姜生玲，周慶華，蔣禮宏，姬安召，楊日麗，朱秀蘭，李彥舉

(1.隴東學(xué)院 能源工程學(xué)院， 甘肅 慶陽 745000；2.中國華電集團(tuán)清潔能源有限公司 勘探開發(fā)事業(yè)部，北京 100160)

0 引 言

我國南方地區(qū)下古生界海相頁巖氣勘探取得重大突破，主要集中在上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組[1]，與五峰-龍馬溪組頁巖相比，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖具有分布面積廣、厚度大、有機(jī)碳含量高、熱演化程度高的特點(diǎn)[2-4]，是中上揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣勘探的重點(diǎn)層系之一。

由于湘西北地區(qū)所在的湘鄂西褶沖帶構(gòu)造復(fù)雜、后期改造強(qiáng)烈[3]，前人對(duì)湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣的研究主要表現(xiàn)在聚集條件[5-7]、含氣性[8-9]、主控因素[10-12]、資源潛力[13-14]及勘探前景[15-17]等多方面，涉及和頁巖可壓性評(píng)價(jià)相關(guān)的脆性礦物含量、儲(chǔ)集物性、巖石力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)是在重點(diǎn)探討頁巖氣聚集條件、主控因素及資源潛力過程中進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。通過大量文獻(xiàn)調(diào)研，針對(duì)湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖可壓性評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少，陳江湛等[18]通過可壓裂性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型的建立，以野外露頭實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果為基礎(chǔ)，探討了湘西北地區(qū)牛蹄塘組中下部黑色硅質(zhì)頁巖和碳質(zhì)頁巖可壓裂性；吳晶晶等[19]通過對(duì)湘西北地區(qū)牛蹄塘組野外露頭樣品的測試分析，對(duì)頁巖儲(chǔ)層可壓裂性的影響因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)；以實(shí)鉆參數(shù)井為依托，巖心描述、巖心樣品測試數(shù)據(jù)結(jié)合測井計(jì)算綜合評(píng)價(jià)湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖可壓裂性的研究鮮少涉及。

因此，本文以位于桑植-石門復(fù)向斜西南緣叭巖向斜的HY1井為例，通過密集取心采樣、實(shí)驗(yàn)測試分析、測井綜合解釋等多種方法，在對(duì)HY1井牛塘組頁巖儲(chǔ)層有機(jī)地化特征、儲(chǔ)集物性、裂縫發(fā)育特征、脆性礦物組成、巖石力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，綜合評(píng)價(jià)了牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層可壓裂性，并對(duì)湘西北地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖后期的壓裂提出了改造建議。

1 地質(zhì)背景

湘鄂西褶沖帶大地構(gòu)造位置位于揚(yáng)子板塊中部，西與四川盆地毗鄰，北靠秦嶺-大別造山帶，東接江南-雪峰推覆隆起帶(圖1)，是由北東-北東東向的齊岳山和慈利-保靖深大斷裂聯(lián)合控制的向西北凸出的弧形構(gòu)造帶[20]。根據(jù)褶皺組合樣式可進(jìn)一步劃分為桑植-石門復(fù)向斜、宜都-鶴峰復(fù)背斜帶、花果坪復(fù)向斜帶、中央復(fù)背斜帶、利川復(fù)向斜帶等次級(jí)構(gòu)造單元[12,21]。

圖1 湘鄂西區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐諿12,21]及HY1井位置圖

HY1井位于桑植-石門復(fù)向斜西南緣的叭巖向斜，完鉆井深2 645 m，自下而上鉆遇上震旦統(tǒng)燈影組,下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、杷榔組、清虛洞組，中寒武統(tǒng)敖溪組,上寒武統(tǒng)婁山關(guān)組和下奧陶統(tǒng)桐梓組。其中，在深度2 320～2 595 m鉆遇下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，厚275 m，巖性主要以灰黑色泥巖為主，多見黃鐵礦，中上部夾薄層灰-深灰色泥質(zhì)粉砂巖，中下部夾薄層深灰色泥質(zhì)灰?guī)r。

2 儲(chǔ)層地質(zhì)特征

2.1 有機(jī)地球化學(xué)特征

HY1井牛蹄塘組94塊樣品測試結(jié)果表明，有機(jī)碳含量介于0.25%～13.3%之間，平均2.91%，其中，42.6%的樣品有機(jī)碳含量大于2.0%，有機(jī)碳含量大于2.0%的富有機(jī)質(zhì)頁巖主要分布在牛蹄塘組下部2 530～2 595 m深度范圍內(nèi)，厚約65 m(圖2)。牛蹄塘組熱演化程度較高，2塊有效樣品測試結(jié)果顯示鏡質(zhì)體反射率Ro分別為3.02%和3.33%，表明牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)熱演化處于高-過成熟生干氣階段。HY1井14塊巖心樣品干酪根顯微組分鑒定結(jié)果顯示，牛蹄塘組干酪根以殼質(zhì)組為主，含量為68%～88%，平均77.1%；其次為腐泥組，含量介于8%～26%之間，平均17.4%；含少量鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，干酪根類型指數(shù)TI介于40.75～62.5之間(圖2)，綜合判斷干酪根類型為II1型。綜合分析認(rèn)為HY1井牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖具備生氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 HY1井牛蹄塘組巖性及有機(jī)地化指標(biāo)綜合柱狀圖

2.2 儲(chǔ)集物性

HY1井牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)主要以泥粒孔為主，部分樣品見晶間縫，偶見順層裂隙、層間裂隙和鑄?？?圖3)，孔徑分布在3.831～4.602 nm之間，平均4.009 nm，主要為納米級(jí)孔隙。

圖3 HY1井牛蹄塘組頁巖孔縫發(fā)育分布圖

33塊樣品采用脈沖衰減法測試孔隙度和滲透率，結(jié)果顯示孔隙度介于0.008 4%～1.944 9%之間(圖2)，平均值0.427%，大于1.0%的樣品僅占12.1%。滲透率介于0.159 1×10-6～4.011 8×10-6μm2之間，平均0.812 2×10-6μm2，總體上牛蹄塘組屬于特低孔特低滲儲(chǔ)層類型。頁巖在擁有一定規(guī)模儲(chǔ)集空間和孔隙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同時(shí)還需具備較高滲透能力[22-24]，否則，特低孔特低滲的頁巖儲(chǔ)層必須通過壓裂改造才有可能獲得頁巖氣產(chǎn)能[25]。

2.3 裂縫發(fā)育特征

頁巖氣藏產(chǎn)量高低直接與泥頁巖內(nèi)部天然裂縫、微裂縫發(fā)育程度密切相關(guān)，裂縫、微裂縫的存在提高了水力壓裂效應(yīng)的有效性，從而極大改善了泥頁巖的滲流能力，為頁巖氣從基巖孔隙進(jìn)入井孔提供了運(yùn)移通道[22,24,26-27]。

HY1井主要發(fā)育構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫兩種類型，其中構(gòu)造縫主要表現(xiàn)為高角度/垂直充填縫、高角度/垂直未充填縫、低角度/水平充填縫、低角度/水平未充填縫4種類型，HY1井牛蹄塘組主要以高角度/垂直縫略占優(yōu)(表1)，占到總統(tǒng)計(jì)裂縫數(shù)的52%，且多為充填縫，深灰色泥灰?guī)r，顏色均勻，巖性硬且脆，見寬0.5～4 mm，被方解石充填為垂直中縫(圖4(a))，灰黑色泥頁巖中可見近垂直的開啟縫(圖4(b))。低角度/水平縫數(shù)量略少，充填縫和開啟縫數(shù)量相當(dāng)(表1)，深灰色泥灰?guī)r-灰質(zhì)泥巖見方解石充填水平縫(圖4(e))；含少量炭質(zhì)的灰黑色頁巖見方解石條帶并發(fā)育水平開啟縫(圖4(f))?？傮w上，泥巖、灰質(zhì)泥巖與泥質(zhì)灰?guī)r互層的灰?guī)r段和夾黑灰色硅質(zhì)巖的硅質(zhì)頁巖段構(gòu)造縫最為發(fā)育，對(duì)應(yīng)的井段分別為2 498.5～2 516.7 m和2 595.0～2 599.2 m，裂縫密度分別為2.36和8.23，而灰黑色泥頁巖段構(gòu)造縫相對(duì)不發(fā)育，裂縫密度相對(duì)較低(表1)。

表1 HY1井牛蹄塘組裂縫發(fā)育情況分類統(tǒng)計(jì)

非構(gòu)造縫主要以頁理縫為主，主要發(fā)育于灰黑色含炭泥頁巖中，巖性硬且脆，可塑性較差，大量發(fā)育頁理縫(圖4(g))，一般開度小于0.1 mm的微裂縫，肉眼難以分辨，放大可見，用力即開，較為破碎。此外，還發(fā)育少量縫合線型裂縫，主要發(fā)育于深灰色泥質(zhì)灰?guī)r中，常見垂直縫合線(圖5(i))和水平縫合線(圖5(j))兩種類型。

圖4 HY1井牛蹄塘組裂縫發(fā)育特征

3 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

3.1 礦物脆性指數(shù)

脆性礦物對(duì)頁巖后期壓裂改造能否產(chǎn)生大量裂縫系統(tǒng)，從而形成頁巖氣聚集的有效儲(chǔ)層具有重要影響[28-29]。脆性礦物含量越高，巖石骨架對(duì)孔隙支撐作用越強(qiáng)，越容易在外力作用下形成裂縫[24]。結(jié)合頁巖氣勘探實(shí)踐，脆性礦物含量宜大于40%[30]。X衍射全巖礦物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HY1井牛蹄塘組頁巖礦物組分主要以脆性礦物為主(圖5)，石英+長石含量介于21%～87%之間，平均60.3%；其次為黏土礦物，含量介于4.0%～35.0%之間，平均20.1%；碳酸鹽巖類礦物含量(方解石+白云石)為4.0%～71.0%，平均18.0%；此外含有少量黃鐵礦和硬石膏。

圖5 HY1井牛蹄塘組巖石礦物組分分布圖

對(duì)于礦物組成復(fù)雜的頁巖，脆性礦物含量還可以通過礦物脆性指數(shù)來表示，不同學(xué)者對(duì)有效脆性礦物的定義不同，張曼婷等[31]將石英、長石、碳酸鹽礦物、黃鐵礦一同定義為脆性礦物；何翔等[32]將石英和黏土礦物作為脆性礦物和非脆性礦物的代表性礦物組分，統(tǒng)計(jì)研究其他礦物組分與石英和黏土礦物的從屬關(guān)系，再確定有效脆性礦物；賴富強(qiáng)等[33]在分析研究貴州岑鞏地區(qū)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層脆性指數(shù)時(shí)，將石英、長石和黃鐵礦作為有效脆性礦物綜合考慮。考慮到石英彈性模量高、泊松比低和韌性低的特點(diǎn)，是頁巖脆性評(píng)價(jià)的重要礦物組成，論文按照J(rèn)arvie[34]定義的礦物脆性指數(shù)公式來計(jì)算：

(1)

式中： BRIT為礦物脆性指數(shù)， 無量綱；V石英、V碳酸鹽巖、V黏土為石英、碳酸鹽巖礦物、黏土礦物的質(zhì)量百分比，無量綱。

通過計(jì)算，HY1井牛蹄塘組頁巖礦物脆性指數(shù)介于17.7%～86.4%之間，平均55.9%，75%的樣品礦物脆性指數(shù)大于50%，部分樣品在70%以上，最高可達(dá)86.4%。通過聲波時(shí)差和密度測井計(jì)算所得脆性指數(shù)主要分布范圍為58%～86%，和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本相當(dāng)，均揭示脆性礦物指數(shù)高，可壓性較好。

3.2 巖石力學(xué)特征

巖石力學(xué)參數(shù)為地層壓裂設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐，是壓裂選層的重要依據(jù)。巖石楊氏模量越高、泊松比越小，脆性越好，一般認(rèn)為楊氏模量大于20 GPa、泊松比小于0.25的巖石是脆性比較理想的[35-37]。利用聲波時(shí)差和密度測井曲線可計(jì)算動(dòng)態(tài)泊松比、動(dòng)態(tài)楊氏模量、內(nèi)摩擦系數(shù)，并將動(dòng)態(tài)楊氏模量和泊松比轉(zhuǎn)換成靜態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)斯倫貝謝解釋軟件處理結(jié)果，牛蹄塘組靜態(tài)楊氏模量主要分布范圍為37～62 GPa(圖6(a))，靜態(tài)泊松比主要分布范圍為0.14～0.26(圖6(b))，單軸抗壓強(qiáng)度主要分布范圍為61～115 MPa(圖6(c))，內(nèi)摩擦系數(shù)主要分布在0.82～0.95之間(圖6(d))。表明牛蹄塘組泥頁巖脆性好，巖石強(qiáng)度較大。

圖6 HY1井牛蹄塘組巖石力學(xué)參數(shù)分布直方圖

3.3 水平兩相應(yīng)力差

水平兩向應(yīng)力差值越小，越有利于體積改造[38-40]。水平兩相地應(yīng)力差異系數(shù)定量表示：

(2)

式中，Kh為水平兩相地應(yīng)力差異系數(shù)；σy為水平最大主應(yīng)力，MPa；σx為水平最小主應(yīng)力，MPa。

牛蹄塘組水平兩向應(yīng)力差值較大，差異系數(shù)在0.39～0.53之間(表2)，均大于0.25，壓裂易形成雙翼縫為主體的人工裂縫，且裂縫方向和最大主應(yīng)力方向基本一致，對(duì)于在空間上形成有效擴(kuò)展的復(fù)雜裂縫是不利的。

表2 HY1井頁巖儲(chǔ)層兩相水平兩向應(yīng)力差統(tǒng)計(jì)表

4 儲(chǔ)層可壓性綜合評(píng)價(jià)

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖在湘鄂西褶沖帶乃至整個(gè)南方地區(qū)大面積分布，厚度大，通過對(duì)HY1井牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層有機(jī)地球化學(xué)特征、儲(chǔ)集物性、裂縫發(fā)育情況、巖石礦物脆性指數(shù)、巖石力學(xué)參數(shù)以及水平兩相應(yīng)力差系統(tǒng)分析，認(rèn)為：

首先，牛蹄塘組泥頁巖有機(jī)碳含量高，富有機(jī)質(zhì)頁巖位于牛蹄塘組下部，厚約65 m，屬于特低孔特低滲頁巖儲(chǔ)層類型，牛蹄塘組灰質(zhì)和硅質(zhì)巖夾層段構(gòu)造縫較發(fā)育，開啟縫一定程度上能提高局部滲透率，充填縫在壓裂時(shí)亦可以開啟活力；但位于牛蹄塘組下部的富有機(jī)質(zhì)頁巖段構(gòu)造縫密度較低，頁理縫發(fā)育，大量頁理縫的存在增加裂縫復(fù)雜度的同時(shí)，一方面會(huì)增加濾失，減少裂縫延伸；另一方面裂縫在層理間可能出現(xiàn)滑移，導(dǎo)致錯(cuò)位，從而引起錯(cuò)位和滑移的裂縫寬度極小且有大角度轉(zhuǎn)向，支撐劑不能有效通過，從而限制裂縫高度和長度的延伸，對(duì)壓裂縫產(chǎn)生不利影響。

其次，牛蹄塘組泥頁巖礦物組成主要以脆性礦物為主，石英含量最大值可達(dá)83%，75%的樣品礦物脆性指數(shù)大于50%，同時(shí)，平均脆性礦物指數(shù)為55.9%，均揭示脆性礦物指數(shù)高，可壓性較好。

最后，牛蹄塘組靜態(tài)楊氏模量為37～62 GPa，靜態(tài)泊松比介于0.14～0.26之間，牛蹄塘組泥頁巖脆性好，巖石強(qiáng)度較大，有利于壓裂。同時(shí)，由于兩向水平應(yīng)力差大，易形成雙翼縫。所以被壓裂改造的裂縫形態(tài)是以雙翼裂縫為主體，局部和天然裂縫溝通的形態(tài)模式。因此，壓裂設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮頁理縫可能造成的漏失和對(duì)裂縫高度及長度延伸的影響。

5 結(jié) 論

(1)HY1井牛蹄塘組主要以灰黑色泥巖為主，厚275 m，有機(jī)質(zhì)類型為II1型，熱演化程度高，處于高-過成熟生干氣階段，有機(jī)碳含量較高，平均2.91%，有機(jī)碳含量大于2.0%的富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育于牛蹄塘組下部，厚約65 m。

(2)HY1井牛蹄塘組灰質(zhì)和硅質(zhì)巖夾層段構(gòu)造縫發(fā)育，裂縫密度分別為2.36和8.23，富有機(jī)質(zhì)頁巖段構(gòu)造縫密度較低，頁理縫發(fā)育，大量頁理縫的存在增加裂縫復(fù)雜度的同時(shí)，對(duì)壓裂縫產(chǎn)生一定不利影響。

(3)HY1井牛蹄塘組礦物脆性指數(shù)平均為55.9%、靜態(tài)楊氏模量大于20 GPa、靜態(tài)泊松比介于0.14～0.26之間，脆性好，巖石強(qiáng)度大，有利于壓裂，但兩相水平壓力差較大，易形成雙翼縫。