喬 輝，賈愛林，賈成業(yè)，位云生，袁 賀

中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 海淀 100083

引 言

近年來，北美地區(qū)在頁巖成藏理論、“甜點區(qū)”選擇、水平井鉆井、壓裂改造等方面取得了巨大的理論技術進步，極大地促進了頁巖氣勘探開發(fā)[1-5]。中國的頁巖氣也取得了重大突破，發(fā)展迅速，目前中國南方海相頁巖已處于初步規(guī)模開發(fā)的階段[6-7]。隨著中國頁巖氣勘探開發(fā)的深入，開發(fā)中存在的一些問題日益突出，例如氣藏微幅構造和非均質(zhì)性導致區(qū)塊內(nèi)部，甚至同一個平臺，氣井產(chǎn)能和動態(tài)參數(shù)差異較大。目前，威遠 長寧示范區(qū)水平井平均測試產(chǎn)量較高，但存在測試產(chǎn)量參差不齊，單井產(chǎn)量差異大等問題。除了工程上的影響因素外，地質(zhì)上對儲層認識不清是制約頁巖氣開發(fā)的重要因素。因此，研究頁巖儲層非均質(zhì)特征及主控因素是后續(xù)頁巖氣賦存機理及產(chǎn)能差異研究的關鍵。前人對頁巖儲層的儲層特征及主控因素開展了相關研究工作[8-14]。蒲泊伶等[8]通過大量實驗對川南地區(qū)龍馬溪組頁巖有利儲層的有機碳、礦物成分、儲集空間類型及含氣性進行了研究，并認為該頁巖儲層發(fā)育的控制因素為沉積環(huán)境、礦物組成和有機質(zhì)發(fā)育特征。郭英海等[9]認為在微觀尺度下，頁巖儲層具有較強的非均質(zhì)性，提出了“頁巖儲層微觀非均質(zhì)控氣”理論。王秀平等[10]以川南及鄰區(qū)龍馬溪組地層為研究對象進行成巖作用研究，認為成巖作用對頁巖儲層具有重要影響。

鑒于研究區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲層及其主控因素的認識還不夠全面清楚，因此，本文利用大量的實驗測試數(shù)據(jù)，對縱向上細分的不同小層優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的非均質(zhì)性特征進行研究，系統(tǒng)總結優(yōu)質(zhì)頁巖的控制因素對油田開發(fā)顯得尤為重要，可為后續(xù)研究及開發(fā)工作提供了有力的技術支撐。

1 地質(zhì)概況

長寧區(qū)塊主體構造為長寧背斜，位于四川盆地南部的川南拗中隆低陡褶皺帶（圖1a）?？v向上，龍馬溪組頁巖沉積處于加里東構造運動時期，該期構造運動活躍，發(fā)育多期沉積旋回。頁巖地層包括五峰組及龍馬溪早期的龍一1亞段及龍一2亞段。龍一1亞段存在較強的非均質(zhì)性，自下至上又可依次劃分為龍一、龍一、龍一及龍一等4個小層（圖1b）。

五峰組及龍馬溪組早期階段為深水陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育一套黑色碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖和黑色頁巖沉積組合，有機質(zhì)豐度，筆石發(fā)育，為優(yōu)質(zhì)頁巖儲層[8，12]，厚度約36～48 m。開發(fā)區(qū)塊鉆探資料顯示，五峰-龍馬溪組下部的龍一1亞段的這套黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖分布穩(wěn)定、有機質(zhì)含量高、現(xiàn)場測試含氣量高，主體埋深小于3 000 m，是目前中國南方海相頁巖氣開發(fā)的主力層系。龍一2亞段沉積環(huán)境為淺水陸棚沉積，主要巖性為深灰色泥頁巖、灰色泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，筆石含量明顯降低，有機質(zhì)相對不發(fā)育，地層厚度在105～200 m。

2 優(yōu)質(zhì)頁巖儲層非均質(zhì)性特征

2.1 巖石礦物學特征

通過對研究區(qū)2口單井N1井和N3井296塊巖樣全巖衍射分析，頁巖礦物類型主要為石英、長石、黏土礦物、方解石、白云石和黃鐵礦等。五峰組-龍一1亞段石英、長石及碳酸鹽礦物單井平均值在70.0%以上，以硅質(zhì)礦物及方解石為主，顯示了良好的可壓裂性特征；黏土礦物含量相對較低，平均24.5%，伊利石、綠泥石和伊蒙混層為研究區(qū)的主要黏土礦物?？v向上，各小層的礦物含量變化也較明顯，說明縱向上儲層的非均質(zhì)性較強。其中，龍一、龍一小層硅質(zhì)平均含量高達61.9%、61.6%，其他小層硅質(zhì)含量為43.9%～59.0%（圖2）。

圖2 五峰—龍馬溪組下部各小層礦物含量分布圖Fig.2 Mineral content distribution of Wufeng-lower Longmaxi Formation,Changning Block

2.2 有機地化特征

根據(jù) N1、N3、N9井 82塊樣品的分析測試數(shù)據(jù)，長寧地區(qū)五峰組-龍馬溪組下部地層有機質(zhì)含量 TOC在 0.20%～7.50%，平均3.36%?？v向上，各小層的TOC含量差異較大，非均質(zhì)性較強。自下至上五峰組、龍一1亞段的 1、2、3、4小層及龍一2亞段的有機碳含量分布在：3.10%～4.70%、3.70%～7.50%、3.20%～4.10%、2.30%～5.30%、1.90%～2.80%、0.20%～1.60%。五峰組-龍一1亞段TOC含量平均為3.40%，最高可達7.50%。而龍一2亞段TOC值明顯變小，TOC在0.20%～1.60%，平均為0.80%?？v向上，龍一小層TOC值最高，其次為龍一小層，然后為五峰組和龍一小層，龍一小層最低（圖3）。

圖3 五峰-龍馬溪組下部TOC含量分布圖Fig.3 TOC content distribution of Wufeng–lower Longmaxi Formation,Changning Block

對N1井巖芯樣品進行干酪根鏡檢分析，平均腐泥組含量大于80%，為典型I型干酪根，局部II1型。寧201井五峰組—龍一1亞段干酪根碳同位素一般為-27.92‰～-30.78‰，可以判斷干酪根類型為I型，與干酪根結果一致。由于I型干酪根缺乏鏡質(zhì)組，常利用瀝青反射率來換算鏡質(zhì)組反射率的方法測定，研究區(qū)五峰組-龍馬溪組底部有機質(zhì)成熟度平均為2.60%。有機質(zhì)反射率均達到高-過成熟階段，以產(chǎn)干氣為主。

2.3 儲集空間及物性特征

利用巖芯、露頭、場發(fā)射掃描電鏡及顯微薄片鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)五峰-龍馬溪組底部的頁巖儲層發(fā)育多種類型孔隙，包括基質(zhì)無機孔、有機孔和裂縫3大類。其中，無機孔主要有粒間孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔和晶間孔等（圖4a，圖4b，圖4c），有機孔（圖4d）主要與有機質(zhì)的含量及其熱演化程度有關，裂縫主要有構造縫、頁理縫、溶蝕縫及成巖收縮縫等多種類型（圖4e，圖4f）。

圖4 龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層儲集空間類型Fig.4 The types of shale gas reservoir space of Longmaxi Formation

N1井和N3井229塊巖芯樣品物性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結果顯示，長寧地區(qū)五峰組到龍馬溪組下部取芯段的孔隙度介于0.73%～10.25%，平均為4.19%。縱向上，該段儲層的孔滲也存在較強的非均質(zhì)性。從上至下，龍一2亞段、龍一、龍一、龍一、龍一及五峰組的孔隙度分布區(qū)間分別為：0.89%～6.24%、1.96%～10.26%、3.83%～9.48%、3.01%～8.54%、2.56%～6.26%、0.73%～7.68%。五峰組-龍一1亞段孔隙度平均為5.44%，而龍一2亞段孔隙度平均為3.60%。龍一1亞段龍一小層孔隙度值最高，其次為龍一、龍一小層，然后為龍一小層，五峰組孔隙度最低（圖5）。

圖5 五峰—龍馬溪組下部孔隙度分布圖Fig.5 Porosity distribution of Wufeng–lower Longmaxi Formation,Changning Block

2.4 含氣性特征

在頁巖儲層中，天然氣主要有吸附態(tài)和游離態(tài)兩種存在方式[15-16]。在頁巖氣田開發(fā)現(xiàn)場，頁巖儲層的總含氣量主要借鑒煤層氣的解吸法求取，分別測量現(xiàn)場的解吸氣量、殘余氣量和損失氣量，三者總和即為總含氣量。實驗室常采用等溫吸附實驗法計算頁巖吸附氣量[17]。由于頁巖儲層的特殊性，巖電實驗很難進行，并且研究區(qū)黃鐵礦相對發(fā)育，黃鐵礦導電性造成測井測得的地層電阻率不準確，采用阿爾奇等經(jīng)典公式計算游離氣含量存在一定的問題，目前尚未有專門針對頁巖氣的含氣飽和度計算方法，因此游離氣含量一般采用解析法測得的總含氣量減去等溫吸附法計算的吸附氣含量獲得[17]。

現(xiàn)場測試和實驗室測定結果均表明，五峰組-龍馬溪組下部儲層具有較好的的含氣性，且縱向上各小層的含氣性差異較大（表1）。

表1 川南現(xiàn)場解析法總含氣量測試數(shù)據(jù)表Tab.1 Total gas content data obtained by field analytical method_______________________________________________________________inSouth_Sichuan

長寧地區(qū)五峰組—龍馬溪組下部含氣量為 0.55%～4.19%，其中龍一2亞段總含氣量在0.55%～2.47%，平均為1.53%，五峰組和龍一1亞段4個小層含氣量較高，總含氣量在1.27%～4.19%，平均為2.74%。五峰組和龍一1亞段各小層平均含氣量均大于2 m3/t，龍一小層含氣量最高，其次為龍一和龍一小層，龍一小層含氣量最低。

3 儲層發(fā)育的主控因素

3.1 沉積條件

3.1.1 沉積環(huán)境

優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的形成需要特定的沉積條件。王玉滿等[18]通過分析地化資料總結了長寧地區(qū)頁巖地層的沉積模式，優(yōu)質(zhì)頁巖主要形成于處于持續(xù)緩慢沉降階段的深水陸棚中心地帶，沉積環(huán)境為弱—半封閉的還原環(huán)境，古生產(chǎn)力水平較高。研究區(qū)地化資料顯示，五峰組-龍馬溪組底部的P2O5/TiO2比值較高，在0.20～0.85（平均為0.37），表明該地層具有較高的生產(chǎn)率。且該期構造穩(wěn)定，沉積速度緩慢，為2.33～9.29 m/Ma。志留紀早期該區(qū)域主要經(jīng)歷了兩期海平面升降變化，筆石等生物經(jīng)歷了繁盛—衰退變化過程。

巖芯和測井資料分析可見，龍馬溪組底部的龍一1亞段主要發(fā)育兩套富筆石的碳質(zhì)頁巖夾一套硅質(zhì)頁巖，為該區(qū)有利的頁巖發(fā)育層段。該地層主體為深水陸棚沉積環(huán)境[8，12]，水體穩(wěn)定，黃鐵礦較發(fā)育，為較強的還原環(huán)境，對有機質(zhì)及頁巖的頁理發(fā)育十分有利。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，頁巖層段中黃鐵礦含量與孔隙度、孔隙度與總含氣量均呈正相關關系（圖6a，圖6b），且儲層孔隙越發(fā)育，儲層的總含氣量越高，說明較強的還原環(huán)境有利于優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的發(fā)育，為優(yōu)質(zhì)頁巖儲層的形成提供了良好的沉積條件。

沉積環(huán)境對頁巖地層有機質(zhì)含量及礦物成分均有較大的影響，進而影響儲層的物性及含氣性特征。研究認為,有機碳含量是評價頁巖儲層的一個重要參數(shù)，其與頁巖氣總含氣量、吸附氣含量及儲層的孔隙度存在良好的正相關關系[12，14，17-18]。達到成熟階段以后，有機質(zhì)孔隙隨著干酪根的熱分解增大[19]。有機質(zhì)孔主要是生烴物質(zhì)排烴后殘留的孔隙和原油熱裂解形成的瀝青質(zhì)內(nèi)的微孔隙，它與其比表面為吸附態(tài)天然氣的賦存提供了吸附劑，也為游離氣的賦存提供了孔隙空間[20]。有學者通過對不同鏡質(zhì)體反射率的頁巖巖樣進行掃描電鏡觀測和孔隙度測試，發(fā)現(xiàn)頁巖有機孔在生油窗內(nèi)較少，進入生氣窗后有機孔隙快速增加，且在鏡質(zhì)體反射率Ro為3.6%時有機孔達到峰值，隨后有機孔隨著Ro的增加而減小[21]。

圖6 頁巖儲層參數(shù)間關系Fig.6 Relationship between key parameters of shale reservoir

研究區(qū)目的層段有機質(zhì)類型主要為I型，具良好的生烴潛力，Ro在2.3%～3.3%，為有機孔隙生成的最佳時期，同時氬離子剖光掃描電鏡可觀察到該區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲層段發(fā)育大量有機質(zhì)孔（圖4d）。通過N3井五峰組-龍馬溪組底部TOC與孔隙度及其與總含氣量之間的擬合發(fā)現(xiàn)，TOC與孔隙度及總含氣量之間均存在較好的正相關關系（圖6c，圖6d）。表明有機碳含量高的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層，有機質(zhì)納米孔發(fā)育，含氣量大，為優(yōu)質(zhì)頁巖儲集層段。

3.1.2 礦物成分

頁巖儲層中的礦物成分與含量對儲層的孔隙度和滲透率及含氣性影響較大。通過巖芯測試樣品的石英含量與與實測孔隙度資料分析發(fā)現(xiàn)，孔隙度與石英含量呈正相關關系（圖6e），且TOC含量隨著石英含量的增大而增大（圖6f），說明石英為生物成因石英礦物，來源于較為豐富的硅質(zhì)生物，其間接增加了有機質(zhì)的含量[8，22]。研究區(qū)龍一、龍一小層硅質(zhì)平均含量高達61.9%、61.6%，其他小層硅質(zhì)含量為43.9%～59.0%，豐富的有機質(zhì)來源的石英和有機質(zhì)伴生，發(fā)育豐富的微孔隙和較大的比表面積，增加了頁巖中的可供頁巖氣吸附以及游離氣賦存的空間，同時石英等脆性礦物越發(fā)育，巖石脆性越好，越易形成天裂微裂縫，可有效改善儲層物性且有利于后期頁巖氣的壓裂改造[23]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，黏土礦物含量與實測孔隙度不具備相關性，說明五峰-龍馬溪組下部頁巖儲層的孔隙度主要由有機質(zhì)貢獻，黏土礦物含量雖然可以影響頁巖的吸附性及孔隙度，但由于研究區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲集層段的黏土礦物含量低，其對儲層孔隙度及含氣量影響不明顯。

美國頁巖氣開發(fā)的經(jīng)驗表明，其產(chǎn)氣層段儲層的脆性礦物含量較高，頁巖氣產(chǎn)量隨脆性礦物含量的增加而增大[4，8]。由于頁巖儲層黏土礦物成分與含量影響頁巖的吸附性及儲層的孔隙度，而脆性礦物也可影響儲層的孔隙度及巖石的脆性，且脆性礦物含量有利于形成天然裂縫及人工壓力后形成誘導縫，因此，不同的頁巖氣區(qū)塊，黏土礦與脆性礦物的比例多少最有利于優(yōu)質(zhì)頁巖的形成及壓裂后天然氣的產(chǎn)出，應與實際地質(zhì)條件相結合確定。

3.2 成巖作用

成巖作用是影響儲層發(fā)育的重要因素之一，它不僅控制儲層孔隙的發(fā)育和保存，同時對巖石的力學性質(zhì)也具有一定的影響[10，24-30]。有機質(zhì)熱成熟作用排出的天然氣是頁巖氣的主要來源，該過程中生成的大量有機孔增大了儲集層的孔隙度，提高了儲層的吸附能力[25]。在巖石薄片、掃描電鏡觀察及巖芯描述等研究的基礎上，認為五峰-龍馬溪組頁巖儲層經(jīng)歷了多種類型的成巖作用，包括壓實、膠結、交代、黏土礦物的轉(zhuǎn)化、溶蝕及有機質(zhì)熱成熟作用等。其中，壓實作用與膠結作用降低了頁巖儲層的孔隙度，有機質(zhì)熱成熟作用和溶蝕作用增大了儲層孔隙度，而黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用和交代作用對儲層孔隙度的影響相對較小。

3.2.1 壓實作用與膠結作用

壓實作用是五峰-龍馬溪組頁巖儲層孔隙度低的最主要原因。泥頁巖最開始沉積時主要為片狀結構，其原始孔隙度可高達70%～80%[26]。在壓實過程中，黏土骨架垮塌，孔隙度迅速降低，隨著埋藏深度的增加，孔隙度最終降低到僅百分之幾[27]。五峰組-龍馬溪組下部頁巖地層常見的壓實作用識別標志有黏土礦物與片狀礦物如云母等礦物的順層定向排列及顆粒的壓裂破碎等（圖7a）。

膠結作用是降低泥頁巖孔隙度的另一重要影響因素，常見的膠結物有硅質(zhì)膠結物、碳酸鹽膠結物和硫化物膠結物等。前人研究認為硅質(zhì)膠結物主要有4方面的來源[27-28]。其中，硅質(zhì)膠結物主要為石英，石英主要以自生石英或次身加大的形式存在，也可以填隙物的形式出現(xiàn)。碳酸鹽膠結物主要為方解石和白云石。方解石膠結物一般形成時間較早，主要充填于孔隙或裂縫中，也可交代長石等礦物顆粒（圖7b）。白云石膠結物呈自形-半自形晶，一般呈分散狀充填于裂縫中或交代早期礦物（圖7c）。大量全巖衍射實驗結果發(fā)現(xiàn)，孔隙度與碳酸鹽礦物含量呈微弱的反比關系，證明碳酸鹽膠結物對頁巖儲層的孔隙度具有一定的消極影響。膠結作用一方面減小儲層的孔隙度，造成儲層進一步致密化，另一方面硅質(zhì)膠結物和碳酸鹽膠結物間接增加了頁巖儲層脆性礦物的含量，有利于后期的壓裂改造[27]。

3.2.2 溶蝕作用與有機質(zhì)熱成熟作用

溶蝕作用與有機質(zhì)熱演化過程中產(chǎn)生的酸性物質(zhì)有關[10，24]。有機質(zhì)熱演化過程中，干酪根發(fā)生熱裂解作用，最終產(chǎn)生大量的羧酸和CO2等酸性物質(zhì)，導致地層流體的pH值降低，溶解儲層中易溶解的礦物成分，形成次生溶蝕孔隙（圖7d，圖7e）。五峰-龍馬溪組下部頁巖儲層中含一定比例的長石和碳酸鹽礦物等易溶組分，易被酸性物質(zhì)溶解，形成溶蝕孔隙，在一定程度上增大了儲層的孔隙度。但孔令明等認為[27]龍馬溪組頁巖儲層的溶蝕作用總體并不十分發(fā)育，認為頁巖地層是一個相對封閉的體系，其滲透率極低，地層中流體的流動不暢導致H+不能及時更新且流體中沉淀物質(zhì)不能排出，阻礙了溶蝕作用的進一步發(fā)生。

有機質(zhì)熱成熟作用對頁巖儲層具有重要的意義。有機質(zhì)在達到生油氣門限條件后會大量生烴，是頁巖氣的物質(zhì)來源，同時有機質(zhì)生排烴過程中形成有機孔（圖7f），不但增大了孔隙度，且提高了儲層的吸附能力[10，27]。因此，在有機質(zhì)富集的優(yōu)質(zhì)頁巖儲集層段，熱成熟作用對頁巖儲層物性具有較大影響。但有機質(zhì)孔隙的形成需要一定的條件，實驗發(fā)現(xiàn)，只有當鏡質(zhì)體反射率大于0.6%時，即有機質(zhì)開始大量生油氣階段后，才會形成較多的有機孔。有機質(zhì)成熟度較低時，通常不存在或僅存在少量的有機孔[29]。Milliken等[30]研究發(fā)現(xiàn)，有機孔的形成與保存同時受有機質(zhì)熱成熟作用與壓實作用影響，當巖石中有機質(zhì)含量較大且熱演化程度較高，有機孔特別發(fā)育且相互連通時，在上覆地層壓力作用下，部分孔隙垮塌，總孔隙度反而降低。

圖7 龍馬溪組頁巖主要成巖作用類型Fig.7 The main diagenesis types of Longmaxi gas shale

4 結 論

（1）川南地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲層具有較強的非均質(zhì)性。五峰組—龍馬溪組下部儲層的脆性礦物含量高，黏土含量相對較低，平均24.5%。TOC值普遍大于2.0%，平均為3.4%。龍一小層TOC值最高，其次為龍一小層，然后為五峰組和龍一小層，龍一小層最低。五峰組-龍馬溪組下部儲層的孔隙類型多樣，包括無機孔、有機孔和裂縫，孔隙度在0.73%～10.25%，平均為4.19%?？v向上，龍一小層孔隙度值最高，其次為龍一，然后為龍一小層和龍一小層，五峰組孔隙度最低。儲層含氣量在0.55%～4.19%，五峰組和龍一1亞段4個小層含氣量較高，總含氣量為1.27%～4.19%，平均為2.74%，各小層平均含氣量均大于2 m3/t，龍一小層含氣量最高，其次為龍一和龍一小層，龍一小層含氣量最低。

（2）沉積條件是控制優(yōu)質(zhì)頁巖儲層發(fā)育的物質(zhì)基礎。通過統(tǒng)計分析，明確TOC與孔隙度及總含氣量之間均存在較好的正相關關系，說明有機碳含量高的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層中有機質(zhì)納米孔發(fā)育，含氣量大?？紫抖扰c石英含量呈正相關且TOC含量隨著石英含量的增大而增大，說明石英為生物成因石英礦物，來源于較為豐富的硅質(zhì)生物殘體。但黏土礦物含量與孔隙度不具備相關性，說明五峰-龍馬溪組下部頁巖儲層的孔隙度主要由有機質(zhì)貢獻，黏土礦物含量含量低，其對儲層孔隙度及含氣量影響不明顯。

（3）成巖作用是影響頁巖儲層發(fā)育的另一重要因素。壓實作用和膠結作用降低了頁巖儲層的孔隙度和滲透率，但碳酸鹽膠結物可提高頁巖儲層的脆性，有利于后期的壓裂改造。而溶蝕作用和有機質(zhì)熱成熟作用在一定程度上改善了頁巖儲層的物性。

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