四川盆地涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖氣層孔隙特征及對(duì)開發(fā)的啟示

劉堯文，王 進(jìn)，張夢(mèng)吟，蔡 進(jìn)，盧文濤，沈 童

(1．中國石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124； 2．中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

目前中國的頁巖氣勘探開發(fā)方興未艾，作為國內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田，四川盆地東部的涪陵頁巖氣田受到了普遍關(guān)注。眾多專家學(xué)者針對(duì)涪陵焦石壩地區(qū)頁巖儲(chǔ)層開展了大量研究工作，主要集中在儲(chǔ)層礦物成分、儲(chǔ)集空間類型、微觀孔隙結(jié)構(gòu)和頁巖含氣量等方面[1-5]。經(jīng)過近幾年的深入研究，逐漸認(rèn)識(shí)到頁巖含氣性和可壓性是影響頁巖氣井產(chǎn)能最重要的2個(gè)方面。其中儲(chǔ)層特征特別是儲(chǔ)層孔隙特征是影響頁巖含氣性的重要因素，儲(chǔ)層脆性礦物含量等是影響頁巖可壓性的主要因素。

涪陵地區(qū)頁巖氣勘探層位為五峰組—龍馬溪組龍一段，綜合利用鉆井、測(cè)錄井、巖心觀察等資料，結(jié)合電性特征，可進(jìn)一步細(xì)分為9個(gè)小層，其中①～⑤小層厚約40 m，又稱下部氣層；⑥～⑨小層厚約50 m，稱為上部氣層。

涪陵地區(qū)探井分析化驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，五峰組—龍馬溪組龍一段上下部氣層脆性礦物含量差異不大，上部氣層為51.84%～59.60%，下部氣層為57.8%～69.68%(按照能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“NB/T 14001-2015頁巖氣藏描述技術(shù)規(guī)范”同屬于Ⅰ類)，表明上、下部頁巖自身可壓裂性相當(dāng)。那么針對(duì)頁巖含氣性影響因素的研究就顯得尤為重要，目前的研究主要集中在五峰組—龍馬溪組龍一段下部氣層，對(duì)龍一段上部頁巖層段的研究相對(duì)較少，缺乏針對(duì)上部氣層孔隙特征的研究。

本次選取涪陵地區(qū)頁巖巖心樣品，通過開展氬離子拋光掃描電鏡、高壓壓汞分析和氮?dú)馕降确治?，系統(tǒng)獲取整個(gè)五峰組—龍馬溪組龍一段頁巖的孔隙分布特征，對(duì)比上、下部頁巖孔隙發(fā)育特征的差異性，明確涪陵地區(qū)頁巖段縱向孔隙發(fā)育的非均質(zhì)性；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試結(jié)果，初步明確孔隙特征對(duì)含氣量的影響，分析上部氣層含氣性有利層位，為下步頁巖氣的開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

涪陵地區(qū)地理位置位于重慶市涪陵區(qū)，構(gòu)造位置屬川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜。川東高陡褶皺帶西以華鎣山斷裂為界，東以齊岳山斷裂為界，北與秦嶺褶皺帶相接，整體表現(xiàn)為“侏羅山式”褶皺，涪陵地區(qū)總體表現(xiàn)為“隔檔式”褶皺樣式，背斜狹窄緊閉，向斜平緩寬闊[6-8]。

涪陵地區(qū)頁巖氣勘探的目的層段是五峰組—龍馬溪組龍一段，其中五峰組厚度較薄，一般為4～6 m，巖性主要為灰黑色含黏土硅質(zhì)頁巖；龍馬溪組龍一段厚度為80～100 m，巖性以灰黑色、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖、含黏土硅質(zhì)頁巖和黏土質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖為主，頁理縫發(fā)育，筆石化石豐富，見較多硅質(zhì)放射蟲及少量硅質(zhì)海綿骨針等化石，含氣頁巖段普遍見黃鐵礦條帶及分散狀黃鐵礦晶粒，總體反映缺氧、滯留的深水陸棚環(huán)境沉積[9]。

上、下部氣層在巖性、有機(jī)質(zhì)豐度、孔隙度和含氣性等方面差異明顯：涪陵地區(qū)上部氣層巖性主要為黏土頁巖，有機(jī)碳含量中—低(w(TOC)=1.0%～2.0%)、中高孔(孔隙度在2.0%～4.0%)、含氣量相對(duì)較低(3～5 m3/t)；下部氣層巖性主要為硅質(zhì)頁巖，有機(jī)碳含量高(w(TOC)=3%～4%)、高孔為主(孔隙度3.0%～5.0%)、含氣量高(4～7 m3/t)。

2 孔隙特征

2.1 孔隙類型

從巖心觀察和氬離子拋光掃描電鏡觀察結(jié)果來看，涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖孔隙主要為納米級(jí)的孔隙，包括少量微米級(jí)的孔隙，根據(jù)孔隙成因可將孔隙進(jìn)一步劃分為有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)孔隙(黏土孔隙和碎屑孔隙)。

從氬離子拋光掃描電鏡觀察結(jié)果來看，下部孔隙發(fā)育，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔為主，平面上呈圓形、橢圓形及不規(guī)則形狀；有機(jī)質(zhì)孔隙的孔徑跨度較大，從納米級(jí)到微米級(jí)均有發(fā)育，以150～450 nm為主，按國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(以下簡(jiǎn)稱IUPAC)分類，屬于中孔和大孔級(jí)別，有機(jī)質(zhì)表面有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度高，多呈蜂窩狀(圖1a)。

上部氣層孔隙發(fā)育程度較下部氣層低，孔隙類型主要為層間殘余的微裂隙、粉砂顆粒邊緣殘余的微裂隙和黏土礦物片層間發(fā)育的納米級(jí)微孔隙；其次為有機(jī)質(zhì)碎屑內(nèi)部發(fā)育的孔隙，有機(jī)質(zhì)孔多小于100 nm，屬于中孔和大孔級(jí)別。

2.2 孔隙構(gòu)成

研究表明，涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組含氣頁巖段總孔隙體積由黏土礦物束縛水孔隙體積和含氣孔隙體積組成，含氣孔隙體積又可以細(xì)分為有機(jī)孔隙體積和碎屑孔、縫體積。頁巖總孔隙度與密度、聲波、中子等測(cè)井曲線具有較好的相關(guān)性；束縛水孔隙度與黏土礦物含量呈正相關(guān)。利用五峰—龍馬溪組180塊樣品物性分析測(cè)試結(jié)果，分別建立了總孔隙度與密度、聲波、中子的多元線性回歸方程(式(1))，以及束縛水孔隙度與黏土礦物含量的相關(guān)關(guān)系(式(2))，有機(jī)孔隙度與TOC的關(guān)系(式(3))等：

圖1 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁A井五峰組—龍馬溪組一段上、下部氣層孔隙類型

POR總=0.156AC+0.093CNL-4.12DEN+1.906

(1)

POR束縛=0.097V黏土-3.128

(2)

POR有機(jī)=1.359 4w(TOC)-0.104 1

(3)

POR碎屑=POR總-POR有機(jī)-POR束縛

(4)

POR總=POR有機(jī)+POR碎屑+POR束縛

(5)

式中：POR總為總孔隙度；POR有機(jī)為有機(jī)孔隙度；POR碎屑為碎屑孔隙度；POR束縛為黏土束縛水孔孔隙度；DEN為密度測(cè)井值；AC為聲波測(cè)井值；CNL為中子測(cè)井值；V黏土為黏土礦物含量。

平面上選取涪陵地區(qū)不同位置的6口探井開展測(cè)井解釋。結(jié)果表明：自上而下有機(jī)質(zhì)孔隙所占孔隙體積百分比逐漸增加；平面上下部頁巖段以有機(jī)質(zhì)孔隙為主，普遍占到總孔隙體積的50%以上，上部氣層段有機(jī)質(zhì)孔隙占比較低，平均為30.4%～35.4%，以無機(jī)孔隙為主(表1)。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.3.1 高壓壓汞法

高壓壓汞曲線形態(tài)可以反映頁巖孔隙的發(fā)育特征[9-10]。高壓壓汞法測(cè)試的孔隙直徑范圍為大于3.6 nm，主要對(duì)中孔和大孔進(jìn)行表征。通過對(duì)研究區(qū)焦頁B井巖心樣品測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段壓汞曲線主要存在2種類型：

(1)Ⅰ型巖石毛管壓力曲線(圖2a)。該類樣品孔隙度低，平均為3.3%；排驅(qū)壓力大，主要分布在18.14～51.71 MPa，平均31.65 MPa；分選系數(shù)小，平均為0.002；巖石毛管壓力曲線呈現(xiàn)“單峰”特征；孔喉直徑以8～32 nm為主，平均孔喉直徑為13.2 nm，屬中孔級(jí)別，8～32 nm孔隙對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)占到67.92%～100%，平均為88.77%(表2)。

(2)Ⅱ型巖石毛管壓力曲線(圖2b)。該類樣品孔隙度低，平均為1.9%，與Ⅰ型相比，該類型曲線上為較低壓力下開始進(jìn)汞，進(jìn)汞曲線為上升直線；排驅(qū)壓力小，主要分布在0.12～3.14 MPa，平均僅0.78 MPa；分選系數(shù)大，平均為0.371；巖石毛管壓力曲線呈現(xiàn)不明顯的“雙峰”特征；Ⅱ型巖石孔隙直徑包括中孔、大孔和微裂隙，中孔孔隙直徑以8～32 nm為主，大孔和微裂隙孔徑較大，達(dá)0.6～8 μm，且大孔和微裂隙對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)大，孔徑為2～8 μm的大孔以及微裂隙對(duì)滲透率的貢獻(xiàn)占到85.83%～98.36%，平均為94.33%(表2)。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段以Ⅰ型為主，上、下部氣層均有發(fā)育；Ⅱ型較少，且主要發(fā)育在上部氣層，下部氣層少見。反映總體上五峰組—龍馬溪組龍一段基質(zhì)孔隙較均質(zhì)，局部發(fā)育大孔和微裂隙，有利于頁巖氣的流動(dòng)和采出。

2.3.2 液氮吸附法

(1)液氮吸附—脫附曲線。涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖段上、下部氣層液氮吸附—脫附曲線特征類似，在相對(duì)壓力0.2～0.8的區(qū)域吸附量隨相對(duì)壓力的增高而增加，吸附曲線相對(duì)平坦，在該階段發(fā)生多分子層吸附；在相對(duì)壓力大于0.8后液氮吸附量急劇增加，發(fā)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。液氮吸附—脫附曲線存在明顯的吸附回線，兼有IUPAC分類體系中H2型和H3型吸附回線類型的特征，分析認(rèn)為孔隙屬于細(xì)頸廣口的墨水瓶型孔隙。

(2)孔隙體積。以焦頁B井為例，41塊樣品分析測(cè)試結(jié)果：五峰組—龍馬溪組龍一段頁巖的孔體積為0.016～0.027 mL/g，平均為0.02 mL/g，上、下部氣層孔隙體積差異較大(圖3a)。下部氣層孔體積略大，基本大于0.02mL/g；上部氣層主要分布在0.016～0.02 mL/g。不同孔徑所占的比例不同，其中中孔所占比例最大，平均為47.86%，其次為微孔，約占33.44%，大孔所占比例最小，約占18.70%，反映中孔、微孔對(duì)孔體積值貢獻(xiàn)較大。

表1 四川盆地涪陵地區(qū)6口探井有機(jī)質(zhì)孔隙體積百分比分層統(tǒng)計(jì)

圖2 四川盆地涪陵地區(qū)2種不同類型巖石毛管壓力曲線

主要參數(shù)Ⅰ型毛管壓力曲線Ⅱ型毛管壓力曲線孔隙度/%1．1～4．8/3．31．4～2．5/1．9排驅(qū)壓力/MPa18．14～51．71/31．650．12～3．14/0．78分選系數(shù)0．001～0．003/0．0020．018～0．749/0．371孔喉直徑/nm8．0～32．0/13．258．8～1477．4/717．04對(duì)滲透率主要貢獻(xiàn)孔隙直徑范圍/nm8～502000～8000

注：表中分式的意義為：最小值～最大值/平均值

圖3 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁B井頁巖孔隙體積和比表面積縱向分布

(3)比表面積。焦頁B井五峰組—龍馬溪組龍一段頁巖的BET比表面積為11.96～29.71 m2/g，平均為18.22 m2/g?？傮w上自下而上比表面積逐漸降低，與孔隙體積變化規(guī)律一致(圖3b)。下部氣層孔BET比表面積基本大于20 m2/g，上部氣層主要分布在12～20 m2/g。研究發(fā)現(xiàn)，孔體積和比表面積的相關(guān)關(guān)系良好(圖4)，反映了微孔是頁巖比表面積的主要貢獻(xiàn)者，構(gòu)成了氣體吸附的主要空間。

3 上部氣層含氣性評(píng)價(jià)

3.1 孔隙特征對(duì)含氣性的影響分析

眾多學(xué)者研究認(rèn)為，孔隙類型、孔隙度、孔隙比表面積和孔隙體積對(duì)頁巖含氣性影響較大[11-18]。有機(jī)質(zhì)中普遍發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，頁巖有機(jī)碳含量高低在很大程度上決定了有機(jī)質(zhì)孔面孔率的大小，從而會(huì)對(duì)頁巖含氣量產(chǎn)生影響；頁巖孔隙度對(duì)吸附氣和游離氣均有影響，頁巖孔隙度越大，頁巖總含氣量越高；頁巖孔隙比表面積和孔隙體積主要影響吸附氣量，在很大程度上會(huì)影響頁巖的吸附氣儲(chǔ)集能力。

圖4 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁B井頁巖比表面積與孔隙體積相關(guān)關(guān)系

涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段頁巖上、下部氣層孔隙特征差異較大，表明其縱向非均質(zhì)性較強(qiáng)。以焦頁B井為例，下部氣層有機(jī)碳含量高，平均為3.39%，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔為主，孔隙度主要分布在3.13%～4.45%，孔體積大于0.02 mL/g，BET比表面積基本大于20 m2/g，含氣量平均為5.65 m3/t；上部氣層有機(jī)碳含量低，平均為1.5%，孔隙類型主要為微裂隙、黏土礦物孔，其次為有機(jī)質(zhì)碎屑內(nèi)部發(fā)育的孔隙，孔隙度主要分布在1.68%～2.1%，孔體積主要分布在0.018～0.02 mL/g，比表面積主要為12～20 m2/g，實(shí)測(cè)含氣量平均為3.71 m3/t(圖3，表3)。分別統(tǒng)計(jì)有機(jī)碳含量、孔隙度、孔隙體積、孔隙比表面積和含氣量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳含量與含氣量相關(guān)關(guān)系最好，其次為孔隙度和BET比表面積；孔隙體積和含氣量相關(guān)性略差，可能與頁巖以納米孔為主，孔隙體積差異較小所致(圖5)。

3.2 上部氣層含氣性優(yōu)選

目前，涪陵頁巖氣田下部氣層的開發(fā)進(jìn)展順利，為進(jìn)一步擴(kuò)大示范區(qū)建設(shè)陣地，夯實(shí)產(chǎn)建區(qū)資源基礎(chǔ)，上部氣層的含氣性優(yōu)選工作就顯得尤為重要。

前述研究初步優(yōu)選出有機(jī)碳含量、孔隙度和BET比表面積是影響含氣性的主要因素。以此為基礎(chǔ)，分小層統(tǒng)計(jì)上部⑥～⑨小層的有機(jī)碳含量、孔隙度、孔隙比表面積。結(jié)果表明，⑧小層有機(jī)碳含量高、比表面積大、孔隙度高，為上部氣層含氣性最好層段；⑥和⑦小層有機(jī)碳含量較高，比表面積、孔隙度較大，為上部氣層含氣性較好層段；⑨小層含氣性最差(圖6)。

4 結(jié)論

表3 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁B井五峰—龍馬溪組龍一段頁巖孔隙特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖6 四川盆地涪陵地區(qū)焦頁A、B、E井上部氣層頁巖有機(jī)碳含量、氦氣法孔隙度、BET比表面積對(duì)比

(1)涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段可進(jìn)一步細(xì)分為上、下部氣層，上、下部氣層在孔隙類型、有機(jī)質(zhì)豐度、孔隙度、孔徑、孔隙比表面積等方面差異明顯。下部氣層有機(jī)碳含量高，孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔為主，孔體積基本大于0.02 mL/g，BET比表面積基本大于20 m2/g；上部氣層有機(jī)碳含量低，孔隙類型主要為微裂隙、黏土礦物孔，其次為有機(jī)質(zhì)碎屑內(nèi)部發(fā)育的孔隙，孔體積主要分布在0.016～0.02 mL/g，比表面積主要為12～20 m2/g。

(2)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段頁巖有機(jī)碳含量與含氣量相關(guān)關(guān)系最好，其次為BET比表面積和孔隙度；孔隙體積和含氣量相關(guān)性略差，可能與頁巖以納米孔為主，孔隙體積差異較小有關(guān)。

(3)涪陵地區(qū)上部氣層具備較好的開發(fā)潛力，其中⑧小層有機(jī)碳含量高、比表面積大、孔隙度高，為上部氣層含氣性最好層段；⑥和⑦小層有機(jī)碳含量較高，比表面積、孔隙度較大，為上部氣層含氣性較好層段；⑨小層含氣性最差。

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