頁巖氣藏“甜點”構成要素及富氣特征分析
——以四川盆地長寧地區龍馬溪組為例

潘仁芳　龔 琴　鄢 杰　金吉能

長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心

頁巖氣藏“甜點”構成要素及富氣特征分析
——以四川盆地長寧地區龍馬溪組為例

潘仁芳龔 琴鄢 杰金吉能

長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心

潘仁芳等.頁巖氣藏“甜點”構成要素及富氣特征分析——以四川盆地長寧地區龍馬溪組為例.天然氣工業，2016,36(2):7-13.

“甜點”的識別對確定頁巖氣有利區分布，進而實現大規模經濟開發具有重要的意義。為此，基于國內外大量優質含氣頁巖的分析資料和研究數據，比較分析了頁巖氣藏的地質特征，闡述其“甜點”的地質要件：含氣頁巖有效厚度、有機碳含量（TOC）、有機質類型與成熟度(Ro)、巖石骨架及其物性（孔隙度及滲透率）特征、天然裂縫發育狀況等。然后，結合頁巖氣經濟開采的特點以及各要素間的相關性，以四川盆地長寧地區的相關資料為基礎，綜合考慮四川盆地威遠區塊的情況，總結了頁巖氣富集的地質規律，明確了該區海相頁巖氣藏有利“甜點”的構成要素及其分布值：①有效頁巖連續厚度大于30 m、TOC＞2.0%、Ro介于2.4%～3.5%，保證了氣源巖的質量；②脆性礦物含量介于30%～69%、黏土礦物含量小于30%、夾層厚度介于0.1～1.0 m，保證了儲層的質量；③孔隙度大于2.0%、滲透率大于50 nD、含氣量大于1.45 m3/t、地層壓力介于常壓—超壓，決定了生產方式與產能。最后進一步分析了頁巖氣藏“甜點”的主次控件，并探討了其相互制約關系。

頁巖氣 甜點 構成要素 富氣規律 早志留世 四川盆地 長寧地區 威遠區塊

北美地區在20世紀中葉以前發現頁巖氣，并最早進行頁巖氣開采，然而在21世紀初才對頁巖氣開展系統的研究并取得實質性進展[1]，其頁巖油、氣革命浪潮也正推動全球越來越多的國家開展頁巖氣研究。近年來，隨著頁巖氣勘探規模的擴大，對頁巖氣的認識也不斷豐富和更新，主要體現在頁巖氣富集規律的認識和開采技術需求等方面：頁巖氣儲層巖石類型從原來的單一到現今的多樣[2]，頁巖氣成因[3]、賦存相態也多樣；頁巖氣藏雖為自生自儲的特殊油氣藏，儲集條件相當重要，但其保存條件[4]則更為重要；頁巖孔隙系統對頁巖氣的賦存條件與富集機理有著直接的影響關系，吸附與解吸附作用是頁巖氣賦存及開發的重要因素，吸附氣量的多與少從根本上決定著頁巖氣的富集程度。這些控制頁巖氣富集程度及產量的要素稱之為頁巖氣“甜點”。要實現對頁巖氣的大規模經濟開發，必須研究這些頁巖氣“甜點”的構成要素及其相互關系。

1　頁巖氣藏地質特征及“甜點”構成要素

1.1頁巖氣藏地質特征

頁巖氣主體上是以吸附和游離狀態同時賦存于泥頁巖層系地層（包括泥頁巖地層本身、夾層以及相鄰的地層等）、以自生自儲為成藏特征的天然氣聚集[5-7]。頁巖氣藏儲層具有低孔隙度、低滲透率的特征，區域性上呈多樣性分布，受多種因素共同影響(如構造背景、沉積條件、有機質類型及豐度、骨架巖石及礦物、裂縫和斷裂等)。

頁巖氣藏單憑其自身條件很難達到工業產能狀態，需要進行人工改造。通過鉆水平井，對富集的井段進行壓裂改造形成“繭形”采氣空間。因此，除富集的地質因素外，供氣層具有何種結構特征和骨架礦物組合等可改造的條件也是至關重要的。

1.2頁巖氣藏“甜點”構成要素

頁巖氣藏“甜點”構成要素主體上表現為3個方面：生烴能力、儲氣條件及易開采性。前兩項屬“地質甜點”范疇，后者屬“工程甜點”范疇。

作為區域性連續聚集的非常規天然氣藏，優質生烴條件通常包括：位于盆地沉降中心，烴源巖具有一定的厚度、有機質豐度高、類型好，處于生氣窗演化階段。良好儲集條件包括：具有良好保存條件的自生自儲式成藏模式、內部天然裂縫發育、不間斷供氣和連續聚集。

地理位置、埋藏深度及巖石脆性是頁巖氣開采難易的關鍵因素和先決條件，也是頁巖氣的“工程甜點”要素。

2　北美頁巖氣藏“甜點”構成要素分析

美國頁巖油、氣的成功勘探開發引發了全球范圍的石油科技革命，頁巖油氣正改變世界能源供需格局并強烈地推進各國勘探開發頁巖氣的進程。北美已發現的頁巖氣[8-11]產地主要為阿巴拉契亞盆地、福特沃斯盆地、圣胡安盆地、阿科馬盆地和德克薩斯—路易斯安那鹽盆（表1），主要沉積了下古生界的寒武系、奧陶系、志留系，上古生界的泥盆系、密西西比系（下石炭統）、賓夕法尼亞系（上石炭統）和中生界的白堊系等海相地層和大量富含有機質的黑色頁巖，發育了大量的頁巖氣資源。

截至2014年底，美國已實現3 740×108m3頁巖氣的年產量，其頁巖油氣領域突飛猛進的發展和取得的巨大成功也拓寬了石油地質人員對于油氣資源的認識，從美國典型優質頁巖氣產區得到的氣頁巖參數（表1）也給了頁巖氣行業發展值得借鑒的規律和標準。

表1　美國產氣區氣頁巖主要參數表

2.1生烴能力

Ross等[13]研究發現總有機碳含量（TOC）與甲烷吸附量之間具有正相關關系[14]，Boyer等[15]認為頁巖儲層成為有效烴源巖的最低有機碳含量下限為2%；Chalmers等[16]研究發現腐泥型與混合型干酪根對應的甲烷最大吸附量較混合/腐殖型與腐殖型干酪根要大；同時北美地區的統計資料[17]表明頁巖厚度越大，天然氣生成潛力與滯留量就越大；對熱演化程度與產烴率指數關系[4]的分析認為最有利于頁巖氣形成與富集的鏡質體反射率（Ro）值范圍為1.2%～2.7%。

2.2儲集條件

頁巖層系中，縫、隙系統的發育有效控制著氣藏的富集程度。頁巖儲層低孔隙度、低滲透率特性導致了頁巖中的游離氣主要儲集在頁巖基質孔隙和裂縫空間中，頁巖的孔隙表面面積與其甲烷吸附能力之間呈正相關關系[18]。北美進行商業開采的頁巖氣盆地一般經歷較大的構造運動，從而在巖石表面形成了褶皺和裂縫。同時，強脆性的頁巖儲層中發育的豐富天然裂縫系統不僅為游離氣提供儲存空間，也為吸附氣的解吸和總的含氣量的增大提供有利條件[19]。

2.3易開采性

在北美典型的幾套頁巖儲層礦物組分中，頁巖膨脹性黏土礦物含量在25%～40%之間，硅質、碳酸鹽巖等礦物含量在60%～80%之間。脆性巖石受力作用下，造縫能力相對增強，裂縫網格更容易產生[20]；有效的埋藏深度處的溫度和壓力是頁巖中干酪根向油氣轉化的前提。北美產氣頁巖地層具有埋深跨度大、厚度大的特點（表1），頁巖氣開發的黃金層段厚度為1 000～3 000 m[12]。

3　長寧地區頁巖氣藏“甜點”構成要素

中國頁巖氣富集特征受盆地類型、沉積環境、構造背景及巖相等多種因素的影響。相較北美地臺而言，中國的沉積盆地規模小、穩定性差，由于區內板塊構造活動較為復雜，形成了盆地類型和沉積模式的多樣性，表現為多類型頁巖氣藏特征。此外，我國多種沉積類型的盆地內還同時存在海相、陸相和海陸過渡相的富有機質泥頁巖，其中四川盆地及其周沿地區下古生界廣泛分布著海相富有機質頁巖，而位于長寧—威遠國家級頁巖氣示范區中的長寧區塊就是該盆地內的一個典型示例。

長寧地區下志留統龍馬溪組主要發育著富含有機質的黑色頁巖、碳質頁巖、碳質硅質頁巖，其中富含筆石、腕足類等化石，厚度在400～900 m之間。長寧及其周緣地區成功鉆探的多口井表明：龍馬溪組頁巖厚度大，分布面積廣，有機質類型好、豐度高，熱演化程度較高，頁巖骨架中脆性礦物組分適中，孔隙和裂縫發育且類型較多，呈現出明顯的特征優勢，構成了頁巖氣成藏的有利條件[21-22]。

3.1生烴要素

影響生氣因素主要體現在有機碳含量、頁巖厚度、類型及有機質成熟度。下志留統頁巖是我國南方地區主力氣頁巖地層，有機碳含量普遍較高，為0.74%～5.98%，長寧地區產氣井有利儲層段TOC為2.70%～3.25%（圖1），有效厚度在30 m以上（圖2）；分析結果表明，單位巖石的含氣量與TOC呈正相關關系，與頁巖的厚度呈正相關關系（可能厚度決定保存條件）。

圖1　有機碳含量與頁巖含氣量關系圖

圖2　頁巖厚度與頁巖含氣量關系圖

干酪根顯微組分中腐泥組含量為71%～94%，鏡質組和惰質組含量均在5%以下（圖3），干酪根類型以腐泥型為主，部分見偏腐泥混合型，為有利的有機質類型；主要頁巖層系古埋深都很大，已進入過成熟演化階段，具備形成頁巖氣藏的充分條件，從圖4可看出產氣段的Ro主要集中在2.1%～3.7%。

圖3　不同產氣井干酪根顯微組分圖

圖4　熱演化程度與產氣率指數關系圖

3.2儲氣要素

頁巖具有較低的孔隙度和滲透率，通常頁巖儲層的孔隙度小于10%，滲透率在10～50 nD之間。已鉆探井的資料表明儲層的孔隙度主要集中在2.78%～6.12%，孔隙度與含氣量具有較好的相關性，隨著孔隙度增加，頁巖含氣量也相對增大（圖5）。

頁巖的礦物成分也是影響頁巖氣儲集條件的因素。該區礦物組分主要包括黏土礦物、碳酸鹽巖、石英、長石及少量的黃鐵礦等（圖6），有利儲層段黏土礦物含量平均為30.51%，脆性礦物含量均大于50%。大的頁巖脆性有利于生成天然裂縫和誘導裂縫，進而增強頁巖地層的滲透性和增多油氣儲集空間，促進氣體的解吸和運移，控制油氣的聚集和產出。

圖5　孔隙度與含氣量的關系圖

圖6　產氣井與非產氣井的礦物組分三角圖

勘探成果表明：類似于北美已開發頁巖氣田，長寧地區和威遠地區也都發育有相當的裂縫系統；長寧發育程度更高，威遠多為微—細裂縫且呈閉合狀被石英、方解石和白云石等次生礦物所充填[23-24]。

3.3開采要素

李景新等[25]認為并不是所有優質烴源巖都具有經濟開采價值，只有那些含豐富的低泊松比和高彈性模量脆性礦物的富有機質頁巖的才是勘探的主要目標[26-27]。因此在生烴和儲氣條件較好時，工程“甜點”要素是決定頁巖氣產量的關鍵性因素。圖6顯示產氣井脆性礦物含量主要集中在50%～80%，脆性礦物含量較高的頁巖有利于頁巖氣后期的壓裂增縫開采。

基于實際資料，在研究區關鍵井識別的裂縫類型主要有高導縫、高阻縫及鉆井誘導縫等等。這些裂縫有助于儲層的形成和改造[27]，對油氣的儲、滲等物性和油氣藏的最終可采儲量起決定作用，對后期的壓裂改造等工程方案設計亦具有指導意義[28]。

4　長寧地區頁巖氣藏“甜點”富氣特征分析

截至2015年8月，長寧區塊日產頁巖氣量已達到236×104m3，并且僅其頁巖氣探明儲量也增至9 200×108m3，說明該區龍馬溪組頁巖中富含豐富的天然氣資源。針對該區有利頁巖段獨特的天然氣富集特征，以及上述對“甜點”要素的分析，理清了能適用并指導勘探開發頁巖氣資源的參數如下：Ro介于2.4%～3.5%，TOC>2%，有效厚度介于33.4～49.0 m，埋深介于1 285.0～3174.5 m，脆性礦物含量介于30%～69%，孔隙度介于2.0%～7.6%，含氣量介于1.45～6.50 m3/t，滲透率大于50 nD，含水飽和度小于45%，泊松比介于0.10～0.35，楊氏模量介于15～44 GPa，地層壓力系數介于1.00～2.03，夾層厚度介于0.1～1.0 m。

對照北美地區及中國頁巖氣地質評價標準，確定出長寧地區頁巖氣成藏兼顧開采利用的根本要素為TOC、Ro、孔隙度、有效厚度、含氣量、脆性礦物含量、埋深以及裂縫發育程度，主控因素為Ro和含氣孔隙度，其次為含氣量、TOC和地層壓力（圖7）。

圖7　長寧地區龍馬溪組頁巖氣評價參數特征分布圖

5　頁巖氣藏“甜點”要素的相互制約關系

構成頁巖氣藏的“甜點”要素并不是孤立存在的，它們之間一方面存在關聯關系，如有機碳含量和氣體含量有很好的相關性[29]；頁巖脆性礦物含量越高，裂縫越發育等。但另一方面也存在相互制約關系（圖8）。

圖8　頁巖氣藏“甜點”要素相互制約關系圖

5.1黏土礦物與頁巖脆性

黏土礦物不僅與有機質相伴生，也因其具有很強的吸附性和非常大的比表面，它可以增加吸附態頁巖氣的含量，從而增加總的含氣量。但頁巖中黏土含量高，則其脆性礦物含量就低，這樣的頁巖在外力作用下不易產生裂縫，不利于頁巖氣的開采。因此，要尋找得到黏土礦物與脆性礦物之間的最佳配比是深入研究頁巖氣藏“甜點”要素的關鍵。

5.2孔隙度與脆性礦物含量

一方面，脆性礦物的升高會降低儲層的孔隙度，如生物成因的硅質，從而減少了游離氣[30]；另一方面，脆性礦物有利于巖石裂縫的產生，從而促進頁巖氣的滲流。因此頁巖的脆性礦物含量并不是越高越好，隨著硅質和碳酸鹽礦物含量的不斷增加，會堵塞頁巖流體滲流通道，降低頁巖的孔隙，使得游離氣的儲氣空間不斷減少。

方解石的形成通常是在裂隙中起膠結作用，這更進一步減少了孔隙[29]，所以，對頁巖氣儲層的評價必須在黏土礦物、水分、石英、碳酸鹽礦物含量之間達到一種平衡。

5.3裂縫與地層壓力

壓力越大，頁巖中吸附氣和游離氣就會相應增加，存儲在其中總的氣體體積亦呈增大趨勢。但伴隨壓力增至一定范圍之后，受控于限定的孔隙和礦物比表面積，總的含氣體積的增速會放緩。另外，較高的地層壓力和溫度會影響地層內礦物性質，導致巖石塑性增強，因而裂縫發育程度會相應地減弱。

此外，埋藏深度也會影響有機質成熟度。隨著頁巖埋藏深度增加地溫增高，對同一類型的有機質來說，不同熱演化階段生氣特征不同，當頁巖的埋深過大時，有機質成熟度就高，不利于頁巖氣的保存。

6　結論與認識

1）頁巖氣藏“甜點”構成要素主要概括為良好的生烴能力、有利的儲集條件以及易于頁巖氣開采的工程改造條件。

2）以北美頁巖氣富集區“甜點”特征為依據，結合長寧地區龍馬溪組有利頁巖層段地質地球化學等基礎資料，分析得到該區頁巖氣藏“甜點”構成要素為：TOC＞2.0%，Ro介于2.4%～3.5%，頁巖有效厚度大于30 m，孔隙度大于2.0%，脆性礦物含量介于30%～69%，含氣量大于2.0 m3/t，埋深小于3 500 m，裂縫發育豐富。

3）頁巖氣藏的“甜點”要素之間不僅相互關聯，也存在相互制約。因此在確定這些地質要素時不僅僅要考慮單因素范圍，更要注意他們間的相互制約關系，從而來確定這些“甜點”要素的最佳分布范圍。

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Elements and gas enrichment laws of sweet spots in shale gas reservoir: A case study of the Longmaxi Fm in Changning Block, Sichuan Basin

Pan Renfang, Gong Qin, Yan Jie, Jin Jineng
(Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas, Yangtze University, Wuhan, Hubei 430100, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.7-13, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Identification of sweet spot is of great significance in confirming shale gas prospects to realize large-scale economic shale gas development. In this paper, geological characteristics of shale gas reservoirs were compared and analyzed on the basis of abundant data of domestic and foreign shale gas reservoirs. Key elements of sweet spots were illustrated, including net thickness of gas shale, total organic carbon (TOC) content, types and maturity (Ro) of organic matters, rock matrix and its physical properties (porosity and permeability), and development characteristics of natural fractures. After the data in Changning and Weiyuan blocks, Sichuan Basin, were analyzed, the geologic laws of shale gas enrichment were summarized on the basis of the economic exploitation characteristics of shale gas and the correlation between the elements. The elements of favorable “sweet spots” of marine shale gas reservoirs in Changning block and their distribution characteristics were confirmed. Firstly, the quality of gas source rocks is ensured with the continuous thickness of effective gas shale larger than 30 m, TOC＞ 2.0% and Ro=2.4-3.5%. Secondly, the quality of reservoir is ensured with the brittle minerals content being 30-69%, the clay mineral content lower than 30% and a single lamination thickness being 0.1-1.0 m. And thirdly, the porosity is higher than 2.0%, the permeability is larger than 50 nD, gas content is higher than 1.45 m3/t, and formation is under normal pressure-overpressure system, which ensures the production modes and capacities. Finally, the primary and secondary elements that control the “sweet spots” of shale gas reservoirs were further analyzed and their restrictive relationships with each other were also discussed.

Shale gas; Sweet spot; Elements; Gas enrichment laws; Early Silurian; Sichuan Basin; Changning Block; Weiyuan Block

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.002

國家自然科學基金資助項目“頁巖油、氣甜點構成要素比較研究”（編號：41472123）。

潘仁芳，1962年生，教授，博士生導師，博士；主要從事非常規油氣資源評價、天然氣地球物理表征等技術研究工作。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區大學路特1號。ORCID:0000-0003-2727-1743。E-mail:pan@yangtzeu.edu.cn

2015-12-14編 輯韓曉渝)