秭歸盆地及周緣龍馬溪組頁巖礦物組成與脆性分析

吳先文,吳 翔,廖文魁,周 碩,陳葛成

(湖北煤炭地質勘查院,湖北 武漢 430021)

秭歸盆地及周緣龍馬溪組頁巖礦物組成與脆性分析

吳先文,吳 翔,廖文魁,周 碩,陳葛成

(湖北煤炭地質勘查院,湖北 武漢 430021)

為研究秭歸盆地及周緣泥頁巖的礦物組成和頁巖氣儲集層物性,對地表4條剖面及ZD1、ZD2、BD2 共3口鉆井龍馬溪組頁巖樣品進行了有機地化、礦物組成實驗測試。實驗結果表明,秭歸地區龍馬溪組頁巖具有有機質豐度高、熱演化程度高、頁巖氣聚集條件較好的特點;脆性礦物含量較高,深度在4 000 m以淺,利于壓裂造縫,頁巖氣勘探前景較好。與國內外成功開發頁巖氣地區頁巖相比,具有一定的相似性,具備頁巖氣成藏的良好地質條件。

龍馬溪組;泥頁巖;礦物組成;脆性;秭歸盆地

近幾年來,湖北省頁巖氣勘探開發工作已步入快速發展的軌道,共實施各類探井25口,完鉆21口,并在5個區塊針對龍馬溪組實施的5口探井中探獲頁巖氣。其中,華電集團湖北省頁巖氣開發有限公司在來鳳縣實施的來地1井,平均含氣量1.72 m3/t;中石油浙江油田分公司在遠安縣實施的荊101井、荊102井,平均含氣量分別為3 m3/t、3.4 m3/t;湖北省地質調查院在秭歸縣針對牛蹄塘組、陡山沱組實施的秭地1井,見明顯頁巖氣顯示且解吸氣成功點燃;中國地質調查局武漢地質調查中心在建始縣長梁鄉與重慶市巫山縣交界處WD1井500 m深處,成功鉆獲頁巖氣,含氣量達1.85 m3/t。勘查顯示,湖北省頁巖氣資源豐富,具有廣闊的開發和利用前景。

與中國頁巖氣勘探較為成功的四川盆地相比,秭歸盆地及周緣具有很多類似的特點,有必要在該區進行勘探,因此對龍馬溪組開展泥頁巖礦物成分與脆性分析,將為該目的層可壓裂性及后續勘探提供一定依據。

1 地質背景

秭歸盆地北接神農架隆起,東鄰黃陵隆起,南為恩施弧形褶皺帶(圖1)。大地構造位置屬于揚子準地臺(Ⅱ)中上揚子臺坪(Ⅱ1)鄂中褶斷區(Ⅱ12)秭歸臺褶束(Ⅱ12-2)。

圖1 研究區構造位置圖(據《湖北省區域地質志》,1987)Fig.1 Study area tectonic location map1.一級單元界線;2.二級單元界線;3.三級單元界線;4.四級單元界線;5.構造單元編號。

盆地及鄰區地層出露較齊全,從中太古代、元古代、古生代至中生代皆有不同程度的分布,其中中生代地層主要分布于秭歸盆地中部,為盆地的主要蓋層;上古生代地層遍布秭歸盆地四周,但主要出露于秭歸盆地西緣;下古生界及新元古界地層主要分布于秭歸盆地北側及東部。主要是以古生代海相碳酸鹽巖類、砂泥巖類地層為主,其次為中生代早期的海相碳酸鹽巖類、中期的陸相砂質巖類含煤沉積地層,中生代晚期的陸相紅色碎屑巖地層,以及新生代的松散沉積層。

本區龍馬溪組頁巖為主要頁巖氣勘查目的層之一,主要分布于盆地東部和北部地區。

2 樣品的采集與試驗

本次試驗所用樣品,來自秭歸盆地及周緣4條剖面露頭樣及3口鉆井巖芯樣(圖2),針對區內志留系龍馬溪組黑色泥頁巖地層,為了避免因地表風化而使有機碳含量降低,進行樣品采集時選擇新鮮的黑色泥頁巖或炭質泥頁巖。

圖2 采樣位置分布示意圖Fig.2 Sampling location distribution diagram

對所采集的樣品,按國家標準要求進行粉碎,并進行縮分,分成2份。其中1份進行有機地球化學試驗,主要包括TOC、Ro測定;另1份進行X衍射實驗。其試驗結果見表1。

3 試驗結果與分析

3.1 泥頁巖有機地化特征

3.1.1 泥頁巖有機碳含量(TOC)

通過本次試驗得知,志留系龍馬溪組含碳泥頁巖的有機地化特征如表1所示,分析結果表明:龍馬溪組有機質豐度在地表表現為中—較高,在剖面中23個樣品測得TOC在0.14%～6.10%之間,均值2.46%;其中>2%的有12個,平均值為3.72%;而1%～2%的有8個,平均值為1.39%;0.5%～1%的有1個;<1%僅2個,平均值為0.15%。在鉆井巖芯中取樣27個,其樣品測得TOC值在1.10%～5.51%之間,平均值為1.69%;其中>2%的有21個,平均值為3.18%;1%有6個,平均值為1.64%。鉆孔中樣品TOC值均>1%,且TOC值平均值高于地表,>2%的個數也多于地表,總的表現為TOC值井下樣品多高于地表,可能是地表樣品因風化炭質不同程度流失所致(表1,圖3)。與國外海相地層的TOC值相比,基本相當;與國內四川盆地海相頁巖層TOC值相比,有很大的相似性。

表1 龍馬溪組有機碳含量統計表Table 1 Organic carbon content statistical table of Longmaxi formation

圖3 龍馬溪組剖面及鉆井巖芯樣TOC含量分布頻率圖Fig.3 TOC content distribution frequency chart of sectional and drilling core sample of Longmaxi formation

3.1.2 泥頁巖熱演化程度(Ro)

研究區泥頁巖有機質熱演化程度普遍較高,由Ro實測結果顯示(表2),龍馬溪組Ro最小值1.33%,最大值達3.56%,分布范圍主要集中在2.56%～3.35%之間,平均值2.87%。Ro在1.3%～2%之間的樣品1個,占總數的10%;>2的樣品9個,占90%(圖4)。熱演化程度為過成熟階段。成巖演化處于成巖階段,烴類物質以干氣為主,少量為濕氣。

表2 龍馬溪組鏡質體反射率測試數據表Table 2 Vitrinite reflectance test data sheet of Longmaxi formation

圖4 龍馬溪組鏡質體反射率(Ro)分布頻率圖Fig.4 Vitrinite reflectance(Ro) distribution frequency diagram of Longmaxi formation

3.2 礦物組成特征

在研究區內,本次選取了BD2井龍馬溪組17個樣品以及ZD1、ZD2井龍馬溪組34個樣品,進行樣品全巖分析,分析試驗結果見表3。

表3 龍馬溪組礦物成分分類統計表Table 3 Mineral composition classification table of Longmaxi formation

3.2.1 碎屑礦物

通過對樣品進行粘土礦物及全巖X衍射定量分析,數據表明,其礦物以粘土礦物和石英為主,含少量長石及其他礦物(表3)。脆性礦物總體含量占4%～79%,其中石英是主要的貢獻者,其含量32%～79%,平均含量為53%,而長石含量相對較少,為4%～20%,平均13.98%。研究區龍馬溪組礦物成分總體表現為脆性礦物偏多,利于頁巖壓裂改造。

3.2.2 粘土礦物

研究區樣品中的粘土礦物含量為10%～39%,平均含量為28.7%。龍馬溪組礦物成分總體表現為粘土礦物正常,利于頁巖氣的吸附聚集。

3.2.3 碳酸鹽巖礦物

碳酸鹽巖礦物含量較低,僅個別樣品可見,主要由鈣芒硝和白云石組成,其含量主要為3%～9%,平均6.75%。

3.2.4 其他礦物

研究區頁巖樣品中檢測到菱鐵礦、黃鐵礦的存在,含量1%～8%,平均含量在2.84%,反映該區頁巖的沉積環境有較強的還原性,這樣的沉積環境對有機質的富集和保存是有利的,為頁巖氣藏的形成提供了良好的沉積條件。

3.3 脆性分析

通常頁巖所含礦物中的脆性礦物可直接影響頁巖可壓裂性。它的剛性性質控制著孔隙及裂隙的發育和頁巖含氣性。頁巖氣儲層評價中一個重要的參數就是脆性指數。按Jarive[6]和李鉅源[1]等提出的脆度計算公式,對本區的3口鉆井中龍馬溪組頁巖段的石英脆度計算,結果顯示:石英脆度為64%。與四川盆地焦石壩地區龍馬溪組頁巖氣段進行對比,石英脆度和總脆度相當(表4)。

B石英=(C石英/C石英+C碳酸鹽+C粘土)×100%

式中:B石英為石英脆度;C石英為石英含量;C碳酸鹽為碳酸鹽含量;C粘土為粘土含量。

表4 礦物組分脆性分析Table 4 Analysis of mineral component brittleness

3.4 頁巖礦物組分對比分析

根據頁巖礦物組成柱狀圖及三角對比圖可知(圖5,圖6),其與其他海相泥頁巖在礦物組分上具有較高的相似性,一般粘土礦物含量為10%～39%,平均含量為28.7%;其次是石英等脆性礦物為32%～79%,平均含量為53%;長石含量相對較少,含量4%～20%,平均13.98%。碳酸鹽巖礦物含量較低,為3%～9%,平均6.75%。研究認為盆地內龍馬溪組礦物成分中泥頁巖成分含量正常,有利于頁巖氣的生成與吸附;而石英長石等脆性礦物成分含量較高,有利于頁巖壓裂改造;碳酸鹽巖礦物及黃鐵礦等具有一定的含量,則有利于形成溶孔等儲集空間。

圖5 龍馬溪組礦物組成三元圖Fig.5 Mineral composition ternary map of Longmaxi formation

4 結論

(1) 秭歸盆地及周緣龍馬溪組頁巖有機碳(TOC)含量為1.13%～4.99%,平均為2.65%,地表樣絕大多數樣品的TOC值超過1%,鉆井樣TOC值均>1%,為該地區頁巖氣的生成奠定了良好的物質基礎。

圖6 BD2井龍馬溪組礦物組成柱狀圖Fig.6 BD2 well mineral composition histogram of Longmaxi formation

(2) 秭歸盆地龍馬溪組頁巖礦物主要是粘土礦物和石英,平均含量分別為28.7%、53%,少量長石、菱鐵礦、黃鐵礦和碳酸鹽巖礦,表明其易于壓裂。

(3) 與國內外其他海相頁巖相比,秭歸盆地龍馬溪組粘土礦物含量適中,脆性礦物含量較高,有少量的碳酸鹽巖、黃鐵礦等礦物。

(4) 頁巖中石英脆度為58.1%～62.4%,與國內外海相頁巖相當,表明秭歸盆地頁巖具備較好的壓裂條件。

[1] 李鉅源.東營凹陷泥頁巖礦物組成及脆度分析[J].沉積學報,2013,31(4):616-620.

[2] 李先鋒,汪磊.基于礦物組分頁巖氣儲層脆性評價方法對比分析[J].石化技術,2016,23(8):42.

[3] 李慶輝,陳勉,金衍,等.頁巖脆性的室內評價方法及改進[J].巖石力學與工程學報,2012,31(8):1680-1685.

[4] 何發岐,朱彤.陸相頁巖氣突破和建產的有利目標——以四川盆地下侏羅為例[J].石油實驗地質,2012,34(3):246-251.

[5] 陳吉,肖賢明.南方古生界3套富有機質頁巖礦物組成與脆性分析[J].煤炭學報,2013,38(5):822-826.

[6] Daniel M.Jarvie,Ronald J.Hill,Tim E.Ruble,etc..Pollastro.Unconventional Shale-gas Systems:the Mississippian Barnett Shale of North-central Texas as One Model for Thermogenic Shale-gas Assessment[J].AAPG Bulletin,2007,91(4):475-499.

[7] 夏金梧,周樂群,劉世凱.鄂西秭歸盆地及外緣主要斷裂特征及活動性研究[J].水文地質工程地質,1996(1):10-14.

(責任編輯：于繼紅)

Shale Mineral Composition and Brittleness Analysis of Longmaxi Formationin Zigui Basin and Its Surrounding Area

WU Xianwen,WU Xiang,LIAO Wenkui,ZHOU Shuo,CHEN Gecheng

(HubeiCoalGeologicalSurveyInstitution,Wuhan,Hubei430021)

In order to study the shale mineral composition and shale gas reservoir physical properties in Zigui basin and its surrounding area,the shale samples of Longmaxi formation of 4 surface profiles and ZD1,ZD2,BD2 total of 3 drillings were tested for organic geochemical and mineral composition.The experimental results show that the shale of Longmaxi formation in Zigui area has the characteristics of high abundance of organic matter,high degree of thermal evolution and good conditions of shale gas accumulation.The brittle mineral content is higher,the depth is less than 4 000 m,which is favorable for fracturing,and shale gas exploration prospect is better.Compared with the shale gas shale to develop successfully at home and abroad,there is a certain similarity,with good geological conditions of shale gas accumulation.

Longmaxi formation; shale; mineral composition; brittleness; Zigui basin

P618.12

A

1671-1211(2017)05-0554-04

2017-03-28;改回日期2017-08-09

吳先文(1968-),男,高級工程師,碩士,礦產地質專業,從事各類礦產資源地質調查與勘探工作。E-mail:kchhb@126.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170906.1513.002.html數字出版日期2017-09-06 15:13

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.009