鞏書華,蔡寧波,杜 江,朱麗芬,李 巖,王克營
(1.湖南省煤炭地質勘查院,長沙 410014; 2.湖南省地球物理地球化學勘查院,長沙 410116)
頁巖氣是以吸附和游離狀態(tài)同時存在于泥頁巖地層中的天然氣,具有典型的自生自儲、近原地成藏富集的特點[1-5]。近年來,國內外頁巖氣的勘探開發(fā)進入了快速發(fā)展階段,并取得了重要突破[6-7]。我國為解決油氣資源緊缺與需求劇增的矛盾,不斷擴大頁巖氣勘探范圍[8-9],已從構造簡單、儲量穩(wěn)定的地區(qū)逐漸擴展到構造復雜區(qū)域。湘中泥盆系佘田橋組富有機質黑色頁巖較發(fā)育,分布范圍廣泛且厚度大,是頁巖氣調查評價的重點層位。本文通過在邵陽凹陷東緣進行勘查工作,并運用多種測試方法,研究分析了祁東地區(qū)佘田橋組暗色頁巖的頁巖氣成藏地質條件及含氣性特征,有效指導湘中泥盆系佘田橋組后期頁巖氣勘查評價工作。
研究區(qū)位于湘中邵陽凹陷東部,地處祁陽弧斷裂內弧與關帝廟北東向隆起交匯部位,經(jīng)歷了加里東、印支、燕山三期構造運動,不同期次構造形跡相互疊加、改造,主要應力特征為先剪后張,導致構造形態(tài)十分復雜,發(fā)育了一系列近南北向、北北東向、北東向的擠壓性質的斷裂與褶皺。區(qū)內地層自奧陶系至石炭系均有發(fā)育,主要頁巖氣目的層為上泥盆統(tǒng)佘田橋組。
研究區(qū)佘田橋組巖性主要為灰黑色-暗色泥頁巖、泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r,局部地區(qū)為灰?guī)r,通過分析認為區(qū)內該組沉積相主要為臺地泥灰?guī)r相和潮坪碳酸鹽相。臺地相根據(jù)巖性差異,又可以分為頁巖相、泥灰?guī)r相、泥質灰?guī)r相及碳酸鹽相。其中頁巖相主要位于羅城東-蔣家橋北-步云橋北一線, 沿北東東向呈條帶狀展布(圖2)。
圖1 研究區(qū)構造簡要圖
圖2 研究區(qū)佘田橋組巖相古地理圖
區(qū)內佘田橋組總厚度約為600~900m,富有機質泥頁巖、鈣質頁巖、泥灰?guī)r主要發(fā)育在佘田橋組中下段,累計厚度22.71~68.49m,平均約為48.42m;且以步云橋復向斜西翼至太和堂地區(qū)發(fā)育較好,向東逐漸變薄,泥質含量逐漸降低,在官家嘴鎮(zhèn)一帶,幾乎全組發(fā)育淺灰色灰?guī)r。
圖3 研究區(qū)佘田橋組富有機質泥頁巖厚度等值線圖
通過干酪根顯微組分鑒定分析,認為研究區(qū)佘田橋組暗色泥頁巖顯微組分中以腐泥組分含量最高,并含有少量鏡質組與惰質組,類型指數(shù)為72.8~74.5,干酪根類型為Ⅱ2型。其有機碳含量分布在0.32%~3.46%,平均為0.80%,且主體含量分布在0.1%~1.1%(圖4),平面上整體表現(xiàn)為自北西向南東遞減趨勢,這在一定程度上與區(qū)內沉積相分布有關。
圖4 研究區(qū)佘田橋組有機碳含量分布圖
以目前的研究成果來看,泥頁巖熱演化程度與其含油氣豐度有著密切關系。成熟度適中有利于形成生烴高峰與有機孔隙大量發(fā)育的耦合,易于形成頁巖油氣富集[10]。而過高的成熟度會導致有機質發(fā)生炭化,有機孔隙大量衰減[11-12],油氣會也由于長期演化而擴散。區(qū)內佘田橋組干酪根成熟度測試結果顯示,其鏡質體反射率Ro值范圍為0.79%~ 2.51%,平均為1.78%,處于高熟-過成熟階段。最大熱解溫度Tmax為304.2~ 539.0℃,平均450℃,也表示熱演化程度處于高演化階段,泥頁巖整體屬于較合適演化階段。
表1 研究區(qū)佘田橋組有機地球化學特征
平面上,全區(qū)Ro平均值均已超過1.7%以上,預示大部分地區(qū)佘田橋組泥巖處于高成熟階段,與地層沉積中心對應,調查區(qū)自北西部往東南方向成熟度增高(圖5)。
區(qū)內佘田橋組泥頁巖全巖分析顯示(圖6),其碳酸鹽巖礦物質量分數(shù)最高,為30.5%~72.2%,平均44.5%,石英礦物質量分數(shù)為14.6%~50.8%,整體脆性礦物質量分數(shù)約占79.4%,這主要與佘田橋組底部硅質含量較高有關。黏土礦物平均為20.3%;其中又以伊利石與伊蒙混層為主,含少量高嶺石與綠泥石。泥頁巖儲集層脆性增大,有利于天然裂縫和誘導裂縫的形成,對頁巖氣后期開采壓裂也具有積極意義。
4.2.1 頁巖物性特征
佘田橋組頁巖覆壓孔滲測試結果顯示,孔隙度分布在1.05%~ 2.53%,平均為1.58%;滲透率主要分布在0.002 7~ 0.014 4mD,平均為0.003 3mD,整體變化區(qū)間不大,個別滲透率較高的樣品可能與其內部存在較多微裂縫有關,整體屬于極低孔低滲儲層。
圖5 研究區(qū)佘田橋組Ro等值線圖
圖6 研究區(qū)佘田橋組礦物組分質量分數(shù)分布圖
4.2.2 孔隙類型
根據(jù)掃描電鏡觀察(圖7),研究區(qū)佘田橋組泥頁巖表面致密,殘余原生孔隙不發(fā)育,但溶蝕孔隙發(fā)育,部分被石膏(Anh)、針鐵礦(FeO)和伊利石(I)等充填。
根據(jù)頁巖樣品吸附-脫附曲線分析(圖8左),認為其曲線整體呈反S型,屬IV型等溫線,表明該組頁巖含有開放的尖壁形孔、錐形管狀孔等;且吸脫附曲線的滯回環(huán)較大,也說明孔隙結構類型較為復雜,大孔和微孔也有發(fā)育,微孔中主要以一端封閉的墨水瓶孔為主,該孔隙類型利于氣體的吸附賦存。與頁巖吸附脫附等溫線所對應的BJH孔徑分布圖,如圖8右所示,孔徑峰值主要集中在 2.0~7.0 nm,孔隙以介孔為主。
(a)全貌,表面較致密;(b)寬約2-5μm溶蝕微孔隙;(c)鑄模溶蝕微孔隙;(d)2-5微米溶蝕微孔隙圖7 祁東地區(qū)佘田橋組黑色頁巖微觀孔隙特征
圖8 佘田橋組泥頁巖吸附解析(應為“解吸”)曲線(左)與孔徑分布曲線(右)圖
區(qū)內佘田橋組暗色泥頁巖飽和吸附量主要在1.26~ 3.21m3/t,平均值為2.21m3/t(圖9)??梢妳^(qū)內佘田橋組暗色泥頁巖具有相對較好的儲氣性能,具有一定的氣體成藏條件,值得后期加以關注。
研究區(qū)內湘祁地1井揭露佘田橋組氣測異常值不大,總烴最大值為0.154%,出現(xiàn)在井段878.00~881.00m處,巖性為深灰色鈣質泥巖?,F(xiàn)場解析氣實驗結果同樣顯示,其總含氣量整體較低,平均在0.11 m3/t,且氣相色譜檢測氣體成分基本為氮氣。因此,推測研究區(qū)佘田橋組復雜的構造發(fā)育情況導致深部與地表的溝通,致使頁巖氣保存條件較差。
圖9 佘田橋組泥頁巖樣品等溫吸附曲線圖
綜上認為,湘中祁東地區(qū)佘田橋組泥頁巖具有一定生烴物質基礎,儲層特征也符合后期頁巖氣開發(fā)條件,但由于本地區(qū)佘田橋組處于臺地相區(qū),且受復雜構造作用影響,保存條件欠佳,含氣性受影響較大,因此需要尋找泥頁巖發(fā)育更好的臺盆相區(qū),以及開展頁巖氣保存條件的精細評估和調查工作,在保存條件較好的地區(qū)尋求突破。
①祁東地區(qū)佘田橋組具有一定頁巖氣生烴物質條件。佘田橋組主要富有機質層位為灰黑色-暗色泥頁巖、泥灰?guī)r,有利層段厚度平均48m;有機質類型以Ⅱ2型為主,有機碳含量一般,熱演化程度處于高熟階段。
②區(qū)內佘田橋組泥頁巖整體礦物含量與儲集特征均有利于后期開發(fā)。其泥頁巖脆性礦物含量平均達79%,儲層特征為極低孔低滲儲層,溶蝕孔隙發(fā)育,以介孔為主,大孔與微孔并存。
③區(qū)內佘田橋組泥頁巖吸附氣含量平均為2.21 m3/t, 但現(xiàn)場解析氣含量較低, 且氣體成分主要為氮氣,主要由于區(qū)內構造條件復雜,保存條件較差。后期需優(yōu)選臺盆相區(qū)內保存條件較好的地區(qū)尋求該組頁巖氣的突破。