第29卷 第6期2010年11月地质科技情报Geolog ical Science and Technolog y InformationVol.29 No.6Nov.2010北美典型页岩气藏岩石学特征、沉积环境和收稿日期:2010 04 27 编辑:杨 勇基金项目:国家自然科学重点基金(石油化工联合基金)项目(40839910);中国石油化工股份有限公司科研项目(J 1407 09 KK 0157)作者简介:杨振恒(1979 ),男,工程师,主要从事石油地质综合研究工作。
E mail:yan gzhen hen g2010@沉积模式及启示杨振恒,李志明,王果寿,腾格尔,申宝剑(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡214151)摘 要:北美典型页岩气藏赋存的泥页岩主要为细颗粒沉积,呈暗色或黑色薄层状或块状产出。
页岩气储层无机矿物成分中硅质含量较高,含有黄铁矿、磷酸盐矿物(磷灰石)、钙质和黏土矿物。
具有相对高有机质质量分数,代表了富有机质的缺氧的沉积环境。
不含或者含较少的陆源碎屑输入。
有机质类型以 和!型干酪根较为常见。
生物化石碎片在页岩层中比较常见,化石碎屑的类型多样化。
重点剖析了福特沃斯盆地Barnett 页岩的沉积发育模式,福特沃斯盆地是一狭长的前陆盆地,主要沉积区离物源区较远,Barnett 页岩沉积于较深的静水缺氧环境,沉积速度缓慢(饥饿性沉积),最终形成富含有机质的Barnett 页岩。
常见生物化石碎片,但缺少生物扰动遗迹,推测盆地中大部分的生物化石为外部输入的结果。
上升流作用致使磷酸盐矿物(磷灰石)发育。
北美典型页岩气藏的岩石学特征、沉积环境和福特沃斯盆地Barnett 页岩沉积发育模式可以用来指导我国页岩气勘探,黔南坳陷下寒武统黑色高碳质页岩系、二叠系吴家坪组和四川广元 绵竹地区下寒武统泥页岩具有和北美典型页岩气藏可类比的岩石学特征、沉积环境和沉积模式,可作为页岩气勘探的优选区域。
关键词:页岩气;岩石学特征;有机碳含量;沉积环境;沉积模式中图分类号:T E122.115 文献标志码:A 文章编号:1000 7849(2010)06 0059 07 近年来,页岩气在北美特别是美国得以成功地勘探和开发,引起了广泛的关注。
国内外学者从页岩气系统出发,对页岩气成藏的有机碳质量分数、成熟度、裂缝系统、温度、压力、抬升与沉降史以及吸附机理等进行了深入的研究[1 7],但是,对页岩气藏发育的泥页岩的岩石学特征、沉积环境和沉积模式研究还较少涉及。
页岩气藏发育的泥页岩具有独特的岩石学特征,识别不同的岩石学特征是评价页岩气成藏条件、原地含气量和资源量的关键。
在页岩气开发阶段,识别不同的岩相是实施开发方案的基础。
在福特沃斯盆地,识别Barnett 页岩岩性是页岩气评价中关键的步骤[8]。
笔者根据北美页岩气研究的最新成果,就页岩气藏发育的泥页岩的岩石学特征、沉积环境及福特沃斯盆地Barnett 页岩沉积模式进行讨论。
北美典型页岩气藏岩石学特征、沉积环境和福特沃斯盆地Barnett 页岩沉积模式对我国页岩气研究和勘探同样具有指导意义。
1 典型页岩气藏岩石学特征页岩气作为非常规天然气资源,其勘探、开发思路和方式与常规油气资源有明显的不同之处。
研究表明,沉积物的岩石学特征是页岩气成藏的重要控制因素[8 10],主要包括泥页岩的构造和粒度特征、有机碳质量分数、岩石矿物组成、生物化石特征等。
1.1岩石构造和粒度特征页岩气藏发育的泥页岩主要为暗色或黑色的细颗粒沉积层,呈薄层状或块状。
德克萨斯州福特沃斯盆地Bar nett 页岩及其上下相邻地层由不同的岩相组成,Barnett 页岩及上下相邻地层可识别出3种岩性[9],分别为薄层状硅质泥岩、薄层状含黏土的灰质泥岩(泥灰)和块状灰质泥粒灰岩。
但是,主力产气层位上Barnett 页岩和下Barnett 页岩以层状硅质泥岩为主,主要由细微颗粒(黏土质至泥质大小)的物质组成(图1)。
Barnett 页岩缺少粗粒的陆源碎屑物质,表明地质历史沉积时期这一地区离陆相物源区较远,属饥饿性沉积,最终形成了层状的Bar nett 页岩沉积充填样式。
富页岩气前景的英属哥伦比亚西北部Baldo nnel 层Ducette 组地层被称之为暗色的以石英为主的细粒页岩,主要由多样的放射性的、碳质的含黏土的灰岩和细粒粉砂岩组成。
1.2岩石矿物质量分数页岩气储层无机矿物成分中硅质质量分数较高,另外还含有方解石和长石等矿物。
所含硅质主地质科技情报2010年图1 德克萨斯州圣萨巴县Barnett 页岩露头(A)和德克萨斯州兰帕瑟斯县Barnett 页岩出露层(B)[11]Fig.1 Barnett shale in outcr op in San S ab a County,T exas (A)and th e Barn ett s hale in Lampasas County,Texas (B)要为自生石英,其增加了岩石的脆性,易产生天然和诱导裂缝,增加气存储量和内部微孔的连通能力。
页岩层中普遍含有黄铁矿和磷酸盐矿物(磷灰石),主要是缺氧环境沉积的产物,磷酸盐矿物(磷灰石)可能为上升流作用的结果[9]。
另外,页岩层局部含有一定量的黏土矿物(质量分数一般不超过50%),这一方面会增加页岩层的吸附气,但同时可能降低页岩层的脆性。
不含或仅有较少的陆源碎屑输入,过多的陆源碎屑输入会稀释总有机碳含量,同时,陆源碎屑输入过程中有可能致使有机质氧化。
福特沃斯盆地Barnett 页岩,更确切地应称之为硅质泥岩,在矿物组成上,较上Barnett 页岩,其主力产层下Barnett 页岩中的硅质矿物、长石、黄铁图2 米切尔能源公司Young,W.C1井Barnett 页岩的石英、方解石和黏土矿物分布三角图[12]Fig.2 M in eralogical distrib ution of quartz,calcite and clay inthe Barnett shale fr om the M itch ell Energy Corp.1Young,W.C1.well矿和磷酸盐矿物的质量分数比较高(图2,3)。
而且,黄铁矿球粒大小主要在1 m 左右,说明其沉积于静水的缺氧环境[9]。
所有测试样品的碳酸盐矿物质量分数不高。
在福特沃斯盆地Barnett 页岩气产量最高的地区,石英质量分数为45%,而黏土质量分数只有27%[3]。
高的硅质质量分数使页岩的脆性增大,页岩的脆性对压裂措施的实施至关重要。
在德拉华盆地Barnett 页岩中,从上Barnett页岩到图3 福特沃斯盆地Barn ett 页岩及上下毗邻层矿物质量分数三角图[9]Fig.3 T ernary diagrams of Barnett mineralogy by mem ber下Barnett 页岩,颜色从褐灰色变为黑色,而且脆性增大,从岩石薄片上可见,下Barnett 页岩地层含有更多的硅质矿物或钙质矿物。
上Barnett 页岩和下Bar nett 页岩都含有一些黄铁矿和方解石。
由扫描电镜分析可知,德拉华盆地Barnett 页岩两口井的A 段、C 段和D 段均含有较多的菱形方解石和球形黄铁矿[2],说明德拉华盆地Barnett 页岩为缺氧环境的产物。
密歇根盆地A ntrim 页岩由含黄铁矿薄层状粉砂质和富有机质页岩组成,其间夹灰色、绿色页岩和碳酸盐岩层[13]。
富页岩气前景的加拿大西部盆地英属哥伦比亚北部Besa River 组下部泥岩中60第6期杨振恒等:北美典型页岩气藏岩石学特征、沉积环境和沉积模式及启示的无机矿物主要为石英(w B 为58%~93%),同时含有黏土矿物(w B 为10%~20%),例如伊利石和高岭石等,另外,还含有少量的碳酸盐矿物[14]。
1.3高有机碳质量分数有机碳质量分数不仅是衡量烃源岩生烃潜力的重要参数,而且是有机质作为吸附气的核心载体。
页岩对气的吸附能力与页岩中的总有机碳质量分数之间存在正相关关系[15 16]。
在相同压力下,总有机碳质量分数较高的页岩吸附的甲烷比总有机碳质量分数较低的页岩吸附的甲烷明显要高,高有机碳质量分数为页岩气成藏提供了甚佳条件,其主要的测井标志是高的伽马射线值。
福特沃斯盆地Barnett 页岩的原始有机碳质量分数w (T OC )高达20%[17],根据现有测试数据[3,18],一般Barnett 页岩的w (T OC )为3%~13%,福特沃斯盆地Blakely 1井Barnett 页岩岩性测试表明,其w (TOC)平均为3.9%,上Barnett 页岩与下Barnett 页岩之间的福里斯特堡灰岩的w (T OC)平均为1.8%,上Barnett 页岩和下Bar nett 页岩的w (TOC)平均为4.0%(介于1.9%~10.6%之间)。
在具有广阔页岩气前景的德拉华盆地Barnett 页岩的w (TOC)也比较高,其中较高的D 层段w (T OC)平均为4.4%[2]。
密歇根盆地Ant r im 页岩,Lachine 和Norw o od 段岩层的w (T OC)为0.5%~24.0%,是天然气勘探的主要目的层[4]。
加拿大西部盆地含有巨大页岩气潜力的M uskwa 组和上Besa River 组页岩层的w (T OC)大部分在2.0%之上,最大达到5.7%[14]。
不难看出,北美典型页岩气发育区泥页岩有机碳质量分数相对较高,这是生烃潜力的重要保证,也为吸附储集天然气提供了有利条件。
1.4有机质类型北美典型页岩气藏的干酪根主要为!型或 型干酪根,少量为∀型干酪根。
对福特沃斯盆地Bar nett 页岩干酪根进行目测评价发现无定型有机质占95%~100%,偶尔能见到塔斯马尼亚孢属藻类[3]。
例如密歇根盆地的Antrim 页岩以 型干酪根为主,阿尔巴契亚盆地的Ohio 页岩、伊利若斯盆地的New Albany 页岩和福特沃斯盆地的Barnett 页岩以!型干酪根为主,利于液态和气态烃的生成[4]。
英属哥伦比亚东北部侏罗系Gor dondale 组页岩的生烃潜力巨大[19],其干酪根主要为 或!型,含有少量∀型干酪根(图4)。
高有机质的显微组分主要为类脂组(藻类体和基质沥青)。
但是,北美页岩气发育区也有以∀型干酪根为主的泥页岩,例如圣胡安盆地的Lew is 页岩。
总体而言,北美典型页岩气藏干酪根以倾向海相成因的干酪根为主。
图4 英属哥伦比亚东北部侏罗系Gordondale 组页岩氧指数和氢指数对比及干酪根类型[19]Fig.4 H ydrogen index vs.oxygen index for isotherm s amples of th e Gordondale M em ber in n orth eastern Britis h C olumbia and its kerogen types1.5生物化石特征生物化石碎片在页岩层中比较常见,化石碎屑的类型多样化,有孔虫类、藻类、放射虫和牙形刺很常见,成因为原地产物或者外源输入的结果。