荊門探區五峰組–龍馬溪組頁巖儲層特征及甜點層段評價

李小明，柳吉榮，吝 文，馬麗紅，劉德勛，陳宇杰

受煤層氣長期低效開采工作的延伸和天然氣勘探開發領域不斷拓展雙驅動，煤系頁巖氣及煤系“三氣”綜合勘探初見成效。勘探開發煤系氣具有安全、能源、環保三重效益，同時也是實現碳達峰、碳中和目標的重要舉措。緊跟行業典型區塊成功開發案例，圍繞煤系氣地質條件和資源潛力綜合評價、甜點區優選、勘探開發關鍵技術等主題方向，遴選相關論文集中發表，以期促進同行交流和類似區塊煤系氣勘探開發技術進展。

荊門探區五峰組–龍馬溪組頁巖儲層特征及甜點層段評價

李小明1，柳吉榮1，吝 文2，馬麗紅1，劉德勛2，陳宇杰1

(1. 華北科技學院 安全工程中心，北京 101601；2. 中國石油勘探開發研究院頁巖氣研究所，北京 100083)

荊門探區；五峰組–龍馬溪組；儲層特征；甜點層段

中上揚子地區早古生代海相富有機質頁巖是我國頁巖氣研究的熱點層系[1-3]，針對這一主力層系的頁巖氣儲層評價參數、評價方法、甜點預測以及勘探開發取得了一系列重要進展[4-6]，在此基礎上建成了涪陵、長寧、威遠等頁巖氣國家示范區，并實現了商業化開發。然而大量的理論研究和勘探實踐工作主要集中在四川盆地南部，鄂中荊門地區作為四川盆地的外延，下古生界五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖具有厚度大、分布面積廣、有機質豐度高、成熟度高、含氣量大等特點，和四川盆地頁巖氣聚集條件相似[7-8]，但由于其埋藏深，處于深水陸棚沉積邊緣等特點，勘探開發風險較大。前人對荊門區塊的研究主要集中在有利區評選及甜點區預測方面，僅從地質角度定性地對頁巖儲層進行了研究，頁巖儲層研究相對薄弱。

近年來，中國石油、中國石化以及中國地質調查局等單位在該區相繼開展了初步的勘探工作，并取得了寶貴的第一手資料，筆者以區塊X井測錄井資料和含氣頁巖段系統取樣為基礎，通過多種分析測試方法，對區塊五峰組—龍馬溪組含氣儲層段進行系統評價，優選儲層綜合有利頁巖甜點層段，以期為水平井部署提供地質依據。

1 地質概況

荊門探區位于中揚子區鄂中褶皺帶當陽復向斜，屬秦嶺–大別山構造帶南緣大洪山沖斷褶皺帶前緣，為大巴山與大洪山弧形沖斷褶皺帶的前緣過渡區，南鄰宜都–鶴峰背斜帶，北鄰巴洪沖斷背斜帶，西鄰黃陵隆起，東靠樂鄉關–潛江復背斜[7]。研究區整體構造簡單，為北西高東低的斜坡，局部發育褶皺、裂隙等微構造。自下而上發育震旦系至下三疊統淺海碳酸鹽巖及碎屑巖，地表出露三疊系。其中，上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組發育了一套深水陸棚相的黑色含筆石炭質泥頁巖[7]，區內優質頁巖(TOC質量分數大于2%)厚度在20 m左右。X井位于當陽復向斜巡檢–溪前向斜帶，根據電性、巖性及生物帶變化特征，將五峰組–龍馬溪組含氣頁巖段(即五峰組—龍一1亞段)分為6個小層(五峰組分上下兩段)(圖1)，并根據相關測試數據討論各小層的儲層特征與差異，優選有利的頁巖氣儲層段。

2 含氣頁巖段儲層特征

2.1 巖石學特征

2.2 頁巖礦物組成

圖 1 荊門探區X井五峰組—龍一段綜合柱狀圖

圖2 X井五峰組—龍一段礦物質量分數分布

2.3 有機地球化學特征

2.3.1 有機質豐度

2.3.2 有機質顯微組分及成熟度

選取32個巖心樣品處理為干酪根，并在顯微鏡下進行有機質鑒定，結果顯示，樣品中有機質主要呈絮狀無定形體(可能為藻類、動物碎屑等有機成分)，少量為具有一定規則形狀的鏡狀體或瀝青。透射光下多為黑色、褐黑色，熒光下不可見(圖4)，干酪根類型指數為31.00～57.25，為Ⅰ–Ⅱ2型。30件樣品干酪根13C碳同位素值為–27.83‰～–42.33‰，均值為–32.95‰，僅有2件樣品的13C大于–28.0‰，干酪根類型為Ⅰ–Ⅱ1。綜合鏡檢照片、同位素數據分析成果得出，該井有機質類型以Ⅰ型干酪根為主。

對X井的32個干酪根樣品瀝青質反射率進行測定，其中2個無可測顆粒，18個可測顆粒較少，瀝青質反射率折算后的值為2.24%～3.38%，平均2.71%，表明頁巖處于過成熟生氣階段。富有機質頁巖處于有效熱解氣范圍是控制氣源的重要因素，但過高的熱演化程度會導致有機質炭化，有機孔塌陷，吸附能力降低[11-12]。

2.4 儲層孔隙結構特征與物性

頁巖儲層孔隙微觀結構包括巖石孔喉大小、形態、分布及內部連通情況。研究儲層微觀孔隙結構特征，對優選儲層有利的甜點層段意義重大[13-15]。本文基于核磁共振技術和CT掃描技術的快速、無損檢測特點，聯合分析孔隙結構特征。

圖3 荊門頁巖氣探區五峰組—龍一段頁巖照片

表1 荊門探區X井五峰組－龍一段頁巖礦物組成

圖4 荊門頁巖氣探區五峰組—龍一段干酪根顯微組分(埋深3 122.89 m，層位為龍一)

2.4.1 核磁共振分析

核磁共振可確定儲層的孔隙率、飽和度及孔徑大小，定量表征頁巖孔隙連通性。頁巖孔徑越小，其T2弛豫時間越短，T2譜峰的位置反映頁巖的孔徑大小，峰包絡的面積與對應孔徑的多少有關[13-14]。實驗樣品為五峰組—龍一2的13塊頁巖樣品，飽和溶液礦化度為2%，采用低磁場核磁共振巖心分析儀，實驗參考SY/T 6490—2000《巖樣核磁共振參數實驗室測量規范》進行。

分析測試獲得的代表性T2譜如圖5所示，飽和水頁巖T2譜可分為2類5型，即：雙峰(A類)和三峰(B類)兩類，其中雙峰又可劃分為分離雙峰(A1，圖5a)和連續雙峰(A2，圖5b)兩型；三峰又分為分離三峰(B1，圖5c)、連續三峰(B2，圖5d)和連續—分離三峰(B3，圖5e—圖5f)三型，不同類型的T2譜反映了頁巖的不同孔徑分布特征，不同類型的T2譜縱向上沒有顯示出規律性。

一類一型(A1)分離雙峰型占比較大，為38.5%。飽和水狀態T2譜呈雙峰，且左右峰完全分離，右峰核磁信號幅度也遠小于左峰，左峰T2弛豫時間分布在0.01～2 ms(微孔)，右峰T2弛豫時間分布在8～100 ms(中孔、宏孔及微裂縫)，說明微孔與中孔、宏孔連通性差，且以微孔發育為主。

一類二型(A2)連續雙峰占23.1%。飽和水狀態T2譜呈雙峰，且左右峰連續，右峰核磁信號幅度也遠小于左峰，左峰T2弛豫時間分布在0.1～10 ms(微孔、中孔)，右峰T2弛豫時間分布在10～50 ms(中孔)。說明以微孔和中孔發育為主，且連通性好。

圖5 樣品 T2譜分布

二類一型(B1)分離三峰型占比較小，為7.7%。飽和水狀態T2譜呈三峰，且左中右峰完全分離，左峰信號T2弛豫時間分布在0.01～2 ms(微孔)，且信號最強，中峰T2弛豫時間分布在2～10 ms(微孔、中孔)，右峰T2弛豫時間分布在10～100 ms(中孔、宏孔及微裂縫)。說明微孔與中孔、宏孔連通性差，且以微孔發育為主。

二類二型(B2)連續三峰型占比較小，為7.7%。飽和水狀態T2譜呈三峰，且左中右峰連續，左峰信號T2弛豫時間分布在0.01～2 ms(微孔)，且信號最強，中峰T2弛豫時間分布在2～10 ms(微孔、中孔)，右峰 T2弛豫時間分布在10～100 ms(中孔、宏孔及微裂縫)。說明微孔與中孔、宏孔連通性好，且以微孔發育為主。

二類三型(B3)連續分離三峰型占比23.1%。飽和水狀態T2譜呈三峰，可分為左中峰連續、中右峰分離或左中峰分離、中右峰連續兩種情況，左峰信號T2弛豫時間分布在0.01～2 ms(微孔)，信號最強，中峰T2弛豫時間分布在2～10 ms(微孔、中孔)，右峰T2弛豫時間分布在10～100 ms(中孔、宏孔及微裂縫)，以微孔發育為主。

與干燥樣的T2譜圖對比發現，2個譜峰面積之差較大，反映孤立孔主要為小于2 nm的微孔，且信號強度小，占比非常小。T2譜左峰占比很大，而右峰占比很小，表明頁巖樣品束縛水飽和度很高，而可動流體飽和度很低(表2，圖5)。

表2 X井頁巖巖心物性測試成果

注：氣測測試條件，測試氣體為氮氣、測試圍壓6.89 MPa、孔隙壓力為1.38 MPa；核磁測試條件為飽和溶液礦化度2%，實驗參考SY/T 6490—2000《巖樣核磁共振參數實驗室測量規范》進行。

2.4.2 巖心CT掃描分析

微納米CT掃描技術可實現對巖心微觀孔隙類型、孔喉特征、連通性等無損、直觀可視化描述[15]。實驗儀器為ltraXRM-L200型納米三維立體成像儀，樣品為五峰組—龍一2的4塊頁巖樣品，掃描分辨率0.064 μm，CT測試孔隙率見表2，CT孔隙顆粒骨架如圖6所示。在CT掃描圖像中，不同密度對象有不同的CT值，表現為不同的灰度值，頁巖礦物顆粒密度最大，圖像中呈現白色或灰白色；而發育微孔隙、微裂縫的頁巖密度最小，在圖像中為黑色[12]。為提高圖像視覺分辨力，突出孔隙骨架，對頁巖圖像進行偽彩色增強，如圖6所示，可直觀觀察頁巖的孔隙結構及連通性。

2.4.3 物性特征

本次采用氣測、核磁、測井和CT掃描4種方法評價儲層物性。

與其他測試方法相比，7個巖樣的氣測孔隙率均偏低，也具有與滲透率正相關性的特征(圖8)。

4個樣品的CT孔隙率測值均較大(表2)，遠遠高于氣測孔隙率結果，一方面可能是由于氣體吸附測試主要用于表征連通的孔隙，而納米CT掃描所表征的孔隙包含連通孔和封閉孔，另一方面，對于孔喉特征相對復雜的頁巖儲層，圖像二值化處理時在閾值選取中的主觀因素影響較大所致。

圖6 頁巖樣品顯微CT 圖像的偽彩色增強

圖7 X井核磁孔隙率與滲透率關系

圖8 X井氣測孔隙率與滲透率隨深度變化

X井奧陶系臨湘組–龍馬溪組龍一2亞段3 085～3 185 m核磁測井所獲取的孔隙率如圖1所示。由于塌孔等原因，頁巖段核磁數據受到井眼一定的影響，受影響較小層段3 116～3 121 m核磁總孔隙率4%～11%，有效孔隙率2%～8%，自由流體孔隙率小于2%，孔隙結構主要以小孔隙為主。3 128 m以下碳酸鹽巖段井況良好，核磁總孔隙率低于4%，有效孔隙率基本低于2%，也具有與滲透率呈正相關性的特征(圖9)。

圖9 X井測井孔隙率與滲透率隨深度關系

氣測、核磁實測孔隙率、相對測井解釋孔隙率偏小(圖1、表2)，嚴重低于南方海相頁巖孔隙率1%～5%[19]，更低于美國典型含氣頁巖總孔隙率(多介于1%～10%，平均4.22%～6.51%)[19-20]，受影響較小層段(3 116～3 121 m)的測井總孔隙率為4%～11%，更符合實際孔隙率值。但整體變化趨勢與測井解釋孔隙率一致，孔隙率與滲透率具有正相關特征，且與TOC呈高度正相關，說明有機質為頁巖氣提供了主要的儲集空間。就所取樣品而言，表現為特低滲特征。

2.5 含氣性特征

2.5.1 含氣量

圖10 X井實測含氣量與埋藏深度的關系

圖11 X井頁巖TOC與含氣量關系

2.5.2 頁巖氣組分

X井五峰組—龍一2段28個巖心樣品氣相色譜檢測結果顯示：3 040～3 140 m井深段，以3 110 m為界顯示出截然不同的頁巖氣組分組合特征，之上頁巖氣組分以氮氣為主，18個樣品的氮氣摩爾分數為42.46%～96.30%，平均73.90%，其次為甲烷，摩爾分數分布在3.70%～52.08%，平均19.52%；3 110 m之下則以甲烷為主，11個樣品的甲烷摩爾分數介于43.22%～98.51%，平均93.74%，氮氣摩爾分數介于0～47.99%。二氧化碳低于10%，乙烷低于2%。五峰組—龍一亞段干燥系數較高，頁巖氣品質較好(圖12)。

圖12 X井頁巖氣組分與埋藏深度的關系

3 甜點層段優選

探區頁巖儲層在縱向上厚度近500 m，且儲層非均質性強，需要優選縱向上儲層的甜點層段，以有效指導水平井箱體部位及水平井軌跡的優化。

針對不同勘探區塊的特點，目前對儲層甜點層段優選的參數及閾值選取不同。本次針對X井的評價方法和參數體系主要參考美國頁巖氣的勘探成功經驗[21-22]及國內對中國海相頁巖氣儲層評價標準[23-24]，結合X井測井及巖心分析資料，從地質和工程兩個方面對五峰組—龍馬溪組頁巖儲層進行綜合評價，優選開發甜點層段。地質條件主要包括有機質類型、有機碳含量、有機質成熟度、孔隙率、含氣性等；工程條件主要考慮影響壓裂效果的脆性指數，評價參數指標見表3。

表3 X井頁巖儲層分類標準

3.1 地質甜點層段優選

3.2 工程甜點層段優選

表4 X井頁巖儲層分類評價結果

注：表中0.13～2.67/0.72表示最小～最大值/平均值，其他同。

4 結論

c. 氣測和核磁實測孔隙率值相對測井解釋孔隙率偏小，受塌孔影響較小層段3 116～3 121 m的測井總孔隙率為4%～11%，更符合實際孔隙率值。3種孔隙率變化趨勢一致，孔隙率與滲透率均具有正相關特征，且均表現為特低滲特征。

d. 飽和水頁巖核磁共振 T2譜可分為2類5型，不同類型的T2譜所反映的頁巖孔徑分布特征具有差異性，縱向上無規律性。

e. X井3 040～3 140 m井深五峰組—龍一2段以3 110 m為界顯示出截然不同的頁巖氣組分組合特征，之上以氮氣為主，摩爾分數平均73.90%；之下則以甲烷為主，摩爾分數平均93.74%，干燥系數較高，頁巖氣品質較好；五峰組—龍一1亞段整體實測含氣量大于2.0 m3/t。

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Characteristics of the shale gas reservoirs and evaluation of sweet spots in Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Jingmen exploration area

LI Xiaoming1, LIU Jirong1, LIN Wen2, MA Lihong1, LIU Dexun2, CHEN Yujie1

(1. Safety Engineering Center, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China; 2. Department of Shale Gas, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083)

Jingmen exploration area; Wufeng Formation and Longmaxi Formation; reservoir character; sweet spot

語音講解

P618.13

A

1001-1986(2021)06-0001-11

2021-04-13；

2021-06-16

國家科技重大專項項目(2017ZX05035)；中國石油天然氣股份有限公司重點項目(2017B49，2019F–31)

李小明，1970年生，男，山西大同人，博士，教授，從事非常規油氣地質方面的教學和研究. E-mail：lixm@ncist.edu.cn

馬麗紅，1983年生，女，內蒙赤峰人，碩士，講師，從事礦物巖石方面的教學和研究. E-mail：Malh@ncist.edu.cn

李小明，柳吉榮，吝文，等. 荊門探區五峰組–龍馬溪組頁巖儲層特征及甜點層段評價[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(6)：1–11. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.001

LI Xiaoming，LIU Jirong，LIN Wen，et al. Characteristics of the shale gas reservoirs and evaluation of sweet spots in Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Jingmen exploration area[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：1–11. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.06.001

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(責任編輯 范章群)