中國南方海相頁巖超低含水飽和度特征及超壓核心區(qū)選擇指標

劉洪林 王紅巖

1．中國石油勘探開發(fā)科學研究院廊坊分院 2．國家能源頁巖氣研發(fā)（實驗）中心 3．中國石油非常規(guī)油氣重點實驗室

頁巖氣是一種自生自儲的非常規(guī)天然氣資源，美國頁巖氣藏的深度介于76～5 500m，主要深度范圍介于1 500～3 500m，目前開采的頁巖氣藏一般不超過5 000m［1－4］。中國南方古生界頁巖分布范圍廣泛，成熟度高，大部分地區(qū)經(jīng)歷了深埋過程，成熟度較高，同時經(jīng)歷了復雜的構造熱演化歷史，具有“高成熟、強改造”的地質(zhì)背景。根據(jù)其現(xiàn)今賦存的區(qū)域地質(zhì)背景，可以劃分為盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)、盆緣過渡區(qū)和盆外改造區(qū)。盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)的頁巖具有分布連續(xù)、埋藏深度大的特征，該區(qū)地層傾角小、斷裂不發(fā)育、地形簡單；盆緣過渡區(qū)具有分布連續(xù)、埋深變化大、地層傾角局部變化大、斷裂發(fā)育、地形相對復雜的特征；盆外改造區(qū)具有分布不連續(xù)、地層傾角大、斷裂發(fā)育和地形復雜的特征。以上3類地區(qū)的頁巖地層都經(jīng)歷了不同幅度的構造抬升，抬升作用對處于不同構造位置的頁巖的含氣性產(chǎn)生了直接影響，尤其對頁巖的儲集能力和含氣飽和度有著重要的影響。

筆者對中國南方海相下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的成熟—生烴演化進行了深入的剖析，同時利用核磁共振、流體包裹體分析，對該區(qū)頁巖的含氣性進行了理論研究預測。分析認為：中國南方海相頁巖普遍經(jīng)歷高成熟度的演化歷程，而且在喜馬拉雅期普遍經(jīng)歷了一次劇烈的抬升過程，一方面儲層的孔隙度大幅度下降，另一方面造成頁巖氣大量散失，含氣飽和度大幅度降低，只有位于構造穩(wěn)定區(qū)和部分過渡區(qū)才得以保存良好。構造穩(wěn)定區(qū)和部分過渡區(qū)富含天然氣的頁巖由于其含氣飽和度高，地層孔隙壓力大，游離氣量大，頁巖氣形成超壓狀態(tài)，即形成超壓頁巖氣富集區(qū)。筆者認為，這種地區(qū)才是頁巖氣勘探的主要方向，并據(jù)此提出了適合中國南方海相頁巖高成熟、復雜地質(zhì)條件的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)評價指標。

1 中國南方海相頁巖的含水飽和度特征

1．1 中國南方海相頁巖與美國頁巖含水飽和度特征

美國是頁巖氣開發(fā)利用最成功的國家，全美頁巖氣技術可采資源量為24．4×1012m3，投入商業(yè)開發(fā)的主要為海相頁巖，有Barnett、Marcellus、Antrim、Fayetteville、Woodford和 Haynesville頁巖等［5］。2005年以來，隨著以水平井分段壓裂為代表的關鍵技術的突破，促進了美國頁巖氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。據(jù)美國能源信息署預測，2015年美國頁巖氣產(chǎn)量將達到2 600×108～2 800×108m3，約占天然氣總產(chǎn)量的1／3［6－7］。北美地區(qū)凡是商業(yè)化的頁巖，其含水飽和度都很低，平均為15%～35%［8－9］，反之則含氣飽和度較高（圖1）。

圖1 北美頁巖含氣飽和度分布圖

在巖心分析中發(fā)現(xiàn)，中國南方海相頁巖的含水飽和度可以劃分為2類：①一類為含水飽和度超高的，如昭101、YQ1井等，其頁巖的含水飽和度介于60%～95%，這些井一般位于斷裂或構造活動較為強烈的部位；②另一類為含水飽和度超較低的，如威201、寧201井等，其頁巖的含水飽和度介于30%～45%，位于構造穩(wěn)定的部位。蜀南地區(qū)含水飽和度高的井含氣量低（含氣飽和度低），產(chǎn)量低；含水飽和度低的井含氣量高，產(chǎn)量高（含氣飽和度高），相關性非常好（圖2）。

圖2 中國南方海相頁巖含氣飽和度分布圖

1．2 富氣頁巖在儲層條件下的含水飽和度現(xiàn)象

頁巖巖心充分抽真空、浸泡后，利用離心實驗、相對滲透率實驗證明頁巖具有較高的束縛水飽和度值，介于80%～95%，評價達到92%（圖3）。一般富氣頁巖孔隙內(nèi)主要為天然氣，其含水飽和度較低（10%～40%），把富氣頁巖儲層中初始含水飽和度值低于束縛水飽和度值的現(xiàn)象，稱為超低含水飽和度現(xiàn)象（圖4）。

研究發(fā)現(xiàn)，富氣頁巖在儲層條件下含氣飽和度低，貧氣頁巖儲層條件下含水飽和度高。這種現(xiàn)象將對頁巖氣的成藏與開發(fā)產(chǎn)生重要影響，如果含水飽和度高，水將以束縛水形式大量存在，水分子膜降低了吸附能力，影響吸附量；如果含水飽和度較高，孔隙中大量充填水，將大大降低頁巖氣原地儲量；超低含水飽和度現(xiàn)象的出現(xiàn)將直接導致頁巖納米孔隙中的氣體流動呈現(xiàn)滑脫流的流動方式，將有效增加頁巖氣滲流能力。

圖3 中國南方海相頁巖束縛水飽和度分布特征圖

圖4 非穩(wěn)態(tài)法測定的頁巖氣水相對滲透率曲線圖

1．3 超低含水飽和度的成因

對于頁巖儲層中含水飽和度遠遠低于束縛水飽和度值的原因，經(jīng)過分析認為主要由于生烴排水作用和汽化攜液作用所造成。烴原巖在大量生烴期間，干酪根的體積不斷減小，之前由干酪根支撐的那部分有效壓應力向孔隙流體轉(zhuǎn)移，倘若不能及時排除流體就必然將產(chǎn)生異常高壓，壓力突破巖石破裂極限強度產(chǎn)生裂縫，排水過程即開始。熱裂解氣在運移過程中存在較強的攜液能力。隨著埋深的增加地層溫度逐漸增加，熱裂解氣氣化攜液作用愈發(fā)強烈。據(jù)Bennion等研究，在10MPa下，天然氣在40℃條件下攜液能力（85kg／103m3）僅僅是在100℃條件下攜液能力（789 kg／103m3）的1／10［10］。熱裂解氣汽化作用增大了地層水被攜帶到上覆地層的可能性，從而形成了超低含水飽和度現(xiàn)象。

2 頁巖含水飽和度與頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新標準

頁巖氣的勘探需要尋找含氣量高的地區(qū)，其資源豐度高，在同樣的增產(chǎn)改造規(guī)模下，單井最終開采量（EUR）也較高，經(jīng)濟性也好。頁巖含氣量＝吸附氣＋游離氣＋溶解氣，與壓力系數(shù)關系密切［11－12］。由于北美地質(zhì)條件穩(wěn)定，美國頁巖氣研究者認為超壓對于頁巖氣藏不太重要，正常壓力、甚至欠壓都可以實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，因此未將超壓作為一個關鍵指標，但是在中國南方是一個必需的關鍵指標。中國與北美的差異主要體現(xiàn)在地質(zhì)成藏背景的不同，北美頁巖氣產(chǎn)區(qū)主要位于環(huán)加拿大克拉通盆地，較為穩(wěn)定，中國由多個地塊拼接構成，總體構造復雜，頁巖時代較老。成熟度高低和構造運動的強弱差別是最大差別，北美頁巖成熟適中，而中國南方海相成熟度高，造成孔隙度低；中國構造運動相對活躍，斷裂發(fā)育，保存條件相對要差。對于中國高成熟、低孔隙度的頁巖，同樣的含水飽和度需要較大的地層壓力系數(shù)，才能使得地下頁巖達到較高的含氣量，從而形成超壓頁巖氣藏，單井EUR達到經(jīng)濟。因此，中國的頁巖氣有利勘探區(qū)需要超壓地質(zhì)條件。

筆者以昭101井、103等井為例開展了歷史模擬和流體包裹體分析，證實了斷裂對氣藏起強烈破壞這一判斷。昭通除靠近四川盆地的小部分區(qū)域外，多數(shù)鉆井都不成功，含氣量低（0．05～0．50m3／t）。昭通與蜀南相鄰，應該大致經(jīng)歷了相似的演化歷程（圖5），含氣性差別大。昭101井位于芒部背斜，地表斷裂發(fā)育。目的層筇竹寺組因斷裂出現(xiàn)地層重復，頁巖裂隙發(fā)育、方解石充填嚴重，含氣量的現(xiàn)場分析結(jié)果不足0．1 m3／t，評價為極低含氣量，基本全部逸散。開展的昭101井熱演化歷史和含氣量歷史模擬研究表明：昭通地區(qū)J—K末期含氣量最大，如果穩(wěn)定抬升頁巖將出現(xiàn)超壓，含氣量應該至少介于3～5m3／t，但是目前小于0．1m3／t（圖6）。

同時，采集分析了頁巖巖石裂隙中發(fā)育的方解石脈130多塊，60%～70%的樣品中發(fā)現(xiàn)了群體包裹體，多為氣—液包裹體；另外30%～40%樣品未發(fā)現(xiàn)包裹體。綜合熱演化歷史和包裹體均一溫度實驗結(jié)果顯示溫度以90～110℃為主（圖7），分析認為，包裹體為低溫包裹體，推斷其形成時期為喜馬拉雅期，頁巖在喜馬拉雅期構造運動形成了大量的方解石脈捕集到逸散的天然氣并形成包裹體。據(jù)此推斷，頁巖氣藏破壞是因為喜馬拉雅期產(chǎn)生大量斷裂導致包裹體的產(chǎn)生，并且推測整個南方頁巖氣情況基本相似。

圖5 昭101井頁巖沉積埋藏—熱演化歷史圖

圖6 昭101井頁巖不同地質(zhì)時期含氣量歷史模擬結(jié)果圖

圖7 昭101井頁巖中方解石脈中包裹體均一溫度分析結(jié)果圖

由此看來，構造運動形成的斷裂對頁巖氣成藏起破壞作用；而超壓現(xiàn)象說明天然氣沒有逸散，保存條件好，斷裂少，是頁巖氣富集的有利區(qū)帶。因此有必要把超壓條件用于頁巖氣的選區(qū)指標中。據(jù)此可以認為：在盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)，頁巖分布連續(xù)，斷裂稀少，頁巖氣保存條件較好，頁巖儲層普遍具有大面積超壓現(xiàn)象，局部壓力系數(shù)超過2．0；盆緣過渡區(qū)，頁巖分布較為連續(xù)，部分地區(qū)抬升幅度過大、斷裂發(fā)育，頁巖氣散失，只有在構造運動適中的位置頁巖氣得以保存且地層超壓現(xiàn)象明顯，壓力系數(shù)介于1．3～2．0；在盆外改造區(qū)，頁巖分布不連續(xù)，頁巖氣保存條件較差，只在局部頁巖斷裂不發(fā)育的、地層傾角較小的區(qū)域得以保存，超壓范圍非常有限。

3 考慮超壓條件的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新標準

北美地區(qū)頁巖氣地質(zhì)選區(qū)需要考慮埋深、頁巖厚度、TOC含氣量、硅質(zhì)礦物含量，由于美國地質(zhì)條件簡單、成熟度適中，孔隙度相對較低，在地層低壓、欠壓條件下都可以實現(xiàn)商業(yè)性開發(fā)。因此，北美可以不把地層壓力系數(shù)作為指標（正常壓力、欠壓都可以商業(yè)化），但是在中國南方海相頁巖高成熟、斷裂發(fā)育的背景下，必須把地層壓力系數(shù)作為一項關鍵性的重要參數(shù)進行考慮，只有超壓的地區(qū)才有可能實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)。

頁巖氣之所以能夠被經(jīng)濟開發(fā)，從儲層本身性質(zhì)來看，脆性對于頁巖能夠被大規(guī)模體積改造至關重要，但是頁巖的脆性特征在其地質(zhì)演化過程中對頁巖氣的保存是不利的，過脆的頁巖在地質(zhì)構造運動產(chǎn)生的強烈的應力條件下會產(chǎn)生裂縫，導致頁巖氣散失。中國南方海相頁巖大多經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)改造過程，地層的傾角大小在很大程度上指示了其改造的強烈程度。如果頁巖儲層經(jīng)歷了漫長的演化歷史后地層傾角較小且斷裂稀少，基本上說明了其受改造的程度較弱，也就指示了其良好的保存條件。在中國南方海相頁巖成藏“高成熟和強改造”的總體地質(zhì)背景下，這一點尤為重要，尤其在盆外活動區(qū)，地層傾角越小越好，越有利于頁巖氣保存。

因此，提出了考慮地層壓力系數(shù)、頁巖儲層傾角的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新標準，具體指標如下：①頁巖埋深；頁巖有利埋深范圍為1 500～4 500m，該埋深段頁巖氣最富集，利于控制鉆探成本；②頁巖厚度；單層連續(xù)厚度大于30m，利于水平井鉆探、體積改造，并增加單井控制儲量；③TOC，頁巖總有機碳含量大于2%，有機碳含量高，生烴潛力大，含氣量高、孔隙連通性好；④地層壓力系數(shù)，地層壓力系數(shù)大于1．3，地層壓力系數(shù)高表明保存條件好，并利于頁巖氣產(chǎn)出；⑤頁巖儲層傾角，盆內(nèi)穩(wěn)定區(qū)傾角小于25°，盆緣過渡區(qū)傾角小于15°，盆外改造區(qū)傾角小于10°；⑥硅質(zhì)礦物含量，硅質(zhì)含量大于30%，較高的硅質(zhì)含量提高脆性、增強可改造性，易于形成網(wǎng)狀縫。

上述主要指標中，地層壓力系數(shù)、頁巖儲層傾角為考慮超壓條件的頁巖氣地質(zhì)選區(qū)新的指標。

4 結(jié)論

1）中國頁巖的含水性存在2種現(xiàn)象，即低含水飽和度和高含水飽和度現(xiàn)象，富氣頁巖一般含水飽和度較低，貧氣頁巖含水飽和度一般較高。由于納米孔隙發(fā)育，頁巖的束縛水飽和度值一般較高，把地層儲層條件下，頁巖含水飽和度值低于束縛水飽和度值的現(xiàn)象，稱為超低含水飽和度現(xiàn)象。超低含水飽和度存在是超壓頁巖氣存在的基礎，只有超低含水飽和度才能形成超壓頁巖氣核心區(qū)和超壓頁巖氣藏。

2）中國與北美頁巖氣最大的差異在于成熟度的高低和構造運動強弱的差別，在中國南方海相頁巖這種特殊的地質(zhì)條件下，只有超壓地層條件頁巖氣才能富集，超壓核心區(qū)是中國頁巖氣主要的勘探方向，提出把頁巖超壓作為選區(qū)的地質(zhì)指標，從而提出頁巖地質(zhì)評價選區(qū)新的標準。

3）在中國南方海相頁巖“高成熟和強改造”的地質(zhì)背景條件下，孔隙度普遍低于北美主要頁巖，只有超壓核心區(qū)的資源豐度才能形成超壓頁巖氣藏，只有超壓頁巖氣藏，其單井EUR（預計最終可采儲量）較高，才可能實現(xiàn)效益開發(fā)。

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