南川地區QQ-1井龍馬溪組下部頁巖儲層有機質發育特征精細表征

楊玉娟

(濮陽職業技術學院 能源與化學工程學院,河南 濮陽 221116)

0 引言

四川盆地廣泛發育五峰組—龍馬溪組海相頁巖儲層,構成了1套分布廣泛且具有一定厚度的頁巖儲層[1],該儲層現已形成商業化開發產能,是我國頁巖氣資源開發量的主要貢獻者[2-3]。隨著對四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖儲層特征及頁巖氣成藏機理研究的不斷深入,學界及工業界對頁巖儲層的非均質性逐漸得到認識,如何在具有較強非均質性特征的頁巖地層中,精準找出優質頁巖儲層,進而指導頁巖氣的開發生產,實現降本增效[4-6],成為亟待開展深入研究的熱點問題。頁巖儲層礦物組分極為細小[7],微觀儲集空間主要發育在納米尺度[8],儲層物性與含氣性的影響因素較為復雜[9],對儲層開展精準評價,需要基于對頁巖儲層的精細表征[4-5]。有機質發育特征是頁巖氣儲層含氣性的關鍵影響因素,是頁巖成為儲層和開發目標層的基礎,也貢獻了頁巖儲層主要的微觀儲集空間,對頁巖儲層的精細評價離不開對有機質發育特征的精細研究[5,10]。隨著中淺層頁巖氣資源的不斷衰竭,頁巖氣接續資源潛力將主要在深層頁巖氣儲層及復雜地質區尋找,勘探開發成本不斷提高,對儲層精細評價預測的要求也明顯更高,因此亟待開展更加精細的有機質發育特征研究,為儲層精準評價、實現降本增效提供科學支撐。

由于頁巖儲層有機質在生烴、成孔等作用過程中起著重要作用,精細的頁巖儲層有機質發育特征研究將為儲層成藏機理、物性控制影響因素以及含氣性預測等提供重要支撐。目前對頁巖儲層的精準評價主要是從古地理—沉積環境的宏觀角度進行研究[1,3-4,6-7],或按照現有評價參數體系對儲層進行室內分析測試及數據收集[5,8-10],從精細有機質發育特征角度開展儲層精細表征評價支撐依據專門研究的還相對較少。重慶地區是我國頁巖氣商業化開發的關鍵區域之一。該文以重慶南川地區QQ-1井龍馬溪組下部優質頁巖儲層為例,通過觀察與實驗測試分析,探明研究區優質頁巖儲層的有機質類型、有機質豐度與熱演化程度、有機質賦存狀態以及小尺度巖石結構內有機質的分布特征等,明確優質頁巖儲層層段的有機質發育特點,討論其對儲層物性及含氣性的影響,為研究區頁巖精細勘探工作提供參考。

1 實驗樣品與測試方法

實驗研究樣品均采自南川地區QQ-1井龍馬溪組下部頁巖儲層,樣品均為黑色碳質頁巖,部分斷面可以觀測到筆石化石,普遍發育有少量黃鐵礦。共取樣品5塊,由下部向上編號為Q1～Q5,5塊樣品間隔1 m取樣,用以對層段的有機質發育綜合特征進行表征。

對頁巖儲層有機質特征的表征與研究主要采用了有機碳含量測試,干酪根顯微組分觀測,干酪根碳同位素含量測試,高分辨率顯微鏡薄片觀測,有機質掃描電鏡及能譜測試,以及氬離子拋光-場發射掃描電鏡觀測等方法。其中,有機碳含量測試用于表征有機質含量的多少,干酪根顯微組分觀測和干酪根碳同位素含量測試用于表征有機質類型,高分辨率顯微鏡薄片觀測、有機質掃描電鏡及能譜測試用于觀察分析有機質的賦存狀態以及在小尺度巖石結構內的分布特征,氬離子拋光-場發射掃描電鏡觀測用于觀察有機質內部的納米級孔隙。

2 儲層有機質特征

2.1 有機質類型

由于沉積環境的差異,頁巖儲層中的有機質主要來源于陸源或水體自身,有機質類型可以劃分為腐泥型、腐植腐泥型、腐泥腐植型或腐植型,劃分標準見表1。研究區龍馬溪組頁巖有機質原始母質主要為海相沉積環境中的藻類、浮游動物和細菌等[11]。不同沉積環境中有機質的生物來源、組成和結構有很大的差異,其成烴潛力與成烴方向也不同,只有全面認識有機質的豐度和類型,才能客觀地認識儲層有機質相關物性與影響含氣性的能力與性質。常用的有機質鑒別方法包括基于元素組成識別的判別法、顯微組分鑒別法、依據巖石熱解參數來源的劃分方法以及依據生物來源的劃分方法等。對于研究區海相頁巖高成熟度有機質而言,許多方法鑒別準確度會大大降低,而干酪根顯微組分和干酪根碳同位素含量特征是判別研究區海相頁巖高成熟度有機質的有效方法。依據沉積環境及古地理條件,可以粗略的將不同生物來源分為腐殖質與腐泥質,據四川盆地龍馬溪組沉積時期的古地理格局可知,研究區的龍馬溪組下部頁巖儲層發育于深海陸棚環境,古地理環境控制了有機質的富集條件(如圖1所示[12]),儲層有機質主要來源于水生浮游生物,有機質母質以水生生物為主,富含氫元素和氮元素,有機質類型主要為Ⅰ型腐泥質。

圖1 四川盆地五峰組—龍馬溪組之交(觀音橋段)的三維古地形Fig.1 Three-dimensional pale topographic map of the transient period between Wufeng Formation-Longmaxi Formation (Guanyinqiao Section) of Sichuan Basin

表1 頁巖儲層有機質類型Table 1 Types of organic matter in shale reservoirs

在顯微鏡下觀測光片的光性特征和成因特征,光性特征包括透色光、反射性、熒光性、突起和輪廓等特征,成因特征包括顯微組分的形態、結構以及光性特征所反映的改造變化等。圖2所示為掃描電鏡下的有機質形貌及能譜測試結果。在光片下觀測有機質,發現有機顯微組分主要以無定形類為主,在反射光下見較粗糙的表面,不顯突起,熒光較強,掃描電鏡下則呈團塊狀(如圖2a所示),其對應能譜如圖2b所示。

圖2 掃描電鏡下的有機質形貌及能譜測試結果Fig.2 Test results of organic matter morphology and energy spectrum under SEM

2.2 有機質豐度與熱演化程度

有機質的豐度是進行頁巖儲層評價以及判斷頁巖是否為優質儲層的關鍵指標之一。QQ-1井代表性頁巖儲層樣品的有機碳含量測試結果表明,測試樣品TOC均大于2%,指示有機碳含量相對較高,且有機碳含量由儲層上部向下呈現了相對增高的趨勢。海相頁巖儲層中缺乏陸源高等植物源鏡質體組分,基質中有機質組分主要為腐泥體,當腐泥體反射率為1.60%～3.00%時,應用下式進行換算[13],換算見表2。

表2 QQ-1井龍馬溪組下部頁巖儲層樣品有機碳含量Table 2 Organic carbon content of shale reservoir samples in the lower Longmaxi Formation in well QQ-1

等效海相鏡質組反射率=2.092×基質腐泥體反射率-1.079根據泥質氣源巖有機質含量下限標準[14],QQ-1井龍馬溪組頁巖儲層樣品有機質熱演化程度較高,處于過成熟階段。這樣的熱演化程度促使有機質大量生烴并形成孔隙,有利于優質頁巖儲層的發育。

2.3 有機質賦存狀態

通過掃描電鏡及能譜測試、氬離子拋光-場發射掃描電鏡觀測等方法觀察QQ-1井龍馬溪組下部頁巖儲層樣品的有機質賦存狀態,結果如圖3所示。

圖3 頁巖儲層樣品有機質賦存狀態的電鏡觀測Fig.3 Electron microscope observation of occurrence state of organic matter in shale reservoir samples

圖3觀察結果表明,在常規掃描電鏡下,通過樣品觀測斷面,可以觀測到呈團塊狀的有機質,賦存于黏土礦物及脆性礦物形成的礦物骨架結構中,其團塊顆粒粒徑相對較大(如圖3a所示);在更高精度的氬離子拋光-場發射掃描電鏡觀測視域下,在儲層樣品的切斷面中,還可以發現賦存于黏土礦物、脆性礦物間或分布于微裂隙中的固體瀝青態有機質,內部有機質孔隙極為發育(如圖3b所示),其賦存尺度更加細小(如圖3c所示)。此外,龍馬溪組下部頁巖儲層中普遍發育的莓狀黃鐵礦微晶間也發育有有機質[15],為儲層微觀儲集空間的發育做出了正貢獻,層理面間也賦存有筆石化石殘余有機質(如圖3d所示)[16]?？傮w來看,儲層有機質賦存狀態主要包括團塊狀有機質、固體瀝青態有機質、莓狀黃鐵礦微晶間有機質和筆石化石殘余有機質等,這些共同貢獻了儲層的總有機質含量。

2.4 小尺度巖石結構內有機質分布特征

頁巖儲層小尺度非均質性極強,探索有機質在小尺度巖石結構內的分布特征,可以為優質儲層預測提供支撐。受到海相沉積環境影響,龍馬溪組頁巖儲層主要發育水平層理以及粉砂質紋層等沉積構造[17]。一般來說,龍馬溪組沉積初期富筆石水平層理發育,至中后期粉砂質紋層和夾層沉積構造取代水平層理成為主要發育的小尺度沉積構造[12]。研究表明,受到沉積條件及有機質富集保存條件相對差異的影響,不同的小尺度沉積構造其內部的有機質發育特征存在顯著差異,這成為判別儲層有機質發育品質的一項依據[1,12]?；诟叻直媛曙@微鏡薄片,觀測小尺度巖石結構內有機質的分布特征,代表性的顯微鏡觀測視域如圖4所示。結果表明,有機質在小尺度巖石結構內的分布明顯受到了沉積構造的控制,在宏觀尺度上受到了紋層或夾層物質組分不均一的影響,在微觀尺度上顯示了更強的物質組分分布非均一性,微觀非均質性極為強烈[17-18]。圖4a所示為粉砂質-泥質層理,層理面間由于存在微裂隙而被部分方解石充填,有機質、黏土礦物和脆性礦物的分布顯著受到了層理影響;圖4b 所示為粉砂質夾層,體現了水動力相對變強而影響有機質的聚集;圖4c則為頁巖水平層理,可以觀察到沿水平層理方向出現的粒度分帶;圖4d所示為相對上部樣品,顯示了顯著的物質組分分異現象,不同紋層段間有機質含量存在顯著差異。

圖4 頁巖儲層樣品小尺度巖石結構內有機質分布特征Fig.4 Distribution characteristics of organic matter in small-scale rock structure of shale reservoir samples

由不同層段的有機質含量測試結果可知,水平層理發育層段有機質含量顯著更高,微觀觀測結果顯示有機質微觀賦存狀態多為固體瀝青態有機質,而粉砂質紋層發育的增強,則代表水動力環境產生變化,沉積速率加快。水動力條件的增強在一定程度上破壞了有機質富集與保存的有利條件,而導致粉砂質紋層段發育的頁巖儲層有機質含量相對下降,且在這些層段內由于物質分異作用,粉砂質微紋層與泥質微紋層有機質的顯微賦存狀態與含量存在顯著差異[17],圖5所示為不同沉積構造下的納米尺度有機質分布特征。對水平層理發育層段與粉砂質紋層發育層段有機質含量進行對比發現,水平層理相對發育層段頁巖的有機質含量更高(TOC=2.94%),礦物呈現顯著定向性;而粉砂質紋層段礦物粒度相對更大,有機質含量則相對降低(TOC=2.15%)。因此,由于頁巖儲層小尺度沉積構造對有機質分布與含量的控制作用,可以通過對小尺度沉積構造的精細表征,為預測頁巖儲層有機特征品質的優劣提供一定支撐。

3 有機質表征與儲層精細評價

有機質是頁巖儲層成藏成儲的關鍵,對有機質發育特征的深度了解和精細刻畫,有助于科學構建儲層精細評價指標體系和評價方案[19]。對QQ-1井的研究表征表明,其下部儲層宏觀觀察巖性較為均一,變化不大,主要為黑色碳質頁巖和碳質粉砂質泥巖,但微觀非均質性極強,物質組分在微觀的強烈分異導致有機質的空間分布和賦存狀態也存在顯著的小尺度非均質性。頁巖儲層孔隙主要為次生孔隙,形成于儲層成巖作用過程中[20],QQ-1井龍馬溪組下部頁巖儲層樣品有機碳含量相對豐富,沉積期有利的古地理格局與水體沉積環境,為有機質的富集提供了良好的環境,同時影響了頁巖儲層中有機質的豐度,并對儲層中生物源硅質的含量有關鍵控制作用[21-22]。沉積環境與沉積條件控制下也形成了儲層層段不同的沉積構造,在小尺度沉積構造的控制下,有機質的微觀分布受到了沉積構造類型和特征的影響,呈現出空間分布的非均質性[17]。頁巖儲層有機質熱演化達到過成熟階段,但尚未達到極低級變質作用階段,這樣的熱演化程度,使有機納米孔隙大量發育,而沒有被過高的儲層熱演化過程破壞,從而在充分生烴的過程中保留了大量的有機孔隙,使儲層兼具較好的孔隙性和含氣性。同時,由于前述有機質保存-演化過程對有機孔隙和生物源硅質的協同作用,也使富有機質層段同時具有良好的孔隙性以及力學脆性,進而在儲層成巖演化過程中形成了抵抗壓力破壞和保護孔隙的作用[23-24]。

有機質及其演化在很大程度上決定了頁巖儲層的品質[25]。首先,有機質通過熱演化生烴,為頁巖儲層提供了頁巖氣來源,加之頁巖氣自生自儲的特點,有機質含量的差異導致了其影響不同層段的儲層含氣性;其次,在有機質熱演化生烴過程中,孔隙得以大量發育,形成豐富的有機質納米孔隙[26-27],在有機質含量相對豐富的層段,可以通過有機質內部的納米孔隙相互連通而形成孔隙網絡,增強儲層的微觀滲流能力[28]。但是需要注意的是,有機質熱演化程度過高會導致有機質物質組分不具有抵抗外界應力的能力,進而造成對孔隙的破壞;在這個過程中有機質的賦存狀態也與孔隙的保存能力相關,如固體瀝青態有機質可以在儲層演化過程中進行短距離運移,充填至微裂隙和礦物間孔隙中,進而對古孔隙網絡形成保護作用[29]。因此,適宜的演化程度也是頁巖儲層品質評價的重要依據。有機質的演化還會在儲層成巖作用過程中影響其他物質組分的演化,熱演化產物對儲層礦物溶蝕作用或礦物轉化的進程具有顯著控制作用,是參與儲層物質組分協同轉化的重要類型[30]。此外,受沉積環境與沉積條件的影響,有機質的分布在不同層段呈現出顯著差異[31],在水平層理發育層段,有機質多分布在基質中的石英脆性礦物間以及層理面間,這些位置或易于通過儲層壓裂形成微裂隙-孔隙滲流通道,或本身就處于連通性相對較好的位置,且在地層條件下,水平層理發育層段又具有極好的自封性能[32],使這樣的層段同時具有良好的頁巖氣釋放潛力以及地層條件下的含氣性能,進而具備“高產”地層的關鍵屬性特征。表3所示為研究區龍馬溪組頁巖優質儲層有機質精細評價指標及特征,進一步明確了進行優質儲層有機質特征評價的指標及其他條件。如相對較高含量的有機質層段還需要同時富含生物源硅質或其他脆性礦物;有機質熱演化程度高-過成熟為最佳,但需要處于未達到極低級變質作用階段,且無強烈構造破壞作用;有機質賦存以古孔隙-微裂隙網絡充填有機質或層理基質富集有機質為最佳,且一般可以觀察到莓狀黃鐵礦較為發育;優質儲層層段有機質類型主要為基質中的團塊狀、顆粒狀有機質以及固體瀝青態有機質;層段常同時在層理面間發育筆石有機質,優質儲層層段沉積構造一般為水平層理或富有機質泥質紋層。

表3 頁巖優質儲層有機質精細評價指標及特征Table 3 Fine evaluation indexes and characteristics of organic matter of shale high-quality reservoir

有機質與儲層孔隙性、物性及含氣性內在機理的認識,可以為通過有機質特征刻畫進行更加精細的儲層評價提供依據。由于有機質在泥頁巖沉積物演化為儲層過程中的關鍵作用,這樣的地層評價也更加科學合理,因此,對頁巖儲層的精細刻畫,需要深化對有機質發育特征與演化機理的認識,從而指導儲層精細評價工作的科學開展。

4 結論

1)QQ-1井龍馬溪組下部頁巖儲層樣品有機碳含量普遍高于2%,等效海相鏡質組反射率為3.82%～3.98%,熱演化程度處于過成熟階段,但尚未達到極低級變質作用階段。

2)QQ-1井龍馬溪組下部頁巖儲層有機質賦存狀態主要包括團塊狀有機質、固體瀝青態有機質、莓狀黃鐵礦微晶間有機質及筆石化石殘余有機質等,有機質在小尺度巖石結構內的分布顯著受到了沉積構造的控制。

3)有利的古地理格局與水體沉積環境有助于有機質與生物源硅質的富集,有利于形成儲層良好的孔隙性以及力學脆性,其形成的特定沉積構造影響了有機質的微觀分布,較為豐富的有機質含量與適宜的熱演化程度,有助于有機質相關納米孔隙發育形成微觀儲集空間,有助于儲層優質孔隙性、滲透性及含氣性的耦合發育。

4)有機質是頁巖儲層成藏成儲的關鍵,對有機質發育特征的深度了解和精細刻畫,有助于科學構建儲層精細評價指標體系和評價方案,可為進一步精細化儲層評價方案提供支撐。