劉可順 金吉能 田媛 邱亞輝 孔雅慧 周佳興

摘 ?????要： 四川盆地作為我國(guó)頁(yè)巖氣主要產(chǎn)地，其中龍馬溪組頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量尤為豐富，針對(duì)該組地層進(jìn)行儲(chǔ)層特征研究，對(duì)該盆地頁(yè)巖氣富集規(guī)律研究、壓裂工藝設(shè)計(jì)以及優(yōu)選有利區(qū)意義重大。在巖心觀察基礎(chǔ)上，結(jié)合測(cè)井資料以及地質(zhì)資料的分析，開(kāi)展頁(yè)巖礦物特征、物性特征和地球物理特征等頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征研究。研究結(jié)果表明龍馬溪組頁(yè)巖骨架礦物為石英、方解石、長(zhǎng)石等，脆性礦物總含量58%，黏土礦物種類豐富包括伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺土;孔隙類型多樣，龍一段孔隙度分布在0.46%～3.86%之間，平均值1.70%，孔隙度高于龍二、龍三段;龍一段總有機(jī)碳含量在2.22%～3.64%之間，生烴物質(zhì)基礎(chǔ)較好;泊松比與楊氏模量分別為0.17～0.32，31.9～70.7 GPa。綜合認(rèn)為南川地區(qū)龍馬溪組具有較好的脆性，龍一段儲(chǔ)集物性優(yōu)于中上兩段，高楊氏模量低泊松比，具有較好的資源勘探開(kāi)發(fā)潛力。

關(guān) ?鍵 ?詞：龍馬溪組;頁(yè)巖氣;儲(chǔ)層特征;南川地區(qū)

中圖分類號(hào)：TE122.2⁺3 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）01-0138-04

Characteristics of?Shale Gas Reservoirs?in

Longmaxi Formation in Nanchuan Area

LIU?Ke-shun^1，2，?JIN?Ji-neng^1，2， TIAN Yuan^1，2， QIU?Ya-hui^1，2， KONG?Ya-hui^1，2， ZHOU?Jia-xing^1，2

（1. College of Earth Sciences， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100， China;

2. Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100， China）

Abstract： Sichuan basin is the main producing area of shale gas in China， and?Longmaxi formation shale gas resource reserves are particularly abundant. Study?on the reservoir characteristics of Longmaxi formation is of great significance to the study of shale gas enrichment in the Sichuan basin， fracturing?process design and screening out favorable areas. In this paper， based on the core observation， combined?with the logging data and the analysis of geological data， the?characteristics of shale gas reservoir were studied， such?as shale mineral characteristics， physical?characteristics and geophysical characteristics. The?results show that the shale skeleton minerals of Longmaxi formation are quartz， calcite， feldspar， etc.The?total content of brittle minerals is 58%.The rich clay minerals include illite， imiline， chlorite?and kaolin; the?pore types are diverse. The?first section of Longmaxi formation has a porosity distribution between 0.46% and 3.86%， with an average of 1.70%.The total organic carbon content of the first section of Longmaxi formation is between 2.22% and 3.64%， which has a relatively good base of hydrocarbon generation， and?the porosity is higher than the second and third sections.The Poisson's ratio of Longmaxi Formation is 0.17～0.32， and the Young's modulus is 31.9～70.7 GPa.?Longmaxi formation in Nanchuan area has good brittleness， and?reservoir property of the first sections is superior to the second section and the third section of Longmaxi formation， and?its Young's modulus is high， Poisson's ratio is low， so it has good potential for resource exploration and development.

Key words： Longmaxi formation; Shale gas; Reservoir characteristics; Nanchuan area

頁(yè)巖氣是指以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存在泥頁(yè)巖中一種非常規(guī)天然氣資源，具有“自生自儲(chǔ)、原地成藏、低孔低滲、強(qiáng)烈非均質(zhì)性”的特性^[1，2]。在美國(guó)針對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)取得突破，成功實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)采的背景下，學(xué)者們開(kāi)始重視國(guó)內(nèi)海相地層中頁(yè)巖及其賦存的頁(yè)巖氣。我國(guó)南方地區(qū)海相頁(yè)巖發(fā)育廣泛，頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景資源儲(chǔ)量十分豐富，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，圍繞四川盆地晚古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組建成了多個(gè)示范區(qū)。同時(shí)在頁(yè)巖氣的資源評(píng)價(jià)方面取得一定成果。一般選取TOC含量、礦物成分及礦物的脆性指數(shù)、儲(chǔ)層物性等作為頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的參數(shù)^[3]。在頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)孔隙和礦物原生孔幾乎提供了氣體吸附的全部空間^[4]。脆性礦物與黏土礦物含量高低及礦物比例特征，可以作為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中壓裂工藝設(shè)計(jì)的重要參考^[5]和頁(yè)巖氣優(yōu)選重點(diǎn)勘探區(qū)的指示^[6]。相較于常規(guī)儲(chǔ)層，因頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程需要儲(chǔ)層改造，所以有必要以儲(chǔ)層特征為切入點(diǎn)展開(kāi)研究。此外，隨著我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)工作由海相頁(yè)巖氣規(guī)模化開(kāi)采推向海陸過(guò)渡相及陸相工業(yè)化試驗(yàn)開(kāi)采^[7]，也要求我們更加準(zhǔn)確的掌握海相頁(yè)巖儲(chǔ)層特征，以滿足進(jìn)一步勘探需要。

所以，為了弄清南川地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征，筆者綜合利用測(cè)井、地震、地質(zhì)資料，分地質(zhì)特征、巖石物理特征兩個(gè)方面進(jìn)行探究，旨在豐富海相頁(yè)巖氣理論研究以及為川東南地區(qū)頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)和勘探工作提供一定依據(jù)。

1 ?地質(zhì)背景

1.1 ?區(qū)域構(gòu)造

四川盆地根據(jù)褶皺作用影響程度不同可以分為川西坳褶區(qū)、川中平緩褶皺區(qū)、川北低平褶皺區(qū)和川東高陡褶皺區(qū)^[8]。南川位于川東高陡褶皺帶外緣，受華南板塊邊緣江南雪峰造山帶逆沖推覆以及后續(xù)印度板塊的擠壓的影響，研究區(qū)自SE向NW方向地層出現(xiàn)不同程度的逆沖，發(fā)育青龍鄉(xiāng)斷層、平橋西斷層、龍濟(jì)橋斷層等斷層^[9]。根據(jù)構(gòu)造變形的強(qiáng)弱程度，可以將南川地區(qū)劃分為強(qiáng)變形帶、中等變形帶和弱變形帶，不同區(qū)帶構(gòu)造走向線以NE～SW為主。

1.2 ?區(qū)域地層

川東南地區(qū)地層基底為前震旦系板溪群變質(zhì)巖，地層巖性自下而上表現(xiàn)出海相-海陸過(guò)渡相的變遷，這種復(fù)雜的相帶沉積背景下，研究區(qū)發(fā)育多套生儲(chǔ)蓋組合。本次研究目的層段龍馬溪組巖性為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，沉積有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型為主^[10，11]。研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖沉積于水體安靜且氧含量低的半深水-深水陸棚環(huán)境，地層厚度在300～450 m之間，厚度自東向西有加厚的趨勢(shì)，與下伏臨湘組灰?guī)r及上覆小河壩組均整合接觸，呈現(xiàn)灰?guī)r-頁(yè)巖-砂巖的巖性突變。根據(jù)A井AC測(cè)井曲線特征將龍馬溪組分為上、中、下三段，其中下段（龍一段）巖性為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、炭硅質(zhì)頁(yè)巖，中上部分（龍二段和龍三段）巖性為頁(yè)巖夾粉砂質(zhì)頁(yè)巖或粉砂巖，自下而上泥質(zhì)含量逐漸降低。

2 ?頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

2.1 ?地質(zhì)特征

2.1.1 ?礦物特征

在頁(yè)巖儲(chǔ)層研究工作中做到礦物成分的定性及定量意義重大，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是黏土礦物有較高的比表面積，有利于頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中的吸附;二是脆性礦物的含量高低直接影響了頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂增產(chǎn)的效果。當(dāng)然，黏土礦物含量并不是越多越好，黏土礦物含量高脆性礦物就會(huì)少，從而影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的壓裂效果。在南川地區(qū)按硅質(zhì)礦物、碳酸鹽和黏土礦物組分百分含量將龍馬溪組頁(yè)巖相劃分為硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、富泥硅質(zhì)頁(yè)巖、富硅/泥混合質(zhì)頁(yè)巖和富硅泥質(zhì)頁(yè)巖（表1）。

南川地區(qū)頁(yè)巖主要礦物為黏土、石英和長(zhǎng)石（包含鉀長(zhǎng)石與斜長(zhǎng)石）（圖1）。黏土礦物包括伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺土，其中伊利石平均含量58%，伊蒙混層平均含量30%，綠泥石平均含量9%，高嶺土平均含量3%。脆性礦物包括石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石和黃鐵礦等，其中石英平均含量38%，斜長(zhǎng)石平均含量7%，鉀長(zhǎng)石平均含量2%，方解石平均含量4%，白云石平均含量5%，黃鐵礦平均含量2%。礦物含量百分比圖表明：黏土礦物含量隨深度增加而降低，總含量平均值為42%;脆性礦物含量隨深度增加而升高，總含量平均值為58%。南川地區(qū)龍馬溪組脆性礦物含量>50%。筆者綜合各種礦物含量進(jìn)行脆性系數(shù)計(jì)算，得出一個(gè)較高數(shù)值，說(shuō)明頁(yè)巖儲(chǔ)層具有可壓裂性，經(jīng)水平井壓裂后有資源增產(chǎn)的潛力。

2.1.2 ?物性特征

頁(yè)巖沉積物顆粒細(xì)小、含水率高，在沉積之初孔隙非常發(fā)育，但是成巖過(guò)程中壓實(shí)作用導(dǎo)致頁(yè)巖原生孔隙巨幅降低，減少量可達(dá)到沉積之初的98%～99%^[13]，這也解釋了現(xiàn)今頁(yè)巖孔隙多在納米級(jí)的原因。亞離子拋光掃描電鏡顯示，本區(qū)主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙、脆性礦物孔、黏土礦物孔和微裂縫等不同儲(chǔ)集空間^[12]。其中，有機(jī)質(zhì)孔多發(fā)育在沉積有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，屬于次生孔隙，來(lái)自生烴后沉積有機(jī)質(zhì)減少部分的體積，在四種孔隙中最為發(fā)育。脆性礦物孔、黏土礦物孔、微裂縫等原生孔隙因壓實(shí)作用損失嚴(yán)重對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)不及有機(jī)質(zhì)孔。

依據(jù)南川地區(qū)A井孔隙度測(cè)井曲線可知，龍馬溪組孔隙度在0.23%～3.86%之間，平均值1.06%，龍一段孔隙度在0.46%～3.86%之間，平均值1.70%。將A井孔隙度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得圖2。由圖2a可知龍馬溪組孔隙度主要分布在0.5%～2.0%，由圖2b可知龍一段孔隙度主要分布在1.5%～2.5%之間。圖2a、2b孔隙度分布區(qū)間主峰向右遷移，可以認(rèn)為龍一段孔隙較龍二、龍三段更為發(fā)育，具有更好儲(chǔ)集物性，可以為頁(yè)巖氣提供更多的儲(chǔ)集空間。

2.1.3??TOC特征

總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的一項(xiàng)重要參數(shù)。以往的TOC數(shù)值通過(guò)取芯井鉆取巖心后進(jìn)行測(cè)試分析得出，受限于樣品個(gè)數(shù)測(cè)試結(jié)果很難做到連續(xù)表征儲(chǔ)層。學(xué)者們利用測(cè)井曲線與TOC之間的存在的響應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)建立了多種比較成熟的模型：自然伽馬能譜預(yù)測(cè)模型^[14]、電阻率與孔隙度相結(jié)合預(yù)測(cè)模型^[15]、密度預(yù)測(cè)模型^[16]等。筆者在結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，建立了南川地區(qū)TOC的密度預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出足夠數(shù)量的TOC數(shù)據(jù)后進(jìn)行投點(diǎn)繪圖（圖3）。

由圖3可知，龍一段TOC在2.22%～3.64%之間，平均值2.75%，主要分布范圍在2.5%～3.5%，總有機(jī)碳含量較高，生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)較好，為頁(yè)巖氣富集奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

由圖中趨勢(shì)線可知，隨地層深度加深數(shù)值增大，TOC與深度表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)。頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙主要來(lái)自干酪根生烴后產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)孔，結(jié)合龍一段的TOC分布特征，可以認(rèn)為龍馬溪組頁(yè)巖越靠近底部孔隙越發(fā)育，與上文分析的物性特征認(rèn)識(shí)一致。

2.2 ?地球物理特征

脆性礦物平均含量>50%，證實(shí)了頁(yè)巖具有可壓裂性，但是通過(guò)研究頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石力學(xué)特征，可以確定儲(chǔ)層的可壓裂性和壓裂難度。一般選取泊松比（）和楊氏模量（）這兩個(gè)參數(shù)表征儲(chǔ)層巖石物理，反映頁(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂性^[17]。泊松比反映頁(yè)巖在壓力下破裂能力，楊氏模量反映壓裂后保持裂縫的能力。若楊氏模量越大，泊松比越小，對(duì)應(yīng)的脆性指數(shù)就越大，地層也就越容易壓裂^[18]。本次研究采用地震數(shù)據(jù)利用公式（1）直接計(jì)算泊松比，利用公式（2）直接計(jì)算楊氏模量。

?????????????（1）

????????（2）

式中：V_p?—縱波速度;

V_s?—橫波速度;

ρ?—地層密度。

由B井測(cè)井曲線可知，南川地區(qū)龍馬溪組地層密度在2.52 ～2.75 g/cm³之間，平均值2.67 g/cm³，縱波速度在3 811～5 658 m/s，平均值4 707 m/s，橫波速度在2 177 ～3 296 m/s之間，平均值2 684 m/s。計(jì)算可得龍馬溪組泊松比在0.17～0.32之間，平均值0.24，楊氏模量在31.9～70.7 GPa之間，平均值49.0 GPa。將計(jì)算結(jié)果投點(diǎn)在坐標(biāo)軸上得圖4。

由圖可知泊松比（圖4a）在3 950～4 250 m隨深度加深而上升，4 250～4 400 m隨深度加深而降低，泊松比隨深度變化以4 250 m深度為拐點(diǎn)表現(xiàn)出兩段性，表明龍一段與龍二、龍三段巖性組合存在差異;楊氏模量（圖4b）數(shù)值隨深度加深，表現(xiàn)為減少-增加-減少的趨勢(shì)。根據(jù)國(guó)外頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)^[2]，楊氏模量數(shù)值>30 GPa，泊松比<0.30即可認(rèn)為頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性較大。而研究區(qū)頁(yè)巖楊氏模量>30 GPa，泊松比<0.25，屬于易于壓裂的高楊氏模量低泊松比儲(chǔ)層，開(kāi)發(fā)時(shí)經(jīng)過(guò)儲(chǔ)層改造可以實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

3 ?結(jié)論

（1）頁(yè)巖礦物中，黏土、石英、長(zhǎng)石（包括鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石）是主要礦物，總含量89%，黏土礦物平均含量42%，脆性礦物平均含量58%，計(jì)算所得的脆性系數(shù)較高，指示儲(chǔ)層可以被壓裂改造。

（2）頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙多樣，但由于有機(jī)質(zhì)孔提供了主要的儲(chǔ)集空間，所以龍馬溪組靠近底部物性更好。龍馬溪組孔隙度0.23%～3.86%，平均孔隙度1.06%，需要通過(guò)水平壓裂改造來(lái)提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)采。

參考文獻(xiàn)：

[1]張小龍，張同偉，李艷芳，等.頁(yè)巖氣勘探和開(kāi)發(fā)進(jìn)展綜述[J].巖性油氣藏，2013，25（02）：116-122.

[2]陳小東，淮銀超，丁黎，等. 加拿大西加盆地泥盆系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 39（3）： 483-491.

[3]喬輝，賈愛(ài)林，賈成業(yè)，等. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層關(guān)鍵參數(shù)評(píng)價(jià)及進(jìn)展[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)， 2018， 37（2）： 157-164.

[4]王秀平，牟傳龍，肖朝暉，等.湖北鶴峰地區(qū)二疊系大隆組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及評(píng)價(jià)[J].海相油氣地質(zhì)，2019，24（1）：51-62.

[5]孟召平，劉翠麗，紀(jì)懿明.煤層氣/頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)條件及其對(duì)比分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2013， 38（5）： 728?736.

[6]琚宜文，卜紅玲，王國(guó)昌. 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要特征及其對(duì)儲(chǔ)層改造的影響[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展， 2014， 29（4）：492?506.

[7]程涌，陳國(guó)棟，尹瓊，等.中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及北美頁(yè)巖氣的啟示[J].昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2017，33（01）：16-24.

[8]于冬冬，湯良杰，余一欣，等.川西和川東北地區(qū)差異構(gòu)造演化及其對(duì)陸相層系天然氣成藏的影響[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2016，30（05）：1085-1095.

[9]金曉波.南川區(qū)塊斷層精細(xì)解釋研究[J].油氣藏評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)，2018，8（04）：6-10.

[10]潘濤， 朱雷， 王亞?wèn)|， 等. 川南地區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)特征及其對(duì)頁(yè)巖氣富集規(guī)律影響研究[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2016， 22 （02）： 344-349.

[11]周寶剛，李賢慶，張吉振，等.川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)特征及其對(duì)頁(yè)巖含氣量的影響[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2014，26（10）：27-32.

[12]李笑天. 頁(yè)巖氣富集條件分析及有利目標(biāo)預(yù)測(cè)[D]. 長(zhǎng)江大學(xué)， 2018.

[13]解德錄. 川東南五峰組下段頁(yè)巖儲(chǔ)層觸及空間特征發(fā)育關(guān)鍵控因——以綦江和涪陵為例[D]. 徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2016.

[14]Fertle H. Total organic carbon content determined from well logs[R]. SPE Formation Evaluation?15612， 1988： 407-419.

[15]Passcey Q R， Moretti F U， Stroud J D. A practical model for organic richness from porosity and resistivity logs[J]. AAPU Bulletion，1990，74（12）：1777-1794.

[16]Schmoker J W， Hester T C. Organic carbon in Bakken Format-ion， United States portion of Williston Basin[J]. AAPU Bulletion， 1983， 67（12）： 2165-2174.

[17]李澈， 李雨澈， 郭佳. 地球物理技術(shù)在頁(yè)巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 當(dāng)代化工， 2014， 43（05）：732-735.

[18]汪忠浩， 陳嗣， 李厚霖， 等. 泥頁(yè)巖氣層脆性特征的地球物理測(cè)井研究方法[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào)， 2016， 13（01）：7-13.