王建波 馮明剛 嚴(yán) 偉 劉 帥

（中國石化勘探分公司，四川 成都 610041）

0 引言

涪陵頁巖氣田位于重慶市涪陵區(qū)焦石鎮(zhèn)，構(gòu)造位置位于四川盆地川東褶皺帶的東南部，整體構(gòu)造平緩。焦石壩地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)集物性較好，有機(jī)孔和無機(jī)孔發(fā)育，儲(chǔ)集空間具有多樣性［1］，發(fā)育大量基質(zhì)孔隙和微裂縫，天然氣主要以游離氣和吸附氣賦存于暗色頁巖中，是典型的“自生自儲(chǔ)”系統(tǒng)，具有頂?shù)装鍡l件好并且后期構(gòu)造作用相對(duì)較弱的特征，屬于中深層、高壓的優(yōu)質(zhì)頁巖氣藏［2］。焦石壩地區(qū)頁巖儲(chǔ)層主要發(fā)育于龍馬溪組龍一段和五峰組，巖石類型豐富［3-7］。由于頁巖儲(chǔ)層在黏土礦物含量、孔隙類型以及黃鐵礦等方面的特殊性，地層水以復(fù)雜多樣的形態(tài)存在于地層中，這增加了頁巖氣儲(chǔ)層含水飽和度評(píng)價(jià)的難度。筆者在調(diào)研國內(nèi)外頁巖氣儲(chǔ)層含水飽和度評(píng)價(jià)相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究影響頁巖氣儲(chǔ)層含水飽和度的因素，并結(jié)合分析化驗(yàn)資料對(duì)研究區(qū)實(shí)際測井資料進(jìn)行處理和評(píng)價(jià)，分析常規(guī)飽和度評(píng)價(jià)方法的適用性。

1 影響因素分析

巖石的礦物成分及表面性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙比表面是影響油氣飽和度的關(guān)鍵因素。一般而言，地層中礦物顆粒越細(xì)，孔隙結(jié)構(gòu)越差，喉道越細(xì)，含水飽和度越大［8-9］。針對(duì)焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組的頁巖而言，黏土礦物、孔隙類型和黃鐵礦是影響地層含水飽和度評(píng)價(jià)和計(jì)算的主要因素［10］。

1.1 黏土礦物的影響

黏土礦物是頁巖的重要組成成分之一。根據(jù)研究區(qū)X1 井五峰組— 龍馬溪組全巖X 射線衍射分析（圖1a、圖1b），黏土礦物隨著深度增加逐漸減少，含量介于16.6%～62.8%、平均值為40.9%，以伊蒙混層（含量介于25%～85%、平均值為54%）和伊利石（含量介于12%～68%，平均值為40%）為主，綠泥石次之（含量介于1%～20%、平均值為6%）。

圖1 X1井五峰組—龍馬溪組頁巖礦物成分和黏土礦物成分分布圖

黏土礦物顆粒直徑只有幾百納米至幾微米，具有較大的比表面積和較強(qiáng)的表面自由能［11-12］及很強(qiáng)的吸附能力。伊利石和蒙脫石表面具有較強(qiáng)的吸水性，引起地層巖石的親水性［8，13-14］，從而在其表面形成一種薄膜束縛水。研究區(qū)黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，容易在地層巖石中形成較高的束縛水飽和度。另外，黏土礦物內(nèi)部和黏土礦物之間發(fā)育一種微細(xì)的黏土礦物粒間孔和粒內(nèi)孔（圖2）。這類孔隙具有體積小、數(shù)量多、吸附性強(qiáng)的特點(diǎn)，在氣驅(qū)水的過程中部分毛細(xì)管束縛水滯留于此類孔隙中［15-16］，所以黏土礦物孔是頁巖氣儲(chǔ)層束縛水的主要賦存空間［17］（圖2）。

圖2 各種類型孔隙及黃鐵礦氬離子拋光掃描電鏡照片

地層巖石的親水性和黏土礦物孔的強(qiáng)吸附性導(dǎo)致黏土礦物表面和孔隙中優(yōu)先吸附和儲(chǔ)集水分子，對(duì)頁巖氣的賦存和運(yùn)移有一定的阻礙作用。黏土礦物表面和孔隙中所吸附和儲(chǔ)集的水分子通常以孔隙水、吸附水、層間水和結(jié)構(gòu)水4 種形式存在［18］，除孔隙水外，其余3種水均為束縛水，使得黏土礦物含量高的地層中束縛水含量較高。這一因素會(huì)導(dǎo)致頁巖氣儲(chǔ)層的含水飽和度比常規(guī)天然氣略高。

1.2 孔隙類型的影響

應(yīng)用納米CT 掃描和氬離子束拋光掃描電子顯微鏡對(duì)研究區(qū)的巖樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)巖石中存在有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物孔、晶間孔以及次生溶蝕孔等孔隙類型，孔徑介于2～300 nm。

圖3 X1井五峰組—龍馬溪組頁巖孔隙類型構(gòu)成直方圖

焦石壩地區(qū)X1 井五峰組— 龍馬溪組頁巖孔隙構(gòu)成隨著深度增加，從以黏土礦物孔為主逐漸演變到以有機(jī)孔為主（圖3）。黏土礦物孔和有機(jī)孔占了總孔隙體積的90%以上，其他孔隙類型所占比例較少。除黏土礦物孔外，有機(jī)孔對(duì)頁巖地層的含水飽和度有較大影響。有機(jī)孔是頁巖中有機(jī)質(zhì)在熱裂解生烴過程中形成于有機(jī)質(zhì)間和有機(jī)質(zhì)內(nèi)的孔隙，對(duì)頁巖氣的生成和儲(chǔ)集具有重要意義。研究區(qū)有機(jī)質(zhì)納米孔是發(fā)育最廣泛的孔隙類型之一，以微孔、中孔為主，孔徑介于1.5～50.0 nm，孔隙形態(tài)為席狀、片狀或管狀，連通性中等，喉道形態(tài)為針管狀，局部呈片狀、斑塊狀，以30 nm 中型納米孔喉為主［19］。有機(jī)質(zhì)內(nèi)部納米孔數(shù)量豐富，有機(jī)孔之間并不是孤立存在的，而是存在某種程度的連通性。在頁巖生烴過程中，烴源巖中有機(jī)質(zhì)生成大量的烴類分子，最終通過有機(jī)孔進(jìn)入基質(zhì)孔隙。部分烴類分子必須克服基質(zhì)孔隙表面束縛水的阻擋，在這個(gè)過程中一些束縛水由于受到烴類分子的作用，便會(huì)突破巖石的束縛變成自由水分子進(jìn)入基質(zhì)孔隙中，最終通過排液過程排出儲(chǔ)層［20］。同時(shí)，有機(jī)孔的表面具有親油氣性，該特點(diǎn)決定有機(jī)孔往往相對(duì)于黏土礦物孔、黃鐵礦晶間孔等無機(jī)孔隙能夠優(yōu)先促使甲烷在其內(nèi)吸附和儲(chǔ)集，是烴類的主要儲(chǔ)集空間［12］293。焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層富含有機(jī)孔，形成良好的天然氣導(dǎo)流微通道，致使地層具有較低的含水飽和度。

1.3 黃鐵礦的影響

黃鐵礦一般形成于強(qiáng)還原環(huán)境，經(jīng)常與有機(jī)質(zhì)和鈾共生。研究區(qū)龍馬溪組一段地層沉積時(shí)期為滯留、缺氧、水體較深的深水陸棚沉積環(huán)境，常見黃鐵礦發(fā)育［21］，含量介于1%～8%，平均值為2%。分布形式多樣，呈草莓團(tuán)塊狀、分散狀及層狀分布，其中草莓狀黃鐵礦結(jié)核在富含有機(jī)質(zhì)的頁巖中較常見，內(nèi)部由許多小的黃鐵礦晶體組成，晶體之間存在微孔隙［22］。由于黃鐵礦具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，表現(xiàn)為極低電阻，電阻率一般分布在1 × 10-1～1 × 10-6Ω · m，從而對(duì)地層含水飽和度的計(jì)算造成影響。以X4井為例（圖4），層狀分布的黃鐵礦單層厚度一般在10 cm以下，成像圖上呈黑色條帶狀分布，導(dǎo)電能力強(qiáng)，電阻率曲線呈明顯的尖峰狀下降。團(tuán)塊狀和分散狀黃鐵礦多呈米粒形態(tài)，同一深度同時(shí)分布一粒到多粒，但都不是連續(xù)分布，雙側(cè)向電阻率曲線上未見明顯的響應(yīng)。分析認(rèn)為，在地層含水飽和度較低時(shí)，黃鐵礦顆粒表面的附加導(dǎo)電作用對(duì)儲(chǔ)層電阻率的影響較強(qiáng)，且明顯大于含水對(duì)電阻率的影響。但是，在近似飽含水時(shí)，少量的黃鐵礦對(duì)儲(chǔ)層電阻率的影響小于含水對(duì)電阻率的影響［23］。研究區(qū)的情況屬于后者，導(dǎo)致計(jì)算的地層含水飽和度偏高［24-25］。所以，使用Archie 公式及其衍生公式計(jì)算地層含水飽和度時(shí)必須進(jìn)行黃鐵礦校正。對(duì)于近似呈層狀分布的黃鐵礦，采用與本深度鄰近上下的主要礦物的電阻率作為真實(shí)電阻率參與計(jì)算；而對(duì)于呈分散狀或草莓團(tuán)塊狀的黃鐵礦，由于其含量較低，對(duì)地層電阻率的影響較小，可以忽略其對(duì)地層含水飽和度計(jì)算的影響。

圖4 X4井黃鐵礦電性特征圖

2 評(píng)價(jià)方法

焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度較高，平均值在4.0%以上，游離氣含量在總含氣量中占較大的比重，游離氣與吸附氣的比值平均為6∶4。因此對(duì)儲(chǔ)層含水飽和度的評(píng)價(jià)提出了更高的要求，同時(shí)儲(chǔ)層含水飽和度的計(jì)算精度將對(duì)合理評(píng)價(jià)原始?xì)獠氐挠坞x氣含量具有重要意義。筆者在明確頁巖氣儲(chǔ)層含水飽和度影響因素的基礎(chǔ)上，針對(duì)孔隙度—飽和度交會(huì)法、Archie 公式及其衍生公式等常規(guī)含水飽和度評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用條件和適用性進(jìn)行了分析。

2.1 孔隙度—飽和度交會(huì)法

在同一個(gè)氣藏系統(tǒng)中，針對(duì)均質(zhì)性孔隙型儲(chǔ)層，位于氣水界面之上的流體滿足毛細(xì)管力作用原理，其束縛流體飽和度與孔隙度的乘積趨于常數(shù)，即孔隙度與飽和度具有明顯的單邊雙曲線規(guī)律。

根據(jù)焦石壩地區(qū)X4 井封蠟巖心實(shí)測的原始含水飽和度和孔隙度進(jìn)行二者的雙曲線相關(guān)性分析（圖5），建立巖心分析孔隙度與含水飽和度之間的關(guān)系式：

式中，Sw為含水飽和度，%；?為巖心分析孔隙度，%。

通過式（1）計(jì)算得到含水飽和度，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

2.2 Archie公式及其衍生公式

2.2.1 Archie公式

圖5 X4井封蠟巖心實(shí)測孔隙度與含水飽和度關(guān)系圖

Archie公式通過對(duì)大量砂巖樣品進(jìn)行測量，首次提出了測井解釋中兩個(gè)最基本的參數(shù)和兩個(gè)最基本的解釋關(guān)系式，從而形成經(jīng)典的Archie公式［26］：

式中，Rw為地層水電阻率，取值為0.046 Ω · m；Rt為地層電阻率，Ω·m；a 為巖性系數(shù)；m 為孔隙度膠結(jié)指數(shù)；b為飽和指數(shù)；n為飽和度指數(shù)。

對(duì)X2 井五峰組—龍馬溪組11 塊巖樣進(jìn)行巖心地層因素F 和電阻率增大系數(shù)I 測量，通過F-?、I-Sw關(guān)系擬合確定巖電參數(shù)a為1.05、m為1.53、b為1.01、n為1.93。

2.2.2 Simandoux公式

Simandoux 公式是基于均勻分布的黏土混合泥質(zhì)砂巖建立的，將泥質(zhì)巖石的導(dǎo)電性看成是泥質(zhì)和純巖石兩部分并聯(lián)導(dǎo)電的結(jié)果，認(rèn)為泥質(zhì)以黏土混合物的形式均勻分布在地層中［27］，如式3所示：

圖6 X4井測井計(jì)算與巖心分析含水飽和度對(duì)比圖

式中，Rsh為頁巖電阻率，Ω·m；Vsh為黏土含量，%。

根據(jù)研究區(qū)五峰組—龍馬溪組地層特點(diǎn)，Rsh取值為15 Ω ·m，Vsh通過常規(guī)測井解釋獲得，最終得到黏土校正后的含水飽和度。

2.2.3 Total Shale公式

Total Shale 公式是斯倫貝謝公司在Simandoux 公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后的模型［28］，如式4所示：

在Simandoux 公式的基礎(chǔ)上，Total Shale 公式考慮了飽和度指數(shù)n，并在純砂巖項(xiàng)中去除了泥質(zhì)體積的影響，提高了飽和度計(jì)算精度。

2.2.4 實(shí)例分析

利用X4 井的封蠟樣巖心分析結(jié)果，對(duì)上述4 種方法得到的飽和度值進(jìn)行刻度，計(jì)算的含水飽和度存在明顯差異（圖6），最大處計(jì)算結(jié)果相差20%。通過對(duì)4 種方法的對(duì)比，孔隙度—飽和度交會(huì)法得到的含水飽和度最高，Archie 公式次之，Simandoux 公式計(jì)算的含水飽和度更低，Total Shale 公式最低。這4種方法計(jì)算的含水飽和度變化趨勢與巖心分析結(jié)果基本一致，隨著深度增加含水飽和度越來越低。

利用孔隙度—飽和度交會(huì)法計(jì)算地層含水飽和度存在如下局限：①實(shí)驗(yàn)室分析的巖心飽和度樣品為封蠟樣，不是密閉取心樣，其巖心分析的含水飽和度并不能完全代表氣藏地層的原始含水飽和度，影響含水飽和度的測量精度，導(dǎo)致孔隙度與飽和度之間的相關(guān)性變差；②樣品的孔隙度分布范圍較小，介于4%～7%，缺少低孔隙度（孔隙度小于4.0%）和高孔隙度（孔隙度大于7%）儲(chǔ)層段的樣品，導(dǎo)致孔隙度與飽和度之間的單邊雙曲線規(guī)律代表性不夠，從而影響地層含水飽和度的計(jì)算精度。

同樣，利用Archie 公式及其衍生公式估算地層含水飽和度均存在各自的局限性：①Archie 公式中充分考慮了a、m、b、n 等巖電參數(shù)；而Simandoux公式中認(rèn)為泥質(zhì)含量多的油氣層n 值取2.0，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖地層n 值為1.93，存在一定的差異，對(duì)計(jì)算結(jié)果將產(chǎn)生影響；Total Shale 公式在Simandoux 公式的基礎(chǔ)上考慮了飽和度指數(shù)n 的影響［29］，提高了計(jì)算精度。②Archie 公式是在對(duì)大量純砂巖樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的地層含水飽和度計(jì)算模型。雖然焦石壩地區(qū)黏土含量較高，但多為分散狀，少有呈層狀泥質(zhì)，可近似認(rèn)為地層的導(dǎo)電性仍具有較好的均質(zhì)串聯(lián)導(dǎo)電特征，利用Archie公式計(jì)算地層含水飽和度有較好的適用性；而Simandoux公式和Total Shale公式雖然考慮了黏土含量的影響，但是泥質(zhì)與純巖石并聯(lián)導(dǎo)電的模型與研究區(qū)的實(shí)際情況存在差異。

3 結(jié)論與建議

1）頁巖地層儲(chǔ)集空間具有多樣性，含水飽和度影響因素較多：地層中黏土礦物含量高，黏土礦物孔中賦存部分束縛水；有機(jī)孔大量發(fā)育，連通性好，孔隙表面具有親油氣性；黃鐵礦顆粒表面具有附加導(dǎo)電作用，從而影響電阻率測井。以上因素均影響對(duì)頁巖地層含水飽和度的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

2）焦石壩地區(qū)五峰組— 龍馬溪組儲(chǔ)層孔隙類型構(gòu)成變化較大，隨著深度增加有機(jī)孔所占比例增加，黏土礦物孔減少，含水飽和度逐漸減小。

3）對(duì)頁巖地層的含水飽和度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)必須充分考慮黃鐵礦和黏土礦物的影響。多種方法計(jì)算得到的結(jié)果與巖心分析結(jié)果的變化趨勢基本一致。針對(duì)焦石壩地區(qū)頁巖地層均質(zhì)性強(qiáng)、縱向變化小的特點(diǎn)，采用Archie公式計(jì)算含水飽和度效果較好。