頁巖儲層含氣性評價及影響因素分析
——以涪陵頁巖氣田為例

劉 莉，包漢勇，李 凱，李 根，曾 勇，鄭愛維，熊紅麗

(1.中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223；2.湖北省創(chuàng)新協(xié)同中心，武漢 430100； 3.長江大學 地球科學學院，武漢 430100)

頁巖氣是指頁巖中有機質(zhì)生成氣后，未排出源巖層系，滯留在源巖層系中呈連續(xù)狀分布的氣藏。它是存在于富有機質(zhì)泥頁巖層段中具有商業(yè)性產(chǎn)出的天然氣。從全球不可再生能源勘探開發(fā)的現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，頁巖氣是最現(xiàn)實的油氣資源的重要接替資源之一[1]。我國頁巖氣資源潛力巨大，國土資源部組織完成的全國頁巖氣資源潛力評價，初步評價我國陸地可采頁巖氣資源量為25.08×1012m3，具有良好的發(fā)展前景[2-3]。2015年底涪陵國家級實驗區(qū)——涪陵頁巖氣田50億方產(chǎn)能的建成，預示著頁巖氣作為一種新型的綠色能源已經(jīng)進入商業(yè)開發(fā)階段[4]。

在頁巖氣資源評價過程中，如何快速評價泥頁巖的含氣性，國內(nèi)目前表征頁巖含氣性的指標繁多，直接指標包括氣測顯示、實測含氣量、含氣飽和度、測井解釋含氣量和地震解釋含氣量等，間接指標包括電阻率、孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙壓力等[5]。但受測試方法和復雜地質(zhì)條件的限制，每種方法表征含氣性都存在局限，如何較為準確地表征頁巖的含氣性仍需進一步探索。本文結(jié)合涪陵國家級實驗區(qū)的頁巖氣勘探開發(fā)的實例，總結(jié)了影響頁巖含氣性的地質(zhì)和工程因素，建立頁巖儲層含氣性評價指標體系，以期對我國的頁巖氣勘探開發(fā)工作有一定的指導作用。

1 頁巖含氣特殊性

頁巖氣儲層中是否含有工業(yè)價值天然氣是頁巖氣儲層研究的重要內(nèi)容之一。頁巖氣以游離氣、吸附氣和溶解氣3種方式賦存于頁巖儲層中，其中以游離氣和吸附氣為主，溶解氣少量[6-7]。在涪陵頁巖氣田的實際生產(chǎn)過程中，主要以游離氣和吸附氣為主，故此次研究主要考慮游離氣和吸附氣。

(1)吸附氣。吸附氣是指由于吸附作用吸附于有機質(zhì)和礦物顆粒表面的天然氣。吸附作用是指天然氣吸附于固體或者液體物質(zhì)表面上的作用。吸附方式分為物理吸附和化學吸附，兩者共同作用使頁巖完成對天然氣的吸附，但兩者處于主導優(yōu)勢的地位隨聚集條件以及頁巖和氣體分子等改變而發(fā)生變化。國內(nèi)學者認為氣體吸附于物質(zhì)表面時，其表面積越大吸附量越大，但有機質(zhì)較黏土礦物更有利于頁巖氣的吸附[8-10]。

(2)游離氣。游離氣是指由于擴散作用以游離態(tài)充填于頁巖層系的孔隙或裂縫中的天然氣。頁巖層系中3種賦存形式在地層環(huán)境發(fā)生變化時可互相轉(zhuǎn)換，當壓力增大時，吸附氣和溶解氣量相對增加，游離氣相對減小，直至達到動態(tài)平衡。本次研究主要使用核磁法測量總孔隙；含氣飽和度目前尚無可靠的測試方法，一般通過測井解釋計算得出結(jié)果。

2 含氣性影響因素

頁巖儲層具有滲透率低、非均質(zhì)性較強、礦物組分復雜等特點，所以影響頁巖含氣性的因素繁多。國內(nèi)對于含氣性定性評價的研究主要包括頁巖總有機碳含量、有機質(zhì)類型、有機質(zhì)成熟度等內(nèi)因，也包括頁巖埋深、地層壓力與溫度等外因。本次研究基于涪陵頁巖氣田的實際生產(chǎn)特征，優(yōu)選以下含氣性影響因素加以論述。

2.1 有機碳含量

有機碳含量用來反映頁巖的有機質(zhì)豐度，是頁巖氣成藏的主要控制因素之一。國內(nèi)外的測試結(jié)果亦表明有機質(zhì)含量與頁巖的含氣量存在較好的正相關(guān)性[11]。頁巖氣中的游離氣主要賦存于有機質(zhì)孔中，高有機碳含量的頁巖具有更多的孔隙空間，增大了游離氣的儲存空間(圖1)。對于甲烷氣體的吸附能力，有機質(zhì)遠高于無機質(zhì)等黏土礦物，隨著有機碳含量的增加，吸附氣的含量也增大(圖2)。通過建立五峰—龍馬溪組頁巖含氣量與TOC關(guān)系(圖3)，可以看出吸附氣、游離氣及總含氣量與TOC具有良好的正相關(guān)性。

圖1 四川盆地涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組TOC與孔隙度相關(guān)性分析

圖2 四川盆地涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組含氣頁巖段吸附氣量與TOC關(guān)系

圖3 四川盆地涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組總含氣量與TOC關(guān)系

2.2 孔隙度

儲集空間的大小是影響頁巖氣賦存狀態(tài)和含氣性的重要因素[12]。根據(jù)國際理論和應(yīng)用化學協(xié)會的孔隙分類[13]，直徑小于2 nm的孔隙為微孔，直徑2～50 nm的為中孔，直徑大于50 nm的為宏孔。目前普遍認為，由于頁巖儲層低滲透率，在致密的頁巖儲層中，微米—納米級的孔隙對頁巖氣的聚集、成藏起到了關(guān)鍵性的作用，且以吸附態(tài)存在，在宏孔及微裂縫中以游離態(tài)存在。

通過研究認為總含氣量、吸附氣含量與比表面積、總孔隙度均具有較好的正相關(guān)性(圖4)，而游離氣占比與比表面積、總孔隙度呈負相關(guān)性。研究認為頁巖孔隙多以微米—納米級孔隙為主，從JYA井統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)可以看到，隨著比表面積的增加，巖石對氣體的吸附能力增加，吸附氣的比例也相應(yīng)增加，游離氣的比例相應(yīng)減少[14]。同時當孔隙度增加時，增大的比表面積使氣體產(chǎn)生了解吸附作用，從而游離氣與比表面積、孔隙度均為負相關(guān)關(guān)系(圖5)。

2.3 礦物組分

對涪陵區(qū)塊JYB井的X衍射全巖分析結(jié)果顯示，五峰—龍馬溪組主力含氣頁巖段的硅質(zhì)含量均值為57.1%，黏土礦物含量為28.66%，碳酸鹽含量為10.8%，其余為3.44%；脆性礦物含量高，黏土礦物含量少(試驗樣品共38塊)。

國內(nèi)研究認為黏土礦物含量的增加能夠增加黏土礦物晶間孔、收縮縫等初級空間，且能夠明顯增大頁巖的比表面積，有利于吸附氣量和含氣量的提升[15]。通過建立JYA井含氣量與黏土礦物含量的關(guān)系可知，吸附氣和總含氣量與黏土礦物含量為負相關(guān)關(guān)系，游離氣量與黏土礦物含量為弱負相關(guān)關(guān)系(圖6a)。頁巖樣品黏土礦物含量總體較少，黏土礦物中蒙脫石的缺失造成黏土礦物對天然氣吸附能力大大降低，頁巖樣品中脆性礦物能夠誘使孔隙和裂縫的產(chǎn)生，有效提高了孔隙體積和比表面積[16-18]。由于礦物晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的差異導致礦物吸附性能的差異，頁巖主要礦物組分甲烷吸附能力實驗表明，各種礦物甲烷吸附量次序為蒙脫石>伊蒙混層>高嶺石>綠泥石>伊利石>粉砂巖>石英巖[19]。并非黏土礦物含量越高越好，黏土礦物含量高的頁巖塑性強，以形成平面裂縫為主，尤其是蒙脫石類膨脹性黏土，雖吸附性能好，但不利于頁巖體積改造。由于石英抗壓實能力強，石英顆?？蓸?gòu)成一個相對剛性格架，有利于孔隙的保存，因此，石英含量越高，孔隙度也越大，含氣量越高[19](圖6b)。

圖4 四川盆地涪陵地區(qū)JYA井含氣頁巖段含氣量與比表面積和孔隙度的關(guān)系

圖5 四川盆地涪陵地區(qū)JYA井含氣頁巖段游離氣量占比與比表面積和總孔隙度關(guān)系

圖6 四川盆地涪陵地區(qū)JYA井含氣頁巖段含氣量與硅質(zhì)和黏土含量關(guān)系

2.4 地層壓力和含水飽和度

富有機質(zhì)頁巖總含氣量隨壓力的增大而增加，吸附氣量對壓力的增大不敏感，壓力增大時吸附氣量基本保持不變；游離氣含量隨壓力的增大而增加，呈線性關(guān)系[20]。涪陵頁巖氣田泥頁巖埋深在2 000～4 500 m，對應(yīng)的地層靜水柱壓力大于10 MPa[21]。當壓力大于頁巖氣吸附量飽和壓力時，隨著壓力的增大，吸附氣量增加不明顯，而游離氣持續(xù)增加，游離氣占頁巖氣總含氣量的比重也越來越大。頁巖的含水飽和度越高，水所占的孔隙空間越大，在孔隙度一定的條件下，可供頁巖氣吸附的空間必然減少，因此，含水飽和度越高，吸附氣量越少[22]。

3 含氣性評價指標體系

表征含氣性的常用指標包括直接指標和間接指標。直接指標主要包括定性判斷的氣測顯示、定量判斷的實測含氣量以及實測含氣飽和度；間接指標主要包括孔隙度、電阻率和地層壓力等指標。從目前涪陵頁巖氣田開發(fā)實踐來看，本次研究優(yōu)選了2大類6項參數(shù)指標作為頁巖含氣性評價的主要參數(shù)。

3.1 直接指標

3.1.1 實測含氣量

從涪陵頁巖氣田實測含氣量的對比分析結(jié)果來看，雖然使用了相同的測試方法，在測試條件相同的前提下，各區(qū)塊導眼井實測含氣量與各區(qū)塊的頁巖原生品質(zhì)、保存條件的評價結(jié)果存在明顯矛盾。對比發(fā)現(xiàn)，隨著測試年代的推移，鉆井取心的工藝不斷完善，取心的速度逐年提升，取心過程中的損失氣量相應(yīng)減少，利用損失氣量推算的解析氣量隨之增加，這造成了新鉆井測試含氣量明顯高于老鉆井測試的含氣量。因此，實測含氣量作為目前國內(nèi)表征含氣性的主要直觀指標，在埋藏淺、構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)可以作為含氣性評價指標之一，但在構(gòu)造復雜區(qū)，損失氣量無法歸一化的條件下，就無法作為準確的含氣性評價指標。

3.1.2 含氣飽和度

含氣飽和度作為表征含氣性的指標參數(shù)之一，由于目前測試方法的精度局限，僅只能作為參考數(shù)據(jù)，可以基本反映含氣性變化的規(guī)律。含氣飽和度與含氣性呈正相關(guān)性，基本上能夠反映含氣性的縱橫向變化規(guī)律，但基于測試方法的多樣性(目前有核磁法、高溫蒸餾法，且不同測試單位蒸餾溫度存在一定差異)，導致含氣飽和度對頁巖含氣性的表征精度不足。

3.1.3 氣測顯示值

氣測錄井是油氣錄井中最為連續(xù)、直接、定量和有效的方法，能夠連續(xù)對鉆井液中的氣態(tài)烴類進行直接檢測，給出定量的數(shù)據(jù)，對于含氣性能給出較為準確的判斷，但是氣測顯示值的高低受到地質(zhì)因素和工程因素的多重影響。

雖然氣測顯示值受到諸多工程和地質(zhì)因素的影響，但是通過大量的單井統(tǒng)計(圖7)，涪陵區(qū)塊已測試井的氣測全烴顯示值與單井的無阻流量存在較好的正相關(guān)性，所以氣測顯示值可以作為涪陵地區(qū)表征頁巖含氣性的主要指標之一。

3.2 間接指標

3.2.1 孔隙度

整個涪陵地區(qū)巖心孔隙度的分析化驗工作由多家單位承擔，樣品的預處理方法存在差異性。氦氣法測試孔隙度有40%濕度烘干處理，導致孔隙中殘留束縛水不能完全排出；而同樣是真空條件下的氦氣法測試孔隙度，由于采用不同溫度烘干樣品，導致樣品中束縛水排出程度不同(圖8)，使后期分析化驗數(shù)據(jù)結(jié)果可對比性較差。目前采用同一平臺實驗室校正的測井解釋孔隙度來作為含氣性表征參數(shù)之一，與產(chǎn)能情況基本匹配。

3.2.2 壓力系數(shù)

圖7 四川盆地涪陵地區(qū)已測試井無阻流量與全烴值關(guān)系

圖8 四川盆地涪陵區(qū)塊導眼井不同測試方法孔隙度統(tǒng)計

圖9 四川盆地涪陵區(qū)塊已測試井無阻流量與壓力系數(shù)關(guān)系

地層壓力能較好地體現(xiàn)構(gòu)造上東西分帶的特征，烏江斷裂帶周緣壓力系數(shù)較低。存在的缺點為壓力系數(shù)資料獲取的成本高、耗時長，數(shù)據(jù)的準確性存在爭議；壓力系數(shù)的測量方式不同，有DST、微注入及投產(chǎn)前測靜壓等，數(shù)據(jù)的可對比性不強，僅能反映含氣性的變化趨勢(圖9)。隨著壓力系數(shù)的增大，產(chǎn)能增大趨勢明顯。

3.2.3 電阻率

電阻率大體上可以反映含氣性，但由于電阻率的測試受井筒條件、巖礦特征、流體性質(zhì)、測試儀器以及裂縫發(fā)育程度多重因素的影響，目前還沒有針對頁巖儲層較好的電阻率校正方法，因此電阻率雖然可以在一定程度上反映含氣性，但精度偏低。

4 應(yīng)用

根據(jù)涪陵頁巖氣田開發(fā)實踐，初步建立了頁巖含氣性評價標準體系(表1)，全烴值、孔隙度及壓力系數(shù)為主要的參考指標。當全烴大于10%，孔隙度大于3.5%，地層壓力系數(shù)大于1.3時，頁巖含氣性評價為Ⅰ類；當全烴為5%～10%，孔隙度為3%～3.5%，地層壓力系數(shù)為1.1～1.3時，頁巖含氣性評價為Ⅱ類；當全烴為小于5%，孔隙度小于3%，地層壓力系數(shù)為小于1.1時，頁巖含氣性評價為Ⅲ類。

表1 四川盆地涪陵頁巖氣田含氣性評價標準

表2 四川盆地涪陵頁巖氣田含氣性綜合評價

在此評價標準下，對涪陵頁巖氣田各區(qū)塊綜合評價認為：一期主體區(qū)、江東區(qū)塊及平橋區(qū)塊含氣性好；一期西南部及白濤區(qū)塊次之；白馬區(qū)塊和梓里場區(qū)塊較差(表2)。

5 結(jié)論

(1)頁巖含氣性受諸多因素影響，其中有機碳含量、巖石礦物組分和孔隙結(jié)構(gòu)及地層溫壓等為主要影響因素。

(2)基于涪陵頁巖氣田大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為有效開展頁巖含氣性的評價，優(yōu)選含氣性評價主要包括2大類6參數(shù)的評價指標(直接指標(實測含氣量、氣測顯示值和含氣飽和度)和間接指標(孔隙度、電阻率和地層壓力))的含氣性定性—半定量評價體系。

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