沁水盆地石炭-二叠系页岩储层特征及评价

李 薇

(1.华新燃气集团有限公司技术中心,太原 030032;2.山西国新气体能源研究院有限公司,太原 030032)

沁水盆地作为中国主要的含煤盆地之一,该区煤层气已经开发了数十年,也形成了大型的煤层气产业化基地,但对于其他非常规油气勘探的程度较低[1]。近年来,北美的页岩气开采取得了巨大成功,中国也逐渐加强了对页岩气的勘探开发研究,目前主要集中在中国南部四川盆地的海相页岩,对于海陆过渡相的页岩储层研究较少[2-3]。随着对沁水盆地勘探程度的加深和对地质条件的认识,石炭-二叠系页岩储层逐渐受到重视。国土资源部油气资源战略研究中心(2011-03—2013-03)和中国地质调查局(2014-09—2015-07)分别组织了对沁水盆地及周缘页岩气资源调查评价[4]。中联煤层气有限责任公司2012年施工3口页岩气参数井,均见到良好的页岩气显示[1,4]。2012年,由山西省国新能源发展集团有限公司和中国石油大学(北京)合作,开展了“山西页岩气先导项目研究”,结果显示沁水盆地有很可观的页岩气资源量。

本次研究以沁水盆地石炭-二叠系页岩储层为研究对象,通过分析有机地球化学特征、岩石学特征和储层物性特征,对其进行评价,以期为下一步研究煤系地层中煤层气和页岩气的共探共采提供借鉴。

1 区域地质背景

沁水盆地位于山西省东南部,是中生代末在古生界基底上发育形成的大型复式向斜构造盆地(如图1所示),轴向总体上呈NNE-SSW向展布,面积约26 000 km2,构造简单,内部断裂不甚发育,处于构造稳定区[2,5-6]。

沁水盆地泥页岩储层主要分布于上古生界石炭-二叠系太原组、山西组和下石盒子组[2]。太原组形成于陆表海碳酸盐岩台地沉积,主要由深灰色-灰色石灰岩、泥页岩、粉砂岩及煤层组成,整体上具有南厚北薄的特点,变化幅度较小,其中沁源一带厚度最大,达104 m,如图2(a)所示[6]。山西组形成于泛滥盆地相,岩性为灰黑色碳质泥岩、砂质泥岩、泥页岩、粉砂岩、砂岩夹煤层,厚度分布在20～90 m之间,总体北部厚南部薄,东边厚西边薄,如图2(b)所示[2,6]。

2 样品来源

本次研究的样品来自沁水盆地5口井的太原组和山西组页岩,采样井位如表1所示,采集样品257块。对采集的样品进行了测试和分析,主要包括岩石的有机碳分析、岩石热解检测、镜质组反射率测定、全岩及粘土矿物X射线衍射分析、扫描电镜和孔渗的分析化验。

图1 沁水盆地构造纲要图Fig.1 Tectonic outline map of Qinshui Basin

(a) 太原组厚度等值线图

(b) 山西组厚度等值线图图2 沁水盆地太原组和山西组厚度等值线图Fig.2 Thickness contour map of Taiyuan Group and Shanxi Group in Qinshui Basin

表1 本次研究的采样井位Table 1 Sampling well locations in this study

3 有机地球化学特征

3.1 有机质丰度

岩石中所含的有机质是生成油气的物质基础,有机质丰度是评价泥页岩生烃能力的重要参数。目前常用的有机质丰度指标主要有:有机碳(TOC)含量、岩石热解生烃潜量(S1+S2)、氯仿沥青“A”和总烃含量(HC)。其中,TOC含量是页岩储层评价的重要参数之一,它既决定着页岩的生烃强度,也是页岩吸附气的载体之一[2]。根据含煤地层生油岩有机质丰度评价标准[7](表2),对本次测试的有机质丰度数据进行评价。

沁水盆地发育海陆交互相煤系泥页岩[8-9],根据表2中煤系生油岩的评价标准,本次所采集的石炭-二叠系页岩样品TOC质量分数介于0.19%～31.60%,平均值为2.59%,在煤层附近的TOC含量较高。

表2 含煤地层生油岩有机质丰度评价标准[7]Table 2 Evaluation standards for organic matter abundance of oil source rock in coal-bearing strata

w(toc)/%>3.0%的数据占到总数据的19%,属于中等以上生油级别的w(toc)/%数据占总数据的61%,沁水盆地石炭-二叠系页岩有机碳含量分布直方图如图3所示。有机碳含量指标属于中等偏好,具备生气的物质基础,同时也是页岩孔隙空间增加的重要因素之一,为页岩气的富集和吸附提供了空间。

图3 沁水盆地石炭-二叠系页岩有机碳含量分布直方图Fig.3 Distribution histogram of organic carbon content of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

3.2 有机质类型

有机质类型是反映有机质来源和化学组成的主要标志,目前对于有机质类型的评价主要有:显微组分类型指数法、显微组分三角图法和岩石热解法。本文采取岩石热解法对沁水盆地石炭-二叠系泥页岩的有机质类型进行分析。

通过对tmax-w(HI)有机质类型图进行分析,泥页岩有机质类型以Ⅲ型干酪根为主,仅有少量样品属于Ⅱ2型,有机质类型差,但有机质丰度高,总生烃潜力大,更有利于生气。沁水盆地石炭-二叠系页岩有机质类型分布特征如图4所示。

图4 沁水盆地石炭-二叠系页岩有机质类型分布特征Fig.4 Distribution characteristics of organic matter types of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

3.3 有机质成熟度

沉积岩中有机质的丰度和类型是生成油气的物质基础,但是有机质只有达到一定的热演化程度才能大量生烃。勘探实践证明,只有在成熟生油岩分布区才有较高的油气勘探成功率。黄第藩等[7]主要根据烃源岩中有机质的Ro值将有机质演化阶段划分为未成熟阶段、成熟阶段和过成熟阶段,各阶段所对应的Ro值分布范围为:Ro<0.5%,属于未成熟阶段;Ro=0.5%～2.0%,属于成熟阶段(其中0.5%～0.7%属于低成熟阶段;0.7%～1.3%属于成熟阶段;1.3%～2.0%属于高成熟阶段);Ro>2.0%,属于过成熟阶段。

本次所测样品的Ro介于1.54%～2.65%之间,平均为2.15%,处于高成熟-过成熟阶段。最大热解峰温tmax划分泥页岩有机质热演化阶段的温度节点分别为435,455,465 ℃,分别对应未成熟阶段、低成熟阶段、高成熟阶段和过成熟阶段[10]。对热解实验中的tmax进行分析(图5),有74%的样品处于高成熟-过成熟阶段,与Ro研究结果一致。

图5 沁水盆地石炭-二叠系页岩最大热解峰温分布图Fig.5 Distribution of the maximum pyrolytic peak temperature of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

4 岩石学特征

4.1 矿物组成特征

页岩矿物组分含量不同,一方面,影响页岩的脆性,大龄脆性矿物的存在是页岩能够通过压裂改造缝获得高产油气的原因;另一方面,矿物组分影响着孔隙结构,从而影响气体的吸附和储存[2]。

通过全岩X射线粉末衍射仪进行分析,沁水盆地石炭-二叠系页岩储层主要由粘土矿物和石英组成,粘土矿物平均质量分数为59%,石英平均质量分数为36%,此外还有少量的白云石、黄铁矿、菱铁矿和石膏,如图6所示。总体来说,该地区页岩具有较高的脆性矿物含量,有利于页岩后期压裂而产生裂缝。部分样品有黄铁矿的存在,说明该地区页岩储层发育于较稳定的静水还原环境,有利于有机质的保存。

图6 沁水盆地石炭-二叠系页岩矿物组分图Fig.6 Mineral components of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

4.2 粘土矿物特征

粘土矿物的存在,对于气体有较强的吸附能力,同时,粘土矿物具有丰富的微孔隙,是游离气的主要储集空间。沁水盆地的页岩样品中,粘土矿物主要有高岭石、绿泥石和伊利石,如图7所示。高岭石含量最高,平均质量分数为54%,有利于孔隙空间的增加[11]。总的来说,粘土矿物有利于页岩气的吸附和在孔隙空间的聚集。

脆性矿物的存在有利于后期压裂造缝,粘土矿物的存在有利于页岩气的吸附和聚集,此消彼长的两者含量在沁水盆地哪个地区哪个层位能达到既有利于后期压裂造缝又不影响页岩气的产量,是需要继续研究的科学问题。

图7 沁水盆地石炭-二叠系页岩粘土矿物含量图Fig.7 Clay mineral content of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

5 储层物性特征

5.1 孔隙度和渗透率特征

一般来说,页岩储层的孔隙度和渗透率都比较小。本次分析的数据中,孔隙度介于0.97%～9.74%之间,平均值为4.05%。孔隙度低于2%的样品数仅占到样品总数的12%,孔隙度大于3%的样品占比为73%,如图8所示。由图可知该地区具有较高的孔隙度,为页岩气的富集提供空间保障。渗透率介于0.003 5～0.022 0 mD之间,平均为0.012 mD。我国四川盆地主力页岩层位龙马溪组页岩有效孔隙度在0.73%～7.40%,渗透率在0.003 6～1.776 0 mD[12]。研究区的孔隙度、渗透率与四川盆地页岩类似。

图8 沁水盆地石炭-二叠系页岩孔隙度分布直方图Fig.8 Porosity distribution histogram of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

5.2 孔隙结构特征

通过扫描电镜分析沁水盆地页岩储层的储集空间特征。该地区主要发育层间裂隙、微裂隙、黄铁矿铸模孔、晶间孔和纳米级孔隙。

层间裂隙主要为粘土矿物片层间裂隙,如图9(a)、(b)所示,主要受到压实作用的影响而形成;微裂隙十分发育,多存在于碎屑矿物与粘土矿物之间,如图9(c)所示;碎屑矿物之间也存在微裂隙,如图9(d)所示,并具有一定的方向性,主要是粘土矿物之间转化引起体积收缩或者有机质生烃时导致的内部压力不均造成的;粘土矿物晶间孔不甚发育,如图9(e)所示;均匀发育纳米级孔隙,布满裂纹,如图9(f)、(g)所示;在大量样品中发现有黄铁矿铸模孔,如图9(h)、(i)所示,指示地层沉积时的还原环境。

整体而言,该地区层间裂隙、微裂缝和黄铁矿铸模孔十分发育,为页岩气的储存提供了丰富的储集空间。

图9 沁水盆地石炭-二叠系页岩氩离子抛光扫描电镜图Fig.9 Ar ion milled-SEM images of Carboniferous-Permian shale in Qinshui Basin

6 结论

1)沁水盆地石炭-二叠系页岩样品的TOC质量分数介于0.19%～31.60%,平均值为2.59%,在煤层附近的TOC含量较高,有机碳含量指标属于中等偏好,具备生气的物质基础;有机质类型以Ⅲ型干酪根为主,更有利于生气;有机质成熟度Ro介于1.54%～2.65%之间,平均为2.15%,处于高成熟-过成熟阶段。

2)沁水盆地石炭-二叠系页岩储层主要由粘土矿物和石英组成,粘土矿物平均质量分数为59%,石英平均质量分数为36%,具有较高的脆性矿物含量,有利于页岩后期压裂而产生裂缝。粘土矿物主要有高岭石、绿泥石和伊利石,其中高岭石含量最高,平均质量分数为54%,有利于页岩气的吸附和在孔隙空间的聚集。

3)孔隙度介于0.97%～9.74%之间,平均值为4.05%,具有较高的孔隙度,渗透率介于0.003 5～0.022 0 mD之间,平均为0.012 mD。研究区孔隙度、渗透率与四川盆地页岩类似。该地区层间裂隙、微裂缝和黄铁矿铸模孔十分发育,为页岩气的储存提供了丰富的储集空间。

4)脆性矿物的存在有利于后期压裂造缝,粘土矿物的存在有利于页岩气的吸附和聚集,此消彼长的两者含量在沁水盆地哪个地区哪个层位能达到既有利于后期压裂造缝又不影响页岩气的产量,是需要继续研究的科学问题。

5)基于样品的分析化验结果,对研究区的页岩储层进行评价和分析,总体来看,沁水盆地石炭-二叠系页岩有机质有丰富的生气物质条件,岩石矿物的组成有利于页岩气的吸附和储存,同时脆性矿物的存在又为后期的开采压裂提供良好的支撑条件,表明研究区页岩气资源潜力大,开发前景广阔。至于山西组和太原组哪个层位的页岩气资源赋存状况更好,还需要做大量的科学研究和实践来进行对比和证实。