謝 通， 潘詩洋， 王 億， 任志軍， 余江浩， 段 軻

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心,湖北 武漢 430034)

揚(yáng)子地區(qū)是南方海相優(yōu)質(zhì)烴源巖最發(fā)育的地區(qū)之一,四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)實(shí)踐證明了揚(yáng)子地區(qū)具有巨大的頁巖氣勘探潛力[1]。鄂西地區(qū)作為湖北省頁巖氣勘探的主戰(zhàn)場,已發(fā)現(xiàn)多套具有較好勘探潛力的頁巖層系。近年來隨著對二疊系頁巖層系調(diào)查評價(jià)工作的推進(jìn),先后在建始—恩施—鶴峰地區(qū)埋深300～1 500 m的上二疊統(tǒng)大隆組獲得頁巖氣發(fā)現(xiàn)[2]，其中恩地1井獲得較顯著的頁巖氣發(fā)現(xiàn)。本文從頁巖有機(jī)碳含量、熱演化程度、孔隙結(jié)構(gòu)和構(gòu)造保存條件等方面綜合分析大隆組頁巖氣富集控制因素,對鄂西地區(qū)頁巖氣的勘探和開發(fā)有著重要意義,為后續(xù)在鄂西花果坪復(fù)向斜帶尋找二疊系頁巖氣有利目標(biāo)區(qū)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

晚二疊世揚(yáng)子板塊構(gòu)造升降分異,形成了晚二疊世中上揚(yáng)子地臺(tái)臺(tái)盆相間構(gòu)造格局,鄂西地區(qū)建始—鶴峰一帶深水臺(tái)盆中發(fā)育了上二疊統(tǒng)大隆組黑色硅質(zhì)、炭質(zhì)泥巖[3-4]。恩地1井位于湖北省恩施市崔壩鎮(zhèn),處于中上揚(yáng)子地臺(tái)湘鄂西褶皺帶花果坪復(fù)向斜帶的次級褶皺茅田坪向斜東翼近核部(圖1),鉆井周邊出露下三疊統(tǒng)大冶組淺灰色薄層狀泥晶灰?guī)r,無明顯斷裂構(gòu)造發(fā)育,地層傾角約10°,局部出現(xiàn)輕微擠壓變形。

圖1 恩地1井構(gòu)造位置圖[3]Fig.1 Structural position map of Well Endi 1

2 鉆井概況

恩地1井為一小口徑頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井,在井深510.5～568.8 m處鉆遇大隆組,主要巖性為深灰色含炭泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、灰黑色含炭硅質(zhì)巖、含炭硅質(zhì)頁巖,為一套臺(tái)盆相沉積巖相組合。在井深522.0～568.8 m獲得頁巖氣顯示,氣測錄井全烴值最大可達(dá)9%,巖心浸水試驗(yàn)冒泡劇烈。本次完成15件頁巖樣品現(xiàn)場解吸實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示頁巖最大含氣量為2.5 m3/t,平均含氣量為1.4 m3/t(圖2)。解吸氣氣體組分分析結(jié)果表明，甲烷成分平均占比高達(dá)99.12%。

圖2 恩地1井大隆組綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of Dalong Formation in Well Endi 1

3 頁巖氣富集主控因素

3.1 高有機(jī)質(zhì)豐度提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)

有機(jī)質(zhì)豐度是評價(jià)烴源巖生烴潛力最重要的指標(biāo)之一,有機(jī)質(zhì)豐度通常用有機(jī)碳含量的高低來判斷[5]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)氣頁巖的有機(jī)碳含量下限值約為2%[6]。恩地1井大隆組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層主要分布在522～568 m,共46 m,是大隆組的主要含氣層。其中538～568 m為優(yōu)質(zhì)頁巖層段,平均有機(jī)碳含量達(dá)到9.17%,主要巖性為含炭硅質(zhì)巖、含炭硅質(zhì)泥巖。本次采取33件巖心樣品用于完成總有機(jī)碳的測定,測試執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《沉積巖中總有機(jī)碳的測定》(GB/T 19145—2003)[7],結(jié)果表明,大隆組有機(jī)碳含量為0.11%～17.04%,平均值高達(dá)7.02%。大隆組有機(jī)碳含量和總含氣量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系(圖3)。經(jīng)對比,恩地1井大隆組有機(jī)碳含量顯著高于湖北省內(nèi)其他主要頁巖氣層位[8](表1),表明其生烴物質(zhì)基礎(chǔ)條件優(yōu)越。

圖3 恩地1井大隆組TOC含量與含氣量關(guān)系圖Fig.3 Correlation between TOC content and gas content of Dalong Formation in Well Endi 1

表1 湖北主要含氣層系TOC、Ro數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表[8]Table 1 Statistical table of TOC and Ro data of main gas-bearing strata in Hubei Province

3.2 有機(jī)質(zhì)成熟度相對適中

有機(jī)質(zhì)成熟度可以反映干酪根的演化階段,只有達(dá)到一定成熟度的有機(jī)質(zhì)才會(huì)有大量烴類生成,并生成有機(jī)質(zhì)孔[9]。恩地1井完成2個(gè)樣品的鏡質(zhì)體反射率(Ro)測試,結(jié)果顯示Ro分別為2.38%和1.8%,平均值為2.09%,與鄂西地區(qū)其他大隆組剖面和鉆井Ro值(2.0%～2.5%)相似,屬于成熟—過成熟階段。美國頁巖氣的勘探實(shí)踐表明,頁巖的高成熟度(Ro>2%)對頁巖氣成藏的負(fù)面作用并不是絕對的,相反,相對較高的成熟度可能有利于頁巖儲(chǔ)層改造和頁巖氣成藏[10]。有實(shí)驗(yàn)研究表明,當(dāng)處于生干氣階段時(shí),Ro值平均為2.71%,有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的孔隙可顯著增加頁巖的孔隙度[11]。對比湖北省海相頁巖成熟度的整體情況[8](表1),恩地1井大隆組成熟度相對適中。

3.3 有機(jī)質(zhì)孔提供了主要的儲(chǔ)集空間

有機(jī)質(zhì)熱演化過程中可形成大量不同尺度的有機(jī)質(zhì)孔,這些有機(jī)質(zhì)孔是頁巖氣吸附的重要場所[12]。有研究表明35%的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化可增加4.9%的頁巖孔隙空間,因此頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度一方面決定了頁巖的生烴潛力,另一方面對頁巖的儲(chǔ)集性能也具有正面的影響作用[13]。大量研究表明,頁巖孔隙度與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系。

恩地1井掃描電鏡分析結(jié)果表明,大隆組發(fā)育的孔隙類型有粒內(nèi)孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙、粒間孔隙及微裂隙。鏡下可觀察到大量的有機(jī)質(zhì)分布在層間、礦物顆粒間、礦物晶間,孔徑多介于10～300 nm，形態(tài)主要呈蜂窩狀、條帶狀。其中蜂窩狀有機(jī)質(zhì)孔隙大小一般為5～200 nm,且孔隙之間普遍連通(圖4)。有機(jī)質(zhì)孔是恩地1井大隆組分布范圍最廣、孔徑跨度最大、數(shù)量最多的孔隙類型,是頁巖氣最主要的儲(chǔ)集空間。

a.粒間填充有機(jī)質(zhì)和黏土礦物,孔隙發(fā)育,密集發(fā)育；b.有機(jī)質(zhì)呈長軸定向排列,孔隙較發(fā)育,大量黏土礦物共生,有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育,孔徑多為數(shù)十納米,局部孔徑可達(dá)近200 nm；c.有機(jī)質(zhì)包裹硅質(zhì)、黃鐵礦和黏土礦物,孔隙極發(fā)育,連通性好,孔徑多為數(shù)十納米；d.黃鐵礦晶間填充有機(jī)質(zhì),有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙發(fā)育圖4 恩地1井大隆組頁巖有機(jī)質(zhì)孔Fig.4 Organic pores of Dalong formation in Well Endi 1

3.4 納米級孔隙增大了頁巖的比表面積

恩地1井大隆組選取7件樣品進(jìn)行低溫氮?dú)馕健摳綄?shí)驗(yàn)[14](圖5)。根據(jù)IUPAC滯留回線分類方法[15],恩地1井大隆組孔隙結(jié)構(gòu)以墨水瓶狀孔和平行板狀孔為主。

圖5 恩地1井大隆組N2等溫吸附—脫附曲線圖Fig.5 N2 isothermal adsorption-desorption curve of Dalong Formation in Well Endi 1

根據(jù)BJH理論確定樣品孔徑分布規(guī)律,計(jì)算結(jié)果表明,恩地1井大隆組頁巖微孔(孔徑<2 nm)平均孔容為7.294×10-3cm3/g,中孔(2 nm<孔徑<50 nm)平均孔容為15.167×10-3cm3/g,大孔(孔徑>50 nm)平均孔容為2.147×10-3cm3/g；孔隙主要以微孔和中孔為主,其中孔徑<10 nm的孔隙(圖6),孔容貢獻(xiàn)占比達(dá)到72%,而大孔發(fā)育較少。

圖6 恩地1井大隆組孔徑—孔隙體積關(guān)系圖Fig.6 Correlation between pore size and pore volume of Dalong Formation in Well Endi 1

頁巖含氣量與頁巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征直接相關(guān),其中納米級孔隙能夠顯著增大頁巖比表面積,為頁巖氣吸附提供更多的場所[12]。在相同的孔隙體積條件下,比表面積隨著孔隙大小的減小急劇增大,頁巖微小孔隙含量越多則吸附氣含氣越大[16-17]。恩地1井大隆組<10 nm的孔隙的大量發(fā)育,為頁巖氣吸附提供了更多的比表面積。恩地1井大隆組頁巖比表面積與含氣量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖7)。

圖7 恩地1井大隆組比表面積與含氣量相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between specific surface area and gas content of Dalong Formation in Well Endi 1

3.5 小規(guī)模裂縫改善儲(chǔ)層條件

恩地1井宏觀裂縫主要發(fā)育類型有低角度層理縫、層間滑動(dòng)縫和高角度張性剪切縫(圖8),裂縫主要發(fā)育在大隆組中下部高硅質(zhì)含量、高脆性的含炭硅質(zhì)巖段。恩地1井所處位置受構(gòu)造改造程度較小,大隆組裂縫寬度通常不超過3 mm,發(fā)育規(guī)模較小,但由于巖心直徑較小,難以判斷裂縫的延伸長度。研究表明,恩地1井低角度裂縫可改善大隆組頁巖儲(chǔ)集空間,小規(guī)模高角度裂縫可溝通大隆組不同含氣層段,改善滲透性,且并未切穿大隆組含氣層段造成與上覆大冶組地層溝通[18],是頁巖氣保存的較理想條件。

a.層理縫,方解石不完全充填;b.層理縫,方解石充填;c.水平滑脫縫,擦痕明顯;d.高角度剪切縫,方解石充填;e.高角度張性剪切縫,方解石充填;f.垂直層面相交的共軛剪切縫,一條被方解石充填,一條未充填圖8 恩地1井大隆組巖心裂縫特征Fig.8 Characteristics of fracture in the cores of Dalong Formation in Well Endi 1

4 恩地1井勘探意義

鄂西建始—恩施—鶴峰地區(qū)大隆組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖分布廣泛(>3 000 m2)、厚度大(普遍>30 m),但普遍埋深較淺(0～2 500 m),大多埋深<1 500 m。恩地1井獲得頁巖氣發(fā)現(xiàn),初步證實(shí)鄂西地區(qū)二疊系中淺層頁巖氣具有較大的勘探前景,拓展了湖北省頁巖氣勘探領(lǐng)域,為鄂西地區(qū)下一步頁巖氣勘探部署指明了方向。恩地1井為豐富和完善中國頁巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)增添了新的科學(xué)依據(jù)，對包括鄂西在內(nèi)的中國南方地區(qū)頁巖氣選區(qū)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善提供了新的重要科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

(1) 恩地1井大隆組中下部含炭硅質(zhì)巖、含炭硅質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量高,有機(jī)質(zhì)成熟度處于成熟—過成熟階段,相對適中。

(2) 恩地1井大隆組孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔為主,主要發(fā)育墨水瓶狀孔和平行板狀孔；孔徑大多<10 nm,小尺度孔隙的發(fā)育增加了頁巖的比表面積,有利于頁巖氣的吸附。

(3) 恩地1井所處構(gòu)造位置受構(gòu)造改造程度較小,大隆組裂縫發(fā)育規(guī)模較小。低角度裂縫改善了大隆組頁巖儲(chǔ)集空間,小規(guī)模高角度裂縫可溝通大隆組不同含氣層段,改善滲透性,且并未切穿大隆組含氣層段造成與其他高滲透性地層溝通,是頁巖氣保存的較理想條件。

(4) 恩地1井證實(shí)了鄂西地區(qū)二疊系中淺層頁巖氣具有良好的勘探前景,為鄂西地區(qū)下一步頁巖氣勘探部署指明了方向,并為豐富和完善中國頁巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)增添了新的科學(xué)依據(jù)。