頁巖氣儲層評價參數研究概述

梁 博，劉友南，封宇博，鄧春濤

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西西安 710065）

1 頁巖氣藏基本特征

1.1 頁巖氣成藏過程

頁巖氣（或稱氣頁巖）是由富含有機物的黑色頁巖產生的天然氣，或在頁巖中納米級微孔中不斷積累的自生自儲天然氣。與傳統的原油和天然氣相比，頁巖氣含有較高的甲烷，并且成分多樣，包括少量的乙烷、丙烷、CO2、N2等成分[1]。對于頁巖氣的研究，人們發現其成藏特點與常規的天然氣相比有很大區別。頁巖氣的成藏模式為“原地”成藏，即在烴源巖內部完成了生烴、排烴、運移、聚集和保存的過程，不間斷供氣并且連續聚集形成。此外，頁巖氣還可以存在于夾層狀的粉砂巖、泥巖和粉砂質泥巖，甚至是砂巖地層中[2]。

頁巖氣的成藏過程非常復雜，涉及成因、賦存和聚集等多個方面。主要表現為典型的吸附、活塞式或置換式成藏機理[3]。

頁巖氣的成藏過程可以分為三個階段，每個階段都包含著密不可分的因素。首先，在儲層形成早期，頁巖氣通過吸附和溶解在地層流體中的方式存在，這是頁巖氣富集的第一個過程；其次，隨著時間的推移和溫度壓力的變化，富余的天然氣逐漸聚集于頁巖基質孔隙和裂縫中，并形成氣體儲集區域，這是頁巖氣富集的第二個過程；最后，隨著生烴的不斷發生，排烴作用會形成更大規模的氣藏，這是頁巖氣富集的最后一個過程[3]。

1.2 頁巖氣賦存狀態

頁巖氣賦存于頁巖層系中的方式主要包括吸附氣、溶解氣和游離氣三種[4]。國內外學者普遍認為，吸附氣和游離氣是頁巖氣儲量的主要來源，而溶解氣占比較小。鑒于吸附氣和游離氣是儲藏豐度最大的兩種氣體類型，對于評估頁巖氣資源潛力和提高勘探成功率具有重要意義。

游離氣是指處于無序狀態且不與其他物質發生作用的氣體，它通常富集在頁巖的裂縫和孔隙之間。而溶解氣則是指氣體直接溶解在水中形成的氣體。頁巖氣儲集空間具有多尺度特征以及多孔縫系統。頁巖氣在構造轉折帶、地應力相對集中帶以及褶皺-斷裂發育帶等位置存在。頁巖氣儲層主要由納米孔隙組成，有效孔隙度低于10%，滲透率低于1 mD，具有超低孔隙度和超低滲透率的特征。

在研究頁巖氣的儲層特征時，孔隙結構被認為是非常重要的因素之一。這是因為頁巖的氣體賦存方式和產量水平直接受到其孔隙特性的影響。頁巖的孔隙幾何結構、類型、大小、分布以及孔容等參數對它的儲層質量具有重要意義[5]。尤其是孔隙連通性對于氣體在巖石中運移的影響尤為顯著。此外，孔比表面積是評價頁巖儲層物理性質的重要指標之一。因此，了解頁巖儲層的孔隙結構特征可以為頁巖氣開發提供深入的認識和科學依據。

2 頁巖氣儲層特征

頁巖氣藏表現出源儲一體，往往沒有明顯的圈閉界限。頁巖氣儲層致密，以納米孔隙為主要特點，通常賦存于富有機質的細粒沉積巖中，即頁巖。頁巖石中包含有機質、礦物質、水和氣體等組成部分。儲層包括高碳泥頁巖這樣的富有機質巖石，還包括黑色頁巖所夾的薄層泥質粉砂巖和各種砂巖[6]。頁巖的分布和巖石組成表現出多樣性和非均質性，這導致了儲層孔隙結構和滲流特征的差異非常大。在研究頁巖氣儲層時必須具體問題具體分析，采用不同的方法和技術進行區別處理。

頁巖氣儲層是一種主要由瀝青質或含有機質的暗色、黑色泥頁巖和高碳泥頁巖構成的巖性。其組成包括30%～50%的黏土礦物、5%～25%的粉砂質和碳酸鹽巖以及4%～30%的有機質[7]。根據北美頁巖氣儲層的數據，該類型巖心的孔隙度在4.0%～6.5%，平均值為5.2%。滲透率通常為（0.001 0～2.000 0）×10-3μm2，平均為0.040 9×10-3μm2。然而，在斷裂帶或裂縫發育帶，頁巖氣儲層的平均孔隙度可高達11.0%，滲透率可達2.000 0×10-3μm2。這些特點說明了頁巖氣儲層的封閉性和低滲透性，限制了頁巖氣的遷移和儲集[8]。

通過對頁巖氣儲層與常規儲層特性的比較研究，認為影響頁巖氣儲層的特性必須要考慮吸附氣量與游離氣量這兩個影響因子。儲層礦物組分、有機地球化學特征等因素是影響吸附氣量的重要因素，而儲層物性、儲集空間等因素則會影響游離氣量。此外，儲層含氣性也是頁巖氣儲層的重要特征之一。

因此，在頁巖氣儲層的勘探和評價過程中，需要對吸附氣量、游離氣量和儲層含氣性等因素進行綜合分析和評價。

3 頁巖氣儲層評價參數

綜合前人的研究成果，本文分析和總結了頁巖氣儲層的地質特征及其影響因素。在此基礎上，選取了總有機碳含量、有機質成熟度、含氣性、頁巖有效厚度、儲層物性、礦物組分和脆性這七個因素作為評價頁巖氣儲層的綜合指標。

3.1 總有機碳含量評價

干酪根富集程度是影響頁巖氣聚集的關鍵因素。總有機碳含量（TOC）是評價頁巖氣儲層的重要參數之一[9]。它被視為頁巖中最關鍵的“地質甜點”，可反映出該儲層的生烴能力和含氣量多少。較高的TOC 值表明有效源巖具有更強的生烴潛力，這也意味著頁巖氣儲層裂縫中可能會存在更多的游離氣和吸附氣（圖1）。北美地區的研究表明，具有商業價值的頁巖氣藏的TOC 通常在2%～10%[10]。

圖1 頁巖總有機碳含量與含氣量關系[11]

在實際應用中，常用的分析方法包括熱重分析（TGA）、元素分析、紫外線吸收法等。其中，熱重分析是一種常用、高精度的分析方法，可以用于測定樣品中有機質含量和有機質類型，該方法基于樣品在恒定溫度下加熱，測量樣品失重率，從而確定樣品中有機質含量。匡立春等[12]提出了中國陸相頁巖的TOC 分級評價標準，考慮到其在不同地區的含量差別，并根據形成的湖盆環境將其分為兩種類型（表1）。

表1 TOC 分級評價標準

3.2 有機質成熟度評價

成熟度是反映有機質是否已經進入熱成熟生氣階段（生氣窗）的重要指標[13]。其中，鏡質體反射率（Ro）被廣泛應用于表征生油巖成熟度。通常情況下，可以根據Ro 的變化將有機質的演化分為三個階段。當Ro≤0.5%時，有機質處于未成熟階段；當0.5%＜Ro＜1.6%時，樣品處于成熟階段，非常有利于油氣的形成。特別地，Ro 為0.5%～0.8%時，進入成熟階段初期；Ro 為0.8%～1.2%時，處于成熟階段中期；Ro 為1.2%～1.6%時，處于成熟階段末期。但當Ro≥1.6%時，屬于過成熟階段，不再有油氣的生成。因此，烴源巖的有機質成熟度與其是否能夠生成油氣直接相關，從而成為評價頁巖氣儲層的關鍵因素之一[14]。也要根據頁巖有機質類型和生烴演化過程來考慮，關鍵是可判斷出大量生氣階段。

3.3 含氣性評價

目前，計算吸附氣含量的方法為等溫吸附實驗和測井解釋相結合，并采用經典的Langmuir 模型進行計算（圖2）。Langmuir 模型常常需要對頁巖氣儲層的溫度、壓力和總有機碳含量等參數進行校正[15]。

圖2 頁巖吸附氣實測值與Langmuir 模型擬合值對比

梁彬等[16]基于Langmuir 模型，建立了同時考慮溫度、壓力和鏡質體反射率的多因素吸附能力計算模型，可以提供一定的頁巖氣儲層評價指導。也有學者提出了結合多因素吸附氣計算方法，比如：D-R 法、BET 法和分子模擬計算方法，但是由于頁巖氣儲層的復雜性，不同方法計算出來的吸附量可能會有較大差異。因此，需要進行多種方法綜合比較，才能更準確地確定頁巖氣儲層的吸附量。

頁巖氣儲層游離氣含量的計算采用體積法，而計算精度關鍵在于頁巖氣儲層含水飽和度的計算精度。通常使用阿爾奇公式及其修正公式計算含水飽和度，利用游離氣含量與影響因素之間的相關性通過多元參數擬合求解。

3.4 頁巖有效厚度評價

與常規油氣藏一樣，頁巖氣藏的形成和富集也需要在一定范圍內具備有機質充足和儲集空間充裕的條件。對于商業性頁巖氣來說，其有效厚度必須達到一定數值，以保證儲存空間和有機質含量足夠，并且確保后續的壓裂施工能夠進行。

有效厚度是指單井壓裂后在縱向上被壓裂裂縫控制，且對產出油氣有一定貢獻的產層厚度。為了保證儲滲空間和有機質充足，通常要求直井厚度大于30 m[13]。但由于水平鉆井和分段壓裂等技術的應用，頁巖有效厚度可能低于這個下限值。因此，“有效頁巖”的定義是高伽馬（GR≥100 API）、含有機質（TOC＞2%）、處于熱成熟生氣窗內（Ro≥1.1%）、高脆性礦物含量（脆性礦物含量＞40%；黏土礦物含量＜30%）、充氣孔隙度＞2%和滲透率＞1×10-7μm2的富有機質頁巖[17]。

北美頁巖氣探采實踐表明，頁巖有效厚度一般要在15～50 m。需要強調的是，當有效頁巖連續發育時，其有效厚度只需≥15 m 即可，但如果有效頁巖為斷續發育或TOC 含量低于2%，則需要累計厚度≥30 m 才能滿足商業勘探開發要求。若存在夾層，夾層厚度≤1 m，若夾層厚度＞1 m 且所占比例＜30%，也可以被接受。

頁巖有效厚度愈大，尤其是連續有效厚度愈大，有機質總量也愈大，生成氣量也會更多，從而可能導致頁巖氣的富集程度更高。

3.5 儲層物性評價

通過對頁巖的孔隙度、滲透率及含氣飽和度等物性的分析，評價頁巖氣儲層的儲氣能力大小[13]。

3.5.1 頁巖孔隙度 孔隙度是評價油氣儲層的重要參數之一，對于確定巖石儲集空間、流體飽和度以及油氣地質儲量等均具有重要意義[18]。實驗室測定頁巖氣儲層孔隙度的測量和分析方法主要有兩種：GRI 方法和GB/T 29172—2012 巖心分析方法[19]。付永紅等[20]對樣品烘干溫度、粉碎粒徑、樣品洗油、飽和壓力和平衡時間等因素對頁巖孔隙度測定結果的影響進行了探討，并給出了相應的最優測試條件。

評價頁巖孔隙度的常用測井方法包括吸水率法、自然伽馬輻射測井（NGR）法、核磁共振測井（NMR）法、孔隙度測井法（圖3）；其中，吸水率法是最簡單、最常用的方法之一，它通過在地層孔隙中加入水分并測量儲層飽和度的變化來評價孔隙度。自然伽馬輻射測井法和核磁共振測井法則以孔隙度與地層中巖石元素含量、核磁共振參數等特征之間的關系為基礎，通過測量地層中的伽馬射線和核磁共振信號來評價孔隙度。而孔隙度測井法則是利用聲波速度、密度等物理參數來計算孔隙度值。這些方法都可以直接在井內進行測量，提供現場實時數據，對于油氣勘探開發具有重要的意義。此外，由于頁巖地層主要存在納米孔隙，其T2弛豫時間非常短（圖4）。因此，無法準確測量，導致核磁共振測量孔隙度比實際地層總孔隙度要小[18]。

圖3 含氣頁巖層段測井響應特征[15]

圖4 不同回波間隔時間條件下的頁巖核磁共振T2 譜[18]

匡立春等[12]通過對中國不同盆地陸相頁巖總孔隙度的統計提出了以總孔隙度為基準的頁巖氣儲層分級評價標準（表2）。

表2 頁巖氣儲層總孔隙度分級評價標準[12]

頁巖氣儲層具有較強的敏感性，因此，目前針對頁巖孔隙結構的表征方法除了測井方法比較接近地層原始條件外，其他室內表征方法都會受到非原地狀態下溫壓和流體性質變化引起的應力釋放、礦物脫水等干擾因素的影響，難以準確地反映其原地條件下的儲層特征[21]。

3.5.2 頁巖滲透率 目前，實驗室測定頁巖滲透率的方法主要包括穩態法和非穩態法。穩態法是利用達西定律，通過測量被測試流體流動達到穩定狀態時的壓差和流量來計算滲透率。優點是測量結果穩定性高，數據精度較高，使用N2或者CO2作為測量介質，不會造成環境污染；缺點是測量時間相對較長，通常需要6～24 h[22]。

非穩態法包括壓汞法、氣體解吸法、液壓爆破法和瞬態法等。其中，壓汞法是一種常用的測定非常規油氣藏儲層孔隙度和滲透率的方法。該方法利用壓汞儀通過對儲層樣品施加不同的壓力來測定其孔隙度和滲透率。當施加的壓力越大時，孔隙中含有的汞柱就會越小，從而計算出儲層孔隙度、滲透率等物性參數。氣體解吸法可以通過對儲層樣品進行原位解吸來確定儲層的吸附容量和滲透率。通過測量儲層樣品在不同壓力下放出的天然氣量和壓力之間的關系，可以得到儲層的吸附容量和滲透率。液壓爆破法是利用水壓將儲層樣品加壓至破裂點，從而測定滲透率的方法。該方法需要進行現場取樣，并且需要較高的技術要求。瞬態法是一種基于瞬變灌流理論測定滲透率的方法。該方法通過測量儲層樣品在瞬態灌流條件下的壓力衰減曲線，計算得到儲層的滲透率。這些非穩態法各有優缺點，在具體應用時應根據實際情況進行選擇。

3.5.3 含氣飽和度 傳統的飽和度評價方法采用電法測井，主要依賴于Archie 模型。柳文欣等[23]研究發現，頁巖溶解氣量主要受壓力、溫度、礦化度和頁巖中殘留油數量等因素的影響。盡管溶解態頁巖氣含量很少，但在模擬研究過程中應該考慮到這些因素的影響。石文睿等[24]討論了涪陵地區焦石壩區塊低阻頁巖氣儲層的特點，提出了利用橫縱波時差比和DEN 擬合含氣飽和度以及基于TOC 計算含氣飽和度的方法，此方法可以更好地計算低阻頁巖氣儲層的含氣飽和度，而且不受地區儲層差異性的限制。

3.6 儲層礦物組分評價

頁巖氣儲層礦物組分的分析手段包括：

X 射線衍射（XRD）：通過研究樣品中的X 射線衍射譜，可以得知樣品中的晶體結構及其含量信息。XRD技術可用于測定頁巖礦物成分及其含量，并能夠與儲層物性參數進行關聯。

掃描電鏡（SEM）：可用于觀察頁巖樣品中的微觀結構和孔隙特征。SEM 技術能夠提供有關礦物纖維、孔隙形態和大小分布等信息，為頁巖氣儲層評價提供了有益的幫助。

穩定同位素分析：通過測量頁巖樣品中的碳、氫等同位素分布情況，可以獲得有關地質歷史、生物來源、生烴和流體運移等方面的信息。穩定同位素分析技術可用于識別和定量化不同類型有機質中的同位素組成。

熱重-差熱分析（TG-DTA）：通過觀察樣品在溫度升高時的失重和熱力學性質變化，可以確定頁巖樣品中有機質、無機物等物質的組成和含量。TG-DTA 技術在評估頁巖氣儲層有機質成熟度和類型方面具有一定的應用價值。這些方法在頁巖氣儲層礦物組分研究中經常使用，可以對儲層的礦物組分、有機質含量和類型等方面提供關鍵信息。

除了硅質和鈣質礦物之外，頁巖氣儲層還包括黏土礦物（圖5）。熊荃等[25]研究發現，頁巖中黏土礦物含量與吸附氣含量呈正相關關系，而脆性礦物含量與吸附氣含量呈負相關關系。這表明黏土礦物對頁巖氣儲層晶體結構和層間孔隙的連通性具有重要影響。另外，武瑾等[26]研究表明，川南深層龍馬溪組頁巖氣儲層的礦物組分以石英等脆性礦物為主，這使得儲層更容易被改造。

圖5 川東下志留統龍馬溪組頁巖組分分析結果

表3 頁巖氣儲層分類評價指標

因此，通過以上研究可以得知，對于頁巖氣儲層的評價和開發，需要考慮其礦物組分、孔隙結構及吸附特性等因素。

3.7 儲層脆性評價

脆性指數是頁巖氣儲層重要的工程參數，用來表示地層在受外部應力作用時破碎的難易程度。在大多數頁巖氣田中，通常脆性礦物含量較高，脆性指數也越高，表示該地層對外部應力的敏感度更高，更容易形成天然裂縫，這也使得水力壓裂時更容易產生裂縫。因此，預測脆性指數對于獲得高產非常重要。

常用的頁巖氣儲層脆性評價方法包括聲波法和礦物組分法，這兩種方法都能夠比較準確地評價頁巖氣儲層的脆性。聲波法主要通過巖石的聲速、共振頻率等特征來反映其脆性。礦物組分法通過計算脆性礦物的含量（一般為石英或石英與方解石占總礦物含量的百分比）來評估頁巖脆性。然而，礦物組分法只適用于這兩種礦物脆性相近的情況，實際上這兩種礦物的巖石力學性質存在明顯的差異[15]。

4 結論和認識

（1）本文分析了頁巖氣儲層評價的主要參數并進行了優選，確定了頁巖氣儲層的分類評價指標，包括總有機碳含量（TOC）、頁巖有效厚度、有機質成熟度和孔隙度多個因素。

（2）相對于常規的油氣儲層，頁巖氣儲層富含有機質，同時黏土礦物也十分豐富，礦物成分復雜。其孔隙度和滲透率極低，納米級孔隙結構發育。此外，天然氣吸附賦存比例也非常高。這些因素對于確定頁巖氣儲層的品質產生了巨大的影響。因此，要深入研究儲層的特征及主控因素，這對于優選頁巖氣儲層的關鍵參數評價具備非常重要的意義。

（3）目前對頁巖氣儲層的評價不僅要考慮地質和工程甜點，還需更加詳細和精準，并向著頁巖壓裂后動態參數評價方向進行擴展。