祁攀文，薛 培，趙謙平，史 鵬，孫細寧.

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075)

鄂爾多斯盆地上古生界山西組發(fā)育一套濱淺湖相富有機質頁巖[1]，以往勘探現(xiàn)實該套頁巖具有厚度大，分布范圍廣、有機質熱演化程度和脆性礦物含量高等特點，具有很好的勘探前景[2-4]。自2014年以來，延長油田逐步拉開了山西組頁巖氣勘探序幕，經過不斷勘探，于2017年在云頁平3井山1段頁巖中實現(xiàn)了產量突破，日產氣5萬余方。盡管上古生界山西組頁巖氣取得了一定成果，但受勘探開發(fā)現(xiàn)狀和資料的諸多限制，目前相關的研究仍然較少。筆者以下延長油區(qū)寺灣地區(qū)(圖1)CY1、CY2井為例，采用鏡下分析、X光衍射和有機地球化學測試等方法，從儲層物性、有機質發(fā)育、巖石礦物組成、儲集空間及力學特征等方面對該套頁巖儲層進行研究分析，建立一套適用于鄂爾多斯盆地上古生界頁巖氣儲層的評價標準和方法，為本區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)和目標區(qū)優(yōu)選提供地質參考依據。

圖1 鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)CY1井、CY2井位置圖Fig.1 Location of wells CY1 and CY2 in Xiasiwan area, Ordos basin

1 儲層特征

1.1 巖性及礦物學特征

通過對延長油田下寺灣地區(qū)CY1、CY2井的巖心觀察、錄井及薄片鑒定，山西組泥頁巖主要為黑色、深灰色泥頁巖和深灰色粉砂質泥巖，偶夾灰白色條帶狀粉砂巖隔夾層(圖2A)，山2段普遍夾煤層或煤線。巖心層面可見云母和植物化石碎片(圖2B)。顯微觀察表明頁巖中存在少量漂浮狀碎屑石英顆粒，分布不均勻，分選較差，呈次棱角狀(圖2C和圖2D)。

圖2 山西組泥頁巖巖性特征Fig.2 Shale lithologic characteristics of Shanxi formationa.CY1井頁巖灰白色粉砂巖夾層;b.CY2井黑色泥巖, 斷面可見植物化石;c.CY1井泥巖顯微鏡下特征;d.CY2井粉砂質泥巖顯微鏡下特征。

據CY1、CY2井山西組泥頁巖黏土礦物測定及全巖X-射線衍射分析，黏土礦物體積分數平均為59.6%(43.5%～98%)，其中，高嶺石體積分數平均為37.0%(18.0%～84.0%)；伊蒙混層體積分數平均為40.8%(0～63.0%)，主要為伊利石層，蒙脫石層含量較低，僅占14.6%；綠泥石體積分數平均為14.7%(4.0%-25.0%)；伊利石體積分數平均為7.5%(1%-15%)，黏土礦物體積分數表明山西組泥頁巖已進入晚期成巖階段。非黏土礦物以石英為主，此外，還有少量的碳酸鹽類和長石類礦物，石英含量平均為36.9%(2.0%～50.6%)，石英、長石、碳酸鹽等脆性礦物總量超過40 %，蒙脫石含量較低，頁巖脆性好。

山西組泥頁巖中條帶狀粉砂巖隔夾層廣泛發(fā)育，可以有效改善儲層的孔隙度和滲透率，隔夾層巖性以巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主。顯微鏡下薄片統(tǒng)計結果顯示，石英含量平均為76.7%；長石較為少見，平均含量小于1%；巖屑含量平均為22.6%，成分成熟度Q/(F+Q)指數平均為3.29，低于盆內常規(guī)砂巖儲層的成分成熟度。

與Barnett頁巖(表1)相比，山西組泥頁巖黏土礦物含量較高，平均59.6%，有利于頁巖氣的吸附。研究表明[5]，美國東部頁巖氣高產的主要原因是具有很高的含氣量外，同時頁巖的石英含量很高，平均在40%以上，最高可達75%(表1)。Wang[6]研究發(fā)現(xiàn)石英含量大于25%時，頁巖儲層才具有可壓裂性，石英含量為35%時，頁巖儲層的可壓裂性最好。研究區(qū)山西組泥頁巖石英含量平均36.9%，利于后期儲層壓裂改造。

表1 山西組泥頁巖儲層特征與北美典型頁巖對比Table 1 Comparison of shale reservoir characteristics in Shanxi formation with typical shale in North America

1.2 有機質特征

此次選擇CY1、CY2井頁巖巖心樣品進行有機地球化學測試，并與前人的研究成果結合進行分析。山西組泥頁巖的有機質類型主要屬于Ⅲ型，Ⅱ型次之，Ⅰ型極少，以生氣為主。有機碳含量也是評價烴源巖的重要指標之一，本次統(tǒng)計了公開發(fā)表的鄂爾多斯盆地山西組157個頁巖有機碳數據進行分析，有機碳(TOC)含量在0.04-22.82%之間，平均為3.12%，TOC值大于1.0%的頁巖樣品占總樣品數的72.61%，CY1、CY2井山西組泥頁巖樣品Ro值在1.76%～3.72%之間，平均值為2.63%，以上數據表明山西組泥頁巖總有機碳含量普遍較高，是優(yōu)質的氣源巖，且已進入干氣階段。

1.3 物性特征

頁巖的孔隙度和滲透率直接關系到頁巖氣藏的含氣量和后期的開發(fā)。CY1、CY2井頁巖孔隙度主要在0.4%～1.5%之間，平均為0.77%，小于北美頁巖(表1)，其中，孔隙度小于0.5%的樣品占總樣品的20%，孔隙度0.5%～1.0%占總樣品的50%，孔隙度1.0%～1.5%占總樣品30%。滲透率在0.0066×10-3μm2～0.2416×10-3μm2之間，平均為0.03999×10-3μm2，其中滲透率小于0.01×10-3μm2占總樣品的30%，滲透率0.01×10-3μm2-0.05×10-3μm2占樣品的40%，滲透率0.05×10-3μm2～0.10×103μm2占樣品的20%，滲透率0.10×10-3μm2～0.50×10-3μm2占樣品的10%。對比北美典型頁巖，山西組泥頁巖孔隙度偏低，而滲透率相對較高(表1)，這主要是受研究區(qū)山西組泥頁巖中裂縫較發(fā)育的影響，對滲透率具有一定的貢獻。

圖3 CY2井頁巖樣品壓汞曲線(汞飽和度)Fig.3 Mercury injection curve of shale sample in well CY2

山西組泥頁巖毛管壓力曲線偏向圖像右側并且向上方靠攏，普遍呈陡坡迅速上升，隨后又緩慢上升，但平緩段較短(圖3)，排驅壓力在8.18 M～11.55 MPa之間，平均為9.30 MPa，表明進汞量小，壓力偏高，反映頁巖孔喉偏細，分選偏差。

1.4 儲集空間特征

顯微鏡下CY1、CY2井山西組泥頁巖樣品的儲集空間類型包括有機質孔、礦物質孔和裂縫。

1.4.1 有機質孔

在生烴過程中有機質體積縮小而產生的氣孔[7]，這些氣孔對于改善頁巖儲層物性具有一定的積極作用。掃描電子顯微鏡和油浸物鏡觀察表明，山西組泥頁巖的有機孔主要發(fā)育在絲質和鏡質體中。 單個有機孔具有各種形式的納米微孔，例如橢圓形，圓形，細長形和不規(guī)則形。 孔徑通常在0.1～20μm之間，孔的邊緣清晰且光滑，并且一些相鄰的孔彼此連接。部分較大的長條形和不規(guī)則氣孔由多個相鄰的氣孔連通而成(圖4)?？傮w來看，山西組泥頁巖中有機質孔較發(fā)育，這與本區(qū)山西組泥頁巖熱演化程度較高(Ro平均為2.3%)有關[8]。

圖4 山西組泥頁巖有機質孔Fig.4 Organic holes in Shanxi formation shale reservoira.CY2井絲質體中孔隙;b.CY1井鏡質體中孔隙;c.CY1井鏡質體中孔隙; d.CY2井有機質孔。

1.4.2 礦物質孔

(1)粒間孔：頁巖中黏土礦物、石英、長石和方解石等礦物之間的孔隙，這類孔隙在砂質含量較高的粉砂質頁巖中較為發(fā)育。山西組泥頁巖中的粒間孔類型主要為黏土礦物粒間孔，孔徑主要分布在1～10μm之間(圖5A)。

圖5 山西組泥頁巖礦物質孔洞Fig. 5 Mineral pores in Shanxi formation shale reservoira.CY1井黏土礦物粒間孔和晶間孔；b.CY2井高嶺石晶間孔；c.CY2井伊利石晶間孔；d.CY2井溶蝕孔

(2)晶間孔：發(fā)育在黏土礦物顆粒間的晶間孔一般呈長條狀，寬度一般為0.1～1μm(圖5B、圖5C)。

(3)粒內孔：主要由成巖作用引起的，山西組泥頁巖中粒內孔主要為黏土礦物粒內孔，孔徑在0.1～10μm之間。

(4)溶蝕孔：頁巖中礦物內部或表面發(fā)生溶蝕作用而產生的孔隙，該類孔隙邊緣粗糙不光滑，部分被黏土礦物充填。山西組泥頁巖中溶蝕孔發(fā)育較少，主要發(fā)育在方解石和長石等礦物顆粒中，孔徑為1-10μm，部分被黏土礦物充填(圖5D)。

1.4.3裂縫

裂縫是影響頁巖含氣量與頁巖氣聚集的重要因素，是頁巖氣的主要滲流通道，裂縫可增加頁巖中游離氣含量， 它還有助于解析作用并控制頁巖氣藏的生產能力[9]。通過巖心樣品和鏡下觀察，山西組泥頁巖裂縫分為小型裂縫和微裂隙[10]。小型裂縫和微裂隙主要是頁巖中有機質生烴作用和黏土礦物脫水作用等形成，規(guī)模一般較小，是游離氣與吸附氣解析后的重要儲集空間和滲流通道，對頁巖氣藏后期壓裂開發(fā)極為有利。

(1)小型裂縫：指寬度為0.01～0.1mm，長度在0.01～0.1m之間的裂縫。山西組泥頁巖小型裂縫包括層理縫和層間縫，其中，層理縫(圖6A)發(fā)育最廣，對頁巖的儲層物性有良好的改善作用。層間縫(圖6B)是在砂巖隔夾層與頁巖交界處的軟弱帶中形成的裂縫，對改善儲層物性也具有一定的貢獻。

(2)微裂隙：指寬度一般小于0.01mm，長度小于0.01m的裂縫，主要由有機質生烴作用和黏土礦物脫水作用形成的。山西組泥頁巖中微裂隙寬度在1～10μm之間，掃描電鏡下裂縫面光滑平整，錯動和位移不明顯，表明其形成與構造應力關系不大(圖6C、圖6D)。

圖6 頁巖儲層中裂隙廣泛發(fā)育Fig.6 A large number of fractures in Shanxi formation shale reservoira.CY1井發(fā)育小型裂縫;b.CY2井發(fā)育小型裂縫;c.CY1井發(fā)育微裂隙;d.CY2井發(fā)育微裂隙。

以往研究表明，在相同的構造背景下，頁巖中裂縫的發(fā)育主要受有機碳含量(TOC)和石英含量控制[10]，且頁巖厚度越薄裂縫越發(fā)育[11]。石英含量同樣也是控制頁巖中裂縫發(fā)育的重要因素，石英在外力作用下易破碎產生裂縫網絡并能保持這些裂縫網絡的開放性和連通性[12]。山西組泥頁巖高有機碳含量和石英含量有利于裂縫大量發(fā)育。

1.5 頁巖含氣性特征

頁巖含氣特征研究包括實驗測定和理論計算。實驗分析是指現(xiàn)場分析方法和等溫吸附法; 理論計算規(guī)則以測井資料為基礎，采用相應的理論公式計算吸附氣體含量，溶解氣體含量和游離氣體含量，得到總氣體含量[13,14]。筆者利用CY1井和CY2井隨鉆施工進行現(xiàn)場解析和室內等溫吸附實驗，結合測井數據、TOC和孔隙度等相關參數計算頁巖含氣量。

現(xiàn)場分析結果表明，山西組泥頁巖氣總含量為0.307 cm3/g～2.098 cm3/g，平均1.19 cm3/g，已經達到商業(yè)開采價值[15]。等溫吸附實驗中(圖7)，在溫度恒定條件下，吸附氣量隨壓力迅速增大，達到一定壓力(5 M～10 MPa)后，吸附氣量增加趨緩；當壓力達到10 MPa，吸附氣含量逐漸穩(wěn)定，沒有或僅有略微增加，最終在21.0 MPa時吸附氣量達到最大值0.93 cm3/g～4.25 cm3/g，平均為2.07 cm3/g。

圖7 CY1井和CY2井頁巖樣品等溫吸附實驗Fig.7 Isothermal adsorption experiment of shale samples from well CY1 and well CY2

理論計算法結果表明，山西組總含氣量在0.19 cm3/g～3.67 cm3/g分布，平均為0.95 cm3/g，與現(xiàn)場解析實驗結果接近；其中游離氣含量主要分布在0.2 cm3/g～0.3 cm3/g之間，平均為0.25 cm3/g；溶解氣含量較少，主要在0.001 cm3/g～0.003 cm3/g之間，平均為0.002 cm3/g；吸附氣含量為0.11 cm3/g～3.5 cm3/g，集中在0.1 cm3/g～1.6 cm3/g，平均為0.71 cm3/g。以上分析可知下寺灣地區(qū)山西組泥頁巖樣品含氣性較好，吸附氣含量比例較大，其含氣性特征有利于頁巖氣勘探。

1.6 頁巖可壓裂性

巖石力學參數和頁巖礦物組成是表征可壓裂性最常用的指標[16]。根據國外對可壓裂性的評價經驗，采用Kahraman S(2004)提出的基于楊氏模量和泊松比定義的脆性指數概念，采用楊氏模量/脆性指數(E/B)來表征可壓裂性。山西組泥頁巖楊氏模量10 GPa～80 GPa，泊松比0.20～0.40，天然裂縫對水力壓裂較敏感，可迅速形成復雜的網絡裂縫。此外，相關研究表明[17]，延長探區(qū)山西組泥頁巖當E/B≥0.14時，頁巖可壓裂性好，反之為可壓裂性差層段。

2 儲層評價

頁巖氣勘探潛力評價包括生烴潛力、儲氣能力和脆性三方面[18]?？偨Y目前用于評價頁巖氣勘探潛力的相關地質參數可以看出，有機碳含量、有機質成熟度、頁巖厚度決定了頁巖的生烴能力，礦物組成和吸附氣體含量決定了頁巖的儲氣能力和可開采性。筆者基于北美頁巖氣勘探實踐，應用有機碳含量(TOC)、有機質成熟度(RO)、頁巖厚度(含≤3m的夾層)、脆性礦物含量和吸附氣所占比例這五項指標來評價山西組頁巖氣勘探潛力。

根據以往的研究結果[18-26]和下寺灣地區(qū)山西組泥頁巖的地質特征，本次確定了五個指標的下限，如表2所示。實際上，勘探及上文實驗結果表明山西組頁巖厚度>15m，TOC>1%，Ro最低值均>1.2，脆性礦物平均含量40.4%，吸附氣含量>45%，均能滿足下限標準。

將上述五項指標下限連接構成一個星狀圖，若五項指標均大于或等于標準值，所有指標的投點落在陰影外部，表明該頁巖為有利泥層段；反之，若任一個或多個指標小于標準值，說明該層段頁巖氣不具備頁巖氣勘探潛力，為無潛力層段。

以CY1井為例，根據山西組頁巖層五項指標數據表(表3)，繪制五項指標星狀圖及評價結果圖(圖8、圖9)。CY1井山西組共有6個頁巖層，編號依次為N1-N6，其中山1段N1和N2兩個頁巖段為有利層段，具備頁巖氣勘探潛力。

表2 國內頁巖勘探潛力評價標準Table 2 Domestic shale gas exploration potential evaluation criteria

表3 CY1井頁巖勘探潛力評價結果Table 3 Shale exploration potential evaluation results of well CY1

圖8 評價CY1井山西組頁巖勘探潛力的五項指標法Fig.8 Five-index method for evaluating shale exploration potential in Shanxi formation of well CY1

圖9 CY1井山西組頁巖勘探潛力評價結果Fig.9 shale exploration potential evaluation results of Shanxi formation of well CY1

3 結論

(1)延長油田下寺灣地區(qū)上古生界山西組發(fā)育一套濱淺海、淺湖相頁巖，山西組頁巖主要為黑色、深灰色頁巖和深灰色粉砂質泥巖，偶夾灰白色條帶狀粉砂巖隔夾層，黏土礦物的體積分數表明其已進入晚期成巖階段。脆性礦物平均超過40%，具有高彈性模量、低泊松比特征，質地硬而脆，利于后期改造，頁巖的楊氏模量/脆性指數的值具有明顯的兩段性。

(2)山西組頁巖有機質類型以Ⅲ型干酪根為主，TOC平均值3.12%，Ro值平均值2.63%，以形成干氣為主，是優(yōu)質的氣源巖，泥頁巖總含氣量平均為1.19 cm3/g，達到商業(yè)開采價值。

(3)CY1井、CY2井頁巖儲層空間多樣，發(fā)育有機質孔、晶間孔、粒間孔、粒內孔、溶蝕孔和大量的小型、微型裂縫。相比北美典型頁巖，山西組頁巖孔隙度偏低，平均為0.77%，滲透率較高，平均為0.039 99×10-3μm2。

(4)根據有機碳含量，有機質成熟度，頁巖厚度，脆性礦物含量和吸附氣體五項指標，建立了山西組頁巖氣藏評價標準。以CY1井為例，利用五項指標法評價山西組頁巖勘探潛力，優(yōu)選有利勘探層段，結果顯示其勘探潛力良好。