郭 军, 苑 坤, 郭经纬, 陈相霖, 李 岩
(1.湖南省地球物理地球化学调查所,湖南 长沙 410116; 2. 中国地质大学(北京),北京 100083;3.中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100083)
近年来,随着我国加大页岩气勘探开发力度,国内学者针对页岩气地层的生烃条件、储集特征、成藏规律等方面开展了大量研究[1-4],在四川盆地及其周缘地区的涪陵、富顺—永川、长宁—威远等地均获得了页岩气勘探的重大突破,并形成了工业化开发[5-6]。石炭系打屋坝组是四川盆地周缘海相沉积中发育富有机质泥页岩的层位之一,同时也是桂中—南盘江地区页岩气勘探的目标地层[7-9],但目前针对打屋坝组储层的认识和勘探实践还较少。黔水地1井位于贵州省六盘水市市郊,是一口以探明打屋坝组页岩气地质形成条件及含气性,获取资源评价关键参数为目的页岩气调查井,在钻探过程中获得了良好的页岩气发现[10]。本文结合实钻数据与室内解释,系统研究了黔水地1井的页岩储层含气性及其可压性特征,对该地区的下一步勘探方向可起到引导作用,有助于准确寻找页岩气产能建设的目标区。
桂中—南盘江地区位于上扬子地块的六盘水断陷区,垭都—紫云—罗甸裂陷槽西部,黔西南坳陷与黔中滇东隆起交接处(图1)。根据区域调查和野外露头资料,研究区及周缘地区在早石炭世呈现北东高、南西低的构造格局,早石炭世晚期—早二叠世,研究区主要受垭都—紫云断裂带和区内NEE向的隐伏断裂共同控制,同沉积断裂对研究区内的古地理演化起到了控盆、控相作用。
图1 研究区构造位置Fig.1 Structural location of the study area
黔水地1井位于桂中—南盘江地区的中北部,钻遇地层自上而下依次为: ①第四系(Q4),厚21 m,主要发育黄色、棕黄色含砾、泥砾黏土层; ②下石炭统南丹组(C1n),厚1 426 m,主要发育浅灰色泥晶-中细粒生屑灰岩,底部碳质泥岩增多; ③下石炭统打屋坝组(C1dw),四段层厚66 m,主要发育灰色灰质泥页岩; 三段厚288 m,主要发育深灰色灰质泥岩、灰质页岩、灰色泥晶灰岩; 二段层厚122 m,主要发育深灰色灰质页岩夹灰黑色碳质泥岩; 一段层厚533 m,主要发育深灰色硅质泥岩、泥岩、灰质泥岩,性软、吸水性好,见少量黄铁矿颗粒; ④下石炭统睦化组(C1m)主要发育深灰色黏土岩(图2),估算目的层打屋坝组地层压力系数约1.30,属于高压储层。黔水地1井打屋坝组地质录井综合柱状图见图2。
图2 黔水地1井打屋坝组地质录井综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of geological logging in Dawuba Formation of Qianshuidi 1 Well
2.1 岩相组合特征
根据实钻资料,黔水地1井的全井地层具有灰质泥页岩-泥晶灰岩-灰质泥岩、灰质页岩-泥岩岩相组合特征,表现为碳酸盐斜坡相的下斜坡亚相过渡至台盆相,其环境闭塞、能量较低,是发育页岩气层的有利相带。
2.2 有机地球化学特征
全井采用美国Leco CS230碳硫分析仪完成103项次的岩心样品测试,分析精度优于0.5%。测试结果表明: 打屋坝组总有机碳(total organic carbon,TOC)含量为0.33%～3.67%,平均 0.92%。其中打屋坝组三段中下部测试47件样品,岩性主要为深灰色、灰黑色泥页岩,TOC为0.33%～3.67%,平均1.05%; 二段测试4件样品,岩性为灰黑色泥岩,TOC为0.88%～1.13%,平均1.01%; 一段上部测试10件样品,岩性为灰黑色泥岩、灰质泥岩,TOC为0.48%～1.42%,平均1.13%。整体上,打屋坝组一段上部—三段中下部达到了好—优质烃源岩的标准,具有较好的生烃潜力。
2.3 孔渗特征
2.4 含气特征
根据气测录井结果,黔水地1井全井气显示好的地层主要集中在TOC值较高的打屋坝组一段上部—三段中下部井段1 540～2 070 m,其气测全烃最大值为63.41%,甲烷最大值为63.40%。现场解吸68件样品,气量为0 ～1.18 m3/t ,总含气量最高达2.58 m3/t,平均含气量为1.08 m3/t。多回次岩心出筒后的浸水实验显示岩心均冒泡强烈,呈密集串珠状(图3)。多次关井点火,火焰最高达3.0 m,最长持续60 min火焰高度未降,火焰呈黄色。打屋坝组在未压裂的情况下已能形成稳定的页岩气流,具备良好的勘探开发潜力。
图3 黔水地1井浸水实验照片Fig.3 Water immersion experiment photo of Qianshuidi 1 Well
3.1 岩石矿物学特征
全井采用可读最小步长0.000 1°的Bruker D8 advance X射线衍射仪对47件岩心样品进行全岩测试,分析显示打屋坝组的矿物成分以方解石、黏土矿物为主,其次为石英、白云石,少量黄铁矿、菱铁矿等,脆性矿物含量(长英质矿物与碳酸盐岩矿物之和所占矿物总量的百分比)为31%～100%(图4); 垂向上,脆性矿物的总含量随着泥质含量的增加而减少,受岩性岩相控制显著。其中,主要含气层段打屋坝组一段上部—三段中下部的脆性矿物含量为31%～94%,平均73.5%。
图4 黔水地1井打屋坝组脆性矿物含量统计Fig.4 Content statistics of brittle minerals in Dawuba Formation of Qianshuidi 1 Well1 ft=0.304 8 m。
3.2 裂缝发育特征
根据岩心观察,打屋坝组裂缝较发育,主要为水平裂缝和斜裂缝(图5),缝宽0.1～10 mm,多呈现为半充填或未充填状态,部分全充填。充填物质多为方解石、泥质等,镜下观察显示裂缝主要为构造微裂缝和成岩微裂缝。其中,构造微裂缝呈现切穿矿物颗粒、方解石脉及缝合线现象,具有一定的开启度并未被充填,大多数为有效裂缝; 成岩微裂缝缝宽多分布在0.02～0.1 mm,充填物主要为有机质、方解石、黄铁矿。
图5 黔水地1井斜裂缝岩心照片Fig.5 Core photo of diagonal cracks in Qianshuidi 1 Well
通过采用哈里伯顿公司LOG-IQ测井系列的XRMI电成像测井和Geoframe解释系统,得出黔水地1井高导缝参数定量计算结果为: 井段1 400～1 650 m,裂缝长度<11.812 m/m2,平均2.520 m/m2; 裂缝密度<8.202条/m,平均2.464条/m; 裂缝孔隙度<0.668%,平均0.084%; 井段1 650～2 400 m,裂缝长度<8.193 m/m2,平均2.097 m/m2; 裂缝密度<6.562条/m,平均2.084条/m; 裂缝孔隙度<0.227%,平均0.028%。
综上可知,打屋坝组天然裂缝发育,为页岩气的保存成藏提供了储集空间,也为后期压裂改造并形成复杂裂缝网络提供了良好条件。
3.3 岩石力学特征
采用ECLIPS-5700测井系统和eXpress解释系统开展交叉偶极子阵列声波测井采集数据并进行处理,结果显示黔水地1井以页岩为主的地层纵波时差主要分布在70～102 μs/ft(1)1 ft=0.304 8 m。,横波时差主要分布在130～190 μs/ft(2)1 ft=0.304 8 m。,纵横波速度比主要分布在1.6～2.1; 主要含气层段1 540～2 070 m 的泊松比为0.25～0.35,平均0.31; 体积弹性模量为 18.8～46.1 GPa,平均27.2 GPa; 破裂压力为29.7～48.5 MPa。
3.4 地应力方向特征
地应力方向与井眼崩落及诱导缝的方向的关系密切。在直井中,从图像上分析井眼崩落及钻井诱导缝的发育方向可以确定最大或最小水平主应力的方向[13-15]。根据微电阻率扫描成像测井数据,黔水地1井的井段1 415～1 445 m、2 050～2 052 m诱导缝发育。下部由于泥质含量高,地层塑性强,诱导缝发育较少; 井段1 400～1 650 m井眼崩落特征不明显,井段1 650～2 400 m井眼崩落局部发育。两者揭示的最大水平主应力方向均为NW—SE向。
黔水地1井的储层可压性评价分为3个方面。
(1)具备易形成复杂裂缝网络的能力。黔水地1井地区处于拉张、挤压、剪切等多种应力的作用之下,天然裂缝发育,且具有与NW向的最大主应力方向相近的高角度裂缝,使得页岩内的拉张应力得到了有效释放,导致主应力差减小,有利于储层的压裂改造; 上部高应力差的灰岩岩层的存在可有效控制压裂缝的纵向延伸高度,有助于泥页岩井段的压裂效果。而黔水地1井中走向、倾向均杂乱分布的高阻缝,也为天然裂缝和压裂缝在体积改造过程中形成复杂裂缝网络提供了便利条件。
(2)具备较好的破裂潜力的脆性矿物可以反映页岩的脆性程度,其含量在一定程度上决定了页岩的可压裂性。脆性矿物含量的统计结果(图4)显示黔水地1井主要含气层段打屋坝组一段上部—三段中下部的脆性矿物总含量为31%～94%,在外力作用下易发生破碎,后期压裂改造中可产生较多诱导缝,故重点井段具备较好的破裂潜力。
(3)具备较好的裂缝保持能力。弹性模量和泊松比是反映岩石脆性的主要力学参数,弹性模量反映了页岩被压裂后保持裂缝的能力,泊松比反映了页岩在压力下破裂的能力[16]。一般认为岩石的弹性模量越大,泊松比越小,其脆性越高[17-18]。当弹性模量大于 24 GPa、泊松比小于0.25时,页岩的脆性指数高,可压裂性好[19]。依据岩石力学特征,黔水地1井主要含气层段的体积弹性模量(27.2 GPa)和泊松比(0.31)均大于标准值,表明该段地层保持裂缝能力较好,但需要的破裂压力相对较大。
(1)黔水地1井打屋坝组由碳酸盐斜坡相的下斜坡亚相过渡至台盆相,泥页岩发育,打屋坝组一段上部—三段中下部地层达到了好—优质烃源岩的标准,现场气测全烃最大值为63.41%,解吸气量平均值1.08 m3/t,多次关井点火,在未压裂的情况下已能形成稳定的页岩气流。
(2)打屋坝组地层脆性矿物含量为31%～100%,天然裂缝发育,最大水平主应力方向为NW—SE向; 主要含气层段泊松比平均值为0.31,体积弹性模量平均值为27.2 GPa,破裂压力为29.7～48.5 MPa。
(3)打屋坝组主要含气层段具备较好的破裂潜力、裂缝保持能力、大规模体积压裂形成复杂裂缝网络的便利条件等,再加上良好的气显示和较大的地层压力,揭示了该套地层具备压裂形成工业产能的可能,可作为下一步勘探开发的目标层段。
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