韓玉婷 朱天龍 李 軍,3

(1.中國消防救援學(xué)院，北京 100022；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；3.河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

2011年，自然資源部對全中國頁巖氣資源潛力進(jìn)行評價(jià)，我國頁巖氣資源潛力豐富[1]，可開采資源潛力占比約18.6%，頁巖氣開發(fā)潛力前景廣闊.2018年，我國天然氣對外依存度達(dá)到45.3%，我國頁巖氣商業(yè)化開發(fā)起步較晚，頁巖氣資源量雖與美國相差較小，但在產(chǎn)量方面卻相差很大，2018年頁巖氣產(chǎn)量僅占全球產(chǎn)量6.79%.近年來，頁巖氣的勘探越來越受到重視，那么頁巖氣產(chǎn)量則至關(guān)重要.

李玉喜等[2-3](2011年)在對頁巖氣的研究中，把頁巖含氣量定義為每噸巖石中所含天然氣折算到標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(101.325KPa，25℃)下的天然氣總量.頁巖氣是吸附氣、游離氣、溶解氣的總和.吸附氣在頁巖及烴源巖中以吸附態(tài)賦存，主要是吸附在有機(jī)質(zhì)及黏土礦物表面；游離氣在頁巖及烴源巖中以游離態(tài)賦存，主要是以游離狀態(tài)存在于巖石的孔隙和微裂縫中；溶解氣在頁巖及烴源巖中以溶解態(tài)賦存.通過研究表明，吸附氣含量最高，一般在80%～20%之間，游離氣含量居中，游離氣含量在20%～80%之間，溶解氣的比例非常低，一般可忽略不計(jì).作者對貴州遵義安頁1井的巖心進(jìn)行現(xiàn)場解析法獲得頁巖氣含量，對巖心巖性、實(shí)驗(yàn)方法等分析確定現(xiàn)場解析法對頁巖含氣量影響因素.

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

安頁1井所處的地層屬于上揚(yáng)子川南-黔北地層分區(qū)，總體來說地區(qū)古生界地層發(fā)育完整，缺失石炭系、泥盆系，安頁1井通過測井?dāng)?shù)據(jù)及巖心觀察，選用研究區(qū)選用的巖心目的層為下志留統(tǒng)龍馬溪組到上奧陶統(tǒng)五峰組，受黔中隆起的影響，上奧陶統(tǒng)、下志留統(tǒng)地層受剝蝕.奧陶系-志留系地層情況如圖(圖1).

五峰組為奧陶系上部地層，地層較薄，受加里東運(yùn)動影響，為富有機(jī)質(zhì)頁巖層系，巖性為上部觀音橋組生物介質(zhì)泥灰?guī)r，下部五峰組碳質(zhì)頁巖.觀音橋組生物介質(zhì)泥灰?guī)r層系分布較穩(wěn)定，地層厚度非常薄，在研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)均有.

志留系地層從下到上依次為龍馬溪組、石牛欄組和韓家店組，其中龍馬溪組巖性為上部灰色泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖，樂儉—務(wù)川以南地區(qū)為粉砂質(zhì)頁巖夾含鈣質(zhì)粉砂巖，下部為灰黑色碳質(zhì)頁巖.龍馬溪組為區(qū)內(nèi)第三套富有機(jī)質(zhì)頁巖層系，由于五峰組地層較薄，龍馬溪組頁巖與五峰組共同研究，作為區(qū)內(nèi)第二套頁巖氣勘探層系.

地 層系統(tǒng)組巖性厚度(m)巖 性 描 述三疊系中統(tǒng)下統(tǒng)獅子山組146-403下部淺灰,淺灰綠色中厚層鈣質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r為主,夾薄層灰?guī)r,泥巖;上部以淺灰色薄—厚層致密灰?guī)r為主夾頁狀泥灰?guī)r及少量角礫狀白云巖.松子坎組184-403以紫紅、灰褐、灰綠等雜色泥巖為主,夾少量灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥灰?guī)r,下部灰?guī)r、白云巖夾鈣質(zhì)頁巖及灰綠色頁巖.茅草鋪組498-815淺灰色薄至厚層致密灰?guī)r,夾數(shù)層白云質(zhì)鮞?；?guī)r.夜郎組371-782紫紅色泥巖夾泥晶灰?guī)r及灰色薄—中層泥晶灰?guī)r,含生物碎屑灰?guī)r、鮞?；?guī)r.二疊系上統(tǒng)中統(tǒng)下統(tǒng)長興組42-79深灰色灰?guī)r,含硅質(zhì)團(tuán)塊灰?guī)r龍?zhí)督M55-157灰、灰黃色砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)粘土巖,碳質(zhì)頁巖互層,夾煤3-20層.茅口組136-310灰色硅質(zhì)條帶灰?guī)r,深灰—淺灰色中厚層灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r.棲霞組110-180深灰色灰?guī)r、透鏡體泥質(zhì)灰?guī)r互層夾白云質(zhì)灰?guī)r,燧石結(jié)核灰?guī)r.梁山組8-60上部頁巖;中部碳質(zhì)頁巖,局部產(chǎn)鋁土礦;下部夾少量中厚層灰?guī)r.志留系下統(tǒng)韓家店組374-872灰、灰綠色泥巖、上部夾石英砂巖、下部夾少量中厚層灰?guī)r.石牛欄組141-323灰綠色頁巖,灰色灰?guī)r夾泥灰?guī)r.龍馬溪組140-384上部灰色泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖,樂檢—務(wù)川以南地區(qū)為粉砂質(zhì)頁巖夾含鈣質(zhì)粉砂巖:下部為灰黑色碳質(zhì)頁巖.奧陶系上統(tǒng)中統(tǒng)下統(tǒng)五峰組6-18上部觀音橋組生物介殼泥灰?guī)r,下部五峰組灰色堿質(zhì)頁巖.澗草溝組2-8灰色灰?guī)r及泥灰?guī)r.寶塔組22-54灰色中厚層龜裂紋灰?guī)r.十字鋪組10-60上部為灰黃色泥灰?guī)r,下部為灰色中厚層狀鮞粒灰?guī)r.湄潭組147-221灰黃、灰綠色粘土質(zhì)粉砂巖,鈣質(zhì)粉砂巖,頁巖夾生物碎屑灰?guī)r,石英砂巖.紅花園組25-139灰色生物灰?guī)r,部分地區(qū)變?yōu)榘自茙r.桐梓組206-230上部為深灰色厚層白云巖,中部為灰、灰黃色頁巖;下部為灰色白云巖夾泥質(zhì)白云巖.

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)及周緣總體構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育多次構(gòu)造運(yùn)動，褶皺和斷裂均較發(fā)育，主要發(fā)育三條深大斷裂系，正安地區(qū)受正安斷裂帶影響較大，發(fā)育安場向斜、斑竹向斜，其中安場向斜相對寬緩，受加里東運(yùn)動和燕山運(yùn)動構(gòu)造影響最大，兩期構(gòu)造運(yùn)動相互疊加、改造.正安斷裂帶是一條具有多期次活動的斷裂帶，以正斷層性質(zhì)為主(圖2).

2 巖心測試分析

2.1 安頁1井五峰-龍馬溪組地層界線

安頁1井構(gòu)造位置處于武陵褶皺區(qū)安場向斜段，根據(jù)現(xiàn)場鉆井及巖屑的觀察等綜合觀察，確定安頁1井新灘組-五峰組地層界線為井深2303-2331.6 m，地層厚度28.6 m，巖性主要為黑色碳質(zhì)頁巖.現(xiàn)場鉆井的志留系地層界限是井深2204-2325.7 m，包括新灘組(2204～2303 m)、龍馬溪組(2303～2325.48 m)、觀音橋組(2325.48～2325.8 m)，龍馬溪組是頁巖含氣量的測試組，觀音橋組地層界限較少，剝蝕嚴(yán)重.奧陶系的井深是2325.7～2370 m，包括五峰組(2325.7～2331.6 m)，寶塔組(2331.6～2370 m)，五峰組地層也是頁巖含氣量的測試組.

2.2 現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶訋r性

在鉆井現(xiàn)場，根據(jù)確定的地層界線進(jìn)行巖心取樣做巖性描述及現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)，取樣深度為2317.6 m～2331.64 m，總計(jì)14 m，是龍馬溪組和五峰組地層.巖石描述如下：

龍馬溪組取樣較多，巖性整體為黑色碳質(zhì)頁巖，碳質(zhì)分布不均，下部含少量硅質(zhì).龍馬溪組的節(jié)理裂縫更發(fā)育，節(jié)理面具碳質(zhì)磨光面，用手摸頁巖樣品，可見污手現(xiàn)象.富有筆石化石，在不同的巖心樣品中，筆石化石分布不均，下部筆石化石比上部要豐富，富集.可見黃鐵礦晶體，存在局部富集現(xiàn)象，個(gè)別樣品出現(xiàn)黃鐵礦團(tuán)塊.上部裂縫、微裂縫較發(fā)育，方解石充填.

巖石取出進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)，剛放入水中能見到氣泡冒出，隨著浸水實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，可見線狀氣泡快速冒出，個(gè)別樣品可見到噴泉狀、串珠狀氣泡冒出，可聽到氣泡冒出的滋滋聲響，整個(gè)巖心表面都可見到氣泡冒出，表明頁巖的含氣量較高.五峰組取樣較少，整體顏色呈黑色，碳質(zhì)頁巖，碳質(zhì)分布不均，節(jié)理裂縫發(fā)育，馬牙狀構(gòu)造縫、網(wǎng)狀縫構(gòu)造明顯，輕微污手，可見滑脫面、凝灰?guī)r條帶.

2.3 總有機(jī)碳含量(TOC)

有機(jī)碳含量(TOC)是評價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度的常用指標(biāo).安頁1井研究區(qū)內(nèi)五峰-龍馬溪組有機(jī)碳含量(TOC)數(shù)據(jù)選取的樣品密度基本為5個(gè)/m，測量TOC值共選取了66個(gè)樣品.整體來說，TOC值較高，分布在1.5%～4.8%之間，其中TOC含量在2%-3%樣品數(shù)最多，為22個(gè)，TOC含量在1%-2%和3%-4%的樣品數(shù)各16個(gè)，4%以上的樣品數(shù)最少，為12個(gè).研究樣品深度與TOC含量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)TOC含量整體上從上到下具逐漸降低的特征(圖3).

圖3 總有機(jī)碳TOC與深度關(guān)系

2.4 熱成熟度

鏡質(zhì)體反射率(Ro)是評價(jià)有機(jī)質(zhì)成熟度的一項(xiàng)重要指標(biāo)[4].安頁1井的樣品送至實(shí)驗(yàn)室測試，測得的鏡質(zhì)體反射率Ro值(表1).五峰-龍馬溪組頁巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)范圍在2.15%～2.50%之間，五峰-龍馬溪組鏡質(zhì)體反射率平均值分別為2.17%和2.37%.五峰組送樣較多，Ro相對較高，龍馬溪組相對較低.

表1 安頁1井五峰-龍馬溪組鏡質(zhì)體反射率表

2.5 現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)

圖4 安頁1井五峰組-龍馬溪組頁巖解析氣量

中國在頁巖氣勘探的起步較晚，用于工業(yè)勘探開發(fā)的頁巖氣，由于開采技術(shù)限制，殘余氣還不能有效開發(fā)[5]，所以現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)中的頁巖總含氣量是解析氣與損失氣量的總和，殘余氣部分不計(jì)入總含氣量.安頁1井的頁巖氣解析實(shí)驗(yàn)所采用的方法是現(xiàn)場解析法[4].現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)裝置采用的是中國石化無錫地質(zhì)研究所的現(xiàn)場解析儀器，原理是自動化排水集氣.現(xiàn)場解析實(shí)驗(yàn)共14個(gè)樣品，得到五峰組—龍馬溪組地層的頁巖解析氣含量(如圖4)，其中6號和11號樣品到達(dá)地面后，放入解析罐內(nèi)未調(diào)整到地層溫度進(jìn)行解析，而是地面溫度自然解析，剛開始解析實(shí)驗(yàn)，解析氣量迅速升高，導(dǎo)致計(jì)算損失氣量過高(如圖5).

現(xiàn)場解析法獲得的頁巖氣含氣量包括解析氣量和損失氣量，根據(jù)擴(kuò)散模擬，在解析作用初期，解析的總氣量隨時(shí)間的平方根呈線性變化[6].解析氣量與損失氣量的關(guān)系如下：

(1)

圖5 安頁1井總含氣量中解析氣與損失氣圖

V解表示解析氣量，V失表示損失氣量，單位cm3，而k表示直線段斜率；t失表示損失氣的損失時(shí)間，t表示解析氣的解析時(shí)間，單位min.其中損失時(shí)間的計(jì)算方法采用的的還是提鉆時(shí)間的一半加上地面巖心裝入解析罐之前的處理時(shí)間.現(xiàn)場解析法獲得解析氣量后，用多項(xiàng)式法計(jì)算損失氣[7].頁巖含氣量為2.626 m3/t～6.488 m3/t，大部分在3 m3/t以上，龍馬溪組下部及五峰組頂部頁巖含氣量最高.

3 頁巖含氣量的影響因素

通過渝東南、鄂爾多斯等地的頁巖含氣量的研究，孔隙度與滲透率、TOC、Ro、粘土總量、脆性礦物含量、地層壓力、溫度以及埋深等都是頁巖含氣量的影響因素[8].安頁1井對采集的樣品進(jìn)行了滲透率、有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)、鏡質(zhì)體反射率(Ro)進(jìn)行了測試，本文討論這三個(gè)因素對含氣量的影響.

3.1 TOC含量對頁巖含氣量的影響

頁巖含氣量影響因素受溫度、壓力、孔隙度、有機(jī)質(zhì)含量等的影響，頁巖的孔隙空間及比表面積也影響頁巖的含氣量.有機(jī)質(zhì)含量影響頁巖的孔隙空間及比表面積，有機(jī)質(zhì)含量高，吸附氣含量越高.W.Jing等[9]指出有機(jī)碳含量與頁巖的含氣量具有良好的正相關(guān)關(guān)系(圖6).

圖6 頁巖氣藏吸附氣與TOC含量的關(guān)系(W.Jing等，2011)

安頁1井采樣樣品深度從淺至深，根據(jù)對現(xiàn)場解析法測得的總含氣量樣品與測得的有機(jī)碳含量進(jìn)行研究，得到有機(jī)碳含量與總含氣量的關(guān)系.總有機(jī)碳含量增加，頁巖總含氣量增加，總有機(jī)碳含量降低，頁巖總含氣量降低(圖7).

3.2 鏡質(zhì)體反射率(Ro)對頁巖含氣量的影響

溫曉紅等研究表明頁巖的成熟度越高，氣體的吸附能力逐漸增大[10].鏡質(zhì)體反射率(Ro)較大，氣體的吸附能力則更高，但不是Ro越大，頁巖的吸附能力就越高，一直呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，Ro過高時(shí)，也有可能頁巖的吸附能力會偏低[11]，這可能是由于有機(jī)質(zhì)演化到一定階段時(shí)有機(jī)質(zhì)大量消耗，有機(jī)質(zhì)消耗，導(dǎo)致吸附載體減少，從而不利于氣體的吸附(圖8).

圖8 最大吸附量與Ro相關(guān)性(溫曉紅等，2015)

通過對安頁1井的測試結(jié)果可知，測得頁巖含氣量較高地層在五峰組上部和龍馬溪組下部，而實(shí)驗(yàn)獲得的鏡質(zhì)體反射率較高的位置也是在五峰組頂部和龍馬溪組下部，說明Ro值與頁巖含氣量密切相關(guān)，呈正相關(guān)關(guān)系.

3.3 其他因素

除了上述有機(jī)碳含量(TOC)和鏡質(zhì)體反射率(Ro)對頁巖含氣量具有影響外，孔隙度和滲透率、溫度和壓力均對頁巖含氣量具有影響[12].脆性礦物含量、巖石的濕度、粘土礦物含量等對頁巖的含氣量均具有不同程度的影響.富伊利石的頁巖吸附能力高，采集的安頁1井的巖石樣品富伊利石.

4 結(jié) 論

研究區(qū)內(nèi)頁巖巖性均為黑色碳質(zhì)頁巖，碳質(zhì)分布不均，節(jié)理裂縫發(fā)育，富含筆石化石，可見黃鐵礦晶體，輕微污手，部分樣品具有馬牙狀構(gòu)造縫、網(wǎng)狀縫構(gòu)造等，可見滑脫面、凝灰?guī)r條帶.頁巖含氣量為2.626 m3/t～6.488 m3/t，大部分在3 m3/t以上，龍馬溪組下部及五峰組頂部頁巖含氣量最高.用現(xiàn)場解析法獲取解析氣時(shí)，要注意優(yōu)化取心方式，減少鉆井取心時(shí)間，模擬地層溫壓條件.

研究區(qū)內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量(TOC)和鏡質(zhì)體反射率(Ro)都與頁巖含氣量高度相關(guān)，安頁1井取樣樣品中，五峰組-龍馬溪組全烴含量較高，有機(jī)碳含量(TOC)越高，頁巖含氣量越高.鏡質(zhì)體反射率(Ro)越高，頁巖總含氣量越高.