祁攀文，薛 培，趙謙平，史 鵬，孫細(xì)寧.

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

鄂爾多斯盆地上古生界山西組發(fā)育一套濱淺湖相富有機(jī)質(zhì)頁巖[1]，以往勘探現(xiàn)實(shí)該套頁巖具有厚度大，分布范圍廣、有機(jī)質(zhì)熱演化程度和脆性礦物含量高等特點(diǎn)，具有很好的勘探前景[2-4]。自2014年以來，延長油田逐步拉開了山西組頁巖氣勘探序幕，經(jīng)過不斷勘探，于2017年在云頁平3井山1段頁巖中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量突破，日產(chǎn)氣5萬余方。盡管上古生界山西組頁巖氣取得了一定成果，但受勘探開發(fā)現(xiàn)狀和資料的諸多限制，目前相關(guān)的研究仍然較少。筆者以下延長油區(qū)寺灣地區(qū)(圖1)CY1、CY2井為例，采用鏡下分析、X光衍射和有機(jī)地球化學(xué)測試等方法，從儲(chǔ)層物性、有機(jī)質(zhì)發(fā)育、巖石礦物組成、儲(chǔ)集空間及力學(xué)特征等方面對(duì)該套頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行研究分析，建立一套適用于鄂爾多斯盆地上古生界頁巖氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法，為本區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)和目標(biāo)區(qū)優(yōu)選提供地質(zhì)參考依據(jù)。

圖1 鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)CY1井、CY2井位置圖Fig.1 Location of wells CY1 and CY2 in Xiasiwan area, Ordos basin

1 儲(chǔ)層特征

1.1 巖性及礦物學(xué)特征

通過對(duì)延長油田下寺灣地區(qū)CY1、CY2井的巖心觀察、錄井及薄片鑒定，山西組泥頁巖主要為黑色、深灰色泥頁巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖，偶夾灰白色條帶狀粉砂巖隔夾層(圖2A)，山2段普遍夾煤層或煤線。巖心層面可見云母和植物化石碎片(圖2B)。顯微觀察表明頁巖中存在少量漂浮狀碎屑石英顆粒，分布不均勻，分選較差，呈次棱角狀(圖2C和圖2D)。

圖2 山西組泥頁巖巖性特征Fig.2 Shale lithologic characteristics of Shanxi formationa.CY1井頁巖灰白色粉砂巖夾層;b.CY2井黑色泥巖, 斷面可見植物化石;c.CY1井泥巖顯微鏡下特征;d.CY2井粉砂質(zhì)泥巖顯微鏡下特征。

據(jù)CY1、CY2井山西組泥頁巖黏土礦物測定及全巖X-射線衍射分析，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)平均為59.6%(43.5%～98%)，其中，高嶺石體積分?jǐn)?shù)平均為37.0%(18.0%～84.0%)；伊蒙混層體積分?jǐn)?shù)平均為40.8%(0～63.0%)，主要為伊利石層，蒙脫石層含量較低，僅占14.6%；綠泥石體積分?jǐn)?shù)平均為14.7%(4.0%-25.0%)；伊利石體積分?jǐn)?shù)平均為7.5%(1%-15%)，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)表明山西組泥頁巖已進(jìn)入晚期成巖階段。非黏土礦物以石英為主，此外，還有少量的碳酸鹽類和長石類礦物，石英含量平均為36.9%(2.0%～50.6%)，石英、長石、碳酸鹽等脆性礦物總量超過40 %，蒙脫石含量較低，頁巖脆性好。

山西組泥頁巖中條帶狀粉砂巖隔夾層廣泛發(fā)育，可以有效改善儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率，隔夾層巖性以巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主。顯微鏡下薄片統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，石英含量平均為76.7%；長石較為少見，平均含量小于1%；巖屑含量平均為22.6%，成分成熟度Q/(F+Q)指數(shù)平均為3.29，低于盆內(nèi)常規(guī)砂巖儲(chǔ)層的成分成熟度。

與Barnett頁巖(表1)相比，山西組泥頁巖黏土礦物含量較高，平均59.6%，有利于頁巖氣的吸附。研究表明[5]，美國東部頁巖氣高產(chǎn)的主要原因是具有很高的含氣量外，同時(shí)頁巖的石英含量很高，平均在40%以上，最高可達(dá)75%(表1)。Wang[6]研究發(fā)現(xiàn)石英含量大于25%時(shí)，頁巖儲(chǔ)層才具有可壓裂性，石英含量為35%時(shí)，頁巖儲(chǔ)層的可壓裂性最好。研究區(qū)山西組泥頁巖石英含量平均36.9%，利于后期儲(chǔ)層壓裂改造。

表1 山西組泥頁巖儲(chǔ)層特征與北美典型頁巖對(duì)比Table 1 Comparison of shale reservoir characteristics in Shanxi formation with typical shale in North America

1.2 有機(jī)質(zhì)特征

此次選擇CY1、CY2井頁巖巖心樣品進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)測試，并與前人的研究成果結(jié)合進(jìn)行分析。山西組泥頁巖的有機(jī)質(zhì)類型主要屬于Ⅲ型，Ⅱ型次之，Ⅰ型極少，以生氣為主。有機(jī)碳含量也是評(píng)價(jià)烴源巖的重要指標(biāo)之一，本次統(tǒng)計(jì)了公開發(fā)表的鄂爾多斯盆地山西組157個(gè)頁巖有機(jī)碳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有機(jī)碳(TOC)含量在0.04-22.82%之間，平均為3.12%，TOC值大于1.0%的頁巖樣品占總樣品數(shù)的72.61%，CY1、CY2井山西組泥頁巖樣品Ro值在1.76%～3.72%之間，平均值為2.63%，以上數(shù)據(jù)表明山西組泥頁巖總有機(jī)碳含量普遍較高，是優(yōu)質(zhì)的氣源巖，且已進(jìn)入干氣階段。

1.3 物性特征

頁巖的孔隙度和滲透率直接關(guān)系到頁巖氣藏的含氣量和后期的開發(fā)。CY1、CY2井頁巖孔隙度主要在0.4%～1.5%之間，平均為0.77%，小于北美頁巖(表1)，其中，孔隙度小于0.5%的樣品占總樣品的20%，孔隙度0.5%～1.0%占總樣品的50%，孔隙度1.0%～1.5%占總樣品30%。滲透率在0.0066×10-3μm2～0.2416×10-3μm2之間，平均為0.03999×10-3μm2，其中滲透率小于0.01×10-3μm2占總樣品的30%，滲透率0.01×10-3μm2-0.05×10-3μm2占樣品的40%，滲透率0.05×10-3μm2～0.10×103μm2占樣品的20%，滲透率0.10×10-3μm2～0.50×10-3μm2占樣品的10%。對(duì)比北美典型頁巖，山西組泥頁巖孔隙度偏低，而滲透率相對(duì)較高(表1)，這主要是受研究區(qū)山西組泥頁巖中裂縫較發(fā)育的影響，對(duì)滲透率具有一定的貢獻(xiàn)。

圖3 CY2井頁巖樣品壓汞曲線(汞飽和度)Fig.3 Mercury injection curve of shale sample in well CY2

山西組泥頁巖毛管壓力曲線偏向圖像右側(cè)并且向上方靠攏，普遍呈陡坡迅速上升，隨后又緩慢上升，但平緩段較短(圖3)，排驅(qū)壓力在8.18 M～11.55 MPa之間，平均為9.30 MPa，表明進(jìn)汞量小，壓力偏高，反映頁巖孔喉偏細(xì)，分選偏差。

1.4 儲(chǔ)集空間特征

顯微鏡下CY1、CY2井山西組泥頁巖樣品的儲(chǔ)集空間類型包括有機(jī)質(zhì)孔、礦物質(zhì)孔和裂縫。

1.4.1 有機(jī)質(zhì)孔

在生烴過程中有機(jī)質(zhì)體積縮小而產(chǎn)生的氣孔[7]，這些氣孔對(duì)于改善頁巖儲(chǔ)層物性具有一定的積極作用。掃描電子顯微鏡和油浸物鏡觀察表明，山西組泥頁巖的有機(jī)孔主要發(fā)育在絲質(zhì)和鏡質(zhì)體中。 單個(gè)有機(jī)孔具有各種形式的納米微孔，例如橢圓形，圓形，細(xì)長形和不規(guī)則形。 孔徑通常在0.1～20μm之間，孔的邊緣清晰且光滑，并且一些相鄰的孔彼此連接。部分較大的長條形和不規(guī)則氣孔由多個(gè)相鄰的氣孔連通而成(圖4)。總體來看，山西組泥頁巖中有機(jī)質(zhì)孔較發(fā)育，這與本區(qū)山西組泥頁巖熱演化程度較高(Ro平均為2.3%)有關(guān)[8]。

圖4 山西組泥頁巖有機(jī)質(zhì)孔Fig.4 Organic holes in Shanxi formation shale reservoira.CY2井絲質(zhì)體中孔隙;b.CY1井鏡質(zhì)體中孔隙;c.CY1井鏡質(zhì)體中孔隙; d.CY2井有機(jī)質(zhì)孔。

1.4.2 礦物質(zhì)孔

(1)粒間孔：頁巖中黏土礦物、石英、長石和方解石等礦物之間的孔隙，這類孔隙在砂質(zhì)含量較高的粉砂質(zhì)頁巖中較為發(fā)育。山西組泥頁巖中的粒間孔類型主要為黏土礦物粒間孔，孔徑主要分布在1～10μm之間(圖5A)。

圖5 山西組泥頁巖礦物質(zhì)孔洞Fig. 5 Mineral pores in Shanxi formation shale reservoira.CY1井黏土礦物粒間孔和晶間孔；b.CY2井高嶺石晶間孔；c.CY2井伊利石晶間孔；d.CY2井溶蝕孔

(2)晶間孔：發(fā)育在黏土礦物顆粒間的晶間孔一般呈長條狀，寬度一般為0.1～1μm(圖5B、圖5C)。

(3)粒內(nèi)孔：主要由成巖作用引起的，山西組泥頁巖中粒內(nèi)孔主要為黏土礦物粒內(nèi)孔，孔徑在0.1～10μm之間。

(4)溶蝕孔：頁巖中礦物內(nèi)部或表面發(fā)生溶蝕作用而產(chǎn)生的孔隙，該類孔隙邊緣粗糙不光滑，部分被黏土礦物充填。山西組泥頁巖中溶蝕孔發(fā)育較少，主要發(fā)育在方解石和長石等礦物顆粒中，孔徑為1-10μm，部分被黏土礦物充填(圖5D)。

1.4.3裂縫

裂縫是影響頁巖含氣量與頁巖氣聚集的重要因素，是頁巖氣的主要滲流通道，裂縫可增加頁巖中游離氣含量， 它還有助于解析作用并控制頁巖氣藏的生產(chǎn)能力[9]。通過巖心樣品和鏡下觀察，山西組泥頁巖裂縫分為小型裂縫和微裂隙[10]。小型裂縫和微裂隙主要是頁巖中有機(jī)質(zhì)生烴作用和黏土礦物脫水作用等形成，規(guī)模一般較小，是游離氣與吸附氣解析后的重要儲(chǔ)集空間和滲流通道，對(duì)頁巖氣藏后期壓裂開發(fā)極為有利。

(1)小型裂縫：指寬度為0.01～0.1mm，長度在0.01～0.1m之間的裂縫。山西組泥頁巖小型裂縫包括層理縫和層間縫，其中，層理縫(圖6A)發(fā)育最廣，對(duì)頁巖的儲(chǔ)層物性有良好的改善作用。層間縫(圖6B)是在砂巖隔夾層與頁巖交界處的軟弱帶中形成的裂縫，對(duì)改善儲(chǔ)層物性也具有一定的貢獻(xiàn)。

(2)微裂隙：指寬度一般小于0.01mm，長度小于0.01m的裂縫，主要由有機(jī)質(zhì)生烴作用和黏土礦物脫水作用形成的。山西組泥頁巖中微裂隙寬度在1～10μm之間，掃描電鏡下裂縫面光滑平整，錯(cuò)動(dòng)和位移不明顯，表明其形成與構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系不大(圖6C、圖6D)。

圖6 頁巖儲(chǔ)層中裂隙廣泛發(fā)育Fig.6 A large number of fractures in Shanxi formation shale reservoira.CY1井發(fā)育小型裂縫;b.CY2井發(fā)育小型裂縫;c.CY1井發(fā)育微裂隙;d.CY2井發(fā)育微裂隙。

以往研究表明，在相同的構(gòu)造背景下，頁巖中裂縫的發(fā)育主要受有機(jī)碳含量(TOC)和石英含量控制[10]，且頁巖厚度越薄裂縫越發(fā)育[11]。石英含量同樣也是控制頁巖中裂縫發(fā)育的重要因素，石英在外力作用下易破碎產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)并能保持這些裂縫網(wǎng)絡(luò)的開放性和連通性[12]。山西組泥頁巖高有機(jī)碳含量和石英含量有利于裂縫大量發(fā)育。

1.5 頁巖含氣性特征

頁巖含氣特征研究包括實(shí)驗(yàn)測定和理論計(jì)算。實(shí)驗(yàn)分析是指現(xiàn)場分析方法和等溫吸附法; 理論計(jì)算規(guī)則以測井資料為基礎(chǔ)，采用相應(yīng)的理論公式計(jì)算吸附氣體含量，溶解氣體含量和游離氣體含量，得到總氣體含量[13,14]。筆者利用CY1井和CY2井隨鉆施工進(jìn)行現(xiàn)場解析和室內(nèi)等溫吸附實(shí)驗(yàn)，結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)、TOC和孔隙度等相關(guān)參數(shù)計(jì)算頁巖含氣量。

現(xiàn)場分析結(jié)果表明，山西組泥頁巖氣總含量為0.307 cm3/g～2.098 cm3/g，平均1.19 cm3/g，已經(jīng)達(dá)到商業(yè)開采價(jià)值[15]。等溫吸附實(shí)驗(yàn)中(圖7)，在溫度恒定條件下，吸附氣量隨壓力迅速增大，達(dá)到一定壓力(5 M～10 MPa)后，吸附氣量增加趨緩；當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa，吸附氣含量逐漸穩(wěn)定，沒有或僅有略微增加，最終在21.0 MPa時(shí)吸附氣量達(dá)到最大值0.93 cm3/g～4.25 cm3/g，平均為2.07 cm3/g。

圖7 CY1井和CY2井頁巖樣品等溫吸附實(shí)驗(yàn)Fig.7 Isothermal adsorption experiment of shale samples from well CY1 and well CY2

理論計(jì)算法結(jié)果表明，山西組總含氣量在0.19 cm3/g～3.67 cm3/g分布，平均為0.95 cm3/g，與現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近；其中游離氣含量主要分布在0.2 cm3/g～0.3 cm3/g之間，平均為0.25 cm3/g；溶解氣含量較少，主要在0.001 cm3/g～0.003 cm3/g之間，平均為0.002 cm3/g；吸附氣含量為0.11 cm3/g～3.5 cm3/g，集中在0.1 cm3/g～1.6 cm3/g，平均為0.71 cm3/g。以上分析可知下寺灣地區(qū)山西組泥頁巖樣品含氣性較好，吸附氣含量比例較大，其含氣性特征有利于頁巖氣勘探。

1.6 頁巖可壓裂性

巖石力學(xué)參數(shù)和頁巖礦物組成是表征可壓裂性最常用的指標(biāo)[16]。根據(jù)國外對(duì)可壓裂性的評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)，采用Kahraman S(2004)提出的基于楊氏模量和泊松比定義的脆性指數(shù)概念，采用楊氏模量/脆性指數(shù)(E/B)來表征可壓裂性。山西組泥頁巖楊氏模量10 GPa～80 GPa，泊松比0.20～0.40，天然裂縫對(duì)水力壓裂較敏感，可迅速形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)裂縫。此外，相關(guān)研究表明[17]，延長探區(qū)山西組泥頁巖當(dāng)E/B≥0.14時(shí)，頁巖可壓裂性好，反之為可壓裂性差層段。

2 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

頁巖氣勘探潛力評(píng)價(jià)包括生烴潛力、儲(chǔ)氣能力和脆性三方面[18]?？偨Y(jié)目前用于評(píng)價(jià)頁巖氣勘探潛力的相關(guān)地質(zhì)參數(shù)可以看出，有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、頁巖厚度決定了頁巖的生烴能力，礦物組成和吸附氣體含量決定了頁巖的儲(chǔ)氣能力和可開采性。筆者基于北美頁巖氣勘探實(shí)踐，應(yīng)用有機(jī)碳含量(TOC)、有機(jī)質(zhì)成熟度(RO)、頁巖厚度(含≤3m的夾層)、脆性礦物含量和吸附氣所占比例這五項(xiàng)指標(biāo)來評(píng)價(jià)山西組頁巖氣勘探潛力。

根據(jù)以往的研究結(jié)果[18-26]和下寺灣地區(qū)山西組泥頁巖的地質(zhì)特征，本次確定了五個(gè)指標(biāo)的下限，如表2所示。實(shí)際上，勘探及上文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明山西組頁巖厚度>15m，TOC>1%，Ro最低值均>1.2，脆性礦物平均含量40.4%，吸附氣含量>45%，均能滿足下限標(biāo)準(zhǔn)。

將上述五項(xiàng)指標(biāo)下限連接構(gòu)成一個(gè)星狀圖，若五項(xiàng)指標(biāo)均大于或等于標(biāo)準(zhǔn)值，所有指標(biāo)的投點(diǎn)落在陰影外部，表明該頁巖為有利泥層段；反之，若任一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)小于標(biāo)準(zhǔn)值，說明該層段頁巖氣不具備頁巖氣勘探潛力，為無潛力層段。

以CY1井為例，根據(jù)山西組頁巖層五項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)表(表3)，繪制五項(xiàng)指標(biāo)星狀圖及評(píng)價(jià)結(jié)果圖(圖8、圖9)。CY1井山西組共有6個(gè)頁巖層，編號(hào)依次為N1-N6，其中山1段N1和N2兩個(gè)頁巖段為有利層段，具備頁巖氣勘探潛力。

表2 國內(nèi)頁巖勘探潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Domestic shale gas exploration potential evaluation criteria

表3 CY1井頁巖勘探潛力評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Shale exploration potential evaluation results of well CY1

圖8 評(píng)價(jià)CY1井山西組頁巖勘探潛力的五項(xiàng)指標(biāo)法Fig.8 Five-index method for evaluating shale exploration potential in Shanxi formation of well CY1

圖9 CY1井山西組頁巖勘探潛力評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.9 shale exploration potential evaluation results of Shanxi formation of well CY1

3 結(jié)論

(1)延長油田下寺灣地區(qū)上古生界山西組發(fā)育一套濱淺海、淺湖相頁巖，山西組頁巖主要為黑色、深灰色頁巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖，偶夾灰白色條帶狀粉砂巖隔夾層，黏土礦物的體積分?jǐn)?shù)表明其已進(jìn)入晚期成巖階段。脆性礦物平均超過40%，具有高彈性模量、低泊松比特征，質(zhì)地硬而脆，利于后期改造，頁巖的楊氏模量/脆性指數(shù)的值具有明顯的兩段性。

(2)山西組頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主，TOC平均值3.12%，Ro值平均值2.63%，以形成干氣為主，是優(yōu)質(zhì)的氣源巖，泥頁巖總含氣量平均為1.19 cm3/g，達(dá)到商業(yè)開采價(jià)值。

(3)CY1井、CY2井頁巖儲(chǔ)層空間多樣，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、晶間孔、粒間孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔和大量的小型、微型裂縫。相比北美典型頁巖，山西組頁巖孔隙度偏低，平均為0.77%，滲透率較高，平均為0.039 99×10-3μm2。

(4)根據(jù)有機(jī)碳含量，有機(jī)質(zhì)成熟度，頁巖厚度，脆性礦物含量和吸附氣體五項(xiàng)指標(biāo)，建立了山西組頁巖氣藏評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以CY1井為例，利用五項(xiàng)指標(biāo)法評(píng)價(jià)山西組頁巖勘探潛力，優(yōu)選有利勘探層段，結(jié)果顯示其勘探潛力良好。