中国南方下志留统Barnett和Barnett页岩与美国福特沃斯盆地巴内特页岩有机质孔隙发育特征对比(二):美国福特沃斯盆地巴内特页岩有机质孔隙发育及演化特征

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0、摘要

美国福特沃斯盆地针对Barnett海相页岩已经进行了卓有成效的勘探与开发,本论文以Barnett页岩样品为研究对象,对页岩的有机质孔隙及演化特征进行了研究。结果表明:福特沃斯盆地Barnett页岩平均TOC含量均大于2.0%;页岩的等效镜质体反射率普遍在1.3%~2.0%之间。Bartnett页岩的固体干酪根和焦沥青内有机质孔隙发育特征存在较大差别。Barnett页岩固体干酪根内有机质孔隙数量少、孔径小,连通性差,在镜下观察过程中有些固体干酪根;但Barnett页岩焦沥青内部孔隙数量多、孔径大,连通性好;影响Barnett页岩有机质孔隙发育的最重要的因素是热演化程度。Barnett页岩固体干酪根孔隙由于演化时间相对焦沥青较长而大量消失,只保留少量的有机质孔隙;而Barnett页岩的焦沥青由于经历的热演化时间相对较短,发育大量的有机质孔隙。适宜的热演化程度能够保证页岩焦沥青内有机质孔隙的大量发育,为页岩气的大量赋存提供有效空间。

1、前言

大量的前人研究结果已经表明页岩中的有机质孔隙对赋存甲烷等烃类气体的有效赋存起着至关重要的作用,页岩中有机质孔隙的大量发育会导致页岩具有优越的孔隙连通性及较好的比表面积这有利于页岩气在储层中形成有效渗流和赋存。而页岩中有机质孔隙的发育同时受TOC含量、热演化程度的共同控制,其中TOC含量是页岩有机质孔隙发育的物质基础,是有机质孔隙发育的前提;适宜的热演化程度是有机质孔隙大量发育的必要条件,过低的热演化程度无法保证页岩大量生成烃类气体及有机质孔隙,而过高的热演化程度则又导致有机质孔隙大量消失。

页岩中的有机质孔隙发育特征除了受控于TOC含量和热演化程度以外,同时还受控于页岩中的有机质类型,不同的有机质类型则会导致不同的有机质孔隙发育特征。Loucks等根据页岩中有机质干酪根的生烃演化进程将页岩中的有机质类型划分为固体干酪根及焦沥青。其中,固体干酪根指的是原始沉积的有机质,烃源岩生成的液态烃和气态烃类主要来自于沉积的有机质(固体干酪根);焦沥青是指固体干酪根生成的液态烃类充注到烃源岩中的矿物基质孔隙中,且在未来得及排出烃源岩层,在后期高—过成熟演化过程中发生固化或焦沥青化,并继续生成气态烃类和有机质孔隙[8]。页岩中的生成的液态烃类充注到矿物基质孔隙中并发生焦沥青化及二次生烃是页岩气富集成藏的必要条件,液态烃类的充注及焦沥青化不仅能够持续供给烃类气源,而且还能够形成有效的有机质孔隙,为烃类气体生成后的赋存提供主要空间。

此次研究均以福特沃斯盆地(Fort Worth)内发育的巴内特(Barnett)页岩为对象进行研究,通过岩石学特征识别出了巴内特页岩中固体干酪根和焦沥青,并进一步对内部孔隙的发育特征进行了观察对比研究,初步结果表明美国福特沃斯盆地内发育的巴内特页岩中的固体干酪根和焦沥青内部的孔隙发育存在较大差别,并在此基础之上结合区域构造演化史及地层埋藏史明确了巴内特页岩有机质孔隙的演化特征。

2、地质背景

美国Fort Worth盆地Bamett页岩分布广、厚度大、有机质含量高。盆地古生代寒武系-奥陶系沉积属于被动大陆边缘的台地相,缺失志留系-泥盆系。Bamett页岩沉积于早石炭世板块汇聚的早期浅海陆棚环境,为正常盐度较深水海相沉积。页岩主要由硅质页岩、灰岩和少量白云岩组成。Bamett页岩在盆地东北部Muenster隆起以南厚度大,最大厚度达300m,内部夹有灰岩层(图1)。东南部最厚,为213~305m,在西南部Llano隆起和西部Bend背斜处减薄至9.1m。Barnett页岩与Ellenburger,Chappel和Viola-Simpson呈不整合接触。

图1 美国福特沃斯盆地巴内特页岩发育剖面图

3、储层特征

有机碳含量、热演化程度和矿物组成来展开介绍。

4、有机质孔隙发育特征

有机质孔隙是页岩储层中存在的干酪根及焦沥青在热演化的过程中发生裂解、生烃形成的次生孔隙,此类孔隙发育在有机质内部,有机质孔隙是页岩气赋存和渗流的主要场所。页岩中有机质孔隙的大量发育会导致页岩具有优越的孔隙连通性及较好的比表面积,这有利于页岩气在储层中形成有效渗流和赋存,而有机质孔隙的发育同时受干酪根类型和热演化程度的共同控制。页岩中的有机质类型根据生烃演化进程的不同可以划分为固体干酪根和焦沥青两种类型,其中固体干酪根又称原始沉积有机质,是页岩在沉积成岩过程中形成的有机质;焦沥青是指页岩在生烃演化过程中生成的液态烃类充注到原始矿物基质孔隙中未及时排除,且在后期高—过演化程度下发生二次生气态烃并焦沥青化形成的有机质类型。

5、演化特征

福特沃斯盆地Barnett 页岩在宾夕法尼亚纪、古近纪和新近纪经历了明显的抬升和剥蚀, 并经历了3期热史:第一期,宾夕法尼亚纪—二叠纪快速沉降和埋深时期;第二期,晚二叠世—中晚白垩世,Barnett页岩一直处于恒温状态,只是在中白垩世才被加快埋深的短暂时期打断;第三期,以晚白垩世—古近纪的抬升和轻微超压为标志。Ewing进一步研究了福特沃斯盆地的埋藏史,并指出最大埋深、最大受热和最大生烃都发生在二叠纪、三叠纪、侏罗纪和白垩纪。从埋藏史图上可以看出Barnett页岩从晚宾西法尼亚世开始生烃,在二叠纪、三叠纪和侏罗纪达到生烃高峰,并一直延续到白垩纪末。Barnett页岩可能也经历了幕式的排气过程,这些天然气主要来自于沥青裂解,其次是原油裂解。我国南方地区同样经历了长期的构造运动和热演化,演化历史复杂,热成熟度较高, 为勘探增加了难度,Barnett页岩气藏成功勘探开发的经验可以为我国南方地区的页岩气勘探提供借鉴。

四川盆地及其周缘下古生界的海相页岩经历了多期的构造运动和热演化史,不同地区及构造单元经历的构造运动时间及期次不同,因此导致页岩层位的热演化史不同,进而导致不同的生烃特征及页岩气保存条件,现总结如下:

盆内早期长时间浅埋—中期小规模抬升—二次快速深埋—晚期快速抬升(抬升时间晚,白垩纪晚期)

四川盆地内部沉积的地层埋藏史特征基本为:早期(震旦—奥陶纪)长时间浅埋,导致烃源岩中的有机质生烃时间开始较晚,生烃潜力得到大幅度保留;早、中期(三叠—二叠纪)又经历长时间抬升,有机质生烃结束;后又经历中期二次快速深埋,热演化程度急剧增加,有机质的生烃潜力得到最大限度发挥,使干酪根及滞留液态烃类发生裂解生干气,为页岩气的富集持续供给气源;到白垩纪晚期,地层快速抬升,页岩气生烃结束。由于页岩生烃时间较晚,且最后一次抬升时间较晚,页岩生烃结束时间较晚,虽然中期经历一期抬升,但抬升幅度不大且之后经历相对较短时间后又快速深埋,使页岩达到生烃高峰,整体有利于页岩气的富集成藏。

6、结论

(1)Barnett页岩的固体干酪根和焦沥青有机质孔隙发育特征存在较大差别。Barnett页岩固体干酪根内有机质孔隙数量少、孔径小,连通性差;但Barnett页岩焦沥青内部孔隙数量多、孔径大,连通性好。

(2)影响Barnett页岩有机质孔隙发育的最重要的因素是热演化程度,其次是有机质类型;Barnett页岩的有机质热演化程度分布在1.5%~2.0%之间,使其内部焦沥青发育的孔隙数量要多于固体干酪根内的孔隙,固体干酪根由于演化时间长,其内部有机质孔孔隙大量消失。

 

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