四川盆地龍馬溪組頁巖儲層特征差異性探討
——以威遠與涪陵地區為例

張全林

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

鄧虎成

(油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

熊亮

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

劉巖

(油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

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四川盆地龍馬溪組頁巖儲層特征差異性探討

——以威遠與涪陵地區為例

張全林

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

鄧虎成

(油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

熊亮

(中石化西南油氣分公司，四川 成都 610041)

劉巖

(油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

2015年以來，中國頁巖氣勘探開發取得重大進展，建成涪陵和威遠2個國家級頁巖氣示范區，年產能超過70×108m3。但在勘探開發過程中逐漸暴露出區塊之間氣井產能、壓裂液返排率差異性大等問題。針對上述問題，根據巖心觀察描述、分析化驗資料以及測井解釋成果，從儲層沉積環境、厚度、礦物組成以及儲集空間類型、物性、含氣性等特征入手對比儲層特征差異性。研究表明，涪陵和威遠地區龍馬溪組頁巖儲層各項指標與國外典型產氣頁巖儲層相似，具有頁巖氣商業建產的儲層基礎。但與涪陵地區相比，威遠地區存在儲層厚度略薄，碳酸鹽礦物組成含量高，相對富黏土礦物，有機碳含量、有機質孔占比、層理縫發育程度、孔隙度、水平滲透率、實測含氣量等低的特征。探討上述頁巖儲層特征差異性有利于解釋兩個地區頁巖氣藏勘探開發中所遇到的諸多問題, 提出不同的壓裂開采對策。

龍馬溪組；儲層特征；差異性；頁巖氣

近年來，中國頁巖氣勘探開發工作獲得重要突破，先后形成了涪陵、長寧-威遠和昭通等國家級頁巖氣示范區，提交探明地質儲量5441.29×108m3，2015年底落實了65×108m3/a產能建設目標，實現了頁巖氣工業化生產，掀起了中國頁巖氣勘探開發的新高潮[1，2]。隨著勘探開發工作的深入，同一盆地內同一套頁巖目的層系，在涪陵和威遠地區暴露出單井產量、氣井產能、壓裂液返排率、地層破裂壓力等一系列參數的差異。為了解釋兩個地區頁巖氣藏勘探開發中遇到的諸多問題, 提出不同的壓裂開采對策。筆者根據巖心觀察描述、分析化驗資料以及測井解釋成果，從儲層沉積環境、厚度、礦物組成以及儲集空間類型、物性、含氣性等特征入手對比分析四川盆地兩個典型龍馬溪組(Sl)頁巖氣藏儲層特征差異性。

1　沉積背景

晚奧陶世-早志留世，四川盆地及周緣地區夾持在樂山-龍女寺、黔中、江南3大古隆起之間，向北與秦嶺相通，形成“三隆夾一坳”的半閉塞滯流環境，同時全球氣候變暖和冰蓋消融，海平面快速上升形成志留系最大海侵，在川東-川南坳陷區內沉積了一套富有機質的暗色硅質泥頁巖[3～6]，頁巖厚度向古陸方向逐漸減小。威遠地區靠近川中古隆起，富有機質頁巖厚度60～85m,而位于坳陷中心部位的涪陵地區，富有機質頁巖厚度可達80～120m。同一深水陸棚相帶內古地理位置的差異決定了富有機質頁巖的沉積厚度。

2　頁巖儲層特征

2.1儲層厚度

一定的頁巖儲層厚度是形成頁巖氣富集區的基本條件，直接控制著頁巖氣藏是否具備經濟開發價值。國內外提出了具有經濟價值頁巖氣藏的頁巖厚度下限。美國大規模商業開發的5大含氣頁巖儲層厚度為 9～91m[7，8]。國內普遍認為按照頁巖有機碳質量分數大于2%的標準，其儲層有效厚度一般在15m以上[9]。富含有機質的頁巖厚度越大，就越能保證頁巖氣資源量和壓裂改造的物質條件。威遠地區靠近川中古隆起，其儲層有效厚度在30～35m,而涪陵地區有效厚度可達35～45m，二者有效厚度的大小控制著其氣藏儲量和開采的經濟效益。

2.2巖性與礦物組成

脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙度和微裂縫發育程度、含氣性及壓裂改造方式的重要因素[10，11]。兩個地區頁巖儲層巖性主要為黑色紋層狀碳質頁巖，常含較多黃鐵礦，呈星點、團塊及結核狀。筆石含量高，大多呈細長或短粗狀產出，密集分布于頁巖層面上，從下向上逐漸減少，是主要含氣頁巖層段。

通過對威遠地區Sl優質頁巖段78個巖心樣品X衍射全巖分析結果(表1)可見，其硅質體積分數平均為37.21%，碳酸鹽礦物體積分數平均為20.51%，黏土礦物體積分數平均為36.91%，脆性礦物(石英、長石和碳酸鹽巖礦物)體積分數平均為57.72%；自上而下，黏土礦物含量降低、脆性礦物含量增高。對比涪陵、長寧地區(圖1)，在硅質含量上涪陵地區>威遠地區>長寧地區，在黏土礦物含量上涪陵地區<威遠地區<長寧地區，在碳酸鹽礦物含量上威遠地區>長寧地區>涪陵地區。總體上，威遠地區Sl優質頁巖儲層為一套富鈣含泥硅質頁巖。對比分析3個典型地區頁巖黏土礦物X衍射結果，在伊利石含量上長寧地區>威遠地區>涪陵地區，在伊-蒙混層含量上涪陵地區>威遠地區>長寧地區。伊-蒙混層、高嶺石、伊利石和綠泥石組合主要是中成巖作用階段的特征，威遠、涪陵地區Sl頁巖儲層黏土礦物含量表明其已進入中成巖作用階段。伊利石主要在晚成巖作用階段和極低變質作用階段出現，依據伊利石含量高低，判斷進入晚成巖作用階段的地區先后順序為長寧、威遠、涪陵地區。

圖1　威遠、涪陵、長寧地區Sl頁巖礦物組成三角圖

表1 威遠、涪陵地區Sl頁巖礦物組成對比表

示范區礦物組成及體積分數/%黏土礦物伊蒙混層伊利石高嶺石綠泥石總量石英+長石碳酸鹽脆性礦物黃鐵礦威遠4.3726.5505.5536.9137.2120.5157.723.82涪陵21.2311.5701.8234.6352.719.7262.430.5長寧040.7807.448.231.418.249.62.2

2.3儲集空間類型

近年來，許多研究者[12]基于場發射掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等先進技術手段提出多種頁巖納米級孔隙類型劃分方案。Slatt和Brien基于Barnett和Woodford頁巖研究將頁巖孔隙劃分為黏土絮體間孔隙、有機孔隙、糞球粒內孔隙、化石碎屑內孔隙、顆粒內孔隙和微裂縫通道6種類型。Loucks等提出了泥頁巖儲層基質孔隙分類方案，將其分成3種基本類型，即粒間孔隙、粒內孔隙和有機質孔隙。聶海寬等[13]將頁巖孔隙類型劃分為有機質孔、礦物質孔及兩者之間的孔隙。鄒才能等[14]將頁巖儲層孔隙分為有機質納米孔、顆粒內納米孔。張士萬等[15]按照不同地質成因將涪陵地區Sl頁巖儲層孔隙類型劃分為有機質孔隙、無機孔隙，后者又可細分為黏土礦物晶間孔隙、粒間孔和粒內孔、組構選擇性裂縫和非組構選擇性裂縫。為了便于與涪陵氣田頁巖儲集空間對比，找出二者差異，筆者按照涪陵地區頁巖孔隙類型劃分方案開展研究區儲集空間評價。采用薄片、氬離子拋光掃描電鏡、FIB-SEM(聚焦離子束-電子束雙束)三維成像等分析手段識別出威遠地區Sl頁巖儲集空間主要為有機質孔隙、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔、裂縫等(表2)。

表2威遠、涪陵地區Sl頁巖儲集空間對比表

2.3.1有機質孔隙

巖石中保存下來的有機物質(如低等藻類絮團)后期埋藏成巖時受地下溫度、壓力升高的影響進入裂解生烴過程，內部逐漸變得疏松多孔，形成有機質孔隙，成為有機質生成氣體的保存場所。

從威遠地區Sl樣品氬離子拋光掃描電鏡觀察可知，有機質孔隙是儲層主要孔隙類型，孔隙大小一般為10～900nm，大多呈不規則狀，如彎月形、狹縫形、棱角形、分叉形等，也存在氣泡狀、橢圓狀、近橢球狀等形態。有機質常充填于無機礦物粒間、黃鐵礦晶間，且同時發育孔隙(表2)。基于川南Sl儲層構建的頁巖3層巖石物理模型[16]模擬計算工區Sl優質頁巖段有機質孔隙占比：

φ=ρw(Bri)v(Bri)+ρw(Clay)v(Clay)+ρw(TOC)v(TOC)

式中：φ為孔隙占比，%；ρ為頁巖巖石密度，g/cm3；w(Bri)、w(Clay)、w(TOC)分別表示脆性礦物、黏土礦物和有機質的質量分數，%；v(Bri)、v(Clay)、v(TOC)分別表示脆性礦物、黏土和有機質單位質量內微孔隙體積，cm3/g。

Sl優質頁巖段有機質孔隙占比縱向上從上往下逐漸增加(圖2)。威遠地區氣田有機質孔隙占比平均為48.9%，最高可達65%；而涪陵氣田有機質孔隙整體平均占比更高，高達60.8%(表2)。兩個典型氣田有機質孔隙占比證實了其Sl優質頁巖儲層是基質孔隙的主要貢獻者。

圖2　威遠地區與涪陵地區五峰組-龍馬溪組頁巖縱向上孔隙類型及占比直方圖

2.3.2無機孔隙

威遠地區頁巖儲層無機孔隙包括黏土礦物晶間孔、粒內孔和粒間孔，其中以黏土礦物晶間孔為主(表2)。其他兩類孔隙占比一般為5%～15%。黏土礦物晶間孔以伊利石層間孔為主，伊利石表現為薄層片狀或纖維狀，片層之間發育明顯的狹縫形孔或楔形孔，孔隙發育集中，具有一定的氣體吸附性，狹縫寬50～300nm，連通性相對較好。利用頁巖巖石物理模型計算得出工區優質頁巖黏土礦物晶間孔平均占比為35%。涪陵氣田Sl頁巖黏土礦物晶間孔平均占比為28%，遠低于威遠地區。粒間孔主要出現在脆性礦物顆粒間、塑性礦物顆粒間或塑性礦物與脆性礦物顆粒之間。通常粒間孔多圍繞堅硬的脆性礦物顆粒出現(表2)，脆性礦物粒間孔通常為單個孤立的孔隙，分布較零散，孔隙之間不連通。

2.3.3裂縫

裂縫不僅是頁巖氣滲流通道，也是頁巖氣的儲集空間。裂縫在頁巖氣的滲流中具有重要作用，是連接微觀孔隙與宏觀裂縫的橋梁。頁巖氣初期高產與天然裂縫發育程度有關，高產頁巖氣層段裂縫一般較發育。涪陵地區已鉆井電成像資料及巖心資料顯示儲層段頁理縫極為發育，對儲層的水平滲流能力起關鍵改善作用[17]。

研究區典型井頁巖儲層裂縫可分為兩類(表2)：一類為與斷層和褶皺等構造運動相關的構造縫；另一類為與黏土礦物脫水等非構造成因有關的頁理縫，集中發育在脆性礦物、黏土礦物及有機質間，形成收縮縫、解理縫、晶間縫、貼粒縫等類型。上部灰綠色頁巖段富含黏土，裂縫不發育；下部硅質頁巖、鈣質-硅質頁巖段裂縫發育，裂縫密度為4.86條/m，平縫350條、高角度縫75條。掃描電鏡下也見微裂縫發育，寬度大于100nm。涪陵地區水平縫極發育，裂縫發育段厚度超過80m，裂縫密度為20條/m，縫網系統整體優于威遠地區。

2.4孔隙結構特征

利用氬離子拋光掃描電鏡結合FIB-SEM三維成像分析方法描述工區頁巖內部孔隙空間分布特征。有機質整體均勻分布在礦物顆粒間，無定向性，相互連通性較好。孔隙主要分別在有機質內部，部分在礦物邊緣。孔隙形態多為蟲洞狀，喉道形態為針管狀，局部為片狀、斑塊狀，連通性好，形成孔隙網絡(圖3)。鏡下測出有機質孔隙孔徑以5～50nm為主，屬于微孔-中孔，大于50nm的大孔占比相對較低(圖4), 故微孔-中孔對頁巖氣的吸附和儲集貢獻較大。

圖3　威遠地區典型井Sl頁巖儲層孔隙FIB-SEM成像圖　　　圖4　威遠地區典型井Sl頁巖儲層孔徑大小示意圖

在氬離子拋光-高分辨率掃描電鏡定性描述頁巖孔隙形態、連通性和孔隙密度的基礎上，進一步針對工區典型井頁巖巖心樣品開展低溫氮氣吸附試驗(測試孔徑范圍為1.5～400nm)，對微孔-中孔的發育情況進行定量描述，以分析頁巖孔隙結構對頁巖氣吸附和滲流的影響[18]。頁巖樣品的低溫液氮吸附-脫附曲線形態基本相同，反映區內頁巖孔隙形態特征也較為類似。頁巖孔隙體積分布曲線表明其孔隙體積為0.008～0.024cm3(平均為0.013cm3)，平均孔徑主要介于2.9～3.8nm之間。樣品的孔徑小于10nm時，累計曲線較陡，孔徑大于10nm時，累計曲線逐漸變得平緩，反映了孔徑為1.5～10nm的微孔、中孔對孔隙體積貢獻最大(圖5、6)。

圖5　威遠地區頁巖巖心樣品孔隙體積分布曲線圖　　圖6　威遠地區巖心樣品孔徑分布直方圖

2.5物性特征

孔滲條件是頁巖氣賦存和滲流的主控因素，是頁巖氣開發地質評價中重點關注的參數[19]。據美國有效頁巖儲層統計[13]，頁巖巖心孔隙度為4%～6.5%(平均為5.2%)；滲透率為0.001～2mD(平均為0. 0409mD)。威遠地區與涪陵地區優質頁巖物性參數(表3)對比表明，威遠地區氦氣孔隙度主要分布在1.68%～7.03%之間(平均為4.15%)，縱向上孔隙度自上而下逐漸增大；氣體水平滲透率為0.041～7.737mD(平均為0.903mD)。涪陵地區氦氣孔隙度為2.78%～7.08%(平均為4.65%)，縱向上表現為“兩高夾一低”的特征，氣體水平滲透率為0.0015～355.2mD(平均為21.939mD)。威遠地區頁巖儲層物性與美國主要頁巖氣盆地相當，其優質頁巖段孔隙度與涪陵地區基本相當，但水平滲透率整體不如涪陵地區。

表3　威遠地區與涪陵地區典型井Sl巖心物性對比表

2.6含氣性

含氣量是評價頁巖氣資源潛力、儲量規模和衡量頁巖氣目標區是否具有商業開采價值的關鍵指標[20]。北美商業性開發的頁巖氣田含氣量大于2.0m3/t。威遠地區實鉆揭示,Sl下部頁巖氣顯示較活躍，多數鉆井全烴顯示明顯，巖心入水可見串珠狀氣泡持續逸出(圖7)，顯示級別為頁巖氣層。依據現場含氣量解析試驗得出，威遠地區Sl優質頁巖含氣量為1.04～3.69m3/t(平均為2.05m3/t)。而涪陵地區典型井優質頁巖現場解析總含氣量為1.52～5.51m3/t(平均為2.99m3/t)。考慮現場解析含氣量試驗中巖心出心時間超過8h，損失時間過長，認為現場測得的含氣量低于實際含氣量。為準確評價其含氣性，采用斯倫貝謝ECS(元素俘獲譜)測井含氣量解釋模型計算總含氣量，結果為1.55～6.73m3/t(平均為3.96m3/t)，其中吸附氣量占20%～40%。涪陵地區ECS測井解釋總含氣量為1.94～8.90m3/t(平均為5.67m3/t)。對比國內外典型頁巖氣田，工區頁巖含氣性整體較好，但相比涪陵地區略差(圖8)。

圖7　威遠地區典型井Sl頁巖巖心入水圖　　圖8　威遠、涪陵地區典型井Sl頁巖含氣量對比圖

3　結論

1)四川盆地Sl頁巖儲層具有厚度較大、有機碳含量高、筆石含量高、脆性礦物含量高、含氣量高、物性好等特征，各項指標與國外典型頁巖儲層相當，是一套可商業建產的優質儲層。

2)四川盆地Sl頁巖儲層發育多種孔隙類型，主要為有機質孔隙、黏土礦物晶間孔、頁理縫和構造縫，其中以有機質孔隙為主，連通性較好，以孔徑1.5～10nm的微孔、中孔為主，疊合豐富的頁理縫，形成復雜納米級孔隙儲集系統。

3)四川盆地涪陵、威遠地區Sl儲層特征存在一定差異，涪陵頁巖儲層具有硅質含量高、黏土含量低、頁巖縫發育、水平滲透率高、碳酸鹽礦物含量高、含氣量高的優勢特征；而威遠頁巖儲層則具有高碳酸鹽礦物含量、較高黏土含量的個性特點，上述差異性決定了兩區鉆井壓裂改造、單井產量、鉆井液返排率等參數的不同。

[1]崔景偉,朱如凱,楊智,等.國外頁巖層系石油勘探開發進展及啟示[J].非常規油氣,2015,2(4):68～69.

[2]劉存忠.頁巖氣開發現狀及前景思考[J].石油科技論壇,2013,3(8):32～39.

[3]鄒才能,翟光明,張光亞,等.全球常規-非常規油氣形成分布資源潛力及趨勢預測[J].石油勘探與開發,2015, 42(1):1～12.

[4]林彤,雍自權,劉樹根,等.川東南石林地區五峰組-龍馬溪組黑色頁巖特征[J].東北石油大學學報,2015, 39(3): 83～95.

[5]董大忠,程克明,王玉滿,等.中國上揚子區下古生界頁巖氣形成條件及特征[J].石油與天然氣地質,2010, 31(3): 288～299.

[6]蒲泊伶,蔣有錄,耳闖,等.四川盆地下志留統龍馬溪組頁巖氣成藏條件及有利地區分析[J].石油學報,2010, 31(2): 225～230.

[7] Hammes U,Hamlin H S,Ewing T E.Geologic analysis of the Upper Jurassic Haynesville shale in east Texas and west Lou-isiana[J].AAPG,2011,95(10):1643～1666.

[8]Chalmers R G,Bustin R M,Power M I.Characterization of gasshale pore systems by porosimetry,pycnometry,surface areaand field emission scanning electron microscopy transmissionelectron microscopy image analyses:Examples from the Bar-nett,Woodford,Haynesville,Marcellus,and Doig units[J].AAPG Bulletin,2012,96(6):1099～1119.

[9]張金川,聶海寬,徐波，等. 四川盆地頁巖氣成藏地質條件[J].天然氣工業，2008, 28(2) : 151～156

[10]陳尚斌,朱炎銘,王紅巖,等.四川盆地南緣下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層礦物成分特征及意義[J].石油學報,2011, 32(5):775～782.

[11]趙杏媛,張有瑜,宋健,等.中國含油氣盆地黏土礦物的某些礦物學特征[J].現代地質,1994,8(3):264～272.

[12]白斌,朱如凱,吳松濤,等.非常規油氣致密儲層微觀孔喉結構表征新技術及意義[J].中國石油勘探,2014, 19(3):78～86.

[13]聶海寬,唐玄,邊瑞康,等.頁巖氣成藏控制因素及中國南方頁巖氣發育有利區預測[J].石油學報,2009, 30(4): 484～491.

[14]鄒才能,朱如凱. 中國油氣儲層中納米孔首次發現及其科學價值[J].巖石學報,2011,27(6):1857～1865.

[15]張士萬,孟志勇,郭戰峰,等.涪陵地區龍馬溪組頁巖儲層特征及其發育主控因素[J].天然氣工業,2014, 34(12): 16～25.

[16]王玉滿,董大忠,楊樺,等.川南下志留統龍馬溪組頁巖儲集空間定量表征[J].中國科學(地球科學),2014,44(6): 1348～1356.

[17]郭旭升,李宇平,劉若冰,等.四川盆地焦石壩地區龍馬溪組頁巖微觀孔隙結構特征及其控制因素[J].天然氣工業, 2014, 34(6): 9～16.

[18]陳尚斌,朱炎銘,王紅巖,等.川南龍馬溪組頁巖氣儲層納米孔隙結構特征及其成藏意義[J].煤炭學報,2012, 37(3): 438～444.

[19]王淑芳,董大忠,王玉滿,等.中美海相頁巖氣地質特征對比研究[J]. 天然氣地球科學,2015,26(9):1666～1679.

[20]王世謙,陳更生,董大忠,等.四川盆地下古生界頁巖氣藏形成條件與勘探前景[J].天然氣工業,2009,29(5): 51～58.

[編輯]鄧磊

2016-03-01

國家“863”計劃項目(2013AA064501)；國家科技重大專項(2011ZX05018002-001)；四川省科技計劃項目(2015SZ0001)。

張全林(1982-)，男，博士，工程師，主要從事非常規油氣地質及評價工作，4683022@qq.com。

TE122.2

A

1673-1409(2016)17-0001-07

[引著格式]張全林，鄧虎成，熊亮，等.四川盆地龍馬溪組頁巖儲層特征差異性探討[J].長江大學學報(自科版), 2016,13(17):1～7.