楊 光，田偉志，呂 江，徐守輝，康 樂，李晗菲

(中國石油長城鉆探工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

頁巖氣資源潛力巨大，已成為全球油氣勘探的一個(gè)新領(lǐng)域。目前，對頁巖氣的成藏和儲(chǔ)量研究較多，且大部分是從頁巖氣聚集機(jī)理及聚集條件等外因角度開展儲(chǔ)層評價(jià)[1]。而頁巖的礦物組分作為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的內(nèi)因，控制著儲(chǔ)集空間的發(fā)育。因此，通過開展頁巖有機(jī)地球化學(xué)、巖石學(xué)以及含氣量等相關(guān)參數(shù)測試，對頁巖氣儲(chǔ)層巖性成分、含氣能力、成因及儲(chǔ)集等方面進(jìn)行研究，為頁巖氣勘探開發(fā)提供技術(shù)支持。該文從儲(chǔ)集層巖石學(xué)角度對W202區(qū)塊龍馬溪組開展細(xì)致研究，為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)理的研究、輔助水平井導(dǎo)向及壓裂技術(shù)實(shí)施提供依據(jù)[2-3]。利用XRF技術(shù)分析各小層元素分布，通過SiO2、Al2O3、∑Fe2O3、CaO、MgO、SO3等含量表征石英、黏土及灰質(zhì)發(fā)育情況，確定頁巖成分及巖性，評價(jià)儲(chǔ)集層力學(xué)脆性[4]；利用XRD、薄片鑒定和掃描電鏡等測試手段，分析礦物成分及含量、有機(jī)質(zhì)特征及賦存狀態(tài)、儲(chǔ)集空間類型等，并結(jié)合烴源巖、等溫吸附數(shù)據(jù)探究優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的發(fā)育機(jī)理，為威遠(yuǎn)構(gòu)造W202區(qū)塊龍馬溪組龍11亞段頁巖氣開發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

四川盆地根據(jù)區(qū)域構(gòu)造特征劃分為川東南、川中和川西北構(gòu)造區(qū)等3個(gè)亞一級(jí)構(gòu)造單元，可進(jìn)一步劃分為川西坳陷帶、川中低緩褶皺帶、川西南低陡褶皺帶、川北低陡褶皺帶、川東高陡褶皺帶、川南低陡斷褶帶等6個(gè)盆地二級(jí)構(gòu)造單元。

W202區(qū)塊位于川中隆起區(qū)的川西南低陡褶皺帶威遠(yuǎn)背斜構(gòu)造高部位(圖1)。志留系下統(tǒng)龍馬溪組下部發(fā)育了一套巨厚的黑色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖和灰質(zhì)頁巖，上部發(fā)育了一套巨厚綠灰色頁巖及薄層粉砂質(zhì)頁巖[5]。依據(jù)沉積旋回特征，將龍馬溪組分為龍1段、龍2段2個(gè)次級(jí)反旋回[6-7]。

圖1 威遠(yuǎn)構(gòu)造位置Fig.1 The location of Weiyuan Structure

龍馬溪組龍1段為持續(xù)海退的進(jìn)積式反旋回，依照次級(jí)旋回和巖性特征將其分為龍11和龍122個(gè)亞段[8]。龍11亞段位于龍馬溪組下部，為灰泥質(zhì)深水陸棚相沉積，發(fā)育有一套富有機(jī)質(zhì)黑色炭質(zhì)頁巖，可見大量形態(tài)各異的筆石群，是目前威遠(yuǎn)頁巖氣田主要目的產(chǎn)層。通過巖性、電性等特征分析，將龍11亞段自下而上依次劃分為龍11Ⅰ、龍11Ⅱ、龍11Ⅲ和龍11Ⅳ4個(gè)小層(表1，分層數(shù)據(jù)依據(jù)此次研究巖心資料，不作為地區(qū)通用)。

表1 W202區(qū)塊龍1段小層劃分Table 1 The divisions of layers of the Long1Member in W202 Block

2 巖石化學(xué)特征

該文使用EDX-4500H型X射線熒光光譜儀，完成了龍馬溪組龍11亞段158塊巖石樣品化學(xué)元素檢測，對各個(gè)小層代表性元素特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表2)。按照GB/T 17412.2(巖石分類和命名方案)，參考張慧等[9]對四川盆地龍馬溪組頁巖的劃分方法，按頁巖中不同元素成分含量進(jìn)行定名，探尋各小層內(nèi)部巖石化學(xué)成分的變化規(guī)律及優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層元素富集特征。

表2 龍11亞段各小層巖石化學(xué)成分含量統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistics of chemical composition contents ofeach layer of the Long11 Sub-member

由表2可知：龍11亞段灰質(zhì)(云質(zhì))頁巖含方解石較多，但含量不超過50.00%；鐵質(zhì)頁巖含鐵的硅酸鹽及硫化物較多；硅質(zhì)頁巖含自生游離二氧化硅較多，SiO2含量超過85.00%；粉砂質(zhì)頁巖陸源粉砂碎屑含量為25.00%～50.00%；炭質(zhì)頁巖含有較多均勻分布并炭化的細(xì)分散狀有機(jī)質(zhì)，染手；黑色頁巖含有較多有機(jī)質(zhì)與細(xì)分散狀硫化鐵；黏土質(zhì)頁巖中的黏土礦物含量較高，一般大于90.00%，含大量黃鐵礦，其他礦物較少。對各小層脆性指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，龍11Ⅰ小層SiO2含量最高為89.91%，脆性指數(shù)為0.76，為優(yōu)勢儲(chǔ)層發(fā)育層段。

2.1 龍11Ⅰ小層

龍11Ⅰ小層為淺海深水陸棚相沉積，SiO2含量較高，平均為62.68%，Al2O3含量相對較低，平均為6.45%，CaO含量平均為9.19%；CO2含量平均為9.30%。小層巖石中化學(xué)成分變化較大，底部SiO2含量較高，上部CaO含量較高，靠近頂部區(qū)域Al2O3含量明顯升高，即小層具有下部硅質(zhì)頁巖、中部灰質(zhì)頁巖、上部黏土質(zhì)頁巖的巖性組合特征。硅質(zhì)頁巖脆性指數(shù)最高，為最有利儲(chǔ)集層巖性，大量有機(jī)質(zhì)孔隙也為頁巖氣的富集提供了場所。

2.2 龍11Ⅱ小層

該小層巖石中化學(xué)成分變化最為顯著的是∑Fe2O3和SO3含量較高，尤其是在中下部具有明顯的高異常，這是由于該小層在成巖階段處于強(qiáng)烈的還原環(huán)境，發(fā)育了較高含量的黃鐵礦晶簇，同時(shí)，在沉積時(shí)期發(fā)育了多層斑脫巖，形成了黃鐵礦的富集。與龍11Ⅰ小層相比，Al2O3、K2O含量大幅度增高，SiO2含量降低，CaO和MgO含量變化不大。巖石組合為頁巖、灰質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖，夾薄層-頁片層斑脫巖。

2.3 龍11Ⅲ小層

該小層巖石中化學(xué)成分以高Al2O3、K2O為特征，Al2O3含量平均為13.84%，K2O含量平均為3.37%；局部以高CaO、SO3、∑Fe2O3，低SiO2為特征。Al2O3和K2O都是反映黏土含量的參數(shù)，這與該小層主要發(fā)育黏土質(zhì)頁巖相吻合，同時(shí)反映了陸源碎屑物明顯增多。

2.4 龍11Ⅳ小層

該小層巖石中SiO2含量較低，Al2O3、K2O含量較高，局部高CaO、SO3，主要發(fā)育黏土質(zhì)頁巖和灰質(zhì)頁巖。與龍11Ⅲ小層相比，CaO成分較高，反映灰質(zhì)頁巖更為發(fā)育。巖性組合為有機(jī)質(zhì)頁巖、灰質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖及粉砂質(zhì)頁巖。

3 礦物學(xué)特征

通過XRD、薄片鑒定和掃描電鏡等數(shù)據(jù)對頁巖儲(chǔ)層礦物成分開展分析，龍馬溪組龍11亞段礦物類型主要為陸源礦物、自生礦物、生物碎屑和少量有機(jī)質(zhì)等。主要礦物成分為石英和黏土礦物，含少量鉀長石、斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦等(表3)。

表3 礦物組分平均含量統(tǒng)計(jì)Table 3 The statistics of average content of mineral components

3.1 陸源礦物

陸源礦物主要包括石英、長石和黏土礦物。通過薄片鑒定及掃描電鏡分析，龍11亞段以陸源碎屑輸入的石英為主，顆粒為泥—粉砂級(jí)，風(fēng)力搬運(yùn)，懸浮方式沉積，磨圓度較差，多呈次棱角狀(圖2a)。長石分布廣泛，以晶型較好的鈉長石為主，溶蝕現(xiàn)象相對不發(fā)育(圖2b)，龍11Ⅲ小層見少量的鉀長石。黏土礦物為含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物，按照晶體結(jié)構(gòu)分為結(jié)晶質(zhì)和非晶質(zhì)，常見層狀結(jié)構(gòu)結(jié)晶質(zhì)黏土礦物(圖2c、d)，非晶質(zhì)黏土礦物沒有明確的晶體結(jié)構(gòu)。

圖2 陸源礦物特征Fig.2 The characteristics of terrigenous minerals

3.2 自生礦物

自生礦物是成巖過程的產(chǎn)物，礦物生成的形態(tài)主要與組成頁巖的化學(xué)成分、沉積和成巖環(huán)境(溫度、壓力、pH值)有關(guān)。龍11亞段自生礦物主要有生物石英(有機(jī)硅)、碳酸鹽礦物、黃鐵礦等。主要發(fā)育的生物有放射蟲、海綿骨針、有孔蟲等，石英保持了生物體的形態(tài)，并在其體腔孔內(nèi)發(fā)育晶型較好的自生石英晶體(圖3a)。碳酸鹽礦物主要為方解石和白云石(圖3b)，為成巖作用階段產(chǎn)物，以顆粒狀或膠結(jié)物的方式分布在泥頁巖基質(zhì)中，其中，顆粒狀產(chǎn)出的白云石具有較好的晶體形態(tài)，呈現(xiàn)菱形，部分發(fā)生溶蝕；方解石則無固定形態(tài)，多為碎屑顆粒，溶蝕現(xiàn)象發(fā)育，局部含量較高。龍11亞段黃鐵礦含量較高，分布均勻，一般呈草莓狀、團(tuán)塊狀(圖3c)，或呈自形相對較好的立方體狀。為成巖作用期形成的自生礦物，代表強(qiáng)還原環(huán)境。

圖3 自生礦物特征Fig.3 The characteristics of authigenic minerals

3.3 殘余有機(jī)質(zhì)

龍11亞段殘余有機(jī)質(zhì)主要為原始有機(jī)質(zhì)或液態(tài)烴在過成熟階段經(jīng)高溫裂解后形成的最終產(chǎn)物，如瀝青質(zhì)、炭質(zhì)等，為頁巖中游離氣和吸附氣重要的儲(chǔ)集場所。殘余有機(jī)質(zhì)分散在碎屑顆粒和黏土礦物之間，在偏光顯微鏡和掃描電鏡下清晰可見(圖4)。

圖4 殘余有機(jī)質(zhì)Fig.4 The residual organic matter

脆性礦物含量是影響頁巖基質(zhì)孔隙度和裂縫發(fā)育程度、含氣性及改造方式的重要因素。硅質(zhì)礦物(陸源石英、有機(jī)硅)、長石(鉀長石、斜長石)、碳酸鹽礦物(方解石、白云石)等都屬脆性礦物，在外力作用下容易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，有利于天然氣的滲流，并增大游離態(tài)頁巖氣的儲(chǔ)集空間。龍11Ⅰ小層礦物特征為石英含量高、黏土礦物和碳酸鹽礦物含量低，為最為有利的頁巖氣儲(chǔ)層，也是頁巖氣開發(fā)中水平井施工最佳鉆探與壓裂層段。

4 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層評價(jià)

龍11亞段頁巖氣以游離態(tài)、吸附態(tài)為主，賦存于富有機(jī)質(zhì)層段?；|(zhì)滲透率平均值為0.169 mD，無自然產(chǎn)能，需要通過一定技術(shù)措施才能獲得工業(yè)氣流。

應(yīng)用甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行含氣性評價(jià)[10]。龍11亞段10個(gè)樣品的甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示(圖5)，龍11Ⅰ小層吸附量最高，平均為4.63 cm3/g，龍11Ⅱ小層平均為2.53 cm3/g，龍11Ⅲ小層平均為2.72 cm3/g，龍11Ⅳ小層平均為2.16 cm3/g。通過對TOC含量、飽和吸附量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，頁巖TOC含量越高，吸附能力越強(qiáng)[11-12]，且頁巖含氣量呈現(xiàn)隨深度增加而增大的趨勢。這是由于有機(jī)質(zhì)中具有吸附能力的納米級(jí)孔隙較為發(fā)育，為氣體的吸附提供了場所，使得吸附能力增強(qiáng)。

圖5 龍11亞段各小層XRD與XRF參數(shù)綜合對比Fig.5 The comprehensive comparison of XRD and XRF parameters of each layer of the Long11 Sub-member

龍11亞段數(shù)據(jù)對比分析可以看出，石英含量與SiO2，黏土礦物含量與Al2O3、∑Fe2O3、K2O，灰質(zhì)含量與CaO、MgO，都呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系(圖5)。龍11Ⅰ小層SiO2的含量高，脆性較好，礦物整體表現(xiàn)為高石英含量、低黏土礦物和碳酸鹽礦物含量，為龍11亞段最為有利的頁巖氣儲(chǔ)集層，也是頁巖氣開發(fā)中利用水平井施工最佳鉆探與壓裂層段[13-14]。

威遠(yuǎn)背斜構(gòu)造全區(qū)地勢西北高、東南低，威202區(qū)塊中奧陶頂界(五峰組)構(gòu)造形態(tài)簡單，呈一單斜形態(tài)，自西北向東南傾斜。龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段發(fā)育在龍馬溪組底部龍11Ⅰ小層，厚度由西向東逐漸增大；該小層測井?dāng)?shù)據(jù)特征為：伽馬值較高，聲波時(shí)差、電阻率略高，密度略低(圖6)。

圖6 威202區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度對比Fig.6 The thickness comparison of quality shale section in Wei 202 Block

5 開發(fā)效果分析

W202區(qū)塊龍11Ⅰ小層為最優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層，因此，水平井軌跡大都是以該小層為箱體。鉆井過程中，通過確定巖石化學(xué)成分含量及礦物成分含量特征，引導(dǎo)水平井準(zhǔn)確入窗；利用巖石學(xué)特征參數(shù)變化進(jìn)行隨鉆追蹤，判定鉆頭穿行狀態(tài)，指導(dǎo)定向施工，及時(shí)調(diào)整軌跡，可大幅度提高水平井優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率[15]。以WH4-7-5井為例，該井龍11Ⅰ小層埋深為3 592.5～3 598.0 m(垂深)，厚度為5.5 m；A點(diǎn)斜井深為3 730.00 m，B點(diǎn)斜井深為5 273.00 m，水平段長度為1 543.00 m。隨鉆檢測巖石學(xué)特征參數(shù)均符合優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層上下限值，鉆遇率為100%。2017年5月投產(chǎn)，實(shí)施針閥開采，平均日產(chǎn)氣量為2.981×104m3/d，日產(chǎn)水量為2.63 m3/d，累計(jì)產(chǎn)氣量為3701×104m3。

對投產(chǎn)時(shí)間相近但并未實(shí)施巖石學(xué)特征參數(shù)隨鉆追蹤技術(shù)和實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)水平井(各10口井)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比。研究結(jié)果表明，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率是頁巖氣井單井產(chǎn)氣量的主要控制因素，與產(chǎn)能關(guān)系明顯。實(shí)施隨鉆追蹤輔助水平井導(dǎo)向使優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率提高了32.2%，采氣初期單井平均日產(chǎn)量增加了38.8%，累計(jì)產(chǎn)氣量增加了24.2%(表4)。

表4 鉆遇率及產(chǎn)能對比統(tǒng)計(jì)Table 4 The comparison statistics of drilling ratio and production

6 結(jié) 論

(1) W202區(qū)塊龍馬溪組龍11亞段頁巖礦物組分以石英為主，黏土礦物中含有較高的伊蒙混層和伊利石黏土，碳酸鹽礦物分布不均勻，以硅質(zhì)頁巖為主，其次為黏土質(zhì)頁巖和碳酸鹽質(zhì)頁巖。硅質(zhì)成分主要來源為陸源石英顆粒和硅質(zhì)生物顆粒，生物成因硅質(zhì)(有機(jī)硅)為富有機(jī)質(zhì)頁巖的重要組成部分。

(2) 頁巖氣儲(chǔ)集層的優(yōu)劣主要取決于儲(chǔ)集層脆性礦物的含量和有機(jī)質(zhì)豐度。硅質(zhì)含量和有機(jī)質(zhì)含量、含氣量之間呈正相關(guān)關(guān)系，黏土礦物含量與含氣量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。龍11亞段龍11Ⅰ小層為淺海深水陸棚相沉積，富硅的放射蟲、海綿骨針等生物極為發(fā)育，SiO2平均含量為62.68%，明顯高于其他3個(gè)小層，且有機(jī)質(zhì)豐度高、吸附能力強(qiáng)，為頁巖氣生成和富集提供了場所，為最優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層。

(3) 通過確定龍11Ⅰ小層巖石學(xué)特征參數(shù)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別小層，保持鉆頭軌跡在水平箱體中鉆進(jìn)，為精準(zhǔn)地質(zhì)導(dǎo)向提供技術(shù)指導(dǎo)。在威遠(yuǎn)頁巖氣田應(yīng)用效果良好，大幅提高了水平井優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層鉆遇率也大幅提高了頁巖氣產(chǎn)量。該項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)成為頁巖氣高效開采必用的關(guān)鍵技術(shù)。