湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖氣儲層可壓裂性評價

吳晶晶，張紹和，曹函，孫平賀

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湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖氣儲層可壓裂性評價

吳晶晶1, 2, 3，張紹和1, 2, 3，曹函1, 2, 3，孫平賀1, 2, 3

(1. 有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室(中南大學)，湖南 長沙，410083；2. 有色資源與地質災害探查湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410083；3. 地球科學與信息物理學院(中南大學)，湖南 長沙，410083)

通過對湘西北地區實地勘察及采樣分析，對湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖儲層的宏觀和微觀參數對可壓裂性的影響進行評價；基于SEM技術與ImageJ軟件相結合的方法，實現頁巖孔裂隙率的定量評價；采用組合賦權法建立可定量評價研究區頁巖儲層可壓裂性的可壓裂系數數學模型。研究結果表明：研究區下寒武統牛蹄塘組頁巖具有脆性礦物質量分數高、脆性系數高、熱演化程度高、微孔裂隙較發育的特點，具備頁巖儲層壓裂的有利條件；運用可壓裂系數模型計算研究區頁巖儲層的可壓裂系數為0.504 0，咸豐、龍山、桑植和慈利的可壓裂系數較高，是研究區頁巖較理想的壓裂區域；基于儲層各參數特征，將研究區的頁巖可壓裂性分為3個級別，即可壓裂性差(可壓裂系數小于0.277 4，壓裂效果差)、可壓裂性中等(可壓裂系數為[0.277 4, 0.436 3]，壓裂效果一般)和可壓裂性好(可壓裂系數為(0.436 3, 0.653 8]，縫網壓裂效果較理想)，應選擇可壓裂系數大于0.436 3的頁巖層進行水力壓裂。

湘西北；頁巖氣儲層；下寒武統牛蹄塘組；組合賦權法；可壓裂性評價

賦存于富含有機質頁巖中的天然氣即頁巖氣是一種重要的非常規天然氣資源[1?2]。作為新能源之一，它既是常規天然氣的潛在替代能源，也是一種清潔環保能源，已受到我國油氣工作者的高度重視。頁巖氣儲層具有低孔、低滲的特點，勘探開發難度較大，大多數頁巖氣井需經過壓裂改造才能獲得較理想的產量。可壓裂性是指儲層在水力壓裂中具有能夠被有效壓裂能力的性質[3]。儲層的可壓裂性評價對于優選壓裂井段、預測經濟效益具有重要意義，已成為頁巖氣開發的核心內容[4]。CHONG等[5?6]采用頁巖脆性系數表征可壓裂性，為壓裂性評價提供了思路。我國對頁巖儲層的改造研究起步較晚，對可壓裂性研究較薄弱。唐穎等[3, 7?9]結合國內外頁巖可壓裂性研究進展以及室內巖石力學和物性參數測試結果，對頁巖氣儲層的可壓裂性影響因素及定量評價方法進行了研究，這為開展湘西北牛蹄塘組頁巖可壓裂性評價提供了重要參考。湘西的牛蹄塘組頁巖發育好，出露多，分布面積廣，是湖南省內頁巖氣研究及勘探的重要區域[10]。游先軍等[11]對湘西地區巖系進行了沉積學、地球化學、成礦作用、控礦等研究，張琳婷等[12?14]對湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖氣藏形成條件、資源潛力、頁巖氣儲集條件和含氣性特征等進行了研究。然而，目前針對該區域頁巖可壓裂性的研究未見報道。本文作者結合國內外頁巖可壓裂性研究進展，在對湘西北地區實地勘察及采樣分析的基礎上，從礦物成分、巖石力學參數、成巖作用和天然裂隙4個方面對該區塊下寒武統牛蹄塘組頁巖氣儲層可壓裂性進行評價，并提出針對該區頁巖可壓裂性的定量評價方法，以期為該區壓裂選井、選層提供參考。

1 區域地質概況

研究區(見圖1)隸屬于華北區系的揚子區，位于湖南西北隅，包括龍山芡巖塘至桑植五道水一線的西北部，且其東南界達到花垣、保靖、大庸、慈利、岳陽一線[15]。區域露頭揭示，研究區內出露的地層發育齊全，其中，寒武系從南向北均有出露，自下而上可以劃分為下統(包括牛蹄塘組(∈1n)、杷榔組(∈1p)、清虛洞組(∈1q))、中統(包括高臺組(∈2g)、平井組(∈2p))和上統(包括耿家店組(∈3g)、毛田組(∈3m))，與上覆奧陶系整合接觸。區內賦存的下寒武統的牛蹄塘組為頁巖氣主要烴源巖，為一套灰黑—黑色碳質頁巖[11, 13]，間夾細砂巖及粉砂巖。

2 樣品與實驗

2.1 樣品

本次研究工作所用樣品取自于湘西北9個地區，如咸豐、龍山、桑植、永順、慈利等(見圖1)，共采集樣品100余個。這9個地區均有下寒武牛蹄塘組黑色泥頁巖出露，且露頭巖心樣品中，頁巖巖性主要為黑色頁巖和碳質頁巖。

1—露頭分布區；2—地層分界線；3—湘西北區；4—武陵山分區；5—湘中雪峰小區；6—深斷裂；7—地名

2.2 實驗

為了對湘西北牛蹄塘組頁巖的可壓裂性進行評價，選取36個符合室內實驗測試的頁巖樣品(9個地區各選4個)，設計室內實驗方案，見表1。

表1 湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖可壓裂性評價實驗方案

3 實驗結果及分析

3.1 頁巖礦物分析

采用XRD方法對湘西北9個野外露頭剖面采集樣品的全巖礦物組分進行測定。巖石礦物成分定量分析結果表明：實驗巖樣的主要礦物組分為硅酸鹽礦物(主要為石英)、黏土礦物和碳酸鹽礦物(主要為方解石)。圖2所示為湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖組成三角圖。從圖2可以看出：80%以上的巖樣分布在B區域，即石英、長石和黃鐵礦的質量分數主要集中在50%~90%之間，黏土礦物的質量分數大部分集中在10%~50%之間，碳酸鹽礦物的質量分數基本低于20%，少數為0。與國外已開發的大部分頁巖儲層相比，該區塊頁巖石英質量分數較高，碳酸鹽礦物質量分數較低。已有研究表明，富含石英的黑色頁巖段脆性較強，裂縫的發育程度比富含方解石且塑性較強的灰色頁巖更高[16]；另外，從巖石破裂機理看，石英主要成分是SiO2，具有較高的脆性，在外力下易破碎產生裂縫。因此，該區域頁巖具有高質量分數的脆性礦物，在水力壓裂作業時也容易產生較多的誘導裂縫，表明該區域頁巖具備可壓裂性條件。

A區域(石英等質量分數40%~100%；黏土礦物質量分數0~60%；碳酸鹽礦物質量分數0~60%)：巖樣數量為總數量100%

3.2 頁巖礦物分析

彈性模量和泊松比是表征頁巖脆性的主要巖石力學參數。彈性模量反映了頁巖被壓裂后保持裂縫的能力，泊松比反映了頁巖在壓力下破裂的能力[3?4]。

據國外對頁巖氣儲層可壓裂性的評價經驗，脆性系數可以表征壓裂的難易程度。脆性系數是基于巖石的彈性模量和泊松比定義的，一般地，彈性模量越大、泊松比越小，脆性系數越高[2]。RICKMAN等[17]提出用彈性模量和泊松比計算脆性系數，計算公式如下：

B= ((MSC?1)/(8?1))×100% (1)

B=((RC?0.4)/(0.15?0.40))×100% (2)

I=(B+B)/2 (3)

式中：B和B分別為彈性模量和泊松比確定的脆性系數；MSC為靜態彈性模量，單位為10 GPa；RC為靜態泊松比；I為脆性系數；1和8表示泥頁巖的彈性模量分布區間的上限和下限；0.15和0.40分別表示泥頁巖的泊松比分布區間的上限和下限。

實驗所測巖樣彈性模量和泊松比以及根據式(1)~(3)所計算的脆性系數I見圖3。從圖3可見：該區域頁巖彈性模量和泊松比均比較適中，彈性模量平均為10~30 GPa，泊松比為0.10~0.35。但研究區頁巖脆性系數較高，為10.41%~76.96%，平均為46.44%，約62%巖樣的脆性系數大于40%，具有較好的脆性，且其脆性與Barnett頁巖(脆性系數為46.4%)和美國其他頁巖(脆性系數為52%)脆性大致相當，見圖4。

圖3 研究區頁巖彈性模量、泊松比和脆性系數變化趨勢

3.3 成巖作用

頁巖在不同成巖作用階段，其礦物形態、黏土礦物組成以及孔隙類型都有較大差異，從而使得頁巖的可壓裂性不同。有機質鏡質體反射率(o)是表征成巖作用最合適的參數[18]。本文采用顯微光度計，測量湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖樣品的o。實驗結果表明：該區頁巖的有機質成熟度高，約83%的頁巖巖樣的等效鏡質體反射率分布在2.0%~4.0%，處于晚成巖階段(高成熟階段)。另外，有研究表明[4, 8, 18]：高演化的頁巖能增大巖石的脆性，增大可壓裂性。這是因為隨著成熟度增加，不穩定的長石向穩定的正長石、斜長石和石英轉化，蒙皂石、高嶺石等塑性黏土礦物向伊利石、綠泥石轉化，巖石礦物向脆而穩定的組分轉化，脆性增強。而且當達到成熟階段時，頁巖中殘余瀝青質和干酪根熱裂解產氣[19]，生烴膨脹促使頁巖中壓力不斷升高，當這種壓力超過巖石突破壓力時，頁巖內部產生的大量微裂縫對頁巖可壓裂性起積極作用。頁巖可壓裂性隨成巖作用階段的變化見圖5。從圖5可以看出：研究區下寒武統牛蹄塘組頁巖集中分布在C區域，頁巖有機質成熟度高(均值為2.8%)，可壓裂性普遍較高，這有利于后期的壓裂改造。

圖4 湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖與國外頁巖壓裂改造參數對比

圖5 頁巖不同成巖階段特征及與可壓裂性關系曲線

3.4 天然裂縫

天然裂縫是地應力不均一的表現，是力學上的薄弱環節[4]。頁巖中微裂隙的大量分布不僅有利于提高儲層的局部滲透率，而且在水力壓裂過程中容易發生剪切錯位，溝通主裂縫，形成更大體積的縫網，使儲層具備可壓性[7]。

圖6所示為湘西北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖野外露頭剖面及樣品掃描電鏡照片。從圖6(a)，6(b)和6(c)可見該區發育了大量的節理，從圖6(d)，6(e)和6(f)可見頁巖內部發育不同成因類型的微米級孔裂隙。由圖6(d)可知：頁巖樣品見溶蝕微孔，微孔以微米級孔隙較發育。從圖6(e)可見頁巖樣品存在構造縫3條，分2期形成：一期寬0.03 mm左右，二期為平行分布的2條，寬分別約為0.07 mm和0.60 mm，縫內充填硅質。從圖6(f)可見樣品存在微裂隙，縫寬小于1 μm，長度一般在微米級。

研究區發育盆地與美國東部地區頁巖氣發育盆地一樣，均是古生代海相沉積背景下形成的富含有機質頁巖，自加里東運動以來，經歷了燕山期、喜瑪拉雅期等多期構造運動和擠壓作用，在下寒武統牛蹄塘組泥頁巖中產生大量的裂縫[10]。因此，湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖中節理和微孔裂隙的存在可以大大提高頁巖的可壓裂性。

由于天然裂隙一般難以量化，為了后續對該區頁巖的可壓裂性進行綜合評價，通過軟件ImageJ對樣品的SEM圖進行面孔或裂隙率計算[20]，用來表征頁巖天然裂隙的發育程度，從而實現頁巖孔裂隙的定量評價。以圖6(e)為例，首先將圖導入ImageJ軟件中，通過Type(8-bit)轉換成灰度圖[21]，并通過菜單欄中的brightness/contrast來增大對比度，同時以原圖比例尺作為標尺(見圖7(a))；然后，使用trace工具選擇合適的閥值獲得相應二值圖像(見圖7(b))，并用binary工具獲得黑前景?白背景的二值圖像(見圖7(c))；最后，通過Analyze計算出SEM圖的裂隙率為16.77%。表2所示為研究區9個野外露頭頁巖裂隙率平均值。

(a) 慈利露頭剖面；(b) 桿子坪露頭剖面；(c) 拾柴坡露頭剖面；(d) 頁巖中溶蝕孔隙；(e) 頁巖中構造縫；(f) 頁巖中微裂隙

(a) 頁巖灰度圖；(b) 頁巖二值化圖；(c) 調整閥值后的二值化圖

3.5 頁巖可壓裂性指標模型

頁巖氣儲層的可壓裂性不僅與頁巖脆性有關，而且與頁巖中石英質量分數、成巖作用及天然裂縫等密不可分，但目前依然難以解決上述影響因素在脆性評價中的權重問題。組合賦權法是將層次分析法計算的主觀權重與熵值法計算的客觀權重結合起來[22]，既反映出研究人員對頁巖可壓裂性的直觀認識，又反映出客觀調查結果的規律。因此，為了綜合各個因素對可壓裂性的影響，通過組合賦權法確定各影響因素的權重，從而建立可定量評價該區域頁巖可壓裂性的可壓裂系數數學模型。

采用組合賦權法的具體測算過程如下。

1) 采用極差變換法對可壓裂性影響因子進行標準化處理[8]，使量綱不同的各類參數轉化為可直接進行計算的數值。極差變換法中參數分為正向指標(即指標越大越好)和負向指標(即指標越小越好) 2種[4]，通過極差變換后，可將參數值映射到[0，1]之間。統計分析中極差標準化方法對正負指標標準化的處理方法如下：

式中：tj為參數標準化值；tj為參數值；max(tj)為參數最大值；min(tj)為參數最小值。

2) 組合賦權法確定權重。

①層次分析法求主觀權重。將各個因素根據參數特征以形成有序的遞階層次結構，對每一層次，通過兩兩比較的方式確定層次中各因素的相對重要性，即給出相應的比例標度，建立判斷矩陣，通過求解判斷矩陣的最大特征值及對應的正交化特征向量，得出該層次各要素對于該準則的權重，進而求得各層要素對總體目標的組合權重[23]。據文獻[4]可知，采用層次分析法可知頁巖脆性、石英質量分數、成巖作用、天然裂隙對應的權重分別為0.56，0.26，0.06和0.12。

表2 湘西北9個野外露頭頁巖裂隙率均值

②熵值法求客觀權重[24]。假設為標準化后的矩陣，b表示第個對象在第個指標的屬性值，則

式中：k為第個指標下第個對象的指標值的比重；∈[1,]；∈[1,]。

信息熵(h)為

式中：∈[1，]。

式(7)中，當k=0時，規定kln(k)=0，則第個指標的權重(q)為

由式(6)~(8)對實驗數據進行客觀賦權，可得頁巖脆性、石英質量分數、成巖作用、天然裂隙對應的權重分別為0.48，0.17，0.14和0.21。

③組合權重。設主觀權重和客觀權重分別為W和K，兩者之間的距離函數為

其組合權重W為兩者的線性加權，表達式為W=αW+K(其中，和為主客觀權重的分配系數)。為了使不同權重之間的差異程度和分配系數間的差異程度一致，使式(9)中的距離函數與分配系數取等式，其表達式為：

(W,K)2=(?)2(10)

+=1 (11)

因此，聯立式(9)~(11)，可求得主客觀權重的分配系數分別為0.560 2和0.439 8，頁巖脆性、石英質量分數、成巖作用、天然裂隙這4個主要影響因子的組合權重分別為0.525 0，0.220 0，0.095 0和0.160 0。

3) 簡單線性加權法[25]確定可壓裂性系數，其計算公式為

式中：F為可壓裂性系數；P為第個可壓裂性影響因子量綱一化處理后的值；Z為P的權重；為可壓裂性影響因子個數。

采用式(12)得出9個取樣點(咸豐、龍山、桑植、永順、古丈、大庸、慈利、三叉、拾柴坡)的可壓裂系數均值分別為0.551 0，0.598 0，0.549 0，0.448 0， 0.411 0，0.492 0，0.565 0，0.462 0和0.462 0。

綜上所述，采用本方法對湘西北9個地區進行壓裂性評價，可壓裂評價系數為0.411 0~0.598 0，平均為0.504 0，其中，咸豐、龍山、桑植和慈利的可壓裂系數較高，可壓裂性更好。

另外，根據該地區儲層各參數特征和計算模型特點，將湘西北下寒武牛蹄塘組頁巖可壓裂性分為3個等級，見表3。同時，根據式(12)可得出3個等級下的可壓裂系數。據表3，建議頁巖氣開發選擇可壓裂系數大于0.436 3的頁巖層，儲層的壓裂效果理想。

表3 不同級別可壓性頁巖儲層特征

4 結論

1) 可壓裂性是頁巖氣井評價的關鍵參數，主要影響因素有石英質量分數、頁巖脆性、成巖作用和天然裂隙等。湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖具有脆性礦物質量分數高、脆性系數較高、熱演化程度高、微孔裂隙較發育等特點，具備頁巖儲層壓裂的有利條件。

2) 結合SEM技術和ImageJ軟件，實現了頁巖孔裂隙的定量評價。湘西北各露頭點下寒武統牛蹄塘組頁巖的裂隙率平均為1.08%~9.23%。

3) 采用組合賦權法確定各影響因素的組合權重系數，將權重系數與各影響因素標準化值進行加權，形成湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖可壓裂性評價模型，從而對其可壓裂性進行定量評價。采用此模型計算湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖儲層的可壓裂系數為0.504 0，并認為咸豐、龍山、桑植和慈利區塊的可壓裂系數較高，是該區域頁巖可壓裂性較優區域。

4) 根據湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖儲層各參數特征，將該區的頁巖可壓裂性分為3個級別：可壓裂系數小于0.277 4，可壓裂性差，壓裂效果差；可壓裂系數為[0.277 4, 0.436 3]，可壓裂性中等，壓裂效果一般，縫網壓裂效果較理想；可壓裂系數介于(0.436 3, 0.653 8]，可壓裂性好，是優質的可壓裂頁巖。建議該區域頁巖氣開發選擇可壓裂系數大于0.436 0的頁巖層，若不存在這樣的區域，則應盡量選可壓性系數大的區域。

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(編輯 陳燦華)

Fracability evaluation of shale gas reservoir in Lower Cambrian Niutitang formation, northwestern Hunan

WU Jingjing1, 2, 3, ZHANG Shaohe1, 2, 3, CAO Han1, 2, 3, SUN Pinghe1, 2, 3

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education (Central South University), Changsha 410083, China;2. Key Laboratory of Non-ferrous Resources and Geological Hazard Detection, Changsha 410083, China;3. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)

The effect of macro and micro parameters on fracability of Lower Cambrian Niutitang shale of northwestern Hunan was evaluated based on field investigations and sample analysis. The quantitative evaluation of fractured rate of shale was achieved by combining SEM technique and ImageJ. A mathematical model based on the combination weight method was established to quantitatively evaluate the shale fracability. The results show that the Lower Cambrian Niutitang formation shale in the study area has great content of brittle mineral, high brittleness index, high degree of thermal evolution and well developed micro-fractures and pores, possession of advantageous conditions for the fracturing of shale gas reservoir. The fracability of the shale Lower Cambrian Niutitang is 0.504 0. And the optimum area for fracturing in the Niutitang Formation shale is Xianfeng, Longshan, Sangzhi and Cili due to their relatively higher fracability indexes. Besides, shale fracability can be divided into three levels according to the reservoir parameters. The shale with low fracability (fracability index is less than 0.277 4) cannot be stimulated effectively. Shale with the medium fracability (fracability index range is [0.277 4, 0.436 3] can be stimulated effectively but the effect is actually modest. Shale with high fracability (fracability index range (0.436 3, 0.653 8] is the best interval to be fractured. It is better to choose shale with fracability index above 0.436 3.

northwestern Hunan? shale gas reservoir; Lower Cambrian Niutitang? combination weight method; fracability evaluation

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.018

TE357

A

1672?7207(2018)05?1160?09

2017?06?10；

2017?08?12

國家自然科學基金資助項目(41302124)；有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室(中南大學)開放基金資助項目(2016YSJS009) (Project (41302124) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016YSJS009) supported by Open Research Fund of Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring, Ministry of Education (Central South University))

曹函，博士，副教授，從事非常規能源勘探與開發等研究；E-mail：hancao@csu.edu.cn