楊 光，田偉志，呂 江，徐守輝，康 樂，李晗菲

(中國石油長城鉆探工程有限公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

頁巖氣資源潛力巨大，已成為全球油氣勘探的一個新領域。目前，對頁巖氣的成藏和儲量研究較多，且大部分是從頁巖氣聚集機理及聚集條件等外因角度開展儲層評價[1]。而頁巖的礦物組分作為優(yōu)質儲層的內因，控制著儲集空間的發(fā)育。因此，通過開展頁巖有機地球化學、巖石學以及含氣量等相關參數測試，對頁巖氣儲層巖性成分、含氣能力、成因及儲集等方面進行研究，為頁巖氣勘探開發(fā)提供技術支持。該文從儲集層巖石學角度對W202區(qū)塊龍馬溪組開展細致研究，為優(yōu)質儲層發(fā)育機理的研究、輔助水平井導向及壓裂技術實施提供依據[2-3]。利用XRF技術分析各小層元素分布，通過SiO2、Al2O3、∑Fe2O3、CaO、MgO、SO3等含量表征石英、黏土及灰質發(fā)育情況，確定頁巖成分及巖性，評價儲集層力學脆性[4]；利用XRD、薄片鑒定和掃描電鏡等測試手段，分析礦物成分及含量、有機質特征及賦存狀態(tài)、儲集空間類型等，并結合烴源巖、等溫吸附數據探究優(yōu)質儲集層的發(fā)育機理，為威遠構造W202區(qū)塊龍馬溪組龍11亞段頁巖氣開發(fā)提供基礎。

1 研究區(qū)地質概況

四川盆地根據區(qū)域構造特征劃分為川東南、川中和川西北構造區(qū)等3個亞一級構造單元，可進一步劃分為川西坳陷帶、川中低緩褶皺帶、川西南低陡褶皺帶、川北低陡褶皺帶、川東高陡褶皺帶、川南低陡斷褶帶等6個盆地二級構造單元。

W202區(qū)塊位于川中隆起區(qū)的川西南低陡褶皺帶威遠背斜構造高部位(圖1)。志留系下統(tǒng)龍馬溪組下部發(fā)育了一套巨厚的黑色炭質頁巖、硅質頁巖和灰質頁巖，上部發(fā)育了一套巨厚綠灰色頁巖及薄層粉砂質頁巖[5]。依據沉積旋回特征，將龍馬溪組分為龍1段、龍2段2個次級反旋回[6-7]。

圖1 威遠構造位置Fig.1 The location of Weiyuan Structure

龍馬溪組龍1段為持續(xù)海退的進積式反旋回，依照次級旋回和巖性特征將其分為龍11和龍122個亞段[8]。龍11亞段位于龍馬溪組下部，為灰泥質深水陸棚相沉積，發(fā)育有一套富有機質黑色炭質頁巖，可見大量形態(tài)各異的筆石群，是目前威遠頁巖氣田主要目的產層。通過巖性、電性等特征分析，將龍11亞段自下而上依次劃分為龍11Ⅰ、龍11Ⅱ、龍11Ⅲ和龍11Ⅳ4個小層(表1，分層數據依據此次研究巖心資料，不作為地區(qū)通用)。

表1 W202區(qū)塊龍1段小層劃分Table 1 The divisions of layers of the Long1Member in W202 Block

2 巖石化學特征

該文使用EDX-4500H型X射線熒光光譜儀，完成了龍馬溪組龍11亞段158塊巖石樣品化學元素檢測，對各個小層代表性元素特征進行了統(tǒng)計分析(表2)。按照GB/T 17412.2(巖石分類和命名方案)，參考張慧等[9]對四川盆地龍馬溪組頁巖的劃分方法，按頁巖中不同元素成分含量進行定名，探尋各小層內部巖石化學成分的變化規(guī)律及優(yōu)質儲層元素富集特征。

表2 龍11亞段各小層巖石化學成分含量統(tǒng)計Table 2 The statistics of chemical composition contents ofeach layer of the Long11 Sub-member

由表2可知：龍11亞段灰質(云質)頁巖含方解石較多，但含量不超過50.00%；鐵質頁巖含鐵的硅酸鹽及硫化物較多；硅質頁巖含自生游離二氧化硅較多，SiO2含量超過85.00%；粉砂質頁巖陸源粉砂碎屑含量為25.00%～50.00%；炭質頁巖含有較多均勻分布并炭化的細分散狀有機質，染手；黑色頁巖含有較多有機質與細分散狀硫化鐵；黏土質頁巖中的黏土礦物含量較高，一般大于90.00%，含大量黃鐵礦，其他礦物較少。對各小層脆性指數進行統(tǒng)計，龍11Ⅰ小層SiO2含量最高為89.91%，脆性指數為0.76，為優(yōu)勢儲層發(fā)育層段。

2.1 龍11Ⅰ小層

龍11Ⅰ小層為淺海深水陸棚相沉積，SiO2含量較高，平均為62.68%，Al2O3含量相對較低，平均為6.45%，CaO含量平均為9.19%；CO2含量平均為9.30%。小層巖石中化學成分變化較大，底部SiO2含量較高，上部CaO含量較高，靠近頂部區(qū)域Al2O3含量明顯升高，即小層具有下部硅質頁巖、中部灰質頁巖、上部黏土質頁巖的巖性組合特征。硅質頁巖脆性指數最高，為最有利儲集層巖性，大量有機質孔隙也為頁巖氣的富集提供了場所。

2.2 龍11Ⅱ小層

該小層巖石中化學成分變化最為顯著的是∑Fe2O3和SO3含量較高，尤其是在中下部具有明顯的高異常，這是由于該小層在成巖階段處于強烈的還原環(huán)境，發(fā)育了較高含量的黃鐵礦晶簇，同時，在沉積時期發(fā)育了多層斑脫巖，形成了黃鐵礦的富集。與龍11Ⅰ小層相比，Al2O3、K2O含量大幅度增高，SiO2含量降低，CaO和MgO含量變化不大。巖石組合為頁巖、灰質頁巖、黏土質頁巖，夾薄層-頁片層斑脫巖。

2.3 龍11Ⅲ小層

該小層巖石中化學成分以高Al2O3、K2O為特征，Al2O3含量平均為13.84%，K2O含量平均為3.37%；局部以高CaO、SO3、∑Fe2O3，低SiO2為特征。Al2O3和K2O都是反映黏土含量的參數，這與該小層主要發(fā)育黏土質頁巖相吻合，同時反映了陸源碎屑物明顯增多。

2.4 龍11Ⅳ小層

該小層巖石中SiO2含量較低，Al2O3、K2O含量較高，局部高CaO、SO3，主要發(fā)育黏土質頁巖和灰質頁巖。與龍11Ⅲ小層相比，CaO成分較高，反映灰質頁巖更為發(fā)育。巖性組合為有機質頁巖、灰質頁巖、黏土質頁巖及粉砂質頁巖。

3 礦物學特征

通過XRD、薄片鑒定和掃描電鏡等數據對頁巖儲層礦物成分開展分析，龍馬溪組龍11亞段礦物類型主要為陸源礦物、自生礦物、生物碎屑和少量有機質等。主要礦物成分為石英和黏土礦物，含少量鉀長石、斜長石、方解石、白云石和黃鐵礦等(表3)。

表3 礦物組分平均含量統(tǒng)計Table 3 The statistics of average content of mineral components

3.1 陸源礦物

陸源礦物主要包括石英、長石和黏土礦物。通過薄片鑒定及掃描電鏡分析，龍11亞段以陸源碎屑輸入的石英為主，顆粒為泥—粉砂級，風力搬運，懸浮方式沉積，磨圓度較差，多呈次棱角狀(圖2a)。長石分布廣泛，以晶型較好的鈉長石為主，溶蝕現象相對不發(fā)育(圖2b)，龍11Ⅲ小層見少量的鉀長石。黏土礦物為含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物，按照晶體結構分為結晶質和非晶質，常見層狀結構結晶質黏土礦物(圖2c、d)，非晶質黏土礦物沒有明確的晶體結構。

圖2 陸源礦物特征Fig.2 The characteristics of terrigenous minerals

3.2 自生礦物

自生礦物是成巖過程的產物，礦物生成的形態(tài)主要與組成頁巖的化學成分、沉積和成巖環(huán)境(溫度、壓力、pH值)有關。龍11亞段自生礦物主要有生物石英(有機硅)、碳酸鹽礦物、黃鐵礦等。主要發(fā)育的生物有放射蟲、海綿骨針、有孔蟲等，石英保持了生物體的形態(tài)，并在其體腔孔內發(fā)育晶型較好的自生石英晶體(圖3a)。碳酸鹽礦物主要為方解石和白云石(圖3b)，為成巖作用階段產物，以顆粒狀或膠結物的方式分布在泥頁巖基質中，其中，顆粒狀產出的白云石具有較好的晶體形態(tài)，呈現菱形，部分發(fā)生溶蝕；方解石則無固定形態(tài)，多為碎屑顆粒，溶蝕現象發(fā)育，局部含量較高。龍11亞段黃鐵礦含量較高，分布均勻，一般呈草莓狀、團塊狀(圖3c)，或呈自形相對較好的立方體狀。為成巖作用期形成的自生礦物，代表強還原環(huán)境。

圖3 自生礦物特征Fig.3 The characteristics of authigenic minerals

3.3 殘余有機質

龍11亞段殘余有機質主要為原始有機質或液態(tài)烴在過成熟階段經高溫裂解后形成的最終產物，如瀝青質、炭質等，為頁巖中游離氣和吸附氣重要的儲集場所。殘余有機質分散在碎屑顆粒和黏土礦物之間，在偏光顯微鏡和掃描電鏡下清晰可見(圖4)。

圖4 殘余有機質Fig.4 The residual organic matter

脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙度和裂縫發(fā)育程度、含氣性及改造方式的重要因素。硅質礦物(陸源石英、有機硅)、長石(鉀長石、斜長石)、碳酸鹽礦物(方解石、白云石)等都屬脆性礦物，在外力作用下容易形成天然裂縫和誘導裂縫，有利于天然氣的滲流，并增大游離態(tài)頁巖氣的儲集空間。龍11Ⅰ小層礦物特征為石英含量高、黏土礦物和碳酸鹽礦物含量低，為最為有利的頁巖氣儲層，也是頁巖氣開發(fā)中水平井施工最佳鉆探與壓裂層段。

4 優(yōu)質儲集層評價

龍11亞段頁巖氣以游離態(tài)、吸附態(tài)為主，賦存于富有機質層段?；|滲透率平均值為0.169 mD，無自然產能，需要通過一定技術措施才能獲得工業(yè)氣流。

應用甲烷等溫吸附實驗數據進行含氣性評價[10]。龍11亞段10個樣品的甲烷等溫吸附實驗數據分析顯示(圖5)，龍11Ⅰ小層吸附量最高，平均為4.63 cm3/g，龍11Ⅱ小層平均為2.53 cm3/g，龍11Ⅲ小層平均為2.72 cm3/g，龍11Ⅳ小層平均為2.16 cm3/g。通過對TOC含量、飽和吸附量進行分析發(fā)現，頁巖TOC含量越高，吸附能力越強[11-12]，且頁巖含氣量呈現隨深度增加而增大的趨勢。這是由于有機質中具有吸附能力的納米級孔隙較為發(fā)育，為氣體的吸附提供了場所，使得吸附能力增強。

圖5 龍11亞段各小層XRD與XRF參數綜合對比Fig.5 The comprehensive comparison of XRD and XRF parameters of each layer of the Long11 Sub-member

龍11亞段數據對比分析可以看出，石英含量與SiO2，黏土礦物含量與Al2O3、∑Fe2O3、K2O，灰質含量與CaO、MgO，都呈現良好的正相關關系(圖5)。龍11Ⅰ小層SiO2的含量高，脆性較好，礦物整體表現為高石英含量、低黏土礦物和碳酸鹽礦物含量，為龍11亞段最為有利的頁巖氣儲集層，也是頁巖氣開發(fā)中利用水平井施工最佳鉆探與壓裂層段[13-14]。

威遠背斜構造全區(qū)地勢西北高、東南低，威202區(qū)塊中奧陶頂界(五峰組)構造形態(tài)簡單，呈一單斜形態(tài)，自西北向東南傾斜。龍馬溪組優(yōu)質頁巖段發(fā)育在龍馬溪組底部龍11Ⅰ小層，厚度由西向東逐漸增大；該小層測井數據特征為：伽馬值較高，聲波時差、電阻率略高，密度略低(圖6)。

圖6 威202區(qū)塊優(yōu)質頁巖段厚度對比Fig.6 The thickness comparison of quality shale section in Wei 202 Block

5 開發(fā)效果分析

W202區(qū)塊龍11Ⅰ小層為最優(yōu)質頁巖氣儲層，因此，水平井軌跡大都是以該小層為箱體。鉆井過程中，通過確定巖石化學成分含量及礦物成分含量特征，引導水平井準確入窗；利用巖石學特征參數變化進行隨鉆追蹤，判定鉆頭穿行狀態(tài)，指導定向施工，及時調整軌跡，可大幅度提高水平井優(yōu)質儲層鉆遇率[15]。以WH4-7-5井為例，該井龍11Ⅰ小層埋深為3 592.5～3 598.0 m(垂深)，厚度為5.5 m；A點斜井深為3 730.00 m，B點斜井深為5 273.00 m，水平段長度為1 543.00 m。隨鉆檢測巖石學特征參數均符合優(yōu)質儲層上下限值，鉆遇率為100%。2017年5月投產，實施針閥開采，平均日產氣量為2.981×104m3/d，日產水量為2.63 m3/d，累計產氣量為3701×104m3。

對投產時間相近但并未實施巖石學特征參數隨鉆追蹤技術和實施該項技術水平井(各10口井)數據進行統(tǒng)計對比。研究結果表明，優(yōu)質儲層鉆遇率是頁巖氣井單井產氣量的主要控制因素，與產能關系明顯。實施隨鉆追蹤輔助水平井導向使優(yōu)質儲層鉆遇率提高了32.2%，采氣初期單井平均日產量增加了38.8%，累計產氣量增加了24.2%(表4)。

表4 鉆遇率及產能對比統(tǒng)計Table 4 The comparison statistics of drilling ratio and production

6 結 論

(1) W202區(qū)塊龍馬溪組龍11亞段頁巖礦物組分以石英為主，黏土礦物中含有較高的伊蒙混層和伊利石黏土，碳酸鹽礦物分布不均勻，以硅質頁巖為主，其次為黏土質頁巖和碳酸鹽質頁巖。硅質成分主要來源為陸源石英顆粒和硅質生物顆粒，生物成因硅質(有機硅)為富有機質頁巖的重要組成部分。

(2) 頁巖氣儲集層的優(yōu)劣主要取決于儲集層脆性礦物的含量和有機質豐度。硅質含量和有機質含量、含氣量之間呈正相關關系，黏土礦物含量與含氣量之間呈負相關關系。龍11亞段龍11Ⅰ小層為淺海深水陸棚相沉積，富硅的放射蟲、海綿骨針等生物極為發(fā)育，SiO2平均含量為62.68%，明顯高于其他3個小層，且有機質豐度高、吸附能力強，為頁巖氣生成和富集提供了場所，為最優(yōu)質儲集層。

(3) 通過確定龍11Ⅰ小層巖石學特征參數，能夠準確識別小層，保持鉆頭軌跡在水平箱體中鉆進，為精準地質導向提供技術指導。在威遠頁巖氣田應用效果良好，大幅提高了水平井優(yōu)質儲層鉆遇率也大幅提高了頁巖氣產量。該項技術目前已經成為頁巖氣高效開采必用的關鍵技術。