貴州安頁1井頁巖含氣量影響因素分析

韓玉婷 朱天龍 李 軍,3

(1.中國消防救援學院，北京 100022；2.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000；3.河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000)

2011年，自然資源部對全中國頁巖氣資源潛力進行評價，我國頁巖氣資源潛力豐富[1]，可開采資源潛力占比約18.6%，頁巖氣開發潛力前景廣闊.2018年，我國天然氣對外依存度達到45.3%，我國頁巖氣商業化開發起步較晚，頁巖氣資源量雖與美國相差較小，但在產量方面卻相差很大，2018年頁巖氣產量僅占全球產量6.79%.近年來，頁巖氣的勘探越來越受到重視，那么頁巖氣產量則至關重要.

李玉喜等[2-3](2011年)在對頁巖氣的研究中，把頁巖含氣量定義為每噸巖石中所含天然氣折算到標準溫度和壓力(101.325KPa，25℃)下的天然氣總量.頁巖氣是吸附氣、游離氣、溶解氣的總和.吸附氣在頁巖及烴源巖中以吸附態賦存，主要是吸附在有機質及黏土礦物表面；游離氣在頁巖及烴源巖中以游離態賦存，主要是以游離狀態存在于巖石的孔隙和微裂縫中；溶解氣在頁巖及烴源巖中以溶解態賦存.通過研究表明，吸附氣含量最高，一般在80%～20%之間，游離氣含量居中，游離氣含量在20%～80%之間，溶解氣的比例非常低，一般可忽略不計.作者對貴州遵義安頁1井的巖心進行現場解析法獲得頁巖氣含量，對巖心巖性、實驗方法等分析確定現場解析法對頁巖含氣量影響因素.

1 地質概況

1.1 區域地質背景

安頁1井所處的地層屬于上揚子川南-黔北地層分區，總體來說地區古生界地層發育完整，缺失石炭系、泥盆系，安頁1井通過測井數據及巖心觀察，選用研究區選用的巖心目的層為下志留統龍馬溪組到上奧陶統五峰組，受黔中隆起的影響，上奧陶統、下志留統地層受剝蝕.奧陶系-志留系地層情況如圖(圖1).

五峰組為奧陶系上部地層，地層較薄，受加里東運動影響，為富有機質頁巖層系，巖性為上部觀音橋組生物介質泥灰巖，下部五峰組碳質頁巖.觀音橋組生物介質泥灰巖層系分布較穩定，地層厚度非常薄，在研究區內發現均有.

志留系地層從下到上依次為龍馬溪組、石牛欄組和韓家店組，其中龍馬溪組巖性為上部灰色泥灰巖、鈣質頁巖，樂儉—務川以南地區為粉砂質頁巖夾含鈣質粉砂巖，下部為灰黑色碳質頁巖.龍馬溪組為區內第三套富有機質頁巖層系，由于五峰組地層較薄，龍馬溪組頁巖與五峰組共同研究，作為區內第二套頁巖氣勘探層系.

地 層系統組巖性厚度(m)巖 性 描 述三疊系中統下統獅子山組146-403下部淺灰,淺灰綠色中厚層鈣質泥巖和泥灰巖為主,夾薄層灰巖,泥巖;上部以淺灰色薄—厚層致密灰巖為主夾頁狀泥灰巖及少量角礫狀白云巖.松子坎組184-403以紫紅、灰褐、灰綠等雜色泥巖為主,夾少量灰巖、灰質白云巖、白云質泥灰巖,下部灰巖、白云巖夾鈣質頁巖及灰綠色頁巖.茅草鋪組498-815淺灰色薄至厚層致密灰巖,夾數層白云質鮞粒灰巖.夜郎組371-782紫紅色泥巖夾泥晶灰巖及灰色薄—中層泥晶灰巖,含生物碎屑灰巖、鮞粒灰巖.二疊系上統中統下統長興組42-79深灰色灰巖,含硅質團塊灰巖龍潭組55-157灰、灰黃色砂巖、粉砂巖、粉砂質粘土巖,碳質頁巖互層,夾煤3-20層.茅口組136-310灰色硅質條帶灰巖,深灰—淺灰色中厚層灰巖夾泥質條帶灰巖.棲霞組110-180深灰色灰巖、透鏡體泥質灰巖互層夾白云質灰巖,燧石結核灰巖.梁山組8-60上部頁巖;中部碳質頁巖,局部產鋁土礦;下部夾少量中厚層灰巖.志留系下統韓家店組374-872灰、灰綠色泥巖、上部夾石英砂巖、下部夾少量中厚層灰巖.石牛欄組141-323灰綠色頁巖,灰色灰巖夾泥灰巖.龍馬溪組140-384上部灰色泥灰巖、鈣質泥巖,樂檢—務川以南地區為粉砂質頁巖夾含鈣質粉砂巖:下部為灰黑色碳質頁巖.奧陶系上統中統下統五峰組6-18上部觀音橋組生物介殼泥灰巖,下部五峰組灰色堿質頁巖.澗草溝組2-8灰色灰巖及泥灰巖.寶塔組22-54灰色中厚層龜裂紋灰巖.十字鋪組10-60上部為灰黃色泥灰巖,下部為灰色中厚層狀鮞粒灰巖.湄潭組147-221灰黃、灰綠色粘土質粉砂巖,鈣質粉砂巖,頁巖夾生物碎屑灰巖,石英砂巖.紅花園組25-139灰色生物灰巖,部分地區變為白云巖.桐梓組206-230上部為深灰色厚層白云巖,中部為灰、灰黃色頁巖;下部為灰色白云巖夾泥質白云巖.

1.2 區域地質構造

研究區及周緣總體構造復雜，發育多次構造運動，褶皺和斷裂均較發育，主要發育三條深大斷裂系，正安地區受正安斷裂帶影響較大，發育安場向斜、斑竹向斜，其中安場向斜相對寬緩，受加里東運動和燕山運動構造影響最大，兩期構造運動相互疊加、改造.正安斷裂帶是一條具有多期次活動的斷裂帶，以正斷層性質為主(圖2).

2 巖心測試分析

2.1 安頁1井五峰-龍馬溪組地層界線

安頁1井構造位置處于武陵褶皺區安場向斜段，根據現場鉆井及巖屑的觀察等綜合觀察，確定安頁1井新灘組-五峰組地層界線為井深2303-2331.6 m，地層厚度28.6 m，巖性主要為黑色碳質頁巖.現場鉆井的志留系地層界限是井深2204-2325.7 m，包括新灘組(2204～2303 m)、龍馬溪組(2303～2325.48 m)、觀音橋組(2325.48～2325.8 m)，龍馬溪組是頁巖含氣量的測試組，觀音橋組地層界限較少，剝蝕嚴重.奧陶系的井深是2325.7～2370 m，包括五峰組(2325.7～2331.6 m)，寶塔組(2331.6～2370 m)，五峰組地層也是頁巖含氣量的測試組.

2.2 現場解析實驗目的層巖性

在鉆井現場，根據確定的地層界線進行巖心取樣做巖性描述及現場解析實驗，取樣深度為2317.6 m～2331.64 m，總計14 m，是龍馬溪組和五峰組地層.巖石描述如下：

龍馬溪組取樣較多，巖性整體為黑色碳質頁巖，碳質分布不均，下部含少量硅質.龍馬溪組的節理裂縫更發育，節理面具碳質磨光面，用手摸頁巖樣品，可見污手現象.富有筆石化石，在不同的巖心樣品中，筆石化石分布不均，下部筆石化石比上部要豐富，富集.可見黃鐵礦晶體，存在局部富集現象，個別樣品出現黃鐵礦團塊.上部裂縫、微裂縫較發育，方解石充填.

巖石取出進行浸水實驗，剛放入水中能見到氣泡冒出，隨著浸水實驗的進行，可見線狀氣泡快速冒出，個別樣品可見到噴泉狀、串珠狀氣泡冒出，可聽到氣泡冒出的滋滋聲響，整個巖心表面都可見到氣泡冒出，表明頁巖的含氣量較高.五峰組取樣較少，整體顏色呈黑色，碳質頁巖，碳質分布不均，節理裂縫發育，馬牙狀構造縫、網狀縫構造明顯，輕微污手，可見滑脫面、凝灰巖條帶.

2.3 總有機碳含量(TOC)

有機碳含量(TOC)是評價有機質豐度的常用指標.安頁1井研究區內五峰-龍馬溪組有機碳含量(TOC)數據選取的樣品密度基本為5個/m，測量TOC值共選取了66個樣品.整體來說，TOC值較高，分布在1.5%～4.8%之間，其中TOC含量在2%-3%樣品數最多，為22個，TOC含量在1%-2%和3%-4%的樣品數各16個，4%以上的樣品數最少，為12個.研究樣品深度與TOC含量關系，發現TOC含量整體上從上到下具逐漸降低的特征(圖3).

圖3 總有機碳TOC與深度關系

2.4 熱成熟度

鏡質體反射率(Ro)是評價有機質成熟度的一項重要指標[4].安頁1井的樣品送至實驗室測試，測得的鏡質體反射率Ro值(表1).五峰-龍馬溪組頁巖鏡質體反射率(Ro)范圍在2.15%～2.50%之間，五峰-龍馬溪組鏡質體反射率平均值分別為2.17%和2.37%.五峰組送樣較多，Ro相對較高，龍馬溪組相對較低.

表1 安頁1井五峰-龍馬溪組鏡質體反射率表

2.5 現場解析實驗

圖4 安頁1井五峰組-龍馬溪組頁巖解析氣量

中國在頁巖氣勘探的起步較晚，用于工業勘探開發的頁巖氣，由于開采技術限制，殘余氣還不能有效開發[5]，所以現場解析實驗中的頁巖總含氣量是解析氣與損失氣量的總和，殘余氣部分不計入總含氣量.安頁1井的頁巖氣解析實驗所采用的方法是現場解析法[4].現場解析實驗裝置采用的是中國石化無錫地質研究所的現場解析儀器，原理是自動化排水集氣.現場解析實驗共14個樣品，得到五峰組—龍馬溪組地層的頁巖解析氣含量(如圖4)，其中6號和11號樣品到達地面后，放入解析罐內未調整到地層溫度進行解析，而是地面溫度自然解析，剛開始解析實驗，解析氣量迅速升高，導致計算損失氣量過高(如圖5).

現場解析法獲得的頁巖氣含氣量包括解析氣量和損失氣量，根據擴散模擬，在解析作用初期，解析的總氣量隨時間的平方根呈線性變化[6].解析氣量與損失氣量的關系如下：

(1)

圖5 安頁1井總含氣量中解析氣與損失氣圖

V解表示解析氣量，V失表示損失氣量，單位cm3，而k表示直線段斜率；t失表示損失氣的損失時間，t表示解析氣的解析時間，單位min.其中損失時間的計算方法采用的的還是提鉆時間的一半加上地面巖心裝入解析罐之前的處理時間.現場解析法獲得解析氣量后，用多項式法計算損失氣[7].頁巖含氣量為2.626 m3/t～6.488 m3/t，大部分在3 m3/t以上，龍馬溪組下部及五峰組頂部頁巖含氣量最高.

3 頁巖含氣量的影響因素

通過渝東南、鄂爾多斯等地的頁巖含氣量的研究，孔隙度與滲透率、TOC、Ro、粘土總量、脆性礦物含量、地層壓力、溫度以及埋深等都是頁巖含氣量的影響因素[8].安頁1井對采集的樣品進行了滲透率、有機質豐度(TOC)、鏡質體反射率(Ro)進行了測試，本文討論這三個因素對含氣量的影響.

3.1 TOC含量對頁巖含氣量的影響

頁巖含氣量影響因素受溫度、壓力、孔隙度、有機質含量等的影響，頁巖的孔隙空間及比表面積也影響頁巖的含氣量.有機質含量影響頁巖的孔隙空間及比表面積，有機質含量高，吸附氣含量越高.W.Jing等[9]指出有機碳含量與頁巖的含氣量具有良好的正相關關系(圖6).

圖6 頁巖氣藏吸附氣與TOC含量的關系(W.Jing等，2011)

安頁1井采樣樣品深度從淺至深，根據對現場解析法測得的總含氣量樣品與測得的有機碳含量進行研究，得到有機碳含量與總含氣量的關系.總有機碳含量增加，頁巖總含氣量增加，總有機碳含量降低，頁巖總含氣量降低(圖7).

3.2 鏡質體反射率(Ro)對頁巖含氣量的影響

溫曉紅等研究表明頁巖的成熟度越高，氣體的吸附能力逐漸增大[10].鏡質體反射率(Ro)較大，氣體的吸附能力則更高，但不是Ro越大，頁巖的吸附能力就越高，一直呈現正相關的關系，Ro過高時，也有可能頁巖的吸附能力會偏低[11]，這可能是由于有機質演化到一定階段時有機質大量消耗，有機質消耗，導致吸附載體減少，從而不利于氣體的吸附(圖8).

圖8 最大吸附量與Ro相關性(溫曉紅等，2015)

通過對安頁1井的測試結果可知，測得頁巖含氣量較高地層在五峰組上部和龍馬溪組下部，而實驗獲得的鏡質體反射率較高的位置也是在五峰組頂部和龍馬溪組下部，說明Ro值與頁巖含氣量密切相關，呈正相關關系.

3.3 其他因素

除了上述有機碳含量(TOC)和鏡質體反射率(Ro)對頁巖含氣量具有影響外，孔隙度和滲透率、溫度和壓力均對頁巖含氣量具有影響[12].脆性礦物含量、巖石的濕度、粘土礦物含量等對頁巖的含氣量均具有不同程度的影響.富伊利石的頁巖吸附能力高，采集的安頁1井的巖石樣品富伊利石.

4 結 論

研究區內頁巖巖性均為黑色碳質頁巖，碳質分布不均，節理裂縫發育，富含筆石化石，可見黃鐵礦晶體，輕微污手，部分樣品具有馬牙狀構造縫、網狀縫構造等，可見滑脫面、凝灰巖條帶.頁巖含氣量為2.626 m3/t～6.488 m3/t，大部分在3 m3/t以上，龍馬溪組下部及五峰組頂部頁巖含氣量最高.用現場解析法獲取解析氣時，要注意優化取心方式，減少鉆井取心時間，模擬地層溫壓條件.

研究區內有機質含量(TOC)和鏡質體反射率(Ro)都與頁巖含氣量高度相關，安頁1井取樣樣品中，五峰組-龍馬溪組全烴含量較高，有機碳含量(TOC)越高，頁巖含氣量越高.鏡質體反射率(Ro)越高，頁巖總含氣量越高.