基于无人机倾斜摄影技术的鄂西地区陡山沱组页岩露头表征

2022-07-16解祎恬印森林冯凯玥汪佩霖范佳琳袁文杰席晓东

非常规油气 2022年4期

解祎恬, 印森林,2, 冯凯玥, 汪佩霖,范佳琳, 袁文杰, 席晓东

(1. 长江大学地球科学学院,武汉 430100；2. 长江大学录井技术与工程研究院,湖北荆州 434023；3. 长江大学计算机科学与技术学院,湖北荆州 434023)

0 引言

海相页岩是重要的页岩油气生成与储集的重要载体,是当前国内外页岩气勘探开发的热点领域。学者们研究发现,国内海相优质页岩储集层主要分布于深水陆棚亚相带,地势平缓、分布范围广,古气候、古环境和古地理等因素在较大区域内具有一致性,储集层厚度分布十分稳定且变化极小[1]。按矿物组分划分方式,海相页岩主要岩相包括硅质页岩相、黏土质页岩相、碳酸盐质页岩相、硅质-碳酸盐质页岩相、碳酸盐质-硅质页岩相和硅质岩/粉砂岩相及灰岩相等类型；页岩储集空间主要包括基质孔隙类和裂缝类,基质孔隙包含黏土矿物间微孔、脆性矿物晶间孔、次生溶蚀孔以及有机质孔,孔隙大小主要以纳米级别为主。裂缝在构造运动频繁或者强烈的区域(如盆山耦合带)发育程度很高[2-8]。然而,从页岩油气的高效开发来说,页岩不同岩相的空间组合样式及分布规模等的研究不足。

鄂西地区青林口震旦系陡山沱组页岩气储量丰富,目前中国地质调查局武汉地质调查中心承担的鄂宜页3井发现工业气流,体现了古老海相页岩的重大勘探开发潜力,成为新的勘探领域。已有的针对陡山沱组的研究表明,其暗色泥页岩广泛分布,累计厚度较大,平均约为87.3 m,受沉积相的控制明显；TOC为0.67%～2.90%,平均值为1.53%；其矿物成分主要为黏土矿物和碎屑矿物[9]。因目前资料较少,对海相页岩不同岩相横向和空间分布的研究存在不足。由于受露头地形高陡、人工拍照视角不足的影响,该文利用野外页岩露头相似区并借助无人机开展研究。无人机具有敏捷、高精度、全局性视域和定量化程度较高等特点,是表征页岩露头的关键技术手段。该研究不仅可以丰富海相细粒页岩沉积学研究的技术方法,同时对下步指导震旦系陡山沱组页岩油气勘探开发具有重要实践意义。

1 野外露头区概况与研究方法

1.1 区域地质概况

鄂西地区青林口野外露头剖面地理上位于湖北省宜昌市秭归县境内,剖面位置坐标为东经110°55′、北纬30°48′,交通非常便利,剖面沿青林口—脚迹坪新修公路旁连续出露如图1a所示。研究区是中国南方新元古界震旦系的标准命名地点,也是中国年代地层建阶体系中晚新元古代震旦系的经典剖面所在地,主要包括震旦系莲沱组、南沱组、陡山沱组和灯影组。目的层自下而上发育了陡山沱组二段、三段和四段,如图1b所示[10-13]。岩性主要为深灰或灰黑色泥质白云岩、深灰白云质灰岩及深黑色泥页岩,常夹磷硅质结核及团块,有微古植物和宏观藻类存在,与下伏南沱组灰绿色冰碛砾岩呈不整合接触。

图1 鄂西地区震旦系青林口剖面野外露头区概况(据文献[12]修改)Fig.1 Outcrop area of Sinian System Qinglinkou section in Western Hubei

1.2 研究方法

该研究是在传统人工详细考察的基础上,结合无人机倾斜摄影技术进行的数据采集、分析处理、建模和解释工作[14-19]。研究区露头高度150～156 m,区域面积为0.5 km2,处理后的模型分辨率精度约为2 cm,三维模型如图2所示。具体工作为：1)人工踏勘并收集露头照片和露头描述工作；2)利用无人机对研究区野外露头进行数据采集,获取三维点云数据与海量的倾斜摄影信息数据；3)结合人工野外考察进行了岩性识别与标定,开展定量页岩地质知识库的统计工作；4)开展典型露头部位的精细构型解剖工作。

图2 无人机倾斜摄影露头区震旦系陡山沱组三维模型Fig.2 3D model of UAV oblique photography outcrop area in Doushantuo Formation, Sinian System

2 露头剖面特征与定量页岩知识库

2.1 露头地层分布特征描述

分析图2所示三维模型,参考前人研究成果和背景资料,将宜昌青林口露头剖面陡山沱组二、三、四段划分为18个层,具体如下：

1)无人机倾斜摄影野外露头剖面显示,陡山沱组二段与下伏一段呈整合接触,上覆深色白云岩及黑色页岩区别于陡三段白云岩。陡山沱组二段主要为灰色中层状(含碳)白云岩与黑色碳质页岩呈不等厚互层,燧石结核发育程度高,总厚度约为92.5 m。

2)陡山沱组三段与下伏陡山沱组二段呈整合接触。主要以深黑色薄层状、透镜状硅质条带页岩为主,底部为生物藻丘较为发育的中-厚层状含砾屑微晶白云岩；中部为灰色中层状燧石条带泥-粉晶白云岩；顶部为灰色薄层状白云石化泥晶灰岩夹泥页岩,或为灰白色白云石化泥晶灰岩、灰色薄-中层状白云质灰岩组成,向上单层灰岩厚度变薄,总厚度约为45.2 m。

3)陡山沱组四段与下伏陡山沱组三段呈整合接触。主要为深黑色硅质页岩,夹白云岩和硅质岩透镜体。深黑色硅质页岩的岩石较硬,非常容易碎裂,脆性很好,该层的黑色页岩与上下的白云岩岩石地层差异明显,总厚度约为11.2 m。

2.2 页岩露头定量地质知识库

与砂泥岩剖面不同,页岩的连续性普遍较好,分层界限很清晰。该文利用采集和处理之后的无人机倾斜摄影三维定量模型,主要从沉积相类型、岩性、厚度和连续性等方面开展定量知识库描述与表征[20-21],见表1。

表1 页岩露头定量地质知识库Table 1 Quantitative outcrop geological knowledge database of shale rock

1)陡山沱组二段主要以浅海低能沉积相为主,根据岩性组合将其划分9个旋回,总厚度约为131.1 m。

自下而上,第1旋回以深灰、灰白色薄层状白云岩为主,夹薄层状灰黑色泥页岩,单层白云岩层厚约7.6 cm,单层页岩层厚约20.0～32.0 cm,总厚度约为5.64 m；

第2旋回以灰白色厚层状白云岩为主,单层白云岩厚度约25.0～50.0 cm,总厚度约为6.49 m；

第3旋回为黑灰色中-厚层状白云岩夹黑灰色薄层状页岩,单层白云岩层厚约25.0 cm,单层页岩层厚约18 .0 cm,总厚度约为17.62 m；

第4旋回为黑灰色页岩与灰色中薄层状白云岩互层,单层白云岩层厚约21.5 cm,单层页岩层厚约15.0～20.0 cm,总厚度约为14.51 m；

第5旋回为灰黑色薄层状白云岩夹黑灰色页岩,单层白云岩层厚约16.0 cm,单层页岩层厚约11.0～ 26.2 cm,总厚度约为6.78 m；

第6旋回为灰色中薄层状白云岩夹薄层状灰黑色页岩,此层植被覆盖十分严重,单层白云岩层厚约18.0 cm,单层页岩层厚约12.0～27.2 cm,硅质条带发育,总厚度约为21.78 m；

第7旋回为黑色页岩夹灰黑色薄层状白云岩,单层白云岩层厚约4.0～12.0 cm,下部页岩中夹含灰黑色硅质岩结核,总厚度约为11.32 m；

第8旋回以深灰、灰黑色厚层状白云岩为主,单层白云岩厚度约30.0～70.0 cm,总厚度约为9.80 m；

第9旋回底部为黑灰色中厚层状白云岩夹薄层状黑色页岩,单层白云岩厚约40.0 cm,黑灰色页岩层厚约12.0 cm；顶部为黑灰色中厚层状白云岩与薄层状黑灰色页岩互层,单层白云岩厚约31.0 cm,页岩层最大厚度可达70.0 cm,总厚度约为12.27 m。

2)陡山沱组三段以浅海较高能沉积相为主,根据岩性组合将其划分为6个旋回,总厚度约为49.6 m。

自下而上,第1旋回为灰白色、深灰色厚层状白云岩夹硅质条带,单层白云岩厚度约16.0～35.0 cm,水平层理发育,向上单层渐渐变薄,总厚度约为5.84 m；

第2旋回为灰色厚层状白云岩夹薄层状灰黑色页岩,单层白云岩厚度约10.0～18.0 cm,单层页岩层厚度约2.0～5.4 cm,层内发育硅质条带页岩,总厚度约为3.98 m；

第3旋回为灰白色白云岩夹含硅质条带页岩,单层白云岩厚度约10.0～47.0 cm。透镜状硅质条带页岩,薄厚差异较大,白云岩夹含薄层状页岩,单层页岩厚度约0.5～1.0 cm,总厚度约为5.0 m；

第4旋回为灰白色中薄层状白云岩夹含硅质条带页岩,单层白云岩厚度约8.0～32.0 cm,偶见1.0～ 3.0 cm薄层状黑色页岩,总厚度约为10.93 m；

第5旋回底部是7 m厚层状灰白色块状白云岩,中部以灰白色块状白云岩为主,夹“扁平砾石”状白云岩,厚度约15.0～20.0 cm,顶部呈现薄层状褶皱,厚约10.0～20.0 cm,总厚度约为8.02 m；

第6旋回为灰白色厚层状白云岩,单层厚度约50.0 cm,总厚度约为12.11 m。

3)陡山沱组四段以浅海低能沉积相为主,页岩发育程度较高。根据岩性组合将其划分为3个旋回,总厚度约为12.66 m。

自下而上,第1旋回为灰黑色页岩,单层页岩厚度约8.0～22.0 cm,水平层理发育,向上单层渐渐变厚,总厚度约为3.01 m；

第2旋回为灰黑色中厚层状页岩夹薄层状白云岩,单层页岩厚约11.7～17.8 cm,总厚度约为4.69 m；

第3旋回为灰黑色中薄层状页岩,单层页岩厚约5.34～9.69 cm,总厚度约为6.88 m。

3 露头剖面精细解剖与演化

根据不同的颜色、岩性、岩相组合和沉积环境演化等特征,选取3个典型露头剖面开展岩相构型解剖。

1)针对图2所示无人机倾斜摄影处理后的三维模型,选取露头剖面L1-L′1典型位置Ⅰ开展岩相构型解剖与分析,如图3所示。露头剖面L1-L′1位于工区的右下角,成层性较强,剖面宽度约80 m,高度约25 m,无人机倾斜摄影分辨率约为5 cm,可以较为精细地表征各不同层的岩性及其组合特征,叠置关系十分清晰。该工区岩性主要为中厚层灰色白云岩与中薄层页岩不等厚互层夹杂少量硅质条带,发育水平层理,白云岩单层厚度约4～37 cm,页岩单层厚度约8～20 cm。自下而上主要呈Dh和MSh→Dh两种样式的多个旋回的叠置,岩相组合样式以页岩/白云岩的厚度比例大于1为主。其中白云岩厚度较大,呈厚层状,页岩厚度相对较薄,呈薄层状,整体呈厚层白云岩与薄层页岩的互层特征。体现了从深海相向碳酸盐岩台地相的演化及水体从深变浅的过程。

图3 露头剖面L1-L′1岩相构型分析Fig.3 Interpretation of lithofacies architecture of outcrop section L1-L′1

2)针对图2所示无人机倾斜摄影处理后的三维模型,选取露头剖面L2-L′2典型位置Ⅱ开展岩相构型解剖与分析,如图4所示。露头剖面L2-L′2位于工区的右下角,成层性较强,剖面宽度约60 m,高度约20 m,无人机倾斜摄影分辨率约为2 cm,可以较为精细地表征各不同层的岩性及其组合特征,叠置关系十分清晰。该工区岩性主要为灰黑色中厚层状白云岩与黑色页岩互层,发育水平层理,向上逐渐变薄。白云岩厚度约15～50 cm,呈中层状,页岩厚度约15～30 cm,也为中层状。自下而上主要呈Dh和MSh→Dh两种样式的多个旋回的叠置,岩相组合样式以页岩/白云岩的厚度比例等于1为主。其中白云岩与页岩厚度相当,体现了碳酸盐台地及缓坡沉积水体为深浅交互的变化过程。

图4 露头剖面L2-L′2岩相构型分析Fig.4 Interpretation of lithofacies architecture of outcrop section L2-L′2

3)针对图2所示无人机倾斜摄影处理后三维模型,选取露头剖面L3-L′3为典型位置Ⅲ开展岩相构型解剖与分析,如图5所示。露头剖面L3-L′3位于工区的右下角,成层性较强,剖面宽度约为50 m,高度约12 m,无人机倾斜摄影分辨率约为5 cm,可以较为精细地表征各不同层的岩性及其组合特征,叠置关系十分清晰。剖面岩性主要为深灰色、灰白色厚层状白云岩夹少量硅质条带,发育水平层理。白云岩单层厚度约11～120 cm,为中-厚层状,向上层变薄,总厚度约为7.10 m。自下而上主要呈Dh样式的多个旋回的叠置,岩相组合样式以页岩/白云岩的厚度比例小于1为主。整体从深海相向碳酸盐岩台地相的演化及水体从深变浅的过程。

图5 露头剖面L3-L′3岩相构型分析Fig.5 Interpretation of lithofacies architecture of outcrop section L3-L′3

4 对页岩油气勘探开发的启示

已有页岩油气的勘探开发表明,页岩油气的开发过程有2个十分关键的点,一是源储岩相的组合样式,二是优质储集层的空间分布特征。通过前面的研究可以发现,研究区陡山沱组的组合样式包括各类页岩与白云岩的厚度比例大于1、等于1和小于1等3种。目前海相页岩主要以页岩气为主,尤以第1种样式为最有利岩相组合和产能特征。其次,优质储层的空间分布与白云岩含量关系较大,适量的白云岩是优质储层发育的关键脆性矿物,因此页岩与白云岩比例等于1的组合,即陡二段顶部与陡三段底部是优质储层的发育区域,是下步勘探开发的重点。海相页岩露头剖面甜点分布模式如图6所示。

图6 海相页岩露头剖面甜点分布模式Fig.6 Sweet spot distribution pattern of marine shale outcrop profile

通过对已有钻井进行研究也发现有类似特点。下震旦统时期页岩储层主要发育在陡山沱组二段和四段地层之中,页岩颜色较深,有机质丰富；这种岩相主要分布在水体闭塞的缺氧环境中,主要为黑色页岩,或黑色-灰黑色(含碳质)、具有纹层及由页理构造的页岩。页岩均为显微晶质结构,通常含有数量不等的石英、长石和黄铁矿等脆性矿物。从成分和结构上看,该套黑色岩系主要形成于滞流缺氧的深水潟湖或台内盆地环境中。

依据钻遇震旦系页岩的钻孔鄂阳页1井开展分析。采用细粒沉积层序地层学研究方法,将研究区陡山沱组划分为DST1,DST2,DST3和DST4等4个3级层序。其中,露头区DST2层序对应于陡山沱组二段,DST3对应于陡山沱组三段,DST4对应于陡山沱组四段。研究发现,DST2中部及DST3底部为优质页岩甜点段。优质页岩段厚度为90～110 m,由海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)组成。海侵体系域对应陡山沱组二段中、上部,厚度较为稳定,约50 m,为深水相,主要发育黑色页岩,可见大量的黄铁矿纹层、页理和磷质结核,说明该时期水体较深,主要以还原沉积环境为主；该体系域自然伽马及测井曲线上数值变化总体较为稳定,表明该时期水体变化较为稳定,页岩厚度远远大于白云岩,为厚度比例大于1的区域,是Ⅱ类储层。高位体系域下部以斜坡相的页岩、薄层白云岩为主,页岩与白云岩的厚度比大体等于1；从测井曲线上来看,该体系域自然伽马曲线值变小,说明水体逐渐变浅,云质含量逐渐增多,TOC较高,为优质储层。对于碳酸盐岩的台地相来说,主要以白云岩为主,TOC较低,气测甲烷含量低,为Ⅲ类储层。鄂阳页1井陡山沱组甜点分布特征如图7所示[22]。