劉雨林，范凌霄，房大志，彭勇民，曾聯(lián)波，馮動軍

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院有限公司，北京 102206；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室，北京 102206；4.中國石化重慶頁巖氣有限公司，重慶 408400）

頁巖具有一套獨立的生儲系統(tǒng)，其“源”“儲”兼?zhèn)涞奶攸c[1-2]使其在埋藏?zé)嵫莼^程中即可作為源巖，同時又可以作為儲層。

頁巖作為源巖，其有機質(zhì)類型、總有機碳含量（TOC）、熱演化程度（Ro）決定著頁巖的生烴潛力[3]，也是資源評價的重要指標(biāo)[4-6]，其中浮游藻類（Ⅰ類有機質(zhì)）和底棲藻類（Ⅱ1類有機質(zhì)）在高成熟—過成熟階段生氣能力最強[7]。頁巖同時作為儲集體，其礦物組分、孔隙度、孔隙類型、孔徑分布、比表面積等微觀特征是影響儲集性能的重要參數(shù)[8-10]。頁巖中的各類有機質(zhì)、礦物顆粒以及各類孔隙在成巖演化過程中，通過不同的排列方式、空間配置，形成了不同的儲集空間類型，也導(dǎo)致了微觀結(jié)構(gòu)在縱、橫向上的非均質(zhì)性[11-12]，同時使得水平井靶窗以及井軌跡的設(shè)計更加嚴(yán)苛[13-14]?？傮w而言，TOC（源）與孔隙度（儲）分別決定了頁巖的生烴潛力和儲集性能，是頁巖氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)[15]，同時也影響著水平井產(chǎn)量高低。

上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組是中國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)的重點層系[16]，其中南川區(qū)塊處于復(fù)雜構(gòu)造帶，單井產(chǎn)量差異明顯，頁巖氣井高低產(chǎn)的原因有待探討。采用源—儲分類評價新方法，在川東海相頁巖水平井中開展源—儲分類評價，從而解剖單井的高低產(chǎn)原因。

1 地質(zhì)背景與勘探開發(fā)現(xiàn)狀

川東地區(qū)構(gòu)造上屬于川東高陡構(gòu)造帶，東西緊靠華鎣山、齊岳山，北接大巴山，其內(nèi)發(fā)育北東向隔檔式平行背斜。研究區(qū)南川區(qū)塊位于川東高陡構(gòu)造帶萬縣復(fù)向斜，是川東南—湘鄂西“槽—擋”過渡區(qū)，構(gòu)造上主要包括平橋背斜、東勝背斜以及陽春溝向斜（圖1）。受印支期、燕山—喜山期等構(gòu)造運動影響，研究區(qū)主要發(fā)育龍濟橋斷層、袁家溝斷層、平橋西斷層、平橋東斷層等北東向斷層[17]，西部斷層斷面平緩，以逆沖滑脫為主，東面斷層斷面較陡，以沖斷為主。

圖1 南川地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure of Nanchuan Block

從沉積環(huán)境來看，晚奧陶世—早志留世時期，四川盆地及其周緣“東南西三面環(huán)山”，南川區(qū)塊遠離陸架坡折帶，處于深水陸棚沉積。具體表現(xiàn)為五峰組下部為海侵體系域，主要沉積一套5～10 m的炭質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖，上部逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶惑w系域[18]，沉積一套幾十厘米的淺水陸棚淺灰色介殼灰?guī)r；到早志留世時期，冰川消融導(dǎo)致海平面持續(xù)上升，研究區(qū)再次進入海侵體系域階段，龍馬溪組底部沉積一套深水陸棚炭質(zhì)頁巖，向上水體變淺，巖性以淺灰色泥頁巖為主，發(fā)育粉砂質(zhì)條帶。

南川區(qū)塊以五峰組—龍馬溪組底部為主要開發(fā)層系，使平橋—東勝南斜坡JY10 井、SY1 井相繼突破，其中平橋南背斜完成了6.5×108m3產(chǎn)能建設(shè)。五峰組—龍馬溪組底部巖性以硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖為主，具有石英與黏土含量高、TOC與熱演化程度高[19]、含氣量好等特點。平橋南背斜JY10-10 井1—3 小層石英含量平均49.3 %，黏土礦物含量平均30.7%，TOC平均2.83%，Ro值平均3.04%，孔隙度平均3.6 %，含氣量平均5.21 cm3/g，日產(chǎn)氣量約為3×104m3；JY194-3 井1—3 小層石英含量平均56.2 %，黏土礦物含量平均26.4 %，TOC平均達4.09 %，孔隙度平均3.8%，含氣量平均4.60 cm3/g，日產(chǎn)氣量約6×104m3。

2 頁巖源—儲分類方法

2.1 源—儲耦合機理與方法定義

頁巖的“源”“儲”并非孤立存在，一方面，有機質(zhì)的結(jié)構(gòu)、成熟度，礦物組分的不同影響孔隙的發(fā)育以及結(jié)構(gòu)特征[9,20]；另一方面，顆粒骨架間的各類孔隙是有機質(zhì)保存的有效場所，有機質(zhì)產(chǎn)生的天然氣以吸附或游離態(tài)的形式賦存在納米孔內(nèi)[21-22]。有機質(zhì)孔比表面積大，有機質(zhì)越發(fā)育的地方有機質(zhì)孔往往越發(fā)育，孔隙越連通，越有利于頁巖氣的富集，是相互作用最強的一類源—儲體系；無機質(zhì)孔主要包括晶間孔以及粒內(nèi)溶蝕孔隙，與有機質(zhì)（源）直接或間接接觸，例如草莓狀黃鐵礦，其微晶之間的孔隙可被有機質(zhì)充填而發(fā)育有機質(zhì)孔，未被充填的粒間孔也是頁巖氣賦存的重要場所；黏土礦物塑性強，在剛性礦物或內(nèi)部超壓環(huán)境的支撐下形成狹縫狀的黏土礦物間孔，內(nèi)部充填有機質(zhì)，可為吸附氣或游離氣提供賦存場所[23]；微裂縫在頁巖中有較大的儲集空間，常常被有機質(zhì)充填。微裂縫是頁巖中的優(yōu)勢滲濾通道[24]，同時也溝通孤立孔隙并形成孔—縫網(wǎng)絡(luò)，在源—儲體系起到疏通頁巖氣的作用。綜上，頁巖有機質(zhì)與儲集空間緊密相連，互相依存，使二者之間形成復(fù)雜的源—儲耦合關(guān)系。

將有機質(zhì)含量（TOC）與孔隙度分別作為生烴能力和儲集性能的核心指標(biāo)，并依照國內(nèi)對頁巖儲層以及頁巖氣資源的評價指標(biāo)，將源—儲配置類別分為富碳高孔、中碳中孔、低碳低孔等12 類（表1），對頁巖儲層源—儲相互關(guān)系進行半定量評價。

表1 頁巖源—儲配置類型Table 1 Source-reservoir configuration types of shale

將源—儲耦合系數(shù)定義為頁巖儲層中有機質(zhì)與孔隙度相互影響的大小[25]，公式定義為：

式中：K為源—儲耦合系數(shù)；ωTOC為有機質(zhì)含量，%；φ為孔隙度，%。

頁巖儲層中有機質(zhì)與儲集空間的耦合關(guān)系多變，在縱向和橫向相非均質(zhì)都非常強，較好的有機質(zhì)豐度并不代表有較高的孔隙度來賦存頁巖氣，“源”和“儲”兩者缺一不可。源—儲分類評價方法正是利用這一點，定量的表征源和儲之間相互耦合的強弱，突顯出頁巖氣富集條件較優(yōu)的有利層段。

2.2 源—儲分類評價標(biāo)準(zhǔn)制定

研究區(qū)南川區(qū)塊處于四川盆地邊緣，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜、地層壓力系數(shù)較低、源—儲耦合機制復(fù)雜。目的層位為五峰組—龍馬溪組下段（1—3 號小層）有機質(zhì)豐富，TOC介于0.4%～7.7%，平均3.9%，孔隙度介于2.17%～5.65%，平均3.47%，整體屬于高碳中孔的源—儲配置類別。

頁巖總含氣量可作為頁巖氣富集程度的重要標(biāo)準(zhǔn)[26]。源—儲耦合系數(shù)與總含氣量之間有著密切的相關(guān)性，耦合系數(shù)越大，頁巖氣富集條件優(yōu)。因此，可以利用耦合系數(shù)和總含氣量之間的相關(guān)性制定儲層分類評價標(biāo)準(zhǔn)。以研究區(qū)不同井位的總含氣量數(shù)據(jù)、TOC以及孔隙度數(shù)據(jù)制作散點圖（圖2），根據(jù)主力產(chǎn)層、次要產(chǎn)層與非產(chǎn)層的優(yōu)勢分布區(qū)來確定Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類儲層的分界線。根據(jù)圖2可以看出，南川區(qū)塊主力產(chǎn)層（1—3號小層）散點優(yōu)勢分布區(qū)大致以總含氣量4 m3/t為界，次要產(chǎn)層與非產(chǎn)層的散點優(yōu)勢分布區(qū)以總含氣量2 m3/t為界，其分別所對應(yīng)的源—儲耦合系數(shù)分級界線為15.0、7.5。也就是說耦合系數(shù)大于15.0 的頁巖儲層，其含氣量是最高的，頁巖氣富集條件是最優(yōu)良的。綜上所述，以源—儲耦合系數(shù)（≥15.0、15.0～7.5、＜7.5）為界，劃分出研究區(qū)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類儲層。

圖2 南川區(qū)塊源儲耦合系數(shù)與總含氣量關(guān)系Fig.2 Relation between source-reservoir coupling coefficient and total gas content in Nanchuan Block

3 典型井實例分析

3.1 高產(chǎn)井JY-AHF源儲配置分析

南川區(qū)塊JY-AHF 井五峰組—龍馬溪組Ⅰ段1—5 號小層TOC介于0.82%～6.67%，平均2.98%，孔隙度介于3.31%～4.55%，平均3.75%。其中1 號和3 號小層分為富碳高孔、高碳高孔源—儲類型，4 號小層次之，屬于中碳中孔源—儲類型（圖3）。由源—儲耦合公式計算表明，JY-AHF 井直井段五峰組—龍馬溪組底部的源儲耦合系數(shù)明顯高于上部，也就是說下部頁巖層段，特別是2 697.8～2 685.9 m層段是源儲耦合最為有利的層位。按照研究區(qū)源—儲分類的判別標(biāo)準(zhǔn)，1—3號小層主要為Ⅰ、Ⅱ類源儲配置層段，2 號小層附近夾有厚度幾十厘米的Ⅲ類源—儲層段。4—5 號小層源—儲指標(biāo)逐漸變差，主要以Ⅲ類源儲配置層為主。

圖3 南川區(qū)塊JY-AHF直井段源儲耦合評價Fig.3 Evaluation of source-reservoir coupling of vertical section in Well-JY-AHF in Nanchuan Block

JY-AHF井水平段長1 538 m，于2017年1月12日進行壓裂返排，加液量36 904.05 m3，加砂量1 348.6 m3，12 mm 油嘴試氣產(chǎn)量為32×104m3/d，返排率2.36 %。該井靶窗位于1—3號小層內(nèi)，AB靶間水平段穿行在1—3號小層內(nèi)部（圖4），測井TOC平均3.9%，源—儲耦合較好。根據(jù)源—儲耦合系數(shù)的計算，AB段的源—儲耦合系數(shù)介于0.04～40.2，平均值23，Ⅰ類源—儲配置層占到96.7 %，僅在3 308 m 有長度為20.6 m 的Ⅲ類源儲配置層段。綜合而言，JY-AHF 井1-3 號小層屬于高碳中孔源儲耦合類型，靶窗位于Ⅰ—Ⅱ類源儲配置層段，整個水平井段主要穿行于Ⅰ類源儲配置層段中，頁巖氣富集條件較好，這也是壓裂試氣產(chǎn)量較高的原因。

圖4 南川區(qū)塊JY-AHF水平井段源儲耦合評價Fig.4 Evaluation of source-reservoir coupling of horizontal section in Well-JY-AHF in Nanchuan Block

3.2 中產(chǎn)井JY-BHF井源儲配置分析

JY-BHF 井水平段長1 500 m，水平段在1—3 號中穿行，鉆遇率為100 %（圖5）。1—3 號小層高鉆遇率和測試產(chǎn)量并不匹配，12 mm 油嘴測試產(chǎn)量16×104m3/d左右，加液量41 156.4 m3，加砂量1 430.4 m3，返排率2.34%。偏低的測試產(chǎn)量一方面反映了儲層中頁巖氣富集的復(fù)雜性，另一方面也說明并不能簡單的依據(jù)主力產(chǎn)層鉆遇率來解釋頁巖氣高低產(chǎn)的原因。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組一段平均孔隙度3.32 %，平均滲透率0.047 8×10-3μm2，孔隙度高、滲透率較低，使得頁巖氣就地保存而沒有經(jīng)過較長的運移?？紤]到頁巖儲層源—儲耦合的復(fù)雜性，采用“源—儲分類”方法表征儲層TOC和孔隙度之間的耦合強度，突出顯示頁巖氣富集條件最優(yōu)的層段。根據(jù)表2 以及圖6 可以發(fā)現(xiàn)，JY-BHF 井主力產(chǎn)層鉆遇率高，源—儲配置評價Ⅰ類儲層占79.1%，Ⅱ類占比4.4%，Ⅲ類占比16.5%，Ⅲ類源—儲配置層段以夾層的形式頻繁出現(xiàn)在水平段中，相較于JY-AHF 井而言，源—儲耦合關(guān)系相對較弱，壓裂試氣產(chǎn)量受到了Ⅲ類源—儲層段的影響而降低。綜上所述，雖然五峰組—龍馬溪組底部（1—3號小層）深水陸棚炭質(zhì)頁巖有機質(zhì)碳含量整體較高，但從源—儲配置評價來看，Ⅰ類源—儲層的占比小，Ⅲ類源—儲夾層過多是試氣產(chǎn)量偏低的原因。

圖5 南川區(qū)塊JY-BHF水平井源儲耦合評價Fig.5 Evaluation of source-reservoir coupling of horizontal section in Well-JY-BHF in Nanchuan Block

3.3 源—儲耦合系數(shù)與試氣產(chǎn)量相關(guān)性

頁巖氣試氣產(chǎn)量影響因素較多，涵蓋地質(zhì)因素和工程因素，選取區(qū)內(nèi)開采工藝類似的水平井，從源—儲耦合地質(zhì)角度分析試氣產(chǎn)量波動較大的原因。選井的水平井距介于390～450 m、水平段長1 400～1 538 m、壓裂18～20 段、加砂量1 072.7～1 485.1 m3、加液量34 155.5～42 099.9 m3、返排率介于2.34%～7.38%。根據(jù)源—儲分類評價來看，研究區(qū)開采工藝相似的8 口水平井鉆遇Ⅰ類儲層占比介于79.10%～96.96%（表2），其12 mm 油嘴壓裂試氣產(chǎn)量為（15～32）×104m3/d?？傮w來看，研究區(qū)鉆遇Ⅰ類儲層的占比越大，壓裂試氣產(chǎn)量越高，兩者之間呈明顯的正相關(guān)性（圖6a）；而1-3 號小層鉆遇率基本保持在90%以上，1—3 號小層鉆遇率與壓裂試氣產(chǎn)量之間無明顯相關(guān)性。

表2 南川區(qū)塊源儲配置評價Ⅰ及Ⅱ類占比Table 2 Proportion of type Ⅰand type Ⅱsource and reserve allocation evaluation in Nanchuan Block

研究區(qū)南川區(qū)塊五峰組頂部埋深介于2 700～4 000 m，優(yōu)質(zhì)儲層（1—3 號小層）鉆遇率普遍大于90%，從研究區(qū)開采工藝相似的水平井1—3 號小層鉆遇率和壓裂試氣散點圖來看，優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率即使達到100%，其壓裂試氣產(chǎn)量也會在（14～31）×104m3/d波動（圖6b），表明鉆遇率與壓裂試氣產(chǎn)量并不成匹配關(guān)系。利用源—儲分類方法評價出的Ⅰ類儲層占比越高，其壓裂試氣產(chǎn)量越高，綜合而言，在壓裂試氣產(chǎn)量的分析上，雙變量的源—儲分類方法優(yōu)于優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率法。

圖6 Ⅰ類儲層占比、1—3小層鉆遇率與壓裂試氣產(chǎn)量相關(guān)性Fig.6 Correlation between the proportion of type Ⅰreservoir,layer 1 to layer 3 drilling encounter rate and fracturing gas production

4 結(jié)論

1）頁巖儲層中“源”“儲”互相耦合，共同制約著頁巖氣的富集。川東地區(qū)南川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組底部源—儲配置最優(yōu)。以JY-AHF 直井段為例，1—3 號小層源—儲配置分別為富碳高孔、高碳高孔源—儲配置類型，4號小層次之，屬于高碳中孔源—儲配置類型。

2）JY-AHF井、JY-BHF井水平段Ⅰ類源—儲配置層段分別占比96.96%、79.10%，前者試氣產(chǎn)量高、后者試氣產(chǎn)量相對偏低，Ⅰ類源—儲配置層段占比與各自的壓裂試氣產(chǎn)量相匹配。再根據(jù)研究區(qū)開采工藝類似的8口水平井源—儲分類評價，證實此方法在解釋分析壓裂試氣產(chǎn)量的實用性。

3）通過對研究區(qū)部分水平井五峰組—龍馬溪組頁巖源—儲耦合系數(shù)計算發(fā)現(xiàn)：Ⅰ類儲層的占比越大，頁巖源—儲耦合越佳，壓裂試氣產(chǎn)量越高。綜合表明雙變量的“源—儲分類”法在評價頁巖氣井的高、低產(chǎn)方面要優(yōu)于優(yōu)質(zhì)頁巖鉆遇率法。