柳坪地区延长组陆相页岩含气性研究

柳坪地区延长组陆相页岩含气性研究

0陆相页岩矿物学特征岩流是指天然气的主要存在于暗粘土或高粘粘土中，主要是作为吸入状态的天然气，主要是通过压力裂来增加或减少cf。北美大量页岩气勘探开发实例及我国南方上扬子页岩气研究区目标主要针对海相页岩［８－１１］,陆相页岩与海相页岩相比特点鲜明、区别较大。海相页岩在分布面积上规模大,而陆相页岩分布较为局限;中国南方上扬子地区海相页岩在构造上后期改造强,保存条件复杂,继承性不明显;在沉积上陆相页岩累计厚度大且砂泥互层频繁,夹层发育,部分夹煤层,海相页岩单层有效厚度大;在矿物学方面陆相地层的泥质含量较高,泥岩的可压裂性较海相差。陆相页岩沉积有机质对水深和气候变化敏感,有机质类型多样,深湖相多发育Ⅰ型干酪根,浅湖相常发育过渡类型干酪根,湖沼相多发育Ⅲ型干酪根,有机质热演化程度整体较海相低,主要处于生油窗内［１２］,页岩气常为热解气,多与石油伴生,页岩当中常出现油气共存的现象［１３］。陆相页岩与海相页岩的不同特点决定了不能照搬海相页岩含气量控制因素对陆相页岩含气性及资源储量进行评价、预测。鄂尔多斯盆地是我国重要的陆相含油气盆地,2011年4月在甘泉县中国第一口陆相页岩气井———柳评177井完钻,并压裂产气。随后,鄂尔多斯盆地第一口页岩气水平井———延页平1井在陕西甘泉县顺利完钻。本文以该地区柳坪171井为例(图1),通过计算页岩含气量,结合页岩岩矿组分、有机地球化学特征、孔隙结构与孔隙体积,探索陆相页岩含气性特点,并建立含气量与主控因素之间定性或定量关系,对中国陆相页岩气资源评价、勘探开发具有重大意义。1晚三叠世盆地沉积期烃源岩特征鄂尔多斯盆地位于华北地台的西部,是一个多旋回沉积型克拉通类盆地［１４］。晚奥陶世以来秦岭洋盆向北俯冲并与华北板块碰撞,盆地南缘地区的构造主压应力场方向为NNE—SSW向和近SN向。印支期盆地主要受华北板块与扬子板块的碰撞及兴蒙地区印支再造山运动的联合作用。燕山期盆地构造应力场大致具有由盆地四周向盆内挤压的特点。喜马拉雅期盆地最大主压应力场方向呈NNE—SSW向,与太平洋板块和印度板块与欧亚板块俯冲碰撞有关。鄂尔多斯盆地除边缘构造变形较强外,内部构造变形很弱,仅表现为地层间断或剥蚀,可以划分为伊盟隆起、渭北隆起、西缘冲断带、天环坳陷带、伊陕斜坡带和晋西挠褶带共6个一级构造单元［１５］。古生代末期到中生代早期,鄂尔多斯盆地逐渐由近—滨海平原向内陆湖盆转化,并在晚三叠世进入了大型内陆差异沉积盆地的形成和发展时期,发育了一套完整的河流—湖泊相碎屑岩沉积体系,其中上三叠统延长组长7段、长9段为盆地内2套优质烃源岩。长7段以深灰色、灰黑色泥岩及油页岩为特征,呈NW—SE展布,在定边—吴起—志丹—甘泉—富县一带,暗色泥岩厚度达70~120m,油页岩厚度为30~100m［１２］,延长组长9段主要分布于志丹地区南部,累计厚度大于6m的烃源岩分布面积约为4336km２,最大厚度约为18m［１６］。此外,长8段作为烃源岩虽然尚未有深入研究,但其生烃潜力不容忽视,全盆长8段有效烃源岩最大厚度大于30m,在华庆地区广泛展布,主要分布范围为20~30m。柳坪171井位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡东南部延长下寺湾探区内,该区整体为一西倾平缓单斜,地层倾角一般小于1°,平均坡降7~8m/km。柳坪171井完钻井深2091m,并在1740~1873m的范围内分别钻遇上三叠统延长组长7段(1745~1791m)、长8段(1822~1834m)、长9段(1862~1873m)3套优质黑色页岩。从测井响应上并不难识别出长7段—长9段黑色页岩(图2),其特征主要表现为“三高一低”:在自然伽马曲线上为高异常;声波时差曲线上为高时差异常;成熟页岩层在电阻率曲线上为高异常;而密度曲线为低值响应。此外,与邻近的砂岩储层相比,页岩SP曲线处在基线附近,而砂岩的渗透性越好其SP曲线相对于页岩越低,气测数据显示异常段主要集中在黑色页岩层。单井埋藏史(图3)显示,长7段—长9段在三叠纪末期为快速沉降—轻微抬升阶段;早侏罗世缓慢沉降;中侏罗世早期短暂抬升并继续沉降,当长7段—长9段黑色泥页岩埋深达1530m以上,RＯ值达到0.5%,进入生烃门限;中侏罗世晚期和晚侏罗世缓慢持续抬升遭受剥蚀;早白垩世快速沉降埋藏后,在早白垩世末期开始大幅度抬升剥蚀,一直持续到第四纪结束重新接受沉积,形成现今地层情况。2结构表征和测试方法本文研究所涉及页岩样品均来自柳坪171井,包括页岩解吸、等温吸附、有机碳含量测试、黏土矿物及全岩X-衍射分析、RＯ(镜质体反射率)和显微组分、比表面和孔径等测试。黏土矿物及全岩X-衍射分析测试依据SY/T5163-199和SY/T5983-94标准采用D8DISCOVER型X-射线衍射仪进行测试,实验条件为温度24℃,相对湿度35%;RＯ和显微组分测试依据SY/T5124-1995,使用油浸50倍物镜,总放大倍数800倍荧光显微镜LABORLUX12POL和显微镜光度计(MPV-3)进行测试,有机碳含量依据GB/T19145-2003,使用Leco碳硫测定仪测试,实验温度为27℃;比表面—孔径分布依据GB/T19587-2004,使用Qua-drasorbSI测定仪在温度为20℃、湿度为30%环境下,对样品90℃加热1h、350℃加热5h。以上实验均由华北石油勘探开发研究院完成。3页岩含气性实验页岩含气量指每吨页岩中所含天然气在标准状态(0℃,101.325KPa)下的体积,是计算页岩原地气量的关键参数,对页岩含气性评价、资源储量预测具有重要的意义。页岩含气性实验包括直接法和间接法:间接法包括等温吸附实验和测井分析等;直接法主要为现场解吸。本文研究分别使用间接法与直接法测量计算延长组含气量,并将其进行比较分析,使结果更全面详实。3.1页岩残余气量解吸实验解吸法是测量页岩含气量最直接的方法,它能够在模拟地层实际环境的条件下反映页岩的含气性特征(图4)。解吸法中页岩含气量由解吸气含量、损失气含量和残余气含量3部分构成,解吸气量是指页岩岩心装入解吸罐后在大气压力下自然解吸出的气体含量;损失气量是指从钻头钻遇岩层到岩心从井口取出装入解吸罐之前释放出的气体体积;页岩残余气量是指样品在解吸罐中解吸终止后仍留在岩心中的气体体积。为了确保现场解吸实验的准确性,钻井取心的过程应尽可能的短,岩心提出井眼后迅速装入密封罐内并置于预热的水浴箱内模拟储层温度。在解吸过程中记录解吸气量、时间、温度和大气压力,之后通过线性回归拟合和多项式回归拟合方法计算损失气量。残余气量需要将密封罐内岩样研碎至60目然后放入和储层温度相同的恒温装置自然解吸,直到每个样品一周内平均每天解吸量不大于10cm３时,解吸结束。Bertard实验结果表明,气体释放的速率与解吸最初20%的时间的平方根呈线性关系［１７］。当取心时间长,损失气量大时,线性回归拟合计算的损失气量要比实际的损失气量小,当解吸实验时间较长、解吸气量较大时,用多项式回归拟合计算损失气量更为准确,本文研究分别采用线性回归和多项式回归2种拟合方法计算柳坪171井延长组页岩含气量,并作为上下界限的评价指标。3.2岩储层压力分布及吸附量预测间接法依据等温吸附实验、页岩地化测试数据(表1)及测井资料为基础对含气量进行计算。页岩含气量由页岩储层中游离气含气总量和吸附气含气总量2部分所构成,其表达式为:式中:Q为页岩总含气量;Q游离气为页岩游离气总量;Q吸附气为页岩吸附气总量。其中,游离气总量可以采用常规天然气容积法计算公式:式中:φｇ为页岩储层有效孔隙度,%;Sｇ为平均含气饱和度,%;Bｇ为原始天然气体积系数。吸附气总量由页岩样品等温吸附实验所确定。其表达式为:式中:ρ为页岩样品密度,g/cm３;V为吸附气含量,m３/t;P为页岩储层压力,MPa;VＬ为Langmuir吸附常数,即饱和吸附量,m３/t;PＬ为Langmuir压力常数,MPa。从图5中可看出,在温度一定时,吸附量随着压力的升高而增加,当压力增加到一定程度,吸附量达到饱和,不再增加,具体表现为:当压力小于0.40MPa时,吸附量随压力的增加呈近似直线上升趋势;压力在0.40~10.16MPa时,吸附量进入过渡阶段,其增加速度逐渐降低;当压力大于10.16MPa时,吸附逐渐达到饱和,吸附量随压力上升有少量增加或不再增加。长7段页岩饱和吸附量为2.99~3.42m３/t,平均为3.22m３/t,Langmuir压力常数在0.59~0.79MPa之间,平均为0.71MPa;长8段页岩饱和吸附量为3.15m３/t,Langmuir压力常数为0.59MPa;长9段页岩饱和吸附量为4.84m３/t,Langmuir压力常数1.29MPa。3.3页岩气勘探和开发技术据Curtis［１］统计,吸附态页岩气含量占页岩气总含量的20%~85%。Mavor［１８］指出Barnett组页岩吸附态页岩气应占原始页岩气地质储量的61%。李新景等［４］认为吸附态页岩气的含量可能至少占页岩气总量的40%。聂海宽等［６］总结分析了Barnett页岩的大量研究资料认为40%~60%的天然气以吸附态赋存于页岩中。由此可见,吸附态页岩气含量至少占页岩气总含量的40%。页岩气除了以吸附态存在以外,尚有以游离态存在于大孔隙和裂缝之中。北美地区页岩气的勘探和开发发现,页岩中裂缝的发育对页岩气的开发具有重要意义,因为裂缝中赋存的主要是游离气,它直接影响到开发井的产量。直接法计算结果:长7段页岩含气量为3.71~6.26m３/t,长8段页岩含气量为3.68~5.19m３/t,长9段页岩含气量最高,为5.57~7.80m３/t。间接法计算结果:总含气量长7段页岩为4.04~4.49m３/t,平均为4.40m３/t;长8段页岩为3.98m３/t;长9段页岩最高,为6.67m３/t。三段页岩层位总含气量均以吸附气量为主,比值均超过64%。其中长7段页岩游离气百分比为22.53%~35.29%,平均为29.22%;长8段页岩游离气占总含气量的24.43%;长9段页岩游离气含量比例为31.64%。通过对比2种方法计算的含气量(表2)发现,当线性拟合与多项式拟合计算结果确定页岩含气量上下界限时,间接法计算总含气量都在其范围内,因此通过间接法计算的含气量是准确可靠的,同时间接法还能确定总气量中游离气与吸附气所占比例。4刘坪171号砂岩的含气量控制因素4.1有机质类型及有机碳含量有机碳含量是页岩气聚集最重要的控制因素之一,不仅控制着页岩的物理化学性质,包括颜色、密度、抗风化能力、放射性和硫含量,并在一定程度上控制着页岩弹性和裂缝发育程度,更重要的是控制着页岩的含气量。延长组页岩样品有机碳含量(TOC)在3.10%~9.87%之间,其中长7段页岩TOC含量在3.10%~9.87%之间,平均为4.36%,有机质类型为ⅡＢ—Ⅲ型;长8段页岩TOC含量在3.26%~6.13%之间,平均为4.63%,有机质类型以Ⅲ为主;长9段页岩TOC含量为6.04%,有机质类型以ⅡＢ为主。从图6、图7可以看出,有机碳含量与游离气、吸附气和总气量均呈良好正相关关系,相关系数分别为0.924、0.739和0.913。Ross等［１９］对加拿大东北部侏罗系Gordondale地层和Hickey等［２０］对Mitchell2T.P.Sims井的Barnett页岩的研究,均发现有机碳含量较高的钙质或硅质页岩对吸附态页岩气具有更高的存储能力。Lu等［２１］和Hill等［２２］通过实验研究得出有机碳含量与甲烷吸附能力之间存在良好的正相关线性关系。Ross等［２３］和Chalmers等［２４］研究了加拿大Gordondale页岩得到了和实验结果相同的结论,即有机碳含量越高,页岩吸附气体的能力就越强。图8表明随着有机碳含量的增加,可供天然气吸附的比表面增大,导致吸附气量也增大,这与前人研究结果一致。有机质具有多微孔的特征,当有机碳含量增大时,各种微孔隙类型增多、微孔隙度增大,储集空间增加使得游离气含量也增加。由图9可见延长组页岩TOC含量为6.04%时所对应总孔隙体积达最大值0.00803mL/g。4.2barnett页岩气藏延长组页岩样品镜质体反射率(RＯ)为1.20%~1.42%,处于成熟—高成熟阶段,页岩气类型属于热解气。其中长7段页岩RＯ值在1.20%~1.42%之间,平均为1.34%,长8段页岩RＯ值为1.19%,长9段页岩RＯ值为1.4%。图10显示含气量与镜质体反射率与含气量呈正相关关系。从目前勘探开发情况看,对于热成因的页岩气藏,如圣胡安盆地Lewis页岩气藏和福特沃斯盆地Barnett页岩气藏为高成熟度的页岩气藏,天然气主要来源于热成熟作用。福特沃斯盆地Barnett页岩气藏的天然气是由高成熟度(RＯ≥1.1%)条件下原油裂解形成的［２５］,GTI(GasTechnologyInstitute)公布了Barnett页岩气藏产气区的成熟度为1%~1.3%,实际上产气区西部为1.3%,东部为2.1%,平均为1.7%［２６－２７］。阿巴拉契亚盆地页岩成熟度的变化范围在0.5%~4%之间［２８］,产气区的维吉尼亚州和肯塔基州为0.6%~1.5%,宾夕法尼亚州西部为2%,在西弗吉尼亚州南部最高可达4%,且只有在成熟度较高的区域才有页岩气的产出［２９］。国内外对比可以发现,生成页岩气的有利成熟演化阶段在1.2%~2.5%之间,研究区处于生气的有利阶段,在此范围内,页岩的成熟度越高越有利于页岩气的生产。Jar-vie等［３０－３１］的实验分析结果认为有机质含量为7.0%的页岩在生烃演化过程中,消耗35%的有机碳,可使页岩孔隙增加4.9%,而TOC含量为6.41%的泥页岩,达到生干气窗时,会产生4.3%的体积孔隙。可见有机质成熟度的提高促进有机组分纳米级孔隙的产生,从而增加页岩气储集空间。4.3岩石矿物组成X-衍射全岩分析结果显示,长7段页岩样品黏土含量为40%~56%,平均为46.67%;石英含量为32%~34%,平均为33%;长石含量为7%~21%,平均为14.33%;方解石含量为3%~6%,平均为5%;黄铁矿含量为0~3%,平均为1%。长8段页岩样品黏土含量为55%,石英含量为29%,;长石含量为6%;方解石含量为5%;黄铁矿含量为5%。长8段页岩样品黏土含量为57%;石英含量为25%;长石含量为9%;方解石含量为3%;黄铁矿含量为6%。长7段—长9段页岩黏土矿物成分以伊蒙混层为主(含量在52%~64%之间,平均为58%),其次为伊利石(含量在27%~37%之间,平均为31.20%)。页岩内脆性(石英、长石)矿物富集,有利于微裂缝(天然或诱导裂缝)的产生,但延长组页岩内黏土矿物含量偏高,后期储层改造难度较大。石英含量的多寡影响着页岩的含气量,图11表明延长组页岩石英含量与含气量呈负相关关系。聂海宽等［３２］对南方下寒武统和上奥陶统—下志留统海相页岩研究认为:随石英含量的增加,黑色页岩的吸附气含量是增加的。对于海相页岩,当沉积水体比较深,距离物源较远,在远离海岸的沉积环境,陆源碎屑、碳酸盐台地流入物与表层水浮游生物体含量都十分稀少的情况下,岩石主要由海水中缓慢沉降的SiO２形成和一些有机硅生物死亡沉积形成,硅质含量高。同时这种沉积环境中有利于有机质的富集,硅质含量和有机碳含量呈正相关关系,有机碳含量和吸附气含量呈正相关关系,因此,石英含量和吸附气含量也有一定的正相关关系［２０］。对于研究区延长组陆相页岩,样品的薄片观察和扫描电镜分析页岩中石英主要是由母岩机械破碎的陆源碎屑搬运而来,离物源越远,水动力条件逐渐减弱,石英含量越低,黏土矿物和有机碳含量逐渐增加,有机碳含量与含气量呈正相关关系,因此石英与含气量是负相关关系。海相页岩与陆相页岩中石英的来源不同,导致石英对页岩含气量的影响及控制结果也大不相同。黏土矿物含量影响着页岩的含气量,主要表现为伊蒙混层、伊利石对页岩气的吸附能力。Kenne-dy等［３３］注意到,2∶1型层状蒙脱石的外表面积类似于其他黏土矿物和细粒矿物,但是结构层内的表面积可比外表面积高1~2个数量级。高岭石和石英粉砂通常有<10m２/g的比表面积,而蒙脱石可达到900m２/g的比表面积。吉利明等［３４］通过对泥页岩中主要黏土矿物组分甲烷吸附试验发现,各种黏土矿物甲烷吸附容量次序为蒙脱石>>伊蒙混层>高岭石>绿泥石>伊利石>粉砂岩>石英岩。同时蒙脱石脱水收缩伊利石化形成的收缩缝、伊利石粒间孔隙都是有效的页岩气储集空间。但研究区的实验分析表明,黏土矿物含量和吸附气含量关系不大,呈微正相关关系(图12)。4.4总孔及总孔体积泥页岩的显微孔隙结构是影响页岩气赋存状态和储气性能的关键因素。根据国际理论和应用化学协会(IUPAC)的孔隙分类［３５］,将孔隙直径小于2nm的称为微孔隙(micropores),2~50nm的为中孔隙(meso-pores),大于50nm的为宏孔隙(macropores)。柳坪171井长7段页岩的总孔体积为(1.86~3.02)×10－３mL/g,平均为2.44×10－３mL/g;长8段页岩总孔体积为2.77×10－３mL/g;长9段页岩样品总孔体积为8.03×10－３mL/g。延长组页岩样品孔隙以中孔为主,中孔体积占总孔体积的66%以上,其次为宏孔体积13%~26%,微孔体积占3%~16%。图13显示延长组页岩含气量分别与中孔、宏孔及总孔体积呈正相关关系,而与微孔关系并不明显。多孔物质的孔隙网络是由狭窄的收缩毛细管联系在一起的［３６］。因此孔隙的可接近性是由孔喉的大小和孔隙直径共同决定的。气体通过孔喉的传播到达吸附地点还依赖于气体分子的运动直径。Cui等［３７］研究得出CO２、N２和CH４三者的运动分子直径分别为0.33nm、0.36nm和0.38nm,并且还指出煤基质有一个不均一的,由极小的微孔(孔直径小于0.6nm)高度限制的互相连通的网络结构。延长组页岩样品的含气量与小于2nm的微孔体积相关性不明显。与微孔相比,中孔和宏孔有相对较大的孔喉和孔隙直径,此时CH４分子间以及分子与孔隙壁间的相互作用使得气体的热力学状态发生改变,分子发生运