桂中—南盤江地區黔水地1井打屋壩組頁巖儲層含氣性及可壓性評價

郭 軍, 苑 坤, 郭經緯, 陳相霖, 李 巖

(1.湖南省地球物理地球化學調查所,湖南 長沙 410116; 2. 中國地質大學(北京),北京 100083;3.中國地質調查局油氣資源調查中心,北京 100083)

0 引言

近年來,隨著我國加大頁巖氣勘探開發力度,國內學者針對頁巖氣地層的生烴條件、儲集特征、成藏規律等方面開展了大量研究[1-4],在四川盆地及其周緣地區的涪陵、富順—永川、長寧—威遠等地均獲得了頁巖氣勘探的重大突破,并形成了工業化開發[5-6]。石炭系打屋壩組是四川盆地周緣海相沉積中發育富有機質泥頁巖的層位之一,同時也是桂中—南盤江地區頁巖氣勘探的目標地層[7-9],但目前針對打屋壩組儲層的認識和勘探實踐還較少。黔水地1井位于貴州省六盤水市市郊,是一口以探明打屋壩組頁巖氣地質形成條件及含氣性,獲取資源評價關鍵參數為目的頁巖氣調查井,在鉆探過程中獲得了良好的頁巖氣發現[10]。本文結合實鉆數據與室內解釋,系統研究了黔水地1井的頁巖儲層含氣性及其可壓性特征,對該地區的下一步勘探方向可起到引導作用,有助于準確尋找頁巖氣產能建設的目標區。

1 地質背景

桂中—南盤江地區位于上揚子地塊的六盤水斷陷區,埡都—紫云—羅甸裂陷槽西部,黔西南坳陷與黔中滇東隆起交接處(圖1)。根據區域調查和野外露頭資料,研究區及周緣地區在早石炭世呈現北東高、南西低的構造格局,早石炭世晚期—早二疊世,研究區主要受埡都—紫云斷裂帶和區內NEE向的隱伏斷裂共同控制,同沉積斷裂對研究區內的古地理演化起到了控盆、控相作用。

圖1 研究區構造位置Fig.1 Structural location of the study area

黔水地1井位于桂中—南盤江地區的中北部,鉆遇地層自上而下依次為: ①第四系(Q4),厚21 m,主要發育黃色、棕黃色含礫、泥礫黏土層; ②下石炭統南丹組(C1n),厚1 426 m,主要發育淺灰色泥晶-中細粒生屑灰巖,底部碳質泥巖增多; ③下石炭統打屋壩組(C1dw),四段層厚66 m,主要發育灰色灰質泥頁巖; 三段厚288 m,主要發育深灰色灰質泥巖、灰質頁巖、灰色泥晶灰巖; 二段層厚122 m,主要發育深灰色灰質頁巖夾灰黑色碳質泥巖; 一段層厚533 m,主要發育深灰色硅質泥巖、泥巖、灰質泥巖,性軟、吸水性好,見少量黃鐵礦顆粒; ④下石炭統睦化組(C1m)主要發育深灰色黏土巖(圖2),估算目的層打屋壩組地層壓力系數約1.30,屬于高壓儲層。黔水地1井打屋壩組地質錄井綜合柱狀圖見圖2。

圖2 黔水地1井打屋壩組地質錄井綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of geological logging in Dawuba Formation of Qianshuidi 1 Well

2 頁巖儲層含氣性

2.1 巖相組合特征

根據實鉆資料,黔水地1井的全井地層具有灰質泥頁巖-泥晶灰巖-灰質泥巖、灰質頁巖-泥巖巖相組合特征,表現為碳酸鹽斜坡相的下斜坡亞相過渡至臺盆相,其環境閉塞、能量較低,是發育頁巖氣層的有利相帶。

2.2 有機地球化學特征

全井采用美國Leco CS230碳硫分析儀完成103項次的巖心樣品測試,分析精度優于0.5%。測試結果表明: 打屋壩組總有機碳(total organic carbon,TOC)含量為0.33%～3.67%,平均 0.92%。其中打屋壩組三段中下部測試47件樣品,巖性主要為深灰色、灰黑色泥頁巖,TOC為0.33%～3.67%,平均1.05%; 二段測試4件樣品,巖性為灰黑色泥巖,TOC為0.88%～1.13%,平均1.01%; 一段上部測試10件樣品,巖性為灰黑色泥巖、灰質泥巖,TOC為0.48%～1.42%,平均1.13%。整體上,打屋壩組一段上部—三段中下部達到了好—優質烴源巖的標準,具有較好的生烴潛力。

2.3 孔滲特征

2.4 含氣特征

根據氣測錄井結果,黔水地1井全井氣顯示好的地層主要集中在TOC值較高的打屋壩組一段上部—三段中下部井段1 540～2 070 m,其氣測全烴最大值為63.41%,甲烷最大值為63.40%?，F場解吸68件樣品,氣量為0 ～1.18 m3/t ,總含氣量最高達2.58 m3/t,平均含氣量為1.08 m3/t。多回次巖心出筒后的浸水實驗顯示巖心均冒泡強烈,呈密集串珠狀(圖3)。多次關井點火,火焰最高達3.0 m,最長持續60 min火焰高度未降,火焰呈黃色。打屋壩組在未壓裂的情況下已能形成穩定的頁巖氣流,具備良好的勘探開發潛力。

圖3 黔水地1井浸水實驗照片Fig.3 Water immersion experiment photo of Qianshuidi 1 Well

3 可壓性主要評價指標

3.1 巖石礦物學特征

全井采用可讀最小步長0.000 1°的Bruker D8 advance X射線衍射儀對47件巖心樣品進行全巖測試,分析顯示打屋壩組的礦物成分以方解石、黏土礦物為主,其次為石英、白云石,少量黃鐵礦、菱鐵礦等,脆性礦物含量(長英質礦物與碳酸鹽巖礦物之和所占礦物總量的百分比)為31%～100%(圖4); 垂向上,脆性礦物的總含量隨著泥質含量的增加而減少,受巖性巖相控制顯著。其中,主要含氣層段打屋壩組一段上部—三段中下部的脆性礦物含量為31%～94%,平均73.5%。

圖4 黔水地1井打屋壩組脆性礦物含量統計Fig.4 Content statistics of brittle minerals in Dawuba Formation of Qianshuidi 1 Well1 ft=0.304 8 m。

3.2 裂縫發育特征

根據巖心觀察,打屋壩組裂縫較發育,主要為水平裂縫和斜裂縫(圖5),縫寬0.1～10 mm,多呈現為半充填或未充填狀態,部分全充填。充填物質多為方解石、泥質等,鏡下觀察顯示裂縫主要為構造微裂縫和成巖微裂縫。其中,構造微裂縫呈現切穿礦物顆粒、方解石脈及縫合線現象,具有一定的開啟度并未被充填,大多數為有效裂縫; 成巖微裂縫縫寬多分布在0.02～0.1 mm,充填物主要為有機質、方解石、黃鐵礦。

圖5 黔水地1井斜裂縫巖心照片Fig.5 Core photo of diagonal cracks in Qianshuidi 1 Well

通過采用哈里伯頓公司LOG-IQ測井系列的XRMI電成像測井和Geoframe解釋系統,得出黔水地1井高導縫參數定量計算結果為: 井段1 400～1 650 m,裂縫長度<11.812 m/m2,平均2.520 m/m2; 裂縫密度<8.202條/m,平均2.464條/m; 裂縫孔隙度<0.668%,平均0.084%; 井段1 650～2 400 m,裂縫長度<8.193 m/m2,平均2.097 m/m2; 裂縫密度<6.562條/m,平均2.084條/m; 裂縫孔隙度<0.227%,平均0.028%。

綜上可知,打屋壩組天然裂縫發育,為頁巖氣的保存成藏提供了儲集空間,也為后期壓裂改造并形成復雜裂縫網絡提供了良好條件。

3.3 巖石力學特征

采用ECLIPS-5700測井系統和eXpress解釋系統開展交叉偶極子陣列聲波測井采集數據并進行處理,結果顯示黔水地1井以頁巖為主的地層縱波時差主要分布在70～102 μs/ft(1)1 ft=0.304 8 m。,橫波時差主要分布在130～190 μs/ft(2)1 ft=0.304 8 m。,縱橫波速度比主要分布在1.6～2.1; 主要含氣層段1 540～2 070 m 的泊松比為0.25～0.35,平均0.31; 體積彈性模量為 18.8～46.1 GPa,平均27.2 GPa; 破裂壓力為29.7～48.5 MPa。

3.4 地應力方向特征

地應力方向與井眼崩落及誘導縫的方向的關系密切。在直井中,從圖像上分析井眼崩落及鉆井誘導縫的發育方向可以確定最大或最小水平主應力的方向[13-15]。根據微電阻率掃描成像測井數據,黔水地1井的井段1 415～1 445 m、2 050～2 052 m誘導縫發育。下部由于泥質含量高,地層塑性強,誘導縫發育較少; 井段1 400～1 650 m井眼崩落特征不明顯,井段1 650～2 400 m井眼崩落局部發育。兩者揭示的最大水平主應力方向均為NW—SE向。

4 儲層可壓性評價

黔水地1井的儲層可壓性評價分為3個方面。

(1)具備易形成復雜裂縫網絡的能力。黔水地1井地區處于拉張、擠壓、剪切等多種應力的作用之下,天然裂縫發育,且具有與NW向的最大主應力方向相近的高角度裂縫,使得頁巖內的拉張應力得到了有效釋放,導致主應力差減小,有利于儲層的壓裂改造; 上部高應力差的灰巖巖層的存在可有效控制壓裂縫的縱向延伸高度,有助于泥頁巖井段的壓裂效果。而黔水地1井中走向、傾向均雜亂分布的高阻縫,也為天然裂縫和壓裂縫在體積改造過程中形成復雜裂縫網絡提供了便利條件。

(2)具備較好的破裂潛力的脆性礦物可以反映頁巖的脆性程度,其含量在一定程度上決定了頁巖的可壓裂性。脆性礦物含量的統計結果(圖4)顯示黔水地1井主要含氣層段打屋壩組一段上部—三段中下部的脆性礦物總含量為31%～94%,在外力作用下易發生破碎,后期壓裂改造中可產生較多誘導縫,故重點井段具備較好的破裂潛力。

(3)具備較好的裂縫保持能力。彈性模量和泊松比是反映巖石脆性的主要力學參數,彈性模量反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力,泊松比反映了頁巖在壓力下破裂的能力[16]。一般認為巖石的彈性模量越大,泊松比越小,其脆性越高[17-18]。當彈性模量大于 24 GPa、泊松比小于0.25時,頁巖的脆性指數高,可壓裂性好[19]。依據巖石力學特征,黔水地1井主要含氣層段的體積彈性模量(27.2 GPa)和泊松比(0.31)均大于標準值,表明該段地層保持裂縫能力較好,但需要的破裂壓力相對較大。

5 結論

(1)黔水地1井打屋壩組由碳酸鹽斜坡相的下斜坡亞相過渡至臺盆相,泥頁巖發育,打屋壩組一段上部—三段中下部地層達到了好—優質烴源巖的標準,現場氣測全烴最大值為63.41%,解吸氣量平均值1.08 m3/t,多次關井點火,在未壓裂的情況下已能形成穩定的頁巖氣流。

(2)打屋壩組地層脆性礦物含量為31%～100%,天然裂縫發育,最大水平主應力方向為NW—SE向; 主要含氣層段泊松比平均值為0.31,體積彈性模量平均值為27.2 GPa,破裂壓力為29.7～48.5 MPa。

(3)打屋壩組主要含氣層段具備較好的破裂潛力、裂縫保持能力、大規模體積壓裂形成復雜裂縫網絡的便利條件等,再加上良好的氣顯示和較大的地層壓力,揭示了該套地層具備壓裂形成工業產能的可能,可作為下一步勘探開發的目標層段。