方棟梁，孟志勇

(中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 433124)

涪陵地區(qū)位于揚子板塊中南部、黔中隆起北緣的北部凹陷，上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積期，涪陵地區(qū)所在的中揚子中西部地區(qū)整體處于相對安靜的深水陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育了一套暗色富硅質(zhì)、富有機質(zhì)泥頁巖[1](圖1)。近年來勘探證實，該套暗色富有機質(zhì)泥頁巖為一套優(yōu)質(zhì)含氣頁巖儲層，有機質(zhì)類型好(主要為Ⅰ型干酪根)，有機質(zhì)豐度高(TOC含量在2.54%)，熱演化程度適中(Ro為2.5%)，儲集性能好(孔隙度4.61%)，含氣豐度高(5～6 m3/t)，使得五峰組—龍馬溪組海相頁巖成為四川盆地頁巖氣勘探熱點[2-3]。該套頁巖儲層含氣性平面分布具有較大差異，并在頁巖含氣性相似的區(qū)域，其頁巖氣單井測試產(chǎn)量也存在較大差異，頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素亟待深入研究。本文系統(tǒng)研究和闡述了頁巖氣富集和高產(chǎn)的基本地質(zhì)條件和主控因素，為研究區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣藏的后續(xù)研究及開發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。

1 頁巖氣富集主控因素

頁巖氣富集是頁巖氣高產(chǎn)的基礎(chǔ)，頁巖氣與常規(guī)油氣的最大區(qū)別在于自生自儲，另外頁巖氣在頁巖儲層中具備多種賦存狀態(tài)——溶解態(tài)、吸附態(tài)和游離態(tài)，因此，頁巖自身良好的生烴、儲氣能力是頁巖氣富集的重要基礎(chǔ)條件[4-5]。頁巖氣富集受總有機碳含量和微納米孔隙影響；良好的保存條件是頁巖氣得以保存的必要條件，也是頁巖氣井高產(chǎn)的有效保障。

1.1 有機碳含量

頁巖氣屬于典型的自生自儲氣藏，儲層的總有機碳含量是評價頁巖儲層原生品質(zhì)的重要基礎(chǔ)參數(shù)。針對涪陵頁巖氣田的測試數(shù)據(jù)表明，有機碳含量與含氣量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖2a)。此外，有機質(zhì)對頁巖儲層比表面積具有重要的貢獻。液氮吸附實驗測定結(jié)果表明，頁巖儲層比表面積與有機碳含量之間呈現(xiàn)了明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖2b)。

1.2 微—納米尺度孔隙

前人研究成果證實：相同孔隙體積前提下，孔隙直徑越小，其孔隙內(nèi)比表面積越大[6-9]。從分析結(jié)果來看，比表面積與微孔和中孔之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖3a)，而與大孔之間相關(guān)性較差(圖3b)。壓汞—液氮吸附聯(lián)測結(jié)果表明：涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組一段頁巖以中孔為主，其次為微孔，大孔發(fā)育程度最低，其在頁巖總孔隙中的占比依次為80%、8%和5.5%。由此可知，中、微孔成為頁巖氣主要賦存空間。此外，鏡下觀測揭示，頁巖內(nèi)微—納米孔隙非常發(fā)育(圖4)。

圖2 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段含氣頁巖有機碳含量與總含氣量和比表面積關(guān)系

圖3 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段含氣頁巖比表面積主控因素相關(guān)性分析

圖4 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段含氣頁巖微—納米孔隙鏡下觀察

1.3 保存條件

保存條件是頁巖氣富集的重要基礎(chǔ)保障。涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊開發(fā)實踐證實：構(gòu)造保存條件對頁巖儲層的含氣性有著重要的影響，構(gòu)造復(fù)雜區(qū)常存在一定程度頁巖氣逸散現(xiàn)象。以靠近東翼石門1號斷裂的焦頁B井為例，該井五峰組—龍馬溪組含氣頁巖段巖心觀察結(jié)果證實，整個含氣頁巖段、下伏層澗草溝組灰?guī)r和上覆層龍二段濁積砂段裂縫均較焦石壩區(qū)塊主體穩(wěn)定區(qū)發(fā)育，在上覆濁積砂段裂縫的充填物中發(fā)育了大量的烴類包裹體(圖5)，證實該區(qū)后期存在一定程度的頁巖氣的逸散。

從目前開發(fā)實踐證實，構(gòu)造變形強度越大，頁巖儲層含氣性相對變差。構(gòu)造改造強，保存條件變差，氣層自身壓力下降，受上覆地層壓實作用，孔隙尺度變小，進而導(dǎo)致游離氣含量減少，并最終影響頁巖氣井初期產(chǎn)能。因此，保存條件無論是對頁巖氣的富集還是頁巖氣井的高產(chǎn)都是至關(guān)重要的。

圖5 四川盆地焦頁B井五峰組—龍馬溪組一段含氣頁巖上下鄰層裂縫及流體包裹體照片

2 頁巖氣高產(chǎn)主控因素

頁巖氣富集是頁巖氣高產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。頁巖儲層自身發(fā)育大量納米級孔隙，使其具有特低孔特低滲特征。因此，相較于常規(guī)油氣藏，其單井高產(chǎn)條件更為苛刻。針對涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段而言，孔隙度介于1%～6%，穩(wěn)態(tài)法測試滲透率平均值為0.2×10-3μm2，使得頁巖氣開采需經(jīng)過大規(guī)模人工壓裂改造，提高儲層滲流能力，進而形成一定產(chǎn)能。因此，良好的壓裂工程工藝改造效果對頁巖氣單井產(chǎn)能有著至關(guān)重要的影響。結(jié)合目前焦石壩區(qū)塊開發(fā)實踐，影響壓裂改造效果的主要地質(zhì)因素有頁巖脆性礦物含量、埋深、構(gòu)造形態(tài)和裂縫發(fā)育特征。

2.1 頁巖脆性礦物含量

系統(tǒng)分析揭示：在相同地質(zhì)條件下，頁巖脆性礦物含量與單井產(chǎn)能之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖6)，表明頁巖自身脆性礦物含量越高，可壓性越好，壓裂改造效果越好，單井初期產(chǎn)能越高。

2.2 氣層埋深

埋深對壓裂改造施工難度的影響，主要表現(xiàn)在以下3個方面：(1)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度增大，上覆巖層壓力增加導(dǎo)致層間縫剪切難度增加，最小水平主應(yīng)力、溫度增加導(dǎo)致巖石塑性增強，巖石力學(xué)參數(shù)變化導(dǎo)致誘導(dǎo)應(yīng)力強度及作用區(qū)域減小；(2)導(dǎo)致施工壓力提高；(3)由于剪切滑移面由粗糙變得更為光滑，從而導(dǎo)致壓裂縫的導(dǎo)流保持能力降低。

在埋深低于2 800 m的構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，埋深不足以對壓裂改造效果產(chǎn)生太大的影響[10]，即這個影響較其他因素相比并不明顯。但埋深超過2 800 m后，其單井產(chǎn)能與埋深之間呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)關(guān)系(圖7)，在相關(guān)地質(zhì)條件相似的前提下，隨著埋深的增加，單井產(chǎn)能變低，表明埋深對壓裂改造效果起到了負面的影響作用。

圖6 四川盆地焦石壩區(qū)塊1 500 m水平段無阻流量與測井解釋脆性指數(shù)擬合

圖7 四川盆地焦石壩地區(qū)下部氣層>已測試井歸一化試氣產(chǎn)量與埋深關(guān)系

2.3 天然裂縫

裂縫發(fā)育區(qū)常存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象，人工裂縫通過應(yīng)力松弛區(qū)過渡到天然裂縫，使張開的天然裂縫發(fā)生膨脹，導(dǎo)致液體效率、縫內(nèi)凈壓力降低，影響裂縫延伸及復(fù)雜縫網(wǎng)形成。生產(chǎn)實踐揭示：焦石壩斷背斜壓裂施工難度大、壓裂效果差的井主要集中在以條帶狀裂縫為主的區(qū)域；裂縫不發(fā)育區(qū)(以斑點狀均質(zhì)分布的弱曲率區(qū))水平井壓裂難度小。以焦頁F井為例(圖8)，其井筒兩側(cè)均發(fā)育條帶狀曲率，但西側(cè)條帶狀曲率明顯強于東側(cè)。根據(jù)該井微地震檢測結(jié)果，水平段壓裂縫網(wǎng)的平面延展明顯受到兩側(cè)條帶狀曲率的限制，在井筒靠近A靶的位置，東側(cè)條帶狀曲率距離井筒較遠，裂縫延伸也相對較遠。

3 結(jié)論

(1)影響頁巖氣富集的地質(zhì)主控因素主要包括總有機碳含量、微—納米尺度孔隙和保存條件。其中，頁巖儲層比表面積與有機碳含量之間呈現(xiàn)了明顯的正相關(guān)關(guān)系，微—納米級孔隙是頁巖氣主要賦存空間。此外，保存條件對頁巖氣富集意義重大，構(gòu)造改造強，保存條件變差，頁巖氣初期產(chǎn)能較低。

圖8 四川盆地焦石壩地區(qū)焦頁F井水平段曲率預(yù)測及微地震檢測結(jié)果

(2)良好的壓裂改造效果是頁巖氣井高產(chǎn)的必要條件。影響頁巖壓裂改造效果的主要地質(zhì)因素包括頁巖脆性礦物含量、埋深、構(gòu)造形態(tài)和裂縫。脆性礦物含量越高，可壓性越好，而埋深增大不利于有效壓裂。另外，向斜構(gòu)造形態(tài)會派生擠壓應(yīng)力，增大了最小主應(yīng)力，增加裂縫延伸難度，導(dǎo)致施工難度增加。