崔 哲，楊 威，王乾右，左如斯，蔡劍鋒，崔政吉力，徐 亮，李 蘭，顧小敏

1中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室；2中國石油大學（北京）非常規(guī)油氣科學技術研究院

0 前言

四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁巖是頁巖氣勘探開發(fā)的重要層位［1-3］。頁巖氣的富集，不僅與良好的生烴母質和儲集空間有關，而且與后期良好的保存條件也密不可分［4-8］。頁巖氣頂?shù)装迨侵概c頁巖含氣層直接接觸，對頁巖氣具有封存作用的地層［9］，頂?shù)装宓姆忾]性對頁巖氣的后期保存極為重要。例如：高產(chǎn)井焦頁1井頁巖氣層的頂?shù)装搴穸却蟆r性致密，因此頁巖氣不易垂向散失［10-12］；而渝頁1井經(jīng)歷了后期構造改造，使得目的層出露，因而缺乏頂板對頁巖氣逸散的遮擋，導致其頁巖含氣性遠不如焦頁1井［13-15］。

頂?shù)装宓男再|及頂?shù)装迮c頁巖氣層的接觸關系決定了其對頁巖氣的保存能力。頂?shù)装宓姆忾]能力一直是油氣勘探開發(fā)重點關注的問題［16］?？档陆龋?7］通過將頂?shù)装搴暧^特征、地球物理信息、微觀特征相結合的方法進行了綜合研究；金之鈞等［18-19］開展了膏鹽巖蓋層封閉性研究；張軍濤等［20］開展了蓋層水-巖相互作用方面的研究。構造抬升與斷裂作用會對頂?shù)装?、頁巖自封閉性造成破壞，導致頁巖氣散失［21］。郭旭升等［22］研究認為：頂?shù)装鍘r性致密，而且受構造抬升剝蝕作用的影響弱，則對頁巖氣富集有利。黃海平等［23］研究認為頂?shù)装宓姆忾]能力主要取決于其巖礦組成、孔隙結構類型、埋藏深度、厚度和成巖作用程度等。胡東風等［3］、Powley等［24］研究認為頂?shù)装宓男再|決定了巖石物性和封閉性。頂?shù)装宓男再|對頁巖氣的保存非常關鍵：封閉性好的頂?shù)装迮c含氣頁巖層段組成流體封存箱，可以有效減緩頁巖氣的垂向散失；封閉性差的頂?shù)装鍖α黧w封存能力弱，氣體易于向外散失，致使頁巖氣藏遭到破壞。

頂?shù)装宓姆忾]類型根據(jù)封閉機理可劃分為物性封閉、超壓封閉和烴濃度封閉。其中物性封閉是最基礎的，也是最關鍵的［25］。物性封閉是由于蓋層與儲層的喉道半徑差異造成的毛細管壓力不同而形成的封閉能力［26］。關于四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁巖頂?shù)装宓姆忾]性，前人多通過野外觀察從巖性、厚度及區(qū)域分布等方面進行分析，或者通過室內(nèi)模擬實驗對頂?shù)装宓陌l(fā)育環(huán)境、成分組成及成巖演化開展研究［3,23］，但很少有人通過微觀物性實驗分析的手段，來研究頂?shù)装宓奈⒂^封閉性及其對頁巖氣差異富集的影響。

目前評價蓋層封閉能力的方法主要有高壓壓汞實驗、氣體擴散測試、三軸應力實驗和突破壓力測試等［27］。本文采用高壓壓汞實驗、排替壓力測試實驗和突破壓力測試實驗等微觀分析技術手段，獲得頂?shù)装逦⒂^封閉參數(shù)（孔隙度、滲透率、排替壓力和突破壓力等），進而分析四川盆地及周緣地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頂?shù)装宓奈⒂^封閉能力，并結合頁巖氣含氣性分析，明確頂?shù)装宸忾]性對頁巖氣差異富集的影響。

1 地質背景

四川盆地位于上揚子板塊的西北部，盆地和周緣的龍門山、米倉山—大巴山、大婁山以及大涼山造山帶形成了一個有機聯(lián)系的復合盆山體系，是長期發(fā)育于特提斯構造域內(nèi)的古生代—中生代海陸相復合的含油氣盆地［28-29］。受加里東晚期構造抬升的影響，研究區(qū)下古生界剝蝕嚴重，樂山—龍女寺古隆起核部的奧陶系已被剝蝕殆盡。晚奧陶世開始在盆地中西部形成川中古隆起。早志留世造山作用強烈，盆地局限發(fā)育陸棚環(huán)境，在川中和川南大范圍缺失志留系［30］。

研究區(qū)位于四川盆地及周緣地區(qū)（圖1），從川東北沿盆地東緣至川南長寧地區(qū)。本次研究所選擇的6條野外露頭剖面所在的區(qū)域構造位置有如下特點：白鹿剖面、田壩剖面位于渝東北地區(qū)，該區(qū)西與米倉山?jīng)_斷帶相連，東南與川東高陡褶皺帶相鄰，地質構造極為復雜［31］。彭水鹿角剖面位于四川盆地東緣地區(qū)，該區(qū)受彭水—建始斷層、大千斷層、茶園斷層和胡家園斷層的影響，構造走向呈北東—近南北展布［32］。綦江觀音橋剖面位于重慶市綦江縣境內(nèi)，華鎣山斷裂、齊岳山斷裂以及大婁山褶皺帶的共同影響，使該剖面現(xiàn)今位于南北向構造帶和北東向構造帶的交會地區(qū)［33］。習水騎龍村剖面位于黔西北地區(qū)，該區(qū)的構造介于華鎣山斷裂以南，南川—遵義大斷裂以西，興文—古藺隱伏大斷裂以東，受構造運動影響強烈［34］。長寧雙河剖面位于四川盆地南緣川南構造區(qū)，緊鄰大婁山褶皺帶，長寧地區(qū)構造總體為北西—南東向，呈北翼及東翼陡、南翼及西翼緩的不對稱單箱型長軸背斜［35］。

研究區(qū)缺失泥盆系和石炭系，而上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖均為連續(xù)沉積，頂板為龍馬溪組上段低T OC粉砂質頁巖或新灘組石灰?guī)r，底板為中—上奧陶統(tǒng)寶塔組、臨湘組和澗草溝組的致密石灰?guī)r。

2 樣品及分析方法

2.1 樣品

本次研究的樣品為采自6條野外剖面五峰組—龍馬溪組頂?shù)装宓?組巖心樣品（剖面位置見圖1）。采樣時盡量保證樣品的新鮮程度，以避免野外風化作用對實驗測試結果的影響。其中，頂板樣品巖性主要為粉砂質頁巖和鈣質頁巖，底板樣品巖性主要為石灰?guī)r。樣品在野外采集時均標示頂、底面。

2.2 分析方法

2.2.1 樣品處理

對于致密的石灰?guī)r，通過數(shù)控鋼絲切割臺將樣品垂直于層面切割成直徑2.5 cm、長5 cm的標準柱塞樣；而對于風化較嚴重的頂板頁巖，采用線割法將樣品加工成標準柱塞樣后，再用普通的膠水涂抹表面進行加固處理，準備進行下一步實驗。

2.2.2 頁巖孔隙特征表征

頁巖孔隙特征的測定采用高壓壓汞法，儀器采用美國corelab CMS300和美國AutoPore IV 9505壓汞儀，實驗方法和流程依據(jù)《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》（GB/T21650-1—2008）［36-37］。

2.2.3 排替壓力測試

排替壓力測定也采用高壓壓汞法，儀器也采用美國corelab CMS300和美國AutoPore IV 9505壓汞儀，實驗方法和流程依據(jù)《巖心常規(guī)分析方法》（SY/T5336-2006）［38］、《巖石毛管壓力曲線的測定》（SY/T5346-2005）［39-40］。樣品測試前在105℃下烘干至恒重，壓汞實驗包括加壓進汞、減壓退汞過程，最高實驗壓力為200 MPa［36］。

2.2.4 突破壓力測試

突破壓力測試實驗方法采用分步式（SBS），依據(jù)《巖石氣體突破壓力測定方法》（SY/T 5748—2013）［27,41］完成。具體實驗步驟為：①巖心在恒溫干燥箱105℃下烘干8 h，測試長度、直徑、密度等參數(shù)。②抽真空8 h至系統(tǒng)真空度達到6.67 Pa，并使樣品飽和煤油。③將飽和煤油的頁巖，放入高壓容器中，加壓飽和至20 MPa，飽和時間為24 h。④將巖心放入夾持器中，緩慢加圍壓至上覆壓力達到46 MPa（模擬地層深度約為2 000 m）。⑤恒壓20 MPa驅替，待滲流穩(wěn)定后記錄穩(wěn)定流速，測試巖心中煤油的滲透率。⑥采用直接驅替法測量巖心的突破壓力。分步加載甲烷氣體壓力，壓力起始值為5 MPa，每個壓力保持2 h；從被測巖心一端直接驅替飽和巖心中已有的煤油，直至氣體從巖心另一端逸出時，記錄該氣體壓力即是被測試件的突破壓力。

3 結果與討論

3.1 頂?shù)装搴暧^發(fā)育特征

綦江觀音橋剖面龍馬溪組頂板為龍馬溪組上段低T O C的鈣質頁巖和粉砂質頁巖，地層傾角為0°～20°，厚度可達30 m（圖2a）；盆地內(nèi)部長寧等地區(qū)頂板多為泥頁巖，厚度可達150 m，大面積連續(xù)分布；盆地外圍白鹿、田壩等剖面的頂板為粉砂質頁巖，厚度不足100 m。五峰組底板為寶塔組、臨湘組，盆地內(nèi)如長寧地區(qū)普遍發(fā)育，巖性多為泥質灰?guī)r（圖2b），厚度約為30 m；盆地外緣地區(qū)底板巖性多為石灰?guī)r和粉砂質灰?guī)r，并且抬升時間早，裂縫普遍發(fā)育，多被方解石和黃鐵礦脈體充填。

圖2 四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組頂?shù)装灏l(fā)育特征Fig.2 Development characteristics of the roof and floor of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas

頂板及底板均發(fā)育2種類型的裂縫：第1類裂縫為層理縫，與地層相平行，寶塔組石灰?guī)r與龍馬溪組上段均有發(fā)育；第2類為高角度裂縫，延伸較遠，切穿地層，多發(fā)育于龍馬溪組上段灰黑色粉砂質頁巖。根據(jù)野外觀察，裂縫均被方解石脈體或者黃鐵礦充填。通過觀察柱塞樣品（圖2c,2d），得到的結果與野外觀察結果大體一致，部分樣品出現(xiàn)層理縫（圖2c）。而林潼等［27］研究認為，樣品的厚度對排替壓力和突破壓力分析沒有影響，故所形成的層理縫對實驗結果沒有影響。

3.2 頂?shù)装蹇紫栋l(fā)育特征

頂?shù)装宓目缀硖卣魇菦Q定頂?shù)装宸忾]能力的關鍵。對野外露頭目的層位頂?shù)装骞膊闪?組樣品，應用高壓壓汞實驗對其孔隙特征進行表征及定量分析（表1）。結果顯示：頂板孔隙體積為(0.48～2.22)×10-2cm3/g，平均為1.08×10-2cm3/g；孔隙度為1.27%～3.60%，平均為2.45%。底板孔隙體積為(0.09～1.49)×10-2cm3/g，平均為0.73×10-2cm3/g；孔隙度為0.25%～2.79%，平均為1.73%。通過對比發(fā)現(xiàn)，底板的孔隙體積和孔隙度大多小于頂板。

表1 四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頂?shù)装鍓汗瘏?shù)、突破壓力及典型頁巖氣井含氣量表Table 1 Mercury-injection parameters and breakthrough pressure test data of roof and floor and gas content of typical wells of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas

圖3為具有代表性的白鹿剖面（圖3a,3b）和雙河剖面（圖3c,3d）頂板累計進退汞曲線及孔徑分布曲線。2組頂板巖樣進退汞曲線表明：孔隙以半封閉—半連通為主；孔徑分布曲線表明：孔隙均以宏孔為主，且含有一定量的“墨水瓶型”孔隙。雙河地區(qū)孔徑相對更小，對頁巖氣保存也相對更有利。由于頂板樣品為野外采集的龍馬溪組上段低TOC含量的粉砂質頁巖與鈣質頁巖，因此認為部分宏孔的形成，可能與樣品內(nèi)部有部分未被發(fā)現(xiàn)的裂縫有關。

圖4為白鹿剖面和雙河剖面底板累計進退汞曲線及孔徑分布曲線。2組底板巖樣進退汞曲線和頂板樣品差異較大：白鹿地區(qū)孔隙以連通為主，而雙河地區(qū)孔隙以封閉為主；孔徑分布曲線也與頂板孔徑分布曲線有一定的差異，顯示孔隙均以宏孔—介孔為主。白鹿地區(qū)孔徑相比雙河地區(qū)更大，對頁巖氣保存不利。由于底板樣品均為野外采集的寶塔組、臨湘組和澗草溝組的致密石灰?guī)r，質地堅硬且脆，部分宏孔可能為樣品內(nèi)部肉眼觀察不到的裂縫，因此底板孔隙度比頂板更小。

圖3 四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組頂板樣品壓汞孔隙特征Fig.3 Mercury-injection pore characteristics of roof samples of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas

圖4 四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組底板樣品壓汞孔隙特征Fig.4 Mercury-injection pore characteristics of floor samples of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas

3.3 頂?shù)装迮盘鎵毫μ卣?/h3>

排替壓力是指非潤濕相流體開始進入巖樣最大喉道的壓力，也就是非潤濕相流體剛開始進入巖樣的壓力。排替壓力越大，表明頂?shù)装鍢悠纷畲蠛淼涝叫。瑤r樣越致密，對頁巖氣的封閉性能越強，保存條件越好。研究區(qū)頂?shù)装迮盘鎵毫θ绫?所示。雖然各地區(qū)頂?shù)装寰憩F(xiàn)出低孔-低滲的特征，但通過排替壓力可表現(xiàn)出不同頂?shù)装宸忾]能力的差異性。由表1可知：研究區(qū)6條剖面頂板樣品排替壓力分布在11.027～16.677 MPa之間，其中白鹿剖面頂板排替壓力最小，綦江觀音橋剖面頂板排替壓力最大。底板排替壓力表現(xiàn)為長寧地區(qū)最大，其他地區(qū)相差不大，在13.766～13.798 MPa之間，究其原因主要是長寧地區(qū)底板發(fā)育泥質灰?guī)r，相比其他地區(qū)發(fā)育的石灰?guī)r更加致密，裂縫不發(fā)育，這表明長寧地區(qū)頁巖氣的保存條件可能更好。

通過排替壓力與孔滲相關分析（圖5）可以看出，四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組海相頁巖頂?shù)装鍢悠返目紫抖取B透率與排替壓力具有較良好的負相關性，即孔隙度、滲透率越小，則排替壓力越大，表明巖性越致密，頁巖氣垂向封閉性能越強。

圖5 四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組頂?shù)装迮盘鎵毫εc孔滲相關圖Fig.5 Crossplot of displacement pressure and porosity and permeability of roof and floor of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas

3.4 頂?shù)装逋黄茐毫μ卣?/h3>

突破壓力是指巖石中連通孔隙內(nèi)的潤濕相流體被非潤濕相流體驅替時所需施加的最小壓力，在數(shù)值上近似等于多孔介質中連通的最大孔隙的毛細管壓力，是反映流體滲流通過多孔介質固有特性的特征壓力。由于頂?shù)装宓奈镄苑忾]能力主要受孔隙結構控制，而巖性是影響孔隙結構的主要因素，故突破壓力與物性參數(shù)之間存在相關性。巖石的孔隙結構越好，孔隙度和滲透率越大，則巖石的突破壓力越小，物性封閉能力越弱。

對6組頂?shù)装鍢悠返耐黄茐毫M行了測試，結果如表1所示。巫溪白鹿地區(qū)頂板巖性為粉砂質頁巖，突破壓力值相比其他地區(qū)較小，這是由于該樣品的取樣位置距離裂縫發(fā)育部位較近，可能影響了突破壓力值。而不同地區(qū)底板突破壓力雖也有差異，仍處在正常的變化范圍［42］。

根據(jù)鄭德文［42］提出的蓋層評價標準，白鹿地區(qū)頂板突破壓力為5 MPa，頂板封蓋性差；田壩、綦江和習水地區(qū)頂板突破壓力在20～30 MPa，頂板封蓋性較好；彭水鹿角和長寧地區(qū)頂板突破壓力大于30 MPa，頂板封蓋性好。而底板巖性均為石灰?guī)r、粉砂質灰?guī)r和泥質灰?guī)r，相比頂板巖性更加致密，除彭水地區(qū)外，其他地區(qū)底板突破壓力均比頂板大。彭水地區(qū)底板突破壓力小于頂板，可能是因為底板層位更靠近斷裂，才導致此結果。根據(jù)鄭德文［42］提出的標準，研究區(qū)底板均具有良好的封閉性，但是不同地區(qū)還存在一些差異。

研究區(qū)頂板突破壓力與孔滲相關分析（圖6）表明：頂板樣品的突破壓力與孔滲具有良好的負相關性，即頂板孔隙度、滲透率越小，則頂板的突破壓力越大，巖性越致密，頁巖垂向封閉作用越強。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁巖的底板為臨湘組的致密石灰?guī)r和寶塔組連續(xù)沉積的灰色含泥瘤狀灰?guī)r，空間分布相對穩(wěn)定，垂向封閉性均較好。相比之下，底板比頂板具有更強的垂向封閉能力。

3.5 頂?shù)装鍡l件對頁巖氣保存的影響

以典型頁巖氣井的平均含氣量代表地區(qū)含氣量，研究區(qū)內(nèi)不同地區(qū)的含氣量在0.29～4.60 m3/t之間（表1），其中白鹿地區(qū)最低，長寧地區(qū)最高。結合前人對頂板突破壓力的研究成果［7,43-45］,通過含氣量與頂?shù)装宸忾]性關鍵參數(shù)（排替壓力與突破壓力）的相關性分析發(fā)現(xiàn)（圖7）：不同地區(qū)頁巖氣含氣量與頂板排替壓力、突破壓力均有良好的正相關性，與底板排替壓力、突破壓力也具有一定的正相關性（但不明顯）。不同地區(qū)頁巖含氣性差異大，分析認為主要原因在于頁巖氣的散失主要為向上運移逸散，頂板封閉性比底板封閉性更能影響頁巖氣的保存，而研究區(qū)的頂板封閉性存在較大差異。

圖6 四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組頂?shù)装逋黄茐毫εc孔滲相關圖Fig.6 Crossplot of breakthrough pressure and porosity and permeability of roof and floor of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas

圖7 四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組含氣性與頂?shù)装迮盘鎵毫屯黄茐毫ο嚓P圖Fig.7 Crossplot of gas content and displacement pressure and breakthrough pressure of roof and floor of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas

胡東風等［3］、雷子慧等［46］認為頂?shù)装鍘r性越致密，突破壓力越高，封閉性越好，越有利于頁巖氣富集。綜合分析，頂?shù)装宸忾]性的差異最終導致了研究區(qū)頁巖氣富集的差異性。頁巖氣含氣量高的地區(qū)，如長寧、綦江等位于川東南的區(qū)塊，頂?shù)装迮盘鎵毫屯黄茐毫ο鄬^大，表明頂?shù)装鍘r性更致密，垂向封閉性相比其他地區(qū)更好，更有利于頁巖氣的后期保存和頁巖氣成藏。而白鹿、田壩等位于川東北盆地北緣受構造影響強烈的區(qū)塊，頂?shù)装宸忾]性差，頁巖氣垂向散失量較大，不利于頁巖氣的后期保存和富集成藏。

3.6 頂?shù)装宸忾]性評價參數(shù)指標體系

根據(jù)以上研究內(nèi)容，初步建立了四川盆地及周緣地區(qū)下古生界海相頁巖氣3大類、9項參數(shù)的頂?shù)装宸忾]性評價參數(shù)指標體系（表2），主要綜合了頂?shù)装宓膸r性、厚度分布及微觀封閉性，另外含氣性也可以在一定程度上指示頂?shù)装宸忾]性的優(yōu)劣。

表2 四川盆地及周緣地區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣頂?shù)装宸忾]性綜合評價參數(shù)指標體系Table 2 Comprehensive evaluation index system of sealing property of marine shale gas roof and floor of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its surrounding areas

4 結論

（1）上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣層頂?shù)装鍘r性致密，均表現(xiàn)為低孔-低滲特征，而排替壓力和突破壓力在不同的地區(qū)有所不同。頂?shù)装鍢悠返呐盘鎵毫屯黄茐毫c孔滲有良好的負相關性：孔隙度、滲透率越小，頂?shù)装迮盘鎵毫Α⑼黄茐毫υ酱蟆?/p>

（2）通過研究區(qū)含氣性與頂?shù)装迮盘鎵毫屯黄茐毫Φ南嚓P性分析發(fā)現(xiàn)，含氣性與頂板的微觀封閉性有良好的正相關性，與底板微觀封閉性也有一定的正相關性，但不明顯。這表明相對于底板，頂板封閉性能的差異更能影響頁巖氣的富集程度。

（3）以頂?shù)装鍘r性、厚度分布、孔隙度和突破壓力為評價參數(shù)，結合頁巖氣層含氣性特征，建立了四川盆地及周緣地區(qū)下古生界海相頁巖氣頂?shù)装宸忾]性綜合評價指標體系，可依據(jù)其對頂?shù)装宸忾]性做出較為準確和合理的評價。