中下?lián)P子區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣儲層沉積控制作用

中下?lián)P子區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣儲層沉積控制作用

根據(jù)國內(nèi)外巖氣地質(zhì)勘探，巖氣是儲層自生儲層的連續(xù)氣藏，儲層研究是巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的重要組成部分。頁巖儲層研究的重點包括礦物類型與含量、孔隙度和滲透率、儲集空間特征和儲層含氣性等方面。其中,沉積環(huán)境不僅控制了泥頁巖的厚度、分布面積、有機碳含量等特征,沉積相還嚴重影響沉積巖石類型以及巖石的礦物組成,而巖石類型以及礦物組成差異又決定著儲層物性發(fā)育的特點,進而影響頁巖氣的成藏。目前,對就此問題尚未開展充足的研究。因此,研究沉積環(huán)境對儲層發(fā)育的控制作用對于分析頁巖氣成藏機理以及資源評價等具有重要的理論指導(dǎo)意義。筆者選取中下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖為研究對象,研究沉積環(huán)境對頁巖氣儲層的控制作用。1早寒武世竹寺期沉積格架中下?lián)P子區(qū)北臨秦嶺構(gòu)造帶,南依江南構(gòu)造帶,西聯(lián)四川盆地,東望太平洋板塊,是指勉陽—略陽斷裂帶、郯廬斷裂帶和五蓮—榮城斷裂帶以南,江山—紹興斷裂帶以北,齊岳山斷裂帶以東的陸上部分,面積約40×104km2。中下?lián)P子地區(qū)的寒武紀不是一個獨立的構(gòu)造演化單元,而是同整個南方寒武紀有著緊密的聯(lián)系,南方寒武紀基底為晚元古代前的陸殼,進入寒武紀,揚子沉積區(qū)以臺地沉積為主體,北部為南秦嶺海槽深水區(qū),南部邊緣有一斜坡過渡帶與華南海深水盆地過渡。東、西發(fā)育有兩大陸地,即東南部的華夏古陸和西部的康滇古陸,此外還發(fā)育有規(guī)模較小陸地。因此南方寒武紀沉積時的古地理格局表現(xiàn)為北高南低,揚子區(qū)總體以臺地為背景,西部及東南部受康滇古陸和華夏古陸的制約,南部由東南斜坡與華南海相連,縱向上表現(xiàn)為一個進積序列。早寒武世筇竹寺期沉積時,海水由西南入侵,在中下?lián)P子地區(qū)沉積了淺?！詈Ｏ嗟某练e環(huán)境(圖1)。研究區(qū)江蘇范圍內(nèi)主要以揚子海沉積環(huán)境為主,在寧鎮(zhèn)和盱眙洪澤一帶發(fā)育黑色炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖夾石煤層,含磷結(jié)核、黃鐵礦炭質(zhì)、硅質(zhì)較高;往東南方向,海水逐漸加深,海侵自南西向北東逐漸擴大,海水浸沒到江山—紹興和杭州—嘉興一帶,形成靜水滯流海盆和平緩斜坡環(huán)境。在浙江江山—臨安一帶沉積了黑色炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)硅質(zhì)頁巖、石煤及薄層灰?guī)r,水平層理發(fā)育,反映了滯流盆地相沉積。安徽揚子海沉積范圍內(nèi)的東至歙縣、滁州、宿松一帶為硅泥質(zhì)型深水盆地相沉積,巖石呈深灰色,代表強還原環(huán)境。在湖南鳳凰—吉首—常德一線西北及整個湖北省地區(qū),筇竹寺組下部巖性以炭質(zhì)頁巖為主夾灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r,上部發(fā)育灰綠色頁巖夾鈣質(zhì)頁巖及泥灰?guī)r,指示為次深?！獙掗煹臏\海陸架環(huán)境沉積,在強還原、滯流及海盆緩慢沉降條件下,生活了大量藻類。研究表明,中下?lián)P子早寒武世筇竹寺期主要發(fā)育緩坡、陸棚、深海—次深海盆地和陸坡等4種沉積相,進而分為瀉湖、平緩斜坡、淺水陸棚、深水陸棚和深水滯留盆地等5種沉積亞相。其中筇竹寺組富有機質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育于陸棚相和深海—次深海滯留盆地相中。2在沉積環(huán)境的控制下，儲層的發(fā)育特征得以發(fā)展2.1有機質(zhì)儲巖分布特征不同的富有機質(zhì)泥頁巖類型形成于不同的沉積環(huán)境,古水深、沉積類型、古氣候等直接影響其發(fā)育特征,而沉積環(huán)境是影響研究區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育的主控因素。富有機質(zhì)泥頁巖在橫、縱向上明顯受沉積相帶變遷的控制,即在不同的沉積相帶中富有機質(zhì)泥頁巖的發(fā)育不同。通過野外調(diào)研、室內(nèi)分析測試以及結(jié)合前人研究成果可知,中下?lián)P子富有機質(zhì)泥頁巖主要存在3個沉積中心,分別為湖南桑植—永順地區(qū)、江蘇揚州—鹽城地區(qū)以及安徽黟縣—黃山地區(qū),基本上呈北東向展布,沉積中心富有機質(zhì)泥頁巖厚度一般可達100~180m。全區(qū)有機碳含量(TOC)最高可達18.7%,平均達到5.07%。其中,中揚子宜昌、張家界等地區(qū)頁巖樣品有機碳含量介于0.3%~18.2%,平均為5.3%;下?lián)P子區(qū)頁巖介于0.2%~18.8%,平均可達5.25%。在平面上,厚度、TOC含量等值線展布與沉積相帶的分布密切相關(guān),均呈北東向,而且隨著海水由北西向南東的加深,頁巖有效厚度由北西向南東呈遞增的趨勢,有機質(zhì)在水深較大的地區(qū)更容易富集和保存,TOC高值區(qū)與厚度高值區(qū)重疊(圖1)?？v向上,下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖的下段沉積于生物生產(chǎn)率較高的缺氧環(huán)境,但往上隨著缺氧環(huán)境逐漸變差,底部黑色頁巖中的TOC含量較高,往上逐漸減小(圖2)。由上述分析可知,淺海陸棚相以及深?！紊詈襞璧叵喑练e環(huán)境對有機質(zhì)的富集和保存有利。此外,沉積環(huán)境控制的黑色泥頁巖厚度是頁巖氣生成和賦存的基礎(chǔ),故形成于淺海陸棚和深海—次深海滯留盆地環(huán)境下的厚度大于30m的富有機質(zhì)頁巖具有較大的生烴潛力,加之頁巖氣具有短距離運移的特性,在較厚的頁巖層中易于富集成藏。2.2巖石結(jié)構(gòu)方面沉積巖的巖性特征包括顏色、碎屑成分和巖石類型、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造等方面。其中顏色是沉積巖最直觀和醒目的標志,主要反映沉積環(huán)境的古氣候和氧化還原環(huán)境。2.2.1主要巖相及巖相特征通過野外露頭、巖芯觀察、室內(nèi)測試分析表明,研究區(qū)筇竹寺組黑色頁巖并非單純頁巖,通常為泥頁巖與砂巖互層,不同地區(qū)層段巖性組合差異較大,巖性巖相分異現(xiàn)象明顯,根據(jù)泥頁巖的成分差異,將筇竹寺組頁巖劃分出4種主要巖相,即炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖和鈣質(zhì)頁巖。(1)黑色炭質(zhì)頁巖相:主要發(fā)育半深海環(huán)境,富含有機質(zhì),有機碳含量為3%~15%。泥質(zhì)一般被炭質(zhì)侵染,易染手,肉眼難以區(qū)分其他礦物成分,細粒石英顆粒呈斑點狀分布。(2)紋層狀黑色粉砂質(zhì)頁巖相:主要發(fā)育于陸棚環(huán)境,鈣質(zhì)膠結(jié),炭質(zhì)含量相對較少,鈣質(zhì)頁巖與粉砂質(zhì)頁巖呈薄互層狀。(3)深灰色鈣質(zhì)頁巖相:主要發(fā)育于淺海及海陸過渡環(huán)境,碳酸鈣含量達30%~50%,手標本中可見灰質(zhì)斷口。發(fā)育有紋層狀和塊狀鈣質(zhì)頁巖。(4)灰黑色硅質(zhì)頁巖相:主要發(fā)育在半深?！詈－h(huán)境。露頭樣品呈灰黑色,富含隱晶硅質(zhì),晶粒極細小,硬度大。2.2.2礦物組成和組成對中下?lián)P子下寒武統(tǒng)筇竹寺組泥頁巖進行的全巖X-衍射分析表明(表1),筇竹寺組泥頁巖礦物成分較復(fù)雜,其中黏土礦物和石英為主要組成礦物。含有少量長石、方解石、白云石等碎屑礦物和自生礦物。總體而言,石英含量最高,為24.9%~93.0%,平均達64.97%;其次為黏土礦物,為3.0%~65.9%,平均達23.66%;碳酸鹽礦物含量較少,為2.0%~24.3%,平均達9.13%。黏土礦物以伊利石為主,含少量的高嶺石和綠泥石。石英顆粒主要為外源碎屑顆粒,多呈層狀漂浮于頁巖中,碳酸鹽礦物主要以裂縫充填物和膠結(jié)物形式存在,局部地區(qū)研究層段形成于深水還原環(huán)境,含有大量黃鐵礦。2.2.3沉積相與環(huán)境研究區(qū)筇竹寺組黑、灰黑色泥頁巖屬于典型的海相水生有機質(zhì)富集,是重要的富有機質(zhì)泥頁巖層系。分析結(jié)果顯示,泥頁巖含碎屑狀石英,還有方解石等自生礦物,掃描電鏡下也觀察到極細莓狀黃鐵礦大量存在;這些均表明研究區(qū)筇竹寺組形成于滯留缺氧還原沉積環(huán)境。筇竹寺組這種還原沉積環(huán)境對有機質(zhì)的富集和保存有利,為頁巖氣藏的形成提供了良好的沉積條件。2.3沉積環(huán)境對頁巖孔隙發(fā)育的控制作用沉積環(huán)境為頁巖孔裂隙形成的外部控制因素之一,而受沉積環(huán)境控制下的巖石巖相、巖性和礦物組分等又是控制孔隙發(fā)育的內(nèi)部因素,所以探討沉積環(huán)境對頁巖孔隙的控制作用具有重要的意義。2.3.1不同黏土礦物孔隙演化受沉積環(huán)境控制的黏土礦物與脆性礦物從不同角度控制著頁巖儲層孔裂隙的發(fā)育,前人研究表明泥頁巖中黏土、石英和方解石相對組成的變化影響了巖石的力學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)以及對氣體的吸附能力。黏土礦物對于孔隙的演化和保存具有重要作用,高嶺石相對含量變化與孔隙演化趨勢一致,伊利石、綠泥石相對含量的變化與孔隙演化趨勢相反。與石英和方解石相比,黏土礦物具有較多的微孔隙和較大的比表面積,對氣體有較強的吸附能力,一方面由于黏土礦物隨著地層埋深增加和地層水逐漸變?yōu)閴A性,黏土礦物發(fā)生脫水轉(zhuǎn)化析出大量層間水,在層間形成微裂隙(圖3(a)),另一方面,黑色頁巖在黏土伊利石化過程中也會產(chǎn)生大量微孔隙(圖3(b))。當泥頁巖中黏土礦物含量較少,硅質(zhì)、碳酸鹽巖等礦物較多時,巖石脆性較大,容易在外力作用下形成天然裂隙和誘導(dǎo)裂隙,有利于滲流。2.3.2黃鐵礦的儲集空間沉積相控制著不同的巖石類型以及巖石組分。皖南—浙西早寒武世主要表現(xiàn)為滯留盆地相沉積,沉積一套炭質(zhì)頁巖和含硅質(zhì)頁巖,其中沉積于封閉—半封閉的缺氧還原環(huán)境下的細粒狀或草莓狀黃鐵礦呈星散狀或紋層狀分布,發(fā)育大量的黃鐵礦晶間孔(圖3(c)),而筇竹寺組底部發(fā)育大量天然泥巖裂縫,見層間頁理縫,連通性好,構(gòu)成重要的儲集空間;湘西北早寒武世屬于深水、寧靜的還原環(huán)境,沉積陸棚相的炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖,頁巖黏土礦物含量較高,發(fā)育較多礦物晶間孔(圖3(b))。總體而言,發(fā)育于陸棚相、深?！紊詈襞璧叵嗟闹邢?lián)P子筇竹寺組,沉積了富含有機質(zhì)的暗色泥頁巖,而高成熟期有機質(zhì)的大規(guī)模烴類排放形成了較多的呈規(guī)則凹坑近球狀密集分布有機質(zhì)孔隙(圖3(d))。3富有機質(zhì)泥頁巖儲層特征通過對研究區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組富有機質(zhì)頁巖厚度、總有機碳含量,頁巖組分以及孔裂隙發(fā)育對比分析表明,淺海陸棚相與深海—次深海相為有利頁巖氣儲層發(fā)育沉積環(huán)境。對比兩種具有潛力的頁巖氣富集帶沉積環(huán)境控制下的儲層特征可以看出(表2),相比深?！紊詈襞璧叵?淺海陸棚相沉積泥頁巖空間展布較局限,富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育厚度也較小,而有機碳含量以及黏土礦物含量相對較高,儲集空間類型主要以有機質(zhì)孔與黏土礦物晶間孔為主,而深?！紊詈襞璧叵喔挥袡C質(zhì)泥頁巖脆性礦物、黃鐵礦含量較高,儲集空間以微裂隙,黃鐵礦晶間孔為主。沉積相對頁巖儲層的基本地質(zhì)條件的性質(zhì)及其空間分布控制明顯。4儲層地質(zhì)條件特征(1)中下?lián)P子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖厚度以及有機碳含量發(fā)育特征受沉積相帶控制明顯,主要發(fā)育于陸棚相和深?！紊詈Ｅ璧叵嘀?形成湖南的桑植—永順、江蘇的揚州—鹽城以及安徽的黟縣—黃山3個沉積中心,頁巖厚度可達80~180m,有機碳含量(TOC)最高可達18.7%,平均達到5.07%,并與厚度高值分布區(qū)形成良好的對應(yīng)關(guān)系。(2)受靜水缺氧還原沉積環(huán)境的控制,研究區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組主要發(fā)育炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖等4種巖相,礦物成分主要以黏土礦物和石英為主,石英含量最高,為24.9%~93.0%,平均達65.85%;其次為黏土礦物,為