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页岩气储层的形成条件与储层的地质研究内容_郭岭_图文

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页岩 气储层 形成 条件 地质 研究 内容 郭岭 图文
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页岩气储层的形成条件与储层的地质研究内容郭 岭1,姜在兴1,姜文利2中国地质大学(北京)/海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室,北京 100083;2. 国土资源部油气资源战略研究中心, 北京 1000341. 00083, . 00034, 用沉积学和层序地层学的理论和方法,综合考虑页岩气系统形成的有利条件,结合国内和国外的实例,总结了有利于泥页岩,特别是可作为页岩气储层的富有机质暗色泥页岩形成的时期和沉积环境,认为富有机质暗色泥页岩主要形成在相对海(湖)平面上升时期的海侵(湖侵)体系域,特别是密集段附近的位置;陆相盆地中的湖湾、半深湖—深湖与海相盆地中的半深海—深海盆地、台地边缘深缓坡和半闭塞—闭塞的欠补偿海湾地区是富有机质暗色泥页岩发育的有利地区。 通过对美国 为制作暗色泥岩等厚图、色泥岩埋深图等单因素基础地质图件,对其进行叠加综合分析, 对页岩气的勘探具有很好的指导意义。关键词:页岩气;渝页 1井;层;沉积环境中图分类号:献标志码:A 文章编号:1671011)02/03, X, L. of 2011, 30(2/3):385to we in It be in in of in in on we of so be an 010订日期:2011家科技重大专项(编号:2009目作者简介:郭岭(1983- ),男,在读博士,从事沉积学和非常规天然气储层地质学研究。 通 报F 0卷第 2~3期2011年 3月0,~320111 国内外页岩气研究进展世界上页岩气资源的研究和勘探开发最早开始于美国, 目前美国和加拿大是实现页岩气商业性开发的2个主要国家。 页岩气在非常规天然气领域的异军突起已成为全球油气资源勘探开发的新亮点,并具有进一步勘探开发的广阔前景。]和]研究认为,页岩气以游离态储存在页岩孔隙和天然裂缝中, 以吸附态存在于干酪根和粘土颗粒表面, 有的甚至以溶解状态存在于干地 质 通 报 F 011 年酪根和沥青质中。 页岩气是连续生成的生物化学作用气、热裂解气或两者的混合,在成藏和分布上具有运移距离短、多种封闭机理、聚集成藏隐蔽、地层饱含气等地质特殊性[3]。 国内学者对页岩气的定义进行过很多有意义的探讨[4 张金川等[4]把页岩气定义为主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中, 以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集,在页岩气藏中,天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩甚至砂岩地层中,为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果,表现为典型的“原地”成藏模式。从 1821 年开始到 2000 年, 美国累计钻探28000 口页岩气井[7],实现了页岩气的大规模商业性开发和利用。 目前已发现页岩气的盆地主要分布在被动大陆边缘演化为前陆盆地的区域和古生界克拉通地台区,如美国东部福特沃斯盆地的 岩已经实现商业性的页岩气开发[6]。 中国沉积盆地中泥页岩分布广泛,页岩气资源潜力较大。 初步研究表明,中国南方地区的古生界、华北地区的石炭系—二叠系、鄂尔多斯盆地的三叠系、西北地区的侏罗系是页岩气勘探的有利层系[7]。 其中四川盆地页岩的生气能力和页岩气成藏条件优越,埋藏深度小(小于 3有机碳含量高,目前已经找到了许多页岩气存在的证据, 其中在阳 63 井 3505~3518m 页岩段, 射孔并经酸化处理后获得了 3500 m3/d 的天然气产量,威 5 井在钻至井深 色页岩层时,发生强烈井喷,喷高 15~22m,裸眼测试,04]。目前中国还没有页岩气开采井,2009 年在重庆彭水打了第一口页岩气战略调查井,获得了宝贵的基础地质资料,并发现了良好的页岩气显示。 其它见于资料的页岩气开发井还没有,因此加强对页岩气储层形成和储层地质的研究是广大地质工作者的重要任务。 目前国家高度重视页岩气的勘探工作,已经启动了川南、滇黔桂、渝东南等地区的页岩气战略调查和选区工作。2 层序对泥页岩发育的约束诸多学者认为, 暗色泥页岩主要发育在海侵体系域(湖侵体系域),特别是密集段及其附近的位置[9 海平面升降变化对于海相沉积作用至关重要。 当海平面上升时,海水向陆地侵进,海洋面积扩大而陆地面积缩小, 可容纳空间增大,造成沉积盆地处于欠补偿状态,沉积物以细粒的泥质为主,此时如果古气候、古洋流、古构造、古环境等适合生物大量繁殖,就能够形成富有机质的暗色泥页岩。中国南方地区(如四川盆地)与美国东部盆地(阿巴拉契亚盆地、福特沃斯盆地、密执安盆地等) 具有相似的页岩气成藏地质条件和构造演化历史, 均属于古生代海相沉积盆地。加里东运动以后,在扬子地台东南缘形成前陆盆地, 即江南浅海和中上扬子浅海—滨海前陆盆地,另外还存在南秦岭半深海环境,沉积了下志留统龙马溪组笔石页岩[14位于上扬子地区的重庆东南部,从早奥陶世(寒武纪及更早的地层未在图中显示)到晚二叠世共出现了3 套厚度较大的暗色泥岩,分别是上奥陶统、下志留统和上二叠统(图 1),它们都处在相对海平面上升期,且厚度最大、颜色最深的层段均出现在海侵体系域的密集段附近。从图2也可以看出,渝页1井所钻遇的下志留统龙马溪组主要岩性为黑色泥岩和深灰色泥岩。 据 [16]分析,当 1、U/沉积环境为缺氧的还原环境。 根据实验测试的91个样品中品由核工业北京地质研究院分析测试中心测试), 计算出值, 结果显示下志留统龙马溪组沉积早期,顶部 30~0m 的部分层段 值小于 1,反映了龙马溪组沉积后期水体还原性减弱, 变为弱还原余所有样品的值都大于 1(图 3),且多数分布在2~10区间内。 30m,平均值为 6,具有一定的波动,反映了强的还原环境,130~33m,平均值为4, 还原条件有所减弱,0~30m,平均值为 原程度进一步减弱,变为滨浅海的沉积环境。这反映了下志留统龙马溪组沉积早期处在欠补偿的还原沉积环境中。结合其它相关资料分析,渝页1井龙马溪组沉积早期可容空间的增大速率大于沉积物的供给速率,相对海平面处于上升阶段,即处在层序的海侵体系域中。7]分析了大量泥页岩沉积体,认为沉积层序与海相富有机质暗色泥页岩(即烃源岩)的发育具有密切的关系, 即暗色富有机质泥页岩主要发育在海侵体系域。 如图 4 所示,从初次海泛面开始,沉积物中总有机碳含量和氢指数有了明显的提高,最386第 30 卷 第 2~3 期图 2 渝页 1 井单井沉积柱状图2 说明海相富有机质泥页岩在海侵体系域时期最为发育。总之,海侵体系域沉积时期,海平面上升导致可容空间增大, 沉积物供给速率小于可容空间的增大速率,盆地处于欠补偿状态,陆源粗碎屑物质难以到达盆地深处, 只有细粒的泥质沉积物才可以搬运并沉积在盆地较深处, 加上盆地内部的细粒内碎屑物质、海水表面生物体的遗体等,最终形成了暗色的泥页岩沉积体。 因此在页岩气储层地质研究过程中,建立黑色泥页岩层序地层格架,进行地层的等时对比, 对解释黑色页岩生烃潜力和图 1 渝东南地区层序地层[15]1 in 岩气储层的形成条件与储层的地质研究内容黑色图案者为黑色泥岩黑色图案者为黑色泥岩387地 质 通 报 F 011 年图 3 与深度的关系3 沉积层序与泥页岩发育的关系[17]4 测页岩气聚集带,评价页岩气资源具有指导意义。3 暗色富有机质泥页岩形成的有利环境有利于形成泥页岩,特别是作为页岩气储层的富有机质暗色泥页岩的环境包括:湖湾、半深湖—深湖和深海—半深海盆地、台地边缘深缓坡、半闭塞—闭塞的欠补偿海湾等。相沉积盆地(1)湖湾:在湖泊滨、浅湖地带,由于砂坝或砂嘴的生长、 三角洲的突出或水下局部基岩的隆起,形成的半封闭的湖水区域称为湖湾。 在湖湾地区水体流通不畅,波浪和湖流作用也较弱,水体较为平静,无携带粗碎屑物质的大河注入,因此沉积物以细粒的泥页岩为主。 在泥质湖湾沉积中,如果沉积环境适宜生物的大量繁殖,泥页岩中有机质含量就会较高,进而形成富含有机质的暗色泥页岩。(2)半深湖—深湖:半深湖是位于正常浪基面以下、风暴浪基面以上的湖底范围,为缺氧的弱还原—还原环境。 由于陆源粗碎屑物质难以搬运至半深湖地区,该区主要以细粒的泥质沉积为主。 如果表面水体适宜浮游生物大量发育, 底部为还原环境时,有利于有机质的形成和保存,进而形成有机质丰富的暗色泥页岩或粉砂质泥页岩。 深湖位于湖盆中水体最深的部位, 波浪作用已完全不能涉及,水体安静,为缺氧的还原环境。 由于深湖水动力条件极弱,且处在强的还原环境中,沉积体主要为粒度细、颜色深、有机质含量高的泥页岩[18]。渤海湾盆地是中国典型的富油气沉积盆地,赵彦德等[19]在研究渤海湾盆地南堡凹陷古近系层序地层和富有机质暗色泥页岩的关系时认为,湖平面上升期间的湖侵体系域时期,是富有机质暗色泥页岩发育的有利时期。 此时河流萎缩,导致碎屑沉积物输入量和陆源有机质供应量减少,形成了有利于湖相有机质集中的深湖和半深湖沉积环境。 在这个稳定、还原性的半深湖—深湖沉积环境阶段,形成了厚度逾 200m 的暗色富有机质泥页岩。 张文正等[20]在研究鄂尔多斯盆地上三叠统长9 油层组上段时发现了一套湖相优质烃源岩,并根据各项有机、无机地球化学参数,认为这套富有机质暗色泥页岩形成于还原性的半深湖沉积环境。相沉积盆地欠补偿的深海—半深海盆地、 台地边缘深缓坡、 半闭塞—闭塞的欠补偿海湾等是形成富有机质暗色泥页岩的有利海洋沉积环境。 其中半深海的位置相当于大陆坡, 是浅海环境与深海环境的388第 30 卷 第 2~3 期图 5 岩厚度等值线图[23]5 在半深海—深海底部阳光的穿透力有限,无植物发育,但是在海水表面水体流动性好(氧含量较高),底部为静水还原环境时,水体表面有利于浮游生物的大量发育, 底部静水还原环境也适合有机质的保存, 这样半深海—深海的悬浮沉积物经过埋藏、压实、成岩等作用能够形成富含有机质的暗色泥页岩[18]。 除此之外,台地边缘深缓坡也具有较深的水体, 暗色泥岩的形成类似于半深海环境, 不过这里的暗色泥页岩可能包括一些灰质含量较高的灰质泥页岩、泥灰岩等。 半闭塞—闭塞的欠补偿海湾水体流通不畅, 波浪和洋流作用也较弱,如果沉积环境适宜生物的大量繁殖,也可以形成富含有机质的暗色泥页岩, 进而形成潜在的页岩气储层。张水昌等[21]在研究塔里木盆地中—下寒武统沉积体系与暗色富有机质烃源岩的关系时认为, 暗色富有机质泥页岩主要发育在半深海地区。 因此,在页岩气勘探过程中,对研究区沉积特征的研究十分必要, 一方面可以了解工区目的层系整体的沉积环境, 进而预测潜在的富有机质暗色泥页岩在平面上的展布情况; 另一方面可以了解目的层是否具有页岩气系统形成的有利条件,因为泥页岩无论作为储层还是作为烃源岩都受到沉积环境的控制。 通常石英、方解石等脆性矿物含量较高的泥页岩具有形成储层的有利条件, 在盆地的沉积中心位置泥页岩的生烃潜力是最好的。4 因素基础地质图件冯增昭[22]在研究岩相古地理时认为,单因素分析多因素综合作图法是进行岩相古地理分析重要的定量方法。笔者认为,在页岩气勘探过程中也可以考虑单因素分析多因素综合法, 这里的单因素包括暗色泥岩等厚图、值线图、暗色泥岩埋深图、孔隙度等值线图、渗透率等值线图、气体含量等值线图、石英含量等值线图等。首先对各种单因素图进行分析, 然后对单因素图的叠加进行综合分析,最后做出有利目标区的选择。沉积盆地的中心位置通常形成厚度大的暗色泥页岩。 从烃源岩的角度来讲, 沉积中心位置水体较深,容易保存大量的有机质;从储层角度考虑,离物源越远,石英等稳定性较强的脆性矿物含量就越高,有利于后期的储层改造。福特沃斯盆地岩是页岩气产出层[23]。由图 5 可以看出,岩主要的产气点在田, 该气田位于页岩厚度最大的位置,最厚处 300m,最薄处也达到 120m,这里也是密西西比世福特沃斯盆地的沉积中心。 由此可以得到一点启示,即页岩气田容易在泥岩厚度最大的地方,也就是盆地的沉积中心位置形成。北美已开发的页岩气藏中, 作为储层的泥页岩中有机碳的含量(页岩产气率之间有良好的线性关系[24]。 把 方面是由于页岩气具自生自储的特点, 其运移距离通常较短, 含气面积常与页岩的分布面积相当,气潜力越大,泥页岩储层孔隙度、渗透率都很低,生成的天然气不易运移出去,因而单位面积上泥页岩的含气量也较高; 另一方面是由于有机质当中含有大量微孔隙, 它对气体有较强的吸附能力, 同时烃类气体在无定形和无结构基质沥青质体中的溶解作用也增加了泥页岩对气体的吸附作用。[25]在对加拿大大不列颠东北部侏罗系 岩气储层的形成条件与储层的地质研究内容389地 质 通 报 F 011年图 7 页岩储层矿物组成三角图(据司009 年,有修改)7 of of 和 页岩的研究过程中发现,有机碳与甲烷的吸附能力存在着一定的关系(图6)。 因此盆地内目的层系的于页岩气的成功勘探也具有重要的作用。 于热成因型气藏,随着页岩 气量逐渐增大。 主要原因有2个,一是有机质生成烃以后体积缩小,会产生超微孔隙,有利于页岩气的保存; 二是, 页岩油开始裂解生气。 但是当%以后,有机质进入过成熟期,生气量明显减少[26],同时伴随着有机质的减少,吸附气含量也会相应减少。对于生物成因型页岩气藏,泥页岩低, 越不利于生物页岩气的形成。根据岩气藏的分布规律,生物成因型页岩气藏主要分布在范围内[27 通过对岩镜质体反射率分析发现,在镜质体反射率以生油为主,生气为辅, 干气区主要分布在盆地东北部和冲断带前缘,这些地区埋藏较深,成熟度较高,,处在生气窗内,油区主要分布在盆地北部和西部成熟度较低的区域,,气区和油区之间是过渡带, 既产油又产湿气, 过渡带的 间[29]。 因此色泥岩埋深图、孔隙度等值线图、渗透率等值线图、气体含量等值线图、石英含量等值线图等,对页岩气的聚集研究也具有重要的影响, 但主要对后期的开发研究影响较大,这里不再论述。 总之,通过以上单因素图的制作, 对各单因素图叠加进行综合分析判断,最后做出有利目标区的选择,对页岩气的成功勘探具有重要的意义。页岩储层的岩石学特征储层岩石学特征的研究主要包括储层岩石的矿物成分、结构特征和胶结物特征。结构和胶结物特征对泥页岩储层的孔隙度和渗透率有重要的影响,这里主要分析矿物成分对泥页岩储层的影响。 作为页岩气储层的泥页岩孔隙度和渗透率很低, 美国页岩气勘探开发证明, 裂缝体系的发育程度对页岩气的聚集和开发具有重要的影响。由图7可以看出,美国已成功开发的页岩分布在 2 个区域:岩主体位于石英、长石和黄铁矿含量低于50%,碳酸盐岩含量在 5%~90%之间, 粘土矿物通常低于 70%的区域;岩位于碳酸盐岩含量低于25%,石英、长石和黄铁矿含量在25%~80%之间的区域内,粘土含量在 15%~65%之间,其中 石英等含量超过40%。泥页岩中粘土矿物含量较少,硅质、碳酸盐岩等矿物较多时,岩石脆性较大,裂缝系统容易形成。硅质、灰质等脆性矿物富集的泥页岩比粘土矿物含量较多的泥页岩更容易产生裂缝, 而页岩层系中的粉砂岩、 细砂岩、砂岩夹层等也可提高储层的渗透性。北美含气页岩富集带沉积环境复杂多样, 例如 西部气页岩储层为页岩、砂岩和粉砂岩的混合岩性[30],页岩中的砂质夹层增加了页岩本身的脆性,有利于裂缝体系的形成;北美 地 6力下甲烷吸附量与有机碳含量的关系[25]6 390第 30 卷 第 2~3 期富有机质黑色页岩主要由含钙硅质页岩和含粘土灰质泥岩构成,夹薄层生物骨架残骸,陆源碎屑物较少, 这种由生物体形成的钙质和硅质细粒沉积物增加了泥页岩的脆性, 同样也有利于裂缝体系的形成[31]。 由此可见,分析泥页岩的矿物成分特征,进而寻找脆性较好的储层, 对页岩气的勘探和开发具有重要的意义。页岩储层的物性泥页岩的储层物性对页岩气的聚集和后期的开发具有重要的影响, 其中孔隙性的好坏直接决定储存油气的能力,渗透性好坏控制了油气的产能。对于泥页岩储层,裂缝是其主要的储集空间,因此预测裂缝在横向和纵向上的分布规律显得尤为重要。首先分析纵向上物性的分布规律, 分析孔隙类型、孔隙度和渗透率数据,结合岩心、地震、测井等资料,预测裂缝在纵向上的分布规律,综合评价潜在的有利泥页岩储层。其次分析横向上物性的分布规律,主要是在层序地层的格架内,结合沉积和构造特征,利用岩心、地震、测井等资料分析孔隙度、渗透率和裂缝体系在横向上的变化规律。 最后分析平面上物性的分布规律,主要以体系域或准层序组为单元,运用岩心、测井等资料计算孔隙度和渗透率,结合平面上的裂缝发育特征, 制作有利的泥页岩储集空间平面分布图,并分析其与层序、沉积、构造等因素的相互关系。页岩储集空间页岩气通常以2种形式存在于泥页岩中, 一种是以吸附态存在于有机质和粘土颗粒上, 另一种是以游离态存在于孔隙和裂缝中。 这里只讨论以游离态存在的储集空间。 泥页岩的储集空间主要包括孔隙和裂缝2种类型, 其中孔隙包括粒间孔、 粒内溶孔、粒间溶孔和胶结物内溶孔,裂缝主要包括成岩裂缝、构造裂缝和构造构造裂缝是构造应力作用于岩石之上, 使岩石超过其弹性限度后发生破裂而形成的,它往往成组分布,同一组系的裂缝一般方向一致。按力学性质裂缝构造分为压性裂缝、张性裂缝、扭性裂缝、压扭性裂缝、张扭性裂缝,而张性裂缝、张扭性裂缝往往是裂缝性储层的主体;构造裂缝按其所处构造部位可以分为与断层伴生的构造裂缝、与褶皱伴生的构造裂缝、与刺穿作用伴生的构造裂缝; 成岩裂缝为成岩过程中上覆地层压力和岩层失水收缩、干裂、重结晶等作用形成的裂缝[32成岩再经构造应力形成的裂缝。5 结 论(1)层序对泥页岩的发育具有重要的控制作用,富有机质暗色泥页岩主要形成在相对海(湖)平面上升时期的海侵(湖侵)体系域,特别是密集段附近。(2)陆相沉积盆地中,湖湾、半深湖—深湖地区是暗色泥岩发育的有利地区;海相沉积盆地中,半深海—深海盆地、台地边缘深缓坡、半闭塞—闭塞的欠补偿海湾是暗色泥岩发育的有利区, 也是潜在的页岩气储层发育区。(3)制作暗色泥岩等厚图、值线图、色泥岩埋深图等单因素基础地质图件,对其进行叠加综合分析判断, 对页岩气的勘探具有很好的指导意义。(4)泥页岩的储集空间主要包括孔隙和裂缝 2种类型,其中孔隙包括粒间孔、粒内溶孔、粒间溶孔和胶结物内溶孔,裂缝主要包括成岩裂缝、构造裂缝和构造谢:西安石油大学郭峰副教授在成文过程中给予帮助并提出很好的建议,徐杰、杜伟博士提供了宝贵的资料,插图由彭晓霞清绘,在此一并表示感谢。参考文献[1] B. ]. 2002, 86(11):19212]]. 003.[3]张金川,聂海宽,徐波. 四川盆地页岩气成藏地质条件[J]008,28(2):1514]张金川,金之钧,]004 ;24(7):155]张林晔,李政,朱日房,等. 页岩气的形成与开发[J]009,29(1):1246]李新景,胡素云,程克明. 北美裂缝型页岩气勘探开发的启示[J]007,34(4):3927]张金川,徐波,聂海宽,]008 ,28(6):1368]王世谦,陈更生,董大忠. 四川盆地下古生界页岩气藏形成条件与勘探前景[J]009,29(5):519]]007,26(2):岩气储层的形成条件与储层的地质研究内容391地 质 通 报 F 011年[10] L. in ]1963, 74(2):9311] E. in :of ]. 1989,73:12512]刘宝珺,许效松,古生代层序地层和盆地动力演化[J]995,5(3):113] A, A. ]//1998:17114]聂海宽,唐玄,边瑞康. 页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测[J]009,30(4):48415] 10)[M]油工业出版社,1987:2816] M, W, W. in 00 V, Mn,e)[J]2000,15(6):59317] A, A, F. ]. 991,17(4):48318]]油工业出版社,2010:9319]赵彦德,刘洛夫,张枝焕,]008,26(6):107720]张文正,杨华,傅锁堂,1 湖相优质烃源岩的发育机制探讨[J] 辑:地球科学),2007,37(增刊Ⅰ):3321]张水昌,张宝民,边立曾,]005,12(3):3922]定量岩相古地理重建[J]004,6(1):123] M, M, J, et ]. 2007, 91(4):40524]of in ]. 004.[25] K in of an ]008,92(1):8726] L, M, A, et J]. 005,89(2): 15527] G. ]. 977,7(2):7928] M, J M. of ]. 008,92(3):32729] L, M , A, et ]. 2005,89(2):15530] et of as ]. 007,91(4):47531] B. ]. 2002,86(11):192132]吴胜和,熊琦华,]油工业出版社,1998:19933]裘怿楠,]油工业出版社,1996:
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