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沉积环境对页岩气储层的控制作用_以中下扬子区下寒武统

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沉积环境 页岩 气储层 控制 作用 中下 扬子 区下寒武统
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 第38卷第5期煤   炭   学   013年5月F 2013 文章编号:0253013)05— —以中下扬子区下寒武统筇竹寺组为例王 阳1,2,陈 洁1,2,胡 琳1,2,朱炎铭1,2(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州  221008;2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州  221116)摘 要:以“沉积控相,相控储层”为研究思路,基于野外露头实测、室内试验测试以及结合前人研究成果,探讨中下扬子区下寒武统筇竹寺组沉积环境对页岩气储层的控制作用。研究表明:中下扬子区下寒武统筇竹寺组富有机质泥页岩主要发育于陆棚相和深海—次深海滞留盆地相中,沉积中心页岩厚度可达100 ~180 m,有机碳含量(高可达18. 7%,平均达到5. 07%;静水缺氧还原沉积环境岩石类型主要以富含有机质的炭质页岩、硅质页岩、粉砂质页岩以及钙质页岩为主,页岩矿物成分以石英(平均达64. 97%)和黏土矿物(平均达23. 66%)为主;缺氧还原环境下沉积的大量黄铁矿形成的黄铁矿晶间孔、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物层间微孔隙以及脆性矿物控制的微裂缝为页岩气提供了良好的储集空间。沉积环境控制下储层发育特征的研究可为页岩展布、有机质丰度、储集空间以及后期有利区评价等研究提供基础。关键词:沉积环境;页岩气;储层特征;中下扬子区;筇竹寺组中图分类号:13     文献标志码:013 责任编辑:常 琛基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2012国家自然科学基金资助项目(41272155)作者简介:王 阳(1989— ),男,江苏镇江人,博士研究生。 163. 讯作者:朱炎铭(1963— ),男,江苏丹阳人,教授。 516on in ,,,(1. 221008,. 221116,to on a to of by of in is in of is up 00m 7%,. 07%. of 4. 97%) 3. 66%). A of of by in by a on of of a in  炭   学   报2013年第38卷岩气是一种自生自储的连续型气藏[1储层研究是页岩气基础地质研究的重要组成部分[3页岩储层研究的重点包括矿物类型与含量、孔隙度和渗透率、储集空间特征和储层含气性等方面[5其中,沉积环境不仅控制了泥页岩的厚度、分布面积、有机碳含量等特征,沉积相还严重影响沉积岩石类型以及岩石的矿物组成,而岩石类型以及矿物组成差异又决定着储层物性发育的特点,进而影响页岩气的成藏。目前,对就此问题尚未开展充足的研究。因此,研究沉积环境对储层发育的控制作用对于分析页岩气成藏机理以及资源评价等具有重要的理论指导意义。笔者选取中下扬子地区下寒武统筇竹寺组黑色页岩为研究对象,研究沉积环境对页岩气储层的控制作用。1 地质概况与沉积背景中下扬子区北临秦岭构造带,南依江南构造带,西联四川盆地,东望太平洋板块,是指勉阳—略阳断裂带、郯庐断裂带和五莲—荣城断裂带以南,江山—绍兴断裂带以北,齐岳山断裂带以东的陆上部分,面积约40×104 下扬子地区的寒武纪不是一个独立的构造演化单元,而是同整个南方寒武纪有着紧密的联系,南方寒武纪基底为晚元古代前的陆壳,进入寒武纪,扬子沉积区以台地沉积为主体,北部为南秦岭海槽深水区,南部边缘有一斜坡过渡带与华南海深水盆地过渡。东、西发育有两大陆地,即东南部的华夏古陆和西部的康滇古陆,此外还发育有规模较小陆地。因此南方寒武纪沉积时的古地理格局表现为北高南低,扬子区总体以台地为背景,西部及东南部受康滇古陆和华夏古陆的制约,南部由东南斜坡与华南海相连,纵向上表现为一个进积序列[7]。早寒武世筇竹寺期沉积时,海水由西南入侵,在中下扬子地区沉积了浅海—深海相的沉积环境(图1)。研究区江苏范围内主要以扬子海沉积环境为主,在宁镇和盱眙洪泽一带发育黑色炭质页岩、砂质页岩夹石煤层,含磷结核、黄铁矿炭质、硅质较高;往东南方向,海水逐渐加深,海侵自南西向北东逐渐扩大,海水浸没到江山—绍兴和杭州—嘉兴一带,形成静水滞流海盆和平缓斜坡环境。在浙江江山—临安一带沉积了黑色炭质页岩、炭质硅质页岩、石煤及薄层灰岩,水平层理发育,反映了滞流盆地相沉积。安徽扬子海沉积范围内的东至歙县、滁州、宿松一带为硅泥质型深水盆地相沉积,岩石呈深灰色,代表强还原环境。在湖南凤凰—吉首—常德一线西北及整个湖北省地区,筇竹寺组下部岩性以炭质页岩为主夹灰岩或白云质灰岩,上部发育灰绿色页岩夹钙质页岩及泥灰岩,指示为次深海—宽阔的浅海陆架环境沉积,在强还原、滞流及海盆缓慢沉降条件下,生活了大量藻类[8图1 中下扬子区早寒武世筇竹寺期岩相古地理图[71  in 下扬子早寒武世筇竹寺期主要发育缓坡、陆棚、深海—次深海盆地和陆坡等4种沉积相,进而分为泻湖、平缓斜坡、浅水陆棚、深水陆棚和深水滞留盆地等5种沉积亚相。其中筇竹寺组富有机质泥页岩主要发育于陆棚相和深海—次深海滞留盆地相中。2 沉积环境控制下的储层发育特征2. 1 页岩厚度与总有机碳含量发育特征不同的富有机质泥页岩类型形成于不同的沉积环境,古水深、沉积类型、古气候等直接影响其发育特征,而沉积环境是影响研究区富有机质泥页岩发育的主控因素。富有机质泥页岩在横、纵向上明显受沉积相带变迁的控制,即在不同的沉积相带中富有机质泥页岩的发育不同。通过野外调研、室内分析测试以及结合前人研究成果可知,中下扬子富有机质泥页岩主要存在3个沉648第5期王 阳等:沉积环境对页岩气储层的控制作用积中心,分别为湖南桑植—永顺地区、江苏扬州—盐城地区以及安徽黟县—黄山地区,基本上呈北东向展布,沉积中心富有机质泥页岩厚度一般可达100 ~180 m。全区有机碳含量(高可达18. 7%,平均达到5. 07%。其中,中扬子宜昌、张家界等地区页岩样品有机碳含量介于0. 3% ~ 18. 2%,平均为5. 3%;下扬子区页岩介于0. 2% ~18. 8%,平均可达5. 25%。在平面上,厚度、呈北东向,而且随着海水由北西向南东的加深,页岩有效厚度由北西向南东呈递增的趋势,有机质在水深较大的地区更容易富集和保存,1)。纵向上,下寒武统筇竹寺组黑色页岩的下段沉积于生物生产率较高的缺氧环境,但往上随着缺氧环境逐渐变差,底部黑色页岩中的上逐渐减小(图2)。图2 湖南张家界剖面下寒武统筇竹寺组沉积环境分析综合柱状图2  of 海陆棚相以及深海—次深海滞留盆地相沉积环境对有机质的富集和保存有利。此外,沉积环境控制的黑色泥页岩厚度是页岩气生成和赋存的基础,故形成于浅海陆棚和深海—次深海滞留盆地环境下的厚度大于30 0],加之页岩气具有短距离运移的特性,在较厚的页岩层中易于富集成藏。2. 2 源岩发育特征沉积岩的岩性特征包括颜色、碎屑成分和岩石类型、结构及构造等方面。其中颜色是沉积岩最直观和醒目的标志,主要反映沉积环境的古气候和氧化还原环境。2. 2. 1 黑色页岩岩性特征通过野外露头、岩芯观察、室内测试分析表明,研究区筇竹寺组黑色页岩并非单纯页岩,通常为泥页岩与砂岩互层,不同地区层段岩性组合差异较大,岩性岩相分异现象明显,根据泥页岩的成分差异,将筇竹寺组页岩划分出4种主要岩相,即炭质页岩、粉砂质页岩、硅质页岩和钙质页岩。(1)黑色炭质页岩相:主要发育半深海环境,富含有机质,有机碳含量为3% ~15%。泥质一般被炭质侵染,易染手,肉眼难以区分其他矿物成分,细粒石英颗粒呈斑点状分布。(2)纹层状黑色粉砂质页岩相:主要发育于陆棚环境,钙质胶结,炭质含量相对较少,钙质页岩与粉砂质页岩呈薄互层状。(3)深灰色钙质页岩相:主要发育于浅海及海陆过渡环境,碳酸钙含量达30% ~50%,手标本中可见灰质断口。发育有纹层状和块状钙质页岩。(4)灰黑色硅质页岩相:主要发育在半深海—深海环境。露头样品呈灰黑色,富含隐晶硅质,晶粒极细小,硬度大。2. 2. 2 源岩矿物成分定量分析对中下扬子下寒武统筇竹寺组泥页岩进行的全岩1),筇竹寺组泥页岩矿物成分较复杂,其中黏土矿物和石英为主要组成矿物。含有少量长石、方解石、白云石等碎屑矿物和自生矿物。总体而言,石英含量最高,为24. 9% ~ 93. 0%,平均达64. 97%;其次为黏土矿物,为3. 0% ~ 65. 9%,平均达23. 66%;碳酸盐矿物含量较少,为2. 0% ~24. 3%,平均达9. 13%。黏土矿物以伊利石为主,含少量的高岭石和绿泥石。石英颗粒主要为外源碎屑颗粒,多呈层状漂浮于页岩中,碳酸盐矿物主要以裂缝充填物和胶结物形式存在,局部地区研究层段形成于深水还原环境,含有大量黄铁矿。2. 2. 3 矿物成分对沉积环境的响应研究区筇竹寺组黑、灰黑色泥页岩属于典型的海相水生有机质富集,是重要的富有机质泥页岩层748煤   炭   学   报2013年第38卷系[11]。分析结果显示,泥页岩含碎屑状石英,还有方解石等自生矿物,扫描电镜下也观察到极细莓状黄铁矿大量存在;这些均表明研究区筇竹寺组形成于滞留缺氧还原沉积环境[12]。筇竹寺组这种还原沉积环境对有机质的富集和保存有利,为页岩气藏的形成提供了良好的沉积条件。表1 中下扬子区下寒武统筇竹寺组页岩矿物成分  in  剖面位置0 4. 5 89. 2 3. 6 2. 7安徽宁国6. 1 10. 2 82. 4 3. 2 4. 2安徽黟县3. 4 15. 6 81. 3 0. 7 2. 4安徽黟县12. 7 19. 5 68. 9 9. 5 2. 1安徽黟县9. 2 47. 6 24. 9 0. 5 0. 3 26. 4 0. 3安徽池州2. 6 32. 7 65. 1 2. 2安徽池州6. 8 31. 4 67. 6 1. 0安徽池州9. 6 20. 8 73. 6 5. 6浙江江山7. 9 14. 5 76. 6 2. 0 2. 3 4. 6浙江江山4. 7 26. 4 48. 3 8. 9 16. 4浙江常山5. 4 8. 8 64. 8 2. 1 2. 9 2. 0 19. 4浙江常山4. 3 15. 6 35. 9 6. 0 8. 8 9. 4 24. 3浙江安吉6. 6 17. 2 48. 1 7. 7 17. 6 3. 9 5. 5湖南泸溪18. 2 15. 8 71. 5 2. 3 1. 9 8. 5湖南泸溪4. 4 28. 9 64. 4 5. 8 0. 9湖南古丈8. 7 16. 9 54. 6 1. 2 6. 3 6. 9 14. 1湖南古丈6. 9 7. 1 69. 5 3. 0 4. 1 6. 2 7. 8 2. 3湖南龙山0. 9 55. 2 31. 8 8. 7 2. 8 1. 5湖南张家界4. 5 35. 3 54. 3 10. 4湖南张家界3. 1 35. 4 55. 0 9. 6大庸∗ 3. 12 3. 0 93. 0 3. 0 0. 5 0. 5大庸∗ 11. 54 4. 0 92. 8 1. 0 1. 0 0. 5 0. 1 0. 2 0. 4咸丰∗ 3. 45 3. 0 91. 0 3. 0 0. 5 0. 7 1. 0 0. 8注:∗数据引自文献[13]。2. 3 页岩储集空间发育特征沉积环境为页岩孔裂隙形成的外部控制因素之一,而受沉积环境控制下的岩石岩相、岩性和矿物组分等又是控制孔隙发育的内部因素,所以探讨沉积环境对页岩孔隙的控制作用具有重要的意义。2. 3. 1 矿物组分对孔裂隙的影响受沉积环境控制的黏土矿物与脆性矿物从不同角度控制着页岩储层孔裂隙的发育,前人研究表明泥页岩中黏土、石英和方解石相对组成的变化影响了岩石的力学性质、孔隙结构以及对气体的吸附能力[14]。黏土矿物对于孔隙的演化和保存具有重要作用,高岭石相对含量变化与孔隙演化趋势一致,伊利石、绿泥石相对含量的变化与孔隙演化趋势相反[15]。与石英和方解石相比,黏土矿物具有较多的微孔隙和较大的比表面积,对气体有较强的吸附能力[16],一方面由于黏土矿物随着地层埋深增加和地层水逐渐变为碱性,黏土矿物发生脱水转化析出大量层间水,在层间形成微裂隙(图3(a)),另一方面,黑色页岩在黏土伊利石化过程中也会产生大量微孔隙(图3(b))。当泥页岩中黏土矿物含量较少,硅质、碳酸盐岩等矿物较多时,岩石脆性较大,容易在外力作用下形成天然裂隙和诱导裂隙,有利于渗流。2. 3. 2 沉积环境控制下的孔裂隙发育特征沉积相控制着不同的岩石类型以及岩石组分。皖南—浙西早寒武世主要表现为滞留盆地相沉积,沉积一套炭质页岩和含硅质页岩,其中沉积于封闭—半封闭的缺氧还原环境下的细粒状或草莓状黄铁矿呈星散状或纹层状分布,发育大量的黄铁矿晶间孔(图3(c)),而筇竹寺组底部发育大量天然泥岩裂缝,见层间页理缝,连通性好,构成重要的储集空间;湘西北早寒武世属于深水、宁静的还原环境,沉积陆棚相的炭质页岩、硅质岩,页岩黏土矿物含量较高,发育较多848第5期王 阳等:沉积环境对页岩气储层的控制作用图3 中下扬子筇竹寺组孔裂隙发育特征3  in 3(b))。总体而言,发育于陆棚相、深海—次深海滞留盆地相的中下扬子筇竹寺组,沉积了富含有机质的暗色泥页岩,而高成熟期有机质的大规模烃类排放形成了较多的呈规则凹坑近球状密集分布有机质孔隙(图3(d))。3 讨   论通过对研究区下寒武统筇竹寺组富有机质页岩厚度、总有机碳含量,页岩组分以及孔裂隙发育对比分析表明,浅海陆棚相与深海—次深海相为有利页岩气储层发育沉积环境。对比两种具有潜力的页岩气富集带沉积环境控制下的储层特征可以看出(表2),相比深海—次深海滞留盆地相,浅海陆棚相沉积泥页岩空间展布较局限,富有机质泥页岩发育厚度也较小,而有机碳含量以及黏土矿物含量相对较高,储集空间类型主要以有机质孔与黏土矿物晶间孔为主,而深海—次深海滞留盆地相富有机质泥页岩脆性矿物、黄铁矿含量较高,储集空间以微裂隙,黄铁矿晶间孔为主。沉积相对页岩储层的基本地质条件的性质及其空间分布控制明显。表2 中下扬子区典型沉积相控制储层特征  of 深海滞留盆地相代表区域湖南桑植—永顺地区浙江常山—江山地区页岩厚度/ m 80 ~140 120 ~180% 0. 6 ~18. 2 0. 3 ~6. 6岩石类型下段:黑色炭质页岩,底部为黑色薄层硅质岩;上段:钙质页岩及泥灰岩以黑色炭质页岩、炭质硅质页岩为主矿物组成黏土:7. 1% ~ 55. 2%;石英:31. 8% ~79. 8%黏土:8. 8% ~ 26. 4%;石英:35. 9% ~78. 9%孔裂隙发育类型微孔发育:有机质孔与黏土矿物晶间孔为主下段微裂隙发育,有机质孔为主,含较多黄铁矿晶间孔4 结   论(1)中下扬子区下寒武统筇竹寺组黑色页岩厚度以及有机碳含量发育特征受沉积相带控制明显,主要发育于陆棚相和深海—次深海盆地相中,形成湖南的桑植—永顺、江苏的扬州—盐城以及安徽的黟县—黄山3个沉积中心,页岩厚度可达80 ~ 180 m,有机碳含量(高可达18. 7%,平均达到5. 07%,并与厚度高值分布区形成良好的对应关系。(2)受静水缺氧还原沉积环境的控制,研究区下寒武统筇竹寺组主要发育炭质页岩、粉砂质页岩、钙质页岩、硅质页岩等4种岩相,矿物成分主要以黏土矿物和石英为主,石英含量最高,为24. 9% ~93. 0%,平均达65. 85%;其次为黏土矿物,为3. 0% ~65. 9%,平均为23. 66%;碳酸盐矿物含量较少,为2. 0% ~24. 3%,平均为9. 13%。(3)缺氧还原环境下沉积大量黄铁矿形成的黄铁矿晶间孔、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物层间微孔隙以及脆性矿物控制的微裂缝为页岩气提供了良好的储集空间。(4)沉积相控制了页岩储层的基本地质条件的性质及其空间分布。通过对页岩厚度、有机碳含量、948煤   炭   学   报2013年第38卷源岩组成以及孔裂隙系统研究表明,浅海陆棚相与深海—次深海滞留盆地相为研究区页岩气储层发育有利沉积环境。参考文献:[1] 张金川,金之钧,]004,24(7):of ]. 004,24(7):152] 陈更生,董大忠,王世谦,]009,29(5):et A on of ]. 009,29(5):173] 蒋裕强,董大忠,漆 麟,]010,30(10):i et of ]. 010,30(10):74] 郭 岭,姜在兴,]011,30(2of ]. 011,30(23855]  A. ]. 007,91(4):5236] 王社教,杨 涛,张国生,]012,14(6):et of ]. 012,14(6):947] ]北大学,in ]. 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