2019, Vol. 37扩展功能
文章信息
- 赵帮胜, 李荣西, 覃小丽, 刘福田, 吴小力, 赵迪, 刘齐, 周伟
- ZHAO BangSheng, LI RongXi, QIN XiaoLi, LIU FuTian, WU XiaoLi, ZHAO Di, LIU Qi, ZHOU Wei
- 鄂尔多斯盆地中部上古生界山西组页岩储层特征
- Characteristics of Shale Reservoirs in the Upper Paleozoic Shanxi Formation, Central Ordos Basin
- 沉积学报, 2019, 37(6): 1140-1151
- ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2019, 37(6): 1140-1151
- 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.054
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文章历史
- 收稿日期：2019-01-08
- 收修改稿日期: 2019-04-16
页岩气是广泛关注的一种新型天然气，通常指赋存于富有机质泥岩、页岩及隔夹层中以吸附态或游离态赋存的非常规天然气[1-2]。页岩具有吸附聚集和自生自储原位成藏特点[3-4]，许多学者对页岩储层评价内容与方法进行了探索，主要包括岩石学特征、矿物类型及含量、孔隙与裂缝发育特征以及物性特征等[3-6]。前人研究表明，页岩中石英和长石等脆性矿物含量越高，页岩越易于进行储层改造并形成相互连通的裂缝网络，有利于页岩气开采[5-6]。较高的石英含量是Barnett页岩能够通过水力压裂获得页岩气高产的主要原因[7]。显微微观孔隙和裂缝是影响页岩气成藏和含气量的重要因素[7-8]，大量研究发现，页岩中除了发育与矿物和成岩作用有关的孔隙外，还包括页岩中显微组分发育的有机质孔[9-12]。北美海相富有机质页岩发育大量纳米—微米级孔隙和裂缝 [3, 13-15]，其页岩储层孔隙度主要在1%~15%之间，渗透率一般小于0.1×10-3 μm2[7, 16]。
鄂尔多斯盆地含有两套主要的页岩气目的层，一套是中生界延长组长7半深湖—深湖相富有机质黑色页岩层系，该套黑色富有机质页岩已水力压裂成功并获得了工业气流，对其储层和物性特征已有较多的研究成果[17]；另一套是上古生界本溪组、太原组和山西组海陆过渡相页岩层系，其中在鄂尔多斯盆地中部地区山西组页岩厚度一般大于50 m，局部地区可达100 m[18]。而且山2段为浅海相富有机质页岩，山1段为浅湖相富有机质页岩[19]。总的来看，鄂尔多斯盆地山西组页岩有机质丰度较高，TOC平均含量大于1.0%，有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，处于高成熟—过成熟的大量生气阶段，页岩气勘探潜力巨大[18-21]。目前，对鄂尔多斯盆地山西组页岩气探勘主要集中在页岩沉积环境[19, 21]、有机质地球化学和生烃热模拟等方面[22-24]，认为山西组页岩具有较大的生烃潜力，但对山西组页岩储层特征及其控制因素的研究相对不足。本文通过对山西组页岩岩石学特征、矿物学、页岩储集空间、孔隙结构和物性特征等进行分析研究，探讨山西组页岩储层特征，为页岩气勘探开发提供基础研究资料。
1 地质概况及样品分析鄂尔多斯盆地位于华北板块西部，由伊盟隆起、天环凹陷、伊陕斜坡、西缘逆冲带、渭北隆起和晋西挠褶带6个二级构造单元组成。中晚元古代—早古生代鄂尔多斯盆地属于华北地台组成部分，沉积了厚度巨大的海相碳酸盐岩。由于加里东运动影响，中奥陶世末期盆地逐渐抬升，遭受剥蚀，缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系和下石炭统[25]。中晚石炭世，鄂尔多斯盆地开始沉降，接受沉积，本溪期—太原期为陆表海沉积，形成了陆源碎屑岩和浅水碳酸盐岩沉积。山西期海水开始从盆地退出，逐渐向近海湖盆转化，形成了一套以暗色泥岩、页岩和砂岩为主的海陆过渡相含煤碎屑岩沉积[26-27]（图 1）。
样品采自于鄂尔多斯盆地中部下寺湾地区两口页岩气探井（图 1）。在岩芯观察的基础上，将页岩样品首先磨制薄片进行显微镜下鉴定，初步确定页岩岩石学和矿物学特征。之后将样品粉碎过200目筛，送至国土资源部西安矿产资源监督检测中心进行全岩X射线衍射测试，定量分析页岩矿物组成，并在长安大学教育部成矿作用及其动力学实验室进行扫描电镜岩石学观察和物性分析。为了便于分析和对比页岩储层物性控制因素，这些样品也进行了总有机碳（TOC）和镜质体反射率（Ro）测试。
2 岩石学与矿物组成特征山西组页岩岩性主要为黑色泥岩、黑色页岩、灰黑色泥岩和深灰色粉砂质泥岩等，偶夹纹层粉砂岩，层面分布有大量云母和少量植物化石碎片（图 2a，b）。偏光显微镜下观察发现泥页岩中存在少量漂浮状碎屑石英颗粒，分布不均匀，分选较差，多呈次棱角状—次圆状（图 2c，d）。
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| 图 2 山西组页岩岩性特征 (a)黑色泥岩岩芯，断面可见植物化石，CY2井，山2段，3 445.30 m；(b)灰黑色粉砂质泥岩，断面可见云母碎片，CY1井，山2段，3 500.20 m；(c)泥岩显微镜下特征，CY1井，山西组，3 437.90 m；(d)粉砂质泥岩显微镜下特征，CY2井，山西组，3 437.20 m；(e)山西保德县扒楼沟山2段页岩 Fig.2 Lithological characteristics of Shanxi Formation shale |
全岩X射线衍射分析结果表明，山西组页岩中黏土矿物含量较高，在43.5%~98%之间，平均为59.6%；石英含量在2.0%~50.6%之间，平均为36.9%。黏土矿物中主要矿物为高岭石和伊蒙混层，伊利石和绿泥石次之。高岭石含量介于18.0%~84.0%，平均为37.0%；伊蒙混层含量介于0~63.0%，平均为40.8%，其中伊蒙混层中主要为伊利石层，蒙脱石层含量较低，仅占伊蒙混层的14.6%，表明山西组泥页岩已进入晚成岩阶段；绿泥石含量介于4.0%~25.0%，平均为14.7%；伊利石含量介于1%~15%，平均为7.5%。
决定页岩是否具有勘探潜力的一个重要因素是页岩的可压裂性，国内外学者将脆性指数作为页岩可压裂性评价的重要参数[28-30]。目前页岩脆性指数的计算主要通过矿物含量和岩石力学参数两种方法[28-29]。通过矿物含量计算脆性指数的公式为：Brit=(WQFR+WCarb)/WTot，其中，Brit为脆性指数，WQFR为石英、长石和云母含量，WCarb为碳酸盐矿物含量，主要包括方解石和白云石等，WTot为矿物总含量[28]。根据X衍射分析数据可知，研究区山西组页岩脆性系数在0.02~0.565之间，平均为0.404。研究表明，美国东部页岩气高产的页岩石英含量很高，平均在40%以上，最高可达75%[31]。Wang[32]研究发现石英含量大于25%时，泥页岩储层才具有可压裂性，石英含量为35%时，页岩储层的可压裂性最好。与北美Barnett页岩相比，山西组页岩中黏土矿物含量较高，平均达到59.6%；而脆性指数为0.404，相对北美页岩较低（表 1、图 3），不利于页岩气储层进行水力压裂。
| 页岩名称 | Antrim | Ohio | New Albany | Barnett | Lewis | 山西组 |
| 所在盆地 | Michigan | Appalachian | Illinois | Fort Worth | San Juan | 鄂尔多斯盆地 |
| 层位 | 泥盆系 | 泥盆系 | 泥盆系 | 石炭系 | 白垩系 | 二叠系 |
| 黏土矿物% | 30~50 | 20~80 | 30~50 | 20~40 | 13~23 | 59.6 |
| 石英含量/% | 20~41 | 45~60 | 50 | 35~50 | 50~75 | 36.9 |
| 孔隙度/% | 2.0~10.0 | 2.0~11.0 | 5.0~15.0 | 1.0~6.0 | 0.5~5.5 | 0.77 |
| 渗透率/×10-3μm2 | < 0.1 | < 0.1 | < 0.1 | 0.1 | < 0.1 | 0.05 599 |
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| 图 3 山西组页岩矿物组成三角图 Fig.3 Ternary diagram of mineral content of Shanxi Formation shale |
通过显微镜和扫描电镜下观察，并参考Loucks et al.[9]的分类方案，将山西组页岩孔隙分为有机质孔和矿物质孔，矿物质孔进一步可分为粒间孔、晶间孔、粒内孔和溶蚀孔等。
（1）有机质孔：指存在于页岩中显微有机组分内部，有机组分生烃热演化而形成的气孔[33]，这些气孔对于改善泥页岩储层物性具有一定的积极作用。油浸物镜和扫描电镜下观察发现山西组页岩有机质孔主要发育在丝质体和镜质体中，单个有机质孔呈椭圆形、圆形、长条形以及不规则状等多种形态的纳米—微米级孔隙，孔径一般在0.1~20 μm之间。有机质孔隙边界清晰，部分气孔相互连通形成较大的长条形或不规则状气孔（图 4）。总体来看，山西组页岩中有机质孔较为发育，这与本区山西组泥页岩热演化程度较高（Ro平均为2.3%）大量生烃有关[34]。
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| 图 4 山西组页岩有机质孔显微特征 (a)(b)丝质体中孔隙，CY2井，山2段，3 454.30 m，显微镜下油侵反射光；(c)镜质体中孔隙，CY1井，山1段，3 456.40 m，显微镜下油侵反射光；(d)(e)镜质体中孔隙，CY1井，山1段，3 440.10 m，扫描电镜；(f)镜质体中孔隙，CY2井，山2段，3 490.10 m，显微镜下油侵反射光 Fig.4 Organic matter micropores in Shanxi Formation shale |
（2）粒间孔：指页岩中黏土矿物、石英、长石和方解石等矿物之间的孔隙，这类孔隙在砂质含量较高的粉砂质泥页岩中较为发育。扫描电镜观察发现山西组页岩中主要为黏土矿物粒间孔，孔径多为1~10 μm（图 5c）。
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| 图 5 山西组页岩矿物质孔 (a)高岭石晶间孔，CY1井，山2段，3 502.10 m；(b)高岭石晶间孔，CY2井，山1段，3 434.09 m；(c)黏土矿物晶间孔、粒间孔，CY1井，山2段，3 510.20 m；(d)高岭石晶间孔，CY2井，山西组，3 434.09 m；(e)草莓状黄铁矿晶间孔，CY1井，山2段，3 512.25 m；(f)溶蚀孔，CY2井，山1段，3 449.90 m；(g)伊利石晶间孔，CY2井，山1段，3 434.09 m；(h)黏土矿物晶间，CY1井，山1段，3 440.10 m；(i)黏土矿物晶间孔、粒内孔，CY2井，山2段，3 490.10 m Fig.5 Mineral pores in Shanxi Formation shale |
（3）晶间孔：发育在黏土矿物颗粒间的晶间孔一般呈长条状，宽度一般为0.1~1 μm（图 5a~d）。草莓状黄铁矿集合体内的粒内孔一般呈椭圆状和不规则状，孔径一般为0.1~1 μm（图 5e）。
（4）粒内孔：指页岩中各类矿物内部的孔隙，主要发育在黏土矿物和石英等晶形较好、晶体粗大的矿物集合体中，多为成岩作用引起。山西组页岩中黏土矿物粒内孔孔径一般为0.1~10 μm（图 5i）。
（5）溶蚀孔：指泥页岩中矿物内部或表面发生溶蚀作用而产生的孔隙，该类孔隙边缘粗糙不光滑，部分被黏土矿物充填。山西组页岩中溶蚀孔发育较少，主要发育在方解石和长石等矿物颗粒中，孔径为1~10 μm，部分被黏土矿物充填（图 5f）。
总的来看，研究区山西组页岩中孔隙类型以黏土矿物粒间孔和晶间孔为主，有机质孔仅在有机质含量较高的页岩层段中较为发育，而粒内孔和溶蚀孔含量较低。与四川盆地龙马溪组和北美页岩相比，山西组中有机质孔含量相对较低，这可能与龙马溪组和北美页岩中相对较高的有机质含量有关。
3.2 裂缝裂缝是影响页岩含气量、页岩气聚集和分布的重要因素，是页岩气的主要渗流通道，直接决定了页岩渗透率高低，控制页岩气藏的产能[7]。裂缝可增加页岩中游离气含量，并有助于吸附气的解析。但是裂缝规模过大，会导致页岩气散失，不利于形成页岩气藏。通过野外露头、岩芯、薄片和扫描电镜观察，并参考聂海宽等[35]的裂缝分类方案，将山西组页岩裂缝分为宏观裂缝和微裂缝，其中微裂缝可以进一步分为泥页岩微裂缝和有机显微组分微裂缝。
3.2.1 宏观裂缝通常，在野外露头和岩芯等宏观尺度上可以肉眼观察的裂缝称为宏观裂缝。宏观裂缝主要是通过构造应力、成岩作用和生烃作用等形成的，是山西组页岩中常见的裂缝类型之一（图 6），也是泥页岩储层流体的主要渗流通道之一，能有效地改善储层物性。但如果裂缝规模过大，不利于页岩气成藏。大型宏观裂缝是泥页岩受区域构造应力作用而产生的，其规模大，延伸广，具有一定的方向性（图 6a）。大型宏观裂缝是泥页岩排烃的通道，容易导致泥页岩中烃类气体的散失，不利于形成页岩气藏。Barnett页岩开发经验表明，在大型裂缝发育的地区，页岩气井的产量一般较低[7]。小型宏观裂缝主要是泥页岩中有机质生烃作用和黏土矿物脱水作用等形成[8-9]，与构造应力关系不大（图 6b~d）。这类裂缝一般规模较小，是游离气与吸附气解析后的重要储集空间和渗流通道，对页岩气藏形成和保存极为有利。
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| 图 6 山西组页岩中的宏观裂缝 (a)大型宏观裂缝，山西保德扒楼沟，山西组；(b)小型宏观裂缝，CY1井，山西组，3 437.93 m；(c)小型宏观裂缝，CY1井，山西组，3 444.40 m；(d)小型宏观裂缝，CY2井，山西组，2 576.20 m Fig.6 Macrofractures in Shanxi Formation shale |
研究表明，构造力学背景相同时，页岩中的裂缝发育程度主要受有机碳含量（TOC）和石英含量控制[36]。北美Ohio页岩中，有机碳含量高的黑色页岩层段裂缝也较为发育，而有机碳含量相对较低的浅色泥页岩中裂缝发育程度较低；并且泥页岩厚度越薄越有利于裂缝的发育[35, 37]。石英含量也是影响泥页岩中裂缝发育的重要因素，石英具有高的脆性，在外力作用下易破碎产生裂缝网络并保持这些裂缝网络的开放性和连通性[7, 32, 38]。
3.2.2 微裂缝微裂缝是指宽度小于0.01 mm，长度小于0.01 m的裂缝，这类裂缝主要由有机质生烃作用和黏土矿物脱水作用形成[39]。显微镜和扫描电镜下观察表明，山西组页岩中微裂缝较为发育，赋存于页岩和有机显微组分中。其中，页岩微裂缝宽度一般在1~10 μm之间，少数可达十几微米，甚至几十微米（图 7）。单条裂缝多呈直线状和弯曲状，裂缝面平滑，未见明显的相互位移和错动，表明这种微裂缝的形成与构造应力关系较小。
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| 图 7 山西组页岩中的微裂缝 (a)泥页岩中微裂缝，CY1井，山1段，3 444.0 m；(b)泥页岩中微裂缝，CY1井，山1段，3 444.1 m；(c)泥页岩中微裂缝，CY2井，山2段，3 486.9 m；(d)泥页岩中微裂缝，CY2井，山1段，3 449.8 m Fig.7 Microfractures in Shanxi Formation mud shale |
有机显微组分微裂缝是研究区山西组页岩中另一种重要的页岩气储集空间。有机显微组分微裂缝是在有机质生烃、构造运动和地层流体压力等过程的作用下形成的[39]。在扫描电镜下观察发现，山西组页岩有机显微组分中镜质体和丝质体中发育大量微裂缝（图 8）。镜质体中微裂缝宽度一般在1~10 μm之间，单个裂缝形态主要为直线状（图 8a，b），裂缝面光滑平整，错动和位移不明显。丝质体中的微裂缝一般沿丝质体横断面（图 8c）和径向面（图 8d）分布，缝宽一般变化不大，多在1~15 μm之间。
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| 图 8 山西组页岩有机显微组分微裂缝 (a)镜质体中微裂缝，CY1井，山1段，3 440.1 m；(b)镜质体中微裂缝，CY1井，山1段，3 444.4 m；(c)丝质体中微裂缝，CY2井，山2段，3 488.2 m；(d)丝质体中微裂缝，CY2井，山1段，3 441.9 m Fig.8 Microfractures in organic macerals in Shanxi Formation shale |
为了更准确地反应山西组页岩裂缝发育特征，对研究区内10件山西组页岩进行裂缝的面密度统计计算（表 2）。在定量评价山西组页岩裂缝发育程度时，采用牛小兵等提出的裂缝发育程度评价方法[40]，分析页岩样品裂缝发育程度。裂缝面密度是测量的裂缝长度之和与测量面面积的比值。研究区10个山西组页岩裂缝面密度统计结果表明（表 2），页岩裂缝面密度介于10.2/m~237.5/m，平均为116.6/m。根据上述裂缝评价标准，山西组页岩裂缝极为发育，裂缝发育程度属于极高（Ⅰ级）级别。
| 井名 | 深度/m | 地层 | 样号 | 裂缝长度/cm | 测量面积/cm2 | 裂缝面密度/m-1 |
| CY2井 | 3 440.30 | 山1段 | A-01 | 0.44 | 4.32 | 10.2 |
| 3 444.00 | A-02 | 55 | 57.6 | 95.5 | ||
| 3 449.10 | A-03 | 10.89 | 5.44 | 200.3 | ||
| 3 490.10 | 山2段 | A-04 | 0.88 | 5.76 | 15.3 | |
| 3 494.40 | A-05 | 6.2 | 5.12 | 121.1 | ||
| CY1井 | 3 434.09 | 山1段 | B-01 | 212 | 4.16 | 50.9 |
| 3 442.22 | B-02 | 15.2 | 6.4 | 237.5 | ||
| 3 449.10 | B-03 | 6.85 | 5.44 | 125.9 | ||
| 3 453.35 | B-04 | 11.9 | 6.72 | 177.1 | ||
| 3 460.71 | B-05 | 5.94 | 4.48 | 132.6 | ||
| 平均值 | 116.6 | |||||
山西组页岩毛管压力曲线偏向图像右侧并且向上方靠拢，普遍呈陡坡迅速上升，随后又缓慢上升，但平缓段较短（图 9），排驱压力较大，在8.18~11.55 MPa之间，平均为9.299 MPa，表明进汞量小，压力偏高，反映页岩孔喉偏细，分选较差。
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| 图 9 山西组页岩压汞法毛细管压力曲线 (a)CY1井，山西组，3 440.3 m；(b)CY2井，山西组，3 460.71 m Fig.9 Capillary pressure curves for Shanxi Formation shale |
山西组页岩样品物性分析结果表明，孔隙度在0.4%~1.5%之间，平均为0.77%，渗透率在0.007×10-3 μm2~0.24×10-3 μm2之间，平均为0.06×10-3 μm2。与北美页岩相比，山西组页岩孔隙度明显偏低，而渗透率相对较高（表 1），这可能是由于研究区山西组页岩中裂缝较为发育，对渗透率具有一定的贡献。孔隙度与渗透率之间没有相关性，表明山西组页岩中孔隙连通性差。
5.2 储层物性影响因素分析大量研究表明，页岩物性主要受沉积环境、成岩作用、有机碳含量和矿物组成等因素控制[34-35, 41-43]。本文主要对有机碳含量（TOC）、镜质体反射率（Ro）、黏土矿物和石英等对孔隙度的影响进行探讨。
山西组页岩TOC和Ro与孔隙度均呈明显的正相关性（图 10），表明TOC和Ro是页岩孔隙度大小重要的控制因素。研究区山西组页岩有机质演化程度较高，达到了高成熟—过成熟阶段。有机质生烃过程中，在有机显微组分中形成大量的有机质孔，提高了页岩的孔隙度，增加了页岩气的有效储集空间。
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| 图 10 山西组页岩TOC、Ro与孔隙度关系图 Fig.10 Relationships between TOC, Ro and porosityin Shanxi Formation shale |
研究表明，黏土矿物对孔隙度贡献较大的原因是其晶体形态多呈层状和片状，发育较多的晶间孔和粒间孔[44]。在扫描电镜下观察到山西组页岩中含大量的微米级黏土矿物晶间孔和粒间孔，它们是有效的页岩气储集空间。因此，黏土矿物与孔隙度呈一定的正相关性（图 11）。页岩中石英可以增强页岩的抗压实能力，有利于页岩中孔隙和裂缝的保存，理论上石英含量与页岩孔隙度具有一定的正相关性[44-45]。但山西组页岩中石英含量与孔隙度呈一定的负相关性（图 11），可能是后期较强的成岩改造和压实作用的影响。
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| 图 11 山西组页岩黏土矿物、石英含量与孔隙度关系图 Fig.11 Relationships between clay mineral and quartzcontent and porosity in Shanxi Formation shale |
裂缝面密度与页岩渗透率关系显示（图 12），面密度大的页岩样品渗透率也相对较高。虽然山西组页岩孔隙度普遍偏低，但裂缝的普遍发育提高了页岩储层的渗透率，有利于页岩气渗流和聚集成藏。
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| 图 12 山西组页岩裂缝面密度与渗透率关系图 Fig.12 Relationships between areal density of fractures and permeability in Shanxi Formation shale |
鄂尔多斯盆地中部山西组页岩沉积于海陆过渡相沉积环境，构造稳定，构造变形较弱，有利于页岩气保存[19]。前人研究表明山西组页岩厚度较大，埋深适中，生气条件较好，含气量较高[18, 20, 22-23, 44]。储层分析结果显示山西组页岩具有黏土矿物含量高、脆性指数低和储层致密的特点。虽然山西组页岩具有较好的生烃条件、含气量和页岩气保存条件，但较差的储层地质条件可能制约页岩气的规模开发。由此可见，鄂尔多斯盆地山西组页岩气储层地质条件总体一般，开发前景不好。储层裂缝分析结果表明山西组页岩中微裂缝的发育提高了页岩渗透率，有利于页岩气聚集成藏。因此，应该加强鄂尔多斯盆地山西组页岩储层非均质性研究，在微裂缝发育、物性较好的页岩层位和地区仍然具有较好页岩气勘探开发潜力。
7 结论（1）鄂尔多斯盆地中部山西组页岩形成于海陆过渡环境，页岩厚度大，分布广，岩性主要为黑色页岩、黑色泥岩夹纹层状或薄层深色粉砂岩，矿物成分主要由黏土矿物和石英组成，分别为56.9%和36.9%。与北美页岩相比，山西组页岩脆性指数较低，不利于后期水力压裂。
（2）山西组页岩孔隙类型以黏土矿物粒间孔和晶间孔为主，孔径为纳米—微米级，有机质孔只在有机质含量较高的页岩中较为发育；页岩中宏观裂缝和微裂缝广泛发育，裂缝面密度高达116.6/m。
（3）山西组页岩较为致密，孔隙度平均为0.77%，渗透率平均为0.06×10-3 μm2。山西组页岩孔隙度与TOC、Ro和黏土矿物含量呈正相关性，与石英含量呈负相关性。裂缝的发育提高了山西组页岩渗透率，有利于页岩气聚集成藏。综合分析表明山西组页岩气储层地质条件一般，开发难度较大，但在裂缝发育、物性较好的层位和地区仍具有较好的页岩气勘探开发前景。
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