渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖含氣量影響因素分析

陳朝剛

(1. 重慶地質礦產研究院；重慶 400043；2. 重慶頁巖氣勘探開發有限責任公司)

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渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖含氣量影響因素分析

陳朝剛1，2

(1. 重慶地質礦產研究院；重慶 400043；2. 重慶頁巖氣勘探開發有限責任公司)

頁巖含氣量是頁巖氣資源潛力評價和選區的關鍵指標。以渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖氣儲層為研究對象，以巖心等溫吸附實驗為基礎，對該地區下寒武統水井沱組和上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組兩套頁巖儲層含氣量及其影響因素進行了探討。研究表明：有機碳含量、總烴含量、石英礦物含量、地層壓力是頁巖含氣量的主控因素，與吸附氣含量具有很好的正相關性；孔喉半徑和比表面積與頁巖吸附氣含量具有一定的正相關性。

南大巴山；頁巖含氣量；有機碳含量；等溫吸附；吸附氣

1　研究區概況

近年來，我國頁巖氣的勘探開發不斷升溫，國內各地方政府、油氣公司和新興能源公司不斷加大資源普查與潛力評價的力度[1-2]。頁巖氣資源潛力評價的關鍵指標是頁巖含氣量[3-4]。目前，已有諸多學者研究了不同頁巖儲層的含氣量[5-7]，其中，頁巖氣等溫吸附實驗[8-9]是確定頁巖含氣量的重要途徑。

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶處于上揚子地臺北緣、四川盆地與秦嶺造山帶的過渡部位，構造上處于城口斷裂和鐵溪-巫溪隱伏斷裂之間[10-11]，主要沉積寒武系到志留系深水暗色頁巖和碳酸鹽巖，烴源巖分布廣泛、厚度巨大、有機質豐度高，但油氣勘探程度較低[12-14]。渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶發育下寒武統水井沱組和上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組兩套下古生界頁巖儲層,其中水井沱組頁巖儲層巖性主要為黑色碳質頁巖、粉砂質頁巖和硅質頁巖，儲層厚度為300～700 m，有機質類型以I型干酪根為主，TOC質量分數為2.38%～7.31%，有機質成熟度(Ro)為1.27%～3.72%，孔隙度為1.2%～17.6%，滲透率為(0.0032～0.0677)×10-3μm2；五峰-龍馬溪組頁巖儲層巖性主要為灰色-黑色頁巖、硅質頁巖、碳質頁巖、含粉砂質頁巖，儲層厚度為10～70 m，有機質類型以I型干酪根為主，部分為Ⅱ1型，TOC質量分數為1.8%～8.2%，有機質成熟度(Ro)為1.17%～3.54%，孔隙度為1.2%～10.3%，滲透率為(0.0054～0.0332)×10-3μm2，表明該地區下古生界頁巖儲層具有較好的頁巖氣勘探前景。研究渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖的含氣量及其影響因素對于推進該地區頁巖氣資源潛力評價和選區十分必要。

2　頁巖含氣量等溫吸附實驗

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶頁巖氣勘探程度較低，可用的游離氣含量資料較少，通過游離氣來研究頁巖含氣性具有很大局限性。本文通過研究頁巖吸附氣量的影響因素來研究渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖對天然氣的吸附能力。由于等溫吸附實驗測試的頁巖最大吸附氣量能直觀反映頁巖在某溫度和壓力下的吸附特性，本文采用等溫吸附實驗測試的頁巖最大吸附氣量來評價頁巖的含氣性。

等溫吸附實驗測試了渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下寒武統水井沱組和上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組兩套頁巖氣目的層的頁巖樣品，實驗結果表明，該地區下古生界頁巖吸附氣量為1.38～3.78 m3/t(圖1)，其中，頁巖吸附氣量1～2 m3/t占20%，2～4 m3/t占80%。下寒武統水井沱組黑色頁巖吸附氣量為1.38～2.05 m3/t，平均1.67 m3/t；上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組黑色頁巖吸附氣量為1.82～3.78 m3/t，平均2.80 m3/t。

3　含氣量影響因素分析

頁巖含氣量主要包括吸附氣含量和游離氣含量，其影響因素包括頁巖自身的地球化學指標、礦物組成、物性指標以及外部的深度、溫度、壓力等條件。

圖1　渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界富有機質頁巖最大吸附氣量直方圖

3.1吸附氣量影響因素分析

3.1.1孔喉半徑和比表面積

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界黑色頁巖的孔喉半徑分布區間為0～100 nm，水井沱組和五峰-龍馬溪組樣品在此區間的分布頻率分別為91.99%和89.96%(圖2)；BET比表面積為0.5～17.8 m2/g，平均為7.56 m2/g，50%以上樣品比表面積大于4.0 m2/g(圖3)，表明下古生界頁巖內的孔隙空間主要以微型孔隙為主，比表面積總體較大，微孔隙較發育。

圖2　黑色頁巖孔喉半徑分布頻率直方圖

孔隙結構會隨孔隙度的增大而發生變化，微孔變成中孔或者大孔隙，從而使孔隙內表面積也增大，直接影響吸附氣量的大小。實驗測試分析表明，孔喉半徑和比表面積均與吸附氣量總體呈正相關關系，擬合系數(R2)分別為0.1234和0.1224(圖4、圖5)，說明頁巖孔喉半徑和BET比表面積對頁巖吸附性能有一定影響。

圖3　頁巖BET比表面積分布直方圖

圖4　孔喉半徑和吸附氣含量關系

圖5　BET比表面積和吸附氣含量關系

3.1.2有機碳含量

頁巖有機質除了是頁巖氣的生烴基礎，還能提供大量納米級的微孔隙。實驗分析表明，有機碳含量和頁巖吸附氣含量有很好的正相關關系，擬合系數(R2)高達0.8859(圖6)，吸附氣含量隨有機碳含量的增加而增加，有機碳含量是頁巖吸附氣含量的一個重要主控因素。

3.1.3總烴含量

圖6　有機碳含量和吸附氣含量關系

巖石熱解的總烴含量代表了頁巖的生烴潛力，渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖樣品的巖石熱解和等溫吸附實驗測試分析表明，頁巖吸附氣含量與總烴量呈較好的正相關關系，擬合系數(R2)為0.582(圖7)，表明頁巖總烴含量是頁巖吸附氣含量的重要影響因素之一。

圖7　總烴含量和吸附氣含量關系

3.1.4礦物含量

根據X射線衍射分析結果，渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界黑色頁巖石英體積分數(7%～95%，平均58%)和黏土礦物(4%～49%，平均22.7%)含量較高，通過吸附氣量分別與石英和黏土礦物含量間相關性分析發現，吸附氣量與石英含量呈正相關性(圖8)，而與黏土礦物含量無明顯相關性(圖9)。造成這種現象可能的原因是在渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶沉積演化過程中，長期劇烈構造運動造成了黏土礦物被壓實和膠結嚴重，礦物顆粒彼此緊密相連，導致黏土礦物晶內微孔減少，降低了黏土礦物的吸附能力[15]；而下古生界黑色頁巖主要為淺-深海陸棚沉積，生物殘體為海相頁巖提供了充足的硅質沉積，同時硅質含量和有機碳含量呈較好的正相關性(圖10)，表明硅質含量的增加有利于有機質含量的增加。

圖8　石英含量和吸附氣含量的關系

圖9　黏土含量和吸附氣含量的關系

圖10　石英含量和有機碳含量的關系

3.1.5地層壓力

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界不同頁巖樣品等溫吸附曲線表明，頁巖吸附能力與壓力呈正相關性，壓力越大頁巖吸附甲烷能力就越強。當壓力為0.4 MPa時，吸附量為0.25～2.12 m3/t，平均為0.4 m3/t；當壓力為5.36 MPa時，吸附氣量為1.31～3.05 m3/t，平均為2.08 m3/t；當壓力為10.16 MPa時，吸附氣量為1.38～3.78 m3/t，平均為2.3 m3/t(圖11)。因此，壓力是頁巖吸附氣含量的重要控制因素。

圖11　不同壓力下吸附氣含量變化

3.2游離氣影響因素分析

頁巖的礦物成分比較復雜，主要為石英、黏土和碳酸鹽巖礦物，除此之外還含有長石、云母等碎屑礦物和自生礦物，并具有很強的非均質性。不同礦物顆粒間的孔隙、喉道、晶洞和裂縫組成復雜的多孔系統，并具有網格狀有限聯通的特征[16]，這些孔隙是頁巖游離氣的主要儲集空間，孔隙度大小直接控制著游離氣的含量。此外溫度、壓力等外部條件在一定范圍內影響著頁巖游離氣含量。

3.2.1石英礦物含量

石英顆粒為剛性顆粒，不易變形，在沉積壓實、壓溶過程中形成顆粒支撐，不易受壓變形溶蝕，從而能有效保護巖石顆粒支架結構和原生孔隙結構，保存原生孔隙。分析研究表明，渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖的儲層物性與石英礦物含量成明顯正相關性(圖12、圖13)，說明石英礦物含量越高，為游離氣提供的儲集空間也越大。

圖12　石英含量和孔隙度的關系

圖13　石英含量和滲透率的關系

3.2.2黏土礦物含量

頁巖黏土礦物(高嶺石、伊利石、綠泥石、伊/蒙混層)晶間微孔增加了頁巖的孔隙空間，這些黏土礦物晶間微孔對儲層物性具有改善作用。渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖儲層物性與黏土礦物含量呈正相關性(圖14、圖15)，表明黏土礦物含量越高，為游離氣提供的儲集空間也越大。

圖14　黏土礦物含量和孔隙度的關系

圖15　黏土礦物含量和滲透率的關系

3.2.3碳酸鹽礦物含量

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖儲層的碳酸鹽體積分數為0～74%，平均8.6%，在頁巖沉積成因中，碳酸鹽巖方解石充填粒間孔隙和微裂縫，起到一定的膠結作用，降低了頁巖孔隙度，從而影響頁巖游離氣含量。分析研究表明，隨碳酸鹽礦物含量的增加，頁巖儲層物性變差(圖16、圖17)。

4　結論

(1)渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界兩套頁巖儲層以吸附氣為主，80%以上頁巖吸附氣量為2～4 m3/t；下寒武統水井沱組黑色頁巖吸附氣量為1.38～2.05m3/t，平均1.67m3/t；上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組黑色頁巖吸附氣量為1.82～3.78 m3/t，平均2.80 m3/t，均表明具有較好的勘探前景。

圖16　碳酸鹽巖含量和孔隙度的關系

圖17　碳酸鹽巖含量和滲透率的關系

(2)頁巖的微孔隙孔喉半徑和比表面積、有機碳含量、總烴含量、礦物含量、地層壓力是頁巖吸附氣含量的影響因素。渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖吸附氣含量與頁巖有機碳含量、總烴含量、石英礦物含量、地層壓力有明顯的正相關性，是影響該地區下古生界巖頁氣含量的主控因素；孔喉半徑和比表面積與頁巖吸附氣含量有一定的正相關性，而黏土礦物含量與頁巖吸附氣含量無明顯相關性。

(3)頁巖的礦物含量影響游離氣的儲集空間，渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁巖的石英和黏土礦物含量增加能為游離氣提供更大的儲集空間，碳酸鹽礦物含量增加則會降低頁巖的儲層物性。

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編輯：王金旗

1673-8217(2016)04-0018-05

2016-03-10

陳朝剛，高級工程師，工學博士，1978年生，2005年畢業于西南石油大學油田開發工程專業，現從事頁巖氣勘探開發技術研究工作。

重慶市科委前沿與應用基礎研究項目“頁巖氣藏體積壓裂水平井非線性滲流理論及流-固耦合綜合模型研究”(編號：cstc2015jcyjA90014)；重慶市教委科學技術研究項目“頁巖氣藏體積壓裂水平井流-固耦合流動規律及數值試井方法研究”(編號：KJ1501315)；中國石油科技創新基金研究項目“基于裂縫變形機理的頁巖氣藏體積壓裂水平井流體流動規律研究” (編號：2015D-5006-0207)。

TE112

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