頁巖氣儲層的基本特征及其評價

摘 要

摘要：頁巖氣獨(dú)特的賦存狀態(tài)，“連續(xù)成藏”的聚集模式，區(qū)別于常規(guī)天然氣儲層的特征以及評價內(nèi)容等決定了頁巖氣儲層研究的特殊性。目前，國內(nèi)針對頁巖氣儲層特征及評價的
摘要：頁巖氣獨(dú)特的賦存狀態(tài)，“連續(xù)成藏”的聚集模式，區(qū)別于常規(guī)天然氣儲層的特征以及評價內(nèi)容等決定了頁巖氣儲層研究的特殊性。目前，國內(nèi)針對頁巖氣儲層特征及評價的工作開展得相對較少，需要建立相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)。在大量調(diào)研國外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜合利用四川盆地最新的淺井鉆探和野外露頭取樣資料，從常規(guī)儲層研究思路入手，詳細(xì)分析了頁巖氣儲層的基本特征(有機(jī)質(zhì)特征、礦物組成、物性特征、儲滲空間特征)，進(jìn)而總結(jié)了頁巖氣儲層評價的主要內(nèi)容；同時，借鑒美國頁巖氣勘探成功經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)際資料出發(fā)，篩選出有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、含氣性等8大關(guān)鍵地質(zhì)因素，進(jìn)而提出了一套較為適用的儲層評價標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)評價后認(rèn)為，四川盆地下古生界筇竹寺組和龍馬溪組2套海相黑色頁巖具有良好的勘探開發(fā)前景。
關(guān)鍵詞：頁巖氣；儲集層；溶蝕孔隙；有機(jī)孔隙；裂縫；評價內(nèi)容；評價標(biāo)準(zhǔn)；關(guān)鍵地質(zhì)因素
    頁巖氣是指主體上以吸附和游離狀態(tài)存在于低孔隙度、特低滲透率，富有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖或高碳泥頁巖層系中的天然氣。在頁巖氣藏中，天然氣亦可存在于該層系中的粉、細(xì)砂巖，粉砂質(zhì)泥巖或砂巖夾層中，在此討論的頁巖氣儲層專指頁巖。頁巖除具備儲集條件外，還作為頁巖氣藏的烴源巖和蓋層。如何對頁巖這一特殊儲層的特征進(jìn)行描述、評價，正是筆者探討的問題。
1 頁巖氣儲層基本特征
1.1 有機(jī)質(zhì)特征
    頁巖氣儲層中含有大量的有機(jī)質(zhì)，其豐度與成熟度對頁巖氣資源量有重要影響。頁巖氣吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，頁巖中有機(jī)碳含量與頁巖氣的生氣率具較好的正相關(guān)性口剖。在相同溫壓條件下，富有機(jī)質(zhì)的頁巖較貧有機(jī)質(zhì)的頁巖具有更多的微孔隙空間，能吸附更多的天然氣，影響吸附氣多寡的關(guān)鍵因素是有機(jī)碳含量的高低。
美國5大含氣頁巖的有機(jī)碳含量均較高，其中Barnett頁巖有機(jī)碳含量介于2.0%～7.0%，平均為4.5%，Antrim頁巖和New Albany頁巖有機(jī)碳含量部分超過20%，吸附氣含量最低為13%，最高可達(dá)70%(表1)。筆者依據(jù)四川盆地最新淺井及露頭分析資料，對該區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖進(jìn)行分析，結(jié)果顯示筇竹寺組有機(jī)碳含量為1.0%～11.07%，普遍大于1%；龍馬溪組的有機(jī)碳含量一般分布在0.51%～4.88%，最高可達(dá)9%左右。可以推測，四川盆地下古生界2套頁巖吸附氣含量應(yīng)該是較高的。
 
    從美國主要產(chǎn)頁巖氣盆地頁巖氣成因看包括生物成因氣、熱成因和兩種混合成因氣，即包含低成熟度頁巖氣(Antrim頁巖Ro為0.1%～0.6%)、高成熟度頁巖氣(Barnett頁巖Ro為1.0%～2.1%)和高低成熟度混合頁巖氣。由此可看出，頁巖儲層中有機(jī)質(zhì)成熟度不是影響頁巖氣成藏的關(guān)鍵因素，但成熟度越高越有利于頁巖氣成藏。根據(jù)北美地區(qū)統(tǒng)計(jì)資料，頁巖氣成藏要求Ro＞1.3%。
    四川盆地西南部筇竹寺組頁巖總體熱演化程度高，其Ro一般分布在1.83%～3.23%；長芯1井揭示該井龍馬溪組頁巖Ro值均超過3.0%，平均可達(dá)3.21%。2套頁巖在區(qū)域上Ro最低也接近或大于2.0%，表明這2套頁巖進(jìn)入了過成熟演化階段，具備形成頁巖氣藏的條件。伴隨天然氣生成作用產(chǎn)生的微裂縫也有利于儲存更多的游離氣。
1.2 礦物組成
    頁巖儲層的礦物組成除常見的黏土礦物(伊利石、蒙皂石、高嶺石)外，還混雜有石英、長石、云母、方解石、白云石、黃鐵礦、磷灰石等礦物。
北美地區(qū)Barnett頁巖的石英、長石和黃鐵礦含量為20%～80%(其中石英含量為40%～60%)，碳酸鹽礦物含量低于25%，黏土礦物含量通常小于50%。四川盆地下古生界2套頁巖的X射線熒光衍射(XRD)分析結(jié)果總體與Barnett頁巖相似(圖1、表2)，其石英、長石和黃鐵礦的平均含量為30%～64%，碳酸鹽礦物的平均含量低于20%，極少數(shù)為0，黏土礦物含量平均在31%～51%。與Barnett頁巖對比，龍馬溪組的硅質(zhì)含量偏少，筇竹寺組的含量偏多，但龍馬溪組的碳酸鹽礦物含量較高，而筇竹寺組的含量偏少。研究表明，石英等脆性礦物含量高有利于后期的壓裂改造形成裂縫；碳酸鹽礦物中方解石含量高的層段，易于溶蝕產(chǎn)生溶孔。

    Bowker研究認(rèn)為，Barnett頁巖層中黏土礦物主要為微含蒙皂石的伊利石[10]。四川盆地及鄰區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組頁巖儲層黏土礦物分析結(jié)果也表明其組成主要是伊利石，其次為綠泥石，不含蒙皂石，有少量的高嶺石和伊/蒙混層(表3、圖2)。筇竹寺組的伊利石含量較龍馬溪組高，平均值為83.5%，I/S混層比在0～40%，平均為32.5%；龍馬溪組的綠泥石平均含量為15.67%，I/S混層比平均為10.72%。

    研究表明，頁巖氣儲層中黏土礦物的含量與吸附氣含量具有一定的關(guān)系，其中最主要的是伊利石；蒙皂石類膨脹性黏土礦物不利于對后期儲層壓裂造縫。
1.3 物性特征
    北美地區(qū)頁巖氣儲層物性評價采用了美國天然氣研究所(1996)研制的GRI頁巖巖心測定方法。該方法不僅可以測定頁巖基質(zhì)總的孔隙度，還可以測定出含氣孔隙度，且測定出的頁巖滲透率最低可達(dá)10-14mD[11]。國內(nèi)目前不具備此技術(shù)，只能按常規(guī)儲層物性分析方法測試，故不能與北美頁巖物性進(jìn)行比對。
    頁巖氣儲層具低孔、特低滲致密的物性特征。美國主要產(chǎn)氣頁巖儲層巖心分析總孔隙度分布在2.0%～14.00%，平均為4.22%～6.51%；測井孔隙度分布在4.0%～12.00%，平均為5.2%；充氣孔隙度分布在1.0%～7.5%，充水孔隙度為1.0%～8.0%(表4)。滲透率一般小于0.1mD，平均喉道半徑不到0.005μm[2]。
    四川盆地頁巖儲層物性分析取得部分孔隙度資料，因滲透率測試靈敏度低未測出。資2井筇竹寺組黑色粉砂質(zhì)頁巖樣品物性分析孔隙度分布在1.0%～2.5%，平均孔隙度為1.58%；資3井硅質(zhì)頁巖的孔隙度為0.12%～0.70%。威001-2井筇竹寺組頁巖儲層的測井孔隙度在0.69%～3.08%，平均值為1.64%，滲透率在0.001～0.11mD，平均值為0.019mD[12～15]。陽深2井龍馬溪組測井解釋孔隙度一般為1.0%～5.0%(表5)。陽63、隆32等井在龍馬溪組已測試獲氣流，可見，四川盆地下古生界頁巖具備儲集條件。

    北美地區(qū)主要頁巖儲層含水飽和度為10%～35%(表4)。頁巖儲層的含水飽和度直接影響著含氣量，隨頁巖成熟度的增加產(chǎn)氣量劇增，而含水飽和度降低[10，17]，含水量高將降低產(chǎn)氣效率。關(guān)于頁巖氣開發(fā)含水飽和度下限斯倫貝謝公司選取值為45%[1]。
    含油飽和度(So)小于5%時才被認(rèn)為是頁巖氣的有利勘探區(qū)[1]。這是因?yàn)?，一方面，含油飽和度若過大勢必降低含氣飽和度；另一方面，油分子太大容易堵塞微米-納米級別的微孔隙和喉道，減慢氣體的流速，不利于頁巖氣的產(chǎn)出。
1.4 儲滲空間特征
    頁巖儲層的儲滲空間可分為基質(zhì)孔隙和裂縫。基質(zhì)孔隙有殘余原生孔隙、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙、黏土礦物伊利石化形成的微裂(孔)隙和不穩(wěn)定礦物(如長石、方解石)溶蝕形成的溶蝕孔等。
1.4.1殘余原生孔隙
    主要是分散于片狀黏土中的粉砂質(zhì)顆粒間的孔隙。這部分孔隙與常規(guī)儲層孔隙相似，隨埋藏深度增加而迅速減少。
1.4.2有機(jī)孔隙
    目前有研究認(rèn)為，頁巖中的孔隙以有機(jī)質(zhì)生烴形成的孔隙為主(圖3)。據(jù)Jarvie等人研究，有機(jī)質(zhì)含量為7%的頁巖在生烴演化過程中，消耗35%的有機(jī)碳可使頁巖孔隙度增加4.9%[18]。有機(jī)微孔的直徑一般為0.01～1μm。
 

1.4.3伊利石化體積縮小的微裂(孔)隙
    蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化是頁巖成巖過程中重要的成巖變化。當(dāng)孔隙水偏堿性、富鉀離子時，隨著埋深增加，蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化，伴隨體積減小而產(chǎn)生微裂(孔)隙。
1.4.4次生溶蝕孔隙
    王正普等在鑒定川東及鄰區(qū)志留系龍馬溪組暗色泥質(zhì)巖時見有發(fā)育的溶孔，次生溶蝕孔隙的孔徑多數(shù)在0.01～0.05mm，少數(shù)在0.05～0.60mm，連通孔隙率最低值僅為0.82%(不含易溶礦物)，最高達(dá)32.41%，一般為16%，碳酸鹽含量在10%～30%時最易形成高孔段[19]。該類次生孔隙是由于有機(jī)質(zhì)脫羧后產(chǎn)生的酸性水對頁巖儲層的碳酸鹽礦物強(qiáng)烈溶蝕形成的。
    筆者在研究中亦發(fā)現(xiàn)黑色頁巖中顆粒被溶蝕的現(xiàn)象(圖4)。掃描電鏡下溶蝕孔孔徑為15～20μm，孔緣不規(guī)則。上述孔隙的觀察依賴于微米一納米級電子顯微鏡分析技術(shù)。
 

1.4.5裂縫
    頁巖儲層中的裂縫多以微裂縫形式存在。其產(chǎn)生可能與斷層和褶皺等構(gòu)造運(yùn)動相關(guān)，也可能與有機(jī)質(zhì)生烴時形成的輕微超壓而使頁巖儲層破裂有關(guān)，也有學(xué)者認(rèn)為與差異水平壓力有關(guān)[20]。
    微裂縫對頁巖氣的產(chǎn)能增加有很大影響，同時裂縫的存在也使得頁巖氣的開發(fā)變得格外復(fù)雜。一方面，微裂縫發(fā)育并與大型斷裂連通，對于頁巖氣的保存條件極為不利；地層水也會通過裂縫進(jìn)入頁巖儲層，使氣井見水早，含水上升快，甚至可能暴性水淹。另一方面，微裂縫發(fā)育不但可以為頁巖氣的游離富集提供儲滲空間，增加頁巖氣游離態(tài)天然氣的含量；而且，微裂縫也有助于吸附態(tài)天然氣的解析，并成為頁巖氣運(yùn)移、開采的通道。
2 儲層評價內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)
2.1 評價內(nèi)容
    頁巖氣藏是典型的自生白儲型氣藏[21]，因此評價頁巖儲層除與常規(guī)儲層有相同的巖石學(xué)、物性等儲層基本特征外，還應(yīng)考慮頁巖氣藏形成的含氣性及能否被開采等要件[22]。為此，結(jié)合美國頁巖氣勘探成功經(jīng)驗(yàn)，筆者篩選了8大關(guān)鍵地質(zhì)因素嘗試對頁巖儲層進(jìn)行初步的評價(圖5)。
 

    1) 有機(jī)質(zhì)豐度：有機(jī)質(zhì)含量高低直接影響頁巖含氣量的大小。有機(jī)質(zhì)豐度越高，頁巖氣含量越高。北美地區(qū)研究認(rèn)為具有商業(yè)價值的頁巖氣藏有機(jī)碳含量一般大于2%，最高達(dá)10%。
    2) 熱成熟度：反映有機(jī)質(zhì)是否已經(jīng)進(jìn)入熱成熟生氣階段(生氣窗)。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)進(jìn)入生氣窗后，生氣量劇增，有利于形成商業(yè)性頁巖氣藏。北美頁巖氣儲層的Ro值一般大于1.1%。
    3) 含氣性：頁巖氣主要的存在形式是游離氣與吸附氣。故應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場損失氣量測定及頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)，直接測定頁巖的游離氣量及吸附氣量，以評價頁巖儲層的含氣性。
    4) 頁巖厚度：指高伽馬、富含有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度，因?yàn)楦缓袡C(jī)質(zhì)頁巖厚度越大，頁巖氣藏富集程度越高。頁巖厚度和分布面積是保證有充足的儲滲空間和有機(jī)質(zhì)的重要條件，一般要求直井厚度大于30m。由于水平鉆井和分段壓裂等技術(shù)的應(yīng)用，頁巖有效厚度可能低于該下限值。
    5) 儲層物性：通過頁巖基質(zhì)孔隙度、含氣孔隙度、滲透率及含氣飽和度測定以及裂縫組構(gòu)和類型分析，評價頁巖儲層的儲氣能力大小。
    6) 礦物組成：除硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物外，頁巖儲層中還包括黏土礦物。頁巖儲層的伊利石含量與吸附氣含量有一定關(guān)系。硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物成分越高，頁巖儲層加砂壓裂時，越容易被壓開。
    7) 脆性：頁巖儲層的基質(zhì)滲透率很低，需要裂縫才能形成工業(yè)產(chǎn)能。除本身的天然裂縫外，在開發(fā)過程中還應(yīng)考慮頁巖儲層在加砂壓裂改造時，是否易于被改造。脆性越大，越易被改造。
    8) 力學(xué)性質(zhì)：通過泊松比、楊氏模量等測定，評價頁巖儲層的造縫能力。
    以上指標(biāo)1)～5)主要評價頁巖儲層的儲氣量大小，即地質(zhì)儲量(GPI)；而指標(biāo)6)～8)則是評價頁巖儲層是否易于改造，能否最終將儲藏在頁巖中的天然氣開采出來。
2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)
    根據(jù)上述評價內(nèi)容，筆者建立了相應(yīng)的頁巖氣儲層評價標(biāo)準(zhǔn)(表6)。
 

    四川盆地下古生界筇竹寺組和龍馬溪組頁巖儲層的有機(jī)碳含量普遍大于2%，Ro值最低都大于2.0%，石英及方解石等脆性礦物含量均超過40%，黏土礦物含量低且不含蒙皂石，其滲透率和含水飽和度均滿足下限標(biāo)準(zhǔn)，高伽馬值黑色頁巖厚度也在30m以上。依照上述標(biāo)準(zhǔn)，四川盆地筇竹寺組和龍馬溪組海相黑色頁巖具有勘探開發(fā)價值。
3 結(jié)論與認(rèn)識
    1) 頁巖氣藏是典型的“自生自儲”氣藏。作為儲層的頁巖富含有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量及成熟度對頁巖含氣量有著重要的影響。
    2) 頁巖儲層具有獨(dú)特的礦物組成。除黏土礦物外，還含有不等量的石英、長石、云母、方解石等礦物。黏土礦物中伊利石含量高低與吸附氣含量有一定關(guān)系。石英、長石等脆性礦物含量高，有利于儲層壓裂改造；方解石含量高則易于形成次生溶孔，改善儲集條件。
    3) 頁巖儲層屬特低滲-致密儲層，具備一定儲集能力?？紫额愋投鄻?，孔徑大小為微米納米級，包括殘余粒間孔、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙、溶蝕孔和黏土礦物伊利石化形成的微裂(孔)隙；裂縫多為微裂縫，其形成與構(gòu)造運(yùn)動、生烴超壓、差異水平壓力等有關(guān)。
    4) 頁巖氣儲層評價內(nèi)容包括儲層含氣性、氣藏可開采性等要件?；谟袡C(jī)質(zhì)特征、無機(jī)礦物組成、物性及巖石學(xué)特征4個方面建立了頁巖儲層評價標(biāo)準(zhǔn)。
    成文中，中國石油西南油氣田公司王世謙教授級高級工程師給予了熱情指導(dǎo)，特致以真誠的感謝。
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(本文作者：蔣裕強(qiáng)1 董大忠2 漆麟1 沈妍斐1 蔣嬋1 何溥為3 1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.中國石油勘探開發(fā)研究院；3.延長油田股份有限公司子長采油廠)