劉 莉，包漢勇，李 凱，李 根，曾 勇，鄭愛(ài)維，熊紅麗

(1.中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，武漢 430223；2.湖北省創(chuàng)新協(xié)同中心，武漢 430100； 3.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100)

頁(yè)巖氣是指頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)生成氣后，未排出源巖層系，滯留在源巖層系中呈連續(xù)狀分布的氣藏。它是存在于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段中具有商業(yè)性產(chǎn)出的天然氣。從全球不可再生能源勘探開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖氣是最現(xiàn)實(shí)的油氣資源的重要接替資源之一[1]。我國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力巨大，國(guó)土資源部組織完成的全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)，初步評(píng)價(jià)我國(guó)陸地可采頁(yè)巖氣資源量為25.08×1012m3，具有良好的發(fā)展前景[2-3]。2015年底涪陵國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)區(qū)——涪陵頁(yè)巖氣田50億方產(chǎn)能的建成，預(yù)示著頁(yè)巖氣作為一種新型的綠色能源已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)開(kāi)發(fā)階段[4]。

在頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)過(guò)程中，如何快速評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖的含氣性，國(guó)內(nèi)目前表征頁(yè)巖含氣性的指標(biāo)繁多，直接指標(biāo)包括氣測(cè)顯示、實(shí)測(cè)含氣量、含氣飽和度、測(cè)井解釋含氣量和地震解釋含氣量等，間接指標(biāo)包括電阻率、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙壓力等[5]。但受測(cè)試方法和復(fù)雜地質(zhì)條件的限制，每種方法表征含氣性都存在局限，如何較為準(zhǔn)確地表征頁(yè)巖的含氣性仍需進(jìn)一步探索。本文結(jié)合涪陵國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)區(qū)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的實(shí)例，總結(jié)了影響頁(yè)巖含氣性的地質(zhì)和工程因素，建立頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以期對(duì)我國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)工作有一定的指導(dǎo)作用。

1 頁(yè)巖含氣特殊性

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中是否含有工業(yè)價(jià)值天然氣是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究的重要內(nèi)容之一。頁(yè)巖氣以游離氣、吸附氣和溶解氣3種方式賦存于頁(yè)巖儲(chǔ)層中，其中以游離氣和吸附氣為主，溶解氣少量[6-7]。在涪陵頁(yè)巖氣田的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，主要以游離氣和吸附氣為主，故此次研究主要考慮游離氣和吸附氣。

(1)吸附氣。吸附氣是指由于吸附作用吸附于有機(jī)質(zhì)和礦物顆粒表面的天然氣。吸附作用是指天然氣吸附于固體或者液體物質(zhì)表面上的作用。吸附方式分為物理吸附和化學(xué)吸附，兩者共同作用使頁(yè)巖完成對(duì)天然氣的吸附，但兩者處于主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)的地位隨聚集條件以及頁(yè)巖和氣體分子等改變而發(fā)生變化。國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為氣體吸附于物質(zhì)表面時(shí)，其表面積越大吸附量越大，但有機(jī)質(zhì)較黏土礦物更有利于頁(yè)巖氣的吸附[8-10]。

(2)游離氣。游離氣是指由于擴(kuò)散作用以游離態(tài)充填于頁(yè)巖層系的孔隙或裂縫中的天然氣。頁(yè)巖層系中3種賦存形式在地層環(huán)境發(fā)生變化時(shí)可互相轉(zhuǎn)換，當(dāng)壓力增大時(shí)，吸附氣和溶解氣量相對(duì)增加，游離氣相對(duì)減小，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。本次研究主要使用核磁法測(cè)量總孔隙；含氣飽和度目前尚無(wú)可靠的測(cè)試方法，一般通過(guò)測(cè)井解釋計(jì)算得出結(jié)果。

2 含氣性影響因素

頁(yè)巖儲(chǔ)層具有滲透率低、非均質(zhì)性較強(qiáng)、礦物組分復(fù)雜等特點(diǎn)，所以影響頁(yè)巖含氣性的因素繁多。國(guó)內(nèi)對(duì)于含氣性定性評(píng)價(jià)的研究主要包括頁(yè)巖總有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)成熟度等內(nèi)因，也包括頁(yè)巖埋深、地層壓力與溫度等外因。本次研究基于涪陵頁(yè)巖氣田的實(shí)際生產(chǎn)特征，優(yōu)選以下含氣性影響因素加以論述。

2.1 有機(jī)碳含量

有機(jī)碳含量用來(lái)反映頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度，是頁(yè)巖氣成藏的主要控制因素之一。國(guó)內(nèi)外的測(cè)試結(jié)果亦表明有機(jī)質(zhì)含量與頁(yè)巖的含氣量存在較好的正相關(guān)性[11]。頁(yè)巖氣中的游離氣主要賦存于有機(jī)質(zhì)孔中，高有機(jī)碳含量的頁(yè)巖具有更多的孔隙空間，增大了游離氣的儲(chǔ)存空間(圖1)。對(duì)于甲烷氣體的吸附能力，有機(jī)質(zhì)遠(yuǎn)高于無(wú)機(jī)質(zhì)等黏土礦物，隨著有機(jī)碳含量的增加，吸附氣的含量也增大(圖2)。通過(guò)建立五峰—龍馬溪組頁(yè)巖含氣量與TOC關(guān)系(圖3)，可以看出吸附氣、游離氣及總含氣量與TOC具有良好的正相關(guān)性。

圖1 四川盆地涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組TOC與孔隙度相關(guān)性分析

圖2 四川盆地涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組含氣頁(yè)巖段吸附氣量與TOC關(guān)系

圖3 四川盆地涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組總含氣量與TOC關(guān)系

2.2 孔隙度

儲(chǔ)集空間的大小是影響頁(yè)巖氣賦存狀態(tài)和含氣性的重要因素[12]。根據(jù)國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)的孔隙分類[13]，直徑小于2 nm的孔隙為微孔，直徑2～50 nm的為中孔，直徑大于50 nm的為宏孔。目前普遍認(rèn)為，由于頁(yè)巖儲(chǔ)層低滲透率，在致密的頁(yè)巖儲(chǔ)層中，微米—納米級(jí)的孔隙對(duì)頁(yè)巖氣的聚集、成藏起到了關(guān)鍵性的作用，且以吸附態(tài)存在，在宏孔及微裂縫中以游離態(tài)存在。

通過(guò)研究認(rèn)為總含氣量、吸附氣含量與比表面積、總孔隙度均具有較好的正相關(guān)性(圖4)，而游離氣占比與比表面積、總孔隙度呈負(fù)相關(guān)性。研究認(rèn)為頁(yè)巖孔隙多以微米—納米級(jí)孔隙為主，從JYA井統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)可以看到，隨著比表面積的增加，巖石對(duì)氣體的吸附能力增加，吸附氣的比例也相應(yīng)增加，游離氣的比例相應(yīng)減少[14]。同時(shí)當(dāng)孔隙度增加時(shí)，增大的比表面積使氣體產(chǎn)生了解吸附作用，從而游離氣與比表面積、孔隙度均為負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5)。

2.3 礦物組分

對(duì)涪陵區(qū)塊JYB井的X衍射全巖分析結(jié)果顯示，五峰—龍馬溪組主力含氣頁(yè)巖段的硅質(zhì)含量均值為57.1%，黏土礦物含量為28.66%，碳酸鹽含量為10.8%，其余為3.44%；脆性礦物含量高，黏土礦物含量少(試驗(yàn)樣品共38塊)。

國(guó)內(nèi)研究認(rèn)為黏土礦物含量的增加能夠增加黏土礦物晶間孔、收縮縫等初級(jí)空間，且能夠明顯增大頁(yè)巖的比表面積，有利于吸附氣量和含氣量的提升[15]。通過(guò)建立JYA井含氣量與黏土礦物含量的關(guān)系可知，吸附氣和總含氣量與黏土礦物含量為負(fù)相關(guān)關(guān)系，游離氣量與黏土礦物含量為弱負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6a)。頁(yè)巖樣品黏土礦物含量總體較少，黏土礦物中蒙脫石的缺失造成黏土礦物對(duì)天然氣吸附能力大大降低，頁(yè)巖樣品中脆性礦物能夠誘使孔隙和裂縫的產(chǎn)生，有效提高了孔隙體積和比表面積[16-18]。由于礦物晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的差異導(dǎo)致礦物吸附性能的差異，頁(yè)巖主要礦物組分甲烷吸附能力實(shí)驗(yàn)表明，各種礦物甲烷吸附量次序?yàn)槊擅撌?伊蒙混層>高嶺石>綠泥石>伊利石>粉砂巖>石英巖[19]。并非黏土礦物含量越高越好，黏土礦物含量高的頁(yè)巖塑性強(qiáng)，以形成平面裂縫為主，尤其是蒙脫石類膨脹性黏土，雖吸附性能好，但不利于頁(yè)巖體積改造。由于石英抗壓實(shí)能力強(qiáng)，石英顆?？蓸?gòu)成一個(gè)相對(duì)剛性格架，有利于孔隙的保存，因此，石英含量越高，孔隙度也越大，含氣量越高[19](圖6b)。

圖4 四川盆地涪陵地區(qū)JYA井含氣頁(yè)巖段含氣量與比表面積和孔隙度的關(guān)系

圖5 四川盆地涪陵地區(qū)JYA井含氣頁(yè)巖段游離氣量占比與比表面積和總孔隙度關(guān)系

圖6 四川盆地涪陵地區(qū)JYA井含氣頁(yè)巖段含氣量與硅質(zhì)和黏土含量關(guān)系

2.4 地層壓力和含水飽和度

富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖總含氣量隨壓力的增大而增加，吸附氣量對(duì)壓力的增大不敏感，壓力增大時(shí)吸附氣量基本保持不變；游離氣含量隨壓力的增大而增加，呈線性關(guān)系[20]。涪陵頁(yè)巖氣田泥頁(yè)巖埋深在2 000～4 500 m，對(duì)應(yīng)的地層靜水柱壓力大于10 MPa[21]。當(dāng)壓力大于頁(yè)巖氣吸附量飽和壓力時(shí)，隨著壓力的增大，吸附氣量增加不明顯，而游離氣持續(xù)增加，游離氣占頁(yè)巖氣總含氣量的比重也越來(lái)越大。頁(yè)巖的含水飽和度越高，水所占的孔隙空間越大，在孔隙度一定的條件下，可供頁(yè)巖氣吸附的空間必然減少，因此，含水飽和度越高，吸附氣量越少[22]。

3 含氣性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表征含氣性的常用指標(biāo)包括直接指標(biāo)和間接指標(biāo)。直接指標(biāo)主要包括定性判斷的氣測(cè)顯示、定量判斷的實(shí)測(cè)含氣量以及實(shí)測(cè)含氣飽和度；間接指標(biāo)主要包括孔隙度、電阻率和地層壓力等指標(biāo)。從目前涪陵頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)實(shí)踐來(lái)看，本次研究?jī)?yōu)選了2大類6項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)作為頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)的主要參數(shù)。

3.1 直接指標(biāo)

3.1.1 實(shí)測(cè)含氣量

從涪陵頁(yè)巖氣田實(shí)測(cè)含氣量的對(duì)比分析結(jié)果來(lái)看，雖然使用了相同的測(cè)試方法，在測(cè)試條件相同的前提下，各區(qū)塊導(dǎo)眼井實(shí)測(cè)含氣量與各區(qū)塊的頁(yè)巖原生品質(zhì)、保存條件的評(píng)價(jià)結(jié)果存在明顯矛盾。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)試年代的推移，鉆井取心的工藝不斷完善，取心的速度逐年提升，取心過(guò)程中的損失氣量相應(yīng)減少，利用損失氣量推算的解析氣量隨之增加，這造成了新鉆井測(cè)試含氣量明顯高于老鉆井測(cè)試的含氣量。因此，實(shí)測(cè)含氣量作為目前國(guó)內(nèi)表征含氣性的主要直觀指標(biāo)，在埋藏淺、構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)可以作為含氣性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，但在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，損失氣量無(wú)法歸一化的條件下，就無(wú)法作為準(zhǔn)確的含氣性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.1.2 含氣飽和度

含氣飽和度作為表征含氣性的指標(biāo)參數(shù)之一，由于目前測(cè)試方法的精度局限，僅只能作為參考數(shù)據(jù)，可以基本反映含氣性變化的規(guī)律。含氣飽和度與含氣性呈正相關(guān)性，基本上能夠反映含氣性的縱橫向變化規(guī)律，但基于測(cè)試方法的多樣性(目前有核磁法、高溫蒸餾法，且不同測(cè)試單位蒸餾溫度存在一定差異)，導(dǎo)致含氣飽和度對(duì)頁(yè)巖含氣性的表征精度不足。

3.1.3 氣測(cè)顯示值

氣測(cè)錄井是油氣錄井中最為連續(xù)、直接、定量和有效的方法，能夠連續(xù)對(duì)鉆井液中的氣態(tài)烴類進(jìn)行直接檢測(cè)，給出定量的數(shù)據(jù)，對(duì)于含氣性能給出較為準(zhǔn)確的判斷，但是氣測(cè)顯示值的高低受到地質(zhì)因素和工程因素的多重影響。

雖然氣測(cè)顯示值受到諸多工程和地質(zhì)因素的影響，但是通過(guò)大量的單井統(tǒng)計(jì)(圖7)，涪陵區(qū)塊已測(cè)試井的氣測(cè)全烴顯示值與單井的無(wú)阻流量存在較好的正相關(guān)性，所以氣測(cè)顯示值可以作為涪陵地區(qū)表征頁(yè)巖含氣性的主要指標(biāo)之一。

3.2 間接指標(biāo)

3.2.1 孔隙度

整個(gè)涪陵地區(qū)巖心孔隙度的分析化驗(yàn)工作由多家單位承擔(dān)，樣品的預(yù)處理方法存在差異性。氦氣法測(cè)試孔隙度有40%濕度烘干處理，導(dǎo)致孔隙中殘留束縛水不能完全排出；而同樣是真空條件下的氦氣法測(cè)試孔隙度，由于采用不同溫度烘干樣品，導(dǎo)致樣品中束縛水排出程度不同(圖8)，使后期分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可對(duì)比性較差。目前采用同一平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室校正的測(cè)井解釋孔隙度來(lái)作為含氣性表征參數(shù)之一，與產(chǎn)能情況基本匹配。

3.2.2 壓力系數(shù)

圖7 四川盆地涪陵地區(qū)已測(cè)試井無(wú)阻流量與全烴值關(guān)系

圖8 四川盆地涪陵區(qū)塊導(dǎo)眼井不同測(cè)試方法孔隙度統(tǒng)計(jì)

圖9 四川盆地涪陵區(qū)塊已測(cè)試井無(wú)阻流量與壓力系數(shù)關(guān)系

地層壓力能較好地體現(xiàn)構(gòu)造上東西分帶的特征，烏江斷裂帶周緣壓力系數(shù)較低。存在的缺點(diǎn)為壓力系數(shù)資料獲取的成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性存在爭(zhēng)議；壓力系數(shù)的測(cè)量方式不同，有DST、微注入及投產(chǎn)前測(cè)靜壓等，數(shù)據(jù)的可對(duì)比性不強(qiáng)，僅能反映含氣性的變化趨勢(shì)(圖9)。隨著壓力系數(shù)的增大，產(chǎn)能增大趨勢(shì)明顯。

3.2.3 電阻率

電阻率大體上可以反映含氣性，但由于電阻率的測(cè)試受井筒條件、巖礦特征、流體性質(zhì)、測(cè)試儀器以及裂縫發(fā)育程度多重因素的影響，目前還沒(méi)有針對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層較好的電阻率校正方法，因此電阻率雖然可以在一定程度上反映含氣性，但精度偏低。

4 應(yīng)用

根據(jù)涪陵頁(yè)巖氣田開(kāi)發(fā)實(shí)踐，初步建立了頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系(表1)，全烴值、孔隙度及壓力系數(shù)為主要的參考指標(biāo)。當(dāng)全烴大于10%，孔隙度大于3.5%，地層壓力系數(shù)大于1.3時(shí)，頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)為Ⅰ類；當(dāng)全烴為5%～10%，孔隙度為3%～3.5%，地層壓力系數(shù)為1.1～1.3時(shí)，頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)為Ⅱ類；當(dāng)全烴為小于5%，孔隙度小于3%，地層壓力系數(shù)為小于1.1時(shí)，頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)為Ⅲ類。

表1 四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田含氣性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 四川盆地涪陵頁(yè)巖氣田含氣性綜合評(píng)價(jià)

在此評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田各區(qū)塊綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為：一期主體區(qū)、江東區(qū)塊及平橋區(qū)塊含氣性好；一期西南部及白濤區(qū)塊次之；白馬區(qū)塊和梓里場(chǎng)區(qū)塊較差(表2)。

5 結(jié)論

(1)頁(yè)巖含氣性受諸多因素影響，其中有機(jī)碳含量、巖石礦物組分和孔隙結(jié)構(gòu)及地層溫壓等為主要影響因素。

(2)基于涪陵頁(yè)巖氣田大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為有效開(kāi)展頁(yè)巖含氣性的評(píng)價(jià)，優(yōu)選含氣性評(píng)價(jià)主要包括2大類6參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)(直接指標(biāo)(實(shí)測(cè)含氣量、氣測(cè)顯示值和含氣飽和度)和間接指標(biāo)(孔隙度、電阻率和地層壓力))的含氣性定性—半定量評(píng)價(jià)體系。

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