湘鄂西構造復雜區(qū)頁巖氣井含氣性及可壓性評價
——以湖北鶴峰區(qū)塊HY1井為例

洪克巖,朱亮亮,程曉艷,姜生玲,謝伍平,佟愷林

(1.中國華電集團清潔能源有限公司,北京 100160;2.四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司,四川 成都 610000;3.四川省能投礦業(yè)投資開發(fā)有限公司,四川 成都 610000)

近年來,中國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)取得了重大突破,涪陵、長寧-威遠、昭通等地區(qū)實現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)開發(fā).中國南方海相地層共發(fā)育震旦系、寒武系、志留系、二疊系等多套頁巖含氣層系[1].除了已經商業(yè)開發(fā)的下志留統(tǒng)龍馬溪組層系外,震旦系、寒武系勘探在井研-犍為地區(qū)已取得突破,而主要勘探層系二疊系在中國南方勘探程度極低,僅在湘中地區(qū)、鄂西地區(qū)投入了少量鉆井工作,分別是湘中地區(qū)的湘頁1井、鄂西地區(qū)的HY1,HD1,巴頁1井[2-4].這些井在二疊系處于有利的沉積相帶上,具有較大的厚度、較高的有機質豐度以及合適的埋藏深度,鉆井過程中均見到了較好的顯示,但至今未獲得工業(yè)氣流.湖北鶴峰區(qū)塊為國土部第2輪頁巖氣招標區(qū)塊(簡稱區(qū)塊),該區(qū)塊具備了開展頁巖氣井含氣性、可壓性評價及進行單井壓裂試氣的基礎.通過對HY1井的深入研究,明確區(qū)內頁巖含氣性及可壓性的主要評價指標,對準確尋找頁巖氣產能建設目標區(qū)及規(guī)模建產意義重大.

1 地質簡況

鶴峰頁巖氣勘查區(qū)塊位于揚子板塊中部的湘鄂西褶沖帶,區(qū)塊主體位于湘鄂西褶沖帶的宜都-鶴峰復背斜帶的核部,部分位于花果坪復向斜帶上[5-6](見圖1).區(qū)域露頭、鉆井資料顯示,區(qū)塊基底為前震旦系淺變質巖,沉積蓋層發(fā)育有元古界、古生界和中生界地層,以元古界震旦系-中生界三疊系為主,缺失中生界侏羅系及以上地層.區(qū)塊內二疊系發(fā)育面積約800 km2,埋深小于3 000 m.目前,該區(qū)塊針對二疊系的已鉆井為HD1井、HY1井,鉆井見二疊系富有機質泥頁巖,獲得了較好的頁巖氣顯示.若有工業(yè)氣流突破,再部署評價井進行水平井壓裂試氣、試采,以期打開中國南方二疊系頁巖氣勘探開發(fā)的新局面.

圖1 鶴峰區(qū)塊位置及構造綱要

2 含氣性主要評價指標

2.1 頁巖巖石相及分布

二疊系沉積環(huán)境總體為碳酸鹽巖臺地相之臺盆亞相[7],臺盆深水陸棚沉積環(huán)境為優(yōu)質頁巖的形成提供充足的物質基礎(見圖2).二疊系分為大隆組、下窯組、龍?zhí)督M和孤峰組等4套層系,厚度102 m,頁巖集中發(fā)育層段是大隆組和孤峰組,且全工區(qū)穩(wěn)定分布.陸永潮等[8-9]將海相頁巖按照"黏土""碳酸鹽巖""硅質"三端元劃分為7類16亞類巖相,即泥巖、泥質頁巖、灰?guī)r、灰質頁巖、硅質頁巖、硅巖、混合頁巖.筆者根據上述分類,在對野外露頭、鉆/錄井巖心取樣進行全巖礦物分析的基礎上,將巖相劃分為四大類:硅質頁巖相組合、灰質頁巖相組合、黏土質頁巖相組合、混合質頁巖相組合,其中優(yōu)勢頁巖相為硅質頁巖相組合.

圖2 區(qū)塊及周邊二疊系沉積相

按照上述巖石相分類方案,大隆組劃分為3個巖石相單元,自下而上分別為:硅質頁巖相組合,對應井段為大隆組下段;灰質頁巖相組合,對應井段為大隆組中段,且以薄層的形式夾于硅質頁巖相內,在巖性上表現(xiàn)為二者薄互層狀;混合質頁巖相組合,對應井段為大隆組上段.孤峰組劃分為2個巖石相單元,自下而上分別為:硅質頁巖相組合,對應井段為孤峰組下段;混合質頁巖相組合,對應井段為孤峰組上段(見圖3).

圖3 中二疊統(tǒng)孤峰組巖石相

2.2 有機地球化學特征

鶴峰區(qū)塊大隆組TOC為0.49%～13.07%,平均值為5.83%(見表1);TOC>1.00%的樣品占總數(shù)的80%,TOC>3.00%達到樣品總數(shù)的58%.孤峰組下部硅質頁巖相有機質豐度極高[10],TOC平均值為16.54%,最大值達25.93%(見表2).

表1 本區(qū)與鄰區(qū)二疊系頁巖主要參數(shù)對比

表2 HY1井含氣性主要評價指標對比

2.3 儲集物性

HY1井頁巖段核磁有效孔隙度最大值為3.54%,平均值2.26%.硅質頁巖集中發(fā)育在大隆組下段,核磁孔隙度平均2.54%,巖心樣品的孔隙度平均值為1.75%(見表1、表2).孤峰組頁巖樣品孔隙度為0.97%～3.61%,平均1.88%;頁巖段核磁有效孔隙度最大4.72%,平均2.36%.硅質頁巖集中發(fā)育在孤峰組下段,核磁孔隙度平均3.29%.對比來看,HY1井大隆組各項指標要優(yōu)于湘頁1井,HY1井孤峰組(對應巴頁1井龍?zhí)督M)各項靜態(tài)指標也要優(yōu)于巴頁1井(見表1、表2).

2.4 儲層微觀特征

通過巖心、薄片、掃描電鏡及氬離子拋光-掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),湘鄂西二疊系頁巖儲層段發(fā)育的孔隙類型包括無機孔隙、有機孔隙和裂縫3種類型[11-12].二疊系頁巖儲層普遍發(fā)育無機質孔隙,孔徑整體較大,多處于數(shù)百納米-微米級,主要包括粒間孔、粒內孔以及黏土礦物晶間孔.裂縫型儲集空間類型主要包括微裂縫和構造縫2種,其產生可能與斷層和褶皺等構造運動相關,也可能與成巖作用及成烴演化過程有關(見圖4).

圖4 中上二疊統(tǒng)儲層微觀特征

2.5 頁巖含氣性特征

從HD1和HY1井的測試資料可以看出,含氣量最高4.39 m3/t,平均1.06 m3/t,主體在 0.30～2.00 m3/t.其中,大隆組下段氣測全烴0.13%～7.81%,解析氣量0.28～3.14 m3/t,平均1.12 m3/t,孤峰組下段,氣測全烴0.83%～6.23%,解析氣量0.66～1.71 m3/t,平均解析氣量1.22 m3/t(見表2).

3 可壓性主要評價指標

3.1 巖石礦物學特征

鶴峰區(qū)塊中上二疊統(tǒng)大隆組、下窯組、龍?zhí)督M和孤峰組脆性礦物主要包括石英、鉀長石、斜長石及碳酸鹽巖礦物,大隆組下段石英+長石的體積分數(shù)在43.9%～61.6%,平均51.5%;孤峰組下段石英+長石的體積分數(shù)在42.2%～58.9%,平均48.9%;除石英和長石外,碳酸鹽巖體積分數(shù)1.7%～75.2%,平均27.0%.總體而言,上述頁巖地層脆性礦物體積分數(shù)較高,屬于高脆性地層,易于壓裂(見表3).

3.2 裂縫特征

宏觀裂縫包含高角度縫、水平縫.大隆組和孤峰組裂縫以高角度縫為主,其次為低角度縫,水平縫發(fā)育相對較少.推測二疊系裂縫發(fā)育主要受巖性和斷層的影響,其中硅質頁巖和灰質體積分數(shù)高的巖性,脆性礦物體積分數(shù)高,容易形成裂縫(見表3).

表3 HY1井可壓性主要評價指標對比

3.3 保存條件

HD1井和HY1井構造位于陳家灣向斜,上傾方向無大型斷裂,與最近露頭邊界相距2.2 km.頂板為三疊系大冶組泥晶灰?guī)r,總厚度1 000 m以上,底板為茅口組泥晶灰?guī)r,厚度約300 m,保存條件較好.HD1井現(xiàn)場解析氣樣中的天然氣組分以CH4為主,最大值可達98.27%,平均為87.08%.

3.4 巖石力學特征及地應力狀況

大隆組下段的泊松比均值0.22,破裂壓力均值43.5 MPa,最大主應力38.8 MPa(方向北東-南西),應力差異系數(shù)0.19～0.25,脆性指數(shù)51.5%;孤峰組下段的泊松比均值0.21,破裂壓力均值44.1 MPa,最大主應力40.1 MPa(方向北東-南西),應力差異系數(shù)0.20～0.26,脆性指數(shù)48.9%(見表3).

綜上所述,二疊系是一套認識及勘探程度低的層系,且構造條件復雜,壓力系數(shù)低[13-14].筆者依托鄂西地區(qū)的2口鉆井資料,分析總結了在湘鄂西構造復雜區(qū)二疊系頁巖氣核心評價指標,其中含氣性評價是基礎,可壓性評價是關鍵[15-16].含氣性主要評價指標為巖石相為硅質頁巖相,TOC大于2.0%,孔隙度大于2%,現(xiàn)場解析含氣量大于2 m3/t,氣測錄井全烴顯示大于2%.可壓性主要評價指標為:脆性礦物體積分數(shù)50%～70%,鉆井附近無大斷裂或大型裂縫發(fā)育較弱,泊松比在0.20～0.25,水平應力差異系數(shù)在0.13～0.20.HY1井大隆組下段厚度達31 m,巖石相為硅質頁巖相,TOC平均為7.1%,孔隙度為2.3%,氣測全烴為7.81%,平均含氣量為1.5 m3/t,脆性礦物平均體積分數(shù)大于70%,泊松比為0.1～0.3,水平應力差異系數(shù)為0.19～0.25,且附近不發(fā)育大斷裂或大型裂縫,為優(yōu)質頁巖層段及重點壓裂層段.

4 結論

1)以全巖礦物分析為基礎,將巖相劃分為硅質頁巖相組合、灰質頁巖相組合、黏土質頁巖相組合、混合質頁巖相組合,其中優(yōu)勢巖石相為硅質頁巖相組合.

2)建立了湘鄂西構造復雜區(qū)二疊系頁巖可壓性主要評價指標;含氣性評價指標包括巖石相、TOC、物性、儲層微觀及含氣性等,可壓性評價指標包括脆性礦物、裂縫發(fā)育、保存條件、巖石力學及地應力等.

3)應用二疊系頁巖含氣性及可壓性評價指標對鶴峰區(qū)塊二疊系頁巖進行評價,上二疊統(tǒng)大隆組下段硅質頁巖相頁巖為優(yōu)質頁巖段,可作為有利勘探層系.