西加拿大盆地都沃内(Duvernay)海相页岩油气富集机制研究

Hydrocarbon enrichment mechanism of Duvernay marine shale in the Western Canada Basin

摘要

西加拿大盆地上泥盆统Duvernay页岩是最大海侵期形成的一套页岩油气富集与生产层系。为明确Duvernay页岩油气富集控制因素,在Duvernay页岩地质背景分析的基础上,运用岩心、测井、薄片、扫描电镜、3D孔隙重建信息及有机地化资料,对有机质富集的沉积因素、流体分布、储层质量及影响因素进行了分析,认为Duvernay页岩油气富集主要受盆内成因的硅质页岩沉积环境、有机质热演化、页岩储层质量及稳定构造背景的共同控制。研究发现,Duvernay组为晚泥盆世的深水陆棚环境,岩性以泥灰岩、灰泥岩和泥页岩为主,可识别出10种岩石相,其中硅质页岩最为发育;Duvernay页岩中主要发育II、III型海相有机质,有机质热演化程度中等,处于凝析气-湿气阶段,因此凝析油含量高;油气主要富集在黏土级矿物形成的富含有机孔的硅质页岩中,孔隙类型以有机质孔和粒内孔为主,有效孔隙度占比高,连通孔隙非常发育且横向连续分布,并具有垂向上相互连通的特征;成岩作用改善了页岩储层物性,天然裂缝提高了页岩储层的渗透率,而稳定的构造发育特征是Duvernay页岩油能够较好地保存至今的关键。

关键词

西加拿大盆地 / Duvernay页岩 / 岩石相 / 有机质热演化程度 / 油气富集机制

Key words

Western Canada Basin / Duvernay shale / lithofacies / thermal maturity of organic matter / hydrocarbon enrichment mechanism

0 引言

美国“页岩气革命”改变了全球油气供给格局,影响了全球能源发展态势与油气价格走势^[1]。在页岩气开发取得成功后,从2011年以来,美国大量油公司将页岩油气开发重点转向页岩油气^[2⇓-4]。北美页岩油气勘探开发实践表明,页岩油气的规模富集是稳定宽缓的构造背景、大面积分布的优质烃源岩、大面积分布的致密顶底板、合适的热演化程度、地质和工程“甜点”控制的^[5]。甜点分级评价部署是美国页岩油气勘探开发的重要策略,资源品质分级可以使油公司根据油价变化灵活掌握开发的节奏^[6-7]。北美页岩油气甜点区资源丰度高,品质好,分布面积大,通过甜点区预测并制定优先动用策略,在大幅提升单井产量的同时,可以有效降低单井盈亏平衡价格^[8]。

都沃内(Duvernay)页岩是西加拿大沉积盆地(简称“西加盆地”)上泥盆统的主要烃源岩,为一套最大海侵期形成的富含有机质暗色页岩。Duvernay优质页岩分布连续,面积约2.43×10⁴km²,资源量大,天然气、液烃和原油资源量分别为23.22×10¹² m³、115.54×10⁸ t和250.60×10⁸ t^[9]。Duvernay页岩流体特征由北东向南西表现出“油-凝析油-湿气-干气”的特征,目前油公司主要开发盆地中部富含液烃的甜点条带^[10]。中石油都沃内(Duvernay)项目在西加盆地中的Simonette区块(图1a)已取得良好的页岩油气开发效果,因此页岩油气富集机制的研究对国内外页岩油气勘探开发均有重要的借鉴意义。

我国对于页岩油勘探开发关键技术的探索起步较晚,研究程度较低,一些页岩油富集区仍处于加深地质认识和技术适用阶段,受理论和技术等方面因素的制约,中国页岩油发展仍有很长的一段路要走^[11-12]。同时,相较于北美,由于我国更复杂的构造条件、储层物性等因素的影响,尚未形成一种切合国内国情的页岩油开采技术。鉴于此,本文以Duvernay页岩为研究对象,系统阐述了Duvernay页岩油气富集机制及对我国页岩油气勘探开发的启示。该研究有助于为国内外页岩油气勘探开发提供参考,以期促进优先动用国内及海外矿权的优质页岩油气资源,进而加快勘探开发节奏。

1 地质背景

1.1 构造背景

加拿大目前已获得商业突破的页岩油气区带主要分布在西加盆地,其形成的构造和沉积背景与美国西部落基山脉以东的古生代克拉通盆地和中生代前陆盆地相似。西加盆地位于加拿大地盾与落基山脉之间,从前寒武纪至今,西加盆地先后经历了前寒武纪—中侏罗世的稳定克拉通、中侏罗世—始新世的弧后前陆以及始新世—现今的内克拉通3个构造演化阶段^[13-14]。西加盆地的主要页岩油气区带包括上泥盆统Woodbend群Duvernay组页岩和侏罗系Nordeg组页岩等。其中Duvernay组页岩形成于晚泥盆世的稳定克拉通期。西加盆地主要经历过4期造山运动^[13,15]:泥盆纪至石炭纪的安特勒运动,二叠纪的桑诺马运动,侏罗纪至白垩纪的哥伦比亚运动,白垩纪中晚期至新近纪的拉腊米运动。其中安特勒运动和拉腊米运动对盆地的形成和盆内的沉积充填影响最大。

1.2 沉积背景

Duvernay组大多埋深3 100~4 100 m,岩性以富含沥青质泥页岩为主,上覆艾尔顿(Ireton)组泥灰岩,下伏马约湖(Majeau Lake)组泥灰岩(图1b)。Duvernay组形成于晚泥盆世弗拉期(Frasnian)海相、富含有机质沉积环境,与盆地内勒杜克(Leduc)礁滩体的生长同步,距离Leduc礁滩体较近的页岩在沉积时水体循环能力较弱、形成缺氧水体,有利于有机质保存。Duvernay页岩可细分为上页岩段、中部碳酸盐岩段和下页岩段^[16],其中上页岩段可分为A、B、C和D 4个小层(图1c)。

泥盆纪时期,西加盆地位于赤道附近^[17⇓-19]。该区域温暖湿热的气候条件加上远离物源的清洁水体促使细粒沉积物和营养物质在风及洋流等营力的作用下进入盆地内,与泥盆纪礁体生长相关的生物灰岩和台地碳酸盐岩异常发育,礁体之间及盆地内发育富有机质页岩。西加盆地泥盆纪以发育宽缓的开阔海陆棚为特征,多期的海平面升降形成了多个沉积旋回,每一个沉积旋回以一期勒杜克礁体的生长发育演化历程为阶段,垂向上构成了多个碳酸盐岩和富沥青质页岩的沉积序列,Duvernay页岩为泥盆纪弗拉期最大海侵期的沉积产物。不同沉积水体下发育的Duvernay页岩具有不同的生烃潜力,成熟烃源岩发育在水深区域要比水浅区域内的生烃潜力大^[20-21]。

西加盆地的Simonette区(图1a)位于深水区,沉积古水深估计大于100 m^[22],受南北礁体的发育影响,沉积物应该主要来源于盆地内部。该区域水体深、沉积速率慢,沉积物供给充足,沉积页岩厚度相对较大,页岩厚度为40~46 m(图2)。Simonette区南部与北部的页岩沉积特征和岩性明显不同(图2),南部以纯页岩为主,厚度最大可达46 m;而北部地区的底部沉积了一套相对稳定的深水碳酸盐岩夹层,夹层厚度为8~16 m,上部为22~35 m的页岩(图2)。Simonette地区页岩沉积的差异主要受沉积物源和沉积水体的影响,Simonette南部位于环礁和塔礁之间,水体深和生物产率高是该区域页岩沉积的两个重要因素,以富有机质的纹层状页岩为主;北部临近东北方向的碳酸盐岩台地提供了稳定的钙质物源,早期沉积了一套海侵期相对深水的灰岩,后期的深水环境沉积速率慢,西北方向的沉积物源供给减少,以一套页岩沉积为主。

2 Duvernay页岩有机质富集的沉积因素

2.1 Duvernay页岩岩矿特征

2.1.1 岩性与沉积环境

Duvernay页岩主要包括泥灰岩、灰泥岩和泥页岩等类型,且多为黑色、深棕色的纹层韵律结构,具典型页状层理(图3a),主要为深水陆棚的沉积产物。在灰色、浅棕色的富含生物化石的页岩中,可见大量生物化石密集型分布(图3b),揭示了生物的高度繁盛和有利的保存条件,而这一条件在礁体附近和深水陆棚环境下就能够满足。生物的繁盛和快速的沉积沉降速率使得生物体来不及发生氧化分解就发生快速埋藏而被保存了下来,同时也要具备已保存下来的生物体不会被底栖生物所破坏的条件。对Duvrnay页岩而言,这些严格的要求只能在环礁内和陆棚深水区内具备。岩心观察发现,浅灰色-灰色富含生物遗迹的页岩都是出现在颜色相对深的泥岩、泥灰岩中(图3c),那里生物钻孔发育,生物活动频繁,所以此类页岩发育区生物繁盛,水体较深,应位于陆棚环境的相对深水区。灰色薄层的泥灰岩、灰岩为盆地深水环境下的沉积,多见于碳酸盐岩台地前缘相至盆地相之间。在厚层夹灰质砾屑的页岩中可见粒径大于5 cm的灰质砾石(图3d),灰质砾屑并不是原生的沉积物,而是从附近的礁滩体搬运而来,部分灰质砾屑具有一定的磨圆度。灰质砾屑的出现一般为风暴沉积的标志,反映了陆棚中相对浅水的沉积环境,水体能量增强,生物礁提供了沉积的粗碎屑物源。

2.1.2 主要矿物颗粒特征

Duvernay页岩中部分矿物颗粒可达粉砂级,颗粒粒径>10 μm(图4)。粉砂级颗粒包括陆源的碎屑颗粒(如长石、石英),也包括生物成因的石英和碳酸盐类矿物(如海绵古针、放射虫、有孔虫等)。Duvernay页岩中还含有大量的有机质、黄铁矿、黏土级的碎屑颗粒以及薄片状的伊利石(图4a)、伊蒙混层矿物(图4b)。有机质中部分以固体颗粒分布于矿物颗粒之间,部分呈分散状出现,如呈分散状覆盖在黄铁矿上的有机质。页岩中的黄铁矿也有呈分散状的细小颗粒,也有部分自生的草莓状黄铁矿,其上还往往覆盖着分散状的有机质(图4c)。黏土级矿物颗粒既有碎屑成因的石英、长石等,也有生物成因的,这些黏土级碎屑颗粒分布在粉砂级甚至部分砂级矿物颗粒之间(图4d)。矿物的颗粒边缘还存在方解石、白云石和铁白云石等胶结物,同时这些胶结物还发育于微裂缝中,且在岩心中呈线性出现(图4)。

2.1.3 主要岩相类型与特征

沉积环境控制了页岩储层主要岩相类型的发育,以Simonnette区块为例,Duvernay页岩段的岩性可划分为10种主要类型,分别为灰岩相、钙质硅质页岩相、钙-硅-泥质混合相、硅质黏土质页岩相、钙质黏土质页岩相、硅质页岩相、硅质钙质页岩相、钙质页岩相、黏土硅质页岩相及黏土质页岩相。其中Simonette区块因沉积水体较深,石英矿物含量高,因此总体上硅质页岩相最为发育。Duvernay页岩中石英矿物含量与TOC含量具有正相关性(图5a),具有这一特征的主要原因是源自石英矿物,生物成因的石英显示了生物的繁盛,而生物的繁盛可以提高有机质的产率,从而沉积的有机质丰度也高。这也是为什么只有富含石英矿物的页岩中才有大量的有机质出现,而其他3种类型均没有观察到较多有机质的原因。而且,国内外已报道在相似沉积背景下的页岩也具有上述特征,并证实了石英矿物和TOC含量的上述关系均与石英为生物成因有关^{[23⇓⇓⇓-27]}。其中硅质页岩相石英含量最高,TOC值含量最大,而灰岩相、钙质页岩相和黏土质页岩相的TOC含量最低。而且石英矿物等为轻质矿物类型,页岩中所含比重越大,其体积密度相比其他矿物类型的页岩越低。同时页岩中的孔隙越发育,孔隙中充满油气的储层类型体积密度也会越低。根据各类页岩储层类型,硅质页岩相的体积密度最低,灰岩相最高,其次为钙质页岩相和黏土质页岩相(图5b)。根据北美地区页岩油气的勘探研究,TOC含量与含油气性表现出正相关性^[28-29]。Duvernay组中的硅质页岩相具有TOC含量值高,含油气性大的特点,同时该套页岩储层中石英矿物含量高脆性好、易压裂,是页岩油气中最有利的储层类型。

2.2 Duvernay页岩有机质类型与丰度

Duvernay页岩以II、III型海相有机质为主^[30⇓-32],在镜下固态有机质以不定型和固体沥青为主,镜质体和惰质体极少^[33-34]。全岩氢指数(HI)主要分布在200~600 mg HC/g TOC含量之间,符合II-III型有机质地化特征(图6)。根据257个样品统计分析,Duvernay页岩有机碳含量为0.5%~15%,近85%的样品TOC含量>2%。美国页岩油气选区实践中往往以TOC含量>2%作为评价的标准,因此Duvernay页岩具有极富生烃条件的物质基础,与美国已成功开发的多数页岩的有机碳含量相当,显示了丰富的页岩油气资源潜力。其中硅质页岩相的有机质丰度最高,几乎所有样品的TOC含量>2%;其次为钙质页岩相和黏土质页岩,TOC含量<2%的样品所占比例较大;灰岩相的样品中TOC含量均小于0.5%;其他几类岩石相的有机质丰度分布于硅质页岩与钙质页岩之间。有机质丰度特征揭示了石英矿物为主的硅质页岩储层类型具有好的生烃物质基础。

2.3 Duvernay页岩生烃母质的沉积影响因素

各类样品的有机质类型的HI指数和热解峰温T_max研究表明,总体上硅质页岩相的有机质类型为II型海相倾油型有机质,钙质页岩和灰岩相为III型倾气型至IV型惰性有机质(图6)。

研究区页岩生烃能力和产烃率的贡献还在一定程度上取决于沉积环境,而沉积环境尤其是水体和营养物质供给决定了形成有机质的生物种属和数量,且水体的能量大小和含氧度进一步影响了有机质的保存能力。在远离礁滩体的相对深水区域中,因洋流带入营养物质使生物大量繁盛形成了有机质的高产率,而相对静滞的缺氧水体保存了大量海相倾油型II型有机质;礁滩体前虽然生物种属繁盛有机质产率高,但其相对震荡的水体沉积环境和繁盛的生物活动易使部分形成的有机质或早期保存的有机质发生氧化分解,形成了偏III型海相倾气型有机质,但同时也沉积了海侵期深水的II型有机质。

3 有机质热演化控制流体分布

3.1 有机质热演化特征

Duvernay页岩经历了复杂的构造热演化过程,从晚侏罗世开始生烃,至现今埋深大于5 000 m的地层普遍达到了高成熟阶段^[35]。Duvernay页岩在研究区内可分为高成熟的干气区、中等-高成熟的湿气-凝析气区,以及中等-低成熟的油气区^[36]。根据热解实验分析,热解峰温T_max分布在430~470 ℃,目前的油气勘探目标区内估算的R_o也主要分布1.1%~1.6%^[16],反映勘探目标区内有机质的热演化程度处于生凝析气-湿气阶段。局部的区域热解峰温T_max为580~620 ℃,这些区域的有机质的热演化出现异常,可能是由于热流产生的局部地温异常引起烃源岩热演化达到过成熟。

3.2 流体分布规律

西加盆地Duvernay页岩油气类型较为复杂,由北东向南西方向,随着气油比逐渐增大,油气类型由黑油、挥发油、凝析油、湿气逐渐过渡到干气^[9](图7a),其中Simonette区块Duvernay页岩凝析油含量从南向北有逐渐增高的规律(图7b)。当前Duvernay页岩油气的开发区主要以中部挥发油、凝析油和湿气组成的富含液态烃区带为主。富含液态烃区带甲烷含量占54.03%~71.14%,重烃组分占比达27.32%~45.19%,该区带页岩处于高成熟阶段,生成的原油大量裂解成凝析油气。

3.3 热演化对流体分布的控制作用

Duvernay页岩的一个突出特点就是页岩中的凝析油含量高(平均为682 g/m³),远远超出我国国家标准中的分类指标(《天然气藏分类》GB/T 26979—2011:当凝析油含量大于600 g/m³时,为特高含凝析油),属于“国内没有,国外罕有”,且凝析油含量平面分布复杂,因此预测页岩中的凝析油含量分布对于页岩油气的高效开发意义重大。常规油气烃源岩的研究中常常利用S₂和TOC含量的比值氢指数(HI)来进行烃源岩有机质类型的划分。页岩油气的自生自储特性越强,有机质的热演化程度越高,页岩油气中的气油比越大,氢指数值就越低。与单井页岩油气测试情况相结合,可以发现一条重要规律,即氢指数与凝析油气比(CGR)具有很好的相关性,相关系数(R²)可达到85%(图7c),因此,针对Duvernay页岩可以利用氢指数来计算凝析油含量。结合现场实践,根据氢指数和凝析油含量分布区间,参考2011年发布的国家标准《天然气藏分类》(GB/T 26979—2011),可划分为6个区带,分别是黑油区带、挥发性油区带、特高含凝析油区带、高含凝析油区带、含凝析油区带和干气区带(图7c)。

4 Duvernay页岩储层质量及其影响因素

4.1 Duvernay页岩孔隙结构

从孔隙类型来看,致密的页岩储层中发育粒内孔、有机质孔和粒间孔等多种孔隙类型^[5,37-38]。根据扫描电镜观察,已分析页岩样品中发现了多种孔隙类型,既有黏土矿物间的不规则孔、有机质生烃产生的有机孔,还有自生黄铁矿物颗粒间的晶间孔以及颗粒间的微孔、颗粒溶孔和粒内溶孔等。其中,有机质孔和粒内孔成为Duvernay页岩储层的主要孔隙类型。

Duvernay页岩储层中有机质孔异常发育,且具有线性分布的特征(图8)。有机质孔的发育受到有机质类型、有机质在页岩储层中的展布和热演化程度的影响,其中热演化程度和有机质类型决定了有机质孔的发育程度和有机质丰度^[39]。Duvernay页岩中的有机质热演化程度达到生凝析气-湿气阶段,进入有机质大量生烃转化阶段,因此有机质在大量生烃的同时,也会因固体颗粒的有机质发生物理状态的变化,由固态转化为液态和气态,体积发生膨胀而形成大量的有机质孔。Duvernay页岩的有机质孔主要分布在固态的有机质颗粒内部和矿物颗粒表面的分散有机质内,固态大颗粒的有机质以线性、条带状分布于颗粒之间,有机质的这种分布方式很可能与有机质的原始沉积方式有关,在后期的成岩作用过程中,使其易充填在矿物颗粒间的空隙里。

页岩油气在页岩储层中的流动方式已不再符合达西渗流的特点,但孔隙和喉道依然影响着页岩油气的储集空间和油气产出时的流动速率。Duvernay页岩储层的孔隙直径为5~700 nm,其中分布在10~100 nm的孔隙体积所占比例最高。但这一孔径的分布特征可能与实验方法和仪器的精度有关,因为10 nm以下的纳米级孔隙几乎未被检测出,而在致密的页岩储层中这一类孔隙类型所占的比例是不容忽视的。

有效孔隙度代表了油气能够发生流动的那部分连通的孔隙度,而且流体的流动性越高,则反映出储层中的大孔隙越多物性越好。采用3D孔隙重建技术,可以有效识别出有机质、有效(连通)孔隙以及孤立孔隙,其中绿色代表有机质,红色代表孤立孔,而蓝色为连通孔。样品分析结果证实连通孔隙在Duvernay页岩储层中非常发育,在样品中所占的比重较大,通常可达到总孔隙的90%以上(图9)。连通孔隙具有横向展布连续,垂向上相互连通的特征。样品中来自6-9井(图9a)、11-8井(图9b)、11-34井(图9c)和13-5井(图9d)中的连通孔隙占绝对优势,尤其是13-5井最为发育。但是11-34井中的连通孔隙只分布在样品的底部,而样品中的绝大多数空间被有机质所占据。Duvernay页岩总孔隙度主要分布在3%~8%,最大可达13%;有效孔隙度分布在3%~7%,最大有效孔隙度为11.29%。正是由于有效孔隙度占了总孔隙度的绝大多数,因此Duvernay页岩储层中能够发生油气流动的连通孔隙比重较大。

4.2 Duvernay页岩孔渗特征

Duvernay页岩具有相对低的渗透率,主要集中在100~500 nD,局部发育微裂缝的渗透率相对较高,同时Duvernay页岩中的有效孔隙与渗透率具有很好的线性关系(图10a)。可见,Duvernay页岩储层中虽然渗流能力较差,但是孔隙发育的有效性对油气的渗流是有一定贡献的,除此也说明了页岩储层中可以赋存更多的游离气。

以热解实验获得的游离烃S₁代表页岩中所含烃量的最小值,根据有效孔隙度与游离烃的关系,孔隙度越大所含的游离烃量也越多;有效孔隙度小于4%时,页岩层中残留的烃量变化较小。当有效孔隙度大于4%时,含烃量快速增大(图10b)。这一特征也揭示了有效孔隙对页岩油气资源的影响,有效孔隙度越高的页岩储层中所含的油气丰度越大。

4.3 Duvernay页岩储层质量的影响因素

沉积环境对页岩储层的影响,在微观尺度上也是对组成页岩矿物的结构和组分的影响,具体体现在矿物的来源和成因对页岩的物性、含油气性的影响。Duvernay页岩储层的主要类型为富含石英的硅质页岩,而这类石英的来源既有生物成因的,也有陆源碎屑的,因此不同的石英来源引发了页岩储层中矿物颗粒的排列顺序和孔隙结构的发育特征不同。不同来源、不同粒级的矿物颗粒在组合和排列中形成的页岩储层孔隙度、渗透率和有机质丰度存在较大差异^[40]。黏土级的盆内成因的自源矿物颗粒组成的页岩与同粒级的盆外他源的矿物相比,具有更高的孔隙度和TOC含量,自源的矿物颗粒组成的页岩具有更高含量的有机质,导致热演化过程中所形成的有机质孔丰度高。盆内自源的矿物组成的页岩中,随着黏土级矿物含量的增多,TOC含量、孔隙度和渗透率增大,黏土级的矿物颗粒粒径、分选相对均一,排列分布规整,粒间孔相对发育,而粉砂级的矿物颗粒之间常常充填黏土级的碎屑颗粒以及黏土矿物等,颗粒之间接触较紧密,因此物性较差。

Duvernay页岩中有机质孔的发育,在生凝析油阶段(R_o=0.8%~1.6%),有机质孔与有机质的含量具有正相关性,而且随热演化程度的升高,有机质孔越发育,但到过成熟之后,孔隙度并未随页岩中的有机质含量升高而增大(图11)。其中,Simonette区块热演化程度达到生凝析油-湿气阶段的有机质孔丰度最高,在R_o=1.4%时有机质孔的发育程度最好,丰度高,孔径大,局部发育孔径达到0.5~1 μm。Pinto地区(图1a)有机质的热演化程度达到了过成熟阶段,R_o>3%。从有机质和孔隙度的实测值来看,有机质含量最高可达到12%,但孔隙度大多数接近0.1%。这种过成熟下有机质含量高、但孔隙度低的特征很可能是因为有机质由过成熟条件下热演化形成的沥青所造成的,而早期形成的有机质孔隙随着热演化程度的升高,压实强度增强导致孔隙消失或被充填。处于大量生成油气阶段的有机质是大量发育有机质孔的阶段^[41],而Duvernay页岩油气的勘探目标区均已达到了有机质大量发育有机质孔的阶段。同时,页岩中有机质的线性分布可能是形成以有机质孔为主导的连通孔隙的桥梁。

组成页岩矿物组分的成因对页岩储层也具有重要的影响作用,会影响到页岩储层的含油气性和孔渗特征^[42]。盆内自生的黏土级或粉砂级石英等矿物为主的页岩储层要比主要由外源的石英矿物等组成的页岩储层孔隙度高、渗透率好、有机质丰度大。Duvernay页岩储层中,石英和有机质的含量与有效孔隙度具有正相关性,而碳酸盐类型矿物的含量增大反而导致有效孔隙度的减小,黏土矿物的含量与有效孔的发育不具有很好的相关性。各类页岩储层类型来看,石英矿物含量高的硅质页岩储层有效孔隙度高,有效孔隙度一般为3%~7%,而钙质页岩和灰岩的孔隙度最低,均小于3%。

成岩作用是影响页岩储层中孔隙的发育类型、空间展布和连通情况、孔隙中油气性质的关键要素。成岩过程中有机质的生烃是有机质颗粒内纳米级孔隙发育和富集的主控因素,Loucks等^[40]认为有机质孔的富集更多源自有机质转化成的液态或气态烃类聚集而成。有机质孔的发育受热演化程度的影响较大,低成熟阶段有机质孔很少或者不发育,孔隙度随干酪根的热解过程和烃类的大量生成而增多变大^[42-43]。

有机质达到生气窗的高热演化阶段,其内部保留了大量的球形纳米级孔隙^[42]。黏土矿物在成岩过程中对页岩储层的孔隙度也具有一定的贡献,黏土矿物与页岩中的其他矿物相比,具有更多的微孔隙和更大的比表面积^[25,43-44]。黏土矿物随有机质成熟演化,其中的蒙脱石逐渐转化成片状的伊利石,而伊利石中常常发育晶间孔和微裂隙,这些微裂隙和晶间孔成为页岩储层中孔隙的一部分,甚至在部分页岩中占据主导地位。有研究表明,成岩作用使页岩储层中增加了一定数量的无机孔,并在一定程度上改善储层的物性,使无机孔隙度可达0.13%^[15]。Duvernay页岩中的黏土矿物以伊利石为主,而且发育大量晶间孔和晶间缝,它们一起与有机质孔等构成了页岩储层的孔隙网络。

4.4 天然裂缝发育为页岩油气提供了高渗通道

裂缝的发育具有两面性:一方面裂缝作为有机质生成油气的输导通道,导致页岩中的有机质生成的油气向外逸散或发生初次运移排出;另一方面裂缝作为页岩油气的储集空间,大大提高了页岩储层的油气丰度,提高了页岩油气勘探开发的经济价值。Duvernay页岩主要发育3种类型裂缝:低角度缝、水平缝和高角度裂缝等(图12a,b,c),在岩心中可观察到被方解石充填的水平缝和高角度缝以及因岩心采出地面压力释放而裂开的微裂缝,在岩心薄片中可观察到方解石胶结的微裂缝,扫描电镜下可见矿物边缘和晶间的微裂缝,如草莓状黄铁矿边缘发育的微裂缝,缝宽为纳米级(图12b,c)。岩心中发育的大多数裂缝均填充有方解石,虽然填充的裂缝不具有储集油气的能力,但是其发育于区域应力相对集中的区域,在增产压裂措施实施下易形成人工裂缝网络,从而改善致密页岩储层的物性,可以增加油气在页岩储层中的渗流能力。

从Duvernay页岩的取心井岩心照片上可以看出,目的层段岩心岩石破裂程度比较高,取心岩石上显示出明显的正交缝,并且层理面也比较清楚(图12d,e),说明目的层岩石脆性程度高,有利于后期的压裂工艺。另外,页理缝在页岩中十分发育,而在Duvernay内部的碳酸盐岩夹层中不发育;页理缝强度与石英脆性矿物含量成明显正相关。

5 构造稳定是页岩油气富集保存的重要因素

国内外的页岩油气勘探实践证明构造复杂区内大规模断裂的发育不利于页岩油气的保存,因此相对稳定的构造背景是页岩油气富集保存的重要控制因素。实践表明,在高有机碳含量和高孔隙度的成熟区域出现的复杂构造会导致整个勘探的失败。西加盆地泥盆系自南西方向的褶皱山前向北东的加拿大地盾方向出露地表,研究区位于斜坡区域,埋深2 500~5 000 m,构造平缓断裂不太发育。因此相对稳定的构造背景使Duvernay页岩油气相对富集,同时Duvernay页岩上覆艾尔顿组泥灰岩平均厚度200 m以及下伏的马约湖组泥灰岩构成了页岩油气良好的顶封和底封条件。

虽然Duvernay页岩经历多期次的构造沉降和抬升,但地层并未受到构造活动的破坏,而最后一期的快速沉降和快速抬升是Duvernay页岩油气富集的关键。早白垩世的快速沉积加速了Duvernay页岩的热成熟,为有机质向油气转化提供了有利的地质条件,而快速的抬升使排烃的动力趋于达到平衡,大量的油气才得以保留在页岩层中,晚期的抬升也造成Duvernay页岩埋藏深度变浅,这样有利于在目前经济技术条件下,进行经济而有效的勘探。

6 结论

(1) Duvernay页岩主要沉积于深水陆棚环境,可划分为10种岩相,分别为灰岩、钙质硅质页岩、钙-硅-泥质混合页岩、硅质黏土质页岩、钙质黏土质页岩、硅质页岩、硅质钙质页岩、钙质页岩、黏土硅质页岩和黏土质页岩,其中以硅质页岩最为发育;黏土矿物中以伊利石为主。礁滩附近生物繁盛、富含营养物质是有机质高产的重要因素,而深水陆棚相对静滞缺氧的沉积环境使有机质得到大量保存。

(2)Duvernay页岩凝析油含量高(平均682 g/m³),其中Simonette区块平面上具有从南向北逐渐增高规律;硅质页岩相的有机质类型为II型海相倾油型有机质;有机碳含量大约为0.5%~15%,热演化程度处于生凝析气-湿气阶段。

(3)Duvernay页岩储层的主要孔隙类型为有机质孔和粒内孔,有效孔隙度占比高,储集性能好。Duvernay页岩储层质量主要受矿物来源及成因、成岩作用和天然裂缝的影响,黏土级及粉砂级盆内成因的自源矿物颗粒组成的页岩具较优质的孔隙度、渗透率和TOC含量条件,其中以富含石英的硅质页岩储层质量最好;成岩作用和天然裂缝的发育改善了储层物性,而构造稳定是页岩油能够保存至今的重要因素。

参考文献

[1] US Energy Information Administration. annual energy outlook 2020[R]. Washington: US Department of Energy, 2020. https://www.eia.gov/aeo.

[2] 邹才能, 潘松圻, 荆振华, 页岩油气革命及影响[J]. 石油学报, 2020, 41(1): 1-12.

[3] 杨雷, 金之钧. 全球页岩油发展及展望[J]. 中国石油勘探, 2019, 24 (5): 553-559.

[4] 周庆凡, 金之钧, 杨国丰, 美国页岩油勘探开发现状与前景展望[J]. 石油与天然气地质, 2019, 40 (3): 469-477.

[5] 黎茂稳, 马晓潇, 蒋启贵, 北美海相页岩油形成条件、 富集特征与启示[J]. 油气地质与采收率, 2019, 26(1): 13-28.

[6] 王红军, 马锋, 童晓光, 全球非常规油气资源评价[J]. 石油勘探与开发, 2016, 43 (6): 850-862.

[7] 李倩文, 马晓潇, 高波, 美国重点页岩油区勘探开发进展及启示[J]. 新疆石油地质, 2021, 42 (5): 630-640.

[8] 张福祥, 李国欣, 郑新权, 北美后页岩革命时代带来的启示[J]. 中国石油勘探, 2022, 27(1): 26-39.

[9] LYSTER S, CORLETT H J, BERHANE H. Hydrocarbon resource potential of the Duvernay Formation in Alberta-update[R]// AER/AGS Open File Report. Alberta: The Alberta Geological Survey, 2017: 2.

[10] 李国欣, 罗凯, 石德勤. 页岩油气成功开发的关键技术、 先进理念与重要启示: 以加拿大都沃内项目为例[J]. 石油勘探与开发, 2020, 47(4): 739-749.

[11] 张仁贵, 刘迪仁, 彭成, 中国陆相页岩油勘探开发现状及展望[J]. 现代化工, 2022, 42(3): 6-10

[12] 周雪. 美国页岩油勘探开发现状及其对中国的启示[J]. 现代化工, 2022, 42(7): 5-9

[13] PRICE R A. Cordilleran tectonics and the evolution of the Western Canada Sedimentary Basin[J]. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, 1990, 38(1): 176-177.

[14] PORTER J W, PRICE R A, MCCROSSAN R G. The western Canada sedimentary basin[J]. Physical and Engineering Sciences, 1982, 305(1489): 169-192.

[15] Machel H G, Foght J. Products and depth limits of microbial activity in petroliferous subsurface settings[M]//Microbial sediments. Heidelberg, Berlin: Springer, 2000: 105-120.

[16] 孔祥文, 汪萍, 夏朝辉, 西加拿大沉积盆地Simonette区块上泥盆统Duvernay页岩地质特征与流体分布规律[J]. 中国石油勘探, 2022, 27(2): 93-107.

[17] WRIGHT G N, MCMECHAN M E, POTTER D E G, et al. Structure and architecture of the Western Canada sedimentary basin[J]. Geological Atlas of the Western Canada Sedimentary Basin, 1994, 4: 25-40.

[18] WHALEN M T, EBERLI G P, VAN BUCHEM F S P, et al. Bypass margins, basin-restricted wedges, and platform-to-basin correlation, Upper Devonian, Canadian Rocky Mountains: implications for sequence stratigraphy of carbonate platform systems[J]. Journal of Sedimentary Research, 2000, 70(4): 913-936.

[19] CHOW N, Wendte J, STASIUK L D. Productivity versus preservation controls on two organic-rich carbonate facies in the Devonian of Alberta: sedimentological and organic petrological evidence[J]. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, 1995, 43(4): 433-460.

[20] STOAKES F A. Nature and control of shale basin fill and its effect on reef growth and termination: Upper Devonian Duvernay and Ireton Formations of Alberta, Canada[J]. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, 1980, 28(3): 345-410.

[21] LOUCKS R G, RUPPEL S C. Mississippian Barnett Shale: lithofacies and depositional setting of a deep-water shale-gas succession in the Fort Worth Basin, Texas[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 579-601.

[22] ANFORT S J, BACHU S, BENTLEY L R. View correspondence (jump link). regional-scale hydrogeology of the Upper Devonian-Lower Creataceous sedimentary succession, South-Central Alberta Basin, Canada(Article)[J]. AAPG Bulletin, 2001, 85(4): 637-660.

[23] WANG G, CARR T R. Organic-rich Marcellus Shale lithofacies modeling and distribution pattern analysis in the Appalachian Basin[J]. AAPG Bulletin, 2013, 97(12): 2173-2205.

[24] ROSS D J K, BUSTIN R M. Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the Western Canada Sedimentary Basin: application of an integrated formation evaluation[J]. AAPG Bulletin, 2008, 92(1): 87-125.

[25] KUUSKRAA V, STEVENS S. Lessons learned to help optimize development[J]. Oil and Gas Journal, 2009, 107: 52-57.

[26] 邹才能, 陶士振, 侯连华, 非常规油气地质[M]. 2版. 北京: 地质出版社, 2013.

[27] 牛嘉玉, 蒋凌志, 史卜庆, 油气矿藏地质与评价[M]. 北京: 科学出版社, 2013.

[28] CHALMERS G R L, BUSTIN R M. Lower Cretaceous gas shales in Northeastern British Columbia, Part II: evaluation of regional potential gas resources[J]. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, 2008, 56(1): 22-61.

[29] ALLAN J, CREANEY S. Oil families of the Western Canada Basin[J]. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, 1991, 39(2): 107-122.

[30] DAVIS M, WILLIAMS R, WILLBERG D, et al. Novel controlled pressure coring and laboratory methodologies enable quantitative determination of resource-in-place and pvt behavior of the Duvernay shale[C]. Alberta: SPE Unconventional Resources Conference Canada. OnePetro, 2013.

[31] WUST R A, HACKLEY P C, NASSICHUK B R, et al. Vitrinite reflectance versus pyrolysis Tmax data: Assessing thermal maturity in shale plays with special reference to the Duvernay shale play of the Western Canadian Sedimentary Basin, Alberta, Canada[C]. Alberta: SPE Unconventional Resources Conference and Exhibition-Asia Pacific. OnePetro, 2013.

[32] BEATON A P, PAWLOWICZ J G, ANDERSON S D A, et al. Rock eval, total organic carbon and adsorption isotherms of the Duvernay and Muskwa formations in Alberta: shale gas data release[R]//Energy Resources Conservation Board. Alberta: ERCB/AGS Open File Report. Alberta: The Alberta Geological Survey, 2010, 4(2010): 33.

[33] NICHOLAS B H, JULIA M M, LEVI J K, et al. Organic matter accumulation in the Upper Devonian Duvernay Formation, Western Canada Sedimentary Basin, from sequence stratigraphic analysis and geochemical proxies[J]. Sedimentary Geology, 2018, 376: 185-203.

[34] GREEN D G, MOUNTJOY E W. Fault and conduit controlled burial dolomitization of the Devonian West-Central Alberta Deep Basin[J]. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, 2005, 53(2): 101-129.

[35] US Energy Information Administration. Technically recoverable shale oil and shale gas resources: an assessment of 137 shale formations in 41 countries outside the United States[R]. Washington: US Department of Energy, 2013.

[36] JARVIED M, HILL R J, RUBLE T E, et al. Unconventional shale-gas systems: the Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 475-499.

[37] 于炳松. 页岩气储层孔隙分类与表征[J]. 地学前缘, 2013, 20(4): 211-220.

[38] CURTIS M E, SONDERGELD C H, AMBROSE R J, et al. Microstructural investigation of gas shales in two and three dimensions using nanometer-scale resolution imagingMicrostructure of Gas Shales[J]. AAPG Bulletin, 2012, 96(4): 665-677.

[39] MILLIKEN K L, ESCH W L, REED R M, et al. Grain assemblages and strong diagenetic overprinting in siliceous mudrocks, Barnett Shale (Mississippian), Fort Worth Basin, Texas(Article)[J]. AAPG Bulletin, 2012, 96(8): 0149-1423.

[40] LOUCKS R G, REED R M, RUPPEL S C, et al. Morphology, genesis, and distribution of nanometer-scale pores in siliceous mudstones of the Mississippian Barnett Shale[J]. Journal of Sedimentary Research, 2009, 79(12): 848-861.

[41] DOW W G. Kerogen studies and geological interpretations[J]. Journal of Geochemical Exploraton, 1977, 7: 79-99.

[42] CHALMERS G R L, BUSTIN R M. The organic matter distribution and methane capacity of the Lower Cretaceous strata of Northeastern British Columbia, Canada[J]. International Journal of Coal Geology, 2007, 70(1/2/3): 223-239.

[43] 吉利明, 邱军利, 夏燕青, 常见黏土矿物电镜扫描微孔隙特征与甲烷吸附性[J]. 石油学报, 2012, 33(2): 249-256

[44] 李玉喜, 聂海宽, 龙鹏宇. 我国富含有机质泥页岩发育特点与页岩气战略选区[J]. 天然气工业, 2009, 29(12): 115-118, 152-153.

基金资助

中国石油天然气股份有限公司科技专项“海外油气地质新理论资源评价新技术与超前选区研究”(2023ZZ07)

“海外气田开发关键技术研究(2021DJ3303)