邢慧通,張曉麗,何金先,曹文杰,楊甜甜,王 健,師 帥
(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116)
近年來(lái),常規(guī)油氣資源已不能滿足我國(guó)發(fā)展的需求,據(jù)統(tǒng)計(jì),非常規(guī)油氣資源量遠(yuǎn)大于常規(guī)油氣資源量,國(guó)家對(duì)非常規(guī)油氣資源研究日益重視[1]。煤系氣是指煤系中煤層、炭質(zhì)泥頁(yè)巖及暗色泥頁(yè)巖等生成的天然氣,包括煤層氣、頁(yè)巖氣及致密砂巖氣等,儲(chǔ)存狀態(tài)多樣,既可以吸附在煤層之中,又可以游離在致密砂巖儲(chǔ)層中[2-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤系氣資源占全國(guó)非常規(guī)油氣資源60%以上[4],黔西滇東煤系氣資源量約占全國(guó)10%。目前共有300 余口煤層氣開(kāi)發(fā)井[3],前景非常可觀,對(duì)于該區(qū)頁(yè)巖氣的勘探也正在進(jìn)行,但是國(guó)內(nèi)對(duì)于煤系氣的研究主要集中在鄂爾多斯盆地、沁水盆地等地[5],而位于滇東北部威信地區(qū)致密砂巖氣鮮有研究。
目前黔西滇東地區(qū)致密砂巖氣的勘探開(kāi)發(fā)還處于萌芽階段,前人未曾對(duì)研究區(qū)的致密砂巖儲(chǔ)層特征進(jìn)行重點(diǎn)分析與含氣性評(píng)價(jià)工作,未見(jiàn)大型致密砂巖氣藏,但已知研究區(qū)二疊系龍?zhí)督M是重要含煤地層,且龍?zhí)督M砂巖常與泥頁(yè)巖和煤層疊置出現(xiàn)[6],有充足的烴源巖可以持續(xù)供氣,在致密砂巖氣勘探評(píng)價(jià)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)眾多的噴氣井及氣苗[7],推測(cè)該區(qū)致密砂巖氣前景廣闊[8]。近年來(lái)劉曾勤等[9-10]通過(guò)對(duì)黔西地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖儲(chǔ)層的礦物進(jìn)行分析,從宏觀和微觀方面分析儲(chǔ)層礦物對(duì)油氣的影響,指出該地區(qū)致密砂巖氣與煤層氣和頁(yè)巖氣合采可行,此方法對(duì)本次研究具有借鑒作用。致密砂巖氣的儲(chǔ)層特征與巖石脆性、黏土礦物組合特征等因素有關(guān)。筆者通過(guò)X 射線衍射方法對(duì)研究區(qū)的致密砂巖儲(chǔ)層礦物進(jìn)行定性和定量分析,并根據(jù)礦物組合特征與鏡下觀察,判斷龍?zhí)督M時(shí)期的沉積環(huán)境及成巖階段,為后期致密砂巖氣的勘探和開(kāi)發(fā)提供一定的理論依據(jù)。
研究區(qū)位于云南省東部、鎮(zhèn)雄縣北、滇黔桂三省接壤地帶,屬于昭通市威信縣(圖1a),構(gòu)造區(qū)域上處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的西部、揚(yáng)子板塊中部的滇東臺(tái)褶帶之滇東北臺(tái)褶束上(圖1b)。區(qū)內(nèi)褶皺發(fā)育,在一級(jí)構(gòu)造單元黔北坳陷帶內(nèi)的二級(jí)構(gòu)造單元威信凹陷帶中,北鄰?fù)疟承睅В辖用⒉勘承睅В瑬|西部受鹽源背斜帶和黑尼背斜帶加持,總體形成“四向夾一背”的構(gòu)造。研究區(qū)發(fā)生多期次的構(gòu)造沉降運(yùn)動(dòng),尤其在早二疊世末至晚二疊世初,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁,受東吳運(yùn)動(dòng)影響,地殼抬升,海水大幅度向東退去[7],研究區(qū)西側(cè)與康滇古陸之間的小江古斷裂活動(dòng)加劇,巖漿大范圍噴溢,冷卻之后形成自西向東逐漸減薄的玄武巖基底,為晚二疊世的煤層提供場(chǎng)所。龍?zhí)督M早期接受一套海陸過(guò)渡相沉積地層,研究區(qū)地殼均勻緩慢下沉,海侵發(fā)生,以潮坪-潟湖相沉積為主,個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)泥炭沼澤;龍?zhí)督M中期,地殼回升,海退發(fā)生,研究區(qū)開(kāi)始以三角洲沉積為主;在龍?zhí)督M晚期,地殼又一次下沉,持續(xù)到三疊紀(jì),總體呈現(xiàn)潮坪-潟湖-淺海的沉積環(huán)境[9-10]。區(qū)內(nèi)地層屬于揚(yáng)子地層區(qū)上揚(yáng)子地層分區(qū)的昭通地層小區(qū),地層發(fā)育較齊全,從寒武系到第四系僅有新近系未出露[11],加之研究區(qū)獨(dú)特的構(gòu)造與沉積環(huán)境特征,造成研究區(qū)在晚二疊世龍?zhí)督M有利于聚煤的特點(diǎn),區(qū)內(nèi)砂巖與煤層互層頻繁。

圖1 滇東威信地區(qū)地理位置與構(gòu)造位置Fig.1 Brief map of the geographical location and regional geology of Weixin area in eastern Yunnan
實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)源于滇東北部威信地區(qū)石坎向斜剖面,樣品信息見(jiàn)表1,樣品為龍?zhí)督M下段和上段,巖性主要為粉砂巖、細(xì)砂巖及泥質(zhì)粉砂巖。

表1 樣品來(lái)源及分析方法Table 1 Sample source and analysis methods
對(duì)采集的樣品,按照SY/T 5163-2018《沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物 X 射線衍射分析方法》要求進(jìn)行粉碎并進(jìn)行X 射線衍射分析。在中國(guó)煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心,利用D8 DISCOVER 型X 型衍射儀完成,實(shí)驗(yàn)溫度為24 ℃、相對(duì)濕度35%。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行礦物成分的定性與定量分析。并采用德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的ZEISS Sigma 500 FE-SEM 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。
龍?zhí)督M致密砂巖儲(chǔ)層樣品的X 射線衍射分析結(jié)果顯示,其礦物成分比較復(fù)雜(表2)。依據(jù)礦物成分編制了石坎向斜龍?zhí)督M礦物成分含量剖面圖(圖2)。以黏土礦物、石英、斜長(zhǎng)石為主,其中,黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,在27.1%~63.7%,平均42.5%。石英礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.5%~54.8%,平均為30.1%。斜長(zhǎng)石礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.9%~27.3%,平均為14.7%。
致密砂巖礦物中其余礦物組分較少,方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%~18.3%,平均9.05%。銳鈦礦僅在少量樣品中有檢出,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.5%~16.6%,平均為14.4%。
黏土礦物是砂巖中最重要的填隙物,其含量多少及分布特征以及礦物組成特征對(duì)砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)集性能有重要的影響[12]。在對(duì)研究區(qū)致密砂巖進(jìn)行X 射線衍射全巖礦物實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)樣品黏土礦物成分相對(duì)含量也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明,黏土礦物主要是高嶺石、綠泥石、伊利石、伊蒙混層和綠蒙混層,未檢出蒙皂石。樣品的黏土礦物中綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,占21%~85%,平均53.4%;其次為伊蒙間層(混層),占1%~62%,平均25.1%;高嶺石占11%~32%,平均16.4%;綠蒙間層(混層)占5%~10%,平均8.4%;伊利石占比較低,為1%~2%,平均只有1.3%。伊蒙間層比和綠蒙間層比分別為30%和46%(表2,圖2)。

圖2 石坎向斜龍?zhí)督M礦物成分含量剖面Fig.2 Mineral composition profile of Longtan Formation of Shikan syncline

表2 滇東威信地區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖X-射線衍射分析報(bào)告Table 2 X-ray diffraction analysis report of tight sandstone of Longtan Formation in Weixin area of eastern Yunnan
脆性礦物含量是影響儲(chǔ)層孔隙和微裂隙發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等重要因素[13],富含脆性礦物的儲(chǔ)層在外部應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂縫,成為重要?dú)饬黧w通道[14]。一般認(rèn)為,石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖等成分為脆性礦物,其占比越高,巖石所表現(xiàn)出的脆性特征越明顯,在壓裂改造過(guò)程中巖石脆性影響壓裂裂縫的數(shù)量和形態(tài),一般用脆性指數(shù)來(lái)表征[15-17]。基于XRD 所測(cè)得的致密砂巖礦物組分含量,采用礦物成分法計(jì)算龍?zhí)督M致密砂巖的脆性指數(shù)。

式中:Br為巖石脆性指數(shù);Wq為石英和長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Wc為碳酸鹽巖類礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Wt為巖石總礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。
樣品中的脆性礦物主要包括石英、斜長(zhǎng)石和方解石,經(jīng)計(jì)算得到巖石脆性指數(shù)為0.363~0.729,平均0.575(圖3),通過(guò)與已知致密砂巖開(kāi)發(fā)區(qū)的巖石脆性對(duì)比(表3)和顯微鏡下薄片及掃描電鏡觀察(圖4),發(fā)現(xiàn)研究區(qū)巖石脆性較好,具備形成復(fù)雜縫網(wǎng)的能力[18],證明滇東威信石坎向斜龍?zhí)督M致密砂巖具有良好的可壓裂性,對(duì)致密砂巖氣的開(kāi)發(fā)有積極作用。

圖3 石坎向斜致密砂巖樣品脆性礦物含量折線Fig.3 Broken line diagram of brittle mineral content in tight sandstone samples of Shikan syncline

表3 研究區(qū)與典型致密砂巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of brittleness index between the study area and typical tight sandstone reservoirs

圖4 石坎向斜龍?zhí)督M致密砂巖樣Y-4 微裂隙Fig.4 Y-4 microfractures of tight sandstone sample of Longtan Formation of Shikan syncline
碳酸鹽巖礦物對(duì)砂巖儲(chǔ)層物性存在雙重影響:一方面作為膠結(jié)物在粒間孔隙中充填;另一方面,早期形成的碳酸鹽膠結(jié)物可使砂巖具有較強(qiáng)的抗壓實(shí)作用,也是后期溶蝕作用的物質(zhì)基礎(chǔ),易形成次生孔隙[19]。
龍?zhí)督M致密砂巖樣品中碳酸鹽巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%~18.30%,平均9.05%,主要為方解石(圖5),未檢出白云石。檢測(cè)結(jié)果顯示,在垂向分布上特征明顯,下部未檢測(cè)出方解石,向上方解石含量增加。碳酸鹽礦物的溶解度隨黏土礦物含量的增加而減小,并限制次生溶孔的進(jìn)一步發(fā)育[20],龍?zhí)督M上段碳酸鹽巖礦物含量總體較高,黏土礦物含量較下段偏低,指示該段砂巖儲(chǔ)層物性較好。方解石的存在加大次生裂隙發(fā)育,為油氣提供有利儲(chǔ)集空間,從而提高油氣產(chǎn)量。

圖5 長(zhǎng)石溶蝕后被方解石充填Fig.5 Feldspar filled with calcite after dissolution
砂巖中黏土礦物組成特征能夠綜合反應(yīng)地層在沉積和成巖過(guò)程中的地質(zhì)作用,是進(jìn)行砂巖沉積與成巖史研究的重要線索[21]。按照P.B.Basan[22]評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)儲(chǔ)層黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí),屬于高黏土礦物儲(chǔ)層[23]。研究區(qū)黏土礦物含量平均達(dá)42.5%,與黔西龍?zhí)督M致密砂巖儲(chǔ)層黏土礦物含量相近[9-10],屬于高黏土礦物儲(chǔ)層。黏土礦物往往會(huì)降低粒間孔的大小并阻塞孔喉,當(dāng)黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)會(huì)顯著降低物性,儲(chǔ)集性能較差[24-28],結(jié)合龍?zhí)督M上段野外露頭致密砂巖所測(cè)的孔隙度(平均為8.45%)和滲透率(平均0.32×10-3μm2),證明了研究區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖低孔低滲特征。因此,龍?zhí)督M砂巖中黏土含量高,既減少了油氣運(yùn)移的空間又限制了油氣的儲(chǔ)量,意味著儲(chǔ)層質(zhì)量差[9-10]。
黏土礦物對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層而言是一把雙刃劍,一方面因其具有較高的比表面積,可以為致密氣提供吸附空間,提高含氣量;另一方面,部分黏土礦物在溶解或吸水膨脹時(shí),易堵塞氣體滲流通道,不利于儲(chǔ)層壓裂改造[29-31]。研究區(qū)黏土礦物平均含量42.5%,表明區(qū)域內(nèi)有較為穩(wěn)定的風(fēng)化剝蝕區(qū)供給充沛的物質(zhì)來(lái)源。再結(jié)合該時(shí)期的地質(zhì)背景,華南板塊處于低緯度赤道附近,康滇古陸為區(qū)域內(nèi)唯一的物質(zhì)供給區(qū)[32]。常年高溫多雨,地表徑流大,植被繁茂,導(dǎo)致康滇古陸玄武巖發(fā)生強(qiáng)烈風(fēng)化剝蝕作用,為東部沉積凹陷地區(qū)提供充沛的物質(zhì)來(lái)源,龍?zhí)督M中致密砂巖的黏土礦物便在此背景下富集。
4.3.1 綠泥石
研究區(qū)綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.0%~85.0%,平均53.4%。綠泥石是一種硅酸鹽礦物,常見(jiàn)于較深地層中[27],一般為變質(zhì)巖的造巖礦物,經(jīng)過(guò)中、低溫?zé)嵋鹤饔茫瑴\變質(zhì)作用和沉積作用的產(chǎn)物。在二疊世早期,由于東吳運(yùn)動(dòng),構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,小江斷裂巖漿噴溢并流經(jīng)研究區(qū)[10],推測(cè)綠泥石的形成與巖漿熱液有關(guān)。巖漿熱液為綠泥石的形成提供了物質(zhì)來(lái)源[33],同時(shí),研究區(qū)此時(shí)正在接受海陸過(guò)渡相沉積[10],水體有一定的深度,為綠泥石的中低溫?zé)嵋盒纬商峁l件。前人經(jīng)過(guò)試驗(yàn)等手段測(cè)出細(xì)粒砂巖中綠泥石對(duì)孔隙率沒(méi)有實(shí)質(zhì)性影響,但是能夠極大地降低巖層滲透率[12],這也是造成龍?zhí)督M致密砂巖低滲透率的原因之一(圖6)。一方面,綠泥石在顆粒表面形成包膜,起到了保護(hù)孔隙的作用,有利于油氣的儲(chǔ)集;另一方面,其占據(jù)碎屑巖中的孔隙,降低儲(chǔ)層孔隙率,不利于油氣的運(yùn)移。總體而言,綠泥石的存在對(duì)于儲(chǔ)層起消極意義。

圖6 綠泥石存在位置和形式Fig.6 Location and form of chlorite
4.3.2 高嶺石與伊利石
除了綠泥石以外,黏土礦物中高嶺石(圖7)占比也不低,約為16.4%。高嶺石主要是長(zhǎng)石和其他硅鋁酸鹽礦物在近地表?xiàng)l件下由大氣淡水溶蝕形成,龍?zhí)督M煤系早期泥炭化作用和煤化作用產(chǎn)生了大量的CO2氣體,使得孔隙水呈酸性,為長(zhǎng)石溶蝕提供了酸源。據(jù)前人研究[12],煤系巖石學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)含煤地層酸性條件有利于長(zhǎng)石溶解生成高嶺石,研究區(qū)龍?zhí)督M與這一條件吻合,可以推測(cè)其是高嶺石的來(lái)源之一。

圖7 高嶺石賦存形式Fig.7 Occurrence form of kaolinite
研究區(qū)的伊利石含量極低,鉀長(zhǎng)石未檢測(cè)出,同時(shí)高嶺石與伊利石共存,根據(jù)馮立文關(guān)于鄂爾多斯盆地太原組砂巖的研究結(jié)論[12],可以推測(cè)研究區(qū)伊利石的來(lái)源之一是高嶺石伊利石化,過(guò)程中伴隨大量的鉀長(zhǎng)石溶解,有利于儲(chǔ)層次生孔隙的發(fā)育。
高嶺石在酸性條件下較為穩(wěn)定,在堿性條件下會(huì)轉(zhuǎn)化為伊利石,從縱向上看龍?zhí)督M整體基本處于酸性環(huán)境。
一般可以根據(jù)砂巖中黏土礦物的演化程度來(lái)推斷油氣進(jìn)入儲(chǔ)層的時(shí)間,研究區(qū)砂巖可以與英國(guó)北海盆地侏羅系Brent 砂巖演化程度對(duì)比,判斷出研究區(qū)只含高嶺石很少含伊利石這一結(jié)果,意味著儲(chǔ)層中砂巖在油水界面之上[27]。
4.3.3 伊蒙混層及綠蒙混層
實(shí)驗(yàn)樣品的黏土礦物中還出現(xiàn)了不少的伊蒙混層及綠蒙混層,分別是蒙脫石向伊利石和綠泥石轉(zhuǎn)化的過(guò)渡產(chǎn)物[33],均具有較高的膨脹性,以富含綠泥石為特征,與其共生的有伊利石和伊蒙混層,一般出現(xiàn)在深層砂巖膠結(jié)物中,特別是低滲透砂巖儲(chǔ)集層中;而含有綠蒙混層和微量伊利石的黏土礦物組合,一般形成于富含鎂鐵的沉積環(huán)境[21]。研究區(qū)伊蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%,且伊蒙混層含量與孔隙率和滲透率具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[34],表明黏土礦物高和伊蒙混層占比大是儲(chǔ)層質(zhì)量差的關(guān)鍵因素之一[9-10]。研究區(qū)黏土礦物符合上述特征,應(yīng)為深層低滲透砂巖儲(chǔ)集層。蒙皂石轉(zhuǎn)化為伊利石的溫度條件較低[35],龍?zhí)督M中蒙皂石未檢出,伊利石較少,而伊蒙混層較多,說(shuō)明當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境溫度較低。
除了碎屑礦物、黏土礦物及碳酸鹽巖礦物,龍?zhí)督M致密砂巖儲(chǔ)層樣品中還包含了銳鈦礦,盡管有一部分樣品中未檢出,但其平均含量較高,達(dá)到14.4%,主要分布在龍?zhí)督M下段。銳鈦礦一般為變質(zhì)作用生成,與巖漿有關(guān)的礦物,屬于低溫?zé)嵋旱漠a(chǎn)物,與綠泥石的形成條件接近。在貴州西部峨眉山玄武巖的風(fēng)化殘坡積物中發(fā)現(xiàn)大量銳鈦礦,由長(zhǎng)期風(fēng)化富集形成,屬于微細(xì)粒型獨(dú)立礦物[36-37]。同時(shí),銳鈦礦也是基性火山巖存在的標(biāo)志[38]。銳鈦礦出現(xiàn)在本次所采露頭樣中,結(jié)合區(qū)域古地理環(huán)境分析可知,銳鈦礦極有可能是貴州西部峨眉山玄武巖的風(fēng)化產(chǎn)物。
a.滇東威信地區(qū)龍?zhí)督M露頭剖面致密砂巖的礦物組成種類較多。其中,黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為27.1%~62.7%,平均42.5%;石英次之,為9.5%~54.8%,平均30.1%;礦物中還含有較多的斜長(zhǎng)石和方解石,平均占比分別為14.7%和9.05%。其他如銳鈦礦等礦物含量有5 個(gè)樣品有檢出,占比約14.4%。
b.基于X 射線衍射所得礦物組分含量,利用礦物組分法得到研究區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖脆性指數(shù)平均為0.575,相對(duì)于幾個(gè)典型的致密砂巖儲(chǔ)層(淮中4 區(qū)塊董2 井北侏羅系致密砂巖、鄂爾多斯盆地勘探X 新區(qū)長(zhǎng)8-長(zhǎng)10 致密砂巖、紅河92 井區(qū)長(zhǎng)812 單層致密砂巖)而言,脆性指數(shù)較好,有利于壓裂。
c.康滇古陸是研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖黏土礦物的主要物質(zhì)來(lái)源,與巖漿熱液有關(guān)的含量高的綠泥石是儲(chǔ)層低滲透率的主要原因;研究區(qū)鉀長(zhǎng)石的溶解殆盡不僅提供了高嶺石,其鉀離子也是伊利石的主要沉淀物,該過(guò)程為儲(chǔ)層形成提供了次生孔隙;銳鈦礦可能是來(lái)自玄武巖的風(fēng)化產(chǎn)物。
d.研究區(qū)龍?zhí)督M砂巖整體儲(chǔ)集質(zhì)量較差,屬于深層低滲透高黏土礦物砂巖儲(chǔ)層,其中龍?zhí)督M上段高碳酸鹽類礦物含量對(duì)致密砂巖氣藏的形成和開(kāi)發(fā)有一定的促進(jìn)作用,其儲(chǔ)層物性較下段好。
致謝:感謝責(zé)任編輯及評(píng)審專家對(duì)本文提出的建設(shè)性意見(jiàn)!湖南科技大學(xué)赫桂萱在論文寫作過(guò)程中有過(guò)多次有益討論,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)張曉麗老師、曹文杰碩士及福建地調(diào)院廖劍峰在論文返修過(guò)程中提供關(guān)鍵指導(dǎo),這里一并表示感謝!