鄂西恩地1井上二叠统大隆组页岩气富集主控因素分析

2022-04-26潘诗洋任志军余江浩

资源环境与工程 2022年2期

谢通，潘诗洋，王亿，任志军，余江浩，段轲

(1.湖北省地质调查院,湖北武汉 430034; 2.湖北省地质实验测试中心,湖北武汉 430034)

扬子地区是南方海相优质烃源岩最发育的地区之一,四川盆地页岩气勘探开发实践证明了扬子地区具有巨大的页岩气勘探潜力[1]。鄂西地区作为湖北省页岩气勘探的主战场,已发现多套具有较好勘探潜力的页岩层系。近年来随着对二叠系页岩层系调查评价工作的推进,先后在建始—恩施—鹤峰地区埋深300～1 500 m的上二叠统大隆组获得页岩气发现[2]，其中恩地1井获得较显著的页岩气发现。本文从页岩有机碳含量、热演化程度、孔隙结构和构造保存条件等方面综合分析大隆组页岩气富集控制因素,对鄂西地区页岩气的勘探和开发有着重要意义,为后续在鄂西花果坪复向斜带寻找二叠系页岩气有利目标区提供依据。

1 地质背景

晚二叠世扬子板块构造升降分异,形成了晚二叠世中上扬子地台台盆相间构造格局,鄂西地区建始—鹤峰一带深水台盆中发育了上二叠统大隆组黑色硅质、炭质泥岩[3-4]。恩地1井位于湖北省恩施市崔坝镇,处于中上扬子地台湘鄂西褶皱带花果坪复向斜带的次级褶皱茅田坪向斜东翼近核部(图1),钻井周边出露下三叠统大冶组浅灰色薄层状泥晶灰岩,无明显断裂构造发育,地层倾角约10°,局部出现轻微挤压变形。

图1 恩地1井构造位置图[3]Fig.1 Structural position map of Well Endi 1

2 钻井概况

恩地1井为一小口径页岩气地质调查井,在井深510.5～568.8 m处钻遇大隆组,主要岩性为深灰色含炭泥质灰岩、硅质灰岩、灰黑色含炭硅质岩、含炭硅质页岩,为一套台盆相沉积岩相组合。在井深522.0～568.8 m获得页岩气显示,气测录井全烃值最大可达9%,岩心浸水试验冒泡剧烈。本次完成15件页岩样品现场解吸实验,结果显示页岩最大含气量为2.5 m3/t,平均含气量为1.4 m3/t(图2)。解吸气气体组分分析结果表明，甲烷成分平均占比高达99.12%。

图2 恩地1井大隆组综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of Dalong Formation in Well Endi 1

3 页岩气富集主控因素

3.1 高有机质丰度提供了良好的物质基础

有机质丰度是评价烃源岩生烃潜力最重要的指标之一,有机质丰度通常用有机碳含量的高低来判断[5]。大多数学者认为优质产气页岩的有机碳含量下限值约为2%[6]。恩地1井大隆组富有机质泥页岩层主要分布在522～568 m,共46 m,是大隆组的主要含气层。其中538～568 m为优质页岩层段,平均有机碳含量达到9.17%,主要岩性为含炭硅质岩、含炭硅质泥岩。本次采取33件岩心样品用于完成总有机碳的测定,测试执行标准为《沉积岩中总有机碳的测定》(GB/T 19145—2003)[7],结果表明,大隆组有机碳含量为0.11%～17.04%,平均值高达7.02%。大隆组有机碳含量和总含气量呈现较好的正相关关系(图3)。经对比,恩地1井大隆组有机碳含量显著高于湖北省内其他主要页岩气层位[8](表1),表明其生烃物质基础条件优越。

图3 恩地1井大隆组TOC含量与含气量关系图Fig.3 Correlation between TOC content and gas content of Dalong Formation in Well Endi 1

表1 湖北主要含气层系TOC、Ro数据统计表[8]Table 1 Statistical table of TOC and Ro data of main gas-bearing strata in Hubei Province

3.2 有机质成熟度相对适中

有机质成熟度可以反映干酪根的演化阶段,只有达到一定成熟度的有机质才会有大量烃类生成,并生成有机质孔[9]。恩地1井完成2个样品的镜质体反射率(Ro)测试,结果显示Ro分别为2.38%和1.8%,平均值为2.09%,与鄂西地区其他大隆组剖面和钻井Ro值(2.0%～2.5%)相似,属于成熟—过成熟阶段。美国页岩气的勘探实践表明,页岩的高成熟度(Ro>2%)对页岩气成藏的负面作用并不是绝对的,相反,相对较高的成熟度可能有利于页岩储层改造和页岩气成藏[10]。有实验研究表明,当处于生干气阶段时,Ro值平均为2.71%,有机质分解产生的孔隙可显著增加页岩的孔隙度[11]。对比湖北省海相页岩成熟度的整体情况[8](表1),恩地1井大隆组成熟度相对适中。

3.3 有机质孔提供了主要的储集空间

有机质热演化过程中可形成大量不同尺度的有机质孔,这些有机质孔是页岩气吸附的重要场所[12]。有研究表明35%的有机质转化可增加4.9%的页岩孔隙空间,因此页岩的有机质丰度一方面决定了页岩的生烃潜力,另一方面对页岩的储集性能也具有正面的影响作用[13]。大量研究表明,页岩孔隙度与有机质含量呈正相关关系。

恩地1井扫描电镜分析结果表明,大隆组发育的孔隙类型有粒内孔隙、有机质孔隙、粒间孔隙及微裂隙。镜下可观察到大量的有机质分布在层间、矿物颗粒间、矿物晶间,孔径多介于10～300 nm，形态主要呈蜂窝状、条带状。其中蜂窝状有机质孔隙大小一般为5～200 nm,且孔隙之间普遍连通(图4)。有机质孔是恩地1井大隆组分布范围最广、孔径跨度最大、数量最多的孔隙类型,是页岩气最主要的储集空间。

a.粒间填充有机质和黏土矿物,孔隙发育,密集发育；b.有机质呈长轴定向排列,孔隙较发育,大量黏土矿物共生,有机质孔隙发育,孔径多为数十纳米,局部孔径可达近200 nm；c.有机质包裹硅质、黄铁矿和黏土矿物,孔隙极发育,连通性好,孔径多为数十纳米；d.黄铁矿晶间填充有机质,有机质内孔隙发育图4 恩地1井大隆组页岩有机质孔Fig.4 Organic pores of Dalong formation in Well Endi 1

3.4 纳米级孔隙增大了页岩的比表面积

恩地1井大隆组选取7件样品进行低温氮气吸附—脱附实验[14](图5)。根据IUPAC滞留回线分类方法[15],恩地1井大隆组孔隙结构以墨水瓶状孔和平行板状孔为主。

图5 恩地1井大隆组N2等温吸附—脱附曲线图Fig.5 N2 isothermal adsorption-desorption curve of Dalong Formation in Well Endi 1

根据BJH理论确定样品孔径分布规律,计算结果表明,恩地1井大隆组页岩微孔(孔径<2 nm)平均孔容为7.294×10-3cm3/g,中孔(2 nm<孔径<50 nm)平均孔容为15.167×10-3cm3/g,大孔(孔径>50 nm)平均孔容为2.147×10-3cm3/g；孔隙主要以微孔和中孔为主,其中孔径<10 nm的孔隙(图6),孔容贡献占比达到72%,而大孔发育较少。

图6 恩地1井大隆组孔径—孔隙体积关系图Fig.6 Correlation between pore size and pore volume of Dalong Formation in Well Endi 1

页岩含气量与页岩储层孔隙发育特征直接相关,其中纳米级孔隙能够显著增大页岩比表面积,为页岩气吸附提供更多的场所[12]。在相同的孔隙体积条件下,比表面积随着孔隙大小的减小急剧增大,页岩微小孔隙含量越多则吸附气含气越大[16-17]。恩地1井大隆组<10 nm的孔隙的大量发育,为页岩气吸附提供了更多的比表面积。恩地1井大隆组页岩比表面积与含气量呈明显的正相关关系(图7)。

图7 恩地1井大隆组比表面积与含气量相关关系Fig.7 Correlation between specific surface area and gas content of Dalong Formation in Well Endi 1

3.5 小规模裂缝改善储层条件

恩地1井宏观裂缝主要发育类型有低角度层理缝、层间滑动缝和高角度张性剪切缝(图8),裂缝主要发育在大隆组中下部高硅质含量、高脆性的含炭硅质岩段。恩地1井所处位置受构造改造程度较小,大隆组裂缝宽度通常不超过3 mm,发育规模较小,但由于岩心直径较小,难以判断裂缝的延伸长度。研究表明,恩地1井低角度裂缝可改善大隆组页岩储集空间,小规模高角度裂缝可沟通大隆组不同含气层段,改善渗透性,且并未切穿大隆组含气层段造成与上覆大冶组地层沟通[18],是页岩气保存的较理想条件。

a.层理缝,方解石不完全充填;b.层理缝,方解石充填;c.水平滑脱缝,擦痕明显;d.高角度剪切缝,方解石充填;e.高角度张性剪切缝,方解石充填;f.垂直层面相交的共轭剪切缝,一条被方解石充填,一条未充填图8 恩地1井大隆组岩心裂缝特征Fig.8 Characteristics of fracture in the cores of Dalong Formation in Well Endi 1

4 恩地1井勘探意义

鄂西建始—恩施—鹤峰地区大隆组富有机质泥页岩分布广泛(>3 000 m2)、厚度大(普遍>30 m),但普遍埋深较浅(0～2 500 m),大多埋深<1 500 m。恩地1井获得页岩气发现,初步证实鄂西地区二叠系中浅层页岩气具有较大的勘探前景,拓展了湖北省页岩气勘探领域,为鄂西地区下一步页岩气勘探部署指明了方向。恩地1井为丰富和完善中国页岩气资源/储量计算与评价技术标准增添了新的科学依据，对包括鄂西在内的中国南方地区页岩气选区评价标准的进一步完善提供了新的重要科学依据。