頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)主控因素分析
——以四川盆地涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖為例

方棟梁，孟志勇

(中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，武漢 433124)

涪陵地區(qū)位于揚(yáng)子板塊中南部、黔中隆起北緣的北部凹陷，上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積期，涪陵地區(qū)所在的中揚(yáng)子中西部地區(qū)整體處于相對(duì)安靜的深水陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育了一套暗色富硅質(zhì)、富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖[1](圖1)。近年來(lái)勘探證實(shí)，該套暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖為一套優(yōu)質(zhì)含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層，有機(jī)質(zhì)類型好(主要為Ⅰ型干酪根)，有機(jī)質(zhì)豐度高(TOC含量在2.54%)，熱演化程度適中(Ro為2.5%)，儲(chǔ)集性能好(孔隙度4.61%)，含氣豐度高(5～6 m3/t)，使得五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖成為四川盆地頁(yè)巖氣勘探熱點(diǎn)[2-3]。該套頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性平面分布具有較大差異，并在頁(yè)巖含氣性相似的區(qū)域，其頁(yè)巖氣單井測(cè)試產(chǎn)量也存在較大差異，頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)主控因素亟待深入研究。本文系統(tǒng)研究和闡述了頁(yè)巖氣富集和高產(chǎn)的基本地質(zhì)條件和主控因素，為研究區(qū)五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖氣藏的后續(xù)研究及開(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。

1 頁(yè)巖氣富集主控因素

頁(yè)巖氣富集是頁(yè)巖氣高產(chǎn)的基礎(chǔ)，頁(yè)巖氣與常規(guī)油氣的最大區(qū)別在于自生自儲(chǔ)，另外頁(yè)巖氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層中具備多種賦存狀態(tài)——溶解態(tài)、吸附態(tài)和游離態(tài)，因此，頁(yè)巖自身良好的生烴、儲(chǔ)氣能力是頁(yè)巖氣富集的重要基礎(chǔ)條件[4-5]。頁(yè)巖氣富集受總有機(jī)碳含量和微納米孔隙影響；良好的保存條件是頁(yè)巖氣得以保存的必要條件，也是頁(yè)巖氣井高產(chǎn)的有效保障。

1.1 有機(jī)碳含量

頁(yè)巖氣屬于典型的自生自儲(chǔ)氣藏，儲(chǔ)層的總有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層原生品質(zhì)的重要基礎(chǔ)參數(shù)。針對(duì)涪陵頁(yè)巖氣田的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，有機(jī)碳含量與含氣量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖2a)。此外，有機(jī)質(zhì)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層比表面積具有重要的貢獻(xiàn)。液氮吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，頁(yè)巖儲(chǔ)層比表面積與有機(jī)碳含量之間呈現(xiàn)了明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖2b)。

1.2 微—納米尺度孔隙

前人研究成果證實(shí)：相同孔隙體積前提下，孔隙直徑越小，其孔隙內(nèi)比表面積越大[6-9]。從分析結(jié)果來(lái)看，比表面積與微孔和中孔之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖3a)，而與大孔之間相關(guān)性較差(圖3b)。壓汞—液氮吸附聯(lián)測(cè)結(jié)果表明：涪陵頁(yè)巖氣田五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖以中孔為主，其次為微孔，大孔發(fā)育程度最低，其在頁(yè)巖總孔隙中的占比依次為80%、8%和5.5%。由此可知，中、微孔成為頁(yè)巖氣主要賦存空間。此外，鏡下觀測(cè)揭示，頁(yè)巖內(nèi)微—納米孔隙非常發(fā)育(圖4)。

圖2 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段含氣頁(yè)巖有機(jī)碳含量與總含氣量和比表面積關(guān)系

圖3 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段含氣頁(yè)巖比表面積主控因素相關(guān)性分析

圖4 四川盆地焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段含氣頁(yè)巖微—納米孔隙鏡下觀察

1.3 保存條件

保存條件是頁(yè)巖氣富集的重要基礎(chǔ)保障。涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)實(shí)踐證實(shí)：構(gòu)造保存條件對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣性有著重要的影響，構(gòu)造復(fù)雜區(qū)常存在一定程度頁(yè)巖氣逸散現(xiàn)象。以靠近東翼石門(mén)1號(hào)斷裂的焦頁(yè)B井為例，該井五峰組—龍馬溪組含氣頁(yè)巖段巖心觀察結(jié)果證實(shí)，整個(gè)含氣頁(yè)巖段、下伏層澗草溝組灰?guī)r和上覆層龍二段濁積砂段裂縫均較焦石壩區(qū)塊主體穩(wěn)定區(qū)發(fā)育，在上覆濁積砂段裂縫的充填物中發(fā)育了大量的烴類包裹體(圖5)，證實(shí)該區(qū)后期存在一定程度的頁(yè)巖氣的逸散。

從目前開(kāi)發(fā)實(shí)踐證實(shí)，構(gòu)造變形強(qiáng)度越大，頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性相對(duì)變差。構(gòu)造改造強(qiáng)，保存條件變差，氣層自身壓力下降，受上覆地層壓實(shí)作用，孔隙尺度變小，進(jìn)而導(dǎo)致游離氣含量減少，并最終影響頁(yè)巖氣井初期產(chǎn)能。因此，保存條件無(wú)論是對(duì)頁(yè)巖氣的富集還是頁(yè)巖氣井的高產(chǎn)都是至關(guān)重要的。

圖5 四川盆地焦頁(yè)B井五峰組—龍馬溪組一段含氣頁(yè)巖上下鄰層裂縫及流體包裹體照片

2 頁(yè)巖氣高產(chǎn)主控因素

頁(yè)巖氣富集是頁(yè)巖氣高產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。頁(yè)巖儲(chǔ)層自身發(fā)育大量納米級(jí)孔隙，使其具有特低孔特低滲特征。因此，相較于常規(guī)油氣藏，其單井高產(chǎn)條件更為苛刻。針對(duì)涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段而言，孔隙度介于1%～6%，穩(wěn)態(tài)法測(cè)試滲透率平均值為0.2×10-3μm2，使得頁(yè)巖氣開(kāi)采需經(jīng)過(guò)大規(guī)模人工壓裂改造，提高儲(chǔ)層滲流能力，進(jìn)而形成一定產(chǎn)能。因此，良好的壓裂工程工藝改造效果對(duì)頁(yè)巖氣單井產(chǎn)能有著至關(guān)重要的影響。結(jié)合目前焦石壩區(qū)塊開(kāi)發(fā)實(shí)踐，影響壓裂改造效果的主要地質(zhì)因素有頁(yè)巖脆性礦物含量、埋深、構(gòu)造形態(tài)和裂縫發(fā)育特征。

2.1 頁(yè)巖脆性礦物含量

系統(tǒng)分析揭示：在相同地質(zhì)條件下，頁(yè)巖脆性礦物含量與單井產(chǎn)能之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖6)，表明頁(yè)巖自身脆性礦物含量越高，可壓性越好，壓裂改造效果越好，單井初期產(chǎn)能越高。

2.2 氣層埋深

埋深對(duì)壓裂改造施工難度的影響，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：(1)形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度增大，上覆巖層壓力增加導(dǎo)致層間縫剪切難度增加，最小水平主應(yīng)力、溫度增加導(dǎo)致巖石塑性增強(qiáng)，巖石力學(xué)參數(shù)變化導(dǎo)致誘導(dǎo)應(yīng)力強(qiáng)度及作用區(qū)域減??；(2)導(dǎo)致施工壓力提高；(3)由于剪切滑移面由粗糙變得更為光滑，從而導(dǎo)致壓裂縫的導(dǎo)流保持能力降低。

在埋深低于2 800 m的構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，埋深不足以對(duì)壓裂改造效果產(chǎn)生太大的影響[10]，即這個(gè)影響較其他因素相比并不明顯。但埋深超過(guò)2 800 m后，其單井產(chǎn)能與埋深之間呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖7)，在相關(guān)地質(zhì)條件相似的前提下，隨著埋深的增加，單井產(chǎn)能變低，表明埋深對(duì)壓裂改造效果起到了負(fù)面的影響作用。

圖6 四川盆地焦石壩區(qū)塊1 500 m水平段無(wú)阻流量與測(cè)井解釋脆性指數(shù)擬合

圖7 四川盆地焦石壩地區(qū)下部氣層>已測(cè)試井歸一化試氣產(chǎn)量與埋深關(guān)系

2.3 天然裂縫

裂縫發(fā)育區(qū)常存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象，人工裂縫通過(guò)應(yīng)力松弛區(qū)過(guò)渡到天然裂縫，使張開(kāi)的天然裂縫發(fā)生膨脹，導(dǎo)致液體效率、縫內(nèi)凈壓力降低，影響裂縫延伸及復(fù)雜縫網(wǎng)形成。生產(chǎn)實(shí)踐揭示：焦石壩斷背斜壓裂施工難度大、壓裂效果差的井主要集中在以條帶狀裂縫為主的區(qū)域；裂縫不發(fā)育區(qū)(以斑點(diǎn)狀均質(zhì)分布的弱曲率區(qū))水平井壓裂難度小。以焦頁(yè)F井為例(圖8)，其井筒兩側(cè)均發(fā)育條帶狀曲率，但西側(cè)條帶狀曲率明顯強(qiáng)于東側(cè)。根據(jù)該井微地震檢測(cè)結(jié)果，水平段壓裂縫網(wǎng)的平面延展明顯受到兩側(cè)條帶狀曲率的限制，在井筒靠近A靶的位置，東側(cè)條帶狀曲率距離井筒較遠(yuǎn)，裂縫延伸也相對(duì)較遠(yuǎn)。

3 結(jié)論

(1)影響頁(yè)巖氣富集的地質(zhì)主控因素主要包括總有機(jī)碳含量、微—納米尺度孔隙和保存條件。其中，頁(yè)巖儲(chǔ)層比表面積與有機(jī)碳含量之間呈現(xiàn)了明顯的正相關(guān)關(guān)系，微—納米級(jí)孔隙是頁(yè)巖氣主要賦存空間。此外，保存條件對(duì)頁(yè)巖氣富集意義重大，構(gòu)造改造強(qiáng)，保存條件變差，頁(yè)巖氣初期產(chǎn)能較低。

圖8 四川盆地焦石壩地區(qū)焦頁(yè)F井水平段曲率預(yù)測(cè)及微地震檢測(cè)結(jié)果

(2)良好的壓裂改造效果是頁(yè)巖氣井高產(chǎn)的必要條件。影響頁(yè)巖壓裂改造效果的主要地質(zhì)因素包括頁(yè)巖脆性礦物含量、埋深、構(gòu)造形態(tài)和裂縫。脆性礦物含量越高，可壓性越好，而埋深增大不利于有效壓裂。另外，向斜構(gòu)造形態(tài)會(huì)派生擠壓應(yīng)力，增大了最小主應(yīng)力，增加裂縫延伸難度，導(dǎo)致施工難度增加。