蔣裕強(qiáng) 董大忠 漆麟 沈妍斐 蔣嬋 何溥為

1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 2.中國石油勘探開發(fā)研究院 3.延長油田股份有限公司子長采油廠

頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評價(jià)

蔣裕強(qiáng)1董大忠2漆麟1沈妍斐1蔣嬋1何溥為3

1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 2.中國石油勘探開發(fā)研究院 3.延長油田股份有限公司子長采油廠

頁巖氣獨(dú)特的賦存狀態(tài),“連續(xù)成藏”的聚集模式,區(qū)別于常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的特征以及評價(jià)內(nèi)容等決定了頁巖氣儲(chǔ)層研究的特殊性。目前,國內(nèi)針對頁巖氣儲(chǔ)層特征及評價(jià)的工作開展得相對較少,需要建立相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在大量調(diào)研國外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,綜合利用四川盆地最新的淺井鉆探和野外露頭取樣資料,從常規(guī)儲(chǔ)層研究思路入手,詳細(xì)分析了頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征(有機(jī)質(zhì)特征、礦物組成、物性特征、儲(chǔ)滲空間特征),進(jìn)而總結(jié)了頁巖氣儲(chǔ)層評價(jià)的主要內(nèi)容;同時(shí),借鑒美國頁巖氣勘探成功經(jīng)驗(yàn),從實(shí)際資料出發(fā),篩選出有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、含氣性等8大關(guān)鍵地質(zhì)因素,進(jìn)而提出了一套較為適用的儲(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)后認(rèn)為,四川盆地下古生界筇竹寺組和龍馬溪組2套海相黑色頁巖具有良好的勘探開發(fā)前景。

頁巖氣 儲(chǔ)集層 溶蝕孔隙 有機(jī)孔隙 裂縫 評價(jià)內(nèi)容 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 關(guān)鍵地質(zhì)因素

頁巖氣是指主體上以吸附和游離狀態(tài)存在于低孔隙度、特低滲透率,富有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖或高碳泥頁巖層系中的天然氣。在頁巖氣藏中,天然氣亦可存在于該層系中的粉、細(xì)砂巖,粉砂質(zhì)泥巖或砂巖夾層中,在此討論的頁巖氣儲(chǔ)層專指頁巖。頁巖除具備儲(chǔ)集條件外,還作為頁巖氣藏的烴源巖和蓋層。如何對頁巖這一特殊儲(chǔ)層的特征進(jìn)行描述、評價(jià),正是筆者探討的問題。

1 頁巖氣儲(chǔ)層基本特征

1.1 有機(jī)質(zhì)特征

頁巖氣儲(chǔ)層中含有大量的有機(jī)質(zhì),其豐度與成熟度對頁巖氣資源量有重要影響。頁巖氣吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,頁巖中有機(jī)碳含量與頁巖氣的生氣率具較好的正相關(guān)性[1-3]。在相同溫壓條件下,富有機(jī)質(zhì)的頁巖較貧有機(jī)質(zhì)的頁巖具有更多的微孔隙空間,能吸附更多的天然氣,影響吸附氣多寡的關(guān)鍵因素是有機(jī)碳含量的高低。

美國5大含氣頁巖的有機(jī)碳含量均較高,其中Barnett頁巖有機(jī)碳含量介于2.0%～7.0%,平均為4.5%,Antrim頁巖和New A lbany頁巖有機(jī)碳含量部分超過20%,吸附氣含量最低為13%,最高可達(dá)70%(表1)。筆者依據(jù)四川盆地最新淺井及露頭分析資料,對該區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖進(jìn)行分析,結(jié)果顯示筇竹寺組有機(jī)碳含量為1.0%～11.07%,普遍大于1%;龍馬溪組的有機(jī)碳含量一般分布在0.51%～4.88%,最高可達(dá)9%左右?？梢酝茰y,四川盆地下古生界2套頁巖吸附氣含量應(yīng)該是較高的。

從美國主要產(chǎn)頁巖氣盆地頁巖氣成因看包括生物成因氣、熱成因和兩種混合成因氣,即包含低成熟度頁巖氣(Antrim頁巖Ro為0.1%～0.6%)、高成熟度頁巖氣(Barnett頁巖 Ro為1.0%～2.1%)和高低成熟度混合頁巖氣。由此可看出,頁巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)成熟度不是影響頁巖氣成藏的關(guān)鍵因素,但成熟度越高越有利于頁巖氣成藏。根據(jù)北美地區(qū)統(tǒng)計(jì)資料,頁巖氣成藏要求Ro>1.3%。

四川盆地西南部筇竹寺組頁巖總體熱演化程度高,其Ro一般分布在1.83%～3.23%;長芯1井揭示該井龍馬溪組頁巖 Ro值均超過3.0%,平均可達(dá)3.21%。2套頁巖在區(qū)域上 Ro最低也接近或大于2.0%,表明這2套頁巖進(jìn)入了過成熟演化階段,具備形成頁巖氣藏的條件。伴隨天然氣生成作用產(chǎn)生的微裂縫也有利于儲(chǔ)存更多的游離氣。

1.2 礦物組成

頁巖儲(chǔ)層的礦物組成除常見的黏土礦物(伊利石、蒙皂石、高嶺石)外,還混雜有石英、長石、云母、方解石、白云石、黃鐵礦、磷灰石等礦物。

北美地區(qū)Barnett頁巖的石英、長石和黃鐵礦含量為20%～80%(其中石英含量為40%～60%),碳酸鹽礦物含量低于25%,黏土礦物含量通常小于50%。四川盆地下古生界2套頁巖的X射線熒光衍射(XRD)分析結(jié)果總體與Barnett頁巖相似(圖1、表2),其石英、長石和黃鐵礦的平均含量為30%～64%,碳酸鹽礦物的平均含量低于20%,極少數(shù)為0,黏土礦物含量平均在31%～51%。與Barnett頁巖對比,龍馬溪組的硅質(zhì)含量偏少,筇竹寺組的含量偏多,但龍馬溪組的碳酸鹽礦物含量較高,而筇竹寺組的含量偏少。研究表明,石英等脆性礦物含量高有利于后期的壓裂改造形成裂縫;碳酸鹽礦物中方解石含量高的層段,易于溶蝕產(chǎn)生溶孔。

Bow ker研究認(rèn)為,Barnett頁巖層中黏土礦物主要為微含蒙皂石的伊利石[10]。四川盆地及鄰區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層黏土礦物分析結(jié)果也表明其組成主要是伊利石,其次為綠泥石,不含蒙皂石,有少量的高嶺石和伊/蒙混層(表3、圖2)。筇竹寺組的伊利石含量較龍馬溪組高,平均值為83.5%,I/S混層比在0～40%,平均為32.5%;龍馬溪組的綠泥石平均含量為15.67%,I/S混層比平均為10.72%。

研究表明,頁巖氣儲(chǔ)層中黏土礦物的含量與吸附氣含量具有一定的關(guān)系,其中最主要的是伊利石;蒙皂石類膨脹性黏土礦物不利于對后期儲(chǔ)層壓裂造縫。

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圖2 四川盆地及鄰區(qū)下古生界黑色頁巖黏土礦物相對含量變化圖

1.3 物性特征

北美地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層物性評價(jià)采用了美國天然氣研究所(1996)研制的 GRI頁巖巖心測定方法。該方法不僅可以測定頁巖基質(zhì)總的孔隙度,還可以測定出含氣孔隙度,且測定出的頁巖滲透率最低可達(dá)10-14mD[11]。國內(nèi)目前不具備此技術(shù),只能按常規(guī)儲(chǔ)層物性分析方法測試,故不能與北美頁巖物性進(jìn)行比對。

頁巖氣儲(chǔ)層具低孔、特低滲致密的物性特征。美國主要產(chǎn)氣頁巖儲(chǔ)層巖心分析總孔隙度分布在2.0%～14.00%,平均為4.22%～6.51%;測井孔隙度分布在4.0%～12.00%,平均為5.2%;充氣孔隙度分布在1.0%～7.5%,充水孔隙度為1.0%～8.0% (表4)。滲透率一般小于0.1 mD,平均喉道半徑不到0.005μm[2]。

四川盆地頁巖儲(chǔ)層物性分析取得部分孔隙度資料,因滲透率測試靈敏度低未測出。資2井筇竹寺組黑色粉砂質(zhì)頁巖樣品物性分析孔隙度分布在1.0%～2.5%,平均孔隙度為1.58%;資3井硅質(zhì)頁巖的孔隙度為0.12%～0.70%。威001-2井筇竹寺組頁巖儲(chǔ)層的測井孔隙度在0.69%～3.08%,平均值為1.64%,滲透率在0.001～0.11 mD,平均值為0.019 mD[12-15]。陽深2井龍馬溪組測井解釋孔隙度一般為1.0%～5.0%(表5)。陽63、隆32等井在龍馬溪組已測試獲氣流,可見,四川盆地下古生界頁巖具備儲(chǔ)集條件。

北美地區(qū)主要頁巖儲(chǔ)層含水飽和度為10%～35%(表4)。頁巖儲(chǔ)層的含水飽和度直接影響著含氣量,隨頁巖成熟度的增加產(chǎn)氣量劇增,而含水飽和度降低[10,17],含水量高將降低產(chǎn)氣效率。關(guān)于頁巖氣開發(fā)含水飽和度下限斯倫貝謝公司選取值為45%[1]。

含油飽和度(So)小于5%時(shí)才被認(rèn)為是頁巖氣的有利勘探區(qū)[1]。這是因?yàn)?一方面,含油飽和度若過大勢必降低含氣飽和度;另一方面,油分子太大容易堵塞微米—納米級別的微孔隙和喉道,減慢氣體的流速,不利于頁巖氣的產(chǎn)出。

1.4 儲(chǔ)滲空間特征

頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲空間可分為基質(zhì)孔隙和裂縫?；|(zhì)孔隙有殘余原生孔隙、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙、黏土礦物伊利石化形成的微裂(孔)隙和不穩(wěn)定礦物(如長石、方解石)溶蝕形成的溶蝕孔等。

表4 北美主要產(chǎn)氣頁巖儲(chǔ)層物性統(tǒng)計(jì)表

表5 四川盆地下古生界頁巖儲(chǔ)層巖心與測井孔隙度分析表

1.4.1 殘余原生孔隙

主要是分散于片狀黏土中的粉砂質(zhì)顆粒間的孔隙。這部分孔隙與常規(guī)儲(chǔ)層孔隙相似,隨埋藏深度增加而迅速減少。

1.4.2 有機(jī)孔隙

目前有研究認(rèn)為,頁巖中的孔隙以有機(jī)質(zhì)生烴形成的孔隙為主(圖3)。據(jù)Jarvie等人研究,有機(jī)質(zhì)含量為7%的頁巖在生烴演化過程中,消耗35%的有機(jī)碳可使頁巖孔隙度增加4.9%[18]。有機(jī)微孔的直徑一般為0.01～1μm。

圖3 有機(jī)質(zhì)生烴體積縮小形成的孔隙圖[18]

1.4.3 伊利石化體積縮小的微裂(孔)隙

蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化是頁巖成巖過程中重要的成巖變化。當(dāng)孔隙水偏堿性、富鉀離子時(shí),隨著埋深增加,蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化,伴隨體積減小而產(chǎn)生微裂(孔)隙。

1.4.4 次生溶蝕孔隙

王正普等在鑒定川東及鄰區(qū)志留系龍馬溪組暗色泥質(zhì)巖時(shí)見有發(fā)育的溶孔,次生溶蝕孔隙的孔徑多數(shù)在0.01～0.05 mm,少數(shù)在0.05～0.60 mm,連通孔隙率最低值僅為 0.82%(不含易溶礦物),最高達(dá)32.41%,一般為16%,碳酸鹽含量在10%～30%時(shí)最易形成高孔段[19]。該類次生孔隙是由于有機(jī)質(zhì)脫羧后產(chǎn)生的酸性水對頁巖儲(chǔ)層的碳酸鹽礦物強(qiáng)烈溶蝕形成的。

筆者在研究中亦發(fā)現(xiàn)黑色頁巖中顆粒被溶蝕的現(xiàn)象(圖4)。掃描電鏡下溶蝕孔孔徑為15～20μm,孔緣不規(guī)則。上述孔隙的觀察依賴于微米—納米級電子顯微鏡分析技術(shù)。

圖4 黑色頁巖中顆粒被溶蝕現(xiàn)象圖

1.4.5 裂縫

頁巖儲(chǔ)層中的裂縫多以微裂縫形式存在。其產(chǎn)生可能與斷層和褶皺等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān),也可能與有機(jī)質(zhì)生烴時(shí)形成的輕微超壓而使頁巖儲(chǔ)層破裂有關(guān),也有學(xué)者認(rèn)為與差異水平壓力有關(guān)[20]。

微裂縫對頁巖氣的產(chǎn)能增加有很大影響,同時(shí)裂縫的存在也使得頁巖氣的開發(fā)變得格外復(fù)雜。一方面,微裂縫發(fā)育并與大型斷裂連通,對于頁巖氣的保存條件極為不利;地層水也會(huì)通過裂縫進(jìn)入頁巖儲(chǔ)層,使氣井見水早,含水上升快,甚至可能暴性水淹。另一方面,微裂縫發(fā)育不但可以為頁巖氣的游離富集提供儲(chǔ)滲空間,增加頁巖氣游離態(tài)天然氣的含量;而且,微裂縫也有助于吸附態(tài)天然氣的解析,并成為頁巖氣運(yùn)移、開采的通道。

2 儲(chǔ)層評價(jià)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

2.1 評價(jià)內(nèi)容

頁巖氣藏是典型的自生自儲(chǔ)型氣藏[21],因此評價(jià)頁巖儲(chǔ)層除與常規(guī)儲(chǔ)層有相同的巖石學(xué)、物性等儲(chǔ)層基本特征外,還應(yīng)考慮頁巖氣藏形成的含氣性及能否被開采等要件[22]。為此,結(jié)合美國頁巖氣勘探成功經(jīng)驗(yàn),筆者篩選了8大關(guān)鍵地質(zhì)因素嘗試對頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行初步的評價(jià)(圖5)。

圖5 頁巖儲(chǔ)層評價(jià)內(nèi)容示意圖

1)有機(jī)質(zhì)豐度:有機(jī)質(zhì)含量高低直接影響頁巖含氣量的大小。有機(jī)質(zhì)豐度越高,頁巖氣含量越高。北美地區(qū)研究認(rèn)為具有商業(yè)價(jià)值的頁巖氣藏有機(jī)碳含量一般大于2%,最高達(dá)10%。

2)熱成熟度:反映有機(jī)質(zhì)是否已經(jīng)進(jìn)入熱成熟生氣階段(生氣窗)。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)進(jìn)入生氣窗后,生氣量劇增,有利于形成商業(yè)性頁巖氣藏。北美頁巖氣儲(chǔ)層的Ro值一般大于1.1%。

3)含氣性:頁巖氣主要的存在形式是游離氣與吸附氣。故應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場損失氣量測定及頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn),直接測定頁巖的游離氣量及吸附氣量,以評價(jià)頁巖儲(chǔ)層的含氣性。

4)頁巖厚度:指高伽馬、富含有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度,因?yàn)楦缓袡C(jī)質(zhì)頁巖厚度越大,頁巖氣藏富集程度越高。頁巖厚度和分布面積是保證有充足的儲(chǔ)滲空間和有機(jī)質(zhì)的重要條件,一般要求直井厚度大于30 m。由于水平鉆井和分段壓裂等技術(shù)的應(yīng)用,頁巖有效厚度可能低于該下限值。

5)儲(chǔ)層物性:通過頁巖基質(zhì)孔隙度、含氣孔隙度、滲透率及含氣飽和度測定以及裂縫組構(gòu)和類型分析,評價(jià)頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)氣能力大小。

6)礦物組成:除硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物外,頁巖儲(chǔ)層中還包括黏土礦物。頁巖儲(chǔ)層的伊利石含量與吸附氣含量有一定關(guān)系。硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物成分越高,頁巖儲(chǔ)層加砂壓裂時(shí),越容易被壓開。

7)脆性:頁巖儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率很低,需要裂縫才能形成工業(yè)產(chǎn)能。除本身的天然裂縫外,在開發(fā)過程中還應(yīng)考慮頁巖儲(chǔ)層在加砂壓裂改造時(shí),是否易于被改造。脆性越大,越易被改造。

8)力學(xué)性質(zhì):通過泊松比、楊氏模量等測定,評價(jià)頁巖儲(chǔ)層的造縫能力。

以上指標(biāo)1)～5)主要評價(jià)頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)氣量大小,即地質(zhì)儲(chǔ)量(GPI);而指標(biāo)6)～8)則是評價(jià)頁巖儲(chǔ)層是否易于改造,能否最終將儲(chǔ)藏在頁巖中的天然氣開采出來。

2.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述評價(jià)內(nèi)容,筆者建立了相應(yīng)的頁巖氣儲(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表6)。

四川盆地下古生界筇竹寺組和龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層的有機(jī)碳含量普遍大于2%,Ro值最低都大于2.0%,石英及方解石等脆性礦物含量均超過40%,黏土礦物含量低且不含蒙皂石,其滲透率和含水飽和度均滿足下限標(biāo)準(zhǔn),高伽馬值黑色頁巖厚度也在30 m以上。依照上述標(biāo)準(zhǔn),四川盆地筇竹寺組和龍馬溪組海相黑色頁巖具有勘探開發(fā)價(jià)值。

3 結(jié)論與認(rèn)識

1)頁巖氣藏是典型的“自生自儲(chǔ)”氣藏。作為儲(chǔ)層的頁巖富含有機(jī)質(zhì),有機(jī)質(zhì)含量及成熟度對頁巖含氣量有著重要的影響。

2)頁巖儲(chǔ)層具有獨(dú)特的礦物組成。除黏土礦物外,還含有不等量的石英、長石、云母、方解石等礦物。黏土礦物中伊利石含量高低與吸附氣含量有一定關(guān)系。石英、長石等脆性礦物含量高,有利于儲(chǔ)層壓裂改造;方解石含量高則易于形成次生溶孔,改善儲(chǔ)集條件。

3)頁巖儲(chǔ)層屬特低滲—致密儲(chǔ)層,具備一定儲(chǔ)集能力?？紫额愋投鄻?孔徑大小為微米—納米級,包括殘余粒間孔、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙、溶蝕孔和黏土礦物伊利石化形成的微裂(孔)隙;裂縫多為微裂縫,其形成與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、生烴超壓、差異水平壓力等有關(guān)。

4)頁巖氣儲(chǔ)層評價(jià)內(nèi)容包括儲(chǔ)層含氣性、氣藏可開采性等要件?；谟袡C(jī)質(zhì)特征、無機(jī)礦物組成、物性及巖石學(xué)特征4個(gè)方面建立了頁巖儲(chǔ)層評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

成文中,中國石油西南油氣田公司王世謙教授級高級工程師給予了熱情指導(dǎo),特致以真誠的感謝。

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Basic featuresand evaluation of shale gas reservoirs

Jiang Yuqiang1,Dong Dazhong2,Qi Lin1,Shen Yanfei1,Jiang Chan1,He Fuwei3
(1.School of Resources&Environment,Southw est Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China; 2.Petroleum Exp loration and Development Research Institute, PetroChina,Beijing 100083, China; 3.Zichang Production Plant,Yanchang Oilf ield Co.,L td.,Zichang County,Shaanx i 717300,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 10,pp.7-12,10/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Shale gas reservoirs are featured by unique gasoccurrence and continuous gas accumulation,and their characteristics and evaluation criteria are different from thoseof conventional gas reservoirs.Just due to the said peculiarities,related studieson shale gas reservoir features and evaluation are relatively poo r at p resent in China,so it is essential to establish co rresponding evaluation criteria.Based on an investigation into a number of literatures at home and abroad,in combination w ith the latest shallow exp lo rato ry drilling data and outcrop data in the Sichuan Basin,we perfo rmed an in-dep th analysis of the basic features of shale gas reservoirs, including organic matter,mineral composition,physical p roperties,and poroperm characteristics,and p resented themain contentsof shale gas reservoir evaluation.In addition,eight key geologic factors such aso rganic abundance,thermalmaturity,and gas content, etc.are selected and corresponding evaluation criteria are established.Acco rding to these criteria,the Lower Palaeozoic Qiongzhusi and Longmaxi formations in the Sichuan Basin are favo rable targets for marine black shale gas exploration.

shale gas,reservoir,dissolution pore,organicmatter,fracture,evaluation content,evaluation criteria,key geologic facto r

蔣裕強(qiáng)等.頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評價(jià).天然氣工業(yè),2010,30(10):7-12.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.002

國土資源部全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)課題(編號:XQ-2009-14)、國家科技重大專項(xiàng)(編號: 2008ZX05001-001)。

蔣裕強(qiáng),1963年生,副教授;從事儲(chǔ)層地質(zhì)、油氣藏地質(zhì)、沉積學(xué)研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都區(qū)新都大道8號西南石油大學(xué)。電話:13981828815。E-mail:xnsyjyq3055@126.com

2010-05-23 編輯 羅冬梅)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.10.002

Jiang Yuqiang,associate p rofessor,bo rn in 1963,has long been engaged in research of reservoir geology and sedimentology.

Add:No.8,Xindu Avenue,Xindu District,Chengdu,Sichuan 610500,P.R.China

Tel:+86-13981828815 E-mail:xnsyjyq3055@126.com