黔北复杂构造区页岩储层特征及吸附能力演化.pdf

2023年8 月第43卷增刊第1期四川地质学报Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023黔北复杂构造区页岩储层特征及吸附能力演化王东强12 3，胡文懿1-2.4，李俊武 1.3（1.页岩气评价与开采四川省重点实验室，成都6 10 0 91；2.自然资源部复杂构造区页岩气勘探开发工程技术创新中心，成都6 10 0 91；3.四川省科源工程技术测试中心有限责任公司，成都6 10 0 91；4.四川省能源地质调查研究所，成都6 10 0 91）摘要：近年，四川盆地周缘复杂构造区已成为我国页岩气勘探开发的重要目标，本文以黔北牛蹄塘组富有机质页岩为研究对象，系统研究了储层特征和吸附能力演化。结果显示，黔北牛蹄塘组页岩TOC含量介于0.38%9.6 2%，成熟度介于3.6 6%3.7 5%，干酪根以I类腐泥型为主；物质组成以石英、长石、方解石、黄铁矿和黏土矿物为主。牛蹄塘组页岩的“过剩”吸附量随着压力的增大迅速增加，但随着压力的进一步增大，吸附量的增加速率减小。拟合的Langmuir体积（G）在3.18 3.7 9cm/g之间变化，而R值介于1.8 3 2.8 5MPa。关键词：黔北；复杂构造区；牛蹄塘组；储层；吸附能力中图分类号：P588.22DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.S1.006页岩油气是一种自生自储的非常规油气资源（Chalmers etal.，2 0 12；党伟等，2 0 2 2），其赋存和富集通常与构造条件密切相关，多数高产页岩油气田都集中在构造相对稳定的地区（郭旭升等，2 0 17）。随着勘探开发不断深入，我国陆续在南方长宁-威远和昭通等区块的下奥陶统五峰组-上志留统龙马溪组富有机质页岩中发现了商业性气流，这些都进一步证实我国具有丰富的页岩气资源（Zouetal.，2 0 15；H e e t a l.，2020；赵迪斐等，2 0 2 0；郭彤楼等，2 0 2 2）。页岩气通常是以吸附态、游离态以及少量溶解态赋存于页岩储层中，且其赋存状态受到诸多因素的影响，既包括外部的温压条件，又包括内部的物质组成、孔隙结构等（Ross和Bustin,2009;Fakher和Imqam,2020;Shang et al.,2020a)。厚度/m除了上述影响因素以外，研45km究者们还发现构造作用也可以显著改造页岩储层的孔隙结构，从而影响页岩气的赋存状态（李恒超等,2 0 15;Shang et al.,2020b;Sun et al.,2020)。例如，宜文教授团队借鉴构造煤的研究思路对复杂构造区页岩储层孔隙开展了系统的研究，发现脆性变形可以导致总孔体积小幅度增加，而比表面积并没有明显增加；韧性变形可以导致页岩样品总孔体积减少，而比表面积小幅度增加(Zhu et al.,2018;Ju et al.,2018）。事实上，构造作用对于孔隙结构的改造必然会导致页岩气赋存状态的变化，但目前关于构造作用对于页岩气赋存状态的影响机制还比较微弱。黔北地区地处扬子地块与江南造山带的过渡区，经历了多期次构造改造，发育有不同组合类型的构造形迹，产出有各类褶皱、断裂和韧性剪切带（戴传固等，2 0 13；Lietal.，2 0 18）。事实上，尽管黔北地区构造条件较为复杂，研究者们近年还是在黔北正安地区的下志留统富有机质页岩中发现了较高的含气文献标识码：A开阳-图1黔北构造纲要图及寒武系地层综合柱状图（易同生等，2 0 14;Liuetal.,2018）文章编号：10 0 6-0 995（2 0 2 3）S1-0027-06群组柱状图数山关群700-1200中上统正安安阳地层系统高台石冷水组精虚洞江口石叶县城Q B-1#省界回研究区断层背鲜国向斜235-380171-276金顶山组106-210明心专组492-780牛编塘组70-105目标地层收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3作者简介：王东强（198 5一），男，河南洛阳人，硕士，工程师，目前从事煤层气勘探研究、非常规天然气地质实验工作27黔北复杂构造区页岩储层特征及吸附能力演化量（翟刚毅等，2 0 17），但该地区的下寒武统牛蹄塘组页岩却尚未取得实质性的突破。因此，本次研究以黔北复杂构造区下寒武统牛蹄塘组页岩为研究对象，系统开展了储层表征和等温吸附实验，并分析了牛蹄塘组吸附能力的影响因素；并结合研究区构造演化史，进一步分析了页岩气含气量的动态演化过程本次研究成果将为后续复杂构造区页岩气的勘探开发提供理论基础。1地质背景研究区位于贵州省东北部，在构造上隶属于上扬子地台东南部（图1），是以前震旦系为基底的准克拉通地块，北邻四川盆地，南接江南造山带（付勇等，2 0 2 1；聂海宽等，2 0 12）。区内主要发育震旦系、寒武系、奥陶系、下志留统、二叠系及三叠系，缺失中上志留统、泥盆系、石炭系、侏罗系、白垩系及部分新生界地层，震旦系灯影组与寒武系牛蹄塘组在该区无出露，均掩埋于地腹。在寒武纪早期，贵州省古地理格局在晚震且世格局的基础上进一步发展，全省发生快速海侵，形成了自西向东依次由浅水陆棚相向盆地相过渡的古地理格局（戴传固等，2 0 13；Li etal.，2 0 18）。牛蹄塘组沉积时期，研究区由深水陆棚环境向浅水陆棚环境过渡，牛蹄塘组岩性也由黑色炭质页岩向灰黑-深灰绿色炭质页岩过渡（图1）。研究区牛蹄塘组全区发育，整体埋深介于10 0 0 350 0 m（易同生等，2 0 14；张大权等，2 0 2 2），选取探井QB-1井牛蹄塘组页岩层段为主要研究对象,其中牛蹄塘组下部主要为灰黑色泥岩与灰黑色页岩不等厚互层，夹深灰色硅质页岩，上部主要为灰黑色、深灰色泥岩夹灰色泥质粉砂岩2实验测试QB-1井位于贵州省东北部，为牛蹄塘组页岩气调查井。本次研究选取不同埋深（2 512 2 550 m）的20块样品，系统开展了有机岩石学、储层物质组成以及等温吸附实验。TOC测试采用CS-230碳硫分析仪；由于下寒武统页岩缺少镜质体，因此选择固体沥青反射率来计算等效镜质体反射率R，计算公式为R=（R+0.2 443）/1.0 49 5（Sc h o e n h e r r e ta l.,2 0 0 7）；全岩有机显微组分识别使用的仪器为LeicaDM4500型显微镜；储层物质组成测试使用的仪器为D/Max-3BX-raydiffraction；扫描电镜观察使用的仪器为配备有能谱仪的Sigma300场发射扫描电子显微镜。等温吸附实验采用装备有磁悬浮天平的重量法实验装置进行。2512-251425152518251925222523J25262527J()2530-25312534253725382541254225442547254825500图2 黔北牛蹄塘组富有机质页岩TOC垂向变化25122514251525182519252225232526252725302531253425372538254125422544254725482550024TOC(%)黏土黄铁矿菱铁矿白云石方解石斜长石钾长石石英2040686010石英(%)图3黔北牛蹄塘组富有机质页岩矿物组成垂向变化80100282023年8 月第43卷增刊第1期3页岩储层基本特征与吸附能力3.1页岩储层物质组成黔北牛蹄塘组页岩具有相对较高的有机质丰度，T0C介于0.38%9.6 2%，平均值为5.36%，是富含有机质的页岩储层。垂向而言，牛蹄塘组上部TOC含量相对较低，中下部TOC 含量相对较高。黔北寒武系牛蹄塘组页岩等效镜质体反射率R介于3.6 6%3.7 5%,均处于过成熟生干气阶段。此外，牛蹄塘组页岩有机质干酪根类型属于I类腐泥型，主要来源于藻类与低等浮游生物。黔北牛蹄塘组页岩主要由石英、黏土、钾长石、斜长石、方解石、白云石以及黄铁矿组成（图3）。其中，石英和黏土矿物是最主要的造岩矿物，石英含量介于35.7 7%92.46%，平均值为61.36%；黏土含量介于0%2 9.97%，平均值为7.97%。此外，斜长石和黄铁矿也是牛蹄塘组的重要组成部分，斜长石含量介于0 2 3.6 7%，平均值为12.53%；黏土含量介于0.96%2 3.7 4%，平均值为7.2 2%。通过垂向对比可以发现，石英的含量大体随着埋深的增大而增加，而黏土矿物的含量则是随着埋深的增大而减少（图3）。3.2页岩储层孔隙结构黔北牛蹄塘组页岩微孔体积介于1.7 4 1.90 cm/g，平均值为1.8 3cml/g；介孔体积介于9.42 30.2 0cm/g，平均值为18.2 7 cm/g。此外，黔北牛蹄塘组页岩微孔比表面积介于12.15 2 3.50 m/g，平均值为19.07cmg；介孔比表面积介于10.98 2 1.33cm/g，平均值为17.2 8 cm/g（表1）。3.3页岩吸附特征图4为黔北牛蹄塘组富有机质页岩在30 条件下实验测得及Langmuir拟合甲烷过剩吸附等温线。在低压阶段，全部样品的“过剩”吸附量都是随着压力的增大迅速增加；而在高压阶段，“过剩”吸附量则是随着压力的增大缓慢增加（图4）。此外，利用最小二乘法将过剩吸附数据拟合，从而获得不同样品的Langmuir体积（G）和压力（R）。基于Langmuir模型拟合的G在3.183.79cm/g之间变化，而R值范围为1.8 3 2.8 5MPa。4页页岩吸附能力影响因素分析（1）物质组成及孔隙结构的影响四川地质学报3.5a3QB-6TOC=3.80%2.5(/,)21.510.5二03.5C3QB-12TOC=5.38%2.510.50+03.51e3QB-18:TOC=6.92%2.5-(/.a):201.510.5十0样品编号TOCQB-63.80%QB-96.83%QB-125.38%QB-165.81%QB-186.92%Vol.43Suppl.No.1Aug.,20233.5bQB-9TOC-6.83%2.5(/m)鲁21.5-10.520-46压力(Mpa)24压力(Mpa)24压力(Mpa)图4黔北牛蹄塘组富有机质页岩甲烷过剩吸附等温线表1黔北牛蹄塘组页岩孔隙结构参数微孔体积介孔体积微孔比表面积介孔比表面积(cm/kg)(cm/kg)1.889.421.7413.441.7823.81.9030.201.8614.518681068101012121203.5d3QB-16TOC=5.81%2.5(/u)21.50.50022(m/g)12.1522.2017.6619.8823.504压力(Mpa)46压力(Mpa)688(m/g)13.9010.9819.9820.2421.332910101212黔北复杂构造区页岩储层特征及吸附能力演化物质组成被认为是影响吸附能力的关键因素（Ross和Bustin，2 0 0 9；兆栋等，2 0 18）。前人多发现TOC含量与吸附能力之间通常具有显著的正相关关系，并认为这种正相关关系与有机质微孔的发育程度密切相关（Curtisetal.,2012；赵玉集等，2 0 14）。本次研究发现，TOC含量与吸附能力之间的关系并不显著（图5a），这其实与牛蹄塘组有机质孔并不发育密切相关（图6；Sunetal.，2 0 2 0）。事实上，牛蹄塘组页岩有机质孔不发育主要与以下两个原因密切相关：强烈的构造挤压会导致大量有机质孔变形，甚至闭合（Shang etal.，2 0 2 0 a；W a n g e t a l.，2 0 2 0）；过高的热演化程度也会导致有机质微石墨化，由于有机质分子结构有序性显著增强，从而导致有机质孔大量减少（Chen和Xiao,2014）。众多学者研究成果表明，页岩中含量相对较高的石英和黏土矿物也是影响吸附能力的重要因素（Ross和Bustin,2009；W e i e t a l.，2 0 19）。本次研究发现，石英含量与吸附能力具有一定的正相关关系（图5b）。前人研究表明，石英并不能直接影响吸附能力，因为其自身并不发育太多的孔隙，但可以形成脆性骨架，从而保护周围的孔隙（Loucks etal.,2012）。另外，黏土矿物与吸附能力之间也不存在很显著的相关性（图5c），这主要是因为黏土矿物相关的孔隙通常规模较大，并不能提供大量的比表面积。此外，由于黏土矿物属于韧性矿物，其相关的孔隙孔隙很多容易受到构造作用的改造，进一步促成了这种不显著的相关性。3.8a3.73.6-3.53.23.1+3.544.555.566.57TOC(%)图5黑黔北牛蹄塘组富有机质页岩物质组成与Langmuir体积相关性图3.8b3.73.43.23.1+304050 60708090100石英（%)3.8C3.73.63.53.43.23.1+0123456黏土(%)7有机质孔不发育10um图6 黔北牛蹄塘组富有机质页岩孔隙发育特征（2）外部温压条件对于吸附能力的影响除了牛蹄塘组富有机质页岩的物质组成以外，外部的温压条件也是影响吸附能力的重要因素（赵玉集等，2 0 14；王强等，2 0 2 2）。本次研究发现，牛蹄塘组富有机质页岩的吸附能力随着压力的增大而增加，但增加的速率存在显著差异，具体表现为，在低压阶段，吸附量随着压力的增加迅速增大，而在高压阶段，吸附量则随着压力的增加缓慢增大（图4）。除了压力对吸附能力的影响外，温度也是影响吸附能力的重要因素，并且是不利于页岩气的吸附（Shang et al.，2 0 2 0 a）。事实上，这主要是因为温度的升高会增加甲烷分子势能以挣脱范德华力的束缚，从而导致吸附态甲烷脱附转化为游离态（Fakher和Imqam，2 0 2 0）。另外，前人研究还发现温度也可以显著地影响Langmuir压力，具体表现为，随着温度升高，R不断增大，3010um2023年8 月第43卷增刊第1期指示着高温条件下甲烷与页岩表面亲和力降低，吸附饱和所需压力较大（Fengetal.，2 0 2 0）。事实上，这些都意味着在实际的地质条件下，温压条件均会对吸附能力产生显著地影响，在埋深较浅的阶段，压力对于吸附能力的影响更加显著，而到了埋深较大的阶段，温度对于吸附能力的影响更加显著（Wei et al.2019)。（3）黔北复杂构造区牛蹄塘组页岩吸附能力动态演化前文主要分析了黔北复杂构造区牛蹄塘组页岩吸附能力特征及影响因素，下面将进一步结合黔北构造演化史分析牛蹄塘组储层及吸附能力动态演化（图7）。在加里东初期，牛蹄塘组页岩开始下降，这一时期的页岩气以少量生物成因气为主，这些少量的生物气主要吸附在有机质和粘土矿物颗粒表面。随着埋深的进一步加大，有机质开始大规模生烃，生成了大量的页岩气，也形成了大量的有机质孔，同时在蒙脱石向伊利石转化和有机酸以及地层中的酸性流体的溶蚀作用也形成了大量的孔隙，储层压力和温度均出现了增大，并且温度的负效应逐渐增强，这会导致牛蹄塘组页岩吸附能力在深部出现减小。在海西期初期，牛蹄塘组开始抬升，生烃作用停止，页岩气以最大埋深处的气量开始调整，特别是温度的负效应在减弱，吸附气含量也在增大。在海西期末期，牛蹄塘组开始了再次埋藏，吸附能力也相应的出现了增大，随着持续的埋深，高温的负效应再次增强，导致吸附能力再次减弱。燕山中后期，牛蹄塘组再次开始抬升，生烃作用再次停止，温度的负效应逐渐减弱，吸附气含量开始增加。需要说明的是，在埋藏-抬升的过程控制了页岩气的赋存状态，而保存条件则直接决定了页岩气的富集成藏。近年，研究者们也指出，黔北牛蹄塘组页岩气组分以氮气和甲烷为主，并认为循环型地热系统是造成页岩气富含氮气的主因，因此黔北地区牛蹄塘组勘探开发的过程中应注意大断层和循环型地热系统的分布、富有机质页岩层底板岩性及封闭条件（夏鹏等，2 0 18；张大权等，2 0 2 2）。5结论四川地质学报20(C)40(C)100060(C)801C2000100(C120C3000140(C)4000160(C)180(C)50006000十700图7 黔北牛蹄塘组富有机质页岩埋藏-抬升史（贵州地质调查院资料）Vol.43Suppl.No.1Aug.,2023胡梓一红花园组娄新清盛润组金一明灯影组牛蹄培组100120(C)140(c）180(C600500400Age(my)30020010010（1）黔北牛蹄塘组页岩有机质丰度和等效镜质体反射率均较高，且干酪根类型属于极具生烃潜力的I类腐泥型，具备形成页岩气的良好基础。（2）黔北牛蹄塘组页岩主要由石英、长石、方解石、黏土等矿物组成，具有较强的硬度，有利于后期的压裂开发。（3）黔北牛蹄塘组页岩吸附能力与TOC和黏土含量之间的关系并不显著，而与石英含量具有一定的正相关关系。此外，吸附量随着压力的增加而增大，在低压阶段，吸附量迅速增加；在高压阶段，吸附量则是缓慢增加。参考文献：Chalmers Gareth R.,Bustin R.Marc,Power Ian M.2012.Characterization of gas shale pore systems by porosimetry,pycnometry,surface area,and field emission scanning electron microscopy/transmission electron microscopy image analyses:Examples from the Barnett,Woodford,Haynesville,Marcellus,and Doig unitsJJ.AAPG bulletin,96(6):1099-1119.党伟，张金川，聂海宽，等.2 0 2 2 页岩油微观赋存特征及其主控因素一一以鄂尔多斯盆地延安地区延长组7 段3亚段陆相页岩为例J石油学报，43(0 4):50 7-52 3.郭旭升，胡东风，李宇平，等，2 0 17.陵页岩气田富集高产主控地质因素J.石油勘探与开发，44(0 4):48 1-491.31黔北复杂构造区页岩储层特征及吸附能力演化zoU Caineng,YANG Zhi,DAI Jingxing,et al.2015.The characteristics and significance of conventional and unconventional Sinian-Siluriangas systems in the 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