劉堯文，王 進(jìn)，張夢(mèng)吟，蔡 進(jìn)，盧文濤，沈 童

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

目前中國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)方興未艾，作為國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的大型頁(yè)巖氣田，四川盆地東部的涪陵頁(yè)巖氣田受到了普遍關(guān)注。眾多專家學(xué)者針對(duì)涪陵焦石壩地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層開展了大量研究工作，主要集中在儲(chǔ)層礦物成分、儲(chǔ)集空間類型、微觀孔隙結(jié)構(gòu)和頁(yè)巖含氣量等方面[1-5]。經(jīng)過(guò)近幾年的深入研究，逐漸認(rèn)識(shí)到頁(yè)巖含氣性和可壓性是影響頁(yè)巖氣井產(chǎn)能最重要的2個(gè)方面。其中儲(chǔ)層特征特別是儲(chǔ)層孔隙特征是影響頁(yè)巖含氣性的重要因素，儲(chǔ)層脆性礦物含量等是影響頁(yè)巖可壓性的主要因素。

涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣勘探層位為五峰組—龍馬溪組龍一段，綜合利用鉆井、測(cè)錄井、巖心觀察等資料，結(jié)合電性特征，可進(jìn)一步細(xì)分為9個(gè)小層，其中①～⑤小層厚約40 m，又稱下部氣層；⑥～⑨小層厚約50 m，稱為上部氣層。

涪陵地區(qū)探井分析化驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，五峰組—龍馬溪組龍一段上下部氣層脆性礦物含量差異不大，上部氣層為51.84%～59.60%，下部氣層為57.8%～69.68%(按照能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“NB/T 14001-2015頁(yè)巖氣藏描述技術(shù)規(guī)范”同屬于Ⅰ類)，表明上、下部頁(yè)巖自身可壓裂性相當(dāng)。那么針對(duì)頁(yè)巖含氣性影響因素的研究就顯得尤為重要，目前的研究主要集中在五峰組—龍馬溪組龍一段下部氣層，對(duì)龍一段上部頁(yè)巖層段的研究相對(duì)較少，缺乏針對(duì)上部氣層孔隙特征的研究。

本次選取涪陵地區(qū)頁(yè)巖巖心樣品，通過(guò)開展氬離子拋光掃描電鏡、高壓壓汞分析和氮?dú)馕降确治?，系統(tǒng)獲取整個(gè)五峰組—龍馬溪組龍一段頁(yè)巖的孔隙分布特征，對(duì)比上、下部頁(yè)巖孔隙發(fā)育特征的差異性，明確涪陵地區(qū)頁(yè)巖段縱向孔隙發(fā)育的非均質(zhì)性；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試結(jié)果，初步明確孔隙特征對(duì)含氣量的影響，分析上部氣層含氣性有利層位，為下步頁(yè)巖氣的開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

涪陵地區(qū)地理位置位于重慶市涪陵區(qū)，構(gòu)造位置屬川東高陡褶皺帶萬(wàn)縣復(fù)向斜。川東高陡褶皺帶西以華鎣山斷裂為界，東以齊岳山斷裂為界，北與秦嶺褶皺帶相接，整體表現(xiàn)為“侏羅山式”褶皺，涪陵地區(qū)總體表現(xiàn)為“隔檔式”褶皺樣式，背斜狹窄緊閉，向斜平緩寬闊[6-8]。

涪陵地區(qū)頁(yè)巖氣勘探的目的層段是五峰組—龍馬溪組龍一段，其中五峰組厚度較薄，一般為4～6 m，巖性主要為灰黑色含黏土硅質(zhì)頁(yè)巖；龍馬溪組龍一段厚度為80～100 m，巖性以灰黑色、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖、含黏土硅質(zhì)頁(yè)巖和黏土質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主，頁(yè)理縫發(fā)育，筆石化石豐富，見較多硅質(zhì)放射蟲及少量硅質(zhì)海綿骨針等化石，含氣頁(yè)巖段普遍見黃鐵礦條帶及分散狀黃鐵礦晶粒，總體反映缺氧、滯留的深水陸棚環(huán)境沉積[9]。

上、下部氣層在巖性、有機(jī)質(zhì)豐度、孔隙度和含氣性等方面差異明顯：涪陵地區(qū)上部氣層巖性主要為黏土頁(yè)巖，有機(jī)碳含量中—低(w(TOC)=1.0%～2.0%)、中高孔(孔隙度在2.0%～4.0%)、含氣量相對(duì)較低(3～5 m3/t)；下部氣層巖性主要為硅質(zhì)頁(yè)巖，有機(jī)碳含量高(w(TOC)=3%～4%)、高孔為主(孔隙度3.0%～5.0%)、含氣量高(4～7 m3/t)。

2 孔隙特征

2.1 孔隙類型

從巖心觀察和氬離子拋光掃描電鏡觀察結(jié)果來(lái)看，涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組頁(yè)巖孔隙主要為納米級(jí)的孔隙，包括少量微米級(jí)的孔隙，根據(jù)孔隙成因可將孔隙進(jìn)一步劃分為有機(jī)質(zhì)孔隙和無(wú)機(jī)孔隙(黏土孔隙和碎屑孔隙)。

從氬離子拋光掃描電鏡觀察結(jié)果來(lái)看，下部孔隙發(fā)育，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔為主，平面上呈圓形、橢圓形及不規(guī)則形狀；有機(jī)質(zhì)孔隙的孔徑跨度較大，從納米級(jí)到微米級(jí)均有發(fā)育，以150～450 nm為主，按國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(以下簡(jiǎn)稱IUPAC)分類，屬于中孔和大孔級(jí)別，有機(jī)質(zhì)表面有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度高，多呈蜂窩狀(圖1a)。

上部氣層孔隙發(fā)育程度較下部氣層低，孔隙類型主要為層間殘余的微裂隙、粉砂顆粒邊緣殘余的微裂隙和黏土礦物片層間發(fā)育的納米級(jí)微孔隙；其次為有機(jī)質(zhì)碎屑內(nèi)部發(fā)育的孔隙，有機(jī)質(zhì)孔多小于100 nm，屬于中孔和大孔級(jí)別。

2.2 孔隙構(gòu)成

研究表明，涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組含氣頁(yè)巖段總孔隙體積由黏土礦物束縛水孔隙體積和含氣孔隙體積組成，含氣孔隙體積又可以細(xì)分為有機(jī)孔隙體積和碎屑孔、縫體積。頁(yè)巖總孔隙度與密度、聲波、中子等測(cè)井曲線具有較好的相關(guān)性；束縛水孔隙度與黏土礦物含量呈正相關(guān)。利用五峰—龍馬溪組180塊樣品物性分析測(cè)試結(jié)果，分別建立了總孔隙度與密度、聲波、中子的多元線性回歸方程(式(1))，以及束縛水孔隙度與黏土礦物含量的相關(guān)關(guān)系(式(2))，有機(jī)孔隙度與TOC的關(guān)系(式(3))等：

圖1 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁(yè)A井五峰組—龍馬溪組一段上、下部氣層孔隙類型

POR總=0.156AC+0.093CNL-4.12DEN+1.906

(1)

POR束縛=0.097V黏土-3.128

(2)

POR有機(jī)=1.359 4w(TOC)-0.104 1

(3)

POR碎屑=POR總-POR有機(jī)-POR束縛

(4)

POR總=POR有機(jī)+POR碎屑+POR束縛

(5)

式中：POR總為總孔隙度；POR有機(jī)為有機(jī)孔隙度；POR碎屑為碎屑孔隙度；POR束縛為黏土束縛水孔孔隙度；DEN為密度測(cè)井值；AC為聲波測(cè)井值；CNL為中子測(cè)井值；V黏土為黏土礦物含量。

平面上選取涪陵地區(qū)不同位置的6口探井開展測(cè)井解釋。結(jié)果表明：自上而下有機(jī)質(zhì)孔隙所占孔隙體積百分比逐漸增加；平面上下部頁(yè)巖段以有機(jī)質(zhì)孔隙為主，普遍占到總孔隙體積的50%以上，上部氣層段有機(jī)質(zhì)孔隙占比較低，平均為30.4%～35.4%，以無(wú)機(jī)孔隙為主(表1)。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.3.1 高壓壓汞法

高壓壓汞曲線形態(tài)可以反映頁(yè)巖孔隙的發(fā)育特征[9-10]。高壓壓汞法測(cè)試的孔隙直徑范圍為大于3.6 nm，主要對(duì)中孔和大孔進(jìn)行表征。通過(guò)對(duì)研究區(qū)焦頁(yè)B井巖心樣品測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段壓汞曲線主要存在2種類型：

(1)Ⅰ型巖石毛管壓力曲線(圖2a)。該類樣品孔隙度低，平均為3.3%；排驅(qū)壓力大，主要分布在18.14～51.71 MPa，平均31.65 MPa；分選系數(shù)小，平均為0.002；巖石毛管壓力曲線呈現(xiàn)“單峰”特征；孔喉直徑以8～32 nm為主，平均孔喉直徑為13.2 nm，屬中孔級(jí)別，8～32 nm孔隙對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)占到67.92%～100%，平均為88.77%(表2)。

(2)Ⅱ型巖石毛管壓力曲線(圖2b)。該類樣品孔隙度低，平均為1.9%，與Ⅰ型相比，該類型曲線上為較低壓力下開始進(jìn)汞，進(jìn)汞曲線為上升直線；排驅(qū)壓力小，主要分布在0.12～3.14 MPa，平均僅0.78 MPa；分選系數(shù)大，平均為0.371；巖石毛管壓力曲線呈現(xiàn)不明顯的“雙峰”特征；Ⅱ型巖石孔隙直徑包括中孔、大孔和微裂隙，中孔孔隙直徑以8～32 nm為主，大孔和微裂隙孔徑較大，達(dá)0.6～8 μm，且大孔和微裂隙對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)大，孔徑為2～8 μm的大孔以及微裂隙對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)占到85.83%～98.36%，平均為94.33%(表2)。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段以Ⅰ型為主，上、下部氣層均有發(fā)育；Ⅱ型較少，且主要發(fā)育在上部氣層，下部氣層少見。反映總體上五峰組—龍馬溪組龍一段基質(zhì)孔隙較均質(zhì)，局部發(fā)育大孔和微裂隙，有利于頁(yè)巖氣的流動(dòng)和采出。

2.3.2 液氮吸附法

(1)液氮吸附—脫附曲線。涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組頁(yè)巖段上、下部氣層液氮吸附—脫附曲線特征類似，在相對(duì)壓力0.2～0.8的區(qū)域吸附量隨相對(duì)壓力的增高而增加，吸附曲線相對(duì)平坦，在該階段發(fā)生多分子層吸附；在相對(duì)壓力大于0.8后液氮吸附量急劇增加，發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。液氮吸附—脫附曲線存在明顯的吸附回線，兼有IUPAC分類體系中H2型和H3型吸附回線類型的特征，分析認(rèn)為孔隙屬于細(xì)頸廣口的墨水瓶型孔隙。

(2)孔隙體積。以焦頁(yè)B井為例，41塊樣品分析測(cè)試結(jié)果：五峰組—龍馬溪組龍一段頁(yè)巖的孔體積為0.016～0.027 mL/g，平均為0.02 mL/g，上、下部氣層孔隙體積差異較大(圖3a)。下部氣層孔體積略大，基本大于0.02mL/g；上部氣層主要分布在0.016～0.02 mL/g。不同孔徑所占的比例不同，其中中孔所占比例最大，平均為47.86%，其次為微孔，約占33.44%，大孔所占比例最小，約占18.70%，反映中孔、微孔對(duì)孔體積值貢獻(xiàn)較大。

表1 四川盆地涪陵地區(qū)6口探井有機(jī)質(zhì)孔隙體積百分比分層統(tǒng)計(jì)

圖2 四川盆地涪陵地區(qū)2種不同類型巖石毛管壓力曲線

主要參數(shù)Ⅰ型毛管壓力曲線Ⅱ型毛管壓力曲線孔隙度/%1．1～4．8/3．31．4～2．5/1．9排驅(qū)壓力/MPa18．14～51．71/31．650．12～3．14/0．78分選系數(shù)0．001～0．003/0．0020．018～0．749/0．371孔喉直徑/nm8．0～32．0/13．258．8～1477．4/717．04對(duì)滲透率主要貢獻(xiàn)孔隙直徑范圍/nm8～502000～8000

注：表中分式的意義為：最小值～最大值/平均值

圖3 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁(yè)B井頁(yè)巖孔隙體積和比表面積縱向分布

(3)比表面積。焦頁(yè)B井五峰組—龍馬溪組龍一段頁(yè)巖的BET比表面積為11.96～29.71 m2/g，平均為18.22 m2/g?？傮w上自下而上比表面積逐漸降低，與孔隙體積變化規(guī)律一致(圖3b)。下部氣層孔BET比表面積基本大于20 m2/g，上部氣層主要分布在12～20 m2/g。研究發(fā)現(xiàn)，孔體積和比表面積的相關(guān)關(guān)系良好(圖4)，反映了微孔是頁(yè)巖比表面積的主要貢獻(xiàn)者，構(gòu)成了氣體吸附的主要空間。

3 上部氣層含氣性評(píng)價(jià)

3.1 孔隙特征對(duì)含氣性的影響分析

眾多學(xué)者研究認(rèn)為，孔隙類型、孔隙度、孔隙比表面積和孔隙體積對(duì)頁(yè)巖含氣性影響較大[11-18]。有機(jī)質(zhì)中普遍發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，頁(yè)巖有機(jī)碳含量高低在很大程度上決定了有機(jī)質(zhì)孔面孔率的大小，從而會(huì)對(duì)頁(yè)巖含氣量產(chǎn)生影響；頁(yè)巖孔隙度對(duì)吸附氣和游離氣均有影響，頁(yè)巖孔隙度越大，頁(yè)巖總含氣量越高；頁(yè)巖孔隙比表面積和孔隙體積主要影響吸附氣量，在很大程度上會(huì)影響頁(yè)巖的吸附氣儲(chǔ)集能力。

圖4 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁(yè)B井頁(yè)巖比表面積與孔隙體積相關(guān)關(guān)系

涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段頁(yè)巖上、下部氣層孔隙特征差異較大，表明其縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)。以焦頁(yè)B井為例，下部氣層有機(jī)碳含量高，平均為3.39%，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔為主，孔隙度主要分布在3.13%～4.45%，孔體積大于0.02 mL/g，BET比表面積基本大于20 m2/g，含氣量平均為5.65 m3/t；上部氣層有機(jī)碳含量低，平均為1.5%，孔隙類型主要為微裂隙、黏土礦物孔，其次為有機(jī)質(zhì)碎屑內(nèi)部發(fā)育的孔隙，孔隙度主要分布在1.68%～2.1%，孔體積主要分布在0.018～0.02 mL/g，比表面積主要為12～20 m2/g，實(shí)測(cè)含氣量平均為3.71 m3/t(圖3，表3)。分別統(tǒng)計(jì)有機(jī)碳含量、孔隙度、孔隙體積、孔隙比表面積和含氣量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳含量與含氣量相關(guān)關(guān)系最好，其次為孔隙度和BET比表面積；孔隙體積和含氣量相關(guān)性略差，可能與頁(yè)巖以納米孔為主，孔隙體積差異較小所致(圖5)。

3.2 上部氣層含氣性優(yōu)選

目前，涪陵頁(yè)巖氣田下部氣層的開發(fā)進(jìn)展順利，為進(jìn)一步擴(kuò)大示范區(qū)建設(shè)陣地，夯實(shí)產(chǎn)建區(qū)資源基礎(chǔ)，上部氣層的含氣性優(yōu)選工作就顯得尤為重要。

前述研究初步優(yōu)選出有機(jī)碳含量、孔隙度和BET比表面積是影響含氣性的主要因素。以此為基礎(chǔ)，分小層統(tǒng)計(jì)上部⑥～⑨小層的有機(jī)碳含量、孔隙度、孔隙比表面積。結(jié)果表明，⑧小層有機(jī)碳含量高、比表面積大、孔隙度高，為上部氣層含氣性最好層段；⑥和⑦小層有機(jī)碳含量較高，比表面積、孔隙度較大，為上部氣層含氣性較好層段；⑨小層含氣性最差(圖6)。

4 結(jié)論

表3 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁(yè)B井五峰—龍馬溪組龍一段頁(yè)巖孔隙特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖6 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁(yè)A、B、E井上部氣層頁(yè)巖有機(jī)碳含量、氦氣法孔隙度、BET比表面積對(duì)比

(1)涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段可進(jìn)一步細(xì)分為上、下部氣層，上、下部氣層在孔隙類型、有機(jī)質(zhì)豐度、孔隙度、孔徑、孔隙比表面積等方面差異明顯。下部氣層有機(jī)碳含量高，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔為主，孔體積基本大于0.02 mL/g，BET比表面積基本大于20 m2/g；上部氣層有機(jī)碳含量低，孔隙類型主要為微裂隙、黏土礦物孔，其次為有機(jī)質(zhì)碎屑內(nèi)部發(fā)育的孔隙，孔體積主要分布在0.016～0.02 mL/g，比表面積主要為12～20 m2/g。

(2)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段頁(yè)巖有機(jī)碳含量與含氣量相關(guān)關(guān)系最好，其次為BET比表面積和孔隙度；孔隙體積和含氣量相關(guān)性略差，可能與頁(yè)巖以納米孔為主，孔隙體積差異較小有關(guān)。

(3)涪陵地區(qū)上部氣層具備較好的開發(fā)潛力，其中⑧小層有機(jī)碳含量高、比表面積大、孔隙度高，為上部氣層含氣性最好層段；⑥和⑦小層有機(jī)碳含量較高，比表面積、孔隙度較大，為上部氣層含氣性較好層段；⑨小層含氣性最差。

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