楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征分析
——以滇祿地3井為例

客 昆， 秦建華*， 牟必鑫， 余 謙， 魏洪剛， 郝學(xué)峰， 陳 楊， 客 達(dá)， 周家云， 龔大興

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所， 成都 610041； 2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院， 成都 610072； 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心， 成都 610081； 4.云南省地質(zhì)調(diào)查院， 昆明 650216； 5.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司， 涿州 072750)

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)油氣資源，具有自生、自?xún)?chǔ)、低孔、低滲、儲(chǔ)集空間類(lèi)型較多、納米-微米級(jí)孔吼結(jié)構(gòu)、較大的礦物表面積等特征，與常規(guī)油氣相比，頁(yè)巖氣的開(kāi)采難度相對(duì)較大[1-3]，儲(chǔ)層特征是影響頁(yè)巖氣聚集成藏的主要因素[4]。因此對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征的研究十分必要。

伴隨海相頁(yè)巖氣不斷取得重大突破，海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖的研究也備受關(guān)注[5-8]，前人對(duì)楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征的研究較少，通過(guò)前期野外地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖具有良好的頁(yè)巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)條件。以楚雄盆地-滇祿地3井舍資組泥頁(yè)巖為研究對(duì)象，結(jié)合泥頁(yè)巖的有機(jī)地化特征，運(yùn)用掃描電子顯微鏡、全巖X-射線(xiàn)衍射分析、孔隙度與滲透率測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)解析、核磁共振等技術(shù)對(duì)滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖采集的35件巖心樣品進(jìn)行分析測(cè)試，進(jìn)而分析泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征，為楚雄盆地舍資組頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

楚雄盆地屬揚(yáng)子西南緣的前陸盆地，西部界限為紅河斷裂和哀牢山斷裂，即為哀牢山小洋盆的俯沖帶和大陸邊緣前陸逆沖斷裂帶；北部的西側(cè)被程海斷層截切，上三疊統(tǒng)超覆在前震旦系基底上；東部的東山和云龍地區(qū)在祿豐、祿勸和武定以北，上三疊統(tǒng)超覆在古生代地層上[9]。舍資組下部巖性為：深灰色-灰黑色塊狀泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖間夾灰色薄層狀鈣質(zhì)粉砂巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖，層面見(jiàn)大量植物化石，發(fā)育平行層理、斜層理、交錯(cuò)層理，偶見(jiàn)沖刷面，局部間夾數(shù)層1～3 cm厚煤線(xiàn)；上部巖性為：灰色塊狀鈣質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖間夾灰色薄層狀泥灰?guī)r，發(fā)育平行層理、交錯(cuò)層理(圖1[10])。

圖1 楚雄盆地構(gòu)造位置[10]及上三疊統(tǒng)舍資組綜合柱狀圖Fig.1 Structural location of Chuxiong Basin[10]and comprehensive column chart of Upper Triassic Shezi Formation

2 有機(jī)地化特征

泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)豐度以及成熟度是控制頁(yè)巖氣聚集、成藏的主要因素[11]，為了直觀(guān)的認(rèn)識(shí)楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖基礎(chǔ)地質(zhì)條件，通過(guò)樣品采集進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型

泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型的差異直接影響生烴產(chǎn)物的類(lèi)型及形成過(guò)程[12]，Ⅰ型與Ⅱ型干酪根為頁(yè)巖氣生成的主要有機(jī)質(zhì)類(lèi)型[1]，運(yùn)用偏光顯微鏡、光度計(jì)對(duì)滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行測(cè)試分析(表1)，結(jié)果顯示干酪根顯微組分以殼質(zhì)組為主，含量在80%～89%，平均為84.44%；其次為鏡質(zhì)組，含量在7%～14%，平均為10.19%；其余為惰質(zhì)組，含量在3%～7%，平均為5.38%，干酪根類(lèi)型指數(shù)在23.5～35.5，干酪根類(lèi)型均為Ⅱ2型，有利于頁(yè)巖氣的生成。

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

總有機(jī)碳(total organic carbon, TOC)是衡量有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)之一[13]，直接影響著頁(yè)巖吸附氣的含量和生烴強(qiáng)度[6,14]。運(yùn)用碳硫儀對(duì)滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組黑色泥頁(yè)巖進(jìn)行測(cè)試分析(表1)，結(jié)果顯示泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量主要集中在0.4%～1.25%，平均為0.67%，其中，小于0.5%的樣品占31.58%，在0.5%～1%的樣品占63.16%，大于1%的樣品占5.26%；結(jié)合陸相頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)指標(biāo)，有機(jī)碳含量大于1%的泥頁(yè)巖定義為富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，大于0.5%的定義為潛在泥頁(yè)巖[15]，滇祿地三井上三疊統(tǒng)舍資組下段黑色泥頁(yè)巖以潛在頁(yè)巖為主，具有良好的勘探潛力。

表1 滇祿地3井泥頁(yè)巖有機(jī)地化數(shù)據(jù)Table 1 Organic geochemistry data of shale from well, Yunnan-Ludi 3

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

成熟度是衡量烴源巖有機(jī)質(zhì)生成油、氣的重要指標(biāo)[16-19]，北美勘探經(jīng)驗(yàn)證實(shí)頁(yè)巖氣成藏要求有機(jī)質(zhì)成熟度RO適中，在1.1%～3.0%最佳[20-22]，運(yùn)用偏光顯微鏡、光度計(jì)對(duì)滇祿地3井泥頁(yè)巖進(jìn)行分析(表1)，結(jié)果顯示有機(jī)質(zhì)成熟度主要集中在1.84%～2.31%，平均為2.06%，其中，有機(jī)質(zhì)成熟度大于2%的樣品占72.1%，在1.5%～2%的樣品占27.9%，泥頁(yè)巖樣品均處于成熟-過(guò)成熟階段，有利于頁(yè)巖氣的生成。

3 物性特征

3.1 礦物組分

泥頁(yè)巖礦物組分對(duì)頁(yè)巖的可壓裂性、孔隙發(fā)育情況以及氣體吸附性能有著重要的影響，石英等脆性礦物含量越高，泥頁(yè)巖的可壓裂性越大，受外力作用時(shí)容易形成誘導(dǎo)裂縫，利于頁(yè)巖氣的滲流，從而直接影響頁(yè)巖氣的產(chǎn)能[23-26]。運(yùn)用帕納科衍射儀對(duì)滇祿地3井泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖的礦物主要由脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、菱鐵礦)、碳酸鹽礦物(方解石、白云石)、黏土礦物組成，其中脆性礦物含量相對(duì)較高在27%～66%，平均為40.87%，達(dá)到了陸相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)[27]，有利于頁(yè)巖氣的壓裂，碳酸鹽礦物含量在0～23%，平均為6.15%，黏土礦物含量較高在23%～71%，平均為52.97%(圖2)。

圖2 滇祿地3井泥頁(yè)巖礦物組分三角圖Fig.2 Triangle diagram of mineral components of shale in well, Yunnan-Ludi 3

黏土礦物中主要為伊利石、綠泥石，含少量高嶺石。黏土礦物中伊利石的含量在35%～71%，平均含量為55.34%；綠泥石的含量在3%～65%，平均含量為40.57%；高嶺石的含量在0～30%，平均含量為0.73%；伊/蒙混層的含量在0～10%，平均含量為3.18%(圖3)。黏土礦物中蒙脫石的比表面較大，對(duì)天然氣有很好的吸附能力，但滇祿地3井泥頁(yè)巖中絕大多數(shù)樣品中僅在伊蒙混層中含有極少量蒙脫石，同時(shí)伊利石、綠泥石、綠/蒙混層和伊/蒙混層的比表面較小，對(duì)天然氣的吸附能力較小。

圖3 滇祿地3井泥頁(yè)巖黏土礦物組分分布Fig.3 Composition distribution of clay minerals in shale of well, Yunnan-Ludi 3

3.2 孔、滲特征

運(yùn)用PHI-220型自動(dòng)孔隙度測(cè)定儀對(duì)滇祿地3井的8件巖心樣品進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果(表2)表明，滇祿地3井泥頁(yè)巖的孔隙度在0.6%～1.6%，平均為1.01%，其中，孔隙度小于1%的樣品5件，約占62.5%，大于1%的占37.5%(圖4)；滲透率在0.000 965 2×10-3～0.033 542 1×10-3μm2，平均為0.007 027×10-3μm2，其中，滲透率大于0.01×10-3μm2的樣品占14.29%，在0.001×10-3～0.01×10-3μm2的樣品占57.14%，小于0.001×10-3μm2的樣品占28.57%(圖5)，總體表現(xiàn)出低孔、低滲特征，孔、滲之間相關(guān)性不明顯(圖6)。

表2 滇祿地3井泥頁(yè)巖孔隙度、滲透率特征Table 2 Porosity and permeability characteristics of shale in well, Yunnan-Ludi 3

圖4 滇祿地3井泥頁(yè)巖孔隙度分布直方圖 Fig.4 Histogram of shale porosity distribution in well, Yunnan-Ludi 3

圖5 滇祿地3井泥頁(yè)巖滲透率分布直方圖Fig.5 Histogram of sample permeability distribution of shale in well,Yunnan-Ludi 3

圖6 滇祿地3井泥頁(yè)巖孔隙度、滲透率關(guān)系圖Fig.6 Relationship diagram of pore and permeability of shale in well,Yunnan-Ludi 3

3.3 微觀(guān)孔隙類(lèi)型

運(yùn)用氬離子束拋光掃描電子顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)滇祿地3井泥頁(yè)巖中存在多種類(lèi)型的微-納米級(jí)孔縫，主要以黏土礦物層間縫、顆粒粒緣縫、粒間孔、溶蝕孔、微裂縫、有機(jī)質(zhì)生烴孔，其中，黏土礦物層間縫、顆粒粒緣縫發(fā)育較好，為頁(yè)巖氣提供了良好的儲(chǔ)集空間。

3.3.1 粒間孔

粒間孔是礦物顆粒之間相互支撐形成的孔隙，滇祿地3井泥頁(yè)巖粒間孔十分發(fā)育，且種類(lèi)繁多，主要以片狀黏土礦物與片狀黏土礦物之間的層間縫[圖7(a)]、片狀黏土礦物與微晶礦物顆粒之間的粒緣孔縫[圖7(b)]、礦物顆粒與礦物顆粒之間的粒間孔[(圖7(c)]，由于片狀黏土礦物與礦物顆粒大小、形態(tài)不一，致使粒間孔孔徑分布范圍較廣，一般孔徑范圍在0.1～4 μm，連通性較好，是游離氣的最主要儲(chǔ)集空間，同時(shí)也可作為頁(yè)巖氣良好的運(yùn)移通道[28]。

圖7 滇祿地3井泥頁(yè)巖粒間孔掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron microscope image of intergranular pores in shale of well, Yunnan-Ludi 3

3.3.2 粒內(nèi)孔

粒內(nèi)孔是礦物顆粒內(nèi)發(fā)育的孔隙，以溶蝕孔為主，滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖溶蝕孔發(fā)育較好，種類(lèi)較多，常見(jiàn)于石英顆粒發(fā)育的溶蝕孔[圖8(a)]、白云石顆粒發(fā)育的溶蝕孔[圖8(b)]、團(tuán)塊狀黃鐵礦顆粒之間的鑄?？譡圖8(c)]、方解石顆粒發(fā)育的溶蝕孔[圖8(d)]溶蝕孔形態(tài)多樣，孔徑分布范圍集中在0.1～2 μm，連通性一般，但同樣可以最為頁(yè)巖氣的運(yùn)移通道及儲(chǔ)集空間。

3.3.3 有機(jī)質(zhì)孔

有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育對(duì)頁(yè)巖氣的富集也具有極為重要的控制作用[29-32]，有機(jī)質(zhì)孔是有機(jī)質(zhì)在生烴過(guò)程中形成的孔隙，滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育較差，有機(jī)質(zhì)孔零星分布，截面呈近橢圓狀，孔徑在0.1～3 μm，有機(jī)質(zhì)孔之間不具連通性[圖9(a)]，儲(chǔ)集性能較差。

3.3.4 微裂縫

微裂縫即可作為頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間又可作為頁(yè)巖氣的運(yùn)移通道，水力壓裂過(guò)程中微裂縫的發(fā)育程度直接影響生產(chǎn)井的產(chǎn)量[33]，滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖中見(jiàn)一條縫寬0.5～2 μm的微裂縫[圖9(b)]，即可作為頁(yè)巖氣良好的運(yùn)移通道，又可作為頁(yè)巖氣良好的儲(chǔ)集空間。

圖9 滇祿地3井泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫掃描電鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope images of organic pores and microfractures in the shale of well, Yunnan-Ludi 3

通過(guò)在鏡下觀(guān)察滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖孔隙類(lèi)型可知，泥頁(yè)巖發(fā)育不同成因的微觀(guān)孔隙，主要發(fā)育粒間孔，粒內(nèi)孔次之，偶見(jiàn)微裂縫，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育較少，孔徑分布范圍較廣。粒間孔、微裂縫連通性較好，即為楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組頁(yè)巖氣的運(yùn)移提供良好的運(yùn)移通道又為頁(yè)巖氣的聚集提供了良好的儲(chǔ)集空間。

3.4 微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)

泥頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)有著重要影響[34]，核磁共振是通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)對(duì)巖石孔隙內(nèi)流體的核磁信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而獲取流體的T2譜分布，其弛豫時(shí)間T2與巖石有效孔隙半徑及孔徑分布特征存在著一定關(guān)系，弛豫時(shí)間的大小可間接反映孔徑的大小[35]，泥頁(yè)巖孔隙越發(fā)育，則弛豫時(shí)間較長(zhǎng)的核磁信號(hào)占T2譜的比例就越大，反之泥頁(yè)巖孔隙不發(fā)育，弛豫時(shí)間短的區(qū)間所占的比例就越多[36-39]，運(yùn)用核磁共振分析與成像系統(tǒng)(圖10),對(duì)滇祿地3井泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖10 核磁共振分析與成像系統(tǒng)Fig.10 Nuclear magnetic resonance analysis and imaging system

泥頁(yè)巖孔隙以納米級(jí)為主[40]，按Choquette等[41-44]劃分方案，將1～10 nm的孔隙認(rèn)定為微孔、10～100 nm的孔隙認(rèn)定為小孔、100～1 000 nm的孔隙認(rèn)定為中孔、大于1 000 nm的孔隙認(rèn)定為大孔。

滇祿地3井黑色泥頁(yè)巖樣品的核磁T2圖譜(圖11)呈雙峰分布，表明泥頁(yè)巖孔隙類(lèi)型復(fù)雜、多樣，左鋒弛豫時(shí)間相對(duì)較小、分布寬且核磁信號(hào)幅度較大，最大弛豫時(shí)間約為1 ms，右峰弛豫時(shí)間相對(duì)較大，核磁信號(hào)幅度較小，最大弛豫時(shí)間約為60 ms，左側(cè)峰與右側(cè)峰連續(xù)性較差，且雙峰之間有明顯的谷值。表明滇祿地3井黑色泥頁(yè)巖樣品孔徑以微孔、小孔為主，含少量中孔，且孔隙之間連通性較差，與孔徑分布及孔隙體積分布相吻合。

圖11 滇祿地3井泥頁(yè)巖核磁T2圖譜及孔徑分布Fig.11 Nuclear magnetic resonance T2 map and pore size distribution of shale in well,Yunnan-Ludi 3

5 儲(chǔ)層對(duì)比

與中國(guó)已取得突破的海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣勘探區(qū)鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段、長(zhǎng)9段，四川盆地千佛崖組、大安寨組、東岳廟組、須家河組5段，阜新盆地沙海組，松遼盆地青山口組泥頁(yè)巖的厚度、埋深、TOC、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、Ro、脆性礦物含量、孔隙度、滲透率以及含氣量等基礎(chǔ)地質(zhì)條件對(duì)比(表3)[45-59]，分析得出，楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖在厚度、埋深、熱演化程度等地質(zhì)條件上優(yōu)于鄂爾多斯盆地長(zhǎng)9段、松遼盆地青山口組，泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、含氣量等地質(zhì)條件與已獲得工業(yè)氣流的四川盆地千佛崖組、大安寨組泥頁(yè)巖地質(zhì)條件相似，表明楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組具有良好的頁(yè)巖氣勘探潛力。

表3 典型海陸過(guò)渡相盆地泥頁(yè)巖基礎(chǔ)地質(zhì)條件測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)[45-59]Table 3 Statistic of test results of shale foundation geological conditions in typical marine and continental transition facies basins[45-59]

6 結(jié)論

(1)滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖干酪根顯微組分以殼質(zhì)組為主，含量在80%～89%，平均為84.44%，類(lèi)型指數(shù)在23.50～35.50，干酪根類(lèi)型均為Ⅱ2型；泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量，主要集中在0.4%～1.25%，平均為0.67%，以潛在頁(yè)巖為主；有機(jī)質(zhì)成熟度主要集中在1.84%～2.31%，平均為2.06%，主體為處于成熟-過(guò)成熟階段，有利于頁(yè)巖氣的生成。

(2)滇祿地3井上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖的礦物主要由脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、菱鐵礦)、碳酸鹽礦物(方解石、白云石)、黏土礦物組成，其中，脆性礦物含量相對(duì)較高在27%～66%，平均為40.87%，有利于頁(yè)巖氣的壓裂，黏土礦物中主要為伊利石、綠泥石，含少量高嶺石，不含蒙皂石和綠/蒙混層；泥頁(yè)巖的孔隙度在0.6%～1.6%，平均為1.01%，其中，孔隙度小于1%的樣品約占62.5%，孔隙度大于1%的占37.5%；滲透率在0.000 965 2×10-3～0.033 542 1×10-3μm2，平均為0.007 027×10-3μm2，總體表現(xiàn)出低孔、低滲特征。

(3)運(yùn)用氬離子束拋光掃描電子顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)滇祿地3井泥頁(yè)巖中存在多種不同成因類(lèi)型的微-納米級(jí)孔縫，主要以黏土礦物層間縫、顆粒粒緣縫、粒間孔、溶蝕孔、微裂縫、有機(jī)質(zhì)生烴孔，其中，黏土礦物層間縫、顆粒粒緣縫發(fā)育較好，為頁(yè)巖氣提供了良好的儲(chǔ)集空間；泥頁(yè)巖中以微孔、小孔為主，含少量中孔，微孔、小孔與中孔之間連通性較差，泥頁(yè)巖現(xiàn)場(chǎng)解析的總含氣量在0.06～1.00 m3/t，平均值為0.564 m3/t，含氣量相對(duì)較低。

(4)楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組頁(yè)巖氣的勘探研究尚處于初期階段，頁(yè)巖氣相關(guān)地質(zhì)資料相對(duì)較少，通過(guò)滇祿地3井泥頁(yè)巖的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)已取得突破的海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣勘探區(qū)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組泥頁(yè)巖具有良好的頁(yè)巖氣勘探潛力，該井的實(shí)施，為楚雄盆地上三疊統(tǒng)舍資組頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。