孫 健，包漢勇

(1．中國石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124； 2．中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

自2012年底涪陵頁巖氣田焦頁1井試氣獲得日產(chǎn)20.3×104m3的工業(yè)氣流開始，正式拉開了我國頁巖氣商業(yè)開發(fā)的序幕。與北美頁巖氣開發(fā)成熟區(qū)相比，涪陵頁巖氣田地層老、熱演化程度高、構(gòu)造改造強(qiáng)、地表條件復(fù)雜，頁巖氣開發(fā)缺乏成熟可借鑒的技術(shù)與經(jīng)驗。四年多來，涪陵頁巖氣開發(fā)在立足自主創(chuàng)新和引進(jìn)消化再創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，先后攻克了頁巖氣儲層精細(xì)表征與評價技術(shù)、頁巖氣水平井組優(yōu)快鉆井技術(shù)、頁巖氣水平井復(fù)雜縫網(wǎng)壓裂技術(shù)及頁巖氣綠色開發(fā)等多項核心技術(shù)系列。2015年建成了我國首個國家級頁巖氣示范區(qū)，截至2017年10月，涪陵頁巖氣田累計提交探明儲量6 008×108m3，累計產(chǎn)氣超過140×108m3，優(yōu)質(zhì)高效地建成了我國首個也是除北美之外全球最大的頁巖氣田。

近年來，學(xué)者們從涪陵頁巖氣的地質(zhì)特征[1-5]、賦存方式[6-7]、高產(chǎn)富集規(guī)律[8-10]等多個方面開展了大量研究，取得了較為豐碩的成果，但關(guān)于頁巖氣儲層的綜合表征技術(shù)系統(tǒng)研究還較少見。然而與常規(guī)儲層相比，頁巖氣儲層綜合表征技術(shù)的建立面臨著諸多挑戰(zhàn)：其一，頁巖屬細(xì)粒沉積物，與常規(guī)砂巖或碳酸鹽巖儲層相比，內(nèi)部品質(zhì)差異表現(xiàn)得更為隱蔽；其二，沉積環(huán)境對頁巖儲層非均性的影響表現(xiàn)得更為精細(xì)，常規(guī)儲層的差異多體現(xiàn)在沉積相和亞相的尺度，而頁巖儲層的差異則多表現(xiàn)在微相和巖石相的尺度，即使相同的亞相，內(nèi)部頁巖品質(zhì)也相差懸殊；其三，與常規(guī)儲層以毫米—微米級孔隙為主不同，頁巖孔隙多以微—納米級為主，因而對表征技術(shù)手段要求更高；其四，頁巖屬特低孔、特低滲的儲層，單井常無自然產(chǎn)能，需進(jìn)行大規(guī)模的壓裂改造，除了考慮含氣性外，還必須考慮可壓性。針對這些難題，本文就四年多來針對涪陵頁巖氣田開發(fā)攻關(guān)形成的頁巖氣儲層綜合表征技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，并結(jié)合涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組下部優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段的典型特征作了示范解剖，以期為類似頁巖氣田的勘探開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 頁巖氣儲層綜合表征技術(shù)體系

1.1 沉積環(huán)境精細(xì)表征

1.1.1 頁巖巖相

頁巖形成于多種沉積環(huán)境，但不同的沉積環(huán)境意味著有不同的TOC含量、不同的礦物組成、不同的儲集空間等，這些都直接或間接地影響到頁巖的含氣性和可壓性。REZAEE[11]指出，頁巖可形成于海相、海陸過渡相和陸相等多種環(huán)境，但頁巖氣開發(fā)實(shí)踐表明，即使頁巖的沉積相或亞相相同，其頁巖品質(zhì)仍差異較大。如Bakken頁巖下段和上段沉積時同屬于深水盆地的環(huán)境[12]，但下段硅質(zhì)含量高達(dá)52%，而上段只有35%[13]；下段TOC平均含量為8%，而上段TOC平均含量可達(dá)10%；下段孔隙度平均只有2.5%～5%，而上段高達(dá)3%～9%，這說明要做到頁巖沉積環(huán)境的精細(xì)表征，需將傳統(tǒng)常規(guī)儲層研究的沉積相、亞相層面進(jìn)一步擴(kuò)展到沉積微相甚至巖石相的層面。近年來，頁巖巖石相的劃分已被國內(nèi)外多位學(xué)者所關(guān)注[14-15]，并提出了多種頁巖巖相劃分方案，可大體歸納為三類：一是依據(jù)單一的礦物組成或是改進(jìn)的硅質(zhì)礦物—碳酸鹽礦物—黏土礦物三端元圖解來劃分巖石相[16]；二是依據(jù)礦物組成+結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征開展巖相劃分[17-18]，如LOUCKS等[17]將Barnett頁巖劃分為非層狀—層狀硅質(zhì)泥巖、層狀黏土質(zhì)鈣質(zhì)泥巖、骨架泥質(zhì)泥?；?guī)r等巖相；三是根據(jù)古生物組合來劃分巖相，如筆石頁巖相、放射蟲頁巖相等[19]。這些巖相的劃分可以很好地表征頁巖的可壓性，但卻忽視了頁巖儲層評價的關(guān)鍵因素即生烴潛力。為此，筆者提出了既考慮頁巖可壓性又考慮生烴潛力的“礦物組成(黏土、碳酸鹽、硅質(zhì))+TOC”的“3+1”頁巖巖相劃分方法。涪陵頁巖氣田五峰組—龍馬溪組龍一段含氣頁巖依據(jù)巖電特征，縱向上可劃分為9個小層，各小層巖相類型不盡相同(圖1)。

1.1.2 沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

圖1 四川盆地涪陵頁巖氣田頁巖巖相劃分及主要巖相類型分布

頁巖的沉積結(jié)構(gòu)構(gòu)造也是沉積環(huán)境表征的重要內(nèi)容，尤其是對于相對靜水的頁巖沉積而言，高能的諸多典型結(jié)構(gòu)構(gòu)造標(biāo)識如交錯層理等已不復(fù)存在，取而代之的水平紋層極為發(fā)育。研究表明，頁巖的水平滲透率是垂向滲透率的數(shù)倍—百倍，而這種高的水平滲透率主要受頁理縫發(fā)育狀況的影響[20]。涪陵頁巖氣田五峰—龍馬溪組巖心和薄片觀察表明(圖2)，水平紋層越發(fā)育，相應(yīng)的頁理縫也越密集。筆者認(rèn)為這主要是因為頁理縫多順著水平紋層與基巖接觸面發(fā)育，而這個面往往是力學(xué)的弱變面，在受到多期構(gòu)造改造時，更易于順著這個弱變面而形成頁理縫。

目前對于紋層的描述可分為宏觀和微觀2個層次，宏觀方面可借助肉眼對剖心后的巖心直接觀察(圖2c、d)，但僅限于紋層的發(fā)育密度和寬度；微觀上則可以借助巖石薄片觀察(圖2a、b)、全巖心掃描、QEMSCAN等，既可觀察紋層發(fā)育密度、又可判識紋層的礦物成分。

1.1.3 氧化還原環(huán)境

氧化還原環(huán)境(古氧相)也是沉積環(huán)境精細(xì)表征的重要指標(biāo)，因為氧化還原環(huán)境是決定有機(jī)質(zhì)豐度的最為重要的因素之一[21]，一般來說氧化還原環(huán)境可以分為常氧、貧氧和厭氧環(huán)境。識別古氧相的指標(biāo)眾多(表1)，如常用的地化指標(biāo)有U/Th、V/(V+ Ni)、 Ni/Co、V/Cr等，此外，黃鐵礦礦化程度(DOP值)、古生態(tài)特征、沉積物(巖石)顏色以及沉積構(gòu)造發(fā)育狀況等均可表征古氧相[22]。

1.2 生烴潛力精細(xì)表征

和常規(guī)天然氣儲層一樣，頁巖含氣性的高低也很大程度上取決于烴源層的生烴潛力，只是常規(guī)天然氣儲層的烴源層與儲層屬不同層位，存在遠(yuǎn)距離的烴類運(yùn)聚，而頁巖氣屬源儲一體，運(yùn)聚距離較近。生烴潛力的判別指標(biāo)和常規(guī)烴源巖一樣也主要是有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度。

1.2.1 有機(jī)質(zhì)類型

頁巖有機(jī)質(zhì)的類型多用元素分析法或是巖石熱解法將干酪根劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三類(也有的劃分為四類或三類五型)，顯微組分法將其劃分為腐泥組、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，亦或是依據(jù)可溶組分和生物標(biāo)志化合物等研究有機(jī)質(zhì)的類型。但實(shí)踐表明，要想用有機(jī)質(zhì)類型對某一頁巖層段的生烴潛力加以區(qū)分時，難度較大。如涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組下部80多m的黑色頁巖段，用上述方法加以描述有機(jī)質(zhì)類型時均為Ⅰ-Ⅱ1型，為此，還需要進(jìn)一步解剖原始生烴母質(zhì)類型的差異。以涪陵頁巖氣田五峰—龍馬溪組為例，放射蟲豐度與TOC之間呈明顯的線性關(guān)系，并且不同類型的放射蟲對TOC的影響還不同，以圓形或橢圓形放射蟲為主的層段，TOC含量明顯高于那些以不規(guī)則形態(tài)放射蟲為主的層段。這種放射蟲富碳的機(jī)理已被現(xiàn)代海洋微生物學(xué)研究所證實(shí)，放射蟲在生長過程中，其骨架在富集硅質(zhì)的同時，在放射蟲長達(dá)1～2 cm的刺中會大量聚集富含有機(jī)質(zhì)的褐黃藻。

1.2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度主要用總有機(jī)碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”和總烴(HC)、生烴潛量等來表示，但因適用范圍廣、操作簡便且數(shù)據(jù)可靠，TOC常被用來表征有機(jī)質(zhì)豐度的主要指標(biāo)。但這一指標(biāo)不能簡單地對比2個經(jīng)歷了不同生烴演化背景區(qū)塊的生烴潛力，這是因為TOC等這些指標(biāo)嚴(yán)格意義上來說代表的只是生烴后殘余有機(jī)碳的含量，而已生烴量的高低則主要是與原始沉積的有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)，也就意味著，如果經(jīng)歷了不同的生烴演化的區(qū)域，即使現(xiàn)今頁巖TOC實(shí)測值相同，可能實(shí)際生烴量會存在明顯差異。因此，在用TOC等比較經(jīng)歷了不同生烴演化史區(qū)域的生烴潛力時，還應(yīng)補(bǔ)充有機(jī)質(zhì)豐度正演的指標(biāo)，如前文所說的，可用與原始沉積有機(jī)質(zhì)含量呈明顯正相關(guān)關(guān)系的典型母質(zhì)生物的豐度或分異度來正向推導(dǎo)。只有做到正反演對比分析，才能很好地區(qū)別頁巖原始有機(jī)質(zhì)對生烴的貢獻(xiàn)率。

圖2 四川盆地涪陵頁巖氣田JYA-4井紋層與頁理縫發(fā)育特征

表1 古氧相基本特征及相關(guān)判別標(biāo)識

1.2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是表示沉積有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化的熱演化程度，常用鏡質(zhì)體反射率(Ro)、等效瀝青反射率(Rb)、熱變指數(shù)、可溶抽提物的化學(xué)組成、時間溫度指數(shù)(TTI)等來加以描述，其中應(yīng)用最多的是Ro和Rb。但筆者在觀察涪陵五峰—龍馬溪組頁巖不同母質(zhì)類型瀝青反射率時，發(fā)現(xiàn)Rb值相差很大，換算后的Ro跨度可以從2.4%～3.2%之間變化。這表明在用Ro對頁巖成熟度進(jìn)行精細(xì)表征時，一定要注明觀察的具體對象。

1.3 儲集能力精細(xì)表征

1.3.1 孔隙類型及微觀結(jié)構(gòu)

近年來，學(xué)者們從孔隙發(fā)育的位置、成因、孔隙形態(tài)、孔隙連通性和分形特征等為依據(jù)，對頁巖孔隙類型進(jìn)行了劃分[23-27]，大體上可分為有機(jī)孔、無機(jī)孔和微裂縫三大類和若干個小類。孔隙微觀結(jié)構(gòu)特征則涵蓋了孔隙大小、分布、連通性、孔喉大小、比表面積等多個方面，其不僅影響了頁巖的吸附性能，還控制了頁巖的滲流能力，是頁巖氣儲層評價的重要參數(shù)。

目前對于頁巖孔隙系統(tǒng)的研究實(shí)驗方法可大體分為兩類：一類是運(yùn)用直接觀察法，如運(yùn)用普通掃描電子顯微鏡(SEM)、場發(fā)射掃描電鏡(FM-SEM)、微米CT、納米CT、聚焦離子束掃描電鏡 (FIB-SEM)、原子力顯微鏡(AFM)、透射電鏡(TEM)和掃描聲學(xué)顯微鏡(SAM)等研究頁巖微觀結(jié)構(gòu)[28]；另一類是利用孔隙中賦存的流體等間接推算頁巖孔隙形態(tài)、孔徑大小和孔隙連通性等，主要方法有氣體吸附法、高壓壓汞法、核磁共振、小角中子散射等[29-30](圖3、表2)。直接觀察的方法中，因氬離子拋光技術(shù)充分考慮了頁巖遇水易膨脹的特征，且分辨率下限可達(dá)2 nm，與場發(fā)射掃描電鏡結(jié)合已成為頁巖孔隙的幾何形態(tài)、連通性和充填情況研究和統(tǒng)計孔隙密度和優(yōu)勢方向等的重要手段；FIB-SEM分辨率可達(dá)1 nm，且能夠?qū)崿F(xiàn)三維立體表征，也已成為分析孔隙三維展布及連通性的關(guān)鍵手段。此外，原子力顯微鏡(AFM)不受觀察環(huán)境的限制，分辨率也較高，達(dá)1 nm，掃描范圍為0～50 μm等，也逐漸被業(yè)界所推廣[31]。間接推算法中氣體(CO2和N2)吸附法和高壓壓汞法是目前常作為評價孔徑分布的主要方法，其中高壓壓汞法的探測范圍為2 nm～1 mm，但由于該法在高壓段會使頁巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，因此主要用來表征大于50 nm的大孔及微裂縫的分布；氣體吸附法探測的范圍為0.35～400 nm(液氮)，但N2吸附分析的溫度較低(-196 ℃)，遠(yuǎn)低于CO2吸附分析時的溫度(0 ℃)，低溫會降低N2分析動能而難以進(jìn)入微孔，因此常用CO2吸附法、N2吸附法及高壓壓汞法分別用于微孔、介孔和大孔的聯(lián)合表征。

圖3 頁巖孔隙表征技術(shù)的測量精度范圍

表征技術(shù)分辨率優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)微米CT1μm對巖心無損傷，測試速度快分辨率較低納米CT50nm對巖心無損傷，測試速度快分辨率較低普通掃描電子顯微鏡(SEM)2nm對黏土礦物晶間孔觀察效果較好對有機(jī)孔隙無法表征，不能三維表征場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)1nm可表征不同成因類型孔隙不能三維表征環(huán)境掃描電鏡(ESEM)1nm可在自然狀態(tài)下觀察樣品不能三維表征聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)0．8nm三維立體表征孔隙結(jié)構(gòu)成像范圍小，直觀性差，價格昂貴透射電鏡(TEM)0．1nm可為碾磨很薄(<100nm)的薄片提供圖像分析實(shí)驗條件要求高，制樣復(fù)雜原子力顯微鏡(AFM)0．1nm不受觀察環(huán)境的限制成像范圍小，直觀性較差

1.3.2 物性分析

物性分析包括孔隙度和滲透率兩方面?？紫抖鹊母叩蜎Q定了儲氣空間的大小，滲透率的高低直接影響到了頁巖氣開發(fā)方案的設(shè)計、數(shù)值模擬及產(chǎn)能評價。目前孔隙度的測試方法主要包括氣體膨脹法(He氣法)、氣體吸附法(N2氣法)、核磁共振法、壓汞法及巖屑壓力衰減法(GRI法)等[32]，不同的測試方法測量精度存在明顯差異(圖3、表2)。滲透率的測試方法主要包括壓力脈沖衰減法(PDP)、壓力衰減法、壓力恢復(fù)法、脫氣法、穩(wěn)態(tài)法和核磁共振法等[33]。

目前北美對頁巖的滲透率和孔隙度的測試主要采用美國天然氣研究所研發(fā)的GRI法[34]，其利用Dean-Stark 法獲取飽和度，通過壓力脈沖衰減法，結(jié)合塊體密度和顆粒密度計算孔隙度，進(jìn)而測試基質(zhì)滲透率和巖心滲透率，但目前此技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用不夠普遍。國內(nèi)目前多采用He氣法測定頁巖孔隙度，而用壓力脈沖衰減法分析頁巖滲透率，或是用核磁共振法來測試孔隙度和滲透率。事實(shí)上，目前對于滲透率小于10-6μm2數(shù)量級的頁巖儲層滲透率測試方法的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未建立，這就導(dǎo)致了不同實(shí)驗方法、不同實(shí)驗室所測頁巖滲透率值相差甚遠(yuǎn)。

1.4 可壓性的表征

頁巖屬致密儲層，無自然產(chǎn)能而需要經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造，對于可壓性的表征過去多從巖礦特征及巖石力學(xué)特征兩方面予以考慮。但近期涪陵頁巖氣開發(fā)表明，除這兩方面外，構(gòu)造因素，如構(gòu)造形態(tài)、埋深、裂縫發(fā)育的非均質(zhì)性等也會對可壓性產(chǎn)生明顯影響，應(yīng)加以足夠重視。

1.4.1 巖礦特征

頁巖礦物組成對可壓性的影響常用脆性礦物含量(或黏土礦物含量)、脆性指數(shù)等加以表征。脆性礦物含量主要反映的是石英、長石、碳酸鹽、黃鐵礦等占礦物含量的百分比；脆性指數(shù)=石英含量/(石英+碳酸巖+黏土)含量×100%，一般認(rèn)為脆性礦物含量大于40%，脆性指數(shù)大于45%，頁巖便具有良好的脆性條件。

1.4.2 巖石力學(xué)性質(zhì)

楊氏模量、泊松比及水平應(yīng)力差異系數(shù)等是常用于描述頁巖脆性的巖石力學(xué)特征參數(shù)，泊松比越低、楊氏模量越高，頁巖的脆性則越好。RENSHAW[35]認(rèn)為，在高水平應(yīng)力差條件下，容易產(chǎn)生較為平直的主縫。當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)小于0.13時，水力壓裂能夠形成復(fù)雜裂縫或網(wǎng)絡(luò)縫；當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)為0.13～0.25時，水力壓裂在高的凈壓力時能夠形成較為復(fù)雜的裂縫；當(dāng)水平應(yīng)力差異系數(shù)大于0.5時，水力壓裂難以形成復(fù)雜縫。

1.4.3 構(gòu)造特征

(1)構(gòu)造形態(tài)。構(gòu)造形態(tài)主要是通過對地應(yīng)力的影響而間接影響到壓裂改造效果。正向構(gòu)造應(yīng)力相對較小，形成的天然裂縫多較平直，且多呈開啟狀態(tài)，有利于壓裂縫的形成和延展；負(fù)向構(gòu)造應(yīng)力相對較大，形成的天然裂縫多較曲折，且多呈閉合狀態(tài)，壓裂縫的形成和延展難度相對較大。例如，在比較焦石壩背斜的核部及西南部的構(gòu)造鞍部時，盡管有些井埋深相似，但因構(gòu)造形態(tài)不同，處于鞍部的井施工壓力和破裂壓力均高于焦石壩背斜核部的井，即使同一口井水平段穿行的微伏構(gòu)造不同，壓裂反映也會明顯不同。以焦石壩區(qū)塊西南部的JYC-4HF井為例，該井3～6段處于正向微構(gòu)造，9～12段處于負(fù)向微構(gòu)造，3～6段壓裂時的破裂壓力和施工壓力顯著低于9～12段。

(2)裂縫的非均質(zhì)性。裂縫多用地震的曲率、相干、螞蟻體等屬性加以表征。以曲率為例，過去認(rèn)為曲率值越大，越不利于形成復(fù)雜網(wǎng)縫，但涪陵頁巖氣田開發(fā)實(shí)踐表明，影響壓裂改造的主要因素是裂縫發(fā)育的非均質(zhì)性，井筒周緣曲率(裂縫)的非均質(zhì)性越弱，越易于形成復(fù)雜網(wǎng)縫，即使曲率值較大時，只要分布均勻，壓裂改造效果也較好。例如，目前涪陵南部平橋區(qū)塊的高產(chǎn)井多分布在曲率非均質(zhì)性較弱的部位。

(3)埋深。涪陵頁巖氣田已完成試氣井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計表明，埋深較淺時，單井產(chǎn)能隨埋深的增加趨勢不明顯，但一旦超過一定的埋深時，單井產(chǎn)能隨深度增加具有明顯減小的趨勢。筆者認(rèn)為這主要是因為在壓裂改造過程中，隨著埋深增加，上覆巖層壓力增加導(dǎo)致層理縫剪切難度增加，水平應(yīng)力差增加也會導(dǎo)致裂縫轉(zhuǎn)向難度增大，從而難以形成復(fù)雜縫網(wǎng)。

1.5 含氣性的表征

含氣性是頁巖氣資源評價的關(guān)鍵指標(biāo)，從頁巖氣賦存狀態(tài)來看，主要以游離態(tài)和吸附態(tài)為主，僅含有少量的溶解態(tài)[36]，因而含氣性的表征也主要是圍繞著總含氣量、游離氣和吸附氣予以展開。

1.5.1 總含氣量

總含氣量，也常被簡稱為含氣量。其表征方法主要有以下幾種：一是現(xiàn)場實(shí)測含氣量，目前多利用USBM法排水集氣的原理來測定剛出筒巖心的吸附氣和殘余氣量，然后利用直線回歸法估算損失氣量，三者之和即是總含氣量；二是利用測井解釋模型在分別求取吸附氣量和游離氣量的基礎(chǔ)上，兩者求和得到[37]；三是用含氣飽和度法來直接表征含氣量。然而USBM法計算的損失氣量是基于解吸規(guī)律得到的，對于以吸附為主，且埋深較小的煤層含氣量測試來說影響不大，但對于以游離氣為主，埋深較大的頁巖氣而言，用此法測得的總含氣量可能存在嚴(yán)重偏差[38]。如涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊與梓里場區(qū)塊巖心實(shí)測含氣量均在3 m3/t左右，但測試產(chǎn)量可相差數(shù)十倍。

1.5.2 吸附氣量

吸附氣量主要利用等溫吸附法和測井解釋法來加以表征。等溫吸附法其主要作用是評價模擬不同地層溫度和壓力條件下頁巖的吸附能力[39]；測井解釋吸附氣含量是依據(jù)Langmuir等溫吸附實(shí)驗，經(jīng)過不同的溫度和壓力校正，建立吸附氣含量與有機(jī)碳的相關(guān)關(guān)系。如焦石壩地區(qū)依據(jù)JY1井就建立了吸附氣量=0.721 7×w(TOC)-0.538 8的關(guān)系。

1.5.3 游離氣量

涪陵頁巖氣田以游離氣為主，游離氣與吸附氣的比例約為6∶4，并且在生產(chǎn)過程中CH4的碳同位素四年多來一直在-30‰左右，沒有出現(xiàn)像TANG[40]所說的碳同位素明顯變重的現(xiàn)象，說明游離氣對涪陵頁巖氣田的高產(chǎn)起到了至關(guān)重要的作用。另外，從北美頁巖氣開發(fā)實(shí)踐來看，高產(chǎn)氣層如Marcellus(游離氣占55%)、Haynesville(游離氣占75%)、Eagle Ford(游離氣占75%)等也均以游離氣為主。目前表征游離氣的方法主要有測井解釋法、PVT方程法和全烴顯示間接表征法等。

2 涪陵五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)氣層段典型特征

焦石壩地區(qū)依據(jù)巖電特征可以將五峰—龍馬溪組劃分為①～⑨小層(圖4)，但無論是從頁巖的原生品質(zhì)、含氣特征還是開發(fā)效果來看，下部的①～⑤小層均較上部的⑥～⑨小層優(yōu)越，因而將①～⑤小層稱之為優(yōu)質(zhì)氣層段，而將上部的⑥～⑨小層稱之為含氣頁巖段。為了更好地論述前文提出的頁巖儲層綜合表征技術(shù)，以涪陵①～⑤小層優(yōu)質(zhì)氣層段為例加以示范描述。

2.1 沉積特征

優(yōu)質(zhì)氣層段發(fā)育于深水陸棚沉積環(huán)境，以高—中碳含黏土/黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖相為主；優(yōu)質(zhì)頁巖段U/Th顯著大于0.75，V/(V+Ni)則多大于0.46，沉積環(huán)境表現(xiàn)為貧氧—厭氧環(huán)境(上部含氣頁巖段以貧氧—常氧環(huán)境為主)；紋層表現(xiàn)出窄而密的特征，平均寬度僅0.06 mm，密度15條/cm(上部含氣頁巖段紋層寬而疏，平均寬0.14 mm，密度5.3條/cm)(圖4)。

2.2 生烴潛力

優(yōu)質(zhì)氣層段有機(jī)質(zhì)的類型以Ⅰ型為主，熱演化程度Ro在2.6%左右，為高—過成熟階段，這些特征與上部的含氣頁巖段近乎一致，不同之處在于TOC的含量及成烴生物的母質(zhì)類型和豐度存在明顯差異。優(yōu)質(zhì)氣層段TOC的含量整體大于2.5%(上部的含氣頁巖段多小于2%)，從生烴母質(zhì)來看，下部放射蟲的豐度較高，每克頁巖中含放射蟲近百個，向上逐漸變少至只有幾個；此外下部放射蟲的類型多以圓形和橢圓形為主，體形較大，而上部的放射蟲以不規(guī)則狀為主(圖5)。因而從正反演的有機(jī)質(zhì)含量來看，下部的優(yōu)質(zhì)氣層段生烴潛力要明顯優(yōu)于上部含氣頁巖段。

圖4 四川盆地涪陵頁巖氣田JYA-4井五峰組—龍馬溪組龍一段沉積環(huán)境綜合柱狀圖

圖5 四川盆地涪陵頁巖氣田JYA-5 井五峰組—龍馬溪組龍一段生烴潛力綜合柱狀圖

2.3 儲集特征

優(yōu)質(zhì)氣層段孔隙度較高，平均值達(dá)5.02%，而上部含氣頁巖段平均僅為4.04%；孔隙類型以有機(jī)孔為主，無機(jī)孔較少，而上部含氣頁巖段有機(jī)孔數(shù)量相對較少，不到總孔隙的一半；基質(zhì)孔隙直徑較大，平均介于2～8 nm，而上部含氣頁巖段中⑥～⑧小層基質(zhì)孔隙直徑在2 nm左右，⑨小層基質(zhì)孔徑多小于2 nm；此外優(yōu)質(zhì)氣層段孔隙比表面積也較大，平均高達(dá)20 m2/g，近似于為上部含氣頁巖段的兩倍(圖6)。

2.4 可壓性特征

優(yōu)質(zhì)氣層段脆性礦物含量較高，脆性礦物含量為60%～75%，其中長英質(zhì)含量普遍高于45%；優(yōu)質(zhì)氣層段泊松比普遍低于0.2(上部含氣頁巖段在0.2～0.25)，楊氏模量也多在30 GPa以上，計算的脆性指數(shù)普遍大于60%；此外，水平應(yīng)力差異系數(shù)平均小于0.15(圖7)，這些指標(biāo)均證實(shí)優(yōu)質(zhì)氣層段具備較好的可壓性。

2.5 含氣性特征

無論是實(shí)測含氣量，還是測井解釋的總含氣量，下部的優(yōu)質(zhì)氣層段均較高。從測井解釋含氣量來看，總含氣量平均達(dá)5.96 m3/t(含氣頁巖段測井解釋含氣量平均僅3.94 m3/t)；吸附氣和游離氣量也呈現(xiàn)出由下而上逐漸減少的變化規(guī)律。下部氣層含氣飽和度較高，一般為60%～75%，遠(yuǎn)高于上部含氣頁巖段的50%～60%。此外，全烴和甲烷值也較高，這些指標(biāo)均很好地證明，優(yōu)質(zhì)氣層段具備較好的含氣性(圖7)。

3 討論

本文重點(diǎn)圍繞著頁巖的沉積環(huán)境、生烴潛力、儲集性、可壓性和含氣性等多個方面，系統(tǒng)建立了頁巖氣儲層的綜合表征參數(shù)體系(表3)，并明確了具體的表征方法或技術(shù)，為頁巖氣勘探開發(fā)地質(zhì)評價及針對性的工程工藝方案制定提供了地質(zhì)依據(jù)。但需要說明的是，我國南方多經(jīng)歷了多期構(gòu)造改造，頁巖氣保存條件相對復(fù)雜，而保存條件的描述更多的是聚焦在區(qū)域宏觀地質(zhì)背景層面，在儲層特征方面更多地體現(xiàn)在對含氣性的影響，因而在頁巖氣層表征體系中沒有將保存條件單獨(dú)列出。

圖6 四川盆地涪陵頁巖氣田JYA-5井五峰組—龍馬溪組龍一段儲集特征綜合柱狀圖

表3 頁巖氣儲層綜合表征體系

圖7 四川盆地涪陵頁巖氣田JYA-5井五峰組-龍馬溪組龍一段可壓性和含氣性綜合柱狀圖

前文詳細(xì)論述了五峰—龍馬溪組下部優(yōu)質(zhì)氣層段的典型特征，以高—中碳含黏土、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖相、貧氧—厭氧環(huán)境為主，紋層發(fā)育；有機(jī)質(zhì)的類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主，熱演化程度適中，正反演有機(jī)質(zhì)豐度均較高；以有機(jī)孔為主，孔徑較大，孔隙度和滲透率較高；脆性礦物含量高，脆性指數(shù)大，水平應(yīng)力差異系數(shù)小，楊氏模量大，泊松比較??；整體含氣量較高。這些典型特征是涪陵頁巖氣田頁巖氣富集高產(chǎn)的綜合地質(zhì)表象，可以為類似頁巖氣田的勘探開發(fā)評價提供借鑒。

但放眼到全球頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域而言，還有諸多指標(biāo)并沒有像涪陵頁巖氣田五峰—龍馬溪組下部優(yōu)質(zhì)頁巖段的指標(biāo)那樣優(yōu)秀。如北美目前的頁巖氣開發(fā)層系中，Lewis頁巖的TOC平均值只有0.45%～2.5%[41]；Barnett頁巖的硅質(zhì)含量多小于40%[41]；Horn River頁巖孔隙度的平均值也只有3.5%左右[42]。因而，這也意味著目前學(xué)界所認(rèn)識的涪陵頁巖氣田五峰—龍馬溪組除下部①～⑤小層優(yōu)質(zhì)頁巖層段外，上部含氣頁巖段⑥～⑨小層，乃至部分濁積砂之上的泥頁巖層段均可能具備一定的開發(fā)前景，這些一則取決于針對性的工程工藝技術(shù)和提高采收率技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)大幅度的降本增效；另一則也取決于國際油價的變化。

4 結(jié)語

本文對過去四年多來涪陵頁巖氣田開發(fā)過程中形成的儲層綜合表征技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和歸納，但需要指出的是隨著頁巖氣開發(fā)理論和工程工藝的快速發(fā)展，頁巖氣儲層表征的指標(biāo)體系也將進(jìn)一步豐富；另外，隨著分析測試技術(shù)、測井解釋技術(shù)、地震解釋與預(yù)測技術(shù)等的快速發(fā)展，頁巖氣綜合表征的方法和技術(shù)也將會得到進(jìn)一步的完善。

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