頁巖巖相組合劃分標準及其對縫網形成的影響
——以四川盆地志留系龍馬溪組頁巖為例

沈 騁,任 嵐,趙金洲，陳銘培

(1.中國石油 西南油氣田分公司 頁巖氣研究院，四川 成都 610041；2.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程 國家重點實驗室，四川 成都610500；3.北京科技創新研究中心，北京 100744)

巖石類型劃分是精確識別有效儲層，實現頁巖氣儲層水力壓裂縫網形成，并獲產的首要任務。由于具有與常規儲層截然不同的地質特性[1-4]，目前四川盆內頁巖氣儲層以孔隙度、總有機碳含量(TOC)、含氣量和脆性礦物含量建立分級指標，實現縱向上小層劃分和橫向上水平井段鉆遇率識別[5-6]，強調物性對高效開發的控制作用；已有學者同時考慮儲集性和可壓裂性的儲層綜合評價及應用，淺析地質、工程甜點并非完全疊合[3,7-9]。礦場分級指標在本質上以識別地質甜點為主，未能充分考慮對儲層改造體積(Stimulated Reservoir Volume，SRV)規模的影響[10-11]，導致實時監測技術和數學方法存在很大偏差，脆性礦物、天然弱面等其他影響壓裂效果的沉積成巖因素并未剖析和考慮[12-14]，施工時發生砂堵與濾失等異常的原因不明確。

因此，本次研究搜集到四川盆地2條野外剖面和4口取心井觀察描述資料，共計355塊樣品、192口水平生產井測試數據，結合野外露頭和取心井宏微觀資料、地球物理測試和生產數據，分析影響頁巖氣壓裂縫網形成的地質因素，試圖引入巖相組合，建立側重識別優質可壓性頁巖的巖相組合劃分標準，尋求地質影響因素與改造效果的關系，提出一種識別與選擇最優壓裂儲層的方法。

1 頁巖縫網形成的地質影響因素

頁巖氣壓裂形成縫網受到多種地質因素的影響[7]，主要包括脆性礦物[15]、儲層物性[7,16]、天然裂縫[17-18]以及層理[7,13,19]等方面。

1.1 脆性礦物

不同的脆性礦物對形成縫網的貢獻程度和方式均是不同的，而起決定性作用的主要是長英質礦物和碳酸鹽礦物。長英質礦物主要包括自生和陸源石英，增加頁巖的礦物脆性。垂向序列上自五峰組向龍馬溪組一段表現為自生石英為主向陸源石英過渡轉變的特征。研究盆內長寧剖面與習水剖面的樣品，發現陸源成因石英為主的頁巖樣品，石英含量由30%增至60%，其楊氏模量也由25 GPa增至35～40 GPa(圖1藍色數據點)；而生物成因石英為主的頁巖樣品，受沉積與成巖作用雙重控制[20-21]，較陸源成因的樣品具有更高比例的石英含量，但顆粒粒徑明顯增大，增加了微觀上水力裂縫穿透礦物的難度，增大了水力裂縫沿礦物壁面延伸擴展所需的能量[22]，所以表現出楊氏模量增幅明顯放緩的特征(圖1橙色數據點)。碳酸鹽礦物作為脆性礦物，以形成高密度混合弱面[11]，通過膠結作用對(微)裂縫的保留[18,23]促進縫網發育，但其含量過高(>20%，例如川南地區五峰組)則不利于裂縫發育[21]，且占比已不具備頁巖對碳酸鹽含量的定義(圖2)，從而抑制縫網形成。綜合分析認為，脆性礦物含量增加對縫網形成的促進作用明顯，是必要因素之一。

圖1 四川盆地龍馬溪組頁巖硅質礦物含量(X衍射)與三軸力學實驗結果對比

圖2 四川盆地龍馬溪組頁巖碳酸鹽礦物含量(X衍射)與三軸力學實驗結果對比

1.2 儲層物性

頁巖氣儲層孔隙與有機質的發育具有相似的成巖發展趨勢，生烴潛力與儲集空間發育呈正相關關系，是識別地質“甜點”、縱向小層劃分的重要因素。然而，頁巖氣儲層需通過水力壓裂實現產能，儲層物性對縫網形成的間接影響機制易被忽略?；诘刃Ы橘|理論，多孔彈性體在不考慮基質(礦物)組分變化的情況下，隨其孔隙度增大和孔隙結構的復雜化，彈性體的巖石強度會受到抑制，力學脆性呈減小趨勢[16](圖3)，長寧H5-2井水平段表現出孔隙度道、TOC道與脆性指數道在數值上呈明顯的負相關性、涪陵焦頁1井主力產氣層孔隙度與礦物脆性之間的呈此消彼長的關系也印證了該觀點[2,4]。而有機質在地質演化過程中有利于自生石英的形成并以此提高脆性礦物含量，保存頁巖的孔隙性[19]，同時也增大了巖石塑性，直接和間接抑制了巖石強度。所以，儲層物性的改善一定程度上抑制了SRV的大小。

圖3 川東南(a)、川南(b)地區龍馬溪組頁巖巖樣巖石力學性質與孔隙度關系

1.3 層理縫

層理縫對縫網壓裂的影響同樣是多方面的，其中，層理縫與層理發育程度的共生性較強，研究通常從層理縫發育密度、發育寬度及其乘積(裂縫發育指數)角度分析裂縫發育規律[20,21]。裂縫發育程度高，水力裂縫擴展傾向于形成分支進而發育縫網。但當裂縫過度發育或形成大型裂縫帶則易導致壓裂液濾失、砂堵、裂縫擴展宏觀尺度受限以及遠井地帶改造困難等現象。近年來已有學者將天然裂縫充填程度作為縫網形成影響因素進行研究[18]。川東南焦石壩—平橋地區JY1、JY3和JY6井[20]，川南長寧—威遠地區N201井、N211井[24]以及渝西地區Z203井巖心實測結果表明，天然裂縫以層理縫為主，充填程度較高，主要為方解石，次為硅質和瀝青等。對樣品分析統計表明，碳酸鹽礦物占比對裂縫發育程度具有良好指示(圖4)。充填物與裂縫壁間往往形成應力弱面，成為水力壓裂時優先激活的對象，有利于裂縫沿其轉向擴展。然而裂縫充填、半充填會導致儲集空間減少，影響資源富集?？傮w來說，層理縫適度的發育規模和較高的充填程度，有利于水力裂縫擴展形成規模性的縫網。

圖4 四川盆地取心井龍1(1)亞段下部頁巖碳酸鹽礦物含量與層理縫發育程度關系

1.4 頁巖層理

層理高頻疊置代表層間差異性發育程度較高，層間物理性質變化明顯，應力弱面增多，受外力作用易形成大量層理縫，并促進水力裂縫的徑向延伸，主要表現在層理的發育頻率、層間的差異性等方面。層理與裂縫的發育關系密切，層間的物性差異成為嫁接二者相關性的橋梁，壓裂過程對裂縫尖端施加應力σ與層厚W存在負冪指數關系[14]，層厚越小，層理越發育，越有利于裂縫的形成。研究還表明，粘土轉化石英等作用會造成原有紋層遭到破壞，使得微觀層間差異小，最終導致層理發育較差，表現為海相頁巖石英礦物含量的大幅增加(圖5)。因此，識別層理、層理縫相對較發育的儲層進行改造獲得規模性SRV和產能，具有一定理論性。

圖5 川南雙河剖面露頭頁巖石英含量與層理發育規模對比

2 巖相組合特征

2.1 區域地層特征

由于古地貌與沉積環境的影響，四川盆地頁巖呈現差異性發育特征[4,25]。川南、川東南地區相同沉積期形成的頁巖差異表明沉積環境發生了變化。結合已有[2,4,20-21,25]和本次研究成果，繪制川南、川東南龍馬溪組典型井對比圖(圖6)，對比當前主力產氣層(奧陶系五峰組至志留系龍一段下部)。川南、川東南地區具有不同的巖石類型分級標準，而最大區別在于川南、川東南地區主力產氣層呈階梯型對應關系：川南地區龍一1(1)小層與川東南地區1小層(五峰組)、川南地區龍一1(2)小層與川東南地區3小層、川南地區龍一1(3)小層與川東南地區4小層、川南地區龍一1(4)小層與川東南地區5小層分別具有類似的儲層特征。由此可見，有必要從新的角度，即建立統一的劃分標準，對盆內五峰組、龍一1亞段頁巖進行分類。

2.2 巖相組合劃分

由于縱向疊置頻率與組分差異，頁巖在微觀上，實則由差異巖石力學性質的巖層縱向疊置、橫向展布的彈性體。水力壓裂時更看重巖石的綜合性質，以及巖石的疊置和展布關系。因此，目前經典的礦物三端元法一方面可能不能滿足水力壓裂效果評價所需要的因素，另一方面也因劃分巖石類型較精細而忽略了相鄰兩類巖石或巖相的聯系。巖相組合指地層上相近或相連的巖石類型或巖相根據其所反映的沉積成巖過程有機組合起來的單元，可有效將不同的巖石類型合并為一個彈性整體，以此可實現對彈性體內層理縫、層理等方面的統計，也便于歸位并對應進行該彈性體的力學特征分析。故本次研究以影響頁巖壓裂形成縫網的各項因素為依據，賦予分級指標(表1)，劃分出Ⅰ型頁巖相組合(FA1)、Ⅱ型頁巖相組合(FA2)和Ⅲ型頁巖相組合(FA3)和Ⅳ型頁巖相組合(FA4)等4類沉積巖相組合(圖6，圖7)。

圖7 四川盆地龍馬溪組頁巖相組合微觀特征

表1 四川盆地龍馬溪組頁巖相組合劃分指標

2.2.1 Ⅰ型頁巖相組合(FA1)

該類相組合主要發育在川南地區龍一1(1)小層與川東南地區五峰組、3小層底部，以黑色炭質硅質頁巖和黑色含灰硅質頁巖為主，具有高脆性礦物含量、高天然裂縫發育程度、高孔高TOC和較好的層理發育程度。但層間物性差異小，界面模糊，均質狀粒序為主。FA1表征貧氧、厭氧的水體環境，生物擾動和成巖期巖石壓縮、粘土礦物轉化等作用破壞了巖層極具規則的成層性，削弱了層理發育程度，但因此降低了儲層縱、橫向的物性與力學差異，促進了微裂縫網絡化展布。

2.2.2 Ⅱ型頁巖相組合(FA2)

該類相組合主要發育在川南地區龍一1(1)小層、龍一1(2)小層與川東南地區3小層，以含灰硅質頁巖為主，具有高脆性礦物含量、高層理發育程度、優質的孔隙度和TOC以及高層理縫發育程度。FA2表征受淺水高能沉積影響、具有一定水動力條件的貧氧水體環境，從而表現出比FA1高的碳酸鹽礦物含量，層理更發育，層間差異明顯，界面清晰，層間易發育微裂隙，亮層(脆性層)與暗層(有機質層)交互形成層理，其中亮層發育相對較厚，川南地區頁巖可見明顯的正粒序和反粒序特征[21]；由于水體循環能力增強不利于生物堆積，儲層物性被小幅削弱；受層理極為發育影響，儲層縱橫方向力學性質差異大，且上覆、下伏巖層并未出現巖性突變現象，使得高角度縫欠發育。

2.2.3 Ⅲ型頁巖相組合(FA3)

該類相組合主要發育在川南地區龍一1(2)小層、龍一1(3)小層與川東南地區4小層，巖性以鈣質硅質頁巖、砂質頁巖和含灰硅質頁巖為主，偶夾有泥灰巖，具有較高脆性礦物含量、較發育的孔隙度與TOC，和較好的層理與天然裂縫發育程度。FA3在川東南地區具有明顯的粉砂質條帶、團塊。分析認為該類相組合形成于沉積環境發生較明顯變化的時期，水體環境處于缺氧狀態，并間歇性地接受陸源碎屑沉積，表明受到水下河道影響，粉砂質條帶和團塊可彌補脆性礦物含量的匱乏，增強巖石本身的可壓性[3]。FA3的微觀層理表現出暗色層(泥質層)較寬、亮色層(脆性礦物層)較薄的特征，有別于FA2的層理發育特征。

2.2.4 Ⅳ型頁巖相組合(FA4)

該類相組合特征上更傾向于泥巖，主要發育在川南地區五峰組、龍一1(4)小層與川東南地區5小層，巖性以鈣質硅質頁巖和砂質頁巖為主，局部層位與泥灰巖混合發育，具有相對較低的脆性礦物含量、儲集性、天然裂縫和層理發育程度。分析認為FA4形成于受到陸源碎屑影響、高能碳酸鹽環境間歇影響較大的缺氧水體環境。礦物組分來源分析結果表明[7]，龍一段1長英質礦物來源已從生物與礦物轉化成因為主導逐漸向陸源碎屑供應轉變，脆性顯著降低；由于水體不適宜生物堆積，有機質欠發育，成巖期對儲層的改造能力弱，儲層物性變差；巖石層理不發育，使得地質作用難以進行改造形成大量天然裂縫?？傮w來看，該相組合對壓裂形成縫網的促進作用不明顯。

2.3 巖相組合力學響應機制

頁巖巖石力學參數可直觀衡量縫網改造效果，準確得到巖石力學參數反映儲層原位特征能高效評價儲層縫網可壓裂性。泊楊參數可通過取樣進行三軸力學實驗獲取較為準確的結果。研究將川南地區、川東南地區露頭取樣進行巖相組合識別與巖石力學分析。

分析結果表明(表2)，各類巖相組合的泊松比與楊氏模量之間呈較明顯的正相關關系，但楊氏模量增幅大于泊松比。其中，FA2泊楊脆性最大，次為FA1和FA3，而FA4最小。分析認為：① FA4相比其他三類相組合泊楊脆性偏小，說明高礦物脆性、高天然裂縫發育程度對頁巖的力學脆性起到了決定性作用。② FA2相比FA1的脆性礦物含量略低，但水動力條件較好，頁巖成層性發育程度高，可彌補脆性礦物含量的不足，且方解石、石英等脆性礦物的混合程度更高，微觀上存在網絡發育的巖石多維弱面，有利于張性破壞的發生，使得巖石的力學性質得到改善，有利于縫網壓裂[27]。同時，FA1儲層物性相對較好，一方面使得層理發育不明顯，另一方面孔隙增多削弱了巖石致密度，也就減弱了巖石力學性質。③ FA3與FA2物性特征、裂縫發育規模基本相似，但由于裂縫被方解石充填的程度較差，使得基質與裂縫充填物之間的抗拉強度差異作用不明顯，從而表現出泊楊脆性略低的現象。④ FA1具有比FA2更發育的天然裂縫，更多表現在對壓裂施工作業的影響上，如壓力異常、砂堵、擴展受限等，通過識別層理縫發育程度較高的層位，一定程度上可制定專項措施在不利于壓裂施工的層位或壓裂段。

表2 四川盆地龍馬溪組頁巖相組合及其礦物與力學實驗參數

3 實例分析

近年已有大量分級指標應用在四川盆地頁巖氣壓裂效果評價。而分級指標[5,27-28]多側重于產量進行高產因素分析，無法反映真實的頁巖壓裂體積改造情況，難以更準確識別壓裂施工所需的“工程甜點”。本文以研究區Y井組作為實例，探討巖相組合劃分標準對縫網改造效果評價的適用性(圖8)。

圖8 川東南地區Y平臺H1、H2、H3井微地震事件縫網發育區與相組合對應關系

3.1 相組合劃分驗證

結合Y井組3口水平井水平段各段影響縫網形成的地質因素數據和微地震監測結果，運用本文構建的劃分指標進行相組合劃分。井組水平井采用常規分段模式，段長70～90 m，簇間距20～30 m，各壓裂段穿行層位深度變化小，施工參數與工藝基本一致，有利于相組合的明確區分并進行分析。對比各壓裂段優勢相組合與各段微地震監測結果表明，四川盆地龍馬溪組FA1和FA2的水平井鉆遇率最高，是壓裂施工的甜點：FA2為優勢相組合發育的壓裂段，SRV的波及長度(x方向)、波及寬度(y方向)優于其他相組合發育壓裂段，而波及高度(z方向)相對較小，分析認為FA2具有的高層理發育程度使得水力裂縫更傾向沿著層理方向擴展，且天然裂縫以方解石膠結充填的層理縫為主，增大了水力裂縫轉向、擴展的能力，形成扁平的縫網形態；FA1為優勢相組合發育的壓裂段同樣易形成優于FA3和FA4發育壓裂段的波及長度、寬度，以及優于其他相組合發育壓裂段的波及高度，分析認為天然裂縫網絡化的發育促使水力裂縫在三維各向擴展的能力，不同于FA2傾向于順層擴展的特征；但從壓裂施工異常發生頻次角度分析認為，穿行FA1為主的壓裂段，發生砂堵、壓力陡升等異?，F象的頻率較高(表3)，往往造成不利影響，但該段對應較大SRV，單段測試產能較高，故在壓裂施工時需實時進行泵注程序的調整，確保高效壓裂施工。

表3 川東南地區Y平臺H1、H2、H3井施工異常段診斷分析結果

總體上看，對Y井組，穿行FA2為主的壓裂段，SRV普遍大于2.5×108m3，而穿行FA1為主的壓裂段，SRV分布不穩定，見部分大于2×108m3，或因施工異常小于1×108m3，穿行FA3和FA4為主的壓裂段SRV集中分布在(0.5～2)×108m3。

3.2 相組合對縫網形成的影響

綜合分析認為，FA1中膠結充填的天然裂縫發育，水力壓裂前期可優先激活形成縫網，對壓裂形成縫網具有積極作用，能夠形成較大的波及改造體積，但易發生壓裂施工異常，或導致裂縫擴展受限，若不能實現精確的壓裂設計或實時的泵序調整，該壓裂段的供給效果可能很差；FA2是形成于水體深度適中、還原性相對弱的沉積環境的相組合，礦物組分變化迅速，形成優勢儲集層與優勢可壓裂層的高密度交互，在層理方向上構成大量應力薄弱區，有利于縫網在徑向上的擴展，實現對井控區域最大限度的改造，同時改善徑向滲流能力，可充分調動體積改造區域，實現長期穩產。FA3發育位置多未對應水平井鉆遇小層，層理、天然裂縫等特征較FA1、FA2已逐漸弱化，層間差異也異于FA2的脆性互層，而是塑性—脆性交互為主，故而在壓裂過程中較難被動用激活，也加大了施工異常發生的頻率。FA4鉆遇率最低，相對較差的天然弱面程度使得壓裂形成縫網的能力弱，水力裂縫的徑向延伸等擴展行為發生率低，對寧217井該類巖相組合的壓裂施工時也發生明顯的加砂困難等情況，故而在鉆井過程中應盡量避免該類相組合。

4 結論

1)基于對縫網形成的地質影響因素分析，建立了側重于考慮頁巖氣儲層壓裂形成縫網的能力的沉積巖相劃分標準，將四川盆地龍馬溪組頁巖劃分為Ⅰ型頁巖相組合(FA1)、Ⅱ型頁巖相組合(FA2)和Ⅲ型頁巖相組合(FA3)和Ⅳ型頁巖相組合(FA4)4類巖相組合。

2)通過理論與實驗分析，提出FA2受層理發育、脆性礦物高混合程度影響，具有最好的泊楊脆性，FA1天然裂縫發育促進改造效果，但受物性條件限制，具有較好的泊楊脆性，FA3、FA4因相對較低的脆性礦物含量、天然裂縫/層理發育程度，泊楊脆性較低。

3)相組合劃分方法與礦場實踐對比研究表明，4類相組合中，FA1和FA2水平井鉆遇率最高，是壓裂施工的甜點。其中，FA1水力壓裂前期可優先激活形成縫網，但易發生壓裂施工異常，導致裂縫擴展受限，需進行實時施工調整實現充分改造；FA2礦物組分變化迅速，形成優勢儲集層與優勢可壓裂層的高密度交互，在施工過程中充分調動體積壓裂改造區域，從而實現長期穩產。