涪陵氣田焦石壩區(qū)塊頁巖氣儲層儲集空間特征及其定量評價

王燕，馮明剛，魏祥峰，嚴偉，劉帥，王建波

（中國石化勘探分公司勘探研究院）

涪陵氣田焦石壩區(qū)塊頁巖氣儲層儲集空間特征及其定量評價

王燕，馮明剛，魏祥峰，嚴偉，劉帥，王建波

（中國石化勘探分公司勘探研究院）

四川盆地涪陵氣田焦石壩區(qū)塊上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段海相頁巖氣儲層是由孔隙和裂隙組成的雙孔隙巖層。為確定儲層的含氣量和產出能力，應用頁巖氣測井評價技術對儲層的孔隙度和滲透率進行了定性認識，并提出了定量評價方法。認為用“經驗統(tǒng)計法”可以有效計算出頁巖氣儲層的孔隙度，但由目前的測井評價技術所得到的滲透率僅能反映儲層滲透率的變化趨勢。

頁巖氣；頁巖儲層；儲集層特征；孔隙度；滲透率；定量評價；涪陵氣田

近年來，隨著國內外頁巖氣勘探開發(fā)的不斷深入，急需解決頁巖氣儲層儲集空間的定性認識及定量評價這一難題［1-3］。已有不少研究者對頁巖氣的儲集特征和評價方法作了大量分析研究，如蔣裕強等［4］將四川盆地海相黑色頁巖的儲滲空間分為基質孔隙與裂縫兩類，基質孔隙又分為無機孔隙和有機孔隙；潘仁芳等［5］提出了利用最優(yōu)化多礦物解釋模型，聯(lián)合聲波、密度、中子等測井技術計算頁巖含烴量的方法；張晉言等［6-8］提出了頁巖礦物組分和“五性”（含量、物性、含油氣性、地化屬性、可壓性）指標的計算方法以及泥頁巖巖相的測井識別與評價方法，并全面介紹了頁巖油氣測井評價體積模型，認為頁巖油含油體積除主要取決于孔隙度大小以外，還與有機碳含量、游離烴含量等呈正相關；張作清等［9］介紹了頁巖儲氣層中礦物組分、孔隙度、滲透率、飽和度及總有機碳含量等參數的計算模型；王新龍等［10］論及了利用最優(yōu)化解釋模型計算黏土、碳酸鹽、長石、石英、石膏等礦物的含量以及利用巖石力學參數評價儲層有效性的分析方法?？偟目磥恚叭说难芯砍晒写嬖诓幻鞔_性，且大都不是針對海相頁巖儲氣層的。

本次研究以四川盆地涪陵氣田焦石壩區(qū)塊的奧陶系上統(tǒng)五峰組—志留系下統(tǒng)龍馬溪組一段的海相頁巖儲氣層為靶區(qū)，以研究區(qū)內4口參數井的2449個（計46類）巖心分析數據為基礎，開展頁巖氣儲集空間類型及特征的定性認識，并應用頁巖氣測井評價技術對儲集空間進行定量評價。

1　儲集空間類型及特征

頁巖氣在儲層中的儲集方式不同于常規(guī)油氣，頁巖氣主要是以吸附狀態(tài)賦存于儲層微孔隙的內表面上，僅有少量氣體是以游離狀態(tài)存在于頁巖的孔隙和微裂隙中［11-15］。本次研究表明，焦石壩五峰組—龍馬溪組頁巖氣層是一種雙孔隙巖層，即由孔隙和裂隙兩類儲集空間組成，其儲集空間的大小、形態(tài)、連通性等因素決定了儲氣層的儲集條件和氣體產出能力。

1.1儲集空間類型

應用氬離子拋光掃描電鏡顯微技術（SEM）可對頁巖儲集空間進行高分辨率觀察，因而適用于納米級孔隙的研究［16］。應用該技術在焦石壩頁巖氣儲層中識別出的孔隙類型主要有有機質孔、黏土礦物粒間孔、晶間孔、次生溶蝕孔；微裂縫主要有礦物或有機質內部縫、礦物或有機質顆粒邊緣縫。

1.1.1孔隙

有機質孔孔徑主要介于2～300nm之間，平面上通常為似蜂窩狀的不規(guī)則橢圓形（圖1a）。有機質孔的發(fā)育程度與有機質的類型和演化程度密切相關。研究發(fā)現(xiàn)，有機質孔與其他孔隙主要有三點不同：①多為納米級孔徑的孔隙，可為頁巖氣的吸附和儲集提供更多的比表面積和孔隙容積；②在有機質中生成，有機質的含量多少同有機孔的豐富程度呈正相關關系；③有機質孔具有親油性，更有利于頁巖氣的吸附和儲集?？傊?，這類孔隙非常有利于頁巖油氣的賦存。

黏土礦物粒間孔黏土礦物是頁巖的主要組成成分，黏土礦物粒間往往發(fā)育有大量微孔隙，因而，黏土礦物的賦存有利于頁巖氣的聚集［17-18］。焦石壩區(qū)塊頁巖氣儲層中黏土礦物間的微孔，多呈現(xiàn)為微小裂隙，寬度一般小于1 μm，不均勻地分布于片狀黏土礦物（主要為伊利石）周緣（圖1b）。

晶間孔在焦石壩區(qū)塊頁巖氣層的含放射蟲碳質筆石頁巖樣品中，黃鐵礦含量豐富。通過SEM鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，草莓狀黃鐵礦集合體直徑多在3～6μm，黃鐵礦晶粒間往往存在一定數量的納米級孔隙，孔徑在20～200nm（圖1c）。平鋪狀的黃鐵礦顆粒間同樣也存在這種類型的孔隙。

次生溶蝕孔又可分為長石表面次生粒內溶蝕孔（圖1d）和方解石次生粒間溶蝕孔（圖1e）兩類。前者的孔徑主要在0.05～2μm；后者的孔徑相對較大，主要在1～20μm。

圖1　　涪陵氣田焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層儲集空間類型及特征

1.1.2微裂縫

微裂縫可分為礦物內部微裂縫和礦物顆粒邊緣微裂縫兩類，一般出現(xiàn)于片狀礦物中。片狀礦物的內部微裂縫（圖1f）和邊緣微裂縫（圖1g）一般比較平直，少量裂縫有輕微彎曲，多數未見膠結物充填，裂縫寬度主要介于0.02～1μm，而裂縫長度一般與片狀礦物長度有關。脆性礦物的內部微裂縫（圖1h）多具有一定的弧度，部分呈近平行狀或羽列狀連續(xù)排列分布，縫寬0.01～1 μm；脆性礦物的顆粒邊緣微裂縫（圖1i）常呈鋸齒狀彎曲，甚至圍繞礦物顆粒彎曲成一圈，微裂縫寬度一般在0.02～2μm。

1.2孔隙連通性

應用數字巖心構建及孔隙結構分析實驗技術（FIB-SIM）能夠實現(xiàn)用同一巖心做模擬多種物理屬性的實驗，并測出常規(guī)實驗難以測量的物理量，這極大地豐富和拓展了常規(guī)巖石物理實驗的能力，對分析頁巖氣層的孔隙空間展布等具有重大意義。

本次研究采用最大球法計算得到焦石壩五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層的數字巖心孔隙網絡模型（圖2）。從圖2中可以較為直觀地看出巖心樣a和b的孔隙拓撲結構信息。采用5000體素點作為最小的簇，通過孔隙連通性分析可知：巖心樣a共有143個孔隙簇，包含的體素個數大于等于5 000（圖2a）；巖心樣b共有205個孔隙簇，包含的體素個數大于等于5000（圖2b）。經過成簇算法處理后的數字巖心孔隙空間，已經可識別出孔隙和喉道；進行孔隙空間分割后，數字巖心的孔隙空間被分成了孔隙部分和喉道部分?？紫秴档挠嬎憬Y果（圖2）表明，兩類孔隙空間的連通性均較差。

上述分析表明，在開發(fā)焦石壩頁巖氣時，需選擇優(yōu)質頁巖氣層作為側鉆水平井的水平段靶窗，迅速實施側鉆水平井并開展壓裂改造，使儲層空間能最大限度地連通，以取得較大產能。

圖2　　焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層數字巖心孔隙網絡模型

1.3孔隙度和滲透率

1.3.1巖心柱塞樣氦氣法孔滲特征

經對228個氦氣法巖心柱塞樣品的物性分析統(tǒng)計，焦石壩頁巖氣儲層的巖心孔隙度分布在1.17%～8.61%之間，平均為4.87%，其中，孔隙度在2%～5%的樣品占總樣的52.6%，孔隙度在5%以上的樣品占總樣的46.5%。巖心滲透率分布為（0.0011～335.2）× 10-3μm2，平均為1.12×10-3μm2，其中滲透率小于1× 10-3μm2的樣品占43.4%，滲透率在（1～10）×10-3μm2和（10～100）×10-3μm2兩個區(qū)間的樣品分別占總樣品數的27.6%和21.9%。

1.3.2巖心全直徑樣氦氣法孔滲特征

根據19個全直徑巖心樣品的孔滲實驗資料，焦石壩頁巖氣儲層的全直徑孔隙度分布在4.59%～8.06%之間，平均為5.97%；全直徑水平滲透率分布在（0.1307～1.2674）×10-3μm2，平均為0.4908×10-3μm2；垂直滲透率分布在（0.0257～0.3055）×10-3μm2，平均為0.1539×10-3μm2。

綜上所述，焦石壩五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層主要為低孔—中孔、特低滲—低滲的孔隙型儲層。

2　儲集空間定量評價

2.1孔隙度計算

本次研究的頁巖氣儲層孔隙度計算，采用的是以巖心實驗分析為基礎，應用頁巖氣測井評價技術，分別形成“經驗統(tǒng)計法”、“多元擬合法”和“混合骨架密度法”的計算模型，然后通過模型優(yōu)選和精度分析，最終得出較為準確的孔隙度定量評價方法。

2.1.1經驗統(tǒng)計法

經驗統(tǒng)計法是應用氦氣法巖心分析得出的孔隙度值，分別與測井曲線值作相關性分析（相關性分析圖省略，所獲結果見表1），并從中選擇具有最佳相關系數（r）的測井曲線值，然后應用數理統(tǒng)計方法可擬合得到孔隙度（φ）和相關最佳測井曲線值（Δt）的一元線性方程（式1），由此建立評價頁巖氣儲層孔隙度的計算模型。從表1可知，具有最佳r值的是聲波時差（AC）值。將頁巖氣儲層的AC值作為最佳測井值（Δt）代入（1）式，即可求得頁巖氣儲層的孔隙度值。

式中：φ——孔隙度，%；

Δt——相關性最佳的測井值，取無量綱；

a，b——區(qū)域經驗系數①區(qū)域經驗系數——利用研究區(qū)重點井巖心實驗分析等資料，采用最小二乘擬合法求得，a＝-10.619，b＝0.198。

表1　　測井曲線值與孔隙度實驗數據的相關系數統(tǒng)計表

2.1.2多元擬合法

多元擬合法是利用三類孔隙度曲線 （聲波、密度、中子曲線），應用數理統(tǒng)計方法擬合得到多元線性方程（式2），由此建立評價頁巖氣儲層孔隙度的計算模型：

式中：φ——孔隙度，%；

Δt——聲波時差測井值，取無量綱；

ρ——密度測井值，取無量綱；

φCNL——中子測井值，取無量綱；

a，b，c，d——區(qū)域經驗系數①，a＝1.906，b＝0.156，c＝－4.12，d＝0.093。

2.1.3混合骨架密度法

混合骨架密度法是以元素俘獲測井資料為基礎，首先將測得的元素含量轉化為礦物含量，然后利用巖心資料得出的地層巖石混合骨架值以及與其對應的元素測井值，建立元素俘獲測井資料計算混合骨架值的模型公式，最終，計算不同深度點地層的混合骨架值，進而求得地層的孔隙度值。

利用巖心分析、氦氣法孔隙度分析及元素俘獲測井資料，應用數理統(tǒng)計方法擬合得到多元線性方程（式3），建立起巖石骨架密度與各元素含量間的關系式：

式中：ρma——巖石混合骨架密度，g/cm3；

DAl，DCa，DFe，DSi，DS——元素俘獲測井測得的鋁、鈣、鐵、硅和硫的元素含量，%；

a，b，c，d，e，f——區(qū)域經驗系數①，a=3.729，b＝2.965，c＝－1.579，d＝－2.702，e＝0.609，f＝-0.822。

應用密度測井計算孔隙度方法計算的儲層總孔隙度值可表達為：

式中：φt——由密度測井計算的總孔隙度，%；

ρma——巖石混合骨架密度，g/cm3；

ρb——密度測井值，g/cm3；

ρf——孔隙流體密度，g/cm3。

2.1.4模型優(yōu)選及精度分析

利用研究區(qū)巖心分析資料對測井的解釋結果進行刻度，最終確定從以上三種計算法中優(yōu)選出了“經驗統(tǒng)計法”來計算孔隙度。應用該方法完成了研究區(qū)3口頁巖氣井孔隙度的精細解釋，并利用巖心實驗資料進行精度評價。

根據巖心分析孔隙度與測井計算孔隙度的對比分析（表2）可知，3口井的測井計算孔隙度與巖心分析孔隙度之間具有較好的對應性和正相關關系，相關系數（r）在0.778～0.856之間，孔隙度平均差值在-0.4%～0.065%之間，孔隙度平均相對誤差在1.43%～7.6%之間。

表2　　焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層巖心分析與測井計算孔隙度誤差分析表

綜合上述分析認為，測井計算與巖心分析孔隙度具有較高的吻合程度。

2.2滲透率計算

由于頁巖氣儲層在儲集空間特征等方面與碎屑巖儲層或碳酸鹽巖儲層存在明顯差異，故本次研究分別選用“孔滲關系法”和“Timur公式法”對研究區(qū)頁巖氣儲層的滲透率計算方法進行了探索性研究。

2.2.1孔滲關系法

巖心柱塞樣孔滲關系法應用焦石壩五峰組—龍馬溪組一段頁巖的巖心柱塞樣物性分析資料，應用數理統(tǒng)計方法（r=0.702 5）擬合得到非線性方程（式5），由此建立起研究區(qū)頁巖氣儲層滲透率計算模型，計算公式為：

式中：K——絕對滲透率，×10-3μm2；

φ——孔隙度，%。

需要注意的是：由于樣品點少，巖心樣的φ值大多集中在5%～8%之間，也即相應的K值在（1～100）× 10-3um2之間，因此，本方法對于φ值低于5%的儲層是否具有適用性尚難以確定。

巖心全直徑樣孔滲關系法采用巖心全直徑樣品，可避免取柱塞樣時人為產生的微裂縫，因而能夠較為客觀地反映頁巖在地下的真實的滲透率特征。本次研究以巖心全直徑樣品孔滲分析資料為基礎，應用數理統(tǒng)計方法（r=0.776 3）擬合得到非線性方程（式6），由此建立起滲透率計算模型：

式中：K——絕對滲透率，×10-3μm2；

φ——孔隙度，%。

需要注意的是：①本方法計算得到的滲透率主要表征基質滲透率；②樣品點的全直徑孔隙度φ值分布在4.59%～8.06%之間，也即相應的K值在（0.130 7～1.267 4）×10-3μm2之間，因此，本方法對于全直徑樣品φ值低于4.5%或大于8%的儲層是否具有適用性尚難以確定。

2.2.2Timur公式法

在沒有更多資料可建立研究區(qū)頁巖儲層滲透率計算模型的情況下，可采用Timur公式來計算地層絕對滲透率。計算公式如下：

式中：K——絕對滲透率，×10-3μm2；

φ——孔隙度，%；

Siw——束縛水飽和度，%。

根據利用研究區(qū)頁巖巖心分析資料對測井解釋結果進行刻度的情況，用測井方法計算滲透率的精度較低，僅能達到反映儲層滲透率變化趨勢的程度。分析其原因可知，研究區(qū)的頁巖儲層具有復雜性和非均質性，影響滲透率的因素眾多，而現(xiàn)有的測井計算模型難以囊括所有影響因素。

2.3裂縫評價

通過對巖心中發(fā)育的裂縫進行統(tǒng)計分析，焦石壩五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣儲層中主要發(fā)育有高角度縫和水平縫兩類裂縫，其中高角度縫還包括斜交縫和垂直縫，水平縫還包括頁理縫和滑動縫。在五峰組中可觀察到縫長20～150mm的垂直縫；水平縫多貫穿巖心，其中除了見到發(fā)育有頁理縫外，還觀察到較發(fā)育的滑動縫；在裂縫面見到明顯的鏡面和擦痕現(xiàn)象；裂縫寬度以0.5～1.0mm居多，最寬可達6mm。龍馬溪組一段的裂縫密度主要介于0.1～4條/m，但在五峰組裂縫密度較大，可達到20～30條/m。裂縫多被方解石充填，另外還可見到少量瀝青、泥質、黃鐵礦等充填物的半充填或完全充填。高角度縫和水平縫這兩類裂縫，在五峰組—龍馬溪組一段局部同時發(fā)育，從而形成了相對發(fā)育的裂縫網絡。

3結論

（1）涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊的上奧陶統(tǒng)頁巖氣儲層是一種雙孔隙巖層，由孔隙和裂隙組成。孔隙類型主要有有機質孔、黏土礦物粒間孔、晶間孔和次生溶蝕孔。

（2）利用頁巖氣測井評價技術，分別選用“經驗統(tǒng)計法”、“多元擬合法”和“混合骨架密度法”對頁巖氣儲層孔隙度進行定量評價，通過模型優(yōu)選及精度分析，最終選用“經驗統(tǒng)計法”計算孔隙度。對頁巖氣儲層滲透率的定量評價方法進行初步探索，發(fā)現(xiàn)目前的測井評價技術所得到的滲透率僅能反映儲層滲透率的變化趨勢。

（3）孔隙和裂隙的大小、形態(tài)和連通性等，決定了頁巖氣儲層的儲集條件和產出能力。

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編輯：趙國憲

Wang Yan：Petroleum Geology Engineer.Add：Research Institute of SINOPEC Exploration Branch Company，688 Jitai Rd.，Chengdu，Sichuan，610041，China

Reservoir Space Characteristics and Quantitative Evaluation of Shale Gas Reservoir at Jiaoshiba Area in Fuling Gas Field

Wang Yan，F(xiàn)eng Minggang，Wei Xiangfeng，Yan Wei，Liu Shuai，Wang Jianbo

Upper Ordovician Wufeng to Lower Silurian Longmaxi Member-1 marine shale gas reservoir is developed at Jiaoshiba area of Fuling Gas Field，Sichuan Basin.The reservoir shale is of rich pores and crevices as well as fractures that are favorable to gas accumulation.On account of applying the logging evaluation technique，microscopic characteristics of shale reservoir space（porosity and permeability）is qualitatively revealed and some methods of quantitative evaluation of reservoir space are introduced in order to ascertain gas content and deliverability.It is outlined that although the porosity of shale gas reservoir can be counted out by the experienced statistical method，the permeability taken by the logging evaluation technique only reflects a change trend of it in shale reservoir.

Shale gas；Shale reservoir；Reservoir characteristics；Porosity；Permeability；Quantitative evaluation；Fuling Gas Field；Sichuan Basin

沉積·儲層

TE122.2

A

10.3969/j.issn.1672-9854.2016.01.005

1672-9854（2016）-01-0029-06

2015-05-27；改回日期：2015-07-13

本文受國家科技重大專項“上揚子及滇黔桂區(qū)頁巖氣資源調查評價與選區(qū)”（編號：14B12XQ151001）資助

王燕：女，1982年生，工程師。2008年畢業(yè)于西南石油大學并獲碩士學位。主要從事測井技術科研工作。通訊地址：610041四川省成都市高新區(qū)吉泰路688號中石化西南科研辦公基地；E-mail：daily09@qq.com