沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩气储层特征

2021-05-23 10:53李阳阳李贤庆张学庆肖贤明于振锋王保玉
煤田地质与勘探 2021年2期
关键词:煤系阳泉盆地

李阳阳,李贤庆,张学庆,肖贤明,于振锋,王保玉

(1.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;3.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083;4.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西 晋城 048006;5.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,山西晋城 048000)

页岩气已成为一种重要的非常规天然气资源,加快推进页岩气的勘探开发对缓解中国油气供需矛盾具有重要意义[1]。世界页岩气主要分布在北美洲、亚太、南美、中东和北非地区[2]。美国、中国和加拿大已实现了页岩气的商业开发。中国含煤盆地多,煤系泥页岩广泛发育,形成时代跨度较大,从石炭系至新近系均有分布[3],在南方地区、中东部地区、西北地区及青藏地区具有良好的页岩气勘探前景[4]。我国对页岩气储层特征及评价主要集中在南方海相页岩,而对华北地区广泛发育的海陆过渡相煤系页岩气储层研究较少。海陆过渡相煤系泥页岩地层频繁与煤层、致密砂岩互层,纵横向变化快,单层厚度小,累计厚度大,受地质构造、沉积相影响较大[5]。

沁水盆地是华北地区重要的含煤盆地,普遍发育海陆过渡相煤系泥页岩[6],具有较好的页岩气资源潜力。学者针对沁水盆地及部分有利区已开展过砂岩、页岩气的勘探与资源评价[7-10],但针对沁水盆地阳泉区块煤系页岩气储层特征的研究较少。笔者基于井下岩心样品,运用岩石热解、X射线衍射、扫描电镜、高压压汞、低温N2和CO2气体吸附实验方法,拟对沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩的有机质特征、矿物组成、储层孔隙类型、储集物性、孔隙结构特征进行研究,旨在为沁水盆地煤系页岩气储层评价与优选提供基础资料和科学依据。

1 地质概况

沁水盆地位于山西省东南部,总体呈NNE—SSW向复式向斜构造[11],是中生代末在古生界基底上发育形成的近南北向的大型复式向斜构造盆地,盆地总体构造较简单,内部次级褶皱发育,断裂不太发育,处于构造稳定区,仅在盆地边缘发育一些较大规模的断裂,边缘构造活动性增强[12]。沁水盆地历经华北陆表海盆地、内陆表海海陆交替沉积为主的近海坳陷及陆相碎屑岩沉积为主的内陆坳陷的古地理演化过程[13],具有煤层气开发优势[14]。阳泉区块位于沁水盆地北部。

沁水盆地地层发育较全,自下(老)而上(新)主要有下古生界中奥陶统峰峰组(O2f)、上古生界上石炭统本溪组(C2b)、上石炭-下二叠统太原组(C2-P1)t、下二叠统山西组(P1s)和下石盒子组(P1x)、中二叠统上石盒子组(P2s)和石千峰组(P2sh)、中生界三叠系(T)、新生界第四系[15]。太原组沉积期是盆地主成煤期,沉积地层平均厚度约105 m,煤层与灰岩、暗色泥岩和砂岩交替沉积,山西组沉积期是另一个主成煤期,煤层与碎屑岩伴生发育,沉积地层厚度平均80 m。上古生界煤系泥页岩分布于二叠系下石盒子组、山西组和石炭-二叠系太原组(图1),泥页岩单层厚度小,为1~20 m,岩性组合主要为泥页岩、煤层、砂岩与灰岩互层。

2 样品与实验方法

选取沁水盆地阳泉区块3口钻井(YQ-01、YQ-02、YQ-04)的18块样品,采自山西组、太原组、石盒子组煤系页岩岩心,为灰黑色、黑色泥岩和炭质泥岩,取样深度为267~625 m。本次研究主要采用了岩石热解、X射线衍射、扫描电子显微镜、高压压汞、低温N2和CO2气体吸附实验方法,均按照国家或行业推荐的实验规范或标准完成。

岩石热解分析实验在OGE-Ⅱ油气评价仪上进行,操作过程严格依据GB/T18602—2012《岩石热解分析》。全岩矿物含量使用日本理学Dmax/2000-PC-X射线衍射仪测定,定量分析采用步进扫描,按照(GB5225—86)的K值法完成。页岩孔隙特征的扫描电镜(SEM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)测试仪器为MerlinGemini型显微镜(高分辨率模式下可达3.0 nm)和Quanta200F型场发射扫描电子显微镜(分辨率可达1.8 nm)上进行。高压压汞实验在AutoPore Ⅳ9500型压汞仪上完成,测试孔径范围为5 nm~950 μm,压汞法可以提供页岩总孔隙率、宏孔甚至微裂缝的信息。N2吸附实验采用ASAP2460型比表面及孔隙分析仪,应用BJH理论对N2吸附-脱附曲线进行分析,可以得到孔隙几何形态、介孔的孔容和比表面积以及平均孔径等信息。CO2吸附实验采用ASAP2020型比表面及孔隙分析仪,并应用DFT模型对CO2吸附-脱附曲线进行分析,可以得到孔隙几何形态、微孔的孔容和比表面积等信息。实验采用的吸附-脱附相对压力(p/p0)范围为0.001~0.998。

图1 沁水盆地阳泉区块取样井位置及上古生界地层综合柱状图Fig.1 Location map of sampling wells in Yangquan Block of Qinshui Basin and comprehensive histogram of Upper Paleozoic strata

3 实验结果与讨论

3.1 有机质特征

总有机碳含量(TOC)是评价泥页岩生气质量好坏的重要指标[16]。见表1,沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩样品有机质丰度普遍较高,TOC质量分数平均为4.90%。石盒子组煤系页岩TOC质量分数平均为8.81%,山西组煤系页岩TOC质量分数平均为14.10%,太原组煤系页岩TOC质量分数平均为1.79%,在煤层附近受煤层发育影响,TOC含量较高。石盒子组煤系页岩生烃潜量(S1+S2)为0.50~3.29 mg/g,平均值为1.69 mg/g,山西组煤系页岩生烃潜量为0.29~3.49 mg/g,平均值1.78 mg/g,太原组煤系页岩生烃潜量为0.10~0.56 mg/g,平均值0.24 mg/g。可见,沁水盆地阳泉区块石盒子组和山西组煤系页岩具有较高的生烃潜量,而太原组煤系页岩生烃潜量相对较低。

确定有机质成熟度常用的指标是镜质体反射率(Rran),它是页岩气评价的重要参数。研究区页岩样品Rran分布在2.09%~2.56%,平均为2.32%,热解最高峰温Tmax介于541~592℃,平均值为564℃(表1)。该区上古生界煤系页岩显微组分组成中,以镜质组含量最高,惰质组含量次之,壳质组含量较低,有机质类型主要为Ⅲ型干酪根,有机质成熟度高,属于过成熟阶段,有利于生气。

3.2 矿物组成

煤系页岩具有复杂的矿物组分,矿物组分含量不同影响着页岩孔隙结构,从而影响气体的吸附和储存。黏土矿物对气体有较强的吸附能力,其含量的高低影响着页岩吸附含气量的大小[9,17-18]。全岩X衍射实验分析得出阳泉区块上古生界煤系页岩样品黏土矿物质量分数最高,为23.9%~71.4%,平均为50.0%,石英质量分数次之,介于27%~60.0%,平均39.8%,伊蒙混层平均质量分数为27.5%,伊利石质量分数平均为11.7%,高岭石质量分数平均为7.1%,绿泥石质量分数平均为3.7%,白云石平均质量分数为2.4%(表2)。页岩中脆性矿物含量是页岩储层能够通过压裂造缝获得工业气流的重要原因之一[19-21]。与北美地区Barnett页岩[22]、新疆阜康地区八道湾组页岩[23]相比,阳泉区块上古生界煤系页岩的黏土矿物含量较高,脆性矿物含量较低,表明阳泉区块上古生界煤系页岩储层可压裂性较差,会影响页岩气的开发,但因黏土矿物吸附性强,有利于吸附更多的页岩气。

表1 沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩样品的基本物性特征Table 1 Basic characteristics of coal measures shale samples from Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

表2 沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩样品矿物组成Table 2 Mineral composition of coal-measure shale samples from Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

3.3 孔隙类型特征

泥页岩作为致密储层,孔隙系统复杂。孔隙率是评价页岩储层孔渗能力和游离气含量的重要参数,页岩孔隙率越大,页岩总含气量越高[24]。页岩储层中孔容与孔比表面积是重要的孔隙结构参数,其大小及发育特征直接影响页岩气的赋存,对于页岩气资源量评估起到重要作用[25-26]。沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩样品孔隙率介于2.76%~11.10%,平均6.61%,渗透率分布范围为(0.003 5~0.011 2)×10-3μm2,平均为0.006 3×10-3μm2,属于低孔低渗特征,但与淮南煤田山西组煤系页岩[27]相比,孔隙率和渗透率相对稍高。

利用扫描电镜可以直观地观察页岩中孔隙的赋存状态。R.G.Loucks等[17]把孔隙分为粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝,受矿物组成、压实和溶蚀等作用影响,孔隙发育类型及形态多样[28]。根据扫描电镜结果,可以看出阳泉区块上古生界煤系页岩样品中有粒间孔、粒内孔和微裂缝(图2)。粒间孔和粒内孔主要发育于矿物基质中,这类孔隙易受压实作用、溶解作用和矿物相变等成岩作用控制。页岩样品中粒间孔受矿物组成种类以及压实、溶解作用等影响,孔隙形态呈片状、三角形及不规则形状(图2a—图2c),此类孔隙连通性较好,有利于页岩气的运移。粒内孔在黏土矿物颗粒层间有一定发育(图2c—图2e),孔径相对较小,较易受到构造、成岩应力作用的影响,由于黏土矿物内部层状和片状结构,黏土基质可以形成有效的支撑,使得部分孔隙在演化中得以保存。有机质孔是页岩储层独有且重要的气体吸附空间,形态多为椭圆形、圆形和蜂窝状,但此类孔隙在研究区并不发育,仅在少量样品中可见(图2f),有机质孔发育程度较北美地区Barnett页岩[22]和淮南煤田山西组煤系页岩[27]都要低,原因可能是由于研究区煤系页岩处于过成熟阶段,同时受多期次海侵、海退交互沉积相变及地质构造的影响,一部分孔隙扭曲变形,遭到破坏而闭合[29-31]。微裂缝是页岩气产出的基本通道,有利于页岩气的储存和渗流,也是孔隙系统的重要组成部分[32],在研究区也能看到部分微裂缝(图2g—图2i),主要为外力作用下形成的外生裂隙,它们多是沿片状黏土矿物裂开形成的裂缝。总体而言,阳泉区块上古生界煤系页岩中的微米-纳米级孔隙为页岩气的赋存提供了储集空间。

图2 沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩样品扫描电镜图像Fig.2 Scanning electron microscope images of coal-measure shale samples from Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

3.4 孔隙结构特征

页岩孔隙的结构特征影响储层的储集性能[33-36]。根据国际理论与应用化学联合会(IUPAC)标准,将页岩纳米级孔隙按孔径d大小划分为宏孔(d>50 nm)、介孔(d=2~50 nm)和微孔(d<2 nm)3种类型[37-38]。为综合表征页岩孔隙结构及不同孔径分布特征,本文分别采用高压压汞实验、低温N2吸附实验、低温CO2吸附实验对宏孔、介孔和微孔的孔隙结构特征进行研究。

沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩样品N2吸附-脱附曲线(图3a)与IUAPC定义的Ⅳ型等温吸附曲线和H3型迟滞环类型相似[24-25]。吸附曲线在相对压力(p/p0)<0.5时,曲线向上微凸,当相对压力(p/p0)>0.5时,曲线由缓慢上升逐渐变为迅速上升,在相对压力(p/p0)接近1.0时曲线急剧上升。样品在吸附氮气的过程中出现了毛细管凝聚的现象,脱附曲线与吸附曲线不完全重合,产生了回滞环,脱附曲线在相对压力(p/p0)=0.5时陡然下降,在相对压力(p/p0)小于0.45时,与吸附曲线相差较小,随着相对压力的减小,逐渐趋于重合。表明阳泉区块上古生界煤系页岩孔隙结构以狭缝型孔和板状孔为主。阳泉区块上古生界煤系页岩样品CO2吸附-脱附曲线(图3b)与IUAPC定义的Ⅰ型等温曲线相似,其吸附气量整体增加较少,在饱和蒸气压阶段吸附量接近饱和,可以反映出页岩中微孔填充现象,说明有小于2 nm微孔的存在,因为此时的CO2吸附-脱附过程是在相对压力(p/p0)较小的情况下进行,没有毛细管凝聚现象的产生,所以脱附曲线与吸附曲线重合。

结合高压压汞法、低温N2和CO2气体吸附实验结果(表3和图4),进一步分析阳泉区块上古生界煤系页岩样品表明:平均孔径介于21.58~37.83 nm,平均28.80 nm,较淮南煤田山西组煤系页岩[27]略大。阳泉区块上古生界煤系页岩样品总孔容介于0.025 5~0.051 7 mL/g,平均为0.038 9 mL/g,微孔、介孔、宏孔的孔容平均分别为0.004 3、0.025 9、0.008 6 mL/g,其中,介孔所占比例最高,其次是宏孔,微孔虽数量较多,但其体积小,因此所占比例最小。阳泉区块煤系页岩样品的总比表面积主要分布在12.64~40.98 m2/g,平均为28.43 m2/g,微孔、介孔、宏孔的比表面积平均值分别为14.38、12.76、1.28 m2/g,为页岩气的储集和吸附提供了储存空间。阳泉区块煤系页岩样品总孔容和总比表面积与黔北地区龙马溪组海相页岩[39]相仿,但孔容分布有所不同,黔北地区龙马溪组海相页岩宏孔孔容更大。阳泉区块煤系页岩样品总孔容和总比表面积较川南地区龙马溪组海相页岩[40]较大,不同类型孔隙分布特征基本一致。

表3 沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩样品孔隙结构特征参数Table 3 Characteristic parameters of pore structure of coal-measure shale samples from Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

图4 沁水盆地阳泉区块煤系页岩孔隙孔容和比表面积分布Fig.4 Distribution of the pore volume and the specific surface area of coal-measure shale in Yangquan Block,Qinshui Basin

阳泉区块上古生界煤系页岩样品孔隙的孔容与比表面积之间存在一定的关系(图5):微孔、介孔的孔容与比表面积呈良好的正相关性,而宏孔孔容与比表面积则相关性差。总体而言,孔容与比表面积呈一定的正相关性,这与张敏等[23]对新疆阜康地区八道湾组页岩样品的研究认识基本一致。

综上所述,沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩总孔容平均为0.0389 mL/g,总比表面积平均为28.43 m2/g,平均孔径为28.80 nm,孔隙主要为微孔、介孔,因而具有较好的页岩气储集性能,但页岩储层可压裂性较差,会对页岩气的开发造成不利的影响。

图5 沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩孔容与比表面积的关系Fig.5 Relationship between the pore volume and the specific surface area of coal-measure shale of Upper Paleozoic in Yangquan Block,Qinshui Basin

4 结论

a.沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩有机质丰度较高(TOC平均为4.9%),热演化程度处于过成熟阶段(Rran平均2.32%);矿物组分中黏土矿物含量较高(质量分数平均为50.0%),脆性矿物含量较低。

b.阳泉区块上古生界煤系页岩具有低孔低渗特征,孔隙率平均为6.61%,渗透率平均为0.006 3×10-3μm2,孔隙类型以粒间孔、粒内孔和微裂缝为主,为页岩气的赋存提供了储集空间。

c.阳泉区块上古生界煤系页岩孔隙总孔容为0.025 5~0.051 7 mL/g(平均0.038 9 mL/g),总比表面积为12.64~40.98 m2/g(平均28.43 m2/g),微孔、介孔的孔容与比表面积呈良好的正相关性,说明微孔和介孔是阳泉区块煤系页岩气储集的主要载体。

d.阳泉区块上古生界煤系页岩具有较好的页岩气储集性能,但页岩储层可压裂性较差,会影响页岩气的开发。

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