五峰組—龍馬溪組儲層特征及甜點(diǎn)層段評價(jià)
——以昭通頁巖氣示范區(qū)A井為例

王鵬萬，李 昌，張 磊，鄒 辰,李嫻靜，王高成，蔣立偉，張 朝，李君軍，梅 玨

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院,浙江 杭州 310023; 2.中國石油天然氣集團(tuán)公司 碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310023; 3.中國石油浙江油田公司,浙江 杭州 310023)

五峰組—龍馬溪組儲層特征及甜點(diǎn)層段評價(jià)
——以昭通頁巖氣示范區(qū)A井為例

王鵬萬1,2，李 昌1,2，張 磊3，鄒 辰3,李嫻靜1，王高成3，蔣立偉3，張 朝3，李君軍3，梅 玨3

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院,浙江 杭州 310023; 2.中國石油天然氣集團(tuán)公司 碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310023; 3.中國石油浙江油田公司,浙江 杭州 310023)

昭通頁巖氣示范區(qū);五峰組—龍馬溪組;儲層特征;甜點(diǎn)層段

中國頁巖氣的勘探開發(fā)業(yè)已實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，成為第3個實(shí)現(xiàn)頁巖氣工業(yè)化生產(chǎn)的國家，至2016年底，中國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到78.82×108m3[1-4]。2015年，中國石油浙江油田公司在昭通頁巖氣示范區(qū)YS108井區(qū)，提交頁巖氣探明儲量527.16×108m3[1-3]，于2016年底完成了5.0億m3的產(chǎn)量，并形成了“有序選區(qū)—階段評價(jià)—分區(qū)建產(chǎn)—效益開發(fā)”的南方海相山地頁巖氣工程地質(zhì)一體化勘探開發(fā)技術(shù)體系[5]。

前人對南方海相頁巖儲層的巖性組合、礦物組成、有機(jī)地球化學(xué)特征、物性特征、儲集空間及孔隙結(jié)構(gòu)、含氣性及主控因素等方面進(jìn)行了系統(tǒng)評價(jià)[6-16]，明確優(yōu)質(zhì)頁巖儲層發(fā)育于深水陸棚相的厭氧還原環(huán)境[14,17]，具有高TOC含量、高脆性、高孔隙度及高含氣性等顯著特點(diǎn)，對應(yīng)“四高三低”的測井響應(yīng)特征[11]。而頁巖儲層的微-納米孔隙結(jié)構(gòu)控制了天然氣的儲集性能與吸附能力[10,15]，是頁巖儲層評價(jià)的關(guān)鍵[9-10]。針對其孔喉尺寸小、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜及非均質(zhì)性強(qiáng)的特征[18]，國內(nèi)外學(xué)者采用更高分別率與精度的新儀器及新技術(shù)[15,19]，多尺度聯(lián)合、定性-半定量表征了頁巖儲層孔隙系統(tǒng)[10-22]，認(rèn)為TOC含量為頁巖中微-納米孔隙結(jié)構(gòu)最重要的控制因素[15]，孔徑小于50 nm的微孔和中孔提供了大部分比表面積和孔體積，是氣體吸附和存儲的主要場所[10-15]。

前人對昭通頁巖氣示范區(qū)的研究主要集中在有利區(qū)評選及甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測方面，僅從地質(zhì)角度定性的對頁巖儲層進(jìn)行了研究，故昭通頁巖氣示范區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲層研究相對薄弱[5,23-27]。筆者以研究區(qū)A井含氣頁巖段系統(tǒng)取樣為基礎(chǔ)(圖1)，通過薄片、氬離子拋光-場發(fā)射電鏡、核磁共振、液氮吸附、X衍射及地化分析等多種方法，對昭通示范區(qū)五峰組—龍馬溪組含氣儲層段進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià)，優(yōu)選地質(zhì)與工程有利頁巖甜點(diǎn)層段，為水平井部署提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

昭通頁巖氣示范區(qū)地理位置位于云貴川3省交界處，大地構(gòu)造位置處于四川盆地南緣[24-25]。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積早期，昭通示范區(qū)位于前陸盆地的隆后盆地[8]，受川中古隆起及黔中隆起的隔擋，整體處于相對安靜的深水環(huán)境，堆積一套暗色泥頁巖[13-14,25-27]，區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)頁巖(TOC含量>2%)厚度在30～40 m[23]。根據(jù)巖性、電性及筆石帶變化特征，將五峰組—龍馬溪組含氣頁巖段(即五峰組—龍一1亞段)分為6個小層(圖1)，并根據(jù)相關(guān)測試分析數(shù)據(jù)討論6個小層的儲層相關(guān)特征與差異，優(yōu)選有利的頁巖氣儲層段。

2 含氣頁巖段儲層特征

2.1 巖石學(xué)特征

昭通頁巖氣示范區(qū)五峰組—龍一段的灰黑-黑色頁巖主要為硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖及其之間混合頁巖[28-29]，并見介殼灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及斑脫巖(圖2，3)。五峰組—龍一段自下而上，筆石化石帶由雙列筆石逐漸向單列筆石過渡[14]，生物硅質(zhì)來源向上逐漸減少[26]，黃鐵礦富集程度逐漸降低，巖性總體表現(xiàn)為粉砂質(zhì)及鈣質(zhì)含量增加、顆粒變粗及顏色變淺的特征[14,26-27]。且水平層理從無到有、逐漸發(fā)育，體現(xiàn)沉積水體逐漸變淺、還原性逐漸降低的演化過程。

2.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

對A井五峰組—龍一1亞段71塊巖芯樣品分析，其TOC含量介于0.82%～6.70%，平均為3.03%;龍一2亞段91塊巖芯與巖屑樣品分析，其TOC含量分布在0.14%～1.24%，平均為0.75%(圖1)。縱向上，TOC含量整體具有隨深度加深而變大的趨勢。

圖1 昭通頁巖氣示范區(qū)A井五峰組—龍一段綜合柱狀圖Fig.1 Lithology comprehensive profile of Wufeng-1th Member of Longmaxi Formation of well A in the Zhaotong shale gas demonstration zone

圖2 A井五峰組—龍一段礦物含量分布Fig.2 Mineral content distribution of Wufeng-1th Member of Longmaxi Formation of the well A

2.3 頁巖礦物組成

圖3 昭通頁巖氣示范區(qū)五峰組—龍一段頁巖照片F(xiàn)ig.3 Pictures of shale in the Wufeng-1th Member of Longmaxi Formation of the Zhaotong shale gas demonstration zone(a)硅質(zhì)頁巖，龍小層，TOC含量為4.40%，石英含量41.33%，長石含量8.86%，A井2 448.32 m;(b)鈣質(zhì)頁巖，龍小層，TOC含量為3.70%，石英含量3.62%，方解石含量22.35%，白云石含量42.29%，A井2 453.83 m;(c)粉砂質(zhì)頁巖，見砂質(zhì)紋層，龍小層，TOC含量為0.76%，石英含量27.10%，長石含量20.70%，A井2 413.00～2 413.28 m;(d)黏土質(zhì)頁巖，龍小層，TOC含量為2.15%，石英與長石含量37.12%，黏土含量49.47%，A井2 430.98 m;(e)斑脫巖，五一段，TOC含量為0.2%，石英與長石含量2.0%，黏土含量58.3%，黃鐵礦38.4%，B井2 350.63 m;(f)深灰色介殼灰?guī)r，五二段，A井2 455.95 m

表1昭通示范區(qū)A井五峰組-龍一段頁巖礦物組成
Table1MineralcompositionofWufeng-1thMemberofLongmaxiFormationofthewellAinZhaotongshalegasdemonstrationzone

層位脆性礦物含量/%石英鉀長石斜長石方解石白云石黃鐵礦黏土礦物總量/%黏土礦物相對含量/%伊利石高嶺石綠泥石伊/蒙混層脆性指數(shù)龍一4126.93～40.8133.52(9)0～3.840.80(9)5.40～14.419.24(9)5.07～11.609.39(9)1.70～6.604.18(9)0～3.601.90(9)30.95～49.4740.98(9)51.5～65.059.0(6)1.6～3.02.3(6)7～119(6)23～3930(6)59.02龍一3133.60～52.5138.24(6)0～1.20.2(6)5.30～8.996.28(6)9.5～13.912(6)8.90～12.408.38(6)0～6.103.58(6)33.40～37.6031.32(6)55～6560(2)2.0～3.02.5(2)8.0～9.08.5(2)24～3429(2)69.68龍一2122.10～41.3329.80(5)0～1.10.4(5)4.70～8.865.95(5)10.54～27.1015.79(5)6.99～2.8017.00(5)1.89～4.403.26(5)22.80～33.6027.81(5)69.0～73.070.4(3)1.2～2.01.5(3)4.0～6.04.7(3)20.0～26.023.4(4)72.19龍一1136.3(1)2.1(1)8.9(1)9.2(1)15.8(1)4.1(1)23.6(1)————76.40五峰組12.2～20.7518.23(5)0～1.800.52(5)3.60～7.075.75(5)8.60～30.2024.36(5)18.10～30.0023.64(5)0～14.806.18(5)8.50～35.2022.54(5)64～6062(2)1.5～2.01.8(2)7.6～8.17.8(2)26～3028(2)77.46

2.4 儲集空間特征

2.4.1儲集空間類型

前人基于孔隙尺寸或孔隙產(chǎn)狀-結(jié)構(gòu)或孔隙成因?qū)搸r儲集空間進(jìn)行劃分和深入研究[7-8,31-37]，基本認(rèn)為頁巖儲層大體可分為有機(jī)質(zhì)孔隙、無機(jī)孔隙及微裂縫三大類儲集空間。

圖4 昭通頁巖氣示范區(qū)五峰組—龍一段頁巖孔隙類型Fig.4 Pore types of Wufeng-1th Member of Longmaxi Formation of the Zhaotong shale gas demonstration zone(a)有機(jī)質(zhì)孔呈蜂窩狀，龍小層，C井2 487.10 m;(b)納米級有機(jī)質(zhì)孔，龍小層，TOC含量為3.9%，A井2 451.3 m;(c)黏土礦物片狀微孔，龍小層，A井2 412.75 m;(d)方解石粒內(nèi)溶孔，見碎屑顆粒間或其與黏土礦物間的貼粒縫，龍小層，TOC含量為3.61%，A井2 454.79 m;(e)黃鐵礦晶間孔，龍小層，TOC含量為2.26%，A井2 435.99 m;(f)垂直縫，無充填，斷面見黃鐵礦，縫長43 cm，寬1 mm，龍小層，TOC含量為3.66%，A井2 443.42～2 443.85 m;(g)層間縫為方解石充填，五一段，TOC含量為4.29%，A井2 458.91～2 459.13 m;(h)微裂縫為方解石充填，龍小層，TOC含量為4.12%，石英含量52.51%，A井2 445.49 m

2.4.2孔隙結(jié)構(gòu)

依據(jù)國際理論和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(IUPAC)關(guān)于孔隙大小的劃分標(biāo)準(zhǔn)[34]，將其分為微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)及大孔(>50 nm)。為全孔徑綜合表征五峰組～龍馬溪組頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布特征，前人通過CO2吸附法、N2吸附法及高壓壓汞法分別測定微孔、中孔及大孔分布特征[9-17]，認(rèn)為中孔和大孔提供了頁巖中主要的孔體積，控制了游離氣的含量。微孔的比表面積與CH4最大吸附量具有很好的正相關(guān)關(guān)系，且提供了頁巖中主要的比表面積，控制了吸附氣含量。本文重點(diǎn)介紹A井五峰組—龍一段各小層樣品液氮吸附法表征的孔隙特征(圖5)。

圖5 昭通頁巖氣示范區(qū)A井五峰組—龍一段頁巖吸附解吸等溫線Fig.5 Adsortption-desorption isotherms of Wufeng-1th Member of Longmaxi Formation of the Zhaotong shale gas demonstration zone

A井不同小層5個樣品的低溫液氮吸附等溫線形態(tài)上存在一定的差別，基本上都呈反“S”(圖5)，類似IUPAC定義的Ⅱ型等溫吸附線[9]。滯后環(huán)的形狀反映了頁巖孔隙結(jié)構(gòu)，根據(jù)IUPAC對滯后環(huán)的分類[9-12,19]，昭通示范區(qū)A井五峰組—龍一段儲層等溫線的滯后環(huán)大致屬于H2型，總體表現(xiàn)為滯后環(huán)較寬大，吸附曲線變化緩慢，脫附曲線在中等相對壓力處表現(xiàn)為陡直下降，且解吸曲線遠(yuǎn)比吸附曲線陡峭(圖5)，說明其頁巖儲層以細(xì)頸廣體的墨水瓶狀孔隙為主。同時，A井樣品的Ⅱ型吸附等溫線和滯后回線特征均表明五峰組～龍一段儲層主體孔隙為微孔和中孔[10]。

A井5塊樣品BET比表面積為17.99～24.33 m2/g ，平均為20.99 m2/g(圖5)，遠(yuǎn)大于砂巖的比表面積[10]，使氣體吸附存儲成為可能。其BJH孔體積為0.016 11～0.020 93 cm3/g，平均0.018 64 cm3/g;孔徑為3.33～4.02 nm，平均3.70 nm(圖5)，也證實(shí)五峰組—龍一段儲層孔隙以中孔為主?？傮w上，孔體積及比表面積與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)性(圖5)。以A-4樣品為例，通過液氮吸附的DFT模型表征了孔體積和比表面積隨孔徑分布的變化(圖6)，揭示微孔對比表面貢獻(xiàn)最大，其次是中孔，與前人認(rèn)識基本一致[9-15,18-19]。

圖6 基于液氮吸附DFT模型孔體積與比表面變化分布Fig.6 Pore volume and surface area change rates based on the DFT using the N2 adsorption of the well A

核磁共振可確定頁巖儲層的孔隙度、飽和度及孔徑大小，定量表征頁巖孔隙連通性[35]。若頁巖孔徑越小，其T2弛豫時間則越短，T2譜峰的位置與孔徑大小有關(guān)，峰包絡(luò)的面積與對應(yīng)孔徑的多少有關(guān)[36-37]。對A井10個樣品進(jìn)行了干樣及飽和水樣品的核磁共振T2譜的分析。以A-31樣品為例進(jìn)行說明，如圖7所示。該樣的飽和水T2譜呈雙峰分布，且位于0.5 ms的譜峰相對較大，反映樣品中較小的孔隙的比例較大;兩峰見連續(xù)性差反映微小孔和大孔間連通性較差。與干燥樣的T2譜圖對比發(fā)現(xiàn)兩個譜峰之差的面積較大，反映樣品中也含有一定比例的可動流體孔隙度。

圖7 A井龍一段頁巖干樣和飽和水樣品核磁共振T2譜圖Fig.7 NMR T2 spectra of 1th Member of Longmaxi Formation of the well A

2.4.3物性特征

2.5 含氣量特征

2.5.1頁巖吸附能力

圖8 A井五峰組—龍一段頁巖等溫吸附曲線Fig.8 Adsorption of Wufeng-1th Member of Longmaxi Formation of the well A

2.5.2現(xiàn)場測試含氣量

圖9 A井頁巖實(shí)測含氣量與埋藏深度關(guān)系Fig.9 Relationship between shale gas content and burial depth of the well A

3 甜點(diǎn)層段評價(jià)

前人對頁巖儲層控制因素做了大量研究，認(rèn)為頁巖氣富集受沉積與構(gòu)造改造的雙重控制[7-11,27-32]。沉積環(huán)境控制頁巖的靜態(tài)地質(zhì)條件，即控制其巖性、地化特性及可壓裂性，其決定了優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、有機(jī)碳高低及脆性礦物含量，進(jìn)而控制了孔縫的發(fā)育程度及其含氣量;而構(gòu)造改造強(qiáng)度則影響頁巖物性和含氣性，決定了現(xiàn)今頁巖儲集性能和頁巖氣保存條件，進(jìn)而控制頁巖氣的富集程度。頁巖儲層縱向上厚度較大，其儲層品質(zhì)非均質(zhì)性較強(qiáng)，故優(yōu)選縱向上地質(zhì)與工程的甜點(diǎn)層段，可有效指導(dǎo)水平井箱體部位及水平井軌跡的優(yōu)化。

3.1 地質(zhì)甜點(diǎn)層段優(yōu)選

3.1.1頁巖靜態(tài)地質(zhì)條件

3.1.2構(gòu)造特征與保存條件

昭通頁巖氣示范區(qū)主體位于川南低陡褶皺帶南部[26,27]，區(qū)內(nèi)及周緣7組構(gòu)造行跡交切表現(xiàn)為四期褶皺與斷裂疊加改造，在四川盆地南緣及東南緣形成了六大構(gòu)造轉(zhuǎn)化與調(diào)節(jié)帶[39]，使得昭通示范區(qū)北部構(gòu)造線由敘永—古藺段近東西方向轉(zhuǎn)換為珙縣—興文段的北西向?？碧綄?shí)踐證實(shí)，構(gòu)造轉(zhuǎn)化帶與調(diào)節(jié)帶的頁巖改造變形相對最弱，且具有多源匯聚與復(fù)合成藏的優(yōu)勢，是最有利的頁巖氣富集與保存區(qū)[39-42]。

3.2 工程甜點(diǎn)層段優(yōu)選

4 結(jié) 論

(1)昭通頁巖氣示范區(qū)五峰組—龍一段儲層以硅質(zhì)頁巖為主，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙、無機(jī)孔隙及微裂縫三大類儲集空間，其中以機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物層間微孔隙為主。

(2)液氮等溫吸附曲線及核磁共振T2譜圖證實(shí)五峰組—龍一段儲層孔隙孔徑主體在2～5 nm，以中孔為主，且連通性較好。其中孔和微孔提供了主要的孔體積，而微孔對比表面貢獻(xiàn)最大。

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CharacteristicoftheshalegasreservoirsandevaluationofsweetspotinWufeng-LongmaxiFormation:AcasefromtheAwellinZhaotongshalegasdemonsrationzone

WANG Pengwan1,2,LI Chang1,2,ZHANG Lei3,ZOU Chen3,LI Xianjing1,WANG Gaocheng3,JIANG Liwei3,ZHANG Zhao3,LI Junjun3,MEI Jue3

(1.PetroChinaHangzhouInstituteofPetroleumGeology,Hangzhou310023,China; 2.CNPCKeyLaboratoryofCarbonateReservoirs,Hangzhou310023,China; 3.PetroChinaZhejiangOilfieldCompany,Hangzhou310023,China)

Zhaotong shale gas demonstration zone;Wufeng-Longmaxi Formation;reservoir character;sweet spot

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10.13225/j.cnki.jccs.2017.0428

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P618.13

A

0253-9993(2017)11-2925-11

2017-04-01

2017-08-16責(zé)任編輯韓晉平

“十三五”國家重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016ZX05004-002);中國石油深層專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014E-32-02);中國石油科技管理部基金資助項(xiàng)目(2012B-0505)

王鵬萬(1981—)，男，湖北荊州人,高級工程師。E-mail:wangpw_hz@petrochina.com.cn