岩相组合特征及其对页岩含气...——以涪陵地区凉高山组为例_刘苗苗.pdf

第30卷第1期0引言陆相页岩油气是五峰组龙马溪组页岩气开发后，重要的增储上产领域之一。近年来，陆相页岩油气富集机理及地质评价研究已成为国内石油地质学家广泛关注的热点，在充分借鉴海相页岩油气研究认识及勘探实践经验的基础上，开展了陆相页岩油气沉积特征及成藏条件研究18。凉高山组作为四川盆地陆相页摘要陆相页岩非均质性强，为了查明涪陵地区凉高山组不同岩相组合对页岩含气性的影响，文中基于岩心照片、普通薄片、X衍射、有机质丰度等分析化验资料开展了岩相评价，通过扫描电镜、等温吸附、现场含气量测试等实验，分析了6种岩相组合的孔隙结构和含气性。研究表明：凉高山组发育高碳纹层状页岩夹粉砂岩、中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩、中碳层状页岩夹粉砂岩、含碳块状泥岩夹粉砂岩、中低碳层状泥岩与粉砂岩互层、低碳层状粉砂岩夹泥岩6种岩相组合类型；不同岩相的孔隙度、孔径分布特征主要受层理缝、有机质丰度的影响，比表面积则受黏土矿物成分、有机质丰度及微裂缝的共同影响；明确了高碳纹层状页岩夹粉砂岩是研究区优势岩相组合，在研究区内广泛分布。研究成果可为页岩油气富集预测提供技术支撑，为涪陵地区凉高山组页岩油气下步勘探指明方向。关键词岩相组合；含气性；页岩油气；凉高山组；涪陵地区中图分类号：TE122文献标志码：A收稿日期：20220710；改回日期：20221102。第一作者：刘苗苗，女，1987年生，硕士，主要从事油气地质学方面的研究。E-mail：。引用格式：刘苗苗，付小平，倪楷.岩相组合特征及其对页岩含气性的影响：以涪陵地区凉高山组为例J.断块油气田，2023，30（1）：18.LIU Miaomiao，FU Xiaoping，NI Kai.Characteristics of lithofacies combinations and its influence on shale gas-bearing property：a case study ofthe Lianggaoshan Formation in Fuling areaJ.Fault-Block Oil&Gas Field，2023，30（1）：18.岩相组合特征及其对页岩含气性的影响以涪陵地区凉高山组为例刘苗苗，付小平，倪楷（中国石化勘探分公司，四川 成都610041）基金项目：中国石油化工股份有限公司科技项目“涪陵地区侏罗系陆相页岩油气勘探评价技术”（P190225）、“四川盆地陆相页岩油气甜点地震预测技术研究”（P22159）Characteristics of lithofacies combinations and its influence on shale gas-bearing property:a case study of the Lianggaoshan Formation in Fuling areaLIU Miaomiao,FU Xiaoping,NI Kai(SINOPEC Exploration Company,Chengdu 610041,China)Abstract:Continentalshalereservoirshasstrongheterogeneity.InordertofindouttheinfluenceofdifferentlithofaciescombinationsofLianggaoshanFormationinFulingareaonshalegas-bearingproperty,thelithofaciesevaluationiscarriedoutbasedontheanalysisandtestdataofcorephotograph,ordinarythinsection,X-raydiffractionandorganicmatterabundance.Theporestructureandgas-bearingpropertyofsix lithofacies combinations are analyzed by means of scanning electron microscope,isothermal adsorption experiment and in-situ gascontent test.The research shows that six kinds of lithofacies such as high carbon laminated mudstone with siltstone,medium carbonlaminatedbedded mudstone with siltstone,medium carbon bedded mudstone with siltstone,carbon-bearing massive mudstone withsiltstone,medium-lowcarbonbeddedmudstone withsiltstone interbedded,lowcarbonbedded siltstone with mudston are developed.Theporosity and pore size distribution of different lithofacies are mainly influenced by bedding fractures and organic matter abundance,thespecific surface area is affected by clay mineral composition,organic matter abundance and micro-fracture.The high carbon laminatedmudstonewithsiltstoneisthefavorablelithofaciescombinationinFulingarea,anditiswidelydistributedinthestudyarea.Theresultscanprovidethebasisforenrichmentpredictionandpointoutthedirectionforoilandgasexploration of Lianggaoshan FormationinFulingarea.Key words:lithofacies combination;gas-bearing property;shale oil and gas;Lianggaoshan Formation;Fuling area断块油气田FAULT-BLOCK OIL GAS FIELDdoi:10.6056/dkyqt2023010012023年1月断块油气田2023年1月岩油气勘探的主要目的层之一，前人对其沉积环境、基础地质条件等进行了研究，但是对这套页岩层段的岩相组合类型、岩相差异及不同岩相组合特征等方面的研究较少913。陆相页岩非均质性强，岩相差异较大，岩相组合类型多样14。为了查明不同岩相组合特征，为后期页岩油气勘探开发提供地质依据，笔者以TY1井岩心精细描述为基础，综合利用有机质丰度、X衍射、孔隙度（GRI测定法）、等温吸附及现场含气量测试等多种技术手段，对TY1井小层不同岩相组合进行对比分析，明确了研究区优势岩相组合类型，为陆相页岩油气勘探甜点优选提供理论支撑1516。1地质背景受印支运动的影响，晚三叠世侏罗纪四川盆地演化为北陡南缓的不对称大型宽缓湖盆，沉积地层自下而上发育了上三叠统须家河组，侏罗系自流井组、凉高山组、下沙溪庙组、上沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组等陆相地层。其中，凉高山组沉积时期为大型内陆水系的淡水坳陷湖盆1718。湖盆中心基本位于涪陵一带，自中心向周边依次为半深湖区、浅湖区、滨湖区、三角洲前缘区，其沉积物以碎屑岩为主，偶见介壳灰岩发育（见图1）。凉高山组底与自流井组大安寨段为连续沉积，凉高山组顶与下沙溪庙组之间以暴露侵蚀冲刷面分割。凉高山组可划分为3段8小层，凉高山组一段（小层）下部以氧化色泥岩为主，中上部主要发育灰色泥岩夹砂岩；凉高山组二段（小层）下部以深灰色泥岩为主，中上部为灰色泥岩与砂岩互层；凉高山组三段（小层）主要发育砂岩，局部夹泥岩。凉高山组沉积期经历了一次完整的湖侵和湖退过程，储层发育明显受沉积微相的控制1920。在凉高山组中部（小层）发育浅湖半深湖相富有机质泥页岩，为研究区陆相页岩油气富集提供了有利的物质基础。2岩相组合划分及特征泥页岩的有机质丰度是评价页岩油气勘探潜力的重要依据。为了综合反映不同岩相组合的沉积环境和产气能力，本文采用“岩石组分沉积构造有机质”三因素划分方法。岩石组分主要是依据岩心薄片、三端元投影进行两级岩石命名。对于沉积组构，根据岩心观察及成像测井结果，按照泥岩单层厚度划分为纹层（0.11.0 cm）、层状（1.0100.0 cm）及块状（大于100.0cm）。总有机碳质量分数（TOC）分级按照东部盆地总有机碳质量分数分级标准2122，结合本区实际情况，将TOC0.5%划为含碳，TOC介于0.5%1.0%为低碳，TOC介于1.0%1.5%为中碳，TOC1.5%为高碳。图1研究区位置及TY1井地层综合柱状图Fig.1Location of study area and comprehensive stratigraphic column map of well TY1a研究区位置bTY1井地层综合柱状图2第30卷第1期基于此，在TY1井小层识别出高碳纹层状黏土质页岩、中高碳纹层状混合质页岩、中碳层状混合质页岩、中碳层状黏土质页岩、含碳块状混合质泥岩、中低碳层状细砂岩、中低碳层状粉砂岩、中低碳层状泥质粉砂岩、中低碳层状灰质粉砂岩、低碳层状灰质细砂岩、中低碳层状生屑灰岩11种主要岩相类型。依据夹层类型、厚度等差异，可识别出6种岩相组合类型（见图2）。图2TY1井岩相组合划分Fig.2Lithofacies combination division of well TY11）高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合（A岩相组合）。该组合大部分样品TOC1.5%，主要发育纹层状黏土质页岩、纹层状混合质泥岩夹27层不等厚薄层粉砂岩（见图3a，3g）。岩心中可见少量植物碎屑及黄铁矿条带，页理较发育。纹层形态呈平直状或脉状，存在明暗2种纹层。2）中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩岩相组合（B岩相组合）。该组合TOC在1.2%1.5%，主要发育纹层状黏土质页岩、层状混合质页岩夹7层不等厚薄层粉砂岩（见图3b，3h）。断面见少量碳质，常见水平层理、交错层理。石英颗粒呈棱角次棱角状，页岩主要由隐晶状黏土矿物组成，少许有机质呈块状零星分布于黏土间。该组合沉积水体相对A岩相组合具有降低趋势。3）中碳层状页岩夹粉砂岩岩相组合（C岩相组合）。该组合TOC在1.1%1.5%，主要发育层状混合质页岩、层状黏土质页岩夹28层中薄层状粉砂质泥岩（见图3c，3i），含少量炭化植物，常见水平层理、交错层理。泥岩质地不纯，有机质呈斑点状、短细条状分布于黏土间，泥页岩主要为高频互层型，连续厚度较小。4）含碳块状泥岩夹粉砂岩岩相组合（D岩相组合）。该组合TOC0.5%，主要发育灰色、灰绿色、紫红色等氧化色块状泥岩夹层状泥质粉砂岩（见图3d，3j）。整体为块状构造，发育波状层理。岩心质地不纯，含粉砂质，以泥质结构为主，由隐晶状黏土矿物及粉砂碎屑组成。粉砂碎屑以石英为主（可见泥质胶结、接触式胶结），分布不均匀，少量断面可见介壳。5）中低碳层状泥岩与粉砂岩互层岩相组合（E岩相组合）。该组合TOC在0.5%1.0%，主要发育层状泥质粉砂岩夹4层层状泥岩、粉砂质泥岩（见图3e，3k），厚度18120 cm。岩心中可见高等植物碎屑，发育交错层理和水平层理。6）低碳层状粉砂岩夹泥岩岩相组合（F岩相组合）。该组合TOC在0.5%1.0%，整体为深灰色泥岩与灰色粉砂岩不等厚互层（见图3f，3l）。岩石中常见砂泥交互沉积，形成透镜状层理、平行层理和交错层理，少量有机质呈填隙状分布于黏土间。a灰黑色纹层状黏土质页岩，粉砂纹层厚度小于1 mm，2 545.79 m；b深灰色中碳纹层状黏土质页岩,粉砂纹层发育较少，2 537.37 m；c深灰色中碳层状混合质页岩，粉砂纹层厚度多大于1 mm，2 571.60 m；d紫红色含碳块状泥岩，结构致密，纹层不发育，2 613.57 m；e灰色中低碳层状粉砂岩，结构致密，可见泥质条带及层理缝，2 534.04 m；f灰色低碳层状粉砂岩，可见交错层理，2 599.02 m；g黏土质页岩，厚度小于1 mm的粉砂纹层发育，2 551.00 m，（-）；h黏土质页岩，粉砂纹层厚度大于1 mm，2 536.50 m，（-）；i混合质页岩，分层性一般，粉砂纹层厚度大于1 mm，2 586.88 m，（-）；j块状泥岩，质地均匀，无明显分层，2 613.30 m，（+）；k粉砂岩，2 524.36 m（-）；l粉砂岩，可见水下砂体楔入，2 563.96 m，（-）图3不同岩相岩心及镜下表征Fig.3Cores characteristics and microscopic characterization in different lithofacies刘苗苗，等.岩相组合特征及其对页岩含气性的影响：以涪陵地区凉高山组为例3断块油气田2023年1月3不同岩相组合含气性评价3.1孔隙结构特征凉高山组孔隙类型多样，主要包括晶间孔、粒间孔、黏土矿物收缩缝、有机质孔、溶蚀缝及微裂缝等，其中孔径小于2 nm为微孔，250 nm为介孔，大于50 nm为宏孔。不同岩相组合的孔隙结构具有差异性，孔径分布不同（见图4）。由图4可知：高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合中宏孔占比平均为50.74%，呈双峰分布（见图4a）；中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩岩相组合中介孔占比最高，平均为68.00%，微孔占比较高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合更高，宏孔占比偏低（见图4b）；中碳层状页岩夹粉砂岩岩相组合中介孔占比为59.14%（见图4c），介于前两者之间，宏孔占比优于中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩；含碳块状泥岩夹粉砂岩、中低碳层状泥岩与粉砂岩互层、低碳层状粉砂岩夹泥岩岩相组合的孔径分布相似，均以介孔为主（见图4d4f）。孔径分布总体呈现高介孔、低微孔特征，相较于海相页岩孔隙，宏孔增加22。高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合的宏孔最发育，相比其他岩相组合，纹层的各向异性及纹层面的尖端效应使得其容易发生顺层破裂23。这种纹层结构有利于孔隙沟通，使得粒间孔、黏土矿物收缩缝、有机质孔与其他孔缝相连通，构成复杂的孔隙裂缝网络体系。图4不同岩相组合的孔径分布Fig.4Pore size distribution of different lithofacies combinationa高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合b中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩岩相组合c中碳层状页岩夹粉砂岩岩相组合d含碳块状泥岩夹粉砂岩岩相组合e中低碳层状泥岩与粉砂岩互层岩相组合f低碳层状粉砂岩夹泥岩岩相组合4第30卷第1期a高碳纹层状页岩夹粉砂岩，沿层理面微裂缝发育，2 551.36 m；b中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩，沿层理面微裂缝较发育，2 538.46 m；c中碳层状页岩夹粉砂岩，沿层理面微裂缝发育，2 575.25 m；d含碳块状泥岩夹粉砂岩，微裂缝交错发育，2 607.90 m；e中低碳层状粉砂岩与泥岩互层，微裂缝相对不发育，2 525.47 m；f低碳层状粉砂岩夹泥岩，少量平行于层理面的微裂缝发育，2 583.03 m图5不同岩相组合的微裂缝发育Fig.5Microfractures development of different lithofacies combination岩相组合孔隙度/%渗透率/10-3m2伊/蒙混层质量分数/%绿泥石质量分数/%比表面积/（m2g-1）孔体积/（cm3g-1）A3.480.121 037.4017.420.8540.004 55B2.9000.120 232.00021.007.0260.011 76C3.4000.111 0035.0419.042.3050.006 54D1.050.049 936.5022.5007.5790.012 44E2.090.024 636.8316.633.4270.007 09F1.580.005 627.7521.5003.1120.006 26等温吸附实验测得凉高山组小层比表面积为0.5317.579 m2/g，平均为2.756 m2/g，孔体积为0.003 410.012 44 cm3/g，平均为0.006 59 cm3/g；其比表面积低于五峰组龙马溪组泥页岩，高于三叠系长7段页岩2425。不同岩相组合的比表面积、孔体积有较大的差异性。高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合的比表面积及孔体积低于其他岩相组合，主要是由于该岩相组合以宏孔为主，孔隙结构相对其他岩相组合有差异性；而该岩相组合孔隙类型以黏土矿物孔、有机质孔为主，陆相页岩孔隙类型以无机孔为主，且低成熟度干酪根纳米孔显示出较低的比表面积26。因此，样品的比表面积与有机质丰度、孔隙度呈负相关。一般认为，蒙皂石、伊/蒙混层、绿泥石、高岭石、伊利石比表面积分别为76.4，30.8，15.3，11.7，7.1 m2/g27。本次样品中，绿泥石质量分数相对高的岩相组合，比表面积与孔体积相对高；绿泥石质量分数相对低的岩相组合，比表面积与孔体积有较大差异（见表1）。这是由于高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合中的较大孔径会导致比表面积与孔体积降低。总的来看，孔隙度与孔径分布主要受层理缝、有机质丰度的影响，孔体积与比表面积则受黏土矿物成分、有机质丰度及微裂缝的共同影响。3.2裂缝发育特征裂缝、微裂缝是泥页岩重要的储集空间2829。岩心观察显示：高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合的裂缝、高角度裂缝、层理缝均最为发育，裂缝被他形半自形方解石半充填，裂缝处见少量黑色沥青质；中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩、中碳层状页岩夹粉砂岩、中低碳层状泥岩与粉砂岩互层岩相组合的裂缝发育次之。氩离子扫描电镜显示，高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合的微裂缝发育程度优于层状及块状泥岩岩相组合，主要是因为纹层状泥岩中的层理缝更为发育，微裂缝常与孔隙沟通，发育于脆性矿物内部以及颗粒边缘，多呈不连续波浪线状和平直状，部分样品可见少量沥青充填（见图5）。含碳块状泥岩夹粉砂岩岩相组合的微裂缝形态与纹层、层状岩相组合有差异，多为交错分布。表1凉高山组不同岩相组合孔隙结构参数Table 1Pore structure parameters of different lithofacies combination in Lianggaoshan Formation刘苗苗，等.岩相组合特征及其对页岩含气性的影响：以涪陵地区凉高山组为例5断块油气田2023年1月由此可见，相对于其他岩相组合，高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合具有更好的储集性能，宏观上油气可通过高角度缝、层理缝等进行纵向运移，微观上可在泥岩内部发生侧向运移而形成相对富集区。对于基质型页岩油气，也可以形成原地滞留富集。3.3含气性分析含气量主要由损失气量、解析气量和残余气量计算30。TY1井小层63个样品的含气量为0.165.34 m3/t，平均为0.90 m3/t，表现为中等含气丰度。与海相页岩油气不同，纵向上陆相页岩油气不存在明显的规律性31，更多表现为不同岩相组合含气量丰度差别较大。A岩相组合含气量最高，可达1.99 m3/t；次为C岩相组合，含气量为0.97 m3/t（见图6a）。为了明确不同岩相的含气量，本文采用质量平衡法开展等温吸附实验。TY1井不同岩相组合等温吸附曲线见图6b。由图可知：A岩相组合的甲烷吸附量大于其他岩相，而B岩相组合的甲烷吸附量介于其他岩相组合的平均值之间。这说明高有机质丰度与甲烷吸附量具有一定的正相关性，有机质为甲烷分子提供更多的吸附位点32，TOC越高，有机质中的孔隙越发育。但影响最大甲烷吸附量的不仅有TOC，还要考虑矿物成分和孔径的影响，宏孔占比越高，甲烷吸附量越大。图6TY1井不同岩相组合含气量直方图及等温吸附曲线Fig.6Gas content histogram and isotherm adsorption curve of differentlithofacies in well TY1有机质丰度是评价勘探潜力的重要依据，当有机质含量较高时，储集空间类型和孔隙结构是影响页岩油气产能的重要因素，夹层的存在增加了可压裂性。这些参数共同构成了页岩油气富集评价体系，控制着页岩油气产量。结合不同岩相组合的孔隙结构特征、裂缝发育特征及页岩含气性分析认为，高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合是研究区优势岩相组合，为陆相页岩油气的主要勘探开发目标。4优势岩相组合展布从平面上看，涪陵地区凉高山组小层以湖相沉积为主，高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合在涪陵地区广泛分布（见图7），主要分布于研究区中部，自中心向南、北依次递变为中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩、中碳层状页岩夹粉砂岩、中低碳层状泥岩与粉砂岩互层、低碳层状粉砂岩夹泥岩岩相组合。总体上看，涪陵地区凉高山组二段沉积早期的水体较深，沉降中心位于涪陵中南部区域，具有良好的勘探潜力。图7涪陵地区凉高山组小层优势岩相组合展布Fig.7Distribution of the dominant lithofacies combination of the 4-layer ofLianggaoshan Formation in Fuling area5结论1）陆相页岩非均质性强，在凉高山组小层识别出11种主要岩相类型，以及高碳纹层状页岩夹粉砂岩、中碳纹层状层状页岩夹粉砂岩、中碳层状页岩夹粉砂岩、含碳块状泥岩夹粉砂岩、中低碳层状泥岩与a含气量直方图b等温吸附曲线6第30卷第1期粉砂岩互层、低碳层状粉砂岩夹泥岩6种岩相组合。2）高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合具有较大的孔隙度与相对高的宏孔占比。不同岩相组合的孔隙度及孔径分布主要受层理缝、有机质丰度的影响，孔体积、比表面积则受黏土矿物成分、有机质丰度及微裂缝的共同影响。3）综合页岩的储集性能、含气性等，对不同岩相组合开展了陆相页岩油气评价。高碳纹层状页岩夹粉砂岩岩相组合是研究区优势岩相组合，广泛分布于涪陵地区，为陆相页岩油气的主要勘探开发目标。研究成果可为页岩油气富集预测及下步勘探提供理论指导。参考文献1杜金虎，胡素云，庞正炼，等.中国陆相页岩油类型、潜力及前景J.中国石油勘探，2019，24（5）：560568.DU Jinhu，HU Suyun，PANG Zhenglian，et al.The types，potentialsand prospects of continental 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