江西萍乐坳陷曲江向斜乐平组页岩储层特征

2018-07-11谢德湘易志东

非常规油气 2018年3期

谢德湘，靳　凯，易志东，徐　瑶

(1.赣中南地质矿产勘查研究院，江西南昌　330000；2.江西省国土资源厅，江西南昌　330000)

萍乐坳陷是华南地区重要的含煤构造，主要含煤地层包括晚二叠世乐平组和晚三叠世安源组，其中以上二叠统乐平组的煤层厚度最大，分布最广泛[1]。过去，对煤炭及煤层气进行勘查的过程中往往忽略了对煤系地层中存在的大套暗色页岩进行评价。萍乐坳陷乐平组煤系地层为海陆交互相和陆相沉积，与之类似的鄂尔多斯盆地及沁水盆地已经在页岩储层特征研究方面取得了重大进展[2-6]。研究结果表明，与连续分布的海相页岩相比，陆相页岩分布规模较小，单层有效厚度变化较大，泥质矿物含量普遍较高，可压性差异较大，因此在进行陆相页岩气资源评价时需要更多地考虑页岩储层的非均质性[4]。前人对萍乐坳陷页岩气的成藏条件进行了一些区域性评价，但是缺乏对页岩储层特征，特别是岩石矿物、储集空间类型及微观孔隙特征的详细研究[7-8]，因此对该地区煤系中页岩储层的研究尚处于起步阶段。

本文以曲江向斜上二叠统乐平组页岩储层为研究对象，通过薄片鉴定、X衍射全岩分析、扫描电镜、低压氮气吸附和含气性测试等多种试验方法，研究页岩储层的有机质丰度、成熟度和类型等有机地化特征，以及矿物组成、储集空间类型及微观孔隙等储层特征，探讨萍乐坳陷煤系地层页岩气成藏的基本条件，为萍乐坳陷页岩气有利区的优选提供参数依据。

1　区域地质背景

萍乐坳陷是指沿萍乡—乐平一带近北东东向的狭长地带，为发育于江南古陆南侧上的巨型坳陷[1]。萍乐坳陷位于扬子地台和华夏古陆的交界处(图1)，其构造位置决定了萍乐坳陷的形成及演化非常复杂，其南北边界均为断层，南界的萍乡—广丰断裂带是扬子准地台和华南褶皱系的分界断裂[9]。萍乐坳陷中段包括清江盆地、高安盆地和付家圩复向斜。付家圩复向斜位于萍乐坳陷“S”形构造的中部，该地区的构造改造作用相对较弱，页岩气保存条件较好，有利于页岩气的储层研究和参数采集。曲江向斜为太阳圩—付家圩复向斜的次级构造，其构造相对简单，走向呈近东西走向，地层倾角较小，仅10°左右，褶曲平缓，断层较少且以正断层为主。

晚二叠世乐平组沉积时期，受东吴运动的影响，萍乐坳陷整体抬升成陆，坳陷中央形成湖泊，湖岸线呈港湾状深入陆地之中，大面积的浅湖区沉积了以泥页岩、粉砂岩、煤及炭质泥岩为主的泥坪，发育了一套分布面积广、煤岩和页岩发育的煤系地层。曲江向斜地表为第四系(Q)覆盖，乐平组埋深在300～1800 m，与上覆长兴组(P3c)和下伏茅口组(P2m)呈不整合接触。乐平组可分为4段，包括王潘里段(P3lw)、狮子山段(P3ls)、老山段(P3ll)、官山段(P3lg)，煤岩和页岩多集中在王潘里段和老山段。钻探揭示曲江向斜乐平组中暗色泥岩有184 m、煤层有7 m，气测异常段达356 m，全烃最高可达28.61%，其中C1含量为27.03%。将乐平组的暗色页岩浸入水中进行清水试验，可见岩芯表面不断有气泡析出，所收集的气体可点燃，火焰颜色呈橘黄色—蓝色。

图1　萍乐坳陷大地构造略图及乐平组地层柱状图Fig.1　Sketch tectonic map of Ping-Le depression and strata histogram of Leping formation

2　页岩有机地化特征

2.1　有机质丰度

前人研究表明，页岩含气量与总计机碳含量(TOC)之间存在良好的正相关关系，页岩较高的有机质丰度为页岩气的富集提供了物质基础，且页岩中的吸附气主要吸附于分散状的有机质表面，同时丰富的有机质也是形成大量纳米级孔隙的重要载体；因此，有机质丰度是页岩储层评价的重要因素之一[10-11]。乐平组137块页岩有机碳含量测试结果表明，乐平组页岩储层的TOC在0.37%～13.52%，平均为2.12%，绝大多数样品的TOC大于0.6%，其中TOC>1%的样品数达74块，占总样品数的54%(图2a)。根据煤系烃源岩生烃潜力评价标准[12]，乐平组页岩储层为中等烃源岩，具有较好的生烃潜力。

2.2　有机质类型

有机质类型主要是干酪根类型的辨别，不同干酪根的生气潜力有很大的差别，这种差异与有机质的化学组成和结构有关。有机质中干酪根碳同位素受生源和环境影响很大，可以提供有关有机质生烃母质和沉积环境的有用信息，因此也可以依据干酪根碳同位素进行有机质类型识别，其δ13C的区间值分别为Ⅰ型为-35‰～-30‰，Ⅱ1型为-30‰～-27.5‰，Ⅱ2型为-27.5‰～-25‰，Ⅲ型≥-25‰[13]。乐平组样品的干酪根碳同位素数值在-27.93‰ ～-22.19 ‰之间，主体位于-22.5 ‰～-25.5‰之间，以有利生气的Ⅲ型干酪根为主，少量II2型。

2.3　有机质成熟度

有机质成熟度即有机质向油气转化的热演化程度，它决定着有机质生成油气的数量和潜力，往往成熟烃源岩分布区会有较高的油气勘探成功率[14-15]。根据天然气有机成因理论，热成因高产气率Ro为1.1%～3.0%。乐平组页岩的镜质体反射率介于1.64%～2.41%之间(图2b)，平均值为1.88%，处于高过成熟阶段，已经进入大量生气期，可以为页岩气的富集提供气源。北美和中国南方的海相页岩Ro一般处于1.1%～3.5%，鄂尔多斯盆地中生界陆相页岩的Ro为1.25%～1.33%[4]。相比而言，研究区的有机质成熟度属于中等偏高。

图2　乐平组页岩储层有机碳含量(a)和有机质成熟度(b)分布直方图Fig.2　Column diagram of organic carbon content and kerogen carbon isotopes of Leping formation shale reservoir

3　页岩储层特征分析

3.1　显微镜下特征

岩石薄片分析结果表明，乐平组页岩主要由碎屑物质、填隙物和少量的炭质组成。其中，碎屑物质的含量在2%～60%之间，主要为矿物碎屑，形态多呈棱角状、次棱角状，有的呈次圆状等，磨圆度一般至较好；粒径大多在0.03～0.06 mm之间，分选性较好。碎屑物在岩石中多呈杂乱—半定向排列，成分见有石英、极少许斜长石及白云母等(图3a、3b)，部分石英呈分散状分布于泥质矿物及其集合体间隙中(图3c)。个别样品中白云石含量较高，可达70%～75%之间(图3d)，为泥质白云岩。页岩的碎屑矿物中一般含有黄铁矿(图3e)，但含量均小于1%。填隙物主要分布于碎屑物间隙中，由杂基和胶结物组成，以杂基为主，含量为25%～98%。杂基成分主要为黏土矿物和少许粒径更为细小的碎屑物成分，多呈隐晶质状，部分黏土矿物呈显微鳞片状，往往呈放射球粒状集合体。个别样品中，黏土矿物集合体呈细小条纹状，具褶皱现象。页岩中炭质碎屑呈极细小片状、板状或非晶质状，多分布于泥质及其集合体间隙中，少许分布于岩石裂隙中(图3f)，不太均匀，局部稍稍集中呈团块状，含量多在2%～10%范围内。

3.2　矿物组成

页岩的矿物含量不仅影响页岩储层的岩石力学性质，也可影响页岩储层的孔隙结构；因此，其被认为是页岩气储层评价的重要指标[16]。X衍射全岩分析结果表明，乐平组页岩以石英和长石等碎屑矿物和黏土矿物为主，碳酸盐岩矿物含量较低，仅含少量方解石和白云石。具体来看，石英含量介于21.40%～79.22%之间，平均值为44.57%；长石含量介于1.65%～15.58%之间，平均为3.19%；黏土矿物含量介于28.00%～69.05%之间，平均为47.45%(图4)。研究结果表明页岩脆性对改善页岩储层压裂效果具有重要作用，能有效提高页岩气的产量[17]。通常认为，脆性矿物主要包括石英、碳酸盐类矿物与铁矿石类矿物。本文采用Rickman等(2008)提出的脆性指数计算公式：脆性指数=石英/(石英+碳酸盐岩+黏土)，求取了乐平组页岩的脆性指数。结果表明，所研究页岩的脆性指数介于24%～81%之间，平均值为48%。张晨晨等(2016)对四川盆地五峰组—龙马溪组页岩储层的参数进行了分级评价，将脆性指数>40%作为优质页岩储层的评价标准之一[18]，据此表明萍乐坳陷乐平组页岩也具有较好的脆性。

图3　曲江向斜YQ1井乐平组页岩镜下鉴定照片Fig.3　Photos under microscope of Leping formation shale in well YQ1a.粉砂质页岩，737.54 m；b.含炭质粉砂质泥岩，720.87 m；c.含炭质粉砂质页岩，735.42 m；d.泥质白云岩，647.2 m；e.含炭质粉砂质页岩，679.1 m；f.层状含粉砂质页岩，715 m

图4　曲江向斜YQ1井乐平组页岩X衍射岩石矿物组成及黏土矿物组成Fig.4　Mineral composition and clay mineral composition of Leping formation shale in well YQ1

页岩储层中黏土矿物中微孔隙发育，是重要的储集空间，并且黏土矿物对天然气有较强的吸附能力，因此，黏土含量对页岩的含气性有重要影响。试验表明，黏土矿物中除蒙脱石外，伊/蒙混层和高岭石的微孔隙较为发育，其同等条件下对甲烷的吸附量比绿泥石和伊利石更高[19]。乐平组页岩中的黏土矿物主要由高岭石、伊/蒙混层和伊利石组成，三者的平均质量百分比分别为42.58%、30.32%和23.63%，绿泥石含量较低(图4)。总体来说，乐平组页岩的黏土矿物组成有利于提高页岩的储集空间。

3.3　储集空间类型

扫描电镜下可见，乐平组页岩发育大量黏土矿物粒间孔，包括伊利石粒间孔(图5a)、伊/蒙混层粒间孔(图5b)及少量绿泥石粒间孔(图5c)等，孔隙直径多小于1 μm，表现为片状或纤维状黏土矿物之间的狭缝形孔或楔形孔。同时还观察到大量有机孔隙，孔隙大小可达数十纳米，呈点状或椭圆状(图5d)。研究表明有机质的生烃将会产生大量的有机孔隙[11]，乐平组页岩的成熟度表明其已达到了大量生气和产生有机孔隙的阶段。本文基于储集空间类型和孔隙特征研究，利用测井资料计算了乐平组页岩的孔隙度和渗透率，结果表明其孔隙度介于2%～6%，平均为3.8%；渗透率在0.5～23 mD之间，平均为8 mD。

3.4　孔隙结构特征

图5　曲江向斜YQ1井乐平组页岩孔隙显微特征Fig.5　Microscope characteristics of pores of Leping formation shale in well YQ1a.伊利石粒间孔，737.54 m；b.伊/蒙混层粒间孔，735.42 m；c.绿泥石间孔隙，722.2 m；d.黏土矿物粒间孔，595.86 m；e.有机孔隙，735.42 m；f.有机孔隙，722.2 m

图6　曲江向斜YQ1井乐平组页岩储集空间类型Fig.6　Reservoir space type of Leping shale in well YQ1

低压氮气吸附试验常常被用来表征泥页岩的微观孔隙结构特征，该试验可以反映直径介于1.7～150 nm之间孔隙的定量化信息[20-22]。通过测试泥页岩样品在-196 ℃温度下不同试验压力的氮气吸附量，绘出吸附和脱附等温线，根据滞后环的形状确定孔的形状，按不同的孔模型计算孔分布、孔容积和比表面积。图6展示了乐平组页岩样品的低温氮气吸附等温升压过程的吸附曲线和降压过程的脱附曲线。从形态上看，吸附曲线整体呈反“S”形，根据吸附等温曲线的BET分类，属于II型吸附曲线；吸附曲线前段上升缓慢，后段急剧上升，一直持续到相对压力接近1.0时也未呈现出吸附饱和现象，表明样品在吸附氮气过程中发生了毛细孔凝聚现象。II型吸附等温线的出现表明样品中存在一定数量的中孔和大孔，所以在相对压力(p/po)较高的阶段，吸附量快速上升。样品的吸附等温线中吸附曲线和脱附曲线在压力较高的部分不重合，形成吸附回线。样品中的吸附回线与IUPAC分类中的H3型吸附回线接近，同时具有H4型的特征，这表明乐平组页岩的孔隙主要为纳米孔，孔隙的尺寸和排列无规则，孔结构具有狭缝状孔特征，且含有多形态的其他孔，这与扫描电镜的观察结果一致。

通常将吸附相对压力为0.99时的吸附量作为孔体积，可根据BET模型计算样品的比表面积和孔径(表1)。乐平组页岩的孔隙体积为0.0162～0.0334 cm3/g，平均为0.0273 cm3/g；比表面积为4.31～13.18 m2/g，平均为10.24 m2/g；平均孔径介于10.09～15.05 nm之间，平均为11.26 nm。根据吸附回线分析，其孔形状极不规则，孔隙大小不同，通常用不同孔径范围的孔体积分布参数表征。图7为采用DFT法得到的样品孔径体积分布，可以看出样品主要以3～6 nm的孔隙为主。

图7　曲江向斜YQ1井乐平组页岩氮气吸附法孔径分布曲线Fig.7　Pore diameter distribution curves of nitrogen adsorption of Leping formation shale in well YQ1

样品号深度/m岩性孔隙体积/(cm3·g-1)比表面积/(m2·g-1)平均孔径/nmQY1735.42灰黑色泥岩0.01624.3115.05QY2715.00灰黑色泥岩0.027010.0010.79QY3675.80深灰色泥岩0.029911.6310.28QY4641.05深灰色泥岩0.028710.4310.98QY5625.42深灰色泥岩0.033413.1810.14QY6612.72深灰色泥岩0.027310.5910.30

4　页岩含气性特征

4.1　含气量

现场解吸结果表明，乐平组页岩的含气量介于0.22～2.10 m3/t之间，平均为0.4 m3/t，含气量较高的层段集中在乐平组老山段。气测数据与现场解吸含气量间具有很好的正相关关系，表明可以用气测资料对页岩含气性进行较为可靠的预测，即含气量=0.1197×气测全烃含量+0.143。利用此公式对乐平组页岩含气量计算的结果表明，含气量在0.14～3.57 m3/t之间，平均值为0.43 m3/t，含气量随深度增加而增大，在老山段底部页岩含气量最高。