發布時間：2020-01-20所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要四川盆地東南部及其盆緣轉換帶(以下簡稱渝東南盆緣轉換帶)頁巖氣資源量較大，但其地質條件復雜、地層呈常壓特征，給頁巖氣的經濟開發帶來了困難。為了深入認識該區頁巖氣儲層的非均質性，借助X射線衍射、氬離子拋光掃描電鏡、低溫氮氣吸附等手段，從巖
摘 要四川盆地東南部及其盆緣轉換帶(以下簡稱渝東南盆緣轉換帶)頁巖氣資源量較大，但其地質條件復雜、地層呈常壓特征，給頁巖氣的經濟開發帶來了困難。為了深入認識該區頁巖氣儲層的非均質性，借助X射線衍射、氬離子拋光掃描電鏡、低溫氮氣吸附等手段，從巖石骨架、儲集空間的角度研究了該區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層的非均質性及其主控因素。研究結果表明：①該轉換帶五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層非均質性主要表現在骨架非均質性和孔隙非均質性兩個方面，優質頁巖層段與上覆頁巖段在脆性礦物含量、黏土礦物含量、有機質豐度、孔隙度等方面差異較大，具有較強的縱向非均質性;②儲層發育有機質孔、脆性礦物孔、裂縫等多種儲集空間類型，并且孔隙在形態、分布、孔徑、結構特征方面的差異明顯，具有較強的微觀非均質性;③頁巖巖石物理參數泊松比、楊氏模量也相應表現出較大的差異;④頁巖氣儲層非均質性的主控因素是沉積環境差異導致的巖石骨架變化，構造縫及其多向性增強了儲層的非均質性，成巖作用進一步改變了骨架礦物和有機質的含量，對孔隙類型及結構產生影響，進一步加劇了頁巖儲層的非均質性。結論認為，龍一下亞段應為該區下一步頁巖氣開發的首選目的層系，平面上以遠離構造相對活動帶和深大斷裂為宜，區塊上優選南川區塊。
關鍵詞 四川盆地東南 盆緣轉換帶 晚奧陶世—早志留世 頁巖氣 儲集層 非均質性 骨架 孔隙 勘探區
0 引言
中國已成為繼美國和加拿大之后，第3個實現頁巖氣商業性開發的國家[1-2]。四川盆地是世界上最早發現和利用天然氣的地區[3]，在常規天然氣繼承性發展的基礎上，近年在涪陵、長寧和威遠等地區頁巖氣的發現和生產無疑是非常成功的亮點。但除了這幾個重點區域外，其他地區投入與產出并不成比例，規模開發仍面臨極大困境。橫向(區域上)和縱向(層間)非均質性、宏觀和微觀非均質性是影響儲層含氣性和可改造性的關鍵因素。
近年來，涉及儲層非均質性研究的內容和方法主要包括：①在等時地層格架中分析頁巖儲層在礦物組成、黃鐵礦含量、沉積構造、有機質豐度等方面的結構非均質性[4];②從微觀尺度對孔隙及孔隙結構的研究[5-9];③通過氬離子拋光—場發射掃描電鏡、高壓壓汞、低溫氮吸附等實驗技術手段，利用極差、突進系數、變異系數、孔隙度、總孔容、孔比表面積、核磁共振弛豫時間等參數來表征頁巖孔隙非均質性[10-12];④利用頁巖CT掃描圖像的數字處理技術研究頁巖礦物組分的分布特征，試圖通過建立礦物組分含量與分形維數之間的關系來表征其非均質特征[13]。
在頁巖氣領域性的研究方面，江凱禧等[14]通過平面、層內和微觀3個方面較全面地分析了四川盆地下寒武統筇竹寺組泥頁巖非均質性特征，Borkloe等[15]對四川盆地威201井區筇竹寺(九老洞)組的巖石骨架、有機質和含氣性的分析;王香增等[16]通過巖心觀測、薄片觀察、脈沖滲透率測試、有機碳含量測試、氣體組分分析、結合測井解釋對鄂爾多斯盆地上三疊統延長組陸相頁巖巖性、地球化學參數、微觀孔隙結構、力學參數等非均質特征進行系統的研究。
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渝東南盆緣轉換帶位于四川盆地東南部，包括南川向斜、桑柘坪向斜、武隆向斜、道真向斜等。面積為1.3×104km2，預計頁巖氣可采資源量為14578×108m3。其中，南川向斜相對改造弱、保存條件較好、埋深適中，頁巖氣資源量為914×108m3，是高產地區;桑柘坪向斜頁巖氣資源量為2178×108m3，武隆向斜頁巖氣資源量為7037×108m3，道真向斜頁巖氣資源量為4080×108m3。目前已完鉆的彭頁1HF井、彭頁2HF井、彭頁3HF井、彭頁4HF井測試日產氣量介于1.5×104～3.8×104m3;武隆向斜分別于2015年和2017年部署了隆頁1井和隆頁2井，測試日產氣量分別為4.6×104m3和9.22×104m3。
從目前已鉆采的情況看，渝東南盆緣轉換帶具有很好的資源潛力，但由于其特殊位置和地質背景，有別于四川盆地內部的其他區塊，地層呈常壓特征，加之非均質性強，給經濟高效開采帶來難度。鑒于目前該地區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層非均質性的系統認識還有待深入，筆者從頁巖儲層的巖石骨架(基質礦物、有機質)、儲集空間兩個方面來探究區內五峰組—龍馬溪組儲層的非均質性特征，并分析其非均質性的主要控制因素。
1 地質背景
渝東南盆緣轉換帶位于武陵褶皺帶，橫跨武隆—利川復向斜和中央復背斜，構造走向呈北北東向展布，為川東南—湘鄂西“槽—擋”過渡區，受彭水—建始斷層、大千斷層、茶園斷層和胡家園斷層等斷裂的控制，形成了以北東向復向斜與復背斜相間分布的構造格局(圖1)。在構造演化上，早燕山期到中燕山期受到江南—雪峰陸內造山的持續擠壓作用，區內產生多期斷層;晚燕山期開始隆升并遭受剝蝕致使泥盆系、石炭系缺失，喜馬拉雅期由于太平洋板塊俯沖及印度板塊向歐亞板塊碰撞擠入雙重影響，整體迅速隆升致使古近系地層缺失，從而形成了現今構造面貌和地層格局。總體上，渝東南盆緣轉換帶主力頁巖氣層為五峰組—龍馬溪組，發育了大套的黑色硅質頁巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，沉積相可細分為深水陸棚相和淺水陸棚相(圖1)。可劃分為9個小層，并歸于上、中、下3個亞段，由于五峰組較薄，研究中將其歸于龍一下亞段。其中下亞段(1～5小層)埋深4379.93～4412.67m，中亞段(6～7小層)埋深4349.03～4379.93m，上亞段(8～9小層)埋深4307.23～4349.03m。
2 巖石骨架的非均質性
頁巖的骨架由基質礦物和有機質組成，基質礦物包括黏土礦物與脆性礦物。對于富有機質頁巖，純泥巖段不易開采，脆性礦物含量高的細粒巖層本身易發育天然裂縫并有利于壓裂改造，是好的產層;頁巖氣的主要吸附載體是黏土礦物與有機質，在有機質含量相同的情況下，黏土礦物含量與吸附的氣體含量成正比，且隨壓力的增大吸附的氣體增加速率越大[17];有機質中大量的納米級孔隙是頁巖氣的主要儲集空間，也有學者認為黏土礦物中鋁硅酸鹽的開放孔隙增大頁巖總孔隙度是主因[18]。因此，研究礦物骨架和有機質的非均質性對認識優質產氣層段意義重大。
2.1礦物組成
頁巖的礦物組分多樣，顆粒大小參差不齊，一般以細粒物質為主，整體上表現出較強的非均質特性。從南頁1井龍馬溪組近80m頁巖段90塊樣品進行全巖X射線衍射的分析結果來看：礦物組成主要包括碎屑類礦物和黏土礦物，碎屑類礦物以脆性礦物石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦為主，黏土礦物包括伊蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石(圖2)。剖面上自下而上石英含量呈明顯減少趨勢，其他碎屑礦物含量比例相對較小，變化也參差不齊，表現不甚明顯;黏土礦物含量呈明顯增多趨勢(圖2-a)。
黏土礦物含量自下而上明顯增多，其中伊蒙混層和綠泥石含量占明顯增多優勢，伊利石相對含量在減小，高嶺石呈零星間斷式分布(圖2-b)。
各小層黏土礦物及脆性礦物含量分布統計分析表明，9個小層的黏土礦物含量從下至上呈遞增趨勢，但其中伊利石含量呈現遞減趨勢，脆性礦物總量也呈遞減趨勢，其中主要脆性礦物石英含量遞減明顯。
6～9小層的方解石含量整體偏高，1～5小層整體較低;而后者的黃鐵礦含量則整體高于前者，反映了下部沉積環境還原性強，有利于有機質的保存。
上述特征表明：龍一下亞段優于上覆的中、上亞段的巖石骨架特征在于黏土礦物中具有頁巖氣吸附優勢[19]的伊利石明顯偏高，前者在黏土礦物中占比高于65%，后者小于60%，有利于頁巖氣的吸附;前者石英等脆性礦物的全巖占比大于60%，后者小于60%，更有利于儲層的壓裂改造。同時，下亞段沉積環境更強的還原性成就了其更好地保存條件。
2.2有機質含量及演化
南頁1井龍馬溪組樣品有機質類型及鏡質體反射率(Ro)測試數據分析表明：有機質類型為腐泥型，鏡質體反射率介于2.26%～2.83%，平均值為2.51%，整體差異較小，演化程度偏高(圖3)。
65塊樣品的地球化學測試分析表明：五峰組—龍馬溪組龍一段樣品總有機碳含量(TOC)介于0.04%～7.74%，平均值為2.26%，從下至上9個小層的變化規律為增大—減小—增大—減小—增大，但總的趨勢為減小，且存在明顯的非均質性(圖3)。
龍一下亞段具有高有機碳含量、高孔隙度、較大比表面積和BET平均孔直徑(圖3)，具有自生自儲的有利儲集條件。前人研究成果表明：有機碳含量改變頁巖包括顏色、密度、抗風化能力、放射性和硫含量等理化性質，也在一定程度上制約其中裂縫的發育程度，并進一步控制頁巖的含氣量[20]，實際樣品的統計分析表明：含氣量與總有機碳含量呈明顯的正相關性，總有機碳含量每增加一個百分點，每噸泥頁巖大約增加0.5m3含氣量(圖4)。分析結果表明，龍一下亞段較中、上亞段具有更好的頁巖氣自生自儲條件，中、上亞段成為下亞段最好的區域蓋層，這在遭受多期構造嚴重改造的盆緣轉換帶尤其重要。
2.3 巖石力學性質
巖石力學參數反映巖石在外力作用下所表現出的物理性質，是頁巖氣井壓裂改造設計的關鍵數據。利用縱、橫波測井資料或在沒有橫波測井資料的情況下重構橫波數據可計算評價頁巖儲層的泊松比、楊氏模量等參數。一般來講，泊松比小、楊氏模量大的地層脆性好，有利于壓裂改造。
通過測井資料計算得到A井的泊松比和楊氏模量，龍一下亞段泊松比介于0.17～0.31(圖3)，平均值為0.21，楊氏模量介于33.23～69.33GPa，平均值為42.35GPa;中、上亞段泊松比介于0.16～0.27，平均值為0.23，楊氏模量介于31.18～46.44GPa，平均值為37.66GPa。龍一下亞段的脆性明顯好于中、上亞段。
礦物組分與有機質含量的縱向變化導致龍馬溪組頁巖的巖石力學參數表現出較強的非均質性，龍一下亞段的高脆性礦物含量決定了其巖石物理參數與上覆中、上亞段的差異。
3 儲集空間的非均質性
頁巖中納米級孔隙是游離氣和吸附氣賦存的載體，其孔隙類型多，發育位置、分布狀態、孔徑大小均受到礦物組分微觀非均質性的控制[4]。氬離子拋光掃描電鏡結果表明，該地區龍馬溪組納米級孔隙主要發育有機質孔隙、脆性礦物孔隙和微裂縫等3種儲集空間類型。
3.1 孔隙類型及大小
本地區主要發育屬次生孔隙的有機質孔，孔徑從小于2nm的微孔到大于50nm的宏孔都有，最大者接近1000nm。其形態呈現多樣：平面上為圓狀、橢圓狀和不規則狀(圖5-a)，空間上為管狀喉道連接，形成復雜的內部結構，時間上主要發育在成巖晚期[21]。
黃鐵礦多與有機質及黏土礦物伴生，形成晶間孔(圖5-b);脆性礦物粒內溶蝕孔較少發育(圖5-c)，孔徑最大可達523nm，小孔孔徑不足100nm;脆性礦物粒間原生孔和粒間溶蝕孔，多被有機質充填，充填的有機質后期生烴演化為有機質孔(圖5-d)。
3.2 微裂縫及狀態
微裂縫一般未被充填，形態以平直狀、彎曲狀、不規則狀最為常見(圖6-a)，微裂縫多發育在有機質邊緣、黏土礦物邊緣、顆粒礦物與其他組分接觸部位等，張開距離較小，礦物層間縫、解理縫(圖6-b、c)多被有機質充填。上述3種儲集空間類型，不僅孔隙形態組合差異產生非均質性，而且孔隙的發育程度及分布差異也產生較強的非均質性，而微裂縫的發育更使其復雜化了(圖6-a、d)。
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