牛蹄塘組頁巖儲層特征分析范文
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《天然氣工業(yè)雜志》2014年第八期
貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要分布于黔北、黔中和黔東—黔東南地區(qū)［4－5］（該組在川南地區(qū)又被稱為筇竹寺組），牛蹄塘組頁巖層段位于其下部，巖性主要為灰黑—黑色含粉砂—粉砂質(zhì)、碳質(zhì)泥巖、頁巖，黃鐵礦普遍發(fā)育［6－7］。牛蹄塘組總厚度及其有效頁巖段厚度明顯受相帶展布的控制。黔北區(qū)牛蹄塘組頁巖發(fā)育，出露較少，埋深較深，主要分布于遵義—道真一帶。綏頁1井揭示牛蹄塘組黑色頁巖厚116．7m，正頁1井黑色頁巖厚99m，德頁1井黑色頁巖厚91m。黔中區(qū)內(nèi)古生界較為完整，牛蹄塘組頁巖具有較為穩(wěn)定的分布；黔東—黔東南區(qū)牛蹄塘組頁巖層分布較廣，除江口、甕安、岑鞏和三都以東地區(qū)地層剝蝕外，其余地區(qū)均深埋地腹，該地區(qū)已鉆遇牛蹄塘組的頁巖氣井共9口，其中松頁1井揭示黑色頁巖厚39m，岑頁1井黑色頁巖厚53m，鎮(zhèn)頁1井黑色頁巖厚81m，麻頁1井黑色頁巖厚120m，總體呈現(xiàn)向南增厚的趨勢，且南部牛蹄塘組黑色頁巖的埋深也較北面大。黔西南北部區(qū)牛蹄塘組頁巖發(fā)育良好，但埋深普遍大于5000m。
2牛蹄塘組頁巖儲層特征及其分布規(guī)律
2.1頁巖有機(jī)質(zhì)類型牛蹄塘組干酪根有機(jī)顯微組分以腐泥無定型和腐殖無定型為主，前者相對豐度為11％～92％，平均為49％；后者相對豐度為8％～85％，平均為48％。干酪根類型指數(shù)為51～96，干酪根類型以腐泥型和偏腐泥混合型為主。綜合分析認(rèn)為：貴州省牛蹄塘組含氣頁巖的母源主要為藻類等低等水生生物，生烴能力較強(qiáng)。通過對牛蹄塘組地表露頭和鉆孔巖心樣品的有機(jī)碳含量測試，發(fā)現(xiàn)頁巖有機(jī)碳含量范圍為0．7％～14．6％，平均為5．2％，主頻在大于4．0％的區(qū)間。該區(qū)牛蹄塘組頁巖有機(jī)碳含量高值區(qū)主要位于黔東的銅仁地區(qū)及黔東南的余慶—施秉一線，有機(jī)碳含量普遍大于8％。往西至黔南、貴陽地區(qū)有機(jī)碳含量有所降低，但仍普遍大于3．0％，具有很好的生烴潛力。黔北中北部地區(qū)主要出露志留系—三疊系，牛蹄塘組野外露頭較少，從該區(qū)及鄰區(qū)部分野外露頭和鉆井資料分析，該區(qū)牛蹄塘組頁巖有機(jī)碳含量普遍低于1．5％，為黔北頁巖有機(jī)碳含量的一個(gè)低值區(qū)。松桃—岑鞏一線及余慶—施秉一線牛蹄塘組頁巖中生物有機(jī)質(zhì)較豐富，而靠近川中隆起及黔中隆起的地區(qū)，粉砂質(zhì)含量有所增加，頁巖有機(jī)碳含量有所降低。垂向上，黔南、黔中地區(qū)含氣頁巖僅發(fā)育于牛蹄塘組下部粉砂質(zhì)、碳質(zhì)泥巖段，上部含粉砂、碳質(zhì)泥巖段有機(jī)碳含量很低。在黔北遵義松林地區(qū)，牛蹄塘組下部有機(jī)碳含量介于0．46％～20．57％，平均為9．06％；上部有機(jī)碳含量明顯降至0．20％～3．58％，平均為1．35％；黔東松桃地區(qū)，牛蹄塘組整段泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度都較高，下部有機(jī)碳含量最高達(dá)11．0％，有機(jī)碳含量大于2．0％的泥頁巖厚度超過48m。
2.2頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度有機(jī)質(zhì)在不同演化階段其生烴生氣量不同，干酪根的成熟度不僅可以決定頁巖的生烴潛能，還可影響到有機(jī)物質(zhì)表面的氣體吸附量［8－9］。黔北地區(qū)牛蹄塘組頁巖層系熱演化資料分析表明：牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖經(jīng)歷了復(fù)雜的多期次熱演化史變化，頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度較高，Ro普遍大于2．5％，均處于過成熟演化階段。平面上，牛蹄塘組頁巖總體演化程度較高，全區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度為2．0％～4．0％，黔東的松桃—銅仁地區(qū)牛蹄塘組泥頁巖熱演化程度最高，基本大于3．0％，最高可達(dá)4．2％，處于過成熟的晚期。黔南、黔中及黔北遵義地區(qū)Ro相對較低，在甕安—麻江—黃平一帶有機(jī)質(zhì)成熟度為2．0％～3．0％，往北至重慶地區(qū)，有機(jī)質(zhì)熱演化程度有所減小。垂向上，貴州省牛蹄塘組頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度隨深度增加有微弱增大的趨勢。
2.3頁巖儲層巖礦特征該區(qū)牛蹄塘組頁巖石英、長石等碎屑礦物含量為24％～88％，平均為72．3％；自生脆性礦物含量為0～62％，平均為8．6％；黏土礦物含量介于12％～30％，平均為19．0％。黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，綠泥石較少見（圖6）。巖石礦物學(xué)特征表明：頁巖儲層脆性礦物總體含量高，具有較好的破裂潛力，預(yù)測開發(fā)過程中可取得較好的儲層改造效果［12］。
2.4頁巖儲層物性該區(qū)牛蹄塘組頁巖孔隙度為1．3％～25．6％，平均為8．24％，孔隙度中等；滲透率介于0．001～0．017mD，平均為0．008mD，滲透率極低。牛蹄塘組頁巖孔隙度與滲透率之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，如圖7所示。平面上，遵義、開陽及黔東松桃牛蹄塘組頁巖孔隙度較高，而黔北湄潭、沿河、黔東鎮(zhèn)遠(yuǎn)、岑鞏等地孔隙度較低；滲透率總體分布趨勢與孔隙度的分布基本一致。垂向上，牛蹄塘組頁巖的孔隙度、滲透率值隨深度的增加而減小。野外露頭和鉆井巖心樣品測試表明：牛蹄塘組底部頁巖微觀孔隙相對不發(fā)育，且喉道緊閉，偶有微裂縫發(fā)育，孔徑差異較大，但一般以大中孔為主。孔隙類型主要有粒間孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔、晶間孔和有機(jī)孔。無機(jī)孔中又以軟硬顆粒接觸處的粒間孔為主。牛蹄塘組頁巖孔喉均值主要分布于20～80nm，平均為40nm；分選系數(shù)較小，均值系數(shù)較大，平均值分別為0．10和0．45，孔喉分布較集中，分選程度較好；排驅(qū)壓力較大，退出效率整體較低且變化較大。頁巖BET比表面積在0．67～23．8m2／g，平均為7．9m2／g，變化范圍也較大；平均孔直徑在3．2～14．6nm，平均為7．57nm；中值半徑介于1．6～8．5nm，平均為3．81nm；微孔體積、中孔體積和宏孔體積分別占到總孔體積的6．45％、85．23％和8．32％，表明牛蹄塘組頁巖以中孔隙為主［13］。
2.5頁巖含氣性特征
2.5.1平面含氣量變化為探討該區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖的平面含氣特征，筆者結(jié)合錄井、測井、現(xiàn)場解吸及等溫吸附等含氣量評價(jià)方法并參考區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件綜合研究認(rèn)為：黔北西部、黔中地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣富集區(qū)主要位于畢節(jié)—大方—黔西一帶，含氣量范圍為1．5～2．5m3／t；黔北東部、黔東地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣現(xiàn)場解吸出氣量整體較好，可達(dá)數(shù)百毫升不等；黔南、黔東南地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣聚集發(fā)育的最有利區(qū)位于丹寨—麻江—黃平一帶，含氣量范圍為0．01～1．13m3／t。
2.5.2縱向含氣量變化貴州牛蹄塘組各調(diào)查井縱向上以頁巖中部—下部較好，多井具有現(xiàn)場解吸氣量較高的現(xiàn)象。由于大量的頁巖氣在現(xiàn)場無法完全解吸釋放，完整的解吸過程通常持續(xù)數(shù)周至數(shù)月。結(jié)合室內(nèi)脫氣計(jì)算殘余氣量，殘余氣量可達(dá)現(xiàn)場解吸氣量的2～17倍不等，間接反映了頁巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)的特征。1）正頁1井該井位于正安縣柿坪鄉(xiāng)大千村，目的層段為牛蹄塘組下部頁巖段，實(shí)鉆井深1040．26m。鉆井揭示牛蹄塘組頁巖段厚約99m，共完成12件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在5～165mL。其中，2件樣品解吸氣量略高，分別為120mL、165mL，巖心觀察件微裂縫發(fā)育，并有氣泡。解吸氣體組分為：N2含量介于57．32％～65．42％，CH4含量介于5．27％～8．09％，C2－4含量介于0．01％，CO2含量介于0．43％～1．77％，H2含量介于24．70％～36．98％。2）綏頁1井該井位于綏陽縣青杠塘鎮(zhèn)后槽村岔壩，目的層段為牛蹄塘組下部頁巖段，完鉆井深1744．55m。鉆井揭示牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段厚約117m，共完成29件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在22～100mL，僅1件樣品解吸氣量較高，達(dá)402mL，解吸氣體組分為：N2含量介于94．53％～95．33％，CH4含量介于3．86％～5．03％，CO2含量介于0．44％～0．80％。3）湄頁1井該井位于湄潭縣高臺鎮(zhèn)三聯(lián)村，目的層段為牛蹄塘組下部頁巖段，完鉆井深933．14m。鉆井揭示牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段厚約70m，共完成21件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在15～70mL，僅3件樣品解吸氣量較高，介于245～545mL，對應(yīng)牛蹄塘組頁巖段下部。解吸氣體組分為：N2含量介于93．89％～95．35％，CH4含量介于4．42％～4．84％，CO2含量介于0．23％～1．21％。4）德頁1井該井位于德江縣堰塘鄉(xiāng)七里溪村，目的層段為牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段，完鉆井深1752．20m。共完成22件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在20～99mL。其中，6件樣品解吸氣量較高，為123～943mL，巖心觀察見微裂縫發(fā)育，并有氣泡，主要對應(yīng)牛蹄塘組頁巖段下部。5）鎮(zhèn)頁1井該井位于鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣羊場鎮(zhèn)下半屯村下巖腳，目的層段為牛蹄塘組，完鉆井深814．25m。鉆井揭示牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段厚81m，共完成17件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在0～55mL。其中，上部3件樣品解吸氣量較高，為214～685mL，巖心觀察見微裂縫發(fā)育，并有氣泡，對應(yīng)牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段中部。6）麻頁1井麻頁1井共完成53件樣品的解吸工作，解吸樣品主要集中在井深1040．5～1057．0m、1285．2～1340．5m兩個(gè)層段。1040．5～1057．0m層段解吸氣含量介于0．21～0．35m3／t，平均為0．25m3／t，總含氣量介于0．24～0．55m3／t，平均為0．4m3／t。1285．2～1340．5m層段解吸氣含量介于0．11t～0．49m3／t，最高為0．62m3／t，平均為0．27m3／t，總含氣量介于0．21～0．66m3／t，最高為1．13m3／t，平均為0．52m3／t。麻頁1井其余層段解吸氣量非常低，在0．01～0．02m3／t。
2.5.3等溫吸附特征1）烏羅ZK408井與玉華ZK224井利用黔北地區(qū)烏羅ZK408井、玉華ZK224井13件現(xiàn)場解吸樣品進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)。測試工作條件為：溫度，30℃；氦氣濃度，99．999％；甲烷濃度，99．9％；空氣干燥基樣品。等溫吸附實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。從表1可見，3件樣品有機(jī)碳含量小于1．5％，平均蘭氏體積（VL）為1．79m3／t，平均蘭氏壓力（pL）為1．32MPa；10件樣品有機(jī)碳含量大于1．5％，平均VL為3．12m3／t，平均pL為1．34MPa。綜合上述測試結(jié)果，牛蹄塘組頁巖模擬最大吸附能力平均為3．12m3／t。2）仁頁1井仁頁1井樣品等溫吸附實(shí)驗(yàn)共測定7個(gè)平衡壓力點(diǎn)，每個(gè)壓力點(diǎn)達(dá)到平衡的時(shí)間約為12h，然后再增壓到下一個(gè)壓力點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用的甲烷氣濃度均大于99．999％。仁頁1井樣品等溫吸附曲線見圖8。仁頁1井飽和吸附量VL介于0．68～7．17m3／t，差異較大，平均為3．05m3／t；pL在1．04～2．48MPa，平均為1．98MPa。5個(gè)樣品中飽和吸附量超過3m3／t的有2個(gè)，介于2～3m3／t的有1個(gè)，其余2個(gè)樣品為0～1m3／t，反映了牛蹄塘組頁巖物性縱向上存在較大差異。等溫吸附氣量比現(xiàn)場解吸所獲得的總氣量大得多的事實(shí)也在一定程度上說明，牛蹄塘組黑色頁巖儲氣能力并不太差，在地下溫壓條件適合的條件下有可能賦存大量的頁巖氣資源［14］。
3結(jié)論
1）貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要分布于黔北、黔中及黔東—黔東南地區(qū)，頁巖層段位于牛蹄塘組下部，巖性主要為含粉砂—粉砂質(zhì)、碳質(zhì)泥巖頁巖。2）牛蹄塘組頁巖干酪根以腐泥型和偏腐泥混合型為主，干酪根類型指數(shù)為51～96，生烴能力較強(qiáng)。頁巖有機(jī)碳含量介于0．7％～14．6％，有機(jī)質(zhì)成熟度較高，Ro普遍大于2．5％，均處于過成熟演化階段。3）牛蹄塘組頁巖脆性礦物含量高，黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，具較好的破裂潛力。頁巖孔隙度中等，滲透率極低，兩者呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。頁巖微觀孔隙相對不發(fā)育，孔徑差異較大，以大中孔隙為主。4）黔北西部、黔中地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣富集區(qū)主要位于畢節(jié)—大方—黔西一帶，含氣量范圍為1．5～2．5m3／t；黔北東部、黔東地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣現(xiàn)場解吸出氣量整體較好；黔南、黔東南地區(qū)頁巖氣富集區(qū)位于丹寨—麻江—黃平一帶，含氣量范圍為0．01～1．13m3／t。
作者：易同生趙霞單位：貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心