張全林

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

鄧虎成

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

熊亮

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

劉巖

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

?

四川盆地龍馬溪組頁巖儲層特征差異性探討

——以威遠與涪陵地區(qū)為例

張全林

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

鄧虎成

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

熊亮

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

劉巖

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

2015年以來，中國頁巖氣勘探開發(fā)取得重大進展，建成涪陵和威遠2個國家級頁巖氣示范區(qū)，年產(chǎn)能超過70×108m3。但在勘探開發(fā)過程中逐漸暴露出區(qū)塊之間氣井產(chǎn)能、壓裂液返排率差異性大等問題。針對上述問題，根據(jù)巖心觀察描述、分析化驗資料以及測井解釋成果，從儲層沉積環(huán)境、厚度、礦物組成以及儲集空間類型、物性、含氣性等特征入手對比儲層特征差異性。研究表明，涪陵和威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層各項指標與國外典型產(chǎn)氣頁巖儲層相似，具有頁巖氣商業(yè)建產(chǎn)的儲層基礎。但與涪陵地區(qū)相比，威遠地區(qū)存在儲層厚度略薄，碳酸鹽礦物組成含量高，相對富黏土礦物，有機碳含量、有機質(zhì)孔占比、層理縫發(fā)育程度、孔隙度、水平滲透率、實測含氣量等低的特征。探討上述頁巖儲層特征差異性有利于解釋兩個地區(qū)頁巖氣藏勘探開發(fā)中所遇到的諸多問題, 提出不同的壓裂開采對策。

龍馬溪組；儲層特征；差異性；頁巖氣

近年來，中國頁巖氣勘探開發(fā)工作獲得重要突破，先后形成了涪陵、長寧-威遠和昭通等國家級頁巖氣示范區(qū)，提交探明地質(zhì)儲量5441.29×108m3，2015年底落實了65×108m3/a產(chǎn)能建設目標，實現(xiàn)了頁巖氣工業(yè)化生產(chǎn)，掀起了中國頁巖氣勘探開發(fā)的新高潮[1，2]。隨著勘探開發(fā)工作的深入，同一盆地內(nèi)同一套頁巖目的層系，在涪陵和威遠地區(qū)暴露出單井產(chǎn)量、氣井產(chǎn)能、壓裂液返排率、地層破裂壓力等一系列參數(shù)的差異。為了解釋兩個地區(qū)頁巖氣藏勘探開發(fā)中遇到的諸多問題, 提出不同的壓裂開采對策。筆者根據(jù)巖心觀察描述、分析化驗資料以及測井解釋成果，從儲層沉積環(huán)境、厚度、礦物組成以及儲集空間類型、物性、含氣性等特征入手對比分析四川盆地兩個典型龍馬溪組(Sl)頁巖氣藏儲層特征差異性。

1　沉積背景

晚奧陶世-早志留世，四川盆地及周緣地區(qū)夾持在樂山-龍女寺、黔中、江南3大古隆起之間，向北與秦嶺相通，形成“三隆夾一坳”的半閉塞滯流環(huán)境，同時全球氣候變暖和冰蓋消融，海平面快速上升形成志留系最大海侵，在川東-川南坳陷區(qū)內(nèi)沉積了一套富有機質(zhì)的暗色硅質(zhì)泥頁巖[3～6]，頁巖厚度向古陸方向逐漸減小。威遠地區(qū)靠近川中古隆起，富有機質(zhì)頁巖厚度60～85m,而位于坳陷中心部位的涪陵地區(qū)，富有機質(zhì)頁巖厚度可達80～120m。同一深水陸棚相帶內(nèi)古地理位置的差異決定了富有機質(zhì)頁巖的沉積厚度。

2　頁巖儲層特征

2.1儲層厚度

一定的頁巖儲層厚度是形成頁巖氣富集區(qū)的基本條件，直接控制著頁巖氣藏是否具備經(jīng)濟開發(fā)價值。國內(nèi)外提出了具有經(jīng)濟價值頁巖氣藏的頁巖厚度下限。美國大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的5大含氣頁巖儲層厚度為 9～91m[7，8]。國內(nèi)普遍認為按照頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)大于2%的標準，其儲層有效厚度一般在15m以上[9]。富含有機質(zhì)的頁巖厚度越大，就越能保證頁巖氣資源量和壓裂改造的物質(zhì)條件。威遠地區(qū)靠近川中古隆起，其儲層有效厚度在30～35m,而涪陵地區(qū)有效厚度可達35～45m，二者有效厚度的大小控制著其氣藏儲量和開采的經(jīng)濟效益。

2.2巖性與礦物組成

脆性礦物含量是影響頁巖基質(zhì)孔隙度和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式的重要因素[10，11]。兩個地區(qū)頁巖儲層巖性主要為黑色紋層狀碳質(zhì)頁巖，常含較多黃鐵礦，呈星點、團塊及結(jié)核狀。筆石含量高，大多呈細長或短粗狀產(chǎn)出，密集分布于頁巖層面上，從下向上逐漸減少，是主要含氣頁巖層段。

通過對威遠地區(qū)Sl優(yōu)質(zhì)頁巖段78個巖心樣品X衍射全巖分析結(jié)果(表1)可見，其硅質(zhì)體積分數(shù)平均為37.21%，碳酸鹽礦物體積分數(shù)平均為20.51%，黏土礦物體積分數(shù)平均為36.91%，脆性礦物(石英、長石和碳酸鹽巖礦物)體積分數(shù)平均為57.72%；自上而下，黏土礦物含量降低、脆性礦物含量增高。對比涪陵、長寧地區(qū)(圖1)，在硅質(zhì)含量上涪陵地區(qū)>威遠地區(qū)>長寧地區(qū)，在黏土礦物含量上涪陵地區(qū)<威遠地區(qū)<長寧地區(qū)，在碳酸鹽礦物含量上威遠地區(qū)>長寧地區(qū)>涪陵地區(qū)?？傮w上，威遠地區(qū)Sl優(yōu)質(zhì)頁巖儲層為一套富鈣含泥硅質(zhì)頁巖。對比分析3個典型地區(qū)頁巖黏土礦物X衍射結(jié)果，在伊利石含量上長寧地區(qū)>威遠地區(qū)>涪陵地區(qū)，在伊-蒙混層含量上涪陵地區(qū)>威遠地區(qū)>長寧地區(qū)。伊-蒙混層、高嶺石、伊利石和綠泥石組合主要是中成巖作用階段的特征，威遠、涪陵地區(qū)Sl頁巖儲層黏土礦物含量表明其已進入中成巖作用階段。伊利石主要在晚成巖作用階段和極低變質(zhì)作用階段出現(xiàn)，依據(jù)伊利石含量高低，判斷進入晚成巖作用階段的地區(qū)先后順序為長寧、威遠、涪陵地區(qū)。

圖1　威遠、涪陵、長寧地區(qū)Sl頁巖礦物組成三角圖

表1 威遠、涪陵地區(qū)Sl頁巖礦物組成對比表

示范區(qū)礦物組成及體積分數(shù)/%黏土礦物伊蒙混層伊利石高嶺石綠泥石總量石英+長石碳酸鹽脆性礦物黃鐵礦威遠4.3726.5505.5536.9137.2120.5157.723.82涪陵21.2311.5701.8234.6352.719.7262.430.5長寧040.7807.448.231.418.249.62.2

2.3儲集空間類型

近年來，許多研究者[12]基于場發(fā)射掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等先進技術(shù)手段提出多種頁巖納米級孔隙類型劃分方案。Slatt和Brien基于Barnett和Woodford頁巖研究將頁巖孔隙劃分為黏土絮體間孔隙、有機孔隙、糞球粒內(nèi)孔隙、化石碎屑內(nèi)孔隙、顆粒內(nèi)孔隙和微裂縫通道6種類型。Loucks等提出了泥頁巖儲層基質(zhì)孔隙分類方案，將其分成3種基本類型，即粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙和有機質(zhì)孔隙。聶海寬等[13]將頁巖孔隙類型劃分為有機質(zhì)孔、礦物質(zhì)孔及兩者之間的孔隙。鄒才能等[14]將頁巖儲層孔隙分為有機質(zhì)納米孔、顆粒內(nèi)納米孔。張士萬等[15]按照不同地質(zhì)成因?qū)⒏⒘甑貐^(qū)Sl頁巖儲層孔隙類型劃分為有機質(zhì)孔隙、無機孔隙，后者又可細分為黏土礦物晶間孔隙、粒間孔和粒內(nèi)孔、組構(gòu)選擇性裂縫和非組構(gòu)選擇性裂縫。為了便于與涪陵氣田頁巖儲集空間對比，找出二者差異，筆者按照涪陵地區(qū)頁巖孔隙類型劃分方案開展研究區(qū)儲集空間評價。采用薄片、氬離子拋光掃描電鏡、FIB-SEM(聚焦離子束-電子束雙束)三維成像等分析手段識別出威遠地區(qū)Sl頁巖儲集空間主要為有機質(zhì)孔隙、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔、裂縫等(表2)。

表2威遠、涪陵地區(qū)Sl頁巖儲集空間對比表

2.3.1有機質(zhì)孔隙

巖石中保存下來的有機物質(zhì)(如低等藻類絮團)后期埋藏成巖時受地下溫度、壓力升高的影響進入裂解生烴過程，內(nèi)部逐漸變得疏松多孔，形成有機質(zhì)孔隙，成為有機質(zhì)生成氣體的保存場所。

從威遠地區(qū)Sl樣品氬離子拋光掃描電鏡觀察可知，有機質(zhì)孔隙是儲層主要孔隙類型，孔隙大小一般為10～900nm，大多呈不規(guī)則狀，如彎月形、狹縫形、棱角形、分叉形等，也存在氣泡狀、橢圓狀、近橢球狀等形態(tài)。有機質(zhì)常充填于無機礦物粒間、黃鐵礦晶間，且同時發(fā)育孔隙(表2)。基于川南Sl儲層構(gòu)建的頁巖3層巖石物理模型[16]模擬計算工區(qū)Sl優(yōu)質(zhì)頁巖段有機質(zhì)孔隙占比：

φ=ρw(Bri)v(Bri)+ρw(Clay)v(Clay)+ρw(TOC)v(TOC)

式中：φ為孔隙占比，%；ρ為頁巖巖石密度，g/cm3；w(Bri)、w(Clay)、w(TOC)分別表示脆性礦物、黏土礦物和有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，%；v(Bri)、v(Clay)、v(TOC)分別表示脆性礦物、黏土和有機質(zhì)單位質(zhì)量內(nèi)微孔隙體積，cm3/g。

Sl優(yōu)質(zhì)頁巖段有機質(zhì)孔隙占比縱向上從上往下逐漸增加(圖2)。威遠地區(qū)氣田有機質(zhì)孔隙占比平均為48.9%，最高可達65%；而涪陵氣田有機質(zhì)孔隙整體平均占比更高，高達60.8%(表2)。兩個典型氣田有機質(zhì)孔隙占比證實了其Sl優(yōu)質(zhì)頁巖儲層是基質(zhì)孔隙的主要貢獻者。

圖2　威遠地區(qū)與涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖縱向上孔隙類型及占比直方圖

2.3.2無機孔隙

威遠地區(qū)頁巖儲層無機孔隙包括黏土礦物晶間孔、粒內(nèi)孔和粒間孔，其中以黏土礦物晶間孔為主(表2)。其他兩類孔隙占比一般為5%～15%。黏土礦物晶間孔以伊利石層間孔為主，伊利石表現(xiàn)為薄層片狀或纖維狀，片層之間發(fā)育明顯的狹縫形孔或楔形孔，孔隙發(fā)育集中，具有一定的氣體吸附性，狹縫寬50～300nm，連通性相對較好。利用頁巖巖石物理模型計算得出工區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖黏土礦物晶間孔平均占比為35%。涪陵氣田Sl頁巖黏土礦物晶間孔平均占比為28%，遠低于威遠地區(qū)。粒間孔主要出現(xiàn)在脆性礦物顆粒間、塑性礦物顆粒間或塑性礦物與脆性礦物顆粒之間。通常粒間孔多圍繞堅硬的脆性礦物顆粒出現(xiàn)(表2)，脆性礦物粒間孔通常為單個孤立的孔隙，分布較零散，孔隙之間不連通。

2.3.3裂縫

裂縫不僅是頁巖氣滲流通道，也是頁巖氣的儲集空間。裂縫在頁巖氣的滲流中具有重要作用，是連接微觀孔隙與宏觀裂縫的橋梁。頁巖氣初期高產(chǎn)與天然裂縫發(fā)育程度有關，高產(chǎn)頁巖氣層段裂縫一般較發(fā)育。涪陵地區(qū)已鉆井電成像資料及巖心資料顯示儲層段頁理縫極為發(fā)育，對儲層的水平滲流能力起關鍵改善作用[17]。

研究區(qū)典型井頁巖儲層裂縫可分為兩類(表2)：一類為與斷層和褶皺等構(gòu)造運動相關的構(gòu)造縫；另一類為與黏土礦物脫水等非構(gòu)造成因有關的頁理縫，集中發(fā)育在脆性礦物、黏土礦物及有機質(zhì)間，形成收縮縫、解理縫、晶間縫、貼?？p等類型。上部灰綠色頁巖段富含黏土，裂縫不發(fā)育；下部硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)-硅質(zhì)頁巖段裂縫發(fā)育，裂縫密度為4.86條/m，平縫350條、高角度縫75條。掃描電鏡下也見微裂縫發(fā)育，寬度大于100nm。涪陵地區(qū)水平縫極發(fā)育，裂縫發(fā)育段厚度超過80m，裂縫密度為20條/m，縫網(wǎng)系統(tǒng)整體優(yōu)于威遠地區(qū)。

2.4孔隙結(jié)構(gòu)特征

利用氬離子拋光掃描電鏡結(jié)合FIB-SEM三維成像分析方法描述工區(qū)頁巖內(nèi)部孔隙空間分布特征。有機質(zhì)整體均勻分布在礦物顆粒間，無定向性，相互連通性較好?？紫吨饕謩e在有機質(zhì)內(nèi)部，部分在礦物邊緣?？紫缎螒B(tài)多為蟲洞狀，喉道形態(tài)為針管狀，局部為片狀、斑塊狀，連通性好，形成孔隙網(wǎng)絡(圖3)。鏡下測出有機質(zhì)孔隙孔徑以5～50nm為主，屬于微孔-中孔，大于50nm的大孔占比相對較低(圖4), 故微孔-中孔對頁巖氣的吸附和儲集貢獻較大。

圖3　威遠地區(qū)典型井Sl頁巖儲層孔隙FIB-SEM成像圖　　　圖4　威遠地區(qū)典型井Sl頁巖儲層孔徑大小示意圖

在氬離子拋光-高分辨率掃描電鏡定性描述頁巖孔隙形態(tài)、連通性和孔隙密度的基礎上，進一步針對工區(qū)典型井頁巖巖心樣品開展低溫氮氣吸附試驗(測試孔徑范圍為1.5～400nm)，對微孔-中孔的發(fā)育情況進行定量描述，以分析頁巖孔隙結(jié)構(gòu)對頁巖氣吸附和滲流的影響[18]。頁巖樣品的低溫液氮吸附-脫附曲線形態(tài)基本相同，反映區(qū)內(nèi)頁巖孔隙形態(tài)特征也較為類似。頁巖孔隙體積分布曲線表明其孔隙體積為0.008～0.024cm3(平均為0.013cm3)，平均孔徑主要介于2.9～3.8nm之間。樣品的孔徑小于10nm時，累計曲線較陡，孔徑大于10nm時，累計曲線逐漸變得平緩，反映了孔徑為1.5～10nm的微孔、中孔對孔隙體積貢獻最大(圖5、6)。

圖5　威遠地區(qū)頁巖巖心樣品孔隙體積分布曲線圖　　圖6　威遠地區(qū)巖心樣品孔徑分布直方圖

2.5物性特征

孔滲條件是頁巖氣賦存和滲流的主控因素，是頁巖氣開發(fā)地質(zhì)評價中重點關注的參數(shù)[19]。據(jù)美國有效頁巖儲層統(tǒng)計[13]，頁巖巖心孔隙度為4%～6.5%(平均為5.2%)；滲透率為0.001～2mD(平均為0. 0409mD)。威遠地區(qū)與涪陵地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖物性參數(shù)(表3)對比表明，威遠地區(qū)氦氣孔隙度主要分布在1.68%～7.03%之間(平均為4.15%)，縱向上孔隙度自上而下逐漸增大；氣體水平滲透率為0.041～7.737mD(平均為0.903mD)。涪陵地區(qū)氦氣孔隙度為2.78%～7.08%(平均為4.65%)，縱向上表現(xiàn)為“兩高夾一低”的特征，氣體水平滲透率為0.0015～355.2mD(平均為21.939mD)。威遠地區(qū)頁巖儲層物性與美國主要頁巖氣盆地相當，其優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度與涪陵地區(qū)基本相當，但水平滲透率整體不如涪陵地區(qū)。

表3　威遠地區(qū)與涪陵地區(qū)典型井Sl巖心物性對比表

2.6含氣性

含氣量是評價頁巖氣資源潛力、儲量規(guī)模和衡量頁巖氣目標區(qū)是否具有商業(yè)開采價值的關鍵指標[20]。北美商業(yè)性開發(fā)的頁巖氣田含氣量大于2.0m3/t。威遠地區(qū)實鉆揭示,Sl下部頁巖氣顯示較活躍，多數(shù)鉆井全烴顯示明顯，巖心入水可見串珠狀氣泡持續(xù)逸出(圖7)，顯示級別為頁巖氣層。依據(jù)現(xiàn)場含氣量解析試驗得出，威遠地區(qū)Sl優(yōu)質(zhì)頁巖含氣量為1.04～3.69m3/t(平均為2.05m3/t)。而涪陵地區(qū)典型井優(yōu)質(zhì)頁巖現(xiàn)場解析總含氣量為1.52～5.51m3/t(平均為2.99m3/t)?？紤]現(xiàn)場解析含氣量試驗中巖心出心時間超過8h，損失時間過長，認為現(xiàn)場測得的含氣量低于實際含氣量。為準確評價其含氣性，采用斯倫貝謝ECS(元素俘獲譜)測井含氣量解釋模型計算總含氣量，結(jié)果為1.55～6.73m3/t(平均為3.96m3/t)，其中吸附氣量占20%～40%。涪陵地區(qū)ECS測井解釋總含氣量為1.94～8.90m3/t(平均為5.67m3/t)。對比國內(nèi)外典型頁巖氣田，工區(qū)頁巖含氣性整體較好，但相比涪陵地區(qū)略差(圖8)。

圖7　威遠地區(qū)典型井Sl頁巖巖心入水圖　　圖8　威遠、涪陵地區(qū)典型井Sl頁巖含氣量對比圖

3　結(jié)論

1)四川盆地Sl頁巖儲層具有厚度較大、有機碳含量高、筆石含量高、脆性礦物含量高、含氣量高、物性好等特征，各項指標與國外典型頁巖儲層相當，是一套可商業(yè)建產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)儲層。

2)四川盆地Sl頁巖儲層發(fā)育多種孔隙類型，主要為有機質(zhì)孔隙、黏土礦物晶間孔、頁理縫和構(gòu)造縫，其中以有機質(zhì)孔隙為主，連通性較好，以孔徑1.5～10nm的微孔、中孔為主，疊合豐富的頁理縫，形成復雜納米級孔隙儲集系統(tǒng)。

3)四川盆地涪陵、威遠地區(qū)Sl儲層特征存在一定差異，涪陵頁巖儲層具有硅質(zhì)含量高、黏土含量低、頁巖縫發(fā)育、水平滲透率高、碳酸鹽礦物含量高、含氣量高的優(yōu)勢特征；而威遠頁巖儲層則具有高碳酸鹽礦物含量、較高黏土含量的個性特點，上述差異性決定了兩區(qū)鉆井壓裂改造、單井產(chǎn)量、鉆井液返排率等參數(shù)的不同。

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[編輯]鄧磊

2016-03-01

國家“863”計劃項目(2013AA064501)；國家科技重大專項(2011ZX05018002-001)；四川省科技計劃項目(2015SZ0001)。

張全林(1982-)，男，博士，工程師，主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)及評價工作，4683022@qq.com。

TE122.2

A

1673-1409(2016)17-0001-07

[引著格式]張全林，鄧虎成，熊亮，等.四川盆地龍馬溪組頁巖儲層特征差異性探討[J].長江大學學報(自科版), 2016,13(17):1～7.