黔北煤田上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣儲層可壓性評價(jià)

張曼婷 付 煒

（貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550008）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對能源的需求量也日益增長。油氣資源作為工業(yè)生產(chǎn)與生活中最重要的能源，其供應(yīng)形勢也日益嚴(yán)峻［1］。非常規(guī)油氣作為最重要的天然氣接替能源，現(xiàn)今已成為中國油氣資源的重要一環(huán)，而頁巖氣則是非常規(guī)油氣能源最典型的代表［2］。貴州省是中國資源供應(yīng)大省，其上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M不僅賦存了豐富的煤炭資源，多年的地質(zhì)勘探工作證明其龍?zhí)督M泥頁巖有較好的含氣性，是良好的氣源巖和儲層［3-4］。龍?zhí)督M屬于含煤地層，其中的泥頁巖具有極高的有機(jī)質(zhì)含量，具備良好的生氣條件［5-6］；同時(shí)由于部分煤層氣由煤層運(yùn)移至相鄰的頁巖中，因此龍?zhí)督M泥頁巖整體具有較好的含氣顯示。但由于頁巖儲層物性較差，必須通過壓裂改造才能高效開發(fā)［7-8］。因此頁巖的可壓性是貴州省龍?zhí)督M頁巖氣儲層的重要評價(jià)參數(shù)之一。目前，貴州省龍?zhí)督M頁巖氣的研究尚處于起步階段，相關(guān)研究還有待于完善。筆者擬通過對JC-1 井龍?zhí)督M頁巖氣儲層進(jìn)行解剖，開展可壓性評價(jià)，以期為后續(xù)的頁巖氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。本次研究區(qū)范圍為黔北煤田的林華井田，構(gòu)造位置位于黔中隆起畢節(jié)復(fù)向斜新華向斜北翼。區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M沉積于茅口組濱海相碳酸鹽巖之上，屬海陸過渡相沉積，含多層煤層，煤層間泥頁巖發(fā)育，泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量高，累積厚度大，且具有良好的含氣顯示。

1 JC-1井泥頁巖含氣性及有機(jī)地球化學(xué)特征

JC-1 井為2016 年在黔北煤田林華井田鉆探的一口煤系氣參數(shù)井，鉆探目的為研究黔北煤田上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M煤系地層的煤層氣與頁巖氣儲層的地質(zhì)特征。鉆遇地層自上而下為下三疊統(tǒng)茅草鋪組（T1m）、夜郎組（T1y），上二疊統(tǒng)長興組（P3c）、龍?zhí)督M（P3l），中二疊統(tǒng)茅口組（P2m）。

根據(jù)JC-1 井的含氣性測試結(jié)果對龍?zhí)督M地層含氣性進(jìn)行分級，由下至上分為4個(gè)層段（圖1）。其中層段1和層段3的含氣分級為高—特高級，層段2氣測顯示稍差，層段4 含氣顯示最低。根據(jù)該井有機(jī)地球化學(xué)測試結(jié)果顯示，縱向上有機(jī)碳含量（TOC）變化大，鏡質(zhì)體反射率值（Ro）縱向上呈均質(zhì)性分布。全層段TOC 介于0.56%～9.58%，平均為3.52%，層段1 的TOC 平均值達(dá)到5.25%，尤其是層段1 的下段TOC 平均值達(dá)到7.35%，明顯高于其他層段。其余層段除個(gè)別樣品TOC呈異常高值或異常低值，70%以上的樣品TOC分布在2%～4%。JC-1井泥頁巖樣品Ro的90%以上都分布在2%～3%，處于過成熟早期生干氣階段，是有利的Ro分布區(qū)間。綜合以上分析，以含氣性與有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)評價(jià)可知，層段1和層段3是較為有利的頁巖氣儲層，而層段1最為有利。

圖1 JC-1井有機(jī)地球化學(xué)及含氣測試綜合柱狀圖

2 富有機(jī)質(zhì)泥頁巖可壓性評價(jià)

從國內(nèi)外研究的情況來看，巖性、巖石力學(xué)特征、地應(yīng)力和天然裂縫的發(fā)育情況是決定儲層能否形成裂縫網(wǎng)絡(luò)的重要因素，其中巖性和巖石力學(xué)特征是巖石本身的性質(zhì)，決定巖石的脆性破裂特征［9-10］?？蓧盒栽u價(jià)應(yīng)在充分認(rèn)識以上地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上判斷儲層能否形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。因此，筆者對JC-1 井龍?zhí)督M頁巖氣儲層，尤其是高含氣性、高TOC 有利層段的巖性和巖石力學(xué)特征進(jìn)行研究，并計(jì)算其脆性指數(shù)，以分析其可壓性。

2.1 巖石全巖礦物組成特征

全巖分析中，脆性礦物含量和黏土礦物含量是頁巖氣開發(fā)必須考慮的關(guān)鍵因素。高的脆性礦物含量使頁巖的脆性增大，而頁巖的脆性對壓裂措施的實(shí)施至關(guān)重要，有利于提高儲層壓裂改造效果［11］。通過對JC-1井龍?zhí)督M有利層段（層段1、層段3）泥頁巖樣品的全巖X 射線衍射分析，泥頁巖儲層的礦物成分總體上以石英和黏土礦物為主，其次為碳酸鹽礦物（主要為方解石）及一定量的菱鐵礦和黃鐵礦等礦物（圖2、圖3）。層段1的石英含量介于0～47.15%，平均為24.85%；黏土礦物含量介于0～53.98%，平均為37.93%；其次為黃鐵礦，含量介于0～38.4%，平均為15.73%；并含有一定量的菱鐵礦和白云石，少量的長石和方解石，個(gè)別樣品含極少量的硬石膏。層段3 的石英含量介于2.20%～58.20%，平均為28.24%；黏土礦物含量介于0～77.78%，平均為43.40%；其次為菱鐵礦，含量介于0～36.95%，平均為11.24%；并含有一定量的黃鐵礦和白云石，少量的長石和方解石，個(gè)別樣品含極少量的硬石膏。層段1與層段3的石英與黏土礦物百分含量相近，顯示具有相似的陸源碎屑供給條件。層段1的黃鐵礦含量較高，顯示該層段為較強(qiáng)的還原環(huán)境沉積。層段3的菱鐵礦含量較高，顯示該層段為中性至弱酸性、弱堿性環(huán)境沉積。

圖2 JC-1井層段1泥頁巖全巖礦物成分含量圖

圖3 JC-1井層段3泥頁巖全巖礦物成分含量圖

2.2 巖石力學(xué)特征

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果（圖4）可知，巖石抗壓強(qiáng)度介于12.40～60.20 MPa，抗拉強(qiáng)度介于1.21～6.07 MPa，楊氏模量介于（18.90～31.30）×103MPa，泊松比介于0.19～0.28。綜合分析層段1 的巖石力學(xué)特征可知該層段較有利于壓裂改造。771.34～772.33 m泥質(zhì)粉砂巖的抗壓強(qiáng)度為12.4 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.51 MPa，巖石易破壞，裂縫易于在儲層中延伸，在大規(guī)模改造儲層時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)體積改造。781.79～781.96 m碳質(zhì)頁巖的抗壓強(qiáng)度為18.80 MPa，楊氏模量為20.20 ×103MPa，泊松比為0.28，參照附近頁巖的抗拉強(qiáng)度，約為1.95 MPa，巖石脆性較高、抗拉強(qiáng)度低，裂縫易于延伸，可為縫網(wǎng)的形成提供有利的地質(zhì)條件。層段2 地層的巖石抗壓強(qiáng)度較大，巖石不易破碎，在一定程度上會限制裂縫向上延伸。

2.3 頁巖可壓性評價(jià)

脆性指數(shù)是進(jìn)行頁巖氣儲層可壓性評價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)。對于巖石脆性有多種評價(jià)方法，其中最為常見的有兩種，分別為礦物脆性指數(shù)和彈性參數(shù)法脆性指數(shù)［12］。筆者也通過以上兩種脆性評價(jià)方法對頁巖氣儲層的可壓性進(jìn)行評價(jià)。

圖4 JC-1井泥頁巖可壓性評價(jià)綜合柱狀圖

2.3.1 礦物脆性指數(shù)

頁巖中的一些脆性礦物在外力作用下極易產(chǎn)生裂縫，有利于頁巖氣的開發(fā)［13］。目前對于脆性礦物的界定尚存在爭議，根據(jù)Jarvie等的觀點(diǎn)［14］，頁巖的脆性組分只包括石英，但這只是基于對北美Barnett頁巖的研究，存在一定的局限性。筆者綜合國內(nèi)學(xué)者陳吉［15］、李鉅源［16］等的研究，結(jié)合貴州省實(shí)際地質(zhì)條件，對于礦物組成復(fù)雜的頁巖，將硅酸鹽礦物（主要為石英）、長石、碳酸鹽礦物（主要為方解石）、黃鐵礦同定義為脆性礦物，其脆性指數(shù)按照如下公式計(jì)算：

式中， BRIT1為礦物脆性指數(shù)， 無量綱；V硅酸鹽礦物+碳酸鹽礦物+長石+黃鐵礦為硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物、長石、黃鐵礦的質(zhì)量百分比之和，無量綱；V全部礦物為全部礦物的質(zhì)量百分比之和，無量綱。

根據(jù)公式（1）計(jì)算得到JC-1井龍?zhí)督M煤系地層礦物脆性指數(shù)（圖4）。層段1 的礦物脆性指數(shù)介于46.02%～80.46%，平均為56.84%，脆性指數(shù)最高；層段2的礦物脆性指數(shù)介于22.63%～48.11%，平均為32.89%，該段由于部分泥頁巖樣品黏土礦物含量高，導(dǎo)致脆性指數(shù)相對較低；層段3的礦物脆性指數(shù)介于22.22%～60.98%，平均為41.09%，脆性指數(shù)偏低。總體而言，以礦物脆性指數(shù)為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，JC-1 井層段1 的礦物脆性最好，平均在50%以上，部分樣品在80%以上，相比于其他層段可壓性更好；層段2的礦物脆性指數(shù)低，平均僅32.89%，不適合壓裂改造；層段3 的礦物脆性指數(shù)偏低，平均為41.09%，壓裂改造難度稍大；層段4因缺少礦物組分?jǐn)?shù)據(jù)，暫不做評價(jià)。

2.3.2 彈性參數(shù)法脆性指數(shù)

除礦物脆性指數(shù)外，Rickman 的彈性參數(shù)法脆性指數(shù)也是國內(nèi)外常用的脆性評價(jià)指標(biāo)［17］，這種方法是通過對泊松比和楊氏模量進(jìn)行均一化處理后經(jīng)計(jì)算得出。楊氏模量體現(xiàn)了巖石在經(jīng)過改造之后對裂縫的維持能力，泊松比則體現(xiàn)了巖石的破裂性能［18］。脆性強(qiáng)的礦物體現(xiàn)出高楊氏模量、低泊松比的特征。Rickman 彈性參數(shù)法脆性指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，BRIT2為彈性參數(shù)法脆性指數(shù)，無量綱；YMSc為靜態(tài)楊氏模量，10 GPa；PRc為靜態(tài)泊松比，無量綱；YMBI為歸一化楊氏模量，無量綱；PRBI為歸一化泊松比，無量綱［19］。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，JC-1 井巖石力學(xué)樣品的彈性參數(shù)法脆性指數(shù)介于44.73%～66.30%，平均為53.16%，各層段無明顯變化。與北美頁巖氣儲層52%的平均脆性指數(shù)十分接近，具有較好的可壓性。

2.4 煤層頂?shù)装鍡l件分析

層段1總厚度為28.93 m，中部夾一層灰?guī)r（厚度為0.97 m），以該層灰?guī)r底界可將層段1 分為上下兩分層。下分層總厚度為13.43 m，含一層煤（總厚度為5.16 m），頂?shù)装逯饕獛r性為碳質(zhì)泥巖（總厚度為8.27 m），碳質(zhì)泥巖的最大單層厚度為6.70 m；上分層總厚度為15.50 m，含一層煤（總厚度為2.01 m），頂?shù)装逯饕獛r性為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖與粉砂巖（總厚度為12.52 m），均富含碳質(zhì)。通過將JC-1 井與周邊的若干煤田鉆孔巖性進(jìn)行對比（圖5），可以看出層段1在橫向上的厚度變化小，展布較為穩(wěn)定。

綜合以上可知，層段1的煤層頂?shù)装逶趲r性上具有厚度較大的富有機(jī)質(zhì)巖層，且橫向展布穩(wěn)定，結(jié)合前文所述層段1的巖石力學(xué)特征，其具有合適的抗壓強(qiáng)度，適宜進(jìn)行壓裂改造，因此層段1的煤層頂?shù)装寰哂辛己玫捻搸r氣開發(fā)潛力。

圖5 JC-1井與周邊煤田鉆孔層段1對比圖

3 結(jié)論

1）JC-1井泥頁巖具有較好的含氣顯示與較高的有機(jī)碳含量，層段1 和層段3 具有更好的含氣顯示，是較有利的頁巖氣儲層，其中層段1的TOC明顯高于其他層段，是最有利的層段。

2）JC-1井泥頁巖儲層的礦物成分總體上以石英和黏土礦物為主。層段1 礦物組成中黏土礦物含量低，平均為37.93%；巖石力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果顯示層段1巖石脆性較高、抗拉強(qiáng)度低，裂縫易于延伸，可為縫網(wǎng)的形成提供有利的地質(zhì)條件，有利于頁巖氣儲層壓裂改造。

3）JC-1 井層段1 的礦物脆性指數(shù)平均值達(dá)到56.84%，具有最好的礦物脆性條件，可壓性強(qiáng)。JC-1井頁巖氣儲層樣品整體具有較高楊氏模量和較低泊松比的巖石力學(xué)特征。根據(jù)楊氏模量和泊松比計(jì)算的彈性參數(shù)法脆性指數(shù)平均達(dá)到53.16%，脆性強(qiáng)，以彈性參數(shù)法脆性指數(shù)分析整體具有較好的可壓性。

4）JC-1 井層段1 整體上含氣性好，有機(jī)碳含量高，富有機(jī)質(zhì)巖層厚度大、橫向展布穩(wěn)定，且具有良好的可壓性，適合開展儲層改造以進(jìn)行高效開發(fā)利用，具有良好的頁巖氣開發(fā)潛力。