中国南方下志留统龙马溪组和牛蹄塘组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(一):重庆周缘下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育及其演化特征

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0、摘要

重庆周缘针对下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组两套海相页岩已经进行了卓有成效的勘探与开发,但两套页岩的产气效果却存在较大差别,其中龙马溪组页岩产气量大,稳产时间长;牛蹄塘组页岩产气量小,稳产时间短。因此,本论文以重庆周缘龙马溪组和牛蹄塘组页岩样品为研究对象,通过有机碳含量测试、全岩XRD分析、等效镜质体反射率测试、聚焦离子束扫描电子显微镜观察(FIB-SEM)、聚焦离子束氦离子显微镜(FIB-HIM),地层埋藏史及生烃演化史分析,对页岩的有机质孔隙及演化特征进行了研究。结果表明:研究区下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组页岩平均TOC含量均大于2.0%;牛蹄塘组页岩的等效镜质体反射率普遍在3.0%~4.0%之间,储层热演化程度已达到过成熟—变质期阶段;龙马溪组页岩的等效镜质体反射率普遍在2.0%~3.0%之间。两套页岩的有机质孔隙发育特征存在较大差别。龙马溪组页岩固体干酪根内有机质孔隙数量少、孔径小,连通性差;但龙马溪组页岩迁移有机质内部孔隙数量多、孔径大,连通性好;牛蹄塘组页岩固体干酪根内不发育孔隙,而迁移有机质内部孔隙数量少、孔径小及连通性差;影响两套页岩有机质孔隙发育的最重要的因素是热演化程度。牛蹄塘组页岩固体干酪根孔隙由于过度演化而大量消失,只保留少量的迁移有机质孔隙;而龙马溪组页岩由于热演化程度适中,发育大量的迁移有机质孔隙,固体干酪根只保留少量孔隙。适宜的热演化程度能够保证页岩有机质孔隙的大量发育期和生烃高峰期的耦合,为页岩气生成之后第一时间得到有效赋存提供必要的有机质孔隙。针对中国南方下寒武统牛蹄塘组页岩气的勘探开发应重点寻找热演化程度适中(2.0%﹤Ro﹤3.0%),即分布在古隆起边缘的页岩分布区。

1、前言

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迁移有机质。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);迁移有机质(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。

我国南方高过成熟度海相页岩气的勘探进展与研究结果显示重庆周缘渝东南地区针对下志留统龙马溪组和渝东北地区下寒武统牛蹄塘组两套海相页岩产气效果却存在较大差别,其中龙马溪组页岩产气量大,稳产时间长;牛蹄塘组页岩产气量小,稳产时间短。此次研究进行了龙马溪组和牛蹄塘组页岩固体干酪根和迁移有机质内孔隙的发育特征的对比研究,明确了重庆周缘地区龙马溪组和牛蹄塘组页岩有机质孔隙的演化特征,阐明了两套页岩层位有机质孔隙发育的主要控制因素,并在此基础之上提出了针对南方牛蹄塘组页岩气勘探开发的有利储层地质参数。

此次研究均以龙马溪组和牛蹄塘组页岩的岩心样品为对象进行研究,并与美国福特沃斯盆地已成功实施钻探与商业典型海相页岩巴内特页岩进行对比分析。使用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM),通过岩石学特征识别出了两套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,初步结果表明两套页岩中的固体干酪根和迁移有机质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提出两套页岩有机质孔隙的演化特征,在页岩相同干酪根类型的条件下,明确两套页岩有机质孔隙的发育存在较大差别的主要原因是热成熟度的不同。结合页岩气勘探开发现状等资料,进一步得出重庆牛蹄塘组页岩产气量低、稳产时间短的原因,继而为后续南方牛蹄塘组页岩气高效勘探开发提供关键参数指标。

2、地质背景

重庆地区位于中国南方上扬子板块中,属于上扬子台内坳陷构造单元,其大部分在四川盆地内,其东南部和东北部位于四川盆地边缘(图1)。早寒武世初上扬子地区整体下沉,总体上早期为深水陆棚沉积,后期逐渐向浅水陆棚及潮坪沉积演化,在深水陆棚沉积期形成分布范围广、厚度较大的黑色海相页岩[1-3]。研究区内主要发育下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组两套富有机质黑色页岩层段。

图1重庆地区位置及龙马溪组和牛蹄塘组页岩井位分布图

3、有机质孔隙发育特征

本文主要探讨龙马溪组和牛蹄塘组页岩有机质孔隙的发育及其演化特征。有机质在FIB-SEM的背散射功能下显示深灰色,而石英及方解石等无机质矿物则会显示浅灰色,而孔隙则会显示黑色,根据不同基质的颜色衬度可轻易识别出有机质孔隙[9-10]。为了增加对页岩中有机质孔隙的识别精度,此次研究使用了聚焦离子束氦离子显微镜技术(FIB-HIM)。FIB-HIM为最新应用于非常规油气储层微观孔隙研究的先进实验技术手段,其分辨率能够达到0.5nm左右的亚纳米级,由于使用了氦离子束成像技术,其成像景深相对电子显微镜更深,能够使二维数字照片显出三维立体的特征,尤其是针对页岩的有机质孔隙的识别更加精确。

有机质孔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迁移有机质两种类型,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[10, 19-20];迁移有机质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[9-10, 21]。从FIB-SEM和FIB-HIM的数字照片中,可以观察到两套页岩内部的固体干酪根和迁移有机质内部发育的有机质孔隙具有较大差别;其次龙马溪组和牛蹄塘组页岩的有机质孔隙发育同时亦具有较大的差别。

4、演化特征

重庆周缘沉积的下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组页岩的平均TOC含量均在2.0%以上,这为页岩气的富集成藏提供了良好的物质基础。页岩中较高的TOC含量不仅可以保证页岩有足够的生烃潜力,而且可以为有机质孔隙的大量发育提供必要的物质基础。页岩储层的持续生烃是保证页岩气富集的另一关键,而页岩储层的热演化程度对持续生烃有着直接的控制作用。页岩层系烃类气体的持续生成与其经历的构造演化有着密切的关系。判断一套页岩储层是否具有持续生烃的潜力需要和构造演化史相结合进行综合分析[22-24],要研究页岩的生排烃历史、最大生气高峰之间的耦合关系,进而对其勘探潜力进行客观的评价。

5、结论

(1)研究区龙马溪组和牛蹄塘组页岩的有机质孔隙发育特征存在较大差别。龙马溪组页岩固体干酪根内有机质孔隙数量少、孔径小,连通性差;但龙马溪组页岩迁移有机质内部孔隙数量多、孔径大,连通性好;牛蹄塘组页岩固体干酪根内不发育孔隙,而迁移有机质内部孔隙数量少、孔径小及连通性差。

(2)影响两套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;适宜演化程度下(2.0%<Ro<3.0%),迁移有机质内发育的孔隙数量要多于固体干酪根内的孔隙;过演化程度下(3.0%<Ro<4.0%),固体干酪根内孔隙看基本不发育,迁移有机质内部孔隙大量减少。

(3)针对南方下寒武统牛蹄塘组页岩气的勘探开发应重点寻找热演化程度适中的页岩分布区,即寻找发育有古隆起并分布在其边缘的页岩。

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