QY1井龙吟组页岩有机碳含量与含气量的特殊相关性

2016-11-12张本杰琴罗

天然气技术与经济 2016年5期

关键词：龙吟气量页岩

张本杰刘甲，2 张伟，2 秦琴罗沙

（1.贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州贵阳 550081；

2.贵州能矿织金磷化工有限公司，贵州贵阳 550003）

QY1井龙吟组页岩有机碳含量与含气量的特殊相关性

张本杰1刘甲1，2张伟1，2秦琴1罗沙1

（1.贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州贵阳 550081；

2.贵州能矿织金磷化工有限公司，贵州贵阳 550003）

通过大量样品测试结果并结合地质录井资料分析，对QY1井下二叠统龙吟组页岩有机碳含量与含气量的关系进行了研究，并探讨了影响因素。结果表明：龙吟组页岩有机碳含量低、含气量较高，有机碳含量与含气量呈弱负相关性，具特殊的相关性。分析认为：低盐度的沉积环境是造成有机碳含量低的原因，伊/蒙混层矿物是影响有机碳含量的因素，富含氮气是页岩含气量高的主要原因。

龙吟组有机碳含量与含气量弱负相关性沉积环境和伊/蒙混层矿物富N2页岩

0 引言

自美国页岩气勘探开发取得巨大成功，从下古生界寒武系至中生界白垩系，国内外不少学者对页岩气储层进行了大量的研究工作，认为页岩有机碳含量（TOC）与含气量呈正相关性。JARVIE D［1］于2004年提出：页岩TOC与生气率有较好的正相关性。TOC含量越高，页岩生气及含气能力越强［2］。胡明毅等（2015）［3］，论述“页岩气储层研究现状及存在问题探讨”时，提到“国内学者普遍认为页岩吸附气量与TOC含量呈正相关关系”。“页岩TOC含量与含气量呈正相关性”已成为“普遍性原理”，从未有学者提及页岩TOC与含气量呈负相关性或负相关趋势。

QY1井是黔西南晴隆县境内实施的调查井，对钻井岩心进行了采样并测试，采样及测试严格按有关要求执行，测试单位均具甲级资质。根据测试结果并结合地质录井资料分析研究，发现QY1井龙吟组页岩TOC含量与含气量不是呈正相关关系，而是呈弱负相关性，具特殊的相关性，表明有机质页岩TOC与含气量的关系不能一概而论。通过页岩气储层实例分析研究并总结TOC含量与含气量的特殊相关性特征，探讨其影响因素，以期对页岩气勘探开发具有指导性意义。

1 地质背景

石炭纪末期，黔桂运动使贵州省内大部地区上升为陆，黔中古陆隆起在泥盆、石炭纪时期经风化剥蚀，黔西南一带仍为海相连续沉积。早二叠世晴隆一带为开阔台地地理格局，二叠纪早期自南西向北东开始海侵，晴隆地区为海相沉积，中二叠世梁山期开始不同程度的海退，由海相向陆相沉积环境演变。

QY1井开钻层位为中二叠统梁山组（P2l），完钻层位为上石炭统马平组（C2m），主要目的层为下二叠统龙吟组（P1l），钻遇地层岩性、井深及采样位置如图1。龙吟组由页岩、泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩与泥质灰岩组成。黑色页岩位于中部及下部，单层厚4.23～6.39 m；黑、灰黑色泥岩及钙质泥岩位于中部及中下部，单层厚1.27～12.69 m；深灰色粉砂质泥岩主要位于中部及下部，单层厚0.77～15.30 m；深灰色泥质粉砂岩、粉砂岩主要位于上部，单层厚1.35～15.36 m；灰色泥质灰岩主要位于中部，单层厚0.57～8.96 m。

龙吟组上覆地层由老到新：包磨山组为砂泥岩、灰岩，组厚485 m；中二叠统梁山组为石英砂岩、灰岩、砂泥岩夹薄煤层，组厚123 m，栖霞组和茅口组灰岩厚约700 m；上二叠统峨嵋山玄武岩组玄武岩厚约100 m。

图1 QY1井采样位置及沉积相柱状图

2 TOC与含气量的特殊相关性

QY1井龙吟组共采取了61件页岩岩心样测试TOC含量，TOC含量为0.30%～1.58%，平均为0.73%，TOC含量低；对23件页岩样进行了解析，其含气量为1.52～3.95 m3/t，平均为2.04 m3/t，页岩含气性较好。QY1-85样TOC含量最高（1.58%），而含气量为1.81 m3/t，其含气量与TOC含量的比值最小（1.14）。在井深851.5 m处采取的QY1-108样测试TOC含量为0.38%（低），而含气量高达3.95 m3/t（最高），其含气量与TOC含量的比值最大（10.39），其他21件页岩样含气量与TOC含量的比值较小（1.24～5.86）。对QY1-108样进行等温吸附实验，当恒温30℃、压力12.01 MPa时吸附气量为1.43 m3/t，页岩具一定吸附气体的能力。从图2可看出，23件样品随TOC含量增高含气量总体呈减少趋势，TOC含量与含气量不是呈正相关关系，而是呈弱负相关性，具有特殊的相关性。

3 讨论

3.1 影响TOC的因素

图2 页岩TOC与含气量关系图

从龙吟组9件样品微量元素分析可知，硼（B）含量为0～184 μg/g（1件为184 μg/g），平均为26.66 μg/g，B/Ga比值为0～0.18，平均为0.05（小于1.5），Sr/Ba比值为1.49～338.19（比值大于110的样3件），平均71.17（大于1），反映了含盐度低的海相沉积环境。水体盐度与有机质丰度具正相关性［4］，水体含盐度低的沉积环境，页岩TOC含量低。页岩矿物成分以黏土矿物为主，含量为34.23%～67.91%，平均50.66%，黏土矿物含量高。随深度增加，黏土矿物含量逐渐减少，表明晴隆地区龙吟组为由深水相向浅水相过渡的沉积环境。由深水向浅水过渡的沉积环境砂质含量逐渐增加，TOC含量逐渐降低［5］。QY1井龙吟组埋深为543.3～889.1 m，在埋深599～700.1 m的页岩TOC含量均小于1%，TOC含量大于1%的页岩主要位于埋深878～889.1 m。页岩TOC含量高低与在地质历史时期的埋深因素有关［6］。从样品岩性与TOC含量分析：QY1-85样、QY1-115样、QY1-117样、QY1-118样岩性为黑色页岩，TOC含量分别为1.58%、1.39%、1.28%、1.46%；QY1-77样、QY1-83样、QY1-98样、QY1-91样岩性为灰黑色钙质泥岩，TOC含量分别为1.23%、1.28%、1.25%、1.33%；QY1-47样、QY1-55样岩性为深灰色泥质粉砂岩，TOC含量分别为0.51%、0.62%；QY1-108样、QY1-121样岩性为深灰色泥质灰岩，TOC含量分别为0.38%、0.30%。海相黑色页岩、泥岩TOC含量一般较高，砂岩、砂泥岩、泥质灰岩TOC含量一般较低。一般地，埋深、岩性是影响TOC含量的因素，低盐度的沉积环境是造成TOC含量低的原因。

蒙脱石具很强的吸水性及吸附有机质能力，并具离子交换性能，当埋藏时间增长、地压增大、地温增加，蒙脱石不断脱水受钾的交代将转化成伊利石，其转化顺序为：蒙脱石→伊/蒙混层→伊利石［7］。吸附能力和孔隙发育次序为：蒙脱石大于伊/蒙混层大于高岭石大于绿泥石大于伊利石大于粉砂岩大于石英岩［8］。蒙脱石在转化过程中，吸附在表面上有机质易受微生物降解和破坏使有机质含量减少，层间结构中吸附的有机质随埋深、温度增加，晶体结构发生变化，有机质从层间排出转化生烃［9］、排烃，烃类气体于孔缝中存储。

龙吟组17件页岩样X-衍射测试，黏土矿物以伊利石为主（含量为16.22%～61.84%，平均为38.34%），其次为伊/蒙混层（含量为1.94%～67.0%，平均为21.16%）、绿泥石（含量为2.0%～59.66%，平均为16.81%）、高岭石（含量为4.0%～47.57%，平均为15.27%），未见蒙脱石、勃来石。分析发现，TOC与比表面、伊/蒙混层矿物含量呈正相关性（图3）。由此推断，龙吟组页岩中蒙脱石矿物已全部被转化，蒙脱石、伊/蒙混层向伊利石转化时，原始有机质不断生烃被消耗，TOC含量也随着逐渐降低，原始有机碳变成残余有机碳；由于伊/蒙混层吸附能力远大于伊利石，吸附有机质的量比伊利石多，转化伊利石时，转化多，消耗的有机质就多，生排烃类气体的量就大，残留下的有机碳就少，伊/蒙混层含量变少，反之，残余的有机碳含量就高。TOC含量随伊/蒙混层矿物含量增加而增大，随伊/蒙混层矿物含量减少而降低，伊/蒙混层矿物可能是影响TOC含量的因素。

图3TOC与伊/蒙混层矿物含量关系图

需要指出的是，测试龙吟组页岩的TOC含量为残余TOC含量，不是经过恢复后的原始TOC含量，残余TOC含量与原始TOC含量存在一定差值。

3.2 影响含气性的因素

龙吟组7件页岩样Ro在2.96%～4.17%，平均为3.60%，页岩热演化程度高，处于过成熟阶段。6件页岩样测试的有机质类型中有4件为Ⅱ1型，2件为Ⅱ2型，干酪根显微组分以壳质组为主（41.0%～69%，平均为58.33%），其次为腐泥组（平均为28.5%）、镜质组（平均为7.65%）和惰质组（平均为5.5%）。壳质组是微生物降解物等形成的显微组分，有机质类型为Ⅱ型并以Ⅱ1型为主，反映了母质来源于海相浮游生物和微生物的混合有机质，生烃能力较强，生烃组分以壳质组为主。页岩气产气量影响因素与煤层气有许多相似之处，煤有机显微组分产气能力次序为壳质组大于镜质组大于惰质组［10］。6件样页岩含气量随壳质组增加而增大，壳质组与含气性呈正相关关系，推断壳质组是影响含气性的因素。

从样品氩离子抛光图片分析，局部见有机质呈块状或条带状，有机质纳米孔不发育，见少量黏土矿物颗粒间残余纳米孔，孔径为30～921.5 nm，微裂隙较发育，长2～10 μm，宽0.1～0.3 μm，见有方解石和粉砂颗粒、少量粒间纳米孔隙。龙吟组页岩纳米孔少，纳米孔吸附和储集页岩气的量少，纳米孔不是本组页岩气体的主要储存空间，不是影响本组页岩含气性的主要因素。

脆性矿物的溶蚀作用能增加页岩气的储集空间［11］，脆性矿物含量高（平均大于40%），页岩中发育大量微、纳米级孔缝，含气量较高［12］。QY1井龙吟组页岩7件样品矿物成分除黏土矿物外，脆性矿物含量最高（31.02%～64.77%，平均为48.22%），其中石英含量为10.07%～26.0%，平均为18.85%，长石含量为0～3.87%，平均为0.98%，白云石含量为7.32%～23.03%，平均为 16.84%，方解石含量为0～47.38%，平均为13.52%。脆性矿物以碳酸盐矿物为主，含量为11.01%～54.7%，平均为28.39%，石英和长石含量少。从样品扫描电镜图片观察，晶间孔、溶蚀孔、溶缝发育，以微米级孔缝为主。方解石（Cc）、白云石（Ank）晶间孔孔径一般为2～5 μm，溶蚀孔主要于方解石、白云石、长石（F）晶体表面分布，伊/蒙混层表面也有少量分布，孔径一般为0.5～2 μm，溶缝呈锯齿状，长一般为20～80 μm，宽一般为1～5 μm。从矿物含量与含气性关系分析，碳酸盐矿物含量与含气性具正相关性，石英+长石与含气性呈弱正相关性。龙吟组碳酸盐脆性矿物孔缝发育，对页岩气赋存、运移有贡献，页岩气以游离气为主，推断碳酸盐矿物是影响含气性的因素。

龙吟组6件页岩气体组分（无空气基）测试显示，气体组分主要为CH4和N2，其中CH4占17.59%～51.88%，平均为40.21%，N2占46.76%～81.16%，平均为58.42%，且有5件样的N2百分含量高于CH4百分含量，几乎无重烃，属富氮天然气藏。6件样品碳同位素δ13C1为-35.80‰～-17.30‰。据戴金星［13］利用δ13C1大于-55‰进行伴生气鉴别、δ13C1-C1/C2+3进行各类甲烷鉴别及δ13C1-δ13C2-δ13C3进行不同成因烷烃气的鉴别，龙吟组6件样均为伴生气成因有机甲烷，有机甲烷气类型以油型裂解气和煤型气为主，5件样为碳同位素系列倒转混合烷烃气成因，QY1-108样既不是油型气、倒转混合烷烃气成因，也不属于生物混合烷烃气成因，为不明成因混合天然气。6件样单位体积N2含量高，其中QY1-108样单位体积N2含量最高（2.27 m3/t），混合含气量最大（3.95 m3/t）。QY1-112样N2百分含量虽然最高，而混合含气量为2.54 m3/t，单位体积N2含量为2.06 m3/t（属较高），仅低于QY1-108样单位体积N2含量。总之，富含N2是龙吟组页岩含气量高的主要原因。

6件气体组分样中均未检测到O2的存在，N2来源可以排除现今大气氮溶解于地下水沿断裂下渗然后脱溶聚集的可能［14］。钻遇地层虽未发现岩浆岩侵入，但不能排除上覆地层峨嵋山玄武岩组岩浆岩中的N2在横向或垂向运移的影响。龙吟组N2含量与Ro关系不明显，因测试相关数据有限，不足以证明N2来源与有机质成熟度无关。从热演化程度高来看，富N2应与过成熟阶段有机质含氮化合物经热裂解作用形成有关。当沉积有机质演化到一定阶段，形成富含氮的烃类气体之后，在成藏过程中发生长距离的侧向和垂向运移均可形成富氮天然气藏［15］。

4 结论

1）QY1井龙吟组页岩TOC含量低，含气性较好，以游离气为主，TOC与含气量呈弱负相关性，具有特殊的相关性。

2）低盐度的沉积环境是造成龙吟组页岩TOC含量低的原因，伊/蒙混层矿物是影响TOC含量的因素，富含N2是龙吟组页岩含气量高的主要原因。

3）页岩气储层十分复杂，TOC与含气量的弱负相关性影响因素尚需进一步研究。研究页岩TOC与含气量的相关性对页岩气资源潜力评价具有重要现实意义。

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