唐相路,姜振學(xué),邵澤宇,侯澤生,賀世杰,劉曉雪,王昱超
1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;2. 中國(guó)石油 青海油田分公司 勘探開發(fā)研究院,甘肅 敦煌 736202
第四系弱成巖泥頁(yè)巖在全球各大沉積盆地廣泛發(fā)育。我國(guó)青藏高原的柴達(dá)木盆地發(fā)育世界上極為典型的規(guī)模最大且最為年輕的第四系生物氣田,是青藏地區(qū)主力產(chǎn)氣區(qū)和效益支柱,2020年產(chǎn)氣54億立方米[1-5]。柴達(dá)木盆地砂巖層生物氣藏規(guī)模大,探明地質(zhì)資源量超6 000億立方米,其中澀北和臺(tái)南為主力產(chǎn)區(qū),已連續(xù)11年保持在年產(chǎn)50億立方米以上[6],但穩(wěn)產(chǎn)壓力巨大,亟需尋找新的接替領(lǐng)域。第四系弱成巖泥頁(yè)巖生物氣資源潛力巨大,作為全新勘探領(lǐng)域,已證實(shí)構(gòu)造主體區(qū)具備開發(fā)價(jià)值,一旦取得突破,將徹底改變青藏高原地區(qū)天然氣供應(yīng)格局。第四系弱成巖泥頁(yè)巖作為儲(chǔ)層研究較少,通常被當(dāng)作砂巖氣藏的蓋層來(lái)研究[7-9],因此,目前對(duì)第四系弱成巖泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)不足,特別是對(duì)泥頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征尚未開展系統(tǒng)研究,制約了對(duì)泥頁(yè)巖生物氣藏的資源潛力和開發(fā)價(jià)值的正確評(píng)估。通過(guò)選取柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)典型的第四系弱成巖泥頁(yè)巖層段樣品(圖1),開展了泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙形貌、孔徑分布、巖心孔滲、覆壓孔滲和氣水相對(duì)滲透率等方面的系統(tǒng)研究,揭示了第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)和物性特征,豐富和完善了泥頁(yè)巖生物氣成藏地質(zhì)理論,有利于指導(dǎo)柴達(dá)木盆地及國(guó)內(nèi)其他地區(qū)泥頁(yè)巖生物氣藏的勘探部署。
圖1 柴達(dá)木盆地區(qū)域構(gòu)造及地層發(fā)育特征
第四系弱成巖泥頁(yè)巖疏松易碎,巖心樣品在鉆井現(xiàn)場(chǎng)直接放入冰柜冷凍,采用線切割方法獲得冷凍巖心的柱塞樣。全巖礦物和黏土礦物采用D8AA25型X射線衍射儀進(jìn)行分析檢測(cè),全巖礦物樣品粉碎研磨至40 μm粒級(jí)以下,采用背壓法制成壓片,上機(jī)獲取3°~45°衍射譜圖,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)公式及礦物K值,計(jì)算各種礦物含量數(shù)據(jù)。黏土礦物相對(duì)含量分析將樣品粉碎至1 mm粒級(jí)浸泡分散,提取小于5 μm(砂巖)、2 μm(泥巖)顆粒制成自然片,上機(jī)獲取2.5°~15°(2θ角)衍射譜圖,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中公式計(jì)算得到黏土礦物相對(duì)含量數(shù)據(jù)。利用OLYMPUS偏光顯微鏡對(duì)巖石薄片觀察分析。采用ZEISS Crossbeam 540型掃描電鏡對(duì)拋光樣品和未拋光樣品的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察。采用AutoPore Ⅲ 9410型壓汞儀測(cè)定樣品的進(jìn)汞曲線,分析樣品孔徑分布特征。利用UltraPore-200氦孔隙度儀測(cè)定樣品孔隙度,其原理是根據(jù)波義爾定律P1V1=P2V2,已知P1、V1,測(cè)定P2,可算出V2[10]。采用CMS-300孔滲測(cè)定儀測(cè)定滲透率,其原理是根據(jù)氣體一維達(dá)西滲流定律,測(cè)定巖樣兩端的壓差和氣體流量,即可利用達(dá)西公式計(jì)算出巖樣的滲透率[11]。覆壓孔滲的上覆巖壓分別為3,8,12,14,16,18,20 MPa。氣水相對(duì)滲透率測(cè)試采用非穩(wěn)態(tài)恒壓氣驅(qū)水。該方法以一維兩相滲流理論和氣體狀態(tài)方程為基礎(chǔ),將巖心飽和地層水后裝入巖心夾持器,進(jìn)行恒壓差氣驅(qū),計(jì)量不同時(shí)刻驅(qū)出的水量和氣量,直到驅(qū)不出水為止。然后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù),計(jì)算出巖樣的氣、水相對(duì)滲透率和對(duì)應(yīng)的含水飽和度,并繪制氣—水相對(duì)滲透率曲線。
第四系弱成巖泥頁(yè)巖礦物組成以石英、長(zhǎng)石和黏土礦物為主,碳酸鹽礦物含量較低。石英+長(zhǎng)石含量平均達(dá)47%,黏土礦物含量平均為34%,碳酸鹽礦物含量?jī)H有19%。根據(jù)石英+長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物、黏土礦物三端元將第四系弱成巖泥頁(yè)巖劃分為4種巖相,分別為黏土質(zhì)頁(yè)巖、長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖、碳酸鹽質(zhì)頁(yè)巖和混合質(zhì)頁(yè)巖(圖2)。第四系弱成巖泥頁(yè)巖包含黏土質(zhì)頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖3種類型,以長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖為主。此礦物組成與四川盆地龍馬溪組海相頁(yè)巖[12-15]相近,與鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組[16-20]和準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組[21-23]等陸相頁(yè)巖差異較大。第四系弱成巖泥頁(yè)巖黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主,高嶺石和綠泥石含量較低。伊利石含量平均為48%,伊蒙混層含量平均為32%,高嶺石含量平均為8%,綠泥石含量平均為12%。由于第四系泥頁(yè)巖處于弱成巖階段,伊利石可能主要為長(zhǎng)石和云母風(fēng)化分解原始沉積或沉積后再結(jié)晶形成[24]。
圖2 第四系弱成巖泥頁(yè)巖礦物組成三角圖
巖心和薄片觀察表明,黏土質(zhì)頁(yè)巖以深灰色、灰色為主,發(fā)育水平層理,層理厚度通常為1~3 mm。炭質(zhì)及炭屑普遍存在,炭質(zhì)多與泥質(zhì)相混,呈條片狀順層分布。鏡下礦物顆粒細(xì)小,無(wú)法分辨礦物組成?;旌腺|(zhì)頁(yè)巖以灰色為主,也發(fā)育水平層理,厚度通常在1~3 mm。鏡下可見石英、長(zhǎng)石等粗顆粒,多呈懸浮狀分布在細(xì)粒的泥質(zhì)之中。長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖以灰色為主,層理發(fā)育不明顯,鏡下石英、長(zhǎng)石、方解石等粗顆粒清晰可見。
孔隙結(jié)構(gòu)包括巖石中孔隙的幾何形狀、大小、分布、組成、內(nèi)壁粗糙程度、相互連通狀況、孔隙類型等全部孔隙特性及構(gòu)成方式[25]。受光學(xué)顯微鏡分辨率影響,第四系弱成巖泥頁(yè)巖在光學(xué)顯微鏡下較難觀察到孔隙(圖3)。因此,需要通過(guò)分辨率更高的掃描電鏡進(jìn)行觀察。根據(jù)掃描電鏡觀察表明,第四系弱成巖泥頁(yè)巖在大視域下表現(xiàn)為十分致密,全貌觀察較均質(zhì)(圖4a),但通過(guò)局部放大,可以清晰地觀察到大量的微—納米級(jí)孔隙。發(fā)育的孔隙類型有粒間孔、脆性礦物粒內(nèi)孔、黏土礦物粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔等。粒間孔是第四系弱成巖泥頁(yè)巖發(fā)育的最主要的類型,主要發(fā)育在黏土礦物和脆性礦物之間,通常呈片狀,粒徑普遍小于5 μm,局部粒間孔可達(dá)10~20 μm,孔隙連通性較好(圖4b)。脆性礦物粒內(nèi)孔主要為石英、長(zhǎng)石及碳酸鹽礦物粒內(nèi)發(fā)育的孔隙,由于成巖作用弱,這類孔隙主要是原生孔隙,以納米級(jí)孔隙為主(圖4b)。黏土礦物粒間孔在第四系弱成巖泥頁(yè)巖中十分發(fā)育,主要為板片狀,以納米級(jí)孔隙為主(圖4c)。有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育較少,僅在個(gè)別有機(jī)質(zhì)內(nèi)發(fā)育,呈橢圓形,粒徑在幾十納米(圖4d)。對(duì)未拋光樣品的觀察可見,礦物顆粒呈松散狀分布,發(fā)育有以石英、長(zhǎng)石為主的球狀顆粒和以黏土礦物為主的片狀顆粒,孔隙十分發(fā)育(圖4e,4f)。
圖3 第四系弱成巖泥頁(yè)巖3種巖相巖心及鏡下照片
通過(guò)對(duì)拋光樣品孔隙提取,可以獲得第四系弱成巖泥頁(yè)巖各類孔隙的孔徑分布特征。粒間孔、脆性礦物粒內(nèi)孔和黏土礦物粒內(nèi)孔的孔徑分布都十分寬泛,納米級(jí)孔隙和微米級(jí)孔隙均有發(fā)育(圖4g)。粒間孔主要分布在400~2 000 nm,孔徑在三類孔隙中最大。脆性礦物粒內(nèi)孔存在兩個(gè)峰值,分別為100~200 nm和1 500~2 000 nm,但以40~300 nm之間的納米孔為主。黏土礦物粒內(nèi)孔主要孔徑發(fā)育在20~300 nm,以納米級(jí)孔隙為主。由此可見,第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙分布區(qū)間與國(guó)內(nèi)其他盆地的泥頁(yè)巖顯著不同。四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖孔徑主要分布在幾百納米,明顯小于第四系弱成巖泥頁(yè)巖[26]。主要原因?yàn)榈谒南等醭蓭r泥頁(yè)巖埋藏比較淺,通常小于2 000 m,而龍馬溪組頁(yè)巖地質(zhì)歷史最大埋深通常超過(guò)6 000 m,較淺的埋深和弱的成巖作用,導(dǎo)致第四系泥頁(yè)巖孔隙以原生孔隙為主,孔徑較大[27]。
圖4 第四系弱成巖泥頁(yè)巖掃描電鏡照片及面孔率分布特征
孔隙參數(shù)主要包括組成巖石內(nèi)孔隙半徑或直徑的大小、分布范圍以及不同孔徑孔隙的數(shù)量或者是不同孔徑所含有的孔隙體積,常見的參數(shù)有分選系數(shù)、歪度、孔隙半徑等[25]。壓汞曲線可以反映孔隙結(jié)構(gòu)特征,黏土質(zhì)頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖的進(jìn)汞曲線形態(tài)差異顯著(圖5)。黏土質(zhì)頁(yè)巖毛管壓力曲線平緩段較大,但遠(yuǎn)離橫坐標(biāo),孔隙半徑較小(介于0.10~0.31 μm,平均0.17 μm),排驅(qū)壓力較大(介于1.07~4.28 MPa,平均2.67 MPa),分選系數(shù)相比較小(介于0.07~0.60,平均0.24),孔隙喉道分布相對(duì)均勻,孔隙分布類型多數(shù)為單峰偏細(xì)孔徑。儲(chǔ)層的滲透率一般小于10×10-3μm2。對(duì)氣藏而言,此類儲(chǔ)層自封閉能力較好?;旌腺|(zhì)頁(yè)巖毛管壓力曲線中間段較陡,孔隙半徑變化范圍大(介于0.42~1.34 μm),平均值中等(平均0.93 μm),歪度偏粗,排驅(qū)壓力小(介于0.16~0.64 MPa,平均0.47 MPa),孔隙分布類型多數(shù)為雙峰與多形式。儲(chǔ)層的滲透率變化較大,從十幾到幾百毫達(dá)西。長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖毛管壓力曲線平緩段靠近橫坐標(biāo),孔隙半徑相對(duì)較大(介于3.76~8.14 μm,平均5.60 μm),粗歪度較大,排驅(qū)壓力小(介于0.06~0.10 MPa,平均0.07 MPa),孔徑分布類型對(duì)應(yīng)于單峰偏粗孔徑,儲(chǔ)層的滲透性好,此類儲(chǔ)層自封閉能力較差。
利用進(jìn)汞曲線建立的孔徑分布比較直觀,從曲線上可以觀察到組成巖石孔隙分布特征[28]。黏土質(zhì)頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖的孔徑分布范圍不同,峰態(tài)也不同,有單峰、雙峰與混合峰(圖5)。黏土質(zhì)頁(yè)巖屬于單峰形態(tài),孔徑分布范圍比較集中,孔徑分布向更小的孔隙半徑變化,優(yōu)勢(shì)孔隙半徑分布在0.03~0.20 μm。最大連通孔徑小,導(dǎo)致排替壓力高,滲透率也相對(duì)較低(表1)?;旌腺|(zhì)頁(yè)巖基本上屬于雙峰結(jié)構(gòu),孔徑分布范圍較廣,一般在0.06~5 μm。長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖孔徑分布基本上屬于單峰形態(tài),孔隙分布的范圍大,最大主峰一般在0.4~10 μm之間,偏向粗孔徑一側(cè)。最大連通孔徑較大,導(dǎo)致排替壓力較小,滲透率相對(duì)較高。結(jié)合掃描電鏡觀察可知,黏土質(zhì)頁(yè)巖孔徑偏小,主要原因?yàn)樵擃悗r相由黏土礦物粒內(nèi)孔提供了主要的孔隙,而黏土礦物粒內(nèi)孔主要以納米級(jí)孔隙為主。長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖孔徑偏大,主要因?yàn)樵擃悗r相中石英、長(zhǎng)石等脆性礦物提供了大量的微米級(jí)孔隙。混合質(zhì)頁(yè)巖孔徑介于黏土質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖之間,微米級(jí)孔隙和納米級(jí)孔隙均有發(fā)育。因此,礦物組成的變化顯著地控制了第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的變化。
圖5 第四系弱成巖泥頁(yè)巖進(jìn)汞曲線及孔徑分布
表1 第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)特征
第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙度普遍偏高,均大于5%,顯著高于國(guó)內(nèi)典型的頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層,甚至超過(guò)四川盆地筇竹寺組頁(yè)巖孔隙度的10倍[29]。因此,第四系弱成巖泥頁(yè)巖儲(chǔ)集空間極高,為天然氣儲(chǔ)集提供了十分有利的條件。黏土質(zhì)頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖的孔隙度也有所差異,其中黏土質(zhì)頁(yè)巖孔隙度最小,峰值介于15%~20%。其次是混合質(zhì)頁(yè)巖,孔隙度峰值介于20%~25%。長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖孔隙度最高,峰值介于25%~30%(圖6)。第四系弱成巖泥頁(yè)巖滲透率也偏高,普遍大于0.1×10-3μm2,與國(guó)內(nèi)典型頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層滲透率明顯不同[29]。通過(guò)對(duì)黏土質(zhì)頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖的滲透率對(duì)比可知,黏土質(zhì)頁(yè)巖滲透率最小,峰值介于(0.1~1)×10-3μm2?;旌腺|(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖滲透率峰值相同,均介于(1~10)×10-3μm2。此外,由于第四系弱成巖泥頁(yè)巖滲透率偏高,導(dǎo)致天然氣的保存條件變差,不利于天然氣的封存。
第四系弱成巖泥頁(yè)巖的水平滲透率與垂直滲透率存在顯著差異,同一深度的樣品水平滲透率明顯高于垂直滲透率,通常接近高1個(gè)數(shù)量級(jí)(圖6c)。第四系泥頁(yè)巖沉積于深湖、半深湖的靜水環(huán)境中,季節(jié)性的水體變化和物源供應(yīng),決定了泥頁(yè)巖成層沉積,形成明顯或不明顯的紋層[30]。這類紋層形成的薄弱面決定了順層方向孔隙連通性更好,因此水平滲透率也更高。此外,地層埋深也對(duì)滲透率有影響。隨著埋深的增加,三類巖相的滲透率均有所降低。
圖6 第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙度和滲透率分布特征
通過(guò)分析物性參數(shù)在儲(chǔ)層條件下的變化特征,能夠更加準(zhǔn)確地核實(shí)儲(chǔ)層的儲(chǔ)量,掌握儲(chǔ)層條件下巖石滲流特征,對(duì)天然氣勘探開發(fā)更具有現(xiàn)實(shí)意義[31]。地層上覆壓力可以改變第四系弱成巖泥頁(yè)巖的孔滲大小。同一巖石在地下和地表的孔隙度與滲透率會(huì)明顯不同。對(duì)第四系弱成巖泥頁(yè)巖三類巖相的覆壓孔滲測(cè)試表明,地層上覆壓力可以降低巖石孔隙度,隨上覆壓力的增加孔隙度不斷減小,特別是黏土質(zhì)頁(yè)巖的降低幅度更大,最大壓力點(diǎn)(20 MPa)相對(duì)于初始?jí)毫c(diǎn)(3 MPa)孔隙度從17.1%~19.7%降低為13.3%~14.6%(圖7a)??紫抖葴p少了3.8%~5.1%,平均減少4.5%,相當(dāng)于減少了原孔隙度的22%~26%,平均減少了原孔隙度的1/4。通過(guò)不同上覆壓力下的滲透率變化可以看出,隨著上覆壓力的增大,滲透率下降,在低壓階段(初始變化階段),隨著上覆壓力的增大,滲透率急劇下降。最大壓力點(diǎn)(20 MPa)相對(duì)于初始?jí)毫c(diǎn)(3 MPa)混合質(zhì)頁(yè)巖滲透率從(2.54~9.09)×10-3μm2降低為(0.59~1.54)×10-3μm2(圖7b)。減少了(1.95~7.55)×10-3μm2,相當(dāng)于減少了原滲透率的77%~84%。因此,上覆壓力對(duì)滲透率的影響很大,滲透率對(duì)壓力十分敏感。
圖7 第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙度和滲透率與上覆壓力的關(guān)系
通過(guò)相對(duì)滲透率描述兩相流體在儲(chǔ)層中的滲流特征[32]。黏土質(zhì)頁(yè)巖曲線上兩相交點(diǎn)相滲為4%,長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖曲線上兩相交點(diǎn)略高,相滲為10%,交點(diǎn)處的含氣飽和度為15%(圖8)?;旌腺|(zhì)頁(yè)巖曲線上兩相交點(diǎn)最高,相滲為20%,交點(diǎn)處的含氣飽和度為20%。從曲線形態(tài)上,混合質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖的水相對(duì)滲透率下降迅速,氣相對(duì)滲透率上升也快。驅(qū)替后的殘余水飽和度較高,為40.7%~69.5%,平均58.7%,其中長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖殘余水飽和度最高。氣驅(qū)水實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相滲曲線均表現(xiàn)出氣水兩相共流區(qū)小,兩相共流區(qū)內(nèi)的氣、水相對(duì)滲透率低,相滲曲線相交點(diǎn)的含氣飽和度下限均小于40%。這主要是由于黏土膨脹,減小了有效孔隙空間,降低了氣、水流動(dòng)性。
圖8 第四系弱成巖泥頁(yè)巖氣水相對(duì)滲透率曲線
(1)第四系弱成巖泥頁(yè)巖礦物組成以石英、長(zhǎng)石和黏土礦物為主,碳酸鹽礦物含量較低,發(fā)育黏土質(zhì)頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖3種類型,以長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖為主。第四系弱成巖泥頁(yè)巖黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主,高嶺石和綠泥石含量較低。黏土質(zhì)頁(yè)巖以深灰色、灰色為主,發(fā)育水平層理,通常為1~3 mm。混合質(zhì)頁(yè)巖以灰色為主,石英、長(zhǎng)石等粗顆粒多呈懸浮狀分布在細(xì)粒的泥質(zhì)之中。長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖以灰色為主,層理發(fā)育不明顯。
(2)第四系弱成巖泥頁(yè)巖發(fā)育大量的微—納米級(jí)孔隙,孔隙類型有粒間孔、脆性礦物粒內(nèi)孔、黏土礦物粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔等。粒間孔是最主要的類型,分布在400~2 000 nm,孔徑在三類孔隙中最大。黏土質(zhì)頁(yè)巖、混合質(zhì)頁(yè)巖和長(zhǎng)英質(zhì)頁(yè)巖的孔徑分布范圍不同,有單峰、雙峰與混合峰。較淺的埋深和弱的成巖作用導(dǎo)致第四系泥頁(yè)巖孔隙以原生孔隙為主。礦物組成的變化顯著地控制了第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的變化。
(3)第四系弱成巖泥頁(yè)巖孔隙度普遍偏高,均大于10%,為天然氣儲(chǔ)集提供了十分有利的條件。第四系弱成巖泥頁(yè)巖滲透率也偏高,普遍大于0.1×10-3μm2,導(dǎo)致天然氣的保存條件變差。第四系弱成巖泥頁(yè)巖的水平滲透率明顯高于垂直滲透率,通常接近高1個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著埋深的增加,滲透率有所降低。上覆壓力可將孔隙度降低1/4,滲透率減少77%~84%。兩相共流區(qū)內(nèi)的氣、水相對(duì)滲透率低,相滲曲線相交點(diǎn)的含氣飽和度下限均小于40%。