上扬子地区寒武系牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育特征及主控因素

doi:10.13745/j.esf.sf.2022.5.37

地学前缘 ›› 2023, Vol. 30 ›› Issue (3): 124-137.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.37

上扬子地区寒武系牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育特征及主控因素

马子杰¹^,²(), 唐玄¹^,^*(), 张金川¹, 翟刚毅³, 王玉芳³, 梁国栋¹, 罗欢⁴

1.中国地质大学(北京) 能源学院, 北京 100083
2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心, 贵州贵阳 550000
3.中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100083
4.兰州大学, 甘肃兰州 730000

收稿日期:2022-04-12 修回日期:2022-05-28 出版日期:2023-05-25 发布日期:2023-04-27
通讯作者: *唐玄(1979—),男,教授,博士生导师,长期从事页岩油气地质研究与资源评价工作。E-mail: Tangxuan@cugb.edu.cn
作者简介:马子杰(1996—),男,硕士研究生,主要从事石油地质与非常规油气资源研究。E-mail: 1240582717@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(41730421);国家自然科学基金项目(41972132);国家科技重大专项课题“西北大学研究生自主创新资助项目”(2017ZX05009-002)

Organic matter-hosted pores in the Cambrian Niutitang shales of the Upper Yangtze region: Pore development characteristics and main controlling factors

MA Zijie¹^,²(), TANG Xuan¹^,^*(), ZHANG Jinchuan¹, ZHAI Gangyi³, WANG Yufang³, LIANG Guodong¹, LUO Huan⁴

1. School of Energy and Resource, China University of Geosciences (Beijing),Beijing 100083, China
2. Guizhou Engineering Technology Research Center for Coalbed Methane and Shale Gas, Guiyang 550000, China
3. China Geological Survey Oil and Gas Survey Center, Beijing 100083, China
4. Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

Received:2022-04-12 Revised:2022-05-28 Online:2023-05-25 Published:2023-04-27

摘要/Abstract

摘要：

上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气勘探开发程度较低,且不同沉积区域有机质孔隙发育具有明显的差异性。本文针对位于上扬子板块东部鄂西裂陷槽的EYY1井、板块西部浅水陆棚相的W001-4井以及板块北部汉南古陆的SNY1井3个不同沉积区域的钻井样品进行分析,根据矿物组成划分了岩性;利用扫描电镜观察分析了有机质类型及有机质孔隙发育特征,并在此基础上讨论了有机质孔隙发育的主控因素。研究发现:(1)不同区域牛蹄塘组页岩矿物及岩性组成有差异,EYY1井、W001-4井页岩取样段岩性包括硅质页岩、钙质页岩和过渡型页岩3类,而SNY1井取样段岩性均为硅质页岩;(2)牛蹄塘组有机质分为原生有机质和运移有机质,原生有机质均具有较高的C/O比值,平均为6.74;运移有机质C/O值相对较低,平均为2.71;(3)EYY1井与SNY1井有机质孔隙发育较好,面孔率达到6%~28%,而W001-4井有机孔发育较差,面孔率为3%~10%。牛蹄塘组有机孔孔径分布均为单峰型,EYY1井和SNY1井有机质孔隙直径主要分布在2~50 nm,W001-4井样品有机质孔隙大小普遍在5~25 nm;硅质页岩有机质面孔率普遍高于钙质页岩;(4)牛蹄塘组页岩中运移有机质孔隙发育程度好于原生有机质,有机质生烃增孔作用和压实减孔作用相互叠加影响有机孔的发育。黏土矿物是制约页岩有机质孔隙微观发育机制的重要因素,富黏土的硅质页岩可能是寒武系页岩气甜点选择的重要线索。

关键词: 上扬子地区, 牛蹄塘组页岩, 岩性, 有机质孔隙, 主控因素

Abstract:

Shale gas exploration and development is relatively low level in the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze where organic matter-hosted pores (OMPs) developed unevenly across the region. In this paper, shale samples from three wells with different depositional settings—namely well EYY1 in the western Hubei rift trough of eastern Upper Yangtze, well W001-4 in the shallow-water shelf of northern Yangtze, and well SNY1 in the Hannan ancient land of northern Yangtze—were collected and analyzed, and shales were classified according to mineral compositions. Organic matter types and OMP development characteristics were investigated by scanning electron microscope method, and the main controlling factors for OMP development were discussed. The results show that (1) mineral compositions and types of the Niutitang shales vary between different regions. Shale samples from EYY1 and W001-4 were classified into siliceous, calcareous and mixed shales; while in SNY1 only siliceous shale was found. (2) Organic matters in the Niutitang shales were divided into depositional and migrated organic matters. In the three wells, the carbon-to-oxygen elemental ratio (C∶O) in the depositional organic matter (averaging 6.74) was higher than that in the migrated organic matter (averaging 2.71). (3) OMPs were well developed in EYY1 and SNY1, with relatively high surface porosities of 6%-28%; while in W001-4 they were poorly developed, with surface porosities ranging between 3%-10%. The OMP diameter in the three wells showed a unimodal distribution, centering between 2-50 nm in EYY1 and SNY1 and generally between 5-25 nm in W001-4. Organic matter in siliceous shales had the highest surface porosity, higher than in calcareous shales. (4) Migrated organic matter showed higher level pore development compared to depositional organic matter. OMP development was affected by counteraction between pore production from hydrocarbon generation from organic matter and pore reduction from compaction. Clay mineral is another important factor hindering micro-scale OMP development in shales, and siliceous shales rich in clay minerals may be an important clue for the determination of exploration “sweet spots” for Cambrian shale gas resource.

Key words: Upper Yangtze plate, Niutitang shale, lithology, organic matter-hosted pores, main controlling factors

中图分类号:

P618.13

马子杰, 唐玄, 张金川, 翟刚毅, 王玉芳, 梁国栋, 罗欢. 上扬子地区寒武系牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育特征及主控因素[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 124-137.

MA Zijie, TANG Xuan, ZHANG Jinchuan, ZHAI Gangyi, WANG Yufang, LIANG Guodong, LUO Huan. Organic matter-hosted pores in the Cambrian Niutitang shales of the Upper Yangtze region: Pore development characteristics and main controlling factors[J]. Earth Science Frontiers, 2023, 30(3): 124-137.

图/表 19

图1 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组沉积相及研究井位置图(据文献[8⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-17]修改)

Fig.1 Sedimentary facies of the Lower Cambrian Niutitang Formation and locations of research wells in the Upper Yangtze region. Modified after [8⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-17].

图2 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩样品分布图

Fig.2 Lithologies, sampling site distributions and TOC depth profiles in the Niutitang Formation of typical wells, Upper Yangtze

图3 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩矿物组成

Fig.3 Mineral compositions of the Niutitang shales in typical wells, Upper Yangtze

图4 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩矿物组成三角图 a—EYY1井;b—W001-4井;c—SNY1井。

Fig.4 Ternary diagrams of mineral compositions of the Niutitang shale in typical wells, Upper Yangtze

图5 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩原生有机质镜下特征 a—钙质页岩,EYY1-29,3 066.47 m,TOC含量为3.64%;b—过渡型页岩,EYY1-10,2 998.6 m,TOC含量为2.09%;c—图b局部放大;d—钙质页岩,EYY1-27,3 063 m,TOC含量为2.76%;e,f—过渡型页岩,W001-4-1,2 796.23 m,TOC含量为0.184%;g—硅质页岩,SNY1-1,2 162.15 m,TOC含量为0.57%;h—硅质页岩,SNY1-7,2 363.55 m,TOC含量为3.02%;i—硅质页岩,SNY1-6,2 263.11 m,TOC含量为0.94%。

Fig.5 Microscopic characteristics of depositional organic matter in the Niutitang shale in typical wells, Upper Yangtze

图6 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩运移有机质镜下特征 a—过渡型页岩,EYY1-10,2 998.6 m,TOC含量为2.09%;b—钙质页岩,EYY1-34,2 943.65 m,TOC含量为0.47%;c—过渡型页岩,EYY1-3,2 937.8 m,TOC含量为0.89%;d,f—硅质页岩,W001-4-4,2 950.58 m,TOC含量为0.31%;e—硅质页岩,W001-4-2,2 856.06 m,TOC含量为1.772%;g—硅质页岩,SNY1-3,2 205.04 m,TOC含量为1.74%;h—硅质页岩,SNY1-4,2 224.79 m,TOC含量为1.74%;i—硅质页岩,SNY1-5,2 243.56 m,TOC含量为1.19%。

Fig.6 Microscopic characteristics of migrated organic matter in the Niutitang shale in typical wells, Upper Yangtze

表1 上扬子不同地区下古生界页岩有机质C/O对比表

Table 1 Comparison of C∶O ratios in different types of organic matter in Lower Paleozoic shales from different areas of the Upper Yangtze

页岩样品	原生有机质C/O	运移有机质C/O	资料来源
湖北宜昌牛蹄塘组页岩	6.25	2.78	本次研究
四川威远牛蹄塘组页岩	7.35	2.64	本次研究
湖南永顺龙马溪组页岩	8.32	2.86	文献[29]

图7 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩有机质孔隙镜下特征 a—原生有机质孔隙,EYY1-29,3 066.47 m,TOC含量为3.64%,钙质页岩;b—碎屑颗粒间有机质孔隙,EYY1-27,3 063 m,TOC含量为2.76%,钙质页岩;c—黄铁矿晶间有机质孔隙,EYY1-5,2 978.94 m,TOC含量为1.34%,钙质页岩;d—矿物颗粒内有机质孔隙,EYY1-16,3 066.47 m,TOC含量为3.64%,钙质页岩;e—黏土矿物伴生有机质孔隙,EYY1-3,2 943.65 m,TOC含量为0.47%,钙质页岩;f—原生有机质孔隙,W001-4-20,3 066.47 m,TOC含量为3.997%,钙质页岩;g—碎屑颗粒间有机质孔隙,W001-4-13,3 065.54 m,TOC含量为2.76%,硅质页岩;h—黏土矿物伴生有机质孔隙,W001-4-5,3 063 m,TOC含量为1.401%,硅质页岩;i—碎屑颗粒间有机质孔隙,SNY1-4,2 224.79 m,TOC含量为1.74%,硅质页岩;j—黄铁矿晶间有机质孔隙,SNY1-3,2 205.04 m,TOC含量为1.74%,硅质页岩;k—矿物颗粒内有机质孔隙,SNY1-2,2 187.46 m,TOC含量为0.9%,硅质页岩;l—黏土矿物伴生有机质孔隙,SNY1-3,2 205.04 m,TOC含量为1.74%,硅质页岩。

Fig.7 Microscopic characteristics of OMPs in the Niutitang shale in typical wells, Upper Yangtze

表2 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩有机质孔隙分类及发育特征

Table 2 Classification and development characteristics of OMPs in the Niutitang shale in typical wells, Upper Yangtze

井名	原生有机质孔隙	碎屑颗粒间有机质孔隙	黄铁矿晶间有机质孔隙	矿物颗粒内有机质孔隙	黏土矿物伴生有机质孔隙
EYY1	发育较差,非均质性较强,面孔率平均为4.88%,呈拉伸状	发育较好,呈海绵状,面孔率平均为13.49%	发育较好,呈海绵状,面孔率平均为21.88%	发育较好,呈海绵状,面孔率平均为28.49%,数量较少	发育较好,呈海绵状,面孔率平均为18.4%
W001-4	基本不发育,面孔率小于3%	发育小孔,面孔率平均为7.49%	部分发育,呈海绵状,面孔率平均为12.68%	未发现	发育较好,呈海绵状,面孔率平均为10.75%
SNY1	基本不发育,面孔率小于3%	发育较好,呈海绵状,面孔率平均为16.93%	部分发育,呈海绵状,面孔率平均为19.26%	发育较好,呈海绵状,面孔率平均为23.51%,数量较少	发育较好,呈海绵状,面孔率平均为19.33%

图8 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩有机质孔隙镜下识别与对比 a—过渡型页岩,EYY1-4,2 972.1 m,TOC含量为2.53%;b—钙质页岩,EYY1-3,2 943.65 m,TOC含量为0.47%;c—钙质页岩,EYY1-29,3 066.47 m,TOC含量为3.64%;d—硅质页岩,W001-4-5,2 973.56 m,TOC含量为0.783%;e,f—硅质页岩,W001-4-10,3 010.88 m,TOC含量为0.550%;g,h,i—硅质页岩,SNY1-4,2 224.79 m,TOC含量为1.74%。

Fig.8 Identification and comparison of OMPs in the Niutitang shales in typical wells, Upper Yangtze

表3 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育特征及有关参数

Table 3 Development characteristics of OMPs in and relevant pore parameters for the Niutitang shale in typical wells, Upper Yangtze

井名	原生有机质面孔率	运移有机质面孔率/%	有机孔孔径/nm	峰值/nm
EYY1	0%~12%	7~24	2~50	10~25
W001-4	0%~4%	3~10	5~25	5~15
SNY1	0%~7%	6~28	2~60	15~30

图9 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩有机孔分布图 a—EYY1井有机孔隙分布直方图;b—W001-4井有机孔隙分布直方图;c—SNY1井有机孔隙分布直方图。

Fig.9 OMP pore diameter distribution in the Niutitang shales in typical wells, Upper Yangtze

图10 上扬子地区EYY1井牛蹄塘组页岩有机孔孔径分布直方图 a—不同有机质类型有机孔孔径分布直方图;b—不同岩性有机孔孔径分布直方图。

Fig.10 Histogram of OMP pore diameters for different organic matter (a) and shale (b) types in the Niutitang shales in well EYY1, Upper Yangtze

图11 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩TOC含量与面孔率关系图

Fig.11 Plots of surface porosity vs. TOC content in the Niutitang shales in typical wells, Upper Yangtze

表4 上扬子地区牛蹄塘组页岩与龙马溪组页岩有机碳同位素及干酪根类型对比

Table 4 Comparison of organic carbon isotopes and kerogen types between the Niutitang and Longmaxi shales in the Upper Yangtze region

页岩样品	δ¹³C_org/‰	干酪根类型	资料来源
湖北宜昌牛蹄塘组页岩	-33.49~-29.55(-32.60)	Ⅰ型	本文
四川威远牛蹄塘组页岩	-35.24~-30.20(-33.00)	Ⅰ型	本文
渝东南地区牛蹄塘组页岩	-32.40~-31.10(-31.80)	Ⅰ型	文献[38]
川东南地区牛蹄塘组页岩	-35.80~-29.60(-33.20)	Ⅰ型	文献[39]
遵义松林牛蹄塘组页岩	-34.40~-28.90(-32.60)	Ⅰ型	文献[39]
川南地区龙马溪组页岩	-31.40~-26.90(-29.80)	Ⅰ型、Ⅱ₁型	文献[40]
大巴山南缘龙马溪组页岩	-32.04~-28.78(-30.23)	Ⅰ型、Ⅱ₁型	文献[41]
长宁区块龙马溪组页岩	-31.20~-29.40(-30.10)	Ⅰ型、Ⅱ₁型	文献[42]
大巴山前缘龙马溪组页岩	-31.10~-28.20(-29.90)	Ⅰ型、Ⅱ₁型	文献[43]

图12 上扬子地区关键井牛蹄塘组页岩面孔率与长英质矿物含量关系图

Fig.12 Organic matter surface porosity versus felsic minerals content of Niutitang shale in typical wells, Upper Yangtze plate

图13 上扬子地区关键井牛蹄塘组、龙马溪组页岩TOC与石英含量关系图

Fig.13 Correlation of quartz and TOC contents in the Niutitang and Longmaxi shales in typical wells, Upper Yangtze

图14 上扬子地区EYY1井牛蹄塘组页岩黏土矿物对有机孔发育影响图 a—钙质页岩,EYY1-5,2 978.94 m,TOC含量为1.34%;b—图a局部放大。

Fig.14 Effects of clay minerals on OMP development in the Niutitang shale in well EYY1, Upper Yangtze

图15 上扬子地区EYY1井不同微观组构有机质面孔率对比图 a—黄铁矿粒间有机质,EYY1-2,2 937.8 m,TOC含量为0.89%,过渡型页岩;b—黏土矿物伴生有机质,EYY1-4,2 972.1 m,TOC含量为2.53%,过渡型页岩;c—碎屑颗粒间有机质,EYY1-5,2 978.94 m,TOC含量为1.34%,钙质页岩。

Fig.15 Comparison of surface porosities of organic matter with different microstructures in well EYY1, Upper Yangtze

参考文献 47

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上扬子地区寒武系牛蹄塘组页岩有机质孔隙发育特征及主控因素

Organic matter-hosted pores in the Cambrian Niutitang shales of the Upper Yangtze region: Pore development characteristics and main controlling factors

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