鄧長生，張 毅，謝小飛，米偉偉，徐 敏，馬 強

（陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西西安 710065）

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及現(xiàn)代社會對能源需求的日益增加，作為常規(guī)油氣類型的重要補充和接替，頁巖氣具有重要的戰(zhàn)略地位。自然資源部油氣中心最新發(fā)布的結(jié)果顯示，我國頁巖氣資源量約為134.42×1012m3，可采資源量為25.08×1012m3。其中，陸相頁巖氣資源量為35.26×1012m3，占總資源量的26.23%。延長石油集團在鄂爾多斯盆地成功壓裂柳評177 井等一批頁巖氣井并獲頁巖氣流，進一步證實了鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣的資源潛力。延長石油集團于2008 年開始進行頁巖氣調(diào)研工作，2009 年開始開展野外露頭觀察和老井資料復查，分析鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣成藏的可能性，2010 年開始頁巖氣成藏條件研究與評價，開展頁巖氣形成條件和鉆完井關鍵技術探索，提出“陸相沉積盆地具備頁巖氣形成的基礎地質(zhì)條件”，探索資源評價方法并完成資源評價。目前，延長石油集團優(yōu)選出云巖-延川和直羅-下寺灣兩個有利目標區(qū)，開展頁巖氣勘探開發(fā)和綜合利用現(xiàn)場實施工作，分析鄂爾多斯盆地延長油氣區(qū)陸相頁巖含氣性對于確定陸相頁巖氣成藏條件、建立成藏模式以及揭示頁巖氣的富集規(guī)律具有重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地又名陜甘寧盆地，是發(fā)育在華北克拉通之上的一個疊合盆地。盆地面積約25.00×104km2，地理位置在東經(jīng)106°20′～110°30′，北緯35°～40°30′。根據(jù)盆地現(xiàn)今構造形態(tài)、基底性質(zhì)及構造特征，可將鄂爾多斯盆地劃分六個一級構造單元：伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、陜北斜坡、天環(huán)拗陷及西緣沖斷構造帶，延長油氣區(qū)構造位置處于陜北斜坡的東南部，整體構造形態(tài)為西低東高。鄂爾多斯盆地延長油氣區(qū)陸相頁巖氣主要目的層為中生界三疊系延長組長7 段和長9 段。中生代是鄂爾多斯盆地重要的成油地質(zhì)時代，特別是晚三疊世，較快的地殼增生率、缺氧的還原環(huán)境和基底斷裂的活化均為油氣生成、運移與富集創(chuàng)造了極好的地球動力學背景。延長組是在中三疊世秦嶺海槽最終關閉之后，盆地坳陷持續(xù)發(fā)展和穩(wěn)定沉降過程中沉積的一套以河流-湖泊相為特征的陸源碎屑巖系，其沉積過程經(jīng)歷了湖盆發(fā)育初期的平原河流和三角洲環(huán)境—中期的湖泊環(huán)境—晚期的三角洲和泛濫平原環(huán)境三個階段。延長組是富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育層位，地層厚度約300 m，與下伏中三疊統(tǒng)紙坊組呈平行不整合接觸，與上覆侏羅系延安組或富縣組呈平行不整合接觸，在盆地邊緣可見侏羅系角度不整合覆于延長組不同層段地層之上。

2 頁巖含氣性定性分析

2.1 氣測資料定性分析含氣性的可行性

氣測錄井在油氣勘探過程中起著重要的、不可替代的作用，是天然氣勘探中判斷巖層含氣性的常用方法[1-6]，氣測錄井資料能定量地反映出泥頁巖中游離氣和吸附氣的總量，是定量評價單位體積內(nèi)泥頁巖含氣性的理想指標[7]。氣測全烴是判斷巖層中是否含氣的有力證據(jù)，在鄂爾多斯盆地上古生界的煤層和頁巖中，氣測全烴值較高的地區(qū)存在天然氣富集的潛力，反之，則不利于天然氣的富集[8]。利用氣測錄井獲取的氣測全烴值可以實現(xiàn)對泥頁巖含氣性縱向連續(xù)性的整體定性評價。

選取延長油氣區(qū)YC14 井進行含氣性定性分析（圖1），長7 段泥頁巖氣測全烴值隨著深度有增加的趨勢，表明含氣性隨著深度的增加有變好的趨勢，長7 段底部的含氣性較好。從圖1 可以看出，YC14井氣測全烴值較異常的層段為1 370～1 420 m，平均全烴值為5.500%，厚度可達50 m，顯示出較好的含氣性特征。對此段的地化分析測試表明，總有機碳含量（TOC）為2.0%～12.0%，平均為5.0%，鏡煤反射率（Ro）平均為1.0%，有機質(zhì)類型以Ⅱ1為主，顯示出較好的地化特征；現(xiàn)場解吸測試數(shù)據(jù)表明，總含氣量為2.10～5.30 m3/t，平均為4.20 m3/t，顯示出較好的含氣性特征。該層段氣測異常與地化含氣性分析測試結(jié)果的一致性，可以看出氣測資料定性判斷泥頁巖含氣性特征具有較強的可行性。通過對延長油氣區(qū)YC17，YC26 及YC30 等井兩個含氣層段（長7 段、長9 段）的老井復查，發(fā)現(xiàn)氣測異常評價結(jié)果與實驗測得含氣量結(jié)果呈正相關關系，再一次證實該評價方法具有較強的可行性。

2.2 長7 段頁巖含氣性定性分析

選取延長油氣區(qū)兩個方向進行含氣性定性分析，東西向：YC1—YC26—YC31—X57 井方向，南北向：YC36—YC3—YC34—YC26—YC39—YC13—YC14井方向，表1、表2 所顯示的氣測結(jié)果定性地評價了這兩個方向上長7 段頁巖的含氣性。表1 氣測解釋成果表明，YC1 井和YY5 井均存在多段的含氣層段，X57 井無明顯氣測異常和含氣層段。因此認為：平面上，長7 段頁巖含氣性有自東向西變差的趨勢；縱向上，長7 段的含氣層段主要集中在長72亞段底部和長73亞段。從表2 氣測解釋成果表明，平面上，長7 段頁巖南北向均顯示多段的含氣層段，且厚度較大，含氣性差別不大，與YC13，YC14 井的現(xiàn)場解吸結(jié)果揭示的含氣量一致；縱向上，長7 段的含氣層段主要集中在長72亞段底部以及長73亞段。

3 頁巖含氣性定量分析

圖1 YC14 井延長組頁巖樣品全烴值隨深度變化關系

表1 延長油氣區(qū)延長組東西向氣測解釋

表2 延長油氣區(qū)延長組南北向氣測解釋

3.1 現(xiàn)場解吸方法

現(xiàn)場解吸方法是定量判斷泥頁巖含氣性的一種重要手段[9]。其基本操作流程如下（圖2）：利用鉆井取心工具從地層中鉆取巖心并且提鉆到地面，將巖心密封在解吸罐中，利用解吸儀測定解吸氣量，利用球磨儀測定殘余氣量，利用解吸數(shù)據(jù)計算損失含氣量。將解吸氣量、殘余氣量和損失氣量相加獲取頁巖總氣量。

3.2 解吸氣量的定量分析

本次研究主要對延長油氣區(qū)的4 口井進行現(xiàn)場解吸，分別為YC13、YC14、FY2 和YC4 井。解吸氣測定所需的材料和工具如下：硅膠管（耐高溫、長度合適、管徑與罐頂?shù)目谄ヅ洌?，鹽，水槽，量筒（50，100，250 mL），集氣瓶，漏斗。采用的計數(shù)方式如下：在目的層水浴溫度下，2 min 間隔測定5次，5 min 間隔測定10 次，10 min 間隔測定6 次，之后可以延長間隔時間，如15，30，60，120，240 min，累計測定使得連續(xù)60 min 的解吸氣量接近0時，升高水浴溫度到95 ℃繼續(xù)進行解吸計數(shù)，按照10 min 間隔進行計數(shù)，直到連續(xù)60 min 解吸氣量接近0 時，停止解吸。

3.3 損失氣量的定量分析

現(xiàn)場解吸過程中，損失氣量是誤差的主要因素，準確求取損失氣量也是頁巖含氣量測定的難點[10]。國內(nèi)外目前恢復損失氣量的方法主要有USBM 法、史密斯-威廉斯方法、曲線擬合法[11]。通過對比這些方法的優(yōu)劣分析，同時借鑒煤層氣現(xiàn)場解吸中求取損失氣量的方法，根據(jù)現(xiàn)場解吸的實際情況，確定一個比較準確的損失氣量的計算方法。

圖2 解吸法測量頁巖含氣量流程

3.3.1 損失氣量的確定方法

本次研究確定損失氣量的恢復方法是采用USBM 法，估算頁巖損失氣量基于以下假設：巖樣為圓柱形模型，擴散過程中溫度、擴散速率恒定，擴散開始時表面濃度為零，氣體濃度從顆粒中心擴散到表面的變化是瞬時的[12-13]。USBM 法確定的損失時間與取心時使用的鉆井液類型有關，當使用清水或泥漿時，損失時間為提鉆時間的一半加上在地面巖心裝入解吸罐之前的處理時間；當使用空氣或泡沫鉆井時，損失時間為從鉆遇巖心到巖心裝入解吸罐之間的時間，而上面損失時間的確定是基于儲層埋藏深度都比較淺，并且泥漿密度為1.2 g/cm3時，由大量的研究統(tǒng)計得出的儲層壓力與埋深的關系得出的近似關系。但是對于頁巖儲層，其埋藏深度較深，而且鉆進時泥漿的密度與1.2 g/cm3差距較大，如果再考慮到孔深一半巖心開始解吸，并將提鉆時間的一半作為損失時間造成的誤差就會越來越大。因此，本次研究重新分析和確定了損失時間，對USBM 法中提鉆過程中的損失時間進行修正，提出了改進的USBM 法來恢復損失氣量。

3.3.2 損失時間的確定

從巖層氣體解吸機理分析，完成取心工序鉆具尚未提升之前，取樣管內(nèi)巖心氣體受孔內(nèi)泥漿壓力作用而保持其原始狀態(tài)，巖心提升至巖層氣體壓力與泥漿壓力達到平衡時的孔深時，仍保持了原始的氣體壓力及含量，甲烷氣體在泥漿中的溶解量極小，可以忽略不計。隨著鉆具繼續(xù)提升，巖心所受的泥漿壓力與巖層氣體壓力差值逐漸增大，為吸附態(tài)氣體向游離態(tài)轉(zhuǎn)化解吸創(chuàng)造了有利條件。由于鉆具基本上為勻速提升，故巖心所受的泥漿壓力亦可認為勻速遞減，當巖心提鉆至巖心氣體壓力（地層壓力）與泥漿壓力相等時，巖心氣體才開始解吸，這個點稱之為壓力平衡點，為了確定巖層中氣體的散失時間，應該首先確定這個平衡點H0（圖3）。

計算提鉆過程氣體損失時間的方法：首先確定平衡點H0，假設提鉆速度是勻速的，在平衡點時，泥漿壓力（P泥漿）與地層氣體壓力（P氣體）相等，氣體開始散失，有P泥漿=P氣體，P氣體由本區(qū)的壓力系數(shù)所決定，所以：

式中：ρ水為水的密度，kg/m3；ρ泥為泥漿密度， kg/m3；K 為壓力系數(shù)，無量綱；g 為重力加速度，m/s2；h提為巖心原始位置距離地面的深度，m；為h失巖心開始解吸位置距離地面的深度，m。

考慮到提鉆速度是勻速的，可得：

圖3 提鉆過程中氣體散失示意圖

式中：t失為損失時間，min；t提為提鉆時間，min 。

從而確定提鉆到地面的過程中氣體的損失時間：

公式（3）即為本次研究提出的損失時間的修正公式，應用此公式對USBM 法進行了改進，USBM 法用公式表達即如公式（4）所示。

式中：Q 為解吸氣量，mL；QL（取絕對值）為損失氣量，mL；K 為解吸速率即直線段斜率；θ 為實測解吸時間，min；t 為損失時間即公式（3）中的t失，min。

如圖4，在提鉆過程中，氣體解吸量（損失量）與提鉆過程中的暴露時間成線性關系（A-B 段）；巖心提至地面后，所受外界壓力（大氣壓）恒定且最小，在裝罐前及裝罐后解吸初期，氣體解吸速度最大且解吸量仍隨解吸時間線性增加（B-D 段）；隨解吸時間的延長，罐內(nèi)氣體壓力逐漸降低，單位時間內(nèi)的氣體解吸量也隨之非線性減少，直至和大氣壓相等，氣體解吸停止（D-E 段）。

圖4 解吸氣量與損失時間關系

3.4 殘余氣量的定量分析

殘余氣是指無法通過現(xiàn)場解吸方式獲取，殘余在頁巖中的天然氣[12]。目前殘余氣的測試方法主要是球磨粉碎法，測試流程如下：①對將要進行球磨的頁巖樣品進行稱重；②將樣品放入密封的球磨罐中進行球磨實驗，使得頁巖樣品粉碎到0.246 4 mm（60 目）以下，以確保頁巖中的殘余氣全部解吸出來；③觀察壓力的變化，直到壓力不再增加時，停止球磨實驗；④記錄球磨實驗前后球磨罐中的壓力和溫度；⑤計算殘余氣的含量。殘余氣的測定主要基于理想氣體狀態(tài)方程，利用粉碎前后氣體溫度和壓力的變化來計算頁巖中的殘余氣量，根據(jù)計算的殘余氣量和測定頁巖樣品的質(zhì)量，最終可以獲得殘余氣量。

3.5 總含氣量的定量分析

現(xiàn)場解吸總含氣量為上述解吸氣量、損失氣量和殘余氣量之和。本次研究對延長油氣區(qū)的4 口頁巖氣井（YC13，YC14，F(xiàn)Y2 和YC4 井）進行的分析測試，最終獲取總含氣量。從YC13 井4 個解吸樣品的總含氣量測試結(jié)果來看（表3），YC13 井長7段頁巖總含氣量為3.20～4.14 m3/t，平均為3.80 m3/t；從YC14 井10 個解吸的總含氣量測試結(jié)果來看（表3），YC14 井長7 段頁巖總含氣量為2.10～5.30 m3/t，平均為4.20 m3/t；從FY2 井15 個解吸樣品的總含氣量測試結(jié)果來看（表4），F(xiàn)Y2 井長7 段頁巖總含氣量為1.92～4.71 m3/t，平均為3.00 m3/t。

YC4 井采用的是長7 段全井段取心的方式，解吸樣品在長7 段均勻分布。從YC4 井37 個解吸樣品的總含氣量測試來看（圖5），長7 段頁巖總含氣量為1.20～5.00 m3/t，平均為2.90 m3/t，總含氣量隨著深度具有明顯增加的趨勢，這與氣測資料定性分析的結(jié)果一致。

圖5 YC4 井長7 段頁巖含氣量分析綜合柱狀圖

從延長油氣區(qū)4 口典型井的現(xiàn)場解吸實驗數(shù)據(jù)分析，延長組頁巖整體含氣量不高，含氣豐度低，要形成較大的產(chǎn)能規(guī)模比較困難，這是與中國石化涪陵頁巖氣井產(chǎn)量差異大的根本原因。因此，需要借助國內(nèi)外先進的開發(fā)技術，如叢式水平井、大規(guī)模體積壓裂、超臨界CO2壓裂等先進的技術手段對鄂爾多斯盆地延長油氣區(qū)陸相頁巖氣進行開發(fā)，同時，繼續(xù)不斷的深化陸相頁巖氣形成地質(zhì)理論研究，才有可能在該區(qū)陸相頁巖氣產(chǎn)能規(guī)模上取得突破。

表3 YC13，YC14 井延長組長73亞段解吸樣品總含氣量分析

表4 FY2 井延長組長72亞段解吸樣品總含氣量分析

4 結(jié)論

（1）通過氣測錄井資料對延長油氣區(qū)長7 段陸相頁巖東西和南北兩個方向進行了含氣性定性分析。分析結(jié)果表明，平面上，頁巖含氣性有自東向西變差的趨勢，而在南北方向含氣性差別不大；縱向上，含氣層段主要集中在長72亞段底部和長73亞段，且含氣性隨著深度的增加有變好的趨勢。

（2）重新分析和確定頁巖現(xiàn)場解吸實驗中的損失時間，對USBM 法中提鉆過程中的損失時間進行修正，提出用改進的USBM 法來恢復損失氣量。

（3）通過YC13，YC14，F(xiàn)Y2 和YC4 井的現(xiàn)場解吸實驗，定量刻畫了延長油氣區(qū)長7 段頁巖含氣量，總含氣量為1.87～5.23 m3/t，平均含氣量為3.51 m3/t，其中，解吸氣含量為0.28～2.14 m3/t，損失氣含量為0.49～4.34 m3/t，殘余氣含量為0.17～0.61 m3/t。延長組頁巖整體含氣量不高、含氣豐度低，總含氣量隨著深度具有明顯增加的趨勢，與定性分析結(jié)果一致。