PS區(qū)塊頁巖裂縫發(fā)育特征及其對儲(chǔ)集能力的影響

郭君宇，王寧

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430100；2.中國石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210011）

PS區(qū)塊頁巖裂縫發(fā)育特征及其對儲(chǔ)集能力的影響

郭君宇1，王寧2

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430100；2.中國石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇南京210011）

通過采用掃描電鏡、成像測井等分析方法分析了PS區(qū)塊微裂縫的發(fā)育對泥頁巖儲(chǔ)集性能的影響。研究結(jié)果表明PS區(qū)塊優(yōu)質(zhì)頁巖段發(fā)育的微裂隙主要有高導(dǎo)縫、誘導(dǎo)縫和高阻縫。高導(dǎo)縫的存在對于頁巖氣含量是把雙刃劍，高導(dǎo)縫發(fā)育有利于提高頁巖氣的儲(chǔ)集空間，增加游離氣含量，但裂縫規(guī)模較大，頁巖氣容易散失；而誘導(dǎo)縫與閉合縫通過后期壓裂改造有助于氣體產(chǎn)出。三種縫的存在說明PS區(qū)塊具有較好的開發(fā)潛力。

龍馬溪組；頁巖氣；裂縫發(fā)育；儲(chǔ)集能力；PS區(qū)塊

頁巖氣復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)及微納米尺度流動(dòng)通道的刻畫給頁巖氣勘探開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)[1-3]。特別是頁巖儲(chǔ)集體裂縫特征的描述是目前制約頁巖氣開發(fā)的瓶頸問題。裂縫是巖石中沒有明顯位移的斷裂，它既是油氣儲(chǔ)集空間，也是滲流通道，國內(nèi)外大量泥巖裂縫油氣藏不斷發(fā)現(xiàn)和北美地區(qū)對天然氣勘探獲得的巨大成功表明：在低孔、低滲富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中可發(fā)育有足夠的天然裂縫或巖石內(nèi)的微裂縫和納米級孔隙、裂縫時(shí)，經(jīng)壓裂改造可獲得高產(chǎn)。因此，對頁巖微裂縫的發(fā)育和分布特征進(jìn)行研究具有重要的意義。

1 裂縫類型

通過對巖心的宏觀描述及薄片、掃描電鏡的微觀分析認(rèn)為，泥頁巖中主要存在構(gòu)造縫（張性縫和剪性縫）、層間頁理縫、層面滑移縫、成巖收縮微裂縫和有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫5種裂縫[4-5]。

1.1 構(gòu)造縫

構(gòu)造縫是指由于局部構(gòu)造作用所形成或與局部構(gòu)造作用相伴而生的裂縫，主要是與斷層和褶曲有關(guān)的裂縫，其方向、分布和形成均與局部構(gòu)造的形成和發(fā)展有關(guān)。構(gòu)造縫是泥頁巖中最常見也是最主要的裂縫類型。根據(jù)力學(xué)性質(zhì)的差別，又分為張性縫、剪性縫兩種。張裂縫常切穿順層縫，起到連通順層裂縫的作用；剪性縫較張裂縫少，其產(chǎn)狀變化也較大，有近垂直層面的菱形共軛剪節(jié)理，也有高角度的剪切裂縫。

1.2 層間頁理縫

層間頁理縫主要為具剝離線理的平行層理紋層面間的孔縫，為沉積作用所形成。一般為強(qiáng)水動(dòng)力條件的產(chǎn)物，由一系列薄層頁巖組成，頁巖間頁理為力學(xué)性質(zhì)薄弱的界面，極易剝離，這種界面即為層間頁理縫，層間頁理縫是泥頁巖中最基本的裂縫類型。

1.3 層面滑移縫

層面滑移縫是指平行于層面且具有明顯滑移痕跡的裂縫，和層間頁理縫相似，也是泥頁巖中基本的裂縫類型之一。泥頁巖層面發(fā)生的這種相對滑動(dòng)主要與巖層在埋藏過程中平行于層面方向伸展率或收縮率的差異有關(guān)。層面結(jié)構(gòu)是泥頁巖最基本的巖石結(jié)構(gòu)，層面也是最薄弱的力學(xué)結(jié)構(gòu)面，無論在拉張盆地還是在擠壓盆地中，層面滑移縫都是泥頁巖中最基本的裂縫類型。層面滑移縫一般存在大量平整、光滑或具有劃痕、階步的面，且在地下不易閉合。

1.4 成巖收縮微裂縫

成巖收縮微裂縫指成巖過程中由于巖石收縮體積減小而形成的與層面近于平行的裂縫，形成這些裂縫的主要原因是干縮作用、脫水作用、礦物相變作用或熱力收縮作用，與構(gòu)造作用無關(guān)。成巖收縮裂縫包括脫水收縮縫和礦物相變縫。

1.5 有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫

結(jié)果表明，將苯、甲苯、環(huán)己烷、甲基環(huán)己烷等組分進(jìn)行單獨(dú)定量分析時(shí)，分別采用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中n-C4架橋定量分析和樣品氣中n-C5架橋定量分析時(shí)，其中甲基環(huán)己烷分析結(jié)果的偏差最大，為0.0012%。

有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫指有機(jī)質(zhì)在演化過程中產(chǎn)生局部異常壓力使巖石破裂而形成的裂縫，有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫在有機(jī)碳含量較高的碳質(zhì)泥頁巖中普遍發(fā)育。這種裂縫一般縫面不規(guī)則，不成組系，多充填有機(jī)質(zhì)，地下泥質(zhì)巖超壓微裂縫帶在垂向上一般集中分布在一定的深度區(qū)間，在橫向上呈區(qū)域性分布。

2 控制裂縫發(fā)育的地質(zhì)因素

控制裂縫形成的因素復(fù)雜，從地質(zhì)角度來看，主要受內(nèi)因和外因2大因素控制。其中，外因主要包括區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造部位、沉積成巖作用和生烴過程產(chǎn)生的高異常地層壓力；內(nèi)因主要包括巖石、巖相和巖石礦物組成特征。在不同的地區(qū)可能有不同的控制因素[6]?？偟膩碚f影響裂縫的主要因素有巖性和礦物成分、構(gòu)造作用、沉積成巖作用等。

3 PS區(qū)塊頁巖微裂縫發(fā)育類型和特征

3.1 區(qū)塊地質(zhì)概況

圖1 PY1井FMI成像測井顯示裂縫發(fā)育Fig.1Fissure development displayed by FMI image logging of well PY1

PS區(qū)塊構(gòu)造位置屬于川東南武陵褶皺帶，頁巖主要發(fā)育在下寒武統(tǒng)水井沱組、上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組。PY1井位于區(qū)塊桑柘坪向斜內(nèi)，主力頁巖位于志留系龍馬溪組，該井在五峰―龍馬溪組鉆遇深水―半深水陸棚相黑色泥頁巖103 m,氣測錄井解釋含氣層94 m，氣測值全烴高達(dá)22.5%，為主要含氣頁巖段。取心顯示頁巖段有機(jī)碳TOC含量2%～4%，平均含氣量0.19～2.46 m3/t，鏡質(zhì)體反射率在1.9%～3.1%，屬于高成熟到過成熟階段。儲(chǔ)層有機(jī)孔隙發(fā)育相對無機(jī)孔隙較少，裂縫發(fā)育以高導(dǎo)縫與高阻縫（閉合縫）為主，脆性礦物含量適中，利于壓裂改造。

3.2 龍馬溪組頁巖微裂縫特征

PY1井FMI成像測井顯示本井裂縫相對發(fā)育的層段有：1 984～1 988 m，2 057～2 069 m，2 082～2 102 m，2 109～2 125 m，共50 m，發(fā)育在龍馬溪組地層。龍馬溪組地層發(fā)育2組裂縫：高導(dǎo)縫與高阻縫（圖1）。

從PY1井五峰―龍馬溪組層段的成像測井（FMI）資料（圖2）和Ar離子拋光掃描電子顯微鏡照片中（圖3）反映：

1）目的層段裂縫不太發(fā)育，主要發(fā)育有高導(dǎo)縫、閉合縫（高阻縫）和誘導(dǎo)縫三種類型的裂縫[7-8]；

3）目的層段的泥頁巖容易產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫，反映了儲(chǔ)層易于改造；

4）裂縫發(fā)育段在目的層段中間歇性出現(xiàn)，相當(dāng)于龍馬溪組泥頁巖具有自生、自儲(chǔ)、自蓋的生儲(chǔ)蓋匹配模式；

5）Ar離子拋光掃描電鏡照片中微裂縫多是被有機(jī)質(zhì)充填。

高導(dǎo)縫屬于以構(gòu)造作用為主形成的天然裂縫，對于儲(chǔ)層的形成和改造具有重要作用，整體上看高導(dǎo)縫發(fā)育的深度段（龍馬溪組下部灰色泥巖段）氣測錄井全烴值和甲烷值均比較低，表明高導(dǎo)縫不利于頁巖氣富集；閉合縫（高阻縫）被電阻率較高的礦物如方解石充填，無法為頁巖氣提供儲(chǔ)集空間，但能在后期的壓裂改造中優(yōu)先開啟；誘導(dǎo)縫屬于鉆井過程中產(chǎn)生的人工縫，對儲(chǔ)層原始儲(chǔ)滲空間是沒有貢獻(xiàn)的，但可以反映泥頁巖儲(chǔ)層脆性特征較好，易于壓裂改造，即龍馬溪組底部含氣量相對較高，黑色泥頁巖易于壓裂改造[8]。

圖2 PY1井五峰—龍馬溪組泥頁巖FMI裂縫顯示Fig.2Shale FMI fissure display of Wufeng-Longmaxi formation of well PY1

圖3 PY1井五峰—龍馬溪組泥頁巖掃描電鏡裂縫顯示Fig.3Shale SEM fissure display of Wufeng-Longmaxi formation of well PY1

圖4 PY1井五峰—龍馬溪組泥頁巖裂縫評價(jià)Fig.4Shale fissure evaluation of Wufeng-Longmaxi formation of well PY1

綜上分析，區(qū)塊龍馬溪組頁巖微裂縫寬度及延伸長度分布范圍較大，受構(gòu)造作用形成的高導(dǎo)縫較發(fā)育，閉合縫在龍馬溪組底部較發(fā)育，鉆井產(chǎn)生誘導(dǎo)縫在整個(gè)龍馬溪組分布比較均勻，這些微裂縫在儲(chǔ)層的壓裂改造中優(yōu)先開啟，可以作為頁巖氣運(yùn)移的通道，但從裂縫分布與頁巖含氣量對比來看，區(qū)塊龍馬溪組頁巖微裂縫發(fā)育層段全烴值較低，不利于頁巖氣富集。

4 微裂縫發(fā)育對儲(chǔ)集能力的影響

裂縫的發(fā)育程度對泥頁巖的儲(chǔ)集性能具有“有利”和“不利”兩方面的影響。泥頁巖的基質(zhì)孔隙度很小，微裂縫的存在將極大提高頁巖的儲(chǔ)集空間，儲(chǔ)存有足夠的頁巖氣，進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)（表1）。

從表1可以看出，頁巖裂縫發(fā)育程度與總含氣量和游離氣量呈正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為頁巖裂縫越發(fā)育，其含氣量越大，氣藏富集程度、產(chǎn)氣量就越高。這主要是由于頁巖氣藏特殊的產(chǎn)氣機(jī)制與常規(guī)低滲氣藏不同，頁巖氣在裂縫和基質(zhì)中的流動(dòng)機(jī)理是微小的基質(zhì)孔隙中的氣體向大孔隙和裂縫作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，遵循達(dá)西定律；但基質(zhì)孔隙表面的吸附氣不再是達(dá)西流，而是在一定壓力下發(fā)生解吸，裂縫的發(fā)育則有助于頁巖層中游離態(tài)天然氣體積的增加和吸附態(tài)天然氣的解吸。天然裂縫發(fā)育程度決定著頁巖氣藏的品質(zhì)和產(chǎn)量高低，一般來說，頁巖裂縫越發(fā)育的氣藏，其品質(zhì)越好，氣藏的富集程度越高。如果天然裂縫發(fā)育不夠充分，則需要進(jìn)行壓裂來產(chǎn)生更多的裂縫與井筒相連，為天然氣解析提供更大的壓降和面積，在頁巖氣的儲(chǔ)存和開發(fā)中，特別是在其單井初期的高產(chǎn)中，裂縫起了相當(dāng)大的作用。但是如果裂縫規(guī)模過大，也會(huì)導(dǎo)致天然氣的散失。

表1 各頁巖氣勘探區(qū)裂縫發(fā)育情況（盆地類型據(jù)丁文龍，2012）Table 1Fissure development state of each shale gas exploration area

研究區(qū)五峰―龍馬溪組的頂部、底部以及中部發(fā)育有少量成像測井所能識別的裂縫（圖4）。通過分析PY1井龍馬溪組泥頁巖層段裂縫發(fā)育特征與氣測錄井全烴值（全烴值高的深度點(diǎn)對應(yīng)著泥頁巖氣含量也相對較高）的關(guān)系，認(rèn)為研究區(qū)目的層的主要生氣時(shí)期要早于國外成功探區(qū)，而且后期構(gòu)造抬升明顯強(qiáng)于國外成功探區(qū)，高導(dǎo)縫發(fā)育的深度段不利于頁巖氣富集。

5 結(jié)論

1）控制裂縫形成的因素復(fù)雜，從地質(zhì)角度來看影響裂縫的主要因素主要表現(xiàn)3方面：巖性和礦物成分、構(gòu)造作用、沉積成巖作用。PS區(qū)塊頁巖裂縫主要受構(gòu)造作用影響較大。

2）PS區(qū)塊五峰―龍馬溪組泥頁巖優(yōu)質(zhì)頁巖段主要發(fā)育有高導(dǎo)縫、誘導(dǎo)縫、閉合縫，裂縫總體不發(fā)育。閉合縫（高阻縫）、誘導(dǎo)縫均能在后期的壓裂改造中優(yōu)先開啟，易于壓裂改造。

3）PS區(qū)塊為兩翼出露的寬緩向斜，微裂縫的發(fā)育對泥頁巖的儲(chǔ)集性能影響具有雙重作用。由于微裂縫存在，提高了頁巖氣的儲(chǔ)集空間，增加游離氣含量；但裂縫發(fā)育規(guī)模過大，也導(dǎo)致頁巖氣的散失。

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（編輯：嚴(yán)駿）

Feature of shale fissure and its effects on reservoir performance affected by micro-fractures

Guo Junyu1and Wang Ning2
(1.College of Geosciehce,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China; 2.Research Institute of Petroleum Exploration and Development Nanjing,Jiangsu 210011,China)

The influences of the development of micro-fissure in PS block on the reservoir performance were analyzed by scanning electron microscope,imaging logging and so on.The results show that the main micro-fissure developed in high grade shale of PS block are highly conductive fissure,induced fissure and high resistance fissure.For the shale gas content,the existence of high grade shale is a double-edged sword.The developed high grade fissure is conducive to enlarging the reservoir space of the shale and increasing free gas content.However,the fissure scale is comparatively large which leads to the easily lost of shale gas.More?over,by the fracturing of induced fissure and closed fissure in the late period,shale gas is easy to product.The existence of these three fissures proved that the PS block has great development potential.

Longmaxi formation,shale gas,developed fissure,reservoir performance,PS block

TE122.2

A

2014-11-18。

郭君宇（1993—），男，大學(xué)本科，資源勘查工程專業(yè)。