頁巖巖相分類表征及對建產區產能的影響

歐成華，梁成鋼，羅利，楊曉，李丹，李兆亮

1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500

2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都 610500

3.中國石油新疆油田分公司吉慶油田作業區，新疆吉木薩爾 831700

4.中國石油集團測井有限公司西南分公司，重慶 400021

5.東方地球物理勘探有限責任公司西南物探研究院，成都 610213

6.中國石油青海油田分公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736202

0 引言

優質海相頁巖是國際上頁巖氣勘探開發的熱點，也是當前中國頁巖氣取得突破的重點領域。2009年以來，以四川盆地晚奧陶世至早志留世沉積的五峰組—龍馬溪組優質海相頁巖為靶點目標，中國先后在涪陵、威遠、長寧等地區建成了頁巖氣工業化規模生產基地[1]（簡稱建產區，下同）。經過十余年的攻關與建設，涪陵、威遠、長寧頁巖氣建產區先后進入到規模上產與持續穩產階段，各建產區內頁巖氣單井產氣能力差異大、持續穩產困難等問題日漸突出[1-2]。如何解析造成建產區內產氣能力巨大差異的關鍵因素？成為制約中國頁巖氣規模建產的技術瓶頸。

頁巖氣的規模建產源起于北美地區，該區規模建產最成功的Barnett與Horn River優質海相頁巖的生產實踐[3-5]表明，頁巖氣能否大規模產出，除了受工程技術水平高低的影響外，更受控于優質頁巖巖相類型分布的影響；國內有關四川盆地五峰組—龍馬溪組優質海相頁巖的研究成果[6-8]則表明，頁巖巖相與產氣能力間具有一定程度的相關關系。由此可見，開展優質海相頁巖巖相分類表征研究，對于解析中國頁巖氣建產區內單井產氣能力的差異意義重大。

為此，本文擬從中國頁巖氣建產區的地質及開發特點出發，建立起考慮單井產氣能力影響的優質海相頁巖巖相分類表征方案及技術流程；以威遠頁巖氣建產區為主要對象，解析優質海相頁巖的巖相差異，揭示不同頁巖巖相類別具有的產氣能力差異及其空間分布規律；所獲成果將為建產區精細化生產管理及規模建產奠定理論基礎、提供技術支撐。

1 中國海相頁巖氣建產區特點與巖相分類表征技術思路

1.1 中國海相頁巖氣建產區的地質及開發特點

1.1.1 五峰組—龍馬溪組優質海相頁巖為建產區主力產氣層，分布廣泛，非均質性明顯

四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖構造及沉積演化研究表明：1）晚奧陶世至早志留世，川渝地區為多個古隆起圍限的隆后局限海盆地，發育宜賓和涪陵兩個沉積中心，沉積了廣泛分布于全盆地的五峰組—龍馬溪組海相頁巖[6-10]（圖1）；2）由于所處位置不同，威遠、長寧和涪陵頁巖氣建產區的沉積亞相呈現差異，長寧建產區以鈣質深水陸棚亞相為主，涪陵建產區以硅泥質深水陸棚亞相為主，威遠建產區包括砂泥質淺水陸棚與鈣質深水陸棚兩類沉積亞相[7,11-13]（圖1）；3）三個建產區發育的沉積微相類型也有差異，長寧與涪陵建產區發育泥質陸棚、砂質陸棚、硅質陸棚和混積陸棚四類微相[7,11-13]，威遠建產區主要發育砂質陸棚、硅質陸棚和混積陸棚三類微相（圖2）；4）建產區內的沉積微相平面分布廣泛，變化較小，但縱向相變頻繁，體現出較強的非均質性[7,11-13]（圖2）。

圖1 四川盆地頁巖氣建產區大地構造與沉積背景圖[6-13]Fig.1 Geotectonics and sedimentary background of the shale gas production areas in the Sichuan Basin[6-13]

圖2 威遠頁巖氣建產區各小層沉積相、巖相、礦物含量、有機質含量、孔隙度、含氣性與測井響應特征綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of sedimentary facies,lithofacies,mineral content,organic matter content,porosity,gas content,and logging response characteristics in the Weiyuan shale gas production area

1.1.2 建產區內單井產氣能力差異大，非均質嚴重，表征困難

生產實踐表明：威遠、長寧和涪陵頁巖氣建產區均存在單井頁巖氣產量遞減速度快、遞減幅度大、產出效果差異明顯等突出問題，嚴重制約了規模建產工作的順利開展。

上述地質及開發特點預示著建產區內的優質海相頁巖存在著強烈的非均質性，而這種非均質性顯然無法利用頁巖沉積微相的平面分布來刻畫，需要另辟蹊徑，以反映建產區出現的平面上的產氣能力差異。

1.2 建產區優質海相頁巖巖相分類表征技術思路

大量研究[1-2,7-8,13-15]表明：作為自生自儲的頁巖氣，其單井產氣能力的高低，不僅要受到構造、沉積、成巖、成烴演化歷史與地質環境條件的控制，還與有機質含量高低及壓裂縫網構建好壞息息相關，即同時受到地質與工程等多因素影響。

科學刻畫建產區優質海相頁巖產氣能力差異的基本前提，就是要通過對地質與工程等多因素的對比分析，從中提取優質海相頁巖產氣能力差異的主控因素，制定優質海相頁巖巖相的分類方案。在此基礎上，確定出頁巖巖相分類參數，建立起實用的頁巖巖相分類參數計算方法，以便完整計算、合理識別建產區內每口頁巖水平井貫穿的整個目標層段的頁巖巖相類別。對比分析不同類別的頁巖巖相產氣能力差異，通過優中選優，確定優質海相頁巖內的甜點巖相類別。利用離散變量隨機模擬方法，建立優質海相頁巖全部巖相類別的三維可視化地質模型，在三維空間展示具有不同產氣能力差異的不同類別頁巖巖相的空間分布特征，揭示建產區內優質海相頁巖巖相對頁巖氣產氣能力差異分布的影響程度與作用特征。上述技術思路詳見圖3所示。

圖3 研究思路與技術方法流程Fig.3 Research ideas and technical processes

2 建產區優質海相頁巖產氣能力差異主控因素及巖相分類方案

2.1 建產區優質海相頁巖產氣能力差異主控地質因素分析

由于不同頁巖氣建產區之間往往存在構造、沉積、成巖、成烴演化歷史與地質環境條件等的差異，同一建產區內部則在構造、沉積、成巖、成烴演化歷史與地質環境條件等方面保持一致，或差異不大，因此，建產區內的產氣能力差異主要取決于不同區域有機質含量的不同及壓裂縫網構建的好壞。若能同時篩選得到反映有機質含量高低差異的地質因素，以及反映壓裂縫網構建難易不同的工程因素，并利用這些因素劃分建產區優質海相頁巖巖相，獲得的不同巖相類別必然具有不同的頁巖氣產氣能力，由此實現利用頁巖巖相鑒別建產區頁巖氣產氣能力差異的研究目標。

有關頁巖氣開發評價的研究成果[5,7,11-17]表明：1）來源于不同沉積微相中的頁巖成因類型，不僅顯示出巖石學特征差異，更代表了有機質原始產氣能力的不同，因此，頁巖成因類型代表了頁巖氣富集的物質基礎；2）頁巖氣層中有機質含量雖然僅僅代表了殘存有機質的多少，但由于頁巖氣建產區的范圍一般都較小，其沉積成巖過程、生烴演化歷史差別不大，地層溫度壓力變化也不大，現存的有機質含量多，意味著歷史上也多，有機質的生產力水平也就高，所以，建產區頁巖氣層中有機質含量高，預示著含氣性能更加優越；3）與常規天然氣一樣，頁巖氣層孔隙空間的大小，決定了游離天然氣儲存量的多少，孔隙空間大，游離天然氣量多，反之，則少；4）礦物種類與含量的不同，代表了產生天然及人工裂縫能力及維持水平的高低差異，脆性礦物含量高，產生天然及人工裂縫的能力及維持水平相對較高。

同一建產區內承擔鉆井與壓裂施工任務單位的技術水平和方案大體趨同，從而可以認為鉆井與壓裂工藝對氣體產出的影響也基本一致，因此，篩選出的頁巖成因類型、有機質含量、孔隙度、礦物組成這四大要素，既能代表海相頁巖有機質含量的高低差異，又能反映壓裂縫網構建的難易不同，從而能夠成為建產區優質海相頁巖產氣能力差異的主控地質因素。

2.2 建產區優質海相頁巖巖相分類方案的制定

包括作者[7]在內的眾多研究者[3-4,11-13,16]都曾提出過頁巖巖相分類方案，這些方案分別考慮了頁巖的巖石學特征、成因類型和有機質含量，主要應用于勘探階段的頁巖氣甜點識別與勘探潛力分析，且大多采用定性方法識別頁巖巖相。如2.1節所述，作為優質海相頁巖甜點所在的建產區，本文需要在建立的巖相分類方案中同時考慮海相頁巖的成因類型、有機質含量、孔隙度、礦物組成這四大要素，并利用建產區豐富的開發井資料開展優質海相頁巖巖相的定量識別。

首先，依據建產區所屬沉積微相差異獲得產氣頁巖的成因類型，并確定為巖相主名。比如，四川盆地五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中識別出了硅質陸棚、砂質陸棚、混積陸棚和泥質陸棚微相，將硅質陸棚微相中的頁巖巖相主名確定為硅質頁巖，砂質陸棚微相中的頁巖巖相主名確定為粉砂質頁巖，混積陸棚微相中的頁巖巖相主名確定為混合頁巖，泥質陸棚微相中的頁巖巖相主名確定為泥質頁巖（圖2）。

然后，選擇代表性的硅質礦物、鈣質礦物和泥質礦物，形成礦物含量三角圖[7]（圖4）。利用礦物含量三角圖，在頁巖成因類型確定的巖相主名前，添加第一級前綴名稱；含量大于75%的分別為硅巖、灰巖和泥巖，因不是頁巖，不屬本文的研究范疇；含量在50%～75%之間的第一級前綴名稱確定為“質”，25%～50%間確定為“含”。頁巖巖相主名前加上第一級前綴名稱構成頁巖巖相分類基礎方案[7]，如圖4所示。需要說明的是，混合頁巖的各類礦物均存在，且含量差異較小，為避免頁巖巖相名稱冗長，一般忽略第一級前綴名稱（圖2）。

圖4 基于有機碳含量，孔隙度，硅質、泥質和鈣質含量五端元的建產區海相頁巖巖相分類模式圖（Ⅰ泥巖、Ⅱ硅巖或粉砂巖、Ⅲ石灰巖或白云巖、Ⅳ硅質或粉砂質頁巖、Ⅴ泥質頁巖、Ⅵ鈣質頁巖、Ⅶ混合頁巖）Fig.4 The marine shale lithofacies classification pattern in the shale gas production area based on the five-terminal elements of organic carbon content,porosity,siliceous,muddy,and calcareous content(I mudstone,II siliceous or siltstone,III limestone or dolomite,IV siliceous or silty shale,V muddy shale,VI calcareous shale,and VII hybrid shale)

最后，在基礎方案上，加上有機質含量和孔隙度分別作為頁巖巖相的第二級和第三級修飾前綴。參考眾多學者的研究成果[11-13,16-17]，按有機質含量（TOC）和孔隙度（POR）的高低分別添加第二、第三級修飾前綴富碳（TOC>4%）、富孔（POR>8%），高碳（TOC=3%～4%）、高孔（POR=6%～8%），中碳（TOC=2%～3%）、中孔（POR=4%～6%），低碳（TOC=1%～2%）、低孔（POR=2%～4%），獲得圖4所示海相頁巖巖相分類方案。

3 典型建產區優質海相頁巖巖相的分類評價

3.1 頁巖巖相分類參數的確定與計算方法的建立

利用編制的頁巖巖相分類方案開展建產區優質海相頁巖巖相的分類評價，需要建立有機碳含量（TOC），孔隙度（POR），硅質、鈣質和泥質礦物含量的定量計算模型。考慮到巖芯分析化驗資料無法覆蓋整個建產區平面及各單井縱向的目標層范圍，地震資料難以精確計算出頁巖小層內部的儲層參數，本文選用測井方法建立上述各參數的定量計算模型。

3.1.1 有機碳含量（TOC）測井計算模型

國內外學者[18-20]分別采用電阻率—聲波重疊法、密度擬合法、自然伽馬能譜法和多元回歸法等建立了有機碳含量（TOC）測井計算模型。對巖芯分析TOC與自然伽馬能譜鈾值測井數據進行相關擬合（圖5）表明：采用分段自然伽馬能譜法得到的計算公式（1）和（2），對四川盆地威遠頁巖氣建產區TOC計算效果較好（圖2）。

圖5 威遠頁巖氣建產區TOC與U關系擬合圖（a）TOC與鈾值關系（U≤15×10-6）；（b）TOC與鈾值關系（U>15×10-6）Fig.5 The total organic carbon(TOC)and uranium(U)relationship in the Weiyuan shale gas production area

式中：U為自然伽馬能譜鈾值測井數據，×10-6；TOC為有機碳含量，%。

3.1.2 孔隙度測井計算模型

前人研究[18-20]表明：采用泥質含量和TOC校正后的補償中子，可以較好地表征頁巖儲層孔隙度的變化。依靠四川盆地威遠頁巖氣建產區巖芯分析孔隙度校正泥質含量和TOC后，得到孔隙度補償中子測井計算模型（3）；將該模型計算孔隙度與巖芯分析孔隙度相比（圖6），兩者基本保持在45度角的直線上，典型井的計算結果也充分顯示，該模型對四川盆地威遠頁巖氣建產區孔隙度計算的效果較好（圖2）。

圖6 威遠頁巖氣建產區巖芯分析孔隙度與測井計算孔隙度對比圖Fig.6 Porosity comparison of core analysis and log calculation in the Weiyuan shale gas production area

式中：CNL、VSH、TOC分別為補償中子測井值（%）、泥質含量（%）、有機碳含量（%），φ為計算的孔隙度（%）。

3.1.3 礦物含量測井計算模型

頁巖氣層中的礦物一般分為泥質、硅質、鈣質、鐵質四類，經對比分析，本文采用全組分體積模型預測法[21-22]來計算泥質、硅質、鈣質和鐵質礦物含量，公式（4）為建立的全組分體積模型，利用模擬退火算法求解，編制了計算軟件，完成了四川盆地威遠頁巖氣建產區泥質、硅質、鈣質和鐵質礦物的計算。

式中：AC、CNL、DEN……PE代表與頁巖組成相關的測井曲線；φ代表孔隙度，%；V代表第i種礦物組分所占體積百分數，%；ACi、CNLi、DENi……PEi代表第i種組分的測井響應值，i=（1，2，3，4，5，6），其中1代表硅質（石英），2代表鈣質（方解石、白云石），3代表鐵質（黃鐵礦），4代表泥質（伊利石、蒙脫石、綠泥石），5代表干酪根，6代表孔隙流體。

地層元素測井（ECS）是近年來提出的一種新的測井方法，其原理是利用對地層Si、Ca、Fe、S、Ti、Cl、Cr、Gd等元素的準確測量，實現對地層巖石類型及組成特征的準確判定[23]。該方法能實現全井筒范圍巖石類型的識別與判斷，相比巖芯分析識別地層巖性具有較大的優勢，但該方法現場實施費用昂貴，因而常常用來作為常規測井巖性識別的標準。圖2展示了采用上述全組分體積模型預測法識別的礦物含量結果與ECS解釋結果的對比，從對比結果來看，計算結果與ECS測井解釋結果具有良好的一致性，能較好地用來計算頁巖氣建產區單井礦物含量。

3.2 典型建產區頁巖巖相的單井識別及不同頁巖巖相產氣能力差異對比分析

采用上述測井計算模型，先后完成了四川盆地威遠頁巖氣建產區中15口水平井TOC含量，孔隙度，泥質、硅質、鈣質礦物含量的計算，利用前述建立的頁巖巖相分類方案實施了各單井頁巖巖相的分類識別，對比了不同巖相類型的TOC含量及其含氣性，分析了不同頁巖巖相的產氣能力差異。完成上述工作后，在四川盆地威遠頁巖氣建產區中識別出10類巖相，統計出了各類巖相的TOC含量與含氣量特征（表1、圖7），得到如下三條認識。

表1 四川盆地某頁巖氣建產區識別出的不同巖相類型與產氣能力差異特征統計表Table 1 Statistics of different lithofacies types and their gas production capacity in the Weiyuan shale gas production area

圖7 威遠頁巖氣建產區不同巖相平均TOC含量（左）與平均總含氣量（右）對比圖（巖相代碼見表1）Fig.7 Comparison of the average TOC content(left)and the average total gas content(right)of different lithofacies(lithofacies codes are shown in Table 1)in the Weiyuan shale gas production area

（1）對比分析不同巖相的含氣性特征，不難看出，無論是自由氣、吸附氣，還是總含氣量，這10類巖相間均體現出較大的差異性；由于頁巖氣是致密儲層，水平井壓裂后產出的氣體基本來源于頁巖氣井周緣區域，遠井地帶的頁巖氣沒有滲流通道，極難滲流到達井筒，因此，井周含氣性能優越，頁巖氣井的產氣能力就越強，否則，就弱。表1展現出來的含氣性差異，將直接體現出不同巖相產氣能力的不同，即是說，表1可以算作四川盆地威遠頁巖氣建產區頁巖巖相與產氣能力間的關系模型，依據這個模型，就可以利用頁巖巖相來直接判斷產氣能力的優良程度。

（2）四川盆地威遠頁巖氣建產區內TOC含量相對較高的五類巖相為：a富碳高孔含鈣泥質硅質頁巖，c富碳富孔混合頁巖，d高碳高孔混合頁巖，g高碳高孔含鈣泥質粉砂質頁巖，b高碳中—高孔含鈣含泥硅質頁巖；含氣性相對較好的五類巖相為：c富碳富孔混合頁巖、a富碳高孔含鈣泥質硅質頁巖，b高碳中—高孔含鈣含泥硅質頁巖，d高碳高孔混合頁巖，g高碳高孔含鈣泥質粉砂質頁巖。

（3）四川盆地威遠海相頁巖氣建產區內TOC含量高的巖相與含氣性較好的巖相類型基本一致（表1、圖7），但由于頁巖層內氣體在生成后的漫長地史時期會發生局部微運移[15]。因此，含氣性除了與TOC息息相關外，還受到頁巖成因類型、孔隙度和礦物含量的影響，這從另一個角度證實了采用頁巖成因類型、有機質含量、孔隙度、礦物組成四要素編制建產區優質海相頁巖巖相分類方案的科學合理性。

4 頁巖巖相三維可視化建模及對建產區產氣能力差異的影響

4.1 頁巖巖相的三維可視化建模

在沉積微相縱向分布差異性分析基礎上，同時考慮巖相類型的不同，以及測井曲線顯示的沉積旋回差異，將四川盆地威遠頁巖氣建產區產氣頁巖層由下到上細分為6個小層（圖2），其中，混積陸棚分布在1號、2號、4號、5號三個小層，硅質陸棚分布在3號小層，砂質陸棚分布在6號小層；利用發育于五峰組頂部、整個四川盆地廣泛發育的觀音橋薄層（<1 m）灰質泥巖及介殼灰巖[24]作為區域標志層，完成區內各小層的多井橫向對比，結果表明，各小層平面沉積微相在建產區內沒有變化。為此，采用確定性算法，直接按層建立獲得四川盆地威遠頁巖氣建產區沉積微相三維模型，如圖8和圖2所示，1號和2號小層為混積陸棚，3號小層為硅質陸棚，4號和5號小層為混積陸棚，6號小層為砂質陸棚。

圖8 威遠頁巖氣建產區沉積微相三維模型柵狀圖Fig.8 The grid map of the three-dimensional(3D)sedimentary microfacies model in the Weiyuan shale gas production area

將建產區內所有單井巖相數據數值化，生成沿井軌跡的巖相曲線，按照沉積微相約束巖相的策略，優選截斷高斯模擬算法[25-26]建立了四川盆地威遠頁巖氣建產區的巖相三維模型（圖9）。

圖9 四川盆地威遠海相頁巖氣建產區頁巖巖相三維模型分布圖（圖中黑色線為直井或水平井軌跡線）Fig.9 The 3D lithofacies model in the Weiyuan shale gas production area(The black line is a straight or horizontal well trajectory)

4.2 優質海相頁巖產氣能力差異的巖相表征與評價

由建立的研究區三維巖相模型，統計分析區內三維空間中所占體積比例較多的五類巖相分別為：a富碳高孔含鈣泥質硅質頁巖，d高碳中—高孔含鈣含泥硅質頁巖，g中—高碳中—高孔含鈣含泥粉砂質頁巖，e高碳中—高孔混合頁巖，b富碳富孔混合頁巖（表1）。結合3.2節的分析結果，四川盆地威遠海相頁巖氣建產區五峰組—龍馬溪組優質海相黑色頁巖內，同時滿足在三維空間中所占體積比例大和生氣潛力大的三種優良巖相類型為：a富碳高孔含鈣泥質硅質頁巖，b富碳富孔混合頁巖，d高碳中—高孔含鈣含泥硅質頁巖。

依靠表1建立的頁巖巖相與產氣能力間的關系及統計的各類巖相在三維空間所占的體積比例，利用圖9給出的建產區各小層各類頁巖巖相在三維空間的分布特征，即可得到建產區內產氣能力高低差異特征和規律。圖9g展示了沿A、B兩口水平井軌跡剖切的三維巖相模型。其中，A井測試產量11.07萬方/日，壓裂長度1 458 m，加砂量2 600方；B井測試產量21.8萬方/日，壓裂長度1 438 m，加砂量1 500方。兩口井的壓裂長度近等，加砂量A井比B井多接近1倍，而測試產量A井只有B井的1半。兩口井的生產結果充分表明，A井的產氣能力明顯低于B井，而其中的原因正好能從兩口井的井軌跡穿越的巖相類型的產氣能力差異得到解釋；從圖9g明顯可以看出，左側A井井周分布的巖相的產氣能力明顯低于右側B井。由此可見，利用本文所建立的三維巖相模型能夠有效揭示頁巖氣井產氣能力差異的原因，從而為合理安排氣井生產工作制度，實現頁巖氣建產區的精細化生產管理提供堅實的理論基礎與有力的技術支撐。

5 認識與結論

（1）當前，中國頁巖氣建產區面臨著單井產量大幅度遞減，井間遞減幅度及產出效果差異巨大等科學技術難題，急需開展建產區優質海相頁巖內部產氣能力差異原因解析，頁巖巖相分類評價與三維可視化建模則是解決上述難題的有效手段。

（2）圍繞頁巖氣建產區典型特點，建立了優質海相頁巖巖相分類評價與三維可視化建模技術流程，包括建產區優質海相頁巖產氣能力主控因素分析及巖相分類方案編制、巖相分類評價、巖相三維可視化建模與產氣能力差異表征等3個關鍵技術環節，各個技術環節相互關聯、缺一不可，具體應用時需要從建產區的實際特征出發，按照文中論述的各個技術環節的具體操作步驟逐一開展各項工作；需要說明的是，將上述方法應用于開發初期，考慮到井網密度較小，需要利用地震預測以增加井間插值的可靠性，同時由于地震資料分辨率的限制，巖相縱向的描述精度只能到層組級別。

（3）采用所建立的技術流程完成的應用實例，揭示了頁巖巖相類型與產氣能力間的關系，依靠這個關系，利用所建的巖相三維模型，展示了區內五峰—龍馬溪組海相黑色頁巖內部產氣能力的差異特征，同時優選出該區產氣能力較好的三類巖相——富碳高孔含鈣泥質硅質頁巖、富碳富孔混合頁巖和高碳中—高孔含鈣含泥硅質頁巖，從而為建產區精細化生產管理提供了理論基礎與技術支撐。

致謝 感謝四川省科技計劃（2021YFQ0049）、國家科技重大專項（2017ZX05035003）和國家重點基礎研究發展計劃（2014CB239205）的資助，感謝評委們提出的寶貴修改意見，感謝編輯們認真細致的審校。