陳磊，姜振學，邢金艷

陳冬霞，謝明賢

陳委濤，羅梟

川西坳陷新場28井上三疊統(tǒng)須五段頁巖氣儲層特征研究及評價

陳磊，姜振學，邢金艷

（油氣資源與探測國家重點實驗室 （中國石油大學 （北京）））中國石油大學 （北京）非常規(guī)天然氣研究院，北京102249

陳冬霞，謝明賢

（油氣資源與探測國家重點實驗室 （中國石油大學 （北京）））中國石油大學 （北京）地球科學學院，北京102249

陳委濤，羅梟

（油氣資源與探測國家重點實驗室 （中國石油大學 （北京）））中國石油大學 （北京）非常規(guī)天然氣研究院，北京102249

頁巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣，其特有的賦存形式、源儲一體的成藏模式、不同于常規(guī)天然氣儲層的評價方法等均說明了頁巖氣儲層具有一定的特殊性。目前，對頁巖氣儲層特征的研究及評價工作在國內(nèi)開展的相對較少，亟需建立一套適用于頁巖氣儲層的評價標準。以試驗分析數(shù)據(jù)為基礎，綜合利用最新的淺井鉆探、野外露頭觀測資料和前人研究成果，從巖石礦物學特征、有機質(zhì)特征、物性特征、儲集空間特征和巖石力學特征等方面，對川西坳陷新場28井上三疊統(tǒng)須家河組五段黑色泥頁巖的儲層特征進行了初步研究。在此基礎上，參考國內(nèi)外頁巖氣儲層評價方案及前人評價模式，篩選出總有機碳質(zhì)量分數(shù)、成熟度、厚度等8大評價參數(shù)，建立了一套適用于頁巖氣儲層的評價標準。根據(jù)該標準評價后認為，川西坳陷新場28井須家河組五段泥頁巖具有良好的勘探開發(fā)前景。

頁巖氣；新場28井；須家河組五段；儲層特征；評價標準

頁巖氣是一種賦存于富含有機質(zhì)的泥頁巖及其粉砂質(zhì)巖類夾層中的非常規(guī)天然氣資源，具有自生自儲、近原地富集、賦存方式及儲集空間多樣、成因類型多樣、大面積連續(xù)成藏、非均質(zhì)性極強等特點［1～6］，其儲集條件的好壞直接影響著頁巖氣富集成藏［7～15］。目前，受到試驗儀器、方法和資料等諸多限制，國內(nèi)對于頁巖氣儲層特征的研究及其評價工作開展的相對較少，尚處于逐步探索階段。

四川盆地下古生界發(fā)育筇竹寺組、五峰組、龍馬溪組等海相頁巖地層，已有學者對其進行了大量研究［14～17］，但對陸相頁巖地層的研究則相對較少。筆者以川西坳陷新場28井陸相上三疊統(tǒng)須家河組五段（T3x5）泥頁巖為例，采用常規(guī)薄片鑒定、X衍射礦物分析、掃描電鏡、有機碳測試、熱解分析等試驗方法，從儲層巖性特征、礦物組成特征、有機質(zhì)特征、物性特征、儲集空間特征及巖石力學特征等方面對該套頁巖氣儲層進行了初步研究，為川西坳陷陸相頁巖氣目標區(qū)優(yōu)選提供地質(zhì)指導依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

川西坳陷位于四川盆地西部，北起米倉山山前，南抵峨眉－瓦山斷塊，西臨龍門山推覆構造帶，東接川中隆起，介于龍泉山隱伏深斷裂與龍門山馬角壩深斷裂之間，為一北東－南西向的條形地帶，總面積約為5×104km2［18］。川西坳陷須家河組 （T3x）是晚三疊世的一套河流－湖沼相沉積，其中T3x5主要為濱淺湖相沉積，沉積了一套黑色泥頁巖夾薄層砂巖及沼澤薄煤層，具較好的生氣潛力。

中石化西南油氣分公司于2010年9月在川西坳陷孝泉－豐谷構造帶開鉆頁巖氣井兼探井——新場28井 （見圖1）。中生界陸相頁巖廣泛發(fā)育其中，主要包括T3x5和須家河組三段 （T3x3）頁巖。頁巖地層具發(fā)育范圍廣、厚度大、裂縫發(fā)育等特點。鉆探顯示，新場28井T3x5頁巖實際厚度遠大于地表露頭顯示厚度，且具有良好的含氣顯示。

2 頁巖氣儲層基本特征

2.1 巖性與礦物學特征

通過對新場28井的巖心觀察、錄井巖屑以及常規(guī)薄片鑒定，T3x5巖石類型主要為灰黑色、深灰色泥頁巖夾淺灰色中薄層粉砂巖，普遍夾可采煤層或煤線。在巖石薄片鏡下照片中，可見大量呈條帶狀分布的褐（黑）色有機物 （見圖2（a）），有時可見少量灰泥呈鮞粒狀 （見圖2（b））、泥質(zhì)物局部富集 （見圖2（c））、灰泥呈圓形團粒狀 （見圖2（d））等。有機質(zhì)含量豐富，呈黑色條帶密集分布于泥頁巖層面上。

據(jù)黏土礦物測定及X射線衍射全巖分析（見表1、圖3），新場28井T3x5巖石的黏土礦物體積分數(shù)平均為28.17%（16%～40%），主要為伊利石、伊－蒙間層、高嶺石以及綠泥石，不含蒙脫石，其中伊利石含量最高。非黏土礦物主要為石英、長石、方解石和白云石，其中石英體積分數(shù)最高，平均為52.17%（42%～65%），其次為碳酸鹽礦物 （包括方解石和白云石），平均為16.67%（13%～20%）。從礦物組成上看，該套陸相泥頁巖脆性礦物 （石英、長石和碳酸鹽）體積分數(shù)較高，平均超過40%，且不含膨脹性蒙脫石，說明巖石脆性較好，天然裂縫容易發(fā)育，有利于后期人工壓裂。美國主要頁巖氣產(chǎn)層的石英體積分數(shù)為28%～52% （以生物、成巖石英為主），碳酸鹽體積分數(shù)為4%～16%，脆性礦物總體積分數(shù)為46%～60%［19］。從巖性和礦物組成變化特征可以看出，新場28井T3x5泥頁巖儲層具較強的非均質(zhì)性。

圖1 川西坳陷新場28井地理位置

圖2 川西坳陷新場28井T3x5薄片鏡下鑒定特征

表1 川西坳陷新場28井T3x5的X衍射礦物體積分數(shù)統(tǒng)計表

2.2 有機質(zhì)特征

有機質(zhì)類型是決定烴源巖生烴潛力的主要因素之一，是評價烴源巖質(zhì)量的指標。有機質(zhì)類型的不同對烴源巖生成烴類的性質(zhì)有較大影響［20］。同時，干酪根類型也影響著氣體賦存的方式和含量，并提供一些與烴源巖沉積環(huán)境有關的信息。筆者未開展有機質(zhì)類型鑒定的相關試驗，主要結合前人研究成果進行分析，川西坳陷新場28井T3x5泥頁巖的有機質(zhì)類型主要屬于Ⅲ型 （腐殖型），以生氣為主。

圖3 川西坳陷新場28井T3x5泥頁巖儲層礦物成分條形圖

有機質(zhì)豐度也是評價烴源巖質(zhì)量的重要指標之一。沉積盆地中烴源巖有機質(zhì)豐度的分布在很大程度上控制著油氣分布的有利區(qū)域［21］。含氣頁巖的有機質(zhì)豐度不僅決定了頁巖氣的生成量，而且還控制著頁巖氣的賦存與富集，從而影響頁巖氣的資源豐度。目前，常用的有機質(zhì)豐度指標主要包括總有機碳質(zhì)量分數(shù) （w（TOC））、氯仿瀝青 “A” （w（“A”））、總烴 （w（HC））和巖石熱解生烴潛量（w（S1＋S2））等。其中，w（TOC）是國內(nèi)外普遍采用的，也是最重要的評價指標。w（TOC）不僅控制著頁巖的物理化學性質(zhì)，也在很大程度上控制著頁巖的裂縫發(fā)育程度和含氣量［22］。北美頁巖氣勘探開發(fā)實踐表明，具商業(yè)開采價值的頁巖氣層主要為w（TOC）在2%以上的富有機質(zhì)頁巖段［12，23］。新場28井T3x5泥頁巖w（TOC）平均為2.46%，表明該套泥頁巖富含有機質(zhì)，既是優(yōu)質(zhì)氣源巖，也是較好的頁巖氣儲集層。

沉積巖中有機質(zhì)的豐度和類型是生成油氣的物質(zhì)基礎，但有機質(zhì)只有達到一定的熱演化程度才能開始大量生烴。有機質(zhì)成熟度是評價一個地區(qū)或某一烴源巖系生烴量及資源前景的重要依據(jù)［24］。鏡質(zhì)體反射率 （Ro）是目前研究干酪根熱演化和成熟度的最佳參數(shù)之一。對6個樣品進行Ro測試，結果表明，新場28井T3x5泥頁巖Ro變化不大，平均為1.39%，說明該套泥頁巖正處于高－過成熟生氣階段。

2.3 物性特征

在傳統(tǒng)的油氣勘探中，由于頁巖孔、滲極差，一般不作為儲層來考慮，因此其物性參數(shù)常被忽略。但在頁巖氣勘探開發(fā)中，孔、滲條件的好壞在很大程度上決定了頁巖氣的開采是否具有經(jīng)濟價值，物性特征是頁巖氣地質(zhì)評價中不可或缺的重要參數(shù)［7～12］。作為頁巖結構中的重要組成部分，頁巖的孔隙是泥質(zhì)沉積物在埋藏之后經(jīng)歷了成巖和成巖期后一系列變化作用的綜合產(chǎn)物。頁巖中孔隙度的大小直接控制著游離氣的含量。一般來說，孔隙體積越大，所含的游離氣量就越大 （見圖4）。這是由于氣體分子在孔隙中賦存，當孔徑越大，孔隙度越大時，游離氣含量也隨之增加。滲透率直接關系到頁巖氣藏的開采，頁巖的基質(zhì)滲透率非常低，一般小于0.1mD，但隨裂縫的發(fā)育會大幅度提高。

對新場28井T3x5泥頁巖樣品測量其孔隙度與滲透率。從孔隙度的分布來看，介于3.6%～5%之間，平均值為4.26%；從滲透率的分布來看，介于0.0005～0.0044mD之間，平均值為0.002mD。以上參數(shù)均低于北美主要含氣頁巖，表明新場28井T3x5泥頁巖物性偏低，屬于非常致密的頁巖儲層，但其脆性礦物含量較高，有利于后期壓裂造縫，從而提高巖石的孔隙度與滲透率。

2.4 儲集空間特征

頁巖作為一種非常規(guī)天然氣儲集層，其儲集空間類型多樣，可分為無機孔隙、有機孔隙和裂縫。無機孔隙包括殘余原生孔隙、黏土礦物脫水轉化形成的微裂 （孔）隙和不穩(wěn)定礦物 （如長石、方解石）溶蝕形成的溶蝕孔等；有機孔隙是指在高－過成熟階段，有機質(zhì)熱降解大量生排烴后形成的微孔隙。

2.4.1 無機孔隙

圖4 游離氣含量與孔隙度關系圖

1）殘余原生孔隙 原生孔隙是指在沉積時期形成的孔隙。在常規(guī)砂巖儲層中，該類孔隙主要是受脆性礦物顆粒支撐，顆粒之間未被雜基充填，膠結物含量少而留下的的原始孔隙，隨成巖后生作用的增強和地層埋深的增加而快速減少。在頁巖中，由于石英、長石、方解石等脆性礦物以分散狀鑲嵌于黏土礦物與有機質(zhì)中，大多不能形成顆粒支撐，因此原生孔隙殘余較少。原生孔隙主要存在于少量的脆性礦物顆?；蚓ЯＶg以及脆性礦物顆粒與黏土之間。在新場28井T3x5泥頁巖中極少見到這種殘余原生孔隙。

2）溶蝕孔隙 隨著成巖后生作用的增強和地層埋深的增加，當成巖流體的化學性質(zhì)與巖石中各組分不能達到一種有效的化學平衡時，常常發(fā)生不穩(wěn)定礦物的溶蝕作用，其中長石顆粒是極為常見的被溶蝕組分，碳酸鹽礦物也常發(fā)生溶蝕而形成溶蝕孔。該類孔隙主要存在于礦物顆粒間或粒內(nèi)，孔徑變化大（30～720nm），連通性差 （見圖5）。通過掃描電鏡下觀察，溶蝕孔隙在新場28井T3x5泥頁巖中較為常見。

3）黏土礦物脫水轉化形成的微裂 （孔）隙 黏土礦物發(fā)生脫水轉化是頁巖成巖過程中的重要變化。沉積盆地中的黏土礦物在其埋藏過程中，由于溫度等條件的變化，在轉化過程中析出大量層間水，從而在層間形成微裂隙［25］。其轉化形式主要包括蒙脫石向伊利石、伊－蒙間層轉化，伊－蒙間層向伊利石轉化等。研究表明，黏土礦物的脫水轉化這一過程主要受溫度的控制。此類孔縫寬50～300nm，連通性相對較好 （見圖6），在新場28井T3x5泥頁巖中較為多見。

圖5 川西坳陷新場28井T3x5黑色頁巖中顆粒被溶蝕現(xiàn)象

圖6 川西坳陷新場28井T3x5黑色頁巖中黏土礦物層間微裂縫

2.4.2 有機孔隙

北美頁巖氣儲層研究發(fā)現(xiàn)［12］，在有機質(zhì)生烴演化過程中，干酪根向油氣的熱降解可產(chǎn)生次生的微孔、微裂隙，有機質(zhì)內(nèi)孔隙呈蜂窩狀結構，從而提高頁巖的基質(zhì)孔隙度。據(jù)Jarvie等人研究表明，總有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為7%的頁巖，在生烴演化過程中，轉化35%的有機碳可形成4.9%的孔隙空間［5］。在新場28井T3x5泥頁巖中，有機孔隙普遍發(fā)育 （見圖7）。這些孔隙主要分布于有機質(zhì)間和有機質(zhì)內(nèi)，呈蜂窩狀、線狀或串珠狀，直徑為5～750nm，平均為100nm。

2.4.3 裂縫

在泥頁巖儲集層中，裂縫是極其常見的儲集空間類型之一，也是重要的滲流通道，是天然氣從頁巖基質(zhì)孔隙進入到井筒中的必要途徑［1，2，11］。頁巖中裂縫的形成與多種因素有關，主要包括巖石脆性、地層孔隙異常壓力、有機質(zhì)生烴、構造應力等［26］。其中，石英、長石、碳酸鹽等礦物含量高導致巖石脆性好，是頁巖裂縫形成的內(nèi)因，其他因素則是裂縫發(fā)育的外因。筆者發(fā)現(xiàn)，在新場28井T3x5泥頁巖中，普遍發(fā)育微裂縫 （圖8）。

圖7 川西坳陷新場28井T3x5有機質(zhì)生烴體積縮小形成的微孔隙

圖8 川西坳陷新場28井T3x5薄片鑒定下微裂縫分布

2.5 巖石力學特征

對于頁巖氣的勘探與開發(fā)，從某種程度上來說，開發(fā)顯得更為重要。因此，在研究泥頁巖儲集層時，不僅需要關注它的巖石礦物學特征、物性特征、儲集空間特征等常規(guī)儲層特征，也要重視評估其力學特征參數(shù)是否符合人工壓裂改造的巖石物理標準。為此，筆者挑選了4塊新場28井T3x5灰黑色泥頁巖巖樣，對其進行了力學特征參數(shù)的測試。結果顯示：4塊泥頁巖樣品的彈性模量為4.78～18.71GPa，泊松比 （橫向應變與縱向應變的比值）為0.17～0.54（見表2）。上述2項巖石力學特征參數(shù)與美國主要產(chǎn)氣頁巖相差不大，表明新場28井T3x5泥頁巖具有高彈性模量、低泊松比特征，質(zhì)地硬而脆，適宜后期人工壓裂造縫，對頁巖氣開采有利。

表2 川西坳陷新場28井T3x5泥頁巖物理參數(shù)

3 儲層評價內(nèi)容及標準

3.1 評價內(nèi)容

頁巖氣是典型的非常規(guī)天然氣資源［2］，評價頁巖儲層除參考常規(guī)儲層評價思路之外，還應考慮頁巖儲層的含氣性及巖石力學性質(zhì)等［27］參數(shù)。因此，結合北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗和國內(nèi)頁巖氣的研究現(xiàn)狀，筆者篩選出8大關鍵評價參數(shù)，初步建立了頁巖儲層評價標準。

1）有機質(zhì)豐度w（TOC）直接決定生烴量的大小。頁巖含氣量與w（TOC）具較好的正相關關系。目前普遍研究認為，具有商業(yè)開采價值的頁巖氣藏w（TOC）一般應大于2%，但可隨著勘探開發(fā)水平的提高而適當降低。

2）有機質(zhì)成熟度Ro是衡量烴源巖實際生烴能力的重要指標之一，北美主要產(chǎn)氣頁巖的Ro一般大于1.1%。

3）厚度 頁巖厚度控制著頁巖氣藏的經(jīng)濟效益，厚度越大，頁巖氣藏富集程度越高。目前，一般要求直井厚度大于30m。

4）物性 頁巖儲層的孔隙度和滲透率大小直接關系到頁巖中殘余氣量及可采氣量。游離氣含量受控于孔隙體積，滲透率則是判斷頁巖氣藏是否具有經(jīng)濟開發(fā)價值的重要參數(shù)。

5）礦物成分 頁巖儲層中的黏土礦物影響吸附氣含量的大小。同時，頁巖的礦物成分在很大程度上影響著頁巖氣的產(chǎn)能。硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物含量越高，頁巖儲層脆性越強，在壓裂改造時，越容易形成裂縫，有利于頁巖氣開采。

6）巖石力學性質(zhì) 通過泊松比、彈性模量等巖石物理參數(shù)的測定，評價頁巖儲層的造縫能力。彈性模量越高，泊松比越低，越容易被壓裂造縫。

7）含氣性 頁巖氣的主要存在形式是游離氣與吸附氣。頁巖儲層的含氣性直接決定了頁巖氣藏的經(jīng)濟開發(fā)價值?？筛鶕?jù)現(xiàn)場解吸和等溫吸附試驗，直接測定頁巖儲層的含氣量。

8）非均質(zhì)性 主要表現(xiàn)在巖石物質(zhì)組成的非均質(zhì)和孔隙空間的非均質(zhì)，包括縱向非均質(zhì)性和橫向非均質(zhì)性。頁巖儲層的非均質(zhì)性極強，需進行深入研究與探索。

3.2 評價標準

依據(jù)上述評價內(nèi)容，結合北美頁巖氣儲層評價方案與蔣裕強等［28］的研究成果，筆者嘗試建立了以下頁巖氣儲層評價標準 （見表3）。

表3 頁巖儲層評價標準表

川西坳陷新場28井T3x5泥頁巖儲層的w（TOC）普遍大于2%，Ro最低都大于1.1%，脆性礦物體積分數(shù)基本超過40%，黏土礦物體積分數(shù)低且不含蒙脫石，其孔隙度滿足下限標準。由此表明，川西坳陷新場28井T3x5陸相黑色泥頁巖具有良好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力。

4 結論

1）新場28井須家河組五段 （T3x5）泥頁巖為濱淺湖相沉積，巖性以黑色泥頁巖、煤層和淺灰色粉砂巖為主，黑色碳質(zhì)條帶普遍發(fā)育；礦物學和力學性質(zhì)適中，石英、長石等脆性礦物體積分數(shù)高，超過40%，黏土礦物體積分數(shù)低于30%，以伊利石為主，不含蒙脫石；具有較高彈性模量和較低泊松比特征，易于形成天然裂縫和人工誘導裂縫，利于后期開采。

2）新場28井T3x5泥頁巖儲集空間類型多樣，發(fā)育有殘余原生孔、溶蝕孔、黏土礦物層間微孔、有機質(zhì)孔以及大量天然裂縫，其中以有機質(zhì)孔為主；儲層物性相對較好，孔隙度平均為4.26%，滲透率平均為0.002mD；干酪根類型以Ⅲ型干酪根為主，有機質(zhì)豐度高，熱演化程度較高，處于大量生烴階段。

3）基于巖石學特征、有機質(zhì)特征、物性特征、儲集空間特征和巖石力學特征，精選8大評價參數(shù)，建立了頁巖儲層評價標準。利用該標準對川西坳陷新場28井T3x5泥頁巖進行評價，預示其勘探開發(fā)前景良好。

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［編輯］ 鄧磊

Features and Evaluation of Shale Gas Reservoirs in the Fifth M em ber of Upper Triassic Xu jiahe Form ation from W ell Xinchang 28 in the W estern Sichuan Dep ression

CHEN Lei，JIANG Zhenxue，XING Jinyan，CHEN Dongxia，XIE Mingxian，CHEN Weitao，LUO Xiao (First Author's Address:State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum;Unconventional NaturalGas Institute，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

Shale gaswas an important unconventional gas，it had particularity for its specialmodes of occurrence，reservoir forming pattern of source-storage integration and themethod for reservoir evaluation thatwas different from conventional gas.At present，related studies on shale gas reservoir features and evaluation were relatively less both at home and abroad，so it was necessary to establish a set of evaluation criteria for shale gas evaluation.Based on the experimental data and integrated with other data of previous research results，drillings and outcrop observation，the characteristics of black-shale reservoir in the fifth member of Upper Triassic Xujiahe Formation from Well Xinchang 28 in the western Sichuan Depression were preliminarily studied from the aspects ofmineralogic characteristics，organicmatter，physical properties，reservoir space and rock mechanical properties.At the same time，on the basis of an investigation of reservoir evaluating program and a number of literatures at home and abroad，eight key geologic factors such asorganic abundance，thermalmaturity，and thickness，etc.are selected and a setof corresponding evaluation criteria are established.According to these criteria，evaluation is carried out，the result shows that there is good exploration prospect in the fifth member of upper Triassic Xujiahe Formation from Well Xinchang 28 in western Sichuan Depression.

shale gas;Well Xinchang28;the fifthmember of Xujiahe Formation;reservoir characteristics;evaluation criteria

TE122.2

A

1000-9752（2014）05-0025-07

2013-10-20

國家科技重大專項 （2011ZX05003-001）。

陳磊 （1988-），男，2011年大學畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事油氣成藏機理與非常規(guī)油氣地質(zhì)研究工作。

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