimental design. LAI Fengpeng participated in experimental design and manuscript modification. GUO Wei and MIAO Lili completed expe-rimental operation. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.