鄂尔多斯盆地延长探区陆相页岩气储层特征_徐红卫.pdf

第 45 卷 第 6 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.6 2017 年 12 月 COAL GEOLOGY 2. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and TechnologyBeijing, Beijing 100083, China Abstract Taking Yanchang ation in Yanchang exploration area as an example and combining with the dis- tribution characteristics of continental shale in China, the authors investigated the accumulation conditions and the reservoir characteristics of continental shale gas using many experimental s, such as organic geochemical analyses, X-ray diffractionXRD, determination of porosity, scanning electron microscope SEM, gas adsorption, etc. The results show that the thickness of Yanchang ation shale in Yanchang exploration area is large aver- age 50m, the organic carbon content is relatively highaverage TOC is 4.86, the main types of organic matter are typeⅡ, and the thermal evolution degree of organic matter is of the mature stageRran0.841.1; the mass fraction of clay minerals is high21.871.5, average 47.3, and the mass fraction of quartz is low 10.844.9, average 22.3, brittleness index is relatively small27.177.2, average 49.6, indicating that the shale reservoir is brittle and can be fractured. The porosity of Yanchang ation shale in Yanchang explora- tion area is mainly between 13, and the pore types are diversi. The intergranular pores and the inner pores are dominant, followed by intergranular pores, microcracks, dissolved pores and the organic pores, which provide ChaoXing 第 6 期 徐红卫等 鄂尔多斯盆地延长探区陆相页岩气储层特征 47 reservoir space for the accumulation of shale gas. The gas content of Yanchang ation shale is between 1.606.67 m3/t, showing a better gas generation capability. Keywords continental shale gas; reservoir characteristics; Yanchang ation shale; Yanchang exploration area, Or- dos basin 陆相页岩气是我国页岩气勘探开发的重要领 域[1-3]，受到了人们的广泛关注。近年来，我国已在 多个盆地不同陆相页岩层系中发现了页岩气工业气 流，如鄂尔多斯盆地延长探区上三叠统延长组是我 国最先报道钻遇页岩气流的陆相页岩层段，在柳坪 177 井、延页平 1 井、延页平 3 井、延页 1 井、柳 坪 171 井、新 57 井、新 59 井获得了日产气量不低 于 2 000 m3的陆相页岩气工业气流[4-6]；渤海湾盆地 歧口凹陷古近系沙三段在新港 57 井获得日产气量 13.7104 m3的工业气流[7]；四川盆地建南、元坝和 新场地区下侏罗统自流井组获得日产气量 0.28 10450.7104 m3的陆相页岩气流[8-9]；南襄盆地泌阳 凹陷古近系核桃园组 B253 井压裂后获日产气量 6.21104 m3的高产工业气流[10]，证实了我国陆相页 岩气资源潜力大。但是，迄今我国陆相页岩气的开 发尚未取得重大突破，地质研究程度低、陆相页岩 储层非均质性强是其重要原因[11-13]，因此，有必要 对陆相页岩气储层特征进行系统研究。 鄂尔多斯盆地延长探区为我国陆相页岩气勘 探开发的首个国家级示范区， 国内学者已在延长组 陆相页岩气形成条件、储层特征、含气性和资源量 等方面做过一定的研究[3-6,14-16]， 但与我国其他盆地 陆相页岩气及北美海相页岩气储层特征的对比研 究少， 且研究区延长组陆相页岩气储层特征研究不 够深入。笔者结合我国陆相页岩分布特征，以鄂尔 多斯盆地延长探区为例，采用有机地球化学、X 射 线衍射、孔隙度测定、扫描电镜、气体吸附等多种 实验分析，对延长组陆相页岩气储层特征进行研 究， 并与我国其他盆地陆相页岩气及北美海相页岩 气的储层特征进行对比， 从而评价研究区延长组陆 相页岩气储层性质和含气性， 旨在为我国陆相页岩 气赋存富集特征与勘探开发提供基础资料和科学 依据。 1 我国陆相页岩分布及延长探区地质概况 我国陆相页岩主要分布在华北、东北、西北及 南方区的中新生界盆地中。鄂尔多斯盆地三叠系 延长组、渤海湾盆地古近系沙河街组、松辽盆地白 垩系青山口组和南襄盆地泌阳凹陷核桃园组为华北 及东北区典型的陆相页岩层系。西北区陆相页岩主 要分布在准噶尔盆地二叠系与侏罗系、吐哈盆地和 塔里木盆地侏罗系、柴达木盆地古近系与新近系、 酒泉盆地白垩系。另外，西北区民和、雅布赖等中 小型盆地侏罗系泥页岩可能具有一定的页岩气资源 潜力[17]。南方区陆相页岩主要分布于四川盆地侏罗 系自流井组、江汉盆地侏罗系及古近系、苏北盆地 古近系中。我国陆相页岩分布广泛，横向变化大， 与砂泥岩频繁互层；单层厚度较小530 m，但累 计厚度较大50600 m。 鄂尔多斯盆地地处华北克拉通西部，为我国第 二大沉积盆地，区域构造简单，总体为西倾的平缓 大单斜，蕴藏着丰富的油气资源。该盆地划分为 6 个次一级构造单元，包括伊盟隆起、渭北隆起、西 缘冲断带、晋西挠褶带、天环坳陷及陕北斜坡[4]。 延长探区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡东南部图 1， 区域构造简单，为一西倾的平缓单斜，断裂不发育， 构造稳定，地层倾角一般小于 1。 图 1 鄂尔多斯盆地延长探区位置和取样井平面分布 Fig.1 Location of Yanchang exploration area and distribution of sampling wells in Ordos basin 延长探区三叠系延长组地层可分为长 1 到长 10 共 10 个层段， 记录了整个湖盆从发生到发展再到消 亡的演化史，其中，陆相页岩气勘探的目的层为长 7 段和长 9 段地层[4-6,14-15]。研究区长 7 段页岩埋深 8001 700 m，主要分布于西南部和中部区，页岩厚 度 4080 m，主要发育灰黑、黑色粉砂质泥岩、炭 ChaoXing 48 煤田地质与勘探 第 45 卷 质泥页岩等，水平层理、页理等均较发育，且肉眼 可见少量的黄铁矿；长 9 段页岩埋深为 1 1001 900 m，黑色页岩厚度较薄，一般小于 25 m，主要发育 灰黑粉砂质泥岩、炭质泥页岩等，水平层理、页理 相对不发育，肉眼下也可见少量的黄铁矿。 2 页岩有机质地球化学特征 总体来说， 我国陆相页岩有机碳含量 TOC 较高 110， 热演化程度 Rran较低0.51.3表 1。 有机地球化学分析表明，延长探区延长组陆相页岩 有机碳含 量 分布范围 较 大，TOC 质量分数 为 0.410.8，镜质体反射率 Rran为 0.81.1， 且 Rran随埋深的增加而增大；其样品岩石热解峰温 Ｔmax均大于 440℃，说明页岩处于成熟阶段。延长 组页岩生烃潜量S1S2为 0.413.1 mg/g，纵向上其 生烃潜量高值区与有机碳含量较高层段分布相一 致，表现出良好的生烃潜力。延长组页岩有机质类 型主要为Ⅱ型，有机岩石学分析表明，延长组页岩 样具有富含镜质组7.096.8、“壳质组腐泥组” 3.093.8、贫惰质组021.7的特点，这与孔 庆芬的研究成果[18]一致，反映出藻类低等生物和高 等植物源并存的混合型有机质类型特征图 2。 表 1 中国陆相页岩有机质地球化学特征 Table 1 Organic matter characteristics of continental shale in China 地区 地层 时代 埋深/m 厚度/m TOC/ 有机质类型 Rran/ 长7段 T3 8001 700 30120 2.7310.8 Ⅱ 0.831.02 延长探区 长9段 T3 1 1001 900 1030 0.416.98 Ⅱ 0.881.10 青一段 K2 1 5002 500 50500 0.44.5 Ⅰ–Ⅱ 0.51.5 松辽盆地[1] 青二、三段 K2 25360 0.21.8 Ⅱ 0.51.4 沙一段 E3 1 5003 600 120450 0.6711.6 Ⅰ–Ⅱ1 0.30.7 沙三下亚段 E3 1 5004 200 50500 0.616.3 Ⅰ–Ⅱ1 0.51.1 济阳坳陷[19] 沙四上亚段 E3 1 5765 000 50400 0.618.6 Ⅱ1 0.51.9 辽河坳陷[20] 沙三段 E3 1 8004 200 700 0.57.14 Ⅱ1 0.161.70 泌阳凹陷[10] 核桃园组 E 2 0503 000 90620 2.002.98 Ⅰ–Ⅱ1 0.71.1 川东北[8] 自流井组 J1-2 2 8004 200 150 0.39.95 Ⅱ 0.92.02 江汉盆地[21] 新沟嘴组 E2 2 5003 500 50250 1.163.26 Ⅰ–Ⅱ1 0.62.0 苏北盆地[22] 阜二段 E1 1 5003 700 100350 0.83.4 Ⅰ–Ⅱ1 0.51.2 风城组 P1 50300 0.4721.0 Ⅰ–Ⅱ1 0.541.41 夏子街组 P2 50150 0.4110.8 Ⅰ–Ⅱ1 0.561.31 准噶尔盆地[1] 乌尔禾组 P2-3 50450 0.712.08 Ⅰ–Ⅱ1 0.801.00 3 页岩储层矿物组成 页岩矿物组成影响着页岩的可压裂性、孔裂隙发 育情况及气体吸附性能，石英等脆性矿物含量越高， 页岩的脆性越大，易于在外力作用下形成诱导裂缝， 有利于页岩气的渗流，从而直接影响页岩气的产 能[23-27]。X 射线衍射XRD分析结果表明，延长探区 延长组页岩矿物成分较复杂，且非均质性较强，总体 来说，长 7 段和长 9 段页岩样品脆性矿物和黏土矿物 含量差异较小图 3。 全岩矿物中脆性矿物质量分数较 高26.774.2，平均 46.6，达到了陆相页岩气勘 探开发标准[9]， 其中以石英10.8 44.9， 平均 22.3 和长石034.9， 平均 14.1为主， 方解石044.9， 平均 4.3和白云石0 23.6，平均 6.0质量分数 变化范围较大；黏土矿物质量分数较高21.8 71.5，平均 47.3，以伊/蒙混层17.794.4，平 均 44.5和伊利石3.5 82.2，平均 30.2为主， 其次为高岭石044.5，平均 15.1和绿泥石 027.6，平均 10.2，不含蒙脱石。 与我国其他盆地陆相页岩相比，延长探区延长 组陆相页岩在矿物含量组成上存在一定的差异性 图 3， 如碳酸盐类矿物含量较东营凹陷沙河街组沙 三下亚段低，但较松辽北部地区青山口组一段页岩 高；黏土矿物质量分数较松辽北部地区青山口组一 段页岩低，但较东营凹陷沙河街组沙三下亚段页岩 高。与北美地区海相页岩对比可见，延长探区延长 组、松辽北部地区青一段及川东地区大安寨段等陆 相页岩石英含量明显低于 Barnett 海相页岩， 黏土矿 物含量高于 Barnett 海相页岩， 而碳酸盐类矿物含量 差异不大，变化范围比较分散。 页岩脆性指数是评价泥页岩储层的重要参数之 一，对研究区页岩脆性指数进行了计算，结果表明， ChaoXing 第 6 期 徐红卫等 鄂尔多斯盆地延长探区陆相页岩气储层特征 49 图 2 延长探区延长组页岩有机质类型判别 Fig.2 Organic matter type identification of Yanchang ation shale in Yanchang exploration area 图 3 延长探区延长组页岩矿物组成与 其他地区页岩比较 Fig.3 Mineral composition of Yanchang ation shale in Yanchang exploration area and comparison with other shale 延长组页岩脆性指数为 27.177.2，平均 49.6， 主频分布在 3060图 4，表明延长探区延长组 页岩具有脆性和可压裂性。 4 页岩储层孔隙特征 受沉积环境、有机碳含量、热成熟度、矿物组 成和成岩作用等影响因素作用，不同盆地陆相页岩 孔隙度分布范围各不相同。通过对延长探区延长组 页岩样品进行孔隙度测试表明，延长组页岩孔隙度 图 4 延长探区延长组页岩脆性指数分布 Fig.4 Brittleness index distribution of Yanchang ation shale in Yanchang exploration area 主要分布在 13图 5a，其中长 7 段泥页岩储层 孔隙度为 0.165.12，平均 2.11；长 9 段孔隙 度为 2.543.78，平均 3.22。长 9 段页岩储层孔 隙度要略高于长 7 段。松辽盆地北部青一段页岩孔 隙度为 1.25.17，平均 3.07[28-29]；渤海湾盆地 辽河西部凹陷沙河街组三段页岩孔隙度为 2.1 8.2，平均 3.86[20]；川东北地区大安寨段页岩孔 隙度为 2.156.77，平均 4.04[8]。由此可见，延 长探区延长组陆相页岩孔隙度与松辽北部青一段页 岩具有一定的可比性，但低于辽河西部凹陷沙河街 图 5 延长探区延长组孔隙度及其与其他地区的比较 Fig.5 Porosity distribution of Yanchang ation shale in Yanchang exploration area and comparison with other shale ChaoXing 50 煤田地质与勘探 第 45 卷 组三段页岩和川东北地区大安寨段页岩。北美地区 海相页岩孔隙度主要为 214，平均 48，华 北及东北和南方中新生代陆相页岩孔隙度多集中在 16，与北美地区海相页岩相比，我国陆相页岩 孔隙度整体偏低图 5b。 页岩中微孔隙直接影响着页岩储层含气量的大 小，有利于页岩气的聚集和运移[1,30-32]。据扫描电镜 SEM分析，延长组页岩发育多种类型孔隙图 6， 粒间孔和粒内孔在研究区内所占比例大，长 7 段和 长 9 段页岩样品中粒间孔和粒内孔之和分别占到了 微观孔隙的 84.5和 68.9，其次是晶间孔、微裂 缝和溶蚀孔，有机质孔相对不发育。延长组页岩孔 隙直径一般小于 5 μm， 且孔隙之间有一定的连通性， 为该区页岩气的赋存和运移提供良好的条件。同时， 对不同盆地陆相页岩孔隙特征进行对比表明， 研究区 陆相页岩储集空间类型与北美海相页岩相近。 图 6 延长探区延长组页岩样品孔隙特征 SEM 图像 Fig.6 SEM images of pores characteristics of Yanchang ations shale samples in Yanchang exploration area 5 页岩含气性 含气量是指导页岩气资源评价、储量预测和有 利区优选的关键参数之一[28,33]。通过气体等温吸附 实验及现场解吸，对延长组页岩含气性进行研究。 在实验温度接近地层温度的条件下进行了等温吸附 实验，结果表明，研究区页岩样品饱和吸附气量为 2.875.22 m3/t图 7。 不同盆地陆相页岩由于地质条件等因素的不同 致使其含气量有所差异，对研究区延长组 3 口井 28 块页岩样品现场解吸结果表明，延长探区长 7 段页 岩含气量为 1.604.95 m3/t。据曾维特等[16]研究，柳 坪 171 井长 7 段和长 9 段页岩含气量分别为 4.04 4.49 m3/t 和 6.67 m3/t；研究区延页 5 井和柳坪 194 井长 7 段页岩含气量为 2.133.05 m3/t，延页 5 井长 9 段页岩含气量为 1.912.11 m3/t[4]；研究区黄探１井 长 9 段页岩含气量为 1.684.25 m3/t， 平均 2.92 m3/t[34]。 渤海湾盆地辽河西部凹陷沙河街组沙三段页岩含气 量为 2.745.58 m3/t，平均 4.37 m3/t[20]；四川盆地元坝 地区 YL4 井大安寨段页岩含气量为 0.51.98 m3/t，东 岳庙段为 0.572.8 m3/t，平均值大于 1.32 m3/t[9]；何 发岐等[8]对川东北地区自流井组东岳庙段大安寨 段页岩研究表明，其总含气量较高，为4.26.2 m3/t；南 襄盆地泌阳凹陷核三下段页岩含气量为2.56.1 m3/t[10]。 由此可知，延长探区延长组陆相页岩含气量与中国 其他盆地陆相页岩相比差异性较小，且华北、东北和 南方中新生代陆相页岩含气量多分布在 1.56.0 m3/t。 与北美页岩含气量相比，延长探区延长组陆相页岩 含气量， 虽较北美地区 Fort Worth 盆地 Barnett 页岩 3.49.9 m3/t和 Anadarko 盆地 Woodford 页岩 5.78.5 m3/t低，但较 San Juan 盆地 Lewis 页岩 0.42.1 m3/t高图 8，且达到了陆相页岩气开发含 气量的下限值，具有较大的商业性开发价值，表明 延长探区延长组陆相页岩具有较好的含气性。 ChaoXing 第 6 期 徐红卫等 鄂尔多斯盆地延长探区陆相页岩气储层特征 51 图 7 延长探区延长组页岩等温吸附曲线 Fig.7 Isothermal adsorption curves of Yanchang ation shale inYanchang exploration area 图 8 延长探区延长组页岩含气量及其与 其他地区页岩比较 Fig.8 Gas content of Yanchang ation shale inYanchang exploration area and comparison with other shale 6 结 论 a. 延长探区延长组页岩厚度较大平均 50 m， 有机质丰度较高TOC 平均 4.86，页岩母质为藻 类低等生物和高等植物并存，有机质类型主要为Ⅱ 型，岩石热解峰值温度Ｔmax均大于 440℃，热演化 程度处于成熟阶段Rran为 0.841.10。 b. 延长探区延长组页岩黏土矿物质量分数高 21.871.5，平均 47.3，以伊/蒙混层和伊利石 为主，其次为高岭石和绿泥石，不含蒙脱石；石英 质量分数较低10.844.9，平均 22.3，脆性指 数相对较小27.177.2，平均 49.6。 c. 延长探区延长组页岩孔隙度主要为 13， 发育多种微观孔隙类型，以粒间孔和粒内孔为主， 其次是晶间孔、溶蚀孔和有机质孔，页岩含气量较 高1.606.67 m3/t。 致谢本文在样品采集、资料收集和实验分析 测试方面得到了陕西延长石油集团有限责任公 司、中国石油大学北京和中国地质大学北京有 关专家的大力支持和帮助，在此深表谢意 参考文献 [1] 邹才能，董大忠，杨桦，等. 中国页岩气形成条件及勘探实践 [J]. 天然气工业，2011，311226–39. 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