川東南地區(qū)志留系頁巖含氣量特征及其影響因素

張漢榮

川東南地區(qū)志留系頁巖含氣量特征及其影響因素

張漢榮

中國(guó)石化勘探分公司

張漢榮.川東南地區(qū)志留系頁巖含氣量特征及其影響因素. 天然氣工業(yè),2016, 36(8): 36-42.

頁巖含氣量是頁巖氣勘探潛力評(píng)價(jià)、勘探有利區(qū)優(yōu)選、資源量計(jì)算的重要指標(biāo),也是后期進(jìn)行開發(fā)規(guī)劃、氣藏描述、儲(chǔ)量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù).為了探索影響頁巖含氣量的因素,應(yīng)用統(tǒng)一的方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了四川盆地東南不同地區(qū)多口頁巖氣探井的含氣量,通過對(duì)比分析其含氣量特征,找到了不同頁巖氣探井的巖性、總有機(jī)碳含量、孔隙度、壓力系數(shù)等參數(shù)與含氣量的關(guān)系,歸納了影響頁巖含氣量的主要因素.結(jié)論認(rèn)為,影響頁巖含氣量的因素可以分為兩大類:①只在早期對(duì)含氣量有影響的基礎(chǔ)因素,主要為有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度、巖性、黏土礦物含量等;②控制頁巖含氣量的關(guān)鍵因素是保存條件,構(gòu)造樣式和斷裂發(fā)育程度是影響保持條件的主要因素.孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、壓力系數(shù)等參數(shù)不是影響頁巖含氣量的因素,而是表征頁巖含氣量高低的指標(biāo)性參數(shù),因此在勘探中可以嘗試通過孔隙度預(yù)測(cè)或壓力預(yù)測(cè)來判斷頁巖的含氣性.

四川盆地東南部 志留紀(jì) 頁巖含氣量 影響因素 巖性 TOC 孔隙度 壓力系數(shù)

頁巖含氣量是頁巖勘探潛力評(píng)價(jià)、勘探有利區(qū)優(yōu)選、資源量計(jì)算的重要指標(biāo),也是后期進(jìn)行開發(fā)規(guī)劃、氣藏描述、儲(chǔ)量計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù).四川盆地川東南及周緣十幾口頁巖氣專探井的鉆探結(jié)果顯示,志留系頁巖氣的含氣量變化差異非常大,如焦石壩地區(qū)頁巖氣含氣量較高而且比較穩(wěn)定,已獲得工業(yè)氣流并提交頁巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量3 806X108m3,但是在有些地區(qū)頁巖含氣量卻比較低,甚至在鉆進(jìn)過程中沒有氣顯示.因此有必要研究控制頁巖含氣量的影響因素,以便于在勘探部署中做到有的放矢.

1　頁巖含氣量測(cè)量及特征

1.1頁巖含氣量測(cè)量

頁巖含氣量測(cè)量的方式有直接法和間接法[1-8].目前國(guó)內(nèi)采用的方法主要是現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量(解析法),而后用等溫吸附法和測(cè)井解釋法等間接法來分析吸附氣和游離氣含量.不同的測(cè)量設(shè)備、不同的解析方法或回歸方法都有可能得到不同的結(jié)果,致使數(shù)據(jù)缺乏對(duì)比性.川東南頁巖含氣量的測(cè)量統(tǒng)一采用中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所開發(fā)的基于排水解析集氣法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量頁巖含氣量的自動(dòng)化儀器,將取出井口的巖心迅速裝入解析罐中自然解析,按時(shí)記錄不同時(shí)刻的解析氣體積,前3 h的解析溫度采用泥漿循環(huán)溫度,以模擬取心過程中的解析,后6～8 h模擬地層溫度解析,直到高精度流量?jī)x讀數(shù)變化不大于0.1 cm3(或每天總解析量不大于5 cm3).經(jīng)多口井實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),將溫度提高到100 ℃以上后殘余氣量幾乎為0,這種新的二階解析法不再研碎樣品來測(cè)量殘余氣量,因而可以加快解析速度.解析完成后進(jìn)行損失氣量的恢復(fù),以提鉆到井身中部的時(shí)間作為零點(diǎn)時(shí)間,將實(shí)測(cè)的解析氣量與解析時(shí)間的平方根做交匯圖,用多項(xiàng)式曲線法回歸計(jì)算損失氣量,兩者之和就是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的含氣量.

1.2頁巖含氣量特征

川東南地區(qū)已鉆井在上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖中普遍有含氣顯示,但現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試結(jié)果顯示含氣量大小在不同層段、不同地區(qū)存在較大差異.

縱向上單井含氣量分布特征表現(xiàn)為底部?jī)?yōu)質(zhì)頁巖層段含氣量最高,上部含氣量相對(duì)較小.如焦頁1井底部五峰組-龍馬溪組龍一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖含氣量平均為5.85 m3/t,中部龍二亞段頁巖含氣量平均為3.22 m3/t,上部龍三亞段頁巖含氣量平均為3.36 m3/t(圖1).其他頁巖氣井的含氣量在縱向上也具有相似特征.

圖1　焦頁1井含氣量縱向變化圖

圖2　焦頁1井-焦頁4井區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖含氣量直方圖

平面上焦石壩地區(qū)焦頁1井-焦頁4井區(qū)頁巖含氣量主要介于0.63 ～9.63 m3/t,113個(gè)頁巖含氣量數(shù)據(jù)的平均值為4.61 m3/t.含氣量大于等于1 m3/t的樣品頻率高達(dá)到97.3 %,其中含氣量介于2～4 m3/t的樣品占37.1 %;含氣量超過4 m3/t的樣品達(dá)到54.9 %(圖2).4口井頁巖氣層段(五峰組-龍三亞段)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含氣量比較相近,其中焦頁1井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含氣量介于2.30 ～8.85 m3/t,平均值為4.30 m3/t;焦頁2井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含氣量介于1.94 ～8.90 m3/t,平均值為5.10 m3/t;焦頁3井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含氣量介于0.63 ～9.63 m3/t,平均值為4.23 m3/t;焦頁4井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量含氣量介于1.19～8.83 m3/t,平均值為4.83 m3/t.丁山地區(qū)丁頁2井五峰組-龍馬溪組龍一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段含氣量介于3.83 ～9.85 m3/t,平均值為6.79 m3/ t;而丁頁1井相同層段含氣量介于1.70 ～6.03 m3/t,平均值為3.07 m3/t,比丁頁2井明顯降低.仁懷地區(qū)RY1井的含氣量更低,在鉆進(jìn)過程中少見氣顯示.

2　影響頁巖含氣量的因素

影響含氣量的因素很多,前人研究認(rèn)為有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙體積、礦物含量、裂縫發(fā)育程度、地層溫度和壓力[9-13]等都可以影響含氣量.通過川東南焦頁1井、焦頁2井、焦頁3井、焦頁4井與其他頁巖氣探井的對(duì)比分析,認(rèn)為需要?jiǎng)討B(tài)研究影響頁巖含氣量的因素.

2.1沉積過程中的影響因素

2.1.1巖性與含氣量

五峰組-龍馬溪組巖性主要為含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、含碳含粉砂泥巖、含碳筆石頁巖和含粉砂泥巖.焦頁1井-焦頁4井區(qū)現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)量結(jié)果與巖性有很好的相關(guān)關(guān)系(圖3),含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖含氣量最高,介于3.52～9.63 m3/t,平均值為6.07 m3/t;含碳筆石頁巖含氣量次之,介于3.95 ～5.02 m3/t,平均值為4.3 m3/t;含碳含粉砂泥巖含氣量較低,介于2.12～4.42 m3/t,平均值為3.35 m3/t;含粉砂泥巖含氣量最低,介于0.53 ～3.87 m3/t,平均值為2.24 m3/t.

圖3　焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組巖性與含氣量關(guān)系圖

焦頁1井-焦頁4井區(qū)巖性與含氣量對(duì)應(yīng)關(guān)系較好.巖性直接反映沉積環(huán)境,五峰-龍馬溪早期,川東南經(jīng)歷了兩個(gè)海侵海退次級(jí)旋回即深水陸棚-淺水陸棚的過程,依次沉積了含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、含碳含粉砂泥巖、含碳筆石頁巖和含粉砂泥巖.由于深水陸棚水體較深,放射蟲等生物在還原環(huán)境下保存完好,這些有機(jī)質(zhì)在沉積后期生烴并滯留致使含氣量高;而在淺水陸棚環(huán)境下沉積的含粉砂泥巖,由于陸源的輸入使有機(jī)質(zhì)稀釋且水體較淺不利于有機(jī)質(zhì)的保存,其含氣量相對(duì)較低.因此影響含氣量的主要因素之一就是沉積環(huán)境.

川東南地區(qū)所鉆頁巖氣探井的巖性是可以對(duì)比的,說明其五峰期-龍馬溪早期沉積環(huán)境是相同的,但是除了焦頁1井-焦頁4井區(qū)的巖性與含氣量有很好的相關(guān)關(guān)系外,其他地區(qū)鉆井巖性與含氣量并沒有關(guān)系,說明巖性等受沉積環(huán)境控制的因素曾經(jīng)影響過含氣量,其他地區(qū)的頁巖含氣量差異大說明還受到其他因素的影響.

2.1.2總有機(jī)碳含量(TOC)與含氣量

沉積環(huán)境對(duì)含氣量的影響還體現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)豐度與含氣量的關(guān)系上,正常情況下深水陸棚環(huán)境沉積的含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖,其有機(jī)質(zhì)含量豐富,TOC高,故生烴能力強(qiáng),含氣量也高.焦頁1井-焦頁4井區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)頁巖含氣量與TOC呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖4),相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.85以上,這是因?yàn)楦逿OC的頁巖提供了足夠的物質(zhì)基礎(chǔ),且高TOC頁巖有機(jī)孔隙更為發(fā)育,有利于頁巖氣的吸附和儲(chǔ)集[14-15].

TOC對(duì)含氣量的影響與巖性對(duì)含氣量的影響是類似的,川東南地區(qū)頁巖氣鉆井的TOC都很相似,但TOC與含氣量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系也主要體現(xiàn)在焦頁1井-焦頁4井區(qū),而丁山及其他地區(qū)卻沒有明顯的相關(guān)關(guān)系,如RY1井,TOC與焦頁1井-焦頁4井類似(焦頁1井、焦頁2井、焦頁4井的TOC平均值分別為3.58%、3.71%、3.65%,RY1井TOC平均值為3.6%),但是RY1井含氣量幾乎為0.因此,TOC也只是曾經(jīng)影響過頁巖含氣量.

川東南地區(qū)五峰-龍馬溪早期的沉積環(huán)境是相似的,其巖性、TOC是可以對(duì)比的,但只有焦頁1井-焦頁4井區(qū)的巖性及TOC與含氣量具有較好的相關(guān)關(guān)系,原因是不同地區(qū)經(jīng)歷了不同的地質(zhì)演化(成巖演化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等),頁巖的含氣性不只受巖性和TOC控制和影響,該井區(qū)的頁巖含氣量與巖性及TOC具有較好的相關(guān)性,說明其后期改造比較弱,而其他井區(qū)的相關(guān)關(guān)系較弱,說明在后期改造中被或多或少的地破壞了.

早期影響含氣量的因素還有有機(jī)質(zhì)類型、礦物含量等受沉積環(huán)境控制的參數(shù),它們是曾經(jīng)影響了頁巖含氣量的因素,但不是決定性的因素.

圖4　焦頁1井(左)、 焦頁2井(右)含氣量與TOC關(guān)系圖

2.2地質(zhì)演化過程中的影響因素

2.2.1孔隙度與含氣量

對(duì)比川東南地區(qū)鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)含氣量及巖心物性分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn),與巖性和TOC不同,頁巖孔隙度與含氣量在川東南地區(qū)所有探井中都具有良好的相關(guān)關(guān)系(圖5).

圖5　典型井優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度、含氣量、壓力系數(shù)關(guān)系圖

五峰組-龍馬溪組頁巖孔隙類型可分為有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物孔、脆性礦物孔,以有機(jī)質(zhì)孔和黏土礦物晶間孔為主,其中納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔分布最為廣泛[15],而有機(jī)質(zhì)孔是頁巖中的有機(jī)質(zhì)在生烴過程中慢慢形成的,隨著頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度的增加,納米級(jí)孔隙在增大,有機(jī)質(zhì)越豐富,這種孔隙越多,含氣量也就越大.理論上,TOC、孔隙度、含氣量三者應(yīng)呈正相關(guān)關(guān)系,但是RY1井的TOC與焦頁1井相當(dāng),成熟度也相近,生油氣過程中形成的孔隙也應(yīng)該相近,而實(shí)際上焦頁1井的孔隙度為4.65%,含氣量為5.85 m3/t, RY1井實(shí)測(cè)孔隙度卻小于1%,含氣量也非常低.分析原因,是RY1井區(qū)保存條件差致使頁巖氣逸散,含氣量降低后孔隙被壓實(shí)了.因此,保存條件是影響含氣量的關(guān)鍵因素.

除了孔隙度,孔隙結(jié)構(gòu)也能影響頁巖的儲(chǔ)集能力,與含氣量關(guān)系密切.五峰組-龍馬溪組頁巖孔徑主要為納米級(jí),孔徑大小參差不齊,孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為孔徑分布范圍寬、形狀不規(guī)則(圖6),如焦頁1井頁巖孔徑介于10～300 nm,形態(tài)多樣,平面上通常表現(xiàn)為泡泡狀、似橢圓狀、港灣狀及其他不規(guī)則形狀,說明儲(chǔ)集條件好,其含氣量為5.85 m3/t;而RY1井孔隙結(jié)構(gòu)均一化明顯(圖6),孔徑分布范圍縮小,介于5～20 nm,儲(chǔ)集空間不足,含氣量低.

圖6　焦頁1井(左)與RY1井(右)孔隙結(jié)構(gòu)圖

2.2.2壓力與含氣量

由于所獲得的頁巖氣井的埋藏深度各不相同,頁巖層的壓力值相差很大,不利于對(duì)比研究,因此采用壓力系數(shù),以消除埋深的影響.在對(duì)比川東南地區(qū)各井頁巖氣產(chǎn)量與實(shí)測(cè)的壓力系數(shù)后發(fā)現(xiàn),頁巖氣壓力系數(shù)與單井產(chǎn)量具有對(duì)數(shù)正相關(guān)關(guān)系.RY1井壓力系數(shù)小于1,未能獲產(chǎn);PY1井壓力系數(shù)1.05,頁巖氣產(chǎn)氣量2.5X104m3/d;焦頁1井壓力系數(shù)1.55,頁巖氣產(chǎn)氣量20.3X104m3/d(圖7).由于單井產(chǎn)量受水平井段長(zhǎng)度、水平井穿行在優(yōu)質(zhì)頁巖層段的比例、壓裂改造工藝等諸多因素的影響,因此單井產(chǎn)氣量與壓力系數(shù)的關(guān)系不能等同于含氣量與壓力系數(shù)的關(guān)系,但正常情況下單井產(chǎn)氣量與含氣量是呈正相關(guān)關(guān)系的.綜合分析影響這些井產(chǎn)量高低的原因,主要是后期保存條件存在差異,RY1井位于單斜構(gòu)造上,鄰近大斷層,PY1井位于盆地外的桑拓坪向斜,靠近剝蝕區(qū),其保存條件受到不同程度的破壞,氣體逸散導(dǎo)致含氣量降低,地層壓力為常壓或低壓;焦頁1井位于盆地內(nèi)的寬緩潛伏構(gòu)造上,有斷凹與盆緣斷層相隔,生成的頁巖氣得到保存,表現(xiàn)出含氣量高,壓力系數(shù)高.

圖7　頁巖單井日產(chǎn)量與壓力系數(shù)與相關(guān)關(guān)系圖

2.3含氣量影響機(jī)制探討

頁巖含氣量的多少與常規(guī)天然氣一樣,也是一種動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果.不同的是它本身作為烴源巖,不是考慮供烴與散失的平衡,而是考慮早期生氣量的大小與后期保存氣量的多少.

早期生烴量的多少與沉積環(huán)境和最大埋深有關(guān),頁巖巖性、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型是主要的影響因素.黑色碳質(zhì)頁巖含有豐富的TOC,在具有頂?shù)装宓姆忾]空間里,隨著埋深加大溫度壓力增加,頁巖開始生烴,納米級(jí)孔隙也逐漸形成,并隨著頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度的增加,生烴量越來越大,納米級(jí)孔隙逐漸增大,頁巖中的含氣量也逐漸增高,而且頁巖TOC越大,生烴量越大,含氣量也越高.如果地質(zhì)條件保持不變,那么頁巖就會(huì)保持這種高TOC高孔隙度高含氣量的狀態(tài).

但是川東南地區(qū)在燕山期后經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造改造,保氣量的多少是最終含氣量的關(guān)鍵,影響保氣量的主控因素是保存條件[16-17].當(dāng)頁巖靠近剝蝕區(qū)或鄰近大斷裂,跟常規(guī)天然氣運(yùn)移一樣將發(fā)生氣體擴(kuò)散、滲流及逸散,頁巖內(nèi)的保氣量將會(huì)降低.同時(shí)頁巖的頁理發(fā)育,水平滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂向滲透率,高陡的地層將增大縱向上的重力分異,從而致使氣體順層向上逸散,當(dāng)遇到斷層溝通則逸散速度會(huì)加快,頁巖層氣體難以保存,含氣量降低、孔隙壓力下降、壓力系數(shù)降低,在圍巖壓力下頁巖被壓實(shí),孔隙由不規(guī)則的大孔,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ蛐苑植嫉谋馄綘钪锌?最后形成較圓的微孔甚至消失.因此,構(gòu)造樣式和斷層發(fā)育程度是影響含氣性的兩大關(guān)鍵要素,構(gòu)造寬緩是保氣的基礎(chǔ),遠(yuǎn)離斷層是保氣的關(guān)鍵.而斷層的形成時(shí)間、活動(dòng)期次、規(guī)模大小及抬升剝蝕的程度將決定頁巖氣逸散的程度,也決定了后期保氣量的多少.

3　結(jié)論

1)有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、頁巖巖性、黏土礦物含量等參數(shù)只在早期對(duì)頁巖含氣量有影響.

2)控制頁巖最終含氣量的關(guān)鍵因素是后期的保存條件,當(dāng)保存條件被破壞頁巖氣會(huì)逸散,頁巖孔隙壓力會(huì)降低、孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)均一化、孔隙度會(huì)降低.

3)孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、壓力系數(shù)不是影響含氣量的因素,而是頁巖含氣量高低的指標(biāo)性參數(shù),因此在勘探中可以嘗試通過孔隙度或壓力預(yù)測(cè)來判斷頁巖的含氣性.

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(修改回稿日期 2016-06-16 編 輯 陳 玲)

Gas content of the Silurian shale in the SE Sichuan Basin and its controlling factors

Zhang Hanrong
(Sinopec Exploration Company, Chengdu, Sichuan 610041, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.36-42, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Shale gas content is one of important indicators not only for exploration potential evaluation, favorable zones optimization, resource quantity prediction, etc. in the former preparation period but for development planning, gas reservoir description, reserves calculation in the latter period. This paper aims to explore the factors influencing the gas content of the Silurian shale in the SE Sichuan Basin. The uniform method was first applied to measure the gas contents of multiple shale gas exploratory wells located at different areas in this study area. Also, a comparison analysis was made of the gas content characters to disclose the relations between shale gas content and such parameters as lithologic property, TOC content, porosity, pressure coefficient, etc. In conclusion, the influencing factors of shale gas content are classified into two main types. One type is fundamental factors in the earlier gas generation period that mainly include organic matter types, abundance, petrographic characters, clay material contents, etc. The other one, also as the key factor, is the preservation conditions, which is mainly affected by structural style and degree of fault development. Those factors like porosity, pore structure, pressure coefficient, etc. are not real factors affecting the shale gas content but indicators for the characterization of high or low shale gas content, for which prediction on shale porosity or shale formation pressure should be tried, as suggested in shale gas exploration, to help estimate the gas content of shale.

Sichuan Basin; Southeast; Silurian; Shale gas content; Controlling factors; Lithologic character; TOC; Porosity; Pressure coefficient

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.005

中國(guó)石油化工集團(tuán)公司科技項(xiàng)目" 四川盆地周緣下組合頁巖氣形成條件與有利區(qū)帶評(píng)價(jià)"(編號(hào):P13129).

張漢榮,女,1968年生,高級(jí)工程師,博士;從事頁巖氣勘探研究工作.地址:(610041)四川省成都市高新區(qū)吉泰路688號(hào).電話:13981959806.ORCID: 0000-0002-4019-4909.E-mail: zhanghr.ktnf@sinopec.com