鄂爾多斯盆地西緣奧陶系烏拉力克組海相頁巖氣儲層甜點分類評價

張琳琳,王孔杰,賴楓鵬,郭 偉,苗麗麗

1.中國地質大學(北京) 能源學院,北京 100083;2.非常規天然氣能源地質評價與開發工程北京市重點實驗室,北京 100083;3.中國石油 川慶鉆探工程有限公司 長慶井下技術作業公司,西安 710016;4.中國石油 長城鉆探工程有限公司 地質研究院,遼寧 盤錦 124010;5.中國地質大學(北京),北京 100083

我國埋深4 500 m以淺頁巖氣可采資源量約22×1012m3,2022年我國頁巖氣產量達到240×108m3,涪陵、長寧—威遠和昭通國家級海相頁巖氣示范區開發技術的提升,有力支撐了頁巖氣產量的增長[1-8]。甜點評價是頁巖氣實現高效勘探開發過程中的關鍵工作,系統分析不同參數對頁巖氣甜點的影響,明確地質甜點和工程甜點的主要特征,以及構建甜點分級分類評價體系,均有助于提高甜點評價效果。目前,國內外學者主要通過建立評價模型[9-13]和分級分類評價標準[14-18]兩種方法,進行頁巖氣甜點評價研究。在評價模型研究方面,主要有應用地球物理方法完成甜點評價指標優選[19-20]、使用“甜點”核心參數分析法進行核心參數指標判別[21]、利用多元參數擬合和層次分析法確定甜點參數與指標參數擬合[22]等;在分級分類評價標準方面,前人在評價模型研究的基礎上,增加甜點評價指標[23-25]及主控指標的篩選[26],建立了頁巖氣甜點評價體系。

雖然關于頁巖氣甜點評價的方法越來越多樣,考慮到的參數范圍也越來越廣泛,但缺乏對不同參數與頁巖氣甜點評價關系的分析,且各參數之間的相關性較強,而大部分研究都是根據地質甜點參數和工程甜點參數分類進行分級評價,很少根據地質甜點和工程甜點的主要特征進行關系相近性參數的細分類。鑒于此,以鄂爾多斯盆地西緣某中高成熟度海相頁巖氣儲層為研究對象,通過巖石薄片分析、X射線衍射、SEM掃描電鏡、低溫氮氣吸附、等溫吸附、總有機碳(TOC)含量、有機質鏡質體反射率(Ro)和三軸巖石力學測試8個實驗,明確不同參數對甜點評價的影響。同時,根據頁巖儲層地質甜點的吸附性能和儲集性能兩個典型特征,以及工程甜點的可壓性特征,進行不同特征對應的參數指標細分類,初步建立鄂爾多斯盆地海相頁巖氣儲層地質甜點和可壓性甜點的分類分級評價方案,并根據建立的方案對研究區進行甜點評價分析。

1 目標區域概況

鄂爾多斯盆地是我國北方主要的頁巖氣開發潛力區之一,處于多個構造單元的交接處(圖1)[27]。盆地西部地區面積大約為5×104km2,在后期構造運動的影響下,褶皺逆沖強烈,變形更為復雜,與中東部的沉積特征表現明顯不同。研究區位于盆地西緣底部,地層發育從早奧陶世早期到中晚奧陶世,由于此期間鄂爾多斯盆地內部構造及沉積差異演化的顯著性越來越高,導致研究區在演化過程中發生大幅沉降,沉積了一套中晚奧陶世泥頁巖[28]。目的層為烏拉力克組,位于下古生界奧陶系,厚度可達1 200 m[29],具有低孔高滲、微裂縫和水平層理發育的特征。烏拉力克組普遍含氣且存在局部富集,因此依據甜點評價方案明確其甜點分布,對鄂爾多斯盆地海相頁巖氣的勘探開發具有重要意義。

圖1 鄂爾多斯盆地構造區劃及研究區位置[27]

2 實驗樣品及步驟

2.1 樣品準備

實驗樣品為鄂爾多斯盆地西緣某海相頁巖氣儲層鉆井巖心,取自2 861.90、2 864.43、2 864.90 m深度各兩塊,分別命名為R1、R2、R3、R4、R5、R6。各個樣品的孔隙度和滲透率如表1所示,樣品整體表現為低孔低滲特征。

表1 實驗樣品孔滲數據

2.2 實驗步驟

巖石薄片分析測試按照行業標準《巖石薄片鑒定:SY/T 5368—2016》[30],依次對巖石標本進行肉眼觀察、顏色描述、致密度分類、構造描述、巖性分類及宏觀結構構造觀察等。X射線衍射實驗流程參照行業標準《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法:SY/T 5163—2018》[31]。SEM掃描電鏡測試流程按照行業標準《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法:SY/T 5162—2021》[32]執行。低溫氮氣吸附測試參照國家標準《氣體吸附BET法測定固態物質比表面積:GB/T 19587—2017》[33]?？傆袡C碳測定實驗流程參照國家標準《沉積巖中總有機碳測定:GB/T 19145—2022》[34]。等溫吸附實驗流程參照國家標準《頁巖甲烷等溫吸附測定方法第2部分:重量法:GB/T 35210.2—2020》[35]。有機質鏡質體反射率測試流程參照行業標準《沉積巖中鏡質體反射率測定方法:SY/T5124—2012》[36]。三軸巖石應力測試流程參照行業標準《巖石物理力學性質試驗規程第20部分:巖石三軸壓縮強度試驗:DZ/T 0276.20—2015》[37]。

3 實驗結果分析

3.1 巖石學特征

3.1.1 巖石薄片分析

巖石類型以灰褐色泥頁巖為主,主要由泥質組成,其次為粉砂質石英、鐵白云石和有機質條帶等,含有少量黃鐵礦,其中泥質物約占巖石總體積的95%,粉砂質顆粒約占4%,顆粒粒徑約為0.01～0.02 mm。實驗觀察結果如圖2所示,在R1—R4不同深度樣品中均有混雜分布的石英顆粒和鐵白云石顆粒(圖2b,d),位于儲層下部的R3樣品可見灰黑色零散分布的黃鐵礦(圖2a),約占巖石總體積的1%,說明同一井區儲層的泥質含量會隨著深度的改變表現出差異。除此之外,在儲層上部的R1樣品中可以觀察到明顯順層排列分布的有機質條帶(圖2c)。

圖2 光學顯微鏡下的礦物分布

3.1.2 礦物組成

X射線衍射實驗結果(圖3)表明,儲層礦物組分按含量由高到低依次為石英和黏土礦物、碳酸鹽巖礦物、長石類礦物;根據國內巖石脆性指數公式(公式1)計算得到目標區脆性指數為36.23%～50.89%,平均為44.19%,達到國家標準《海相頁巖氣勘探目標優選方法:GB/T 35110—2017》規定的脆性較大的標準[38],脆性礦物含量高,為勘探甜點區優選、儲層實施壓裂改造及人工裂縫的形成提供了重要前提保證。

圖3 X射線衍射實驗礦物含量

(1)

式中:BI為脆性指數,單位%;mqua為石英含量,單位%;mcla為黏土礦物含量,單位%;mcar為碳酸鹽巖礦物含量,單位%。

儲層黏土礦物組成主要為伊利石和伊蒙混層,其次為綠泥石,蒙皂石最少(圖4),不同深度樣品表現相似。黏土礦物對頁巖氣吸附能力的大小主要取決于伊蒙混層和高嶺石[39],對頁巖氣儲集能力的影響程度主要受控于伊利石和高嶺石[40]。研究區樣品的伊利石和伊蒙混層含量較高,平均含量分別為50.50%和28.83%,因此該儲層在利于壓裂改造的情況下,其吸附性能和儲集能力也較好。

圖4 X射線衍射實驗黏土礦物含量

3.2 微觀孔隙結構特征

3.2.1 掃描電鏡實驗

從實驗結果(圖5)可以看到,不同深度的樣品均發育粒內孔、粒間孔及黏土礦物層間孔3種孔隙類型,少見有機質孔。其中,黃鐵礦晶間孔占粒內孔比例最大(圖5c,f),呈草莓狀或裙帶狀分布,多以介孔為主,在分散的黃鐵礦晶體間可見少量孤立或聚集分布的不規則有機質孔;粒間孔(晶間孔)里宏孔占比居多,存在于碎屑顆粒間和一些未被有機質與黏土充填的晶體間(圖5a,e),多呈不規則狀分布;黏土礦物層間孔大多呈窄條狀分布,長度在幾微米到幾十納米之間,被有機質充填(圖5b,d),同時具備黏土礦物的吸附及儲集性能。整體上看,研究區發育的孔隙類型豐富,孔徑多以介孔為主,儲層的吸附能力和儲集能力俱佳。

圖5 樣品掃描電鏡實驗結果

3.2.2 低溫氮氣吸附實驗

通過低溫氮氣吸附實驗,研究儲層的孔隙體積和孔比表面積特征。實驗得到的微孔孔徑分布如圖6所示,樣品的孔隙體積分布均表現為“雙峰”特點,峰值對應的孔徑分別為2～4 nm和35～61 nm。根據BET和BJH方法計算得到平均孔徑(表2),深度較小樣品R1、R2的平均孔徑相對較大,但總體上表現為介孔(2～50nm)占比最大,有利于頁巖氣的儲集。BET比表面解釋表明(表2),深度較大樣品R3—R6的孔比表面積大,為16.83～19.66 cm2/g,深度較小樣品R1、R2的孔比表面積小,為13.46～15.37 cm2/g。

表2 低溫氮氣吸附測試孔徑解釋結果

圖6 微孔孔徑分布

實驗結果表明,孔徑越小的樣品其孔比表面積越大?？讖經Q定了頁巖氣的儲集能力,孔比表面積是頁巖氣吸附性能的主控因素。研究區不同深度表現出的孔徑、孔比表面積雖然略有不同,但整體上都利于頁巖氣的吸附和儲集,具有甜點開發區的良好特征。

3.3 儲層地球化學特征

3.3.1 總有機碳含量與等溫吸附測試

總有機碳含量測定結果(表3)表明,研究區深度大樣品的總有機碳含量值較深度小樣品略大,整體上有機質含量平均為1.005%。根據我國頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范[41],總有機碳含量1%以上的頁巖儲層即具有生烴潛力,研究區儲層雖有機質豐度較低,但為有效海相烴源巖,可以生烴。

表3 樣品總有機碳含量測定和等溫吸附實驗數據

根據等溫吸附測試結果(表3),蘭氏體積平均為1.11 m3/t,表明該區域吸附能力較強;蘭氏壓力平均為13.65 MPa,頁巖氣吸附量增加主要集中在高壓區段;吸附相密度平均為0.27 g/mL。在等溫吸附圖(圖7)中,Vex為過剩吸附量,Vabs為絕對吸附量,其中深度較大樣品R3—R6的最大氣體絕對吸附量較R1、R2樣品的大。

圖7 樣品等溫吸附曲線

根據實驗結果可以看到,樣品的最大氣體絕對吸附量與總有機碳含量具有較好的正相關關系,進一步表明了總有機碳含量通過控制頁巖氣的吸附能力來影響泥頁巖甜點評價。

3.3.2 有機質鏡質體反射率

測試結果表明,泥頁巖鏡質體反射率分布在1.52%～1.98%范圍內,平均為1.71%,主要為Ⅰ型(腐泥型),其次為Ⅱ1型(腐殖腐泥型)(圖8)。烴源巖整體表現為高成熟生氣階段。燕繼紅等[42]通過熱模擬實驗發現泥頁巖的高演化程度對吸附性能有影響。當烴源巖處于中高演化程度(Ro介于0.7%～3.5%)時,泥頁巖孔隙以大孔為主,有機質孔隙發育且表面粗糙,利于頁巖氣吸附的比表面積也較大;當烴源巖處于低水平或過高演化階段時,孔隙體積小且孔隙變光滑,孔比表面積變小,從而導致頁巖的吸附能力變差。

圖8 泥頁巖有機質類型頻率分布

3.3.3 三軸巖石應力

三軸應力實驗測試結果如表4所示。根據最大和最小水平主應力計算(公式2)得到樣品的地應力差異系數分布在0.071 8～0.08范圍內,頁巖儲層的地應力差異系數在影響壓裂后裂縫形態的同時也控制了體積壓裂縫網的形成,對儲層可壓裂性有一定影響。

表4 樣品三軸應力實驗結果

(2)

式中:Δσ為地應力差異系數,無量綱;σH為最大水平主應力,單位MPa;σh為最小水平主應力,單位MPa。

根據國內基于巖石力學參數的簡易脆性指數計算方法(公式3),計算得到巖石脆性指數為46.43%～56.36%,平均為51.395%,與基于礦物組分計算得到的脆性指數相近。研究區不同深度樣品的地應力差異系數和脆性指數相差不大,且地應力差異系數平均值低于0.3,脆性指數平均值大于50%,脆性程度較高,因此在人工壓裂的作用下易形成可作為甜點開發區的縫網。

(3)

式中:E為楊氏模量,單位104MPa;μ為泊松比,無量綱;BI為脆性指數,單位%。

4 甜點評價分類

頁巖氣甜點一般指儲層物性好、富有機質、可進行壓裂改造并具商業開采價值的層位或區域,主要包括地質甜點和工程甜點兩方面[43-45]。

4.1 地質甜點分類評價

根據實驗研究得到,孔隙類型、孔徑大小控制了頁巖氣儲集性能;孔比表面積、總有機碳含量通過影響頁巖氣的吸附量控制了其吸附性能;Ro值通過影響頁巖氣的生成間接控制了其吸附性能;黏土礦物組分對頁巖氣的儲集性能和吸附性能具有雙重影響。頁巖氣的吸附性能和儲集性能是地質甜點評價的主要指標,因此以兩個指標為相近關系的判別標準,進行不同特征對應的參數指標細分類分析。

在地質甜點評價中:①通過對同類型頁巖氣藏調研認為[23],硅質組分的增加會伴隨黏土礦物含量的減少,即頁巖儲層的吸附能力會隨之減弱,因此認為45%為甜點評價中硅質礦物和黏土礦物組分含量的極佳值,35%為兩個參數的下限值;②通過對其他地區同類型氣藏分析得到,海相頁巖的解吸氣量與比表面積具有較好的正相關性,認為比表面積5.2 m2/g是頁巖氣富集的下限,當其大于14.1 m2/g時,頁巖的吸附能力好,頁巖氣富集明顯;③通過其他學者對同一區域的地質特征研究[46]得到,海相泥頁巖甜點區的生烴下限為總有機碳含量0.5%,大于0.7%的烴源巖為甜點區優選;④通過總結國內外研究成果[39]認為,有機質成熟度處在0.7%～3.5%范圍內時適合成為海相泥頁巖的甜點區,儲層的吸附能力最強出現在Ro為2.6%左右,此時孔隙以大孔為主,同時吸附的比表面積達到最大;⑤通過該區域孔隙結構特征分析認為,介孔占比高,孔隙體積大的區域為海相頁巖氣甜點區。一般介孔的孔徑范圍為2～50 nm,因此將2 nm作為甜點評價的孔徑下限;粒內孔和黏土礦物層間孔多以介孔為主,粒間孔中宏孔占比居多,從而發育任一種孔隙類型的儲層都可以作為甜點區。根據以上兩個指標7個參數將地質甜點劃分為Ⅰ(充分具備甜點區優選條件)、Ⅱ(基本達到甜點區評選標準)、Ⅲ(未達到作為甜點開發的標準)三個等級,建立的鄂爾多斯盆地海相頁巖氣儲層地質甜點分類評價如表5所示。

表5 鄂爾多斯盆地海相頁巖氣儲層地質甜點分類評價

研究區的脆性礦物含量為34.6%～48.7%,黏土礦物含量為37.4%～49.4%,孔比表面積為13.46～19.66 cm2/g,總有機碳含量為0.85%～1.14%,Ro值為1.52%～1.98%,孔徑為7.78～13.64 nm,發育粒間孔、粒內孔和黏土礦物層間孔三種孔隙類型,所有參數都在地質甜點分類評價中的Ⅱ級以上,說明研究區的吸附能力和儲集能力符合成為甜點區的標準,可進行勘探開發。

4.2 可壓性分類評價

根據實驗研究得到,脆性礦物含量、泊松比和楊氏模量通過控制脆性指數,最大和最小水平主應力通過控制地應力差異系數,分別對頁巖氣的可壓性特征造成一定程度的影響。本文從儲層的可壓性特征方面進行工程甜點評價研究,因此以脆性指數和地應力差異系數為主要參數進行分級分析。

可壓性甜點評價中:①通過總結前人研究結果[47]得到,當頁巖儲層的脆性指數大于50%時,脆性表現最優,有利于頁巖儲層進行壓裂改造,而國家標準《海相頁巖氣勘探目標優選方法:GB/T 35110—2017》[38]中認為脆性指數大于35%時頁巖脆性較大,因此將35%作為可壓性評價中脆性指數的下限;②根據國外研究成果,地應力差異系數影響了裂縫分布形態,當其小于0.3時,儲層越易形成復雜網絡狀的壓裂改造縫網,當數值超過0.3后,形成的裂縫數量較多,但逐漸由復雜交錯向簡單轉變,當數值超過0.5后,形成的裂縫數量減少,且呈對稱規律分布,因此將0.5作為可形成復雜網絡縫的地應力差異系數上限。根據以上2個參數將可壓性甜點劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(等級概念同地質甜點)三個等級,建立的鄂爾多斯盆地海相頁巖氣儲層可壓性甜點分類評價如表6所示。

表6 鄂爾多斯盆地海相頁巖氣儲層可壓性甜點分類評價

研究區根據脆性礦物和巖石力學參數計算得到的脆性指數分別為36.23%～50.89%、46.43%～56.36%,地應力差異系數為0.071 8～0.08,全部在可壓性甜點分類評價方案的Ⅱ級以上,說明研究區的可壓性特征較好,可在壓裂改造措施后形成縫網,有利于頁巖氣的開采。

5 結論

(1)儲層巖石類型為灰褐色泥頁巖,黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主;孔徑范圍集中分布在2～4 nm和35～61 nm,主要發育的孔隙類型為粒間孔、黏土礦物層間孔和粒內孔;總有機碳含量平均為1.005%,鏡質體反射率平均為1.75%;根據礦物含量和巖石力學參數計算得到脆性指數分別平均為44.19%和51.4%。

(2)脆性礦物含量、楊氏模量、泊松比影響脆性指數及儲層實施壓裂可能性;烴源巖吸附氣量主控因素為巖石有機質數量與分布、有機質成熟度;黏土礦物內發育的微孔結構、孔比表面積、有機質孔及總有機碳含量與頁巖氣儲層的吸附能力具有較好的正相關關系;礦物連接形成的縫隙、不同空間展布的孔隙類型和孔隙體積決定了儲集層的儲集能力。

(3)鄂爾多斯盆地海相頁巖氣儲層地質甜點分類評價應重點考慮硅質礦物含量、黏土礦物含量、孔比表面積、總有機碳含量、Ro值、孔徑大小和孔隙類型數量;建立了鄂爾多斯盆地西緣烏拉力克組海相頁巖氣儲層可壓性甜點分類評價方案,工程甜點評價應以脆性指數和地應力差異系數為主要參數;目標區所有參數都達到了Ⅱ級分類標準,初步認為可作為甜點開發區。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

張琳琳完成實驗操作,參與論文撰寫及修改;王孔杰參與實驗設計;賴楓鵬參與實驗設計和論文修改;郭偉和苗麗麗完成實驗操作。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

ZHANG Linlin completed experimental operation, and participated in manuscript drafting and modification. WANG Kongjie participated in experimental design. LAI Fengpeng participated in experimental design and manuscript modification. GUO Wei and MIAO Lili completed expe-rimental operation. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.