扬子板块西南缘下寒武统筇竹寺组高过成熟页岩储层特征及形成机理

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目前,国内外页岩气勘探中,高过成熟页岩勘探效果尚不理想。此类页岩是否具备页岩气富集潜力以及如何在页岩有机质高过成熟区实现勘探突破,是当前页岩气地质研究和勘探所面临的重要理论和现实问题。本次研究以扬子板块西南地区筇竹寺组高过成熟页岩为研究对象,主要探索高过成熟页岩储层特征及其形成机理等,以期为该类型页岩气的勘探提供地质依据。基于大量露头、钻井、地球化学、扫描电镜、低温氮吸附、压汞等资料,以沉积学、地球化学、非常规储层地质学等理论方法为指导,对研究区筇竹寺组高过成熟页岩有机质富集机理、页岩储层成岩演化、储层特征等进行了综合研究,在此基础上通过大量对比研究,对筇竹寺组高过成熟页岩储层质量变差原因、储层发育影响因素、高氮低烃页岩气形成原因、高过成熟页岩勘探潜力等问题进行了探讨,明确了高过成熟页岩储层孔隙演化的主控因素,建立了高过成熟页岩储层成岩-孔隙演化模式,主要取得以下认识:(1)研究区筇竹寺组高过成熟页岩储层物质基础较好。筇竹寺组黑色页岩发育分布主要受绵阳-长宁拉张槽和区域古地貌控制:拉张槽区,可容纳空间大,总有机碳(TOC)大于2%的优质页岩厚度可达70m以上;研究区东部古地貌低地区,TOC大于2%的优质页岩厚度一般在30m~50m。不规则底形模式(拉张槽区)和上升流模式(研究区东部)是筇竹寺组黑色页岩有机质富集的主要模式。(2)筇竹寺组黑色页岩处于晚成岩阶段,经历了压实、胶结、交代、溶蚀、有机质成熟等多种成岩作用的叠加改造,孔隙演化经历了原生孔隙破坏阶段(Ro<1.1%~1.3%)、有机质孔隙发育阶段(Ro=1.1%/1.3%~2.0%左右)和晚期孔隙破坏(Ro>2%左右)3个大的阶段。原生孔隙破坏阶段,孔隙度逐渐下降,机械压实和沥青充填作用是页岩孔隙度下降的主要原因。有机质孔隙发育阶段,有机质孔隙大量形成,孔隙度增加。晚期孔隙破坏阶段,有机质孔隙形成减弱直至停止,深层压实作用对孔隙持续破坏,孔隙度下降。有机质孔隙的形成对次生孔隙贡献大,溶蚀等其它成岩作用对次生孔隙贡献小,几乎可以忽略。(3)筇竹寺组页岩有机质演化主要受埋深增温影响。峨眉地幔柱活动对筇竹寺组页岩有机质热演化有一定影响,但不能造成有机质高过成熟,最大埋深大是筇竹寺组页岩有机质高过成熟的主要原因。(4)研究区筇竹寺组高过成熟页岩储层质量差。与优质页岩储层相比,筇竹寺组高过成熟页岩储层具有有机质成熟度高、孔隙度低,无机孔隙、有机质孔隙发育差,孔隙连通性偏低,比表面积、孔体积低等特征。较低的孔隙度和比表面积造成页岩储集性较差。(5)深层压实是高过成熟页岩储层孔隙演化的主导因素。深埋阶段压实作用对页岩储层孔隙的破坏仍然较为可观,页岩中有机质由于承压,更容易受到压实影响,TOC越高影响越强烈。页岩中有机质孔隙的破坏主要与压实作用有关,而非石墨化导致。压实作用下,有机质承压易发生变形、迁移,有机质孔隙逐渐减少、形态不规则化,甚至消失。随着埋深/有机质成熟度的增加,有机质孔隙形成减弱或停止后(Ro大于2%左右),压实作用成为孔隙演化的主导因素,页岩孔隙持续破坏,比表面积、孔隙度单调下降。当埋深达到一定深度,页岩孔隙破坏严重,孔隙度下降至2%以下,页岩失去储集层意义,这一深度可定义为储层发育下限深度。研究区筇竹寺组页岩储层下限深度可能在8000m~8500m左右。(6)(热成因)页岩气勘探存在深度窗口。无构造热事件情况下,生油高峰后,页岩储层孔隙度随深度/Ro呈抛物线型变化,指示有效页岩储层或优质页岩储层发育存在深度窗口,这一深度窗口亦为页岩气富集的最大潜在窗口,本次称为页岩气勘探的深度窗口。页岩气勘探深度窗口的门限深度为湿气窗口的门限深度,该门限深度是优质页岩气储层开始发育的深度及页岩气富集的气源保证。页岩气勘探深度窗口的下限为页岩储层发育下限深度,该下限深度是页岩气富集优质储层的保证。无构造热事件地区,地层最大埋深与Ro对应较好,可以用Ro来标定页岩气的勘探窗口(即页岩气勘探的Ro窗口)。页岩气勘探深度窗口的下限深度在盆地构造沉降能力范围内,对页岩气勘探具有实际指导意义。(7)研究区筇竹寺组高氮低烃页岩气的形成可能主要与页岩储层特殊的埋藏演化历史有关,筇竹寺组底部不整合及区域偏差的页岩气保存条件是次要影响因素。深层压实排烃(强烈)以及喜山期构造抬升、地层压力下降引发的排烃是筇竹寺组页岩气散失的主要过程,高氮低烃页岩气是绝大部分气体排出页岩后的残留。研究区及邻区筇竹寺组高氮低烃页岩气的大面积分布是其形成主要与自身因素有关的体现。(8)高过成熟页岩仍具有页岩气勘探潜力。地层压力常压区(且无构造热事件),高过成熟页岩孔隙破坏较严重,页岩气勘探潜力相对较低。地层压力异常高压地区,压实对页岩孔隙的破坏滞后于常压区,有机质高过成熟期(至少在高过成熟早期),页岩孔隙保存较好,有利于页岩气的富集。
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