高紅賢，王雪玲，嚴偉，王建波

（中國石化勘探分公司，四川 成都 610041）

頁巖氣層有效厚度下限探討
——以涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組為例

高紅賢，王雪玲，嚴偉，王建波

（中國石化勘探分公司，四川 成都 610041）

儲層有效厚度是儲量計算的重要參數(shù)之一，國內(nèi)對頁巖氣儲層有效厚度下限標(biāo)準(zhǔn)的研究尚處于探索完善階段，為了評價國內(nèi)首個頁巖氣田的探明儲量，有必要深入研究頁巖的有效厚度下限。文中以涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏為例，首先對商業(yè)開發(fā)的頁巖儲層厚度開展研究，然后通過分析頁巖氣儲層巖性、脆性礦物體積分數(shù)、總含氣量、有機碳質(zhì)量分數(shù)、鏡質(zhì)體反射率等，優(yōu)選出適合研究區(qū)的頁巖氣層有效厚度下限表征參數(shù)，最后提出適合研究區(qū)儲層特征的有效儲層下限標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在四川盆地涪陵頁巖氣田頁巖氣儲量計算中取得較好的應(yīng)用效果。

有效儲層下限；頁巖氣；五峰組—龍馬溪組；涪陵頁巖氣田

1　研究背景

近年來，國內(nèi)逐漸建立起頁巖氣地質(zhì)選區(qū)技術(shù)與評價方法，制定出可操作的選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)僅在長寧、涪陵取得頁巖氣勘探突破，頁巖氣開發(fā)仍處于探索階段，缺乏資料積累和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，制約了頁巖氣層有效厚度下限的評價［1-2］。對頁巖氣儲層有效厚度下限的評價標(biāo)準(zhǔn)，尚在探索完善過程中。涪陵頁巖氣田有效厚度下限研究得到國家儲委的高度認可，是國內(nèi)頁巖氣層有效厚度下限研究的先例。

筆者結(jié)合近幾年涪陵頁巖氣地質(zhì)和儲量研究的工作實踐，以涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組氣藏為例，應(yīng)用頁巖巖心分析、測井、試采資料，類比焦石壩區(qū)塊與北美成熟區(qū)塊地質(zhì)條件（見表1），參考北美地區(qū)，同時結(jié)合當(dāng)前中國頁巖氣勘探現(xiàn)狀和國土資源部發(fā)布的《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術(shù)規(guī)范（DZ/T0254—2014）》，探索了焦石壩區(qū)塊的有效厚度下限標(biāo)準(zhǔn)。

2　研究區(qū)地質(zhì)概況

涪陵頁巖氣田位于川東南地區(qū)川東高陡褶皺帶包鸞—焦石壩背斜帶焦石壩構(gòu)造。頁巖氣層發(fā)育于五峰組—龍馬溪組，為濱外陸棚沉積，儲層巖性主要為碳質(zhì)筆石頁巖、含骨針放射蟲筆石頁巖等。五峰組—龍馬溪組頁巖氣已進入過成熟熱演化階段，總有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）平均2.66%，含氣量平均4.71 m3/t，其中吸附氣量占36%。頁巖層段厚度在50.0～90.0 m，其中頁巖層理發(fā)育，筆石化石豐富，TOC大于2.00%（平均3.50%）的優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚38.0 m［3］。頁巖儲層平均孔隙度為4.87%，幾何平均滲透率為0.153 9×10-3μm2，為低孔、特低滲孔隙型儲層。

3　頁巖儲層厚度

頁巖有效厚度是指達到儲量起算標(biāo)準(zhǔn)的含氣頁巖中具有產(chǎn)氣能力的那部分儲層的厚度。有產(chǎn)氣能力的頁巖儲層厚度受多種因素影響，包括骨架礦物成分、總有機碳質(zhì)量分數(shù)、孔隙度、滲透率、流體飽和度等，頁巖厚度是保證足夠的有機質(zhì)及充足的儲集空間的前提條件，頁巖的單層厚度越大，越有利于頁巖氣藏富集。

烴源巖有效排烴厚度約為28.0 m［4］，頁巖層段厚度必須超過有效排烴厚度，一般要求頁巖層段厚度應(yīng)大于30.0 m。從開采的角度，頁巖厚度大于30.0 m有利于水平井和壓裂技術(shù)的實施。

北美頁巖氣藏早期以直井為主，當(dāng)時確定的頁巖有效厚度下限值為30.0 m。目前，由于水平井鉆井技術(shù)和水力壓裂、分段壓裂等技術(shù)的成功應(yīng)用，頁巖有效厚度下限值已降至10.0～15.0 m［5-6］。美國地質(zhì)調(diào)查局提出，富含有機質(zhì)（TOC＞2.00%）的頁巖厚度大于15.0 m時，能保證生烴量具有工業(yè)開采價值，因此，一般選擇15.0 m為厚度下限［7］。

國土資源部發(fā)布的頁巖氣儲量計算規(guī)范［8］（以下簡稱“規(guī)范”）將頁巖有效厚度與含氣量結(jié)合起來評價，當(dāng)含氣量下限為1.00 m3/t時，頁巖儲層有效厚度需大于50.0 m；當(dāng)含氣量下限為2.00 m3/t時，頁巖儲層有效厚度大于30.0 m；當(dāng)含氣量下限為4.00 m3/t時，頁巖儲層有效厚度可以低至30.0 m以下。

深入分析焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖縱向上的巖性組合特征、有機碳特征和鉆井揭示的儲層特征后得到：當(dāng)含氣量下限取值大于1.00 m3/t時，儲層的厚度最小值為58.0 m；含氣量下限取值大于2.00 m3/t時，儲層的厚度最小值為49.6 m；含氣量下限大于4.00 m3/t的儲層的厚度為5.4～19.1 m。同時，綜合考慮美國已實施的工業(yè)開采厚度下限值和我國頁巖氣勘探開發(fā)的實際水平，認為將五峰組—龍馬溪組頁巖儲層厚度的下限定為30.0 m較合適。

4　頁巖氣層有效厚度下限表征

對于常規(guī)天然氣儲層，大多數(shù)國外石油公司認為天然氣有效儲集層是指儲集了烴類流體并可采出的物性下限以上部分［9］。由于頁巖氣需要大型水力壓裂才能采出，需從地質(zhì)和工程角度探索表征頁巖氣層有效厚度下限的參數(shù)。頁巖氣有效厚度下限應(yīng)包括生氣能力、儲氣能力和易開采性3個方面。

在頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選的過程中認識到，商業(yè)開采區(qū)頁巖的熱演化階段要有足夠的生烴能力，有機質(zhì)是天然氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，頁巖的有機碳質(zhì)量分數(shù)越高，生烴潛力就越大。另外，有機質(zhì)生烴后產(chǎn)生的有機質(zhì)孔越發(fā)育，比表面積、孔隙體積越大［10］，頁巖中的吸附氣含量就越大。有機質(zhì)豐度是作為有效厚度下限最重要的評價指標(biāo)。

總含氣量是頁巖氣評價的核心參數(shù)，是頁巖氣投入開發(fā)需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。因吸附氣量隨溫度和壓力的變化而變化，難以求準(zhǔn)，在地質(zhì)儲量計算的過程中無需將其區(qū)分，而將總含氣量作為有效厚度下限指標(biāo)。

北美的頁巖氣統(tǒng)計結(jié)果表明，頁巖的成熟度越高越有利于頁巖氣的生成，頁巖成熟度是頁巖氣聚集形成的重要指標(biāo)［11］。熱演化程度決定了地層中烴類流體的相態(tài)、生烴量及頁巖氣賦存空間的形態(tài)、大小等。另外，還對納米級孔隙的發(fā)育具有控制作用，因此有必要將鏡質(zhì)體反射率作為有效厚度下限指標(biāo)。

根據(jù)北美頁巖氣開采經(jīng)驗，頁巖的產(chǎn)氣率隨著脆性礦物體積分數(shù)的增加而增加。脆性礦物體積分數(shù)的高低直接影響著儲層的可壓裂性，因此有必要將脆性礦物體積分數(shù)作為有效厚度下限評價指標(biāo)。

對于常規(guī)天然氣，有效厚度下限標(biāo)準(zhǔn)主要指物性標(biāo)準(zhǔn)［12］。而非常規(guī)氣藏的頁巖氣主要由游離氣和吸附氣組成，當(dāng)游離氣含量較低時，通過儲層改造，吸附氣也能形成商業(yè)產(chǎn)能。由于頁巖儲層的復(fù)雜性，因此，頁巖氣層有效厚度下限評價指標(biāo)包括巖性、脆性礦物體積分數(shù)、總含氣量、有機碳質(zhì)量分數(shù)及鏡質(zhì)體反射率。

5　五峰組—龍馬溪組有效厚度下限

5.1巖性及脆性礦物體積分數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

頁巖是指由粒徑小于0.003 9 mm的碎屑、黏土、有機質(zhì)等組成的具頁狀或薄片狀層理、容易碎裂的一類細粒沉積巖，常見的頁巖類型有黑色頁巖、碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、鐵質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖等［13］。五峰組—龍馬溪組頁巖層段巖性，主要包括含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、碳質(zhì)筆石頁巖、含骨針放射蟲筆石頁巖、含碳含粉砂泥巖、含碳質(zhì)筆石頁巖以及含粉砂泥巖等。有效儲層巖性為碳質(zhì)頁巖、含碳頁巖、含碳含粉砂泥巖（見圖1）。

北美幾大頁巖氣盆地的脆性礦物體積分數(shù)為28%～50%［14］，商業(yè)開采的頁巖氣藏脆性礦物體積分數(shù)一般要求大于25%。根據(jù)國內(nèi)目前的壓裂技術(shù)水平，要取得較好的壓裂效果，“規(guī)范”要求脆性礦物體積分數(shù)大于等于30%，因此確定其下限為30%。

5.2含氣量標(biāo)準(zhǔn)

頁巖含氣量是指每噸天然氣折算到標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下（101.325 kPa，25℃）的天然氣總量［15］。

美國8套主要頁巖產(chǎn)層的含氣量下限均隨埋深增加［16］，將頁巖氣產(chǎn)層的含氣量（Q）和深度（D）投入坐標(biāo)系中，可以找到3條特征曲線（a，b，c）和3個典型區(qū)域（A，B，C）（見圖2）。圖中：曲線a說明產(chǎn)氣頁巖在不同深度的最小含氣量，即不同深度的含氣量下限值；區(qū)域A代表含氣量低，基本不具有經(jīng)濟價值。涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組平均埋深為2 645 m，根據(jù)圖版，確定總含氣量下限為1.45 m3/t。

“規(guī)范”中對含氣量下限的界定是按照有效厚度劃分的，當(dāng)頁巖有效厚度大于50.0 m時，含氣量下限為1.00 m3/t。鉆井揭示的焦石壩4口探井的頁巖有效儲層厚度均大于60.0m，因此，含氣量的下限確定為1.00m3/t。

5.3總有機碳質(zhì)量分數(shù)及成熟度標(biāo)準(zhǔn)

美國從事頁巖氣藏勘探開發(fā)的石油公司，一般將總有機碳質(zhì)量分數(shù)下限確定為2.00%［17-18］，其頁巖氣鏡質(zhì)體反射率一般低于1.90%。“規(guī)范”中總有機碳質(zhì)量分數(shù)下限標(biāo)準(zhǔn)為1.00%，鏡質(zhì)體反射率下限標(biāo)準(zhǔn)為0.70%。

涪陵頁巖氣田的鏡質(zhì)體反射率在2.54%～2.80%，平均為2.65%，其鏡質(zhì)體反射率的最小值既高于美國頁巖氣成熟度的最高值，也高于“規(guī)范”中確定的下限值，所以在劃分五峰組—龍馬溪組有效厚度時，可以不必考慮成熟度指標(biāo)。TOC可以通過2種方法來確定：

1）有機碳恢復(fù)法。當(dāng)美國頁巖氣田TOC為2.00%時，恢復(fù)到原始狀態(tài)下的TOC介于2.60%～3.40%。根據(jù)實驗研究，四川盆地五峰組—龍馬溪組烴源巖的恢復(fù)系數(shù)為2.7～3.4［19-20］，涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組頁巖層段TOC取值1.00%時，恢復(fù)后的原始TOC能夠達到2.70%～3.40%。可見涪陵頁巖氣田TOC為1.00%時的原始TOC與美國頁巖地化特征相似。

2）含氣量反演法。現(xiàn)場解析總含氣量與巖心分析總有機碳質(zhì)量分數(shù)之間存在較好的正相關(guān)線性關(guān)系：巖心分析總有機碳質(zhì)量分數(shù)越高，現(xiàn)場解析總含氣量越大。

統(tǒng)計龍馬溪組頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)與總含氣量之間的相關(guān)性（見圖3）表明，當(dāng)TOC為1.00%時，總含氣量為2.10 m3/t。由此可見，總有機碳質(zhì)量分數(shù)下限可以定為1.00%。

6　研究區(qū)有效儲層分類標(biāo)準(zhǔn)

通過對焦石壩地區(qū)頁巖氣測井資料精細解釋，并經(jīng)巖心資料嚴格刻度，確定總有機碳質(zhì)量分數(shù)為劃分有效厚度的最重要指標(biāo)。當(dāng)總有機碳質(zhì)量分數(shù)大于等于1.00%時，五峰組—龍馬溪組頁巖層段對應(yīng)的總含氣量大于等于1.90 m3/t，即只要滿足TOC大于等于1.00%的下限標(biāo)準(zhǔn)時，必定滿足總含氣量大于等于1.00 m3/t的下限標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用測井精細解釋成果進行有效厚度劃分，以測井計算的總有機碳質(zhì)量分數(shù)為主要劃分依據(jù)，既使測井儲層分類具有較好的可操作性，又嚴格滿足有效儲層厚度下限各性指標(biāo)的要求。確定頁巖氣層測井分類評價指標(biāo)，如表2所示。

7　結(jié)論

1）頁巖氣有效厚度下限指標(biāo)不同于常規(guī)天然氣，有效厚度評價指標(biāo)為巖性、脆性礦物體積分數(shù)、總含氣量、總有機碳質(zhì)量分數(shù)及鏡質(zhì)體反射率。

2）確定了以有機碳質(zhì)量分數(shù)為主的有效厚度劃分標(biāo)準(zhǔn)，落實了涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組頁巖有效厚度取值。

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（編輯王淑玉）

Lower limit of effective thickness of shale gas:a case from Wufeng and Longmaxi Formations in Fuling shale gas field

GAO Hongxian，WANG Xueling，YAN Wei，WANG Jianbo
（SINOPEC Exploration Company，Chengdu 610041，China）

Effective reservoir thickness is an important parameter in reserves calculation.The research on the minimum net pay thickness of shale gas reservoir is still at the starting stage in China.It is necessary to deeply study minimum net pay thickness of shale gas reservoirs in order to estimate the reserves of Fuling shale gas field.Taking Fuling shale gas field for example，this paper firstly studies shale reservoir thickness in shale gas field which has been commercially developed.Secondly，by analyzing parameters such as reservoir lithology，brittle mineral content，total gas content，total organic carbon content，and vitrinite reflectance，etc.，representational parameters of the minimum net pay thickness suitable for research field are optimized.Finally，the standards of minimum net pay thickness of shale gas reservoir are established.This standard has good application results in reserves calculation of the Fuling shale gas field in Sichuan Basin.

lower limit of effective reservoir；shale gas；Wufeng and Longmaxi Formations；Fuling shale gas field

國家科技重大專項“上揚子及滇黔桂區(qū)頁巖氣資源調(diào)查評價與選區(qū)”（14B12XQ151001）

TE122.2+4

A

10.6056/dkyqt201604006

2015-12-08；改回日期：2016-04-15。

高紅賢，男，1984年生，工程師，碩士，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)從事測井精細解釋、儲量評價研究。E-mail：hongxian2014@163．com。

引用格式：高紅賢，王雪玲，嚴偉，等.頁巖氣層有效厚度下限探討：以涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組為例［J］.斷塊油氣田，2016，23（4）：434-437.

GAO Hongxian，WANG Xueling，YAN Wei，et al.Lower limit of effective thickness of shale gas：a case from Wufeng and Longmaxi Formations in Fuling shale gas field［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（4）：434-437.