周安富，謝 偉，邱峋晰，吳 偉，蔣裕強，戴 赟，胡 曦，尹興平

(1.四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610051；2.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610051；3.西南石油大學，四川 成都 610500)

0 引 言

隨著中國埋深小于3 500 m的頁巖氣成功開采，地質理論基礎逐漸完善，已認識到川南地區(qū)深水陸棚相沉積的龍馬溪組為最有利的“甜點”段[1-2]，并逐漸明確了深層(埋深大于3 500 m)頁巖的資源潛力[3]。2019年，瀘州區(qū)塊內的L203井和Y101H2-8井分別取得了137.9 m3/d和50.7×104m3/d的測試產量，充分顯示了該區(qū)塊龍馬溪組深層頁巖巨大的勘探開發(fā)潛力。瀘州地區(qū)處于四川盆地志留紀早期局限海域的沉積中心，頁巖儲層較威遠—長寧、渝西、黃瓜山等地區(qū)頁巖氣儲層厚度大，儲層品質偏好[4]?？碧介_發(fā)實踐顯示，瀘州區(qū)塊頁巖儲層除主力產層龍一11小層外，占龍一1亞段厚度80%以上的龍一14小層也具有較好的油氣顯示。隨著主產區(qū)井網部署日趨飽和，提高產能建設規(guī)模及勘探開發(fā)效益愈發(fā)重要。2020年瀘州區(qū)塊鉆探了第1口以龍一14小層為靶體的頁巖氣先導實驗井(Y101H2-7井)，并獲得了10.22×104m3/d的工業(yè)性氣流，展示出龍一14小層頁巖儲層良好的勘探開發(fā)前景，但相關的地質勘探評價仍欠缺。因此，利用鉆測井資料，開展龍一14小層頁巖儲層地層單層劃分。結合全巖衍射、掃描電鏡、氣體吸附、高壓壓汞等實驗數據，對瀘州區(qū)塊龍一14小層各單層頁巖儲層進行了宏觀和微觀系統(tǒng)性對比，明確優(yōu)質頁巖儲層展布規(guī)律，對其勘探開發(fā)潛力進行評估，并與現階段主力產層進行對比分析，以期為該區(qū)探尋接替層位，實現立體開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質概況

受樂山-龍女寺古隆起的持續(xù)抬升和康滇-黔中古陸的影響，自晚奧陶世沉積時期開始，四川盆地逐漸形成“三隆夾一坳”的局限海域沉積格局，海域水體由川東南向瀘州區(qū)塊逐漸變深[5]，瀘州區(qū)塊龍一1亞段主要發(fā)育一套深水陸棚亞相沉積的黑色富有機質頁巖(圖1a)，頁巖厚度全區(qū)分布穩(wěn)定[6]。

圖1 四川盆地及其周緣龍一1亞段沉積相(據參考文獻[6]修改)與L205井龍一1亞段地層柱狀圖Fig.1 The sedimentary facies map of Sichuan Basin(modified according to Reference[6]) and stratigraphic histogram of Longyi1 Sub-member in Well L205

為便于地層對比，前人通過沉積旋回及巖電特征將龍一1亞段自下而上分為龍一11、龍一12、龍一13、龍一14共4個小層[7](簡稱1小層、2小層、3小層、4小層)。其中，4小層儲層厚度大，且縱向特征差異明顯。通過指示沉積古環(huán)境的微量元素組合(鈾釷比、釩鉻比、鎳鈷比)和測井曲線組合(自然伽馬曲線與聲波曲線交匯)分析龍一1亞段沉積環(huán)境，進一步將4小層細分為a、b、c共3個單層。a單層沉積環(huán)境穩(wěn)定，鈾釷比、釩鉻比與鎳鈷比值變化不明顯，GR與AC曲線相互重合；b單層各氧化還原指標值逐漸增高，沉積環(huán)境還原性增強，海平面上升，GR與AC曲線分叉；c單層各氧化還原指標值逐漸降低，沉積環(huán)境氧化性增強，為海退特征，GR與AC曲線由分叉趨于重合(圖1b)。

2 頁巖儲層發(fā)育特征

2.1 頁巖儲層厚度

頁巖氣藏作為典型的自生自儲型氣藏，足夠的頁巖厚度是保障地質儲量的首要條件[9]。受控于研究區(qū)4小層沉積期穩(wěn)定的深水陸棚沉積環(huán)境，該層頁巖發(fā)育較為穩(wěn)定，厚度普遍大于30.0 m，具備了形成規(guī)模頁巖氣藏的條件[8-9]。鉆測井資料顯示，研究區(qū)4小層頁巖總厚度為52.8～62.0 m(平均值為57.8 m)。其中，a單層頁巖厚度為14.2～26.1 m(平均值為18.5 m)；b小層頁巖厚度較大，為21.0～31.8 m(平均值為24.3 m)；c單層頁巖厚度較薄，平均為15.0 m。

2.2 巖性特征

研究區(qū)4小層頁巖礦物組分含量如表1所示。礦物組分主要包括黏土礦物、石英、長石、碳酸鹽礦物及黃鐵礦等；自下而上，黏土礦物含量逐漸增加，石英、碳酸鹽礦物等脆性礦物含量逐漸降低；a單層頁巖脆性礦物含量為58.2%～75.4%(平均值為67.6%)，b單層頁巖脆性礦物含量為58.1%～79.6%(平均值為67.9%)，c單層脆性礦物含量低。研究區(qū)a單層與b單層頁巖脆性礦物含量均大于55.0%，均具有形成工程“甜點”的巖石脆性條件[9]。

表1 瀘州區(qū)塊龍一14小層頁巖儲層礦物分布特征Table 1 The mineral distribution characteristics of shale reservoirs in Longyi14 Sub-bed, Luzhou Block

2.3 有機質豐度

有機質不僅是頁巖氣的生氣母質，還是有機孔的主要載體，對頁巖儲層生烴及儲集能力具有重要影響[10]。有機質豐度測試統(tǒng)計分析表明：a單層TOC為1.5%～2.9%，平均值為2.3%；b單層TOC為1.9%～3.8%，平均值為2.7%；c單層TOC含量較低(表1)。一般認為商業(yè)性開發(fā)頁巖儲層TOC大于2.0%[8-9]。研究區(qū)4小層a單層與b單層具有較高的有機質豐度，具備良好的生烴物質基礎。

2.4 儲集空間及物性特征

2.4.1 儲集空間類型及分布

頁巖儲集空間根據位置及形態(tài)可劃分為有機孔、無機孔及微裂縫3種類型[11]，其發(fā)育程度及相互配置關系直接影響了頁巖氣含量及賦存狀態(tài)，增加了頁巖氣的開采難度。氬離子拋光場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)分析表明，4小層無機孔及微裂縫發(fā)育程度高，有機孔發(fā)育程度相對較低且非均質性強(圖2)。

無機孔主要包括礦物粒內溶孔、礦物粒間孔、黏土片間孔及黃鐵礦晶間孔等。粒內溶孔為礦物被溶蝕形成，多見于方解石、長石等易溶礦物內部，偶見于石英顆粒中，孔隙形態(tài)多為近圓狀(圖2a)。礦物粒間孔為壓實不完全與后期溶蝕復合形成，多與骨架礦物顆粒有關，形態(tài)一般不規(guī)則，孔徑變化大，納米級—微米級孔隙均有發(fā)育(圖2a)。黏土片間孔為片狀、書頁狀等黏土礦物相互疊置排列形成，孔隙多呈狹縫狀平行排列，孔徑長寬比大，為4小層儲層中主要無機孔類型(圖2b)。黃鐵礦晶間孔發(fā)育于草莓狀集合體或分散狀的黃鐵礦晶體之間(圖2c)，受限于黃鐵礦含量，發(fā)育程度不高。

微裂縫主要為壓實破裂縫、黏土片間縫與有機質邊緣縫3種類型。壓實破裂縫主要發(fā)育于脆性礦物內部，由壓實作用形成(圖2d)。黏土片間縫發(fā)育程度高，可能由黏土礦物之間相互轉化形成(圖2e)。有機質邊緣縫一般發(fā)育于有機質與礦物接觸邊緣，因有機質與礦物顆粒間的硬度差或有機質熱解收縮形成[12]，縫長可達數十微米(圖2f)。

有機孔較發(fā)育，非均質性較強，各層段表現出不同的發(fā)育特征。其中，a單層與b單層多見圓孔、“孔套孔”、蜂窩狀孔隙等(圖2f—h)，發(fā)育程度相對較高且連通性較好；b單層有機孔孔徑較大，可達數百納米，利于頁巖氣富集與開采；c單層有機孔孔徑較大，但數量少，面孔率低，連通性較差(圖2i)。

圖2 瀘州區(qū)塊龍一14小層頁巖儲層微觀孔隙特征Fig.2 The microscopic pore characteristics of shale reservoirs in Longyi14 Sub-bed, Luzhou Block

為進一步反映各類型孔隙發(fā)育情況，通過Image J 圖像處理軟件對獲取的掃描電鏡照片進行分析(圖3)。由圖3可知：1小層有機孔占比高，普遍大于40.0%，4小層無機孔占比高，平均值達58.7%；a單層與b單層有機孔占比相當，平均值為33.0%，c單層有機孔占比最低，僅為20%左右，但b與c單層微裂縫發(fā)育程度遠高于a單層，平均值為14.5%。

圖3 瀘州區(qū)塊典型井龍一1亞段頁巖儲層孔隙類型占比Fig.3 The proportion of pore types in typical shale reservoirs of Longyi1 Sub-member in typical wells, Luzhou Block

2.4.2 儲層孔徑分布

據國際理論和應用化學聯合會(IUPAC)定義，孔隙可按孔徑大小分為微孔(孔徑小于2 nm)、介孔(孔徑為2～50 nm)及宏孔(孔徑大于50 nm)[13]。通過氣體吸附與壓汞實驗聯合分析發(fā)現，4小層整體上孔徑分布范圍大，微孔和宏孔均有發(fā)育，共同構成其微納米孔隙網絡(圖4，表2，表2中r為孔徑)。以L205井4小層測試數據為例，a單層單位總孔隙體積為0.009 cm3/g，孔隙以微孔及介孔為主，分別占總孔隙體積的26.1%和58.9%；b單層單位總孔隙體積為0.014 cm3/g，該層段微孔占比最低，孔徑為2～100 nm的孔隙為孔隙體積的主要貢獻者，占總孔隙體積的76.1%，總孔隙體積與孔徑相對較大，有利于頁巖氣儲集與開采；c單層單位總孔隙體積為0.011 cm3/g，主要發(fā)育孔徑大于1 000 nm的宏孔。

圖4 瀘州區(qū)塊L205井龍一14小層頁巖儲層全孔徑分布曲線Fig.4 The curve of pore size distribution of shale reservoirs in Longyi14 Sub-bed, Well L205, Luzhou Block

表2 瀘州區(qū)塊L205井龍一14小層頁巖儲層各孔徑區(qū)間孔隙體積占比Table 2 The pore volume ratio of each pore interval of shale reservoirs in Longyi14 Sub-bed,Well L205, Luzhou Block

2.4.3 儲層物性特征

研究區(qū)4小層孔隙度為1.9%～7.1%，平均值為4.4%，縱向差異較大。a單層孔隙度為1.9%～6.7%，平均值為4.1%，其中，孔隙度為3.0%～5.0%的樣品占比為56.3%；b單層孔隙度為2.2%～7.1%，平均值為4.9%，孔隙度大于3.0%的樣品占比達97.5%，孔隙度大于5.0%的樣品占比為55.7%；c單層孔隙度為2.4%～6.4%，平均值為4.3%，孔隙度主要為3.0%～5.0%，樣品數占比達75.2%。由此可知，b單層頁巖儲層具有更優(yōu)越的儲集條件。

2.5 含氣性特征

作為衡量頁巖儲層產能及經濟開采價值的重要指標，含氣量是評價頁巖儲層是否具備開發(fā)潛力的關鍵性地質參數[14]。現場含氣量分析顯示：a單層總含氣量為1.0～6.5 m3/t(平均值為3.2 m3/t)，含氣量為3.0～5.0 m3/t的樣品占比為64.5%；b單層總含氣量整體較高，為2.2～7.8 m3/t(平均值為4.5 m3/t)，含氣量大于3.0 m3/t的樣品占比達89.9%，含氣量大于5.0 m3/t的樣品占比為31.9%；c單層總含氣量相對較低，平均值為2.1 m3/t。其中，L205井b單層總含氣量平均值達5.8 m3/t，值得關注。

3 儲層綜合評價與勘探開發(fā)潛力

3.1 儲層綜合評價

頁巖氣儲層評價是資源潛力評價及“甜點區(qū)”優(yōu)選的關鍵，頁巖儲層評價一般涵蓋生氣能力、儲集能力及可壓裂性3個方面內容[15-16]。頁巖儲層具有優(yōu)越的生氣能力及儲集能力是頁巖氣富集的關鍵，是形成大規(guī)模頁巖氣藏的基礎；頁巖儲層的可壓裂性是其具備經濟可采價值的重要影響因素。前人通過分析四川盆地海相頁巖儲層特征，參考北美地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)經驗，建立了包括TOC、孔隙度、脆性指數與總含氣量4個參數的四川盆地海相頁巖儲層評價標準[17]，文中在前人基礎上結合研究區(qū)勘探開發(fā)實踐，建立了瀘州地區(qū)4小層頁巖氣儲層評價標準(表3、4)。

表3 瀘州區(qū)塊龍一14小層頁巖儲層單項參數分級評價標準(據參考文獻[15～17]，有修改)Table 3 Evaluation criteria for single parameter classification of shale reservoirs in Longyi14 Sub-bed,Luzhou Area(Modified according to reference [15～17])

表4 瀘州區(qū)塊龍一14小層頁巖儲層綜合品質計算方法(據參考文獻[15～17]，有修改)Table 4 Calculation method of comprehensive Quality of shale reservoirs in Longyi14 Sub-bed,Luzhou Area (Modified according to reference [15～17])

根據上述計算方法可計算頁巖儲層綜合品質(Qc)，Qc≥0.85為Ⅰ類儲層，Qc介于0.60～0.85為Ⅱ類儲層，Qc<0.60為Ⅲ類儲層。研究區(qū)4小層儲層精細評價結果顯示，4小層中Ⅰ類儲層平均厚度為35.6 m，占儲層總厚度的61.7%，Ⅰ+Ⅱ類儲層平均厚度為46.5 m，占儲層總厚度的80.6%。其中，4小層b單層頁巖TOC、孔隙度與含氣性3項參數均以Ⅰ類為主，儲層綜合品質最高，Ⅰ類儲層連續(xù)發(fā)育，平均厚度為22.4 m，厚度占比大于90%，不發(fā)育Ⅲ類儲層；a單層頁巖由于TOC、孔隙度略低于b單層，儲層綜合品質次之，且非均質性相對較強，Ⅰ類儲層與Ⅱ類儲層間隔分布；c單層儲層綜合品質差，主要發(fā)育Ⅲ類儲層(圖5)。綜上所述，瀘州區(qū)塊4小層b單層頁巖厚度一般為20.0～30.0 m，分布較為穩(wěn)定，該段具有“高TOC、高孔隙度、高含氣量”特征，是4小層頁巖中最有利的“甜點”段。

圖5 瀘州地區(qū)Y101H2-7井龍一14小層頁巖儲層綜合評價Fig.5 The comprehensive evaluation of shale reservoirs in Longyi14 Sub-bed, Well Y101H2-7, Luzhou Block

3.2 勘探開發(fā)潛力評價

頁巖儲層的勘探潛力受其物性、含氣性和可壓裂性等因素共同影響[18]。與研究區(qū)及鄰區(qū)目前主要的開發(fā)頁巖層段相比，瀘州區(qū)塊4小層頁巖具有以下特點：①b單層TOC普遍大于2.0%，但整體仍小于瀘州區(qū)塊與黃瓜山區(qū)塊1～3小層(圖6a)；②b單層孔隙度與瀘州區(qū)塊及黃瓜山區(qū)塊1～3小層相當，但b單層孔隙度與TOC含量相關性不明顯，而與黏土含量表現出較好的正相關關系，該特征與1～3小層相反，表明b單層中與黏土相關的無機孔對孔隙度有更重要的貢獻，而有機孔發(fā)育程度低(圖6a、b)；③b單層總含氣量低于瀘州區(qū)塊1～3小層，但整體上與黃瓜山區(qū)塊1～3小層相當(圖6c)；④b單層石英含量略低于瀘州區(qū)塊與黃瓜山區(qū)塊1～3小層，且石英含量與TOC含量相關性不明顯，表明其陸源石英含量相對增加(圖6d)。b單層與主力產層相比，TOC含量略低，但仍具備產生工業(yè)氣流的物質基礎；孔隙度相當，具有優(yōu)越的儲氣富氣空間。b單層脆性礦物含量普遍大于55%，也保證了水平壓裂的良好實施，可見瀘州區(qū)塊4小層b單層具有良好的頁巖氣開采地質條件。根據原國土資源部2014年頒布的《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規(guī)范》，基于4小層頁巖相關參數的區(qū)域平均值，采用體積法估算研究區(qū)4小層頁巖氣資源量。其中，研究區(qū)面積為1 900 km2，儲層厚度平均值為46.5 m(b單層厚度平均值為24.3 m)，頁巖密度平均值為2.6 g/cm3，含氣量平均值為3.5 m3/t(b單層含氣量平均值為4.5 m3/t)，估算地質資源量約為8 039.9×108m3(b單層地質資源量為5 401.9×108m3)，具備較好的頁巖氣資源潛力。此外，在相近的構造作用及保存條件下，4小層與1～3小層相比，埋深更淺，開發(fā)成本及技術要求更低。因此，瀘州區(qū)塊4小層具有良好的勘探前景，具備成為瀘州區(qū)塊頁巖氣勘探開發(fā)接替層位的潛力。

圖6 瀘州區(qū)塊及鄰區(qū)頁巖儲層關鍵參數對比Fig.6 The comparison of key parameters of shale reservoirs in Luzhou Block and adjacent areas

4 開發(fā)實踐

頁巖氣井的開發(fā)效果不僅與頁巖儲層的地質條件有關，同時受壓裂工藝與效果控制。Y101H2-7井以4小層b單層上部(4 095～4 110 m)為靶體進行了壓裂開采，獲測試產量為10.22×104m3/d，截至目前累計生產4個月，共產出頁巖氣量為809.67×104m3，平均日產氣量為6.29×104m3/d，產量較為穩(wěn)定。目前中國頁巖氣主產區(qū)單井平均初始產量為6.0×104m3/d[9]，與之相比，b單層表現出較好的開發(fā)前景。但相較于研究區(qū)1～3小層，Y101H2-7井b單層的生產效果仍不理想，這可能與Y101H2-7井b單層儲層品質略低，且黏土含量較高有關。

前人研究發(fā)現壓裂液侵入頁巖儲層后，黏土水化作用可導致礦物脫落和誘發(fā)微裂縫萌生，使頁巖儲層孔徑變大并相互連通。但同時黏土礦物吸水膨脹會堵塞孔喉，使孔隙連通性降低；黏土相關的無機孔具有親水的特點，可能會使壓裂液不易返排，形成水鎖傷害，降低氣相滲透率。故根據頁巖儲層黏土含量高的特征，對壓裂參數優(yōu)化設計才能獲得最高的頁巖氣井產量。因此，在下步勘探開發(fā)實踐中，可以研究區(qū)西北部為重點，并考慮b單層更高的黏土含量，采用針對性的壓裂工藝和悶排措施，有望取得更好的開發(fā)效果。

5 結 論

(1) 通過指示沉積古環(huán)境的微量元素組合(鈾釷比、釩鉻比、鎳鈷比)精細分析龍一1亞段沉積環(huán)境，將4小層細分為a、b、c共3個單層。其中，a單層頁巖厚度為14.2～26.1 m(平均值為18.4 m)，b單層厚度為21.0～31.8 m(平均值為24.3 m)，c單層厚度較薄，平均值為15.0 m。

(2) 瀘州區(qū)塊4小層b單層頁巖儲層礦物組分類型豐富，以脆性礦物為主，含量大于55%；儲層有機碳含量高，平均值大于2.5%，物性與主產層系相當，且有機孔占比較高，孔隙孔徑大，具有較高的含氣量，平均值達4.5 m3/t。該層段Ⅰ類儲層連續(xù)發(fā)育，為4小層頁巖中最有利的“甜點”段。

(3) 4小層儲層品質最好的b單層TOC平均值大于2.5%，含氣量大于4.0 m3/t，具備經濟開采的頁巖氣地質條件，估算地質資源量超過8 000×108m3，且相較于主產層系埋深更淺，具有良好的勘探開發(fā)前景，可作為瀘州區(qū)塊頁巖氣勘探開發(fā)新的接替層位。但儲層具有更高的黏土含量，需要采用針對性的壓裂工藝和悶排措施，以取得更好的開發(fā)效果。