馮愛國，張建平，趙紅燕

（石元會，任元，李光華 中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司，湖北潛江 433123）

建南構(gòu)造東岳廟段頁巖氣層巖心試驗研究

馮愛國，張建平，趙紅燕

（石元會，任元，李光華 中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司，湖北潛江 433123）

建南構(gòu)造建111井區(qū)是中國石油化工集團(tuán)公司首個實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)開發(fā)的區(qū)塊。為了掌握和深入研究建南構(gòu)造頁巖氣的儲層特征和富集規(guī)律，對建頁HF-1井下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段 （J1z3）564.0～649.0m連續(xù)取心83.5m并進(jìn)行巖心試驗研究。結(jié)果表明：孔隙度集中分布在1.0%～4.0% （平均2.5%），滲透率為0.004～12.0mD（平均0.6mD），呈特低孔、特低滲特征；總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～3.2% （平均1.3%），熱演化程度為0.8%～1.5%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，地化指標(biāo)處于有利的勘探范圍之內(nèi)；脆性礦物體積分?jǐn)?shù)平均62.2%，泊松比平均0.21，彈性模量平均30.0GPa，綜合脆性指數(shù)平均51.7%，壓裂易于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫；天然氣成分以甲烷為主，不含硫化氫。試驗結(jié)論對建南構(gòu)造頁巖氣勘探開發(fā)產(chǎn)能建設(shè)，以及國內(nèi)同類頁巖氣勘探具有重要的指導(dǎo)作用。

建南構(gòu)造；東岳廟段；頁巖氣；巖心試驗

頁巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣類型，多以游離氣和吸附氣形式賦存于富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖及其夾層中。頁巖氣藏具有獨(dú)特的成藏與富集模式，通常采用水平井形式開發(fā)，氣井無自然產(chǎn)能，需經(jīng)壓裂改造方能獲得產(chǎn)能。其氣層評價關(guān)鍵參數(shù)包括厚度、儲層物性、礦物組成、脆性、有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度、含氣性、巖石力學(xué)性質(zhì)等多個方面，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程［1～16］。

前人對建南構(gòu)造地質(zhì)及常規(guī)油氣層特征研究較透徹，但對埋藏較淺的下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段（J1z3）頁巖儲層特征與頁巖氣富集規(guī)律認(rèn)識不夠深入，主要是缺乏有針對性的頁巖儲層取心資料，試驗研究不夠。為評價建111井區(qū)J1z3頁巖氣資源潛力，獲取頁巖儲層評價參數(shù)，在該井區(qū)建頁HF-1井導(dǎo)眼J1z3的564.0～649.0m井段連續(xù)取心83.5m，取出含氣巖心58.0m，為巖心試驗分析提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，也為后續(xù)開發(fā)提供了可靠的試驗分析數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)背景

建南構(gòu)造是一個保存完整的膝狀背斜，分為南、北2高點，核部出露的最老地層為侏羅系沙溪廟組。區(qū)域內(nèi)侏羅系地層由于受到喜山運(yùn)動區(qū)域隆升剝蝕影響，僅殘存中侏羅統(tǒng)和下侏羅統(tǒng)沉積。建111井區(qū)位于構(gòu)造北高點，J1z3頁巖氣層壓裂初期產(chǎn)量超過3000m3／d，2年后仍穩(wěn)產(chǎn)2300m3／d。

建111井區(qū)J1z3處于淺湖－半深湖的沉積環(huán)境，巖性以黑色、黑灰色頁巖、深灰色及黑色泥巖為主，厚約40～80m，夾薄層深灰色粉砂巖、灰白色灰?guī)r，底部介殼泥頁巖發(fā)育，有較豐富的介殼類化石。近50年來的鉆探顯示，J1z3泥頁巖層天然氣顯示豐富，厚度大，局部富集高產(chǎn)，勘探潛力大，鉆井過程中多次出現(xiàn)井噴、井涌現(xiàn)象［16］。

2 樣品與試驗

基于頁巖氣儲層的特殊性，針對J1z3的695塊巖心樣品開展X射線衍射定量分析、黏土礦物X射線衍射分析、常規(guī)物性、巖石熱解、鏡質(zhì)組反射率、干酷根顯微組分、氯仿瀝青 “A”、總有機(jī)碳含量、含氣性等10個項目的試驗，未進(jìn)行相應(yīng)的巖電試驗和相滲試驗。

在常溫常壓條件下，使用OGE－Ⅱ油氣評價儀對170塊巖心進(jìn)行巖石熱解分析，使用MSP200型顯微光度計對17塊巖心進(jìn)行鏡質(zhì)組反射率分析，使用透射光反射光熒光顯微鏡對17塊巖心進(jìn)行干酪根顯微組分檢測，利用YSB全自動多功能抽提儀對17塊巖心進(jìn)行氯仿瀝青 “A”分析；使用高低滲透率測定儀、氦孔隙度測量儀、液體飽和裝置對135塊巖心進(jìn)行常規(guī)物性檢測；利用XD-2型X射線衍射儀對53塊巖心進(jìn)行常見礦物、黏土含量的定量分析；選取233塊巖心進(jìn)行總有機(jī)碳、吸附氣解吸試驗。

3 試驗分析

3.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)J1z3巖性以黑色、黑灰色頁巖為主，頁理較發(fā)育，富含介殼化石，含少量碎屑顆粒、黃鐵礦等，為典型半深湖相沉積。53塊巖心X射線衍射全巖分析顯示，主要成分為石英、長石、碳酸鹽巖、黏土等礦物，其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均40.2%，長石平均2.6%，碳酸鹽平均19.4%，黏土平均37.8%（圖1）。53塊巖心黏土礦物X射線衍射分析顯示，伊利石平均30.0%、高嶺石平均20.0%，不含蒙脫石。脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均62.2%，巴耐特頁巖石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.0%～72.0%，平均為48.0%。對比北美頁巖［1］，J1z3泥頁巖脆性礦物含量與北美巴耐特頁巖相當(dāng)，利于壓裂改造。

圖1 研究區(qū)J1z3巖心X射線衍射全巖分析統(tǒng)計圖

3.2 物性特征

研究區(qū)J1z3的591.0～643.0m井段125塊巖心物性分析顯示：孔隙度在0.5%～6.9%之間，平均2.5%，集中分布在1.0%～4.0%范圍內(nèi)；上部591.0～625.0m井段孔隙度相對較高，平均為2.8%；下部625.0～643.0m井段孔隙度相對較低，平均為1.6；滲透率極低，在0.004～12.0mD之間，平均0.6mD；儲層整體表現(xiàn)為特低孔、特低滲特征 （圖2）。因此，研究區(qū)頁巖氣的開發(fā)需要對儲層進(jìn)行壓裂改造，增強(qiáng)其滲透性。

研究區(qū)J1z3的591.0～643.0m井段頁巖儲集空間以細(xì)微孔隙為主，細(xì)微孔隙均為粒間孔，部分相互連通，微細(xì)孔徑多在10μm以內(nèi)，偶見斜裂縫。其中井深595.0m分布少量碎屑顆粒、黃鐵礦等，泥質(zhì)間微細(xì)粒間孔隙少 （圖3（a））；井深615.0m細(xì)微孔隙均為粒間孔，孔徑在10μm以內(nèi) （圖3（b））；井深617.0m和618.0m薄片偏光圖像顯示，存在斜裂縫 （圖3（c）、（d））。細(xì)微孔隙、微裂縫的存在增大了游離氣存貯空間，有利于儲層改造。

圖2 研究區(qū)J1z3孔隙度及滲透率分布直方圖

圖3 研究區(qū)J1z3電鏡、薄片圖

3.3 巖石熱解試驗

3.3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

研究區(qū)J1z3的591.0～643.0m井段119塊含氣頁巖巖心有機(jī)碳樣品試驗結(jié)果表明：總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w（TOC））最小0.4%，最大3.2%，平均1.3%；其中47塊巖心w（TOC）＜1.0%，64塊巖心w（TOC）在1.0%～2.0%之間，8塊巖心w（TOC）＞2.0%（圖4）；氯仿瀝青 “A”最小0.12%，最大0.46%，平均0.24%。區(qū)內(nèi)含氣頁巖段w（TOC）多在1.0%以上，整體有機(jī)質(zhì)豐度較高，對比北美地區(qū)及四川盆地的有機(jī)質(zhì)豐度［1］，J1z3頁巖氣儲層處于勘探較有利的地化指標(biāo)范圍之內(nèi)。

3.3.2 有機(jī)質(zhì)類型與演化程度

研究區(qū)J1z3巖心干酪根鏡檢分析結(jié)果顯示：有機(jī)質(zhì)類型以腐植－腐泥型Ⅱ1為主，占88%，腐泥-腐植型Ⅱ2占12%（見表1）。巖心干酪根類型指數(shù)一般在20.7～62.0之間，平均49.2。巖心干酪根鏡質(zhì)體反射率樣品分析顯示，最大1.5%，最小0.8%，平均1.3%。有機(jī)質(zhì)演化程度適中，類型匹配合理，屬于凝析油－濕氣的成熟－高成熟階段，有利于天然氣的生成和自身吸附。

圖4 J1z3頁巖巖心有機(jī)質(zhì)豐度頻率直方圖

表1 研究區(qū)J1z3有機(jī)質(zhì)類型試驗分析統(tǒng)計表

3.4 頁巖含氣量

研究區(qū)J1z3的591.0～643.0m井段，氣測異常顯示明顯，全烴體積分?jǐn)?shù)由0.02%升高至1.20%，甲烷由0.01%升高至0.69%，乙烷由0%升高至0.04%，丙烷由0%升高至0.01%，其他組分為0。烴對比系數(shù)在10～60之間，平均25。鉆井液相對密度在1.18～1.19之間，漏斗黏度62～70s，無明顯變化。對20塊巖心進(jìn)行解吸氣試驗，試驗溫度為30℃，測得總氣量在0.17～0.82m3／t之間，平均0.57m3／t。試驗溫度與地層溫度接近，無須對解吸得到的吸附氣含量進(jìn)行校正。反演求得頁巖氣儲層平均朗氏體積 （飽和吸附體積）VL＝1.18m3／t，朗氏壓力pL＝2.35MPa；吸附氣質(zhì)量體積 （Gs）與w（TOC）呈線性相關(guān) （圖5）。

建頁HF-1井J1z3的591.0～643.0m井段的頁巖總含氣量在0.85～2.04m3／t之間，平均總含氣量為1.28m3／t，其中吸附氣約占44.5%，游離氣約占55.5%，吸附氣含量與游離氣含量近似1∶1，與北美地區(qū)發(fā)現(xiàn)的頁巖氣田數(shù)據(jù)接近。

圖5 J1z3巖心樣品吸附氣與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系

3.5 天然氣組分

對建頁HF-1井水平段分段壓裂試氣，初期獲12000m3／d產(chǎn)能。通過4次取樣分析，天然氣成分以甲烷為主，體積分?jǐn)?shù)90.03%～91.71%，平均91.71%；其他組分含量見圖6。天然氣純凈，不含劇毒氣體硫化氫，相對密度0.61～0.64，臨界壓力4.56～4.58MPa，臨界溫度200.1～204.3K。

3.6 巖石力學(xué)參數(shù)

研究區(qū)J1z3巖心樣品巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果見表2。

圖6 J1z3天然氣組分分析直方圖

表2 研究區(qū)J1z3巖心彈性模量與泊松比測量數(shù)據(jù)

彈性模量為18.6～38.1GPa， 平 均30.0GPa；泊松比為0.12～0.28，平均0.21；綜合脆性指數(shù)平均51.7%。泊松比小、彈性模量高，水平井壓裂改造有利于形成 多 縫－網(wǎng) 狀 裂 縫［14，16，17］（圖7），相比建111井頁巖氣層可改造性要好，較涪陵地區(qū)JY1HF井頁巖氣層可改造性要差。巖心樣品巖石力學(xué)參數(shù)的測定為利用常規(guī)測井資料建立儲層泊松比、彈性模量及綜合脆性指數(shù)計算模型創(chuàng)造了條件。

圖7 研究區(qū)J1z3泊松比-彈性模量評價圖版

4 結(jié)論

1）建南構(gòu)造J1z3中下部含氣泥頁巖儲層厚約60m，孔隙度一般為1.0%～4.0%，平均2.5%，滲透率極低，氣層無自然產(chǎn)能，需要進(jìn)行壓裂改造。

2）建南構(gòu)造J1z3脆性礦物石英、長石和碳酸鹽巖平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40.2%、2.6%和19.4%，總體達(dá)到62.2%；泊松比平均0.21，彈性模量平均30.0GPa，綜合脆性指數(shù)平均51.7%；頁巖儲層有利于實施大型加砂壓裂工藝改造，并易于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。

3）建南構(gòu)造J1z3泥頁巖w（TOC）集中分布在1.0%～3.0%之間，與吸附氣含量呈線性相關(guān)；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，有機(jī)質(zhì)熱演化程度一般為0.8%～1.5%，有機(jī)質(zhì)演化度適中，泥頁巖地化指標(biāo)均處于較有利的勘探范圍之內(nèi)。

4）建南構(gòu)造J1z3頁巖天然氣成分主要為甲烷，不含硫化氫，有利于低成本安全開發(fā)。

本文屬于中石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司科技攻關(guān)項目 （SG1305）的產(chǎn)出論文。

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［編輯］ 龔丹

Experimental Study on Shale Gas Cores in Dongyuemiao Area of Jiannan Structure

FENG Aiguo，ZHANG Jianping，ZHAO Hongyan，SHI Yuanhui，REN Yuan，LI Guanghua （First Author' s Address：Logging Company，Sinopec Oilfield Service Jianghan Corporation，Qianjiang433123，Hubei，China）

Wellblock J111in Jiannan Structure was a first block of commercial development for shale gas in SINOPEC.In order to grasp and deeply study the shale gas reservoir characteristics and its enrichment rules in Jiannan Structure，continuous coring of 83.5min 564.0～649.0min Dongyumiao section of Ziliujing Formation was performed in Well JY HF-1and cores were tested.The core experimental analysis showed that the porosity was distributed at a range of 1%～4%，average was 2.5%，permeability was 0.004～12.0mD with average of 0.6mD，it was characterized by low porosity and low permeability，the organic carbon content was 0.4%～3.2%with an average of 1.3%，the thermal evolution degree was 0.8%～1.5%，organic matter type was TypeⅡ1，geochemical index was within the range of favorable exploration level，the brittle mineral content was average of 62.2%，Poisson' s ratio was 0.21on an average，Young' s modulus was average of 30.0GPa，comprehensive brittleness index was average of 51.7%，fracture was easy to form network cracks，the natural gas composition was mainly methane without containing hydrogen sulfide.The experimental results provide guidance for exploration and development of shale gas in Jiannan Structure and as well as for the similar shale gas exploration in our country.

Jiannan Structure；Dongyuemiao section；shale gas；core experiment

TE122.113

A

1000-9752（2014）04-0038-06

2014-02-19

馮愛國 （1963-），男，1985年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，碩士，高級工程師，主要從事測錄井技術(shù)與裝備的管理工作。