深層頁巖氣源儲耦合機理研究
——以川南地區(qū)X井為例

楊振恒，胡宗全，熊 亮，丁江輝，申寶劍，史洪亮，盧龍飛，魏力民，李志明

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所，江蘇無錫214126；2.中國石化油氣成藏重點實驗室，江蘇無錫214126；3.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，江蘇無錫214126；4.國家能源頁巖油研發(fā)中心，江蘇無錫214126；5.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；6.中國石化西南油氣分公司，四川成都610041）

頁巖氣是指主要以游離態(tài)、吸附態(tài)賦存于富有機質頁巖層中的天然氣，屬于典型的“自生自儲”型天然氣資源[1-3]。作為頁巖氣形成與富集的主體，頁巖兼具烴源巖和儲層的雙重屬性，因此，有必要將作為頁巖氣源的有機質和儲集頁巖氣的儲層看作一個“源儲”系統(tǒng)來進行研究[4-5]。運用“源儲耦合”的研究思路，分析頁巖“源”與“儲”之間的內在關系，這樣就更能深入地認識頁巖氣形成與富集機理。

經過多年的勘探實踐，在四川盆地及其周緣的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖地層中取得重大突破，發(fā)現(xiàn)了焦石壩等中淺層頁巖氣田（主體埋深小于3 500 m）[6-9]。目前，川南地區(qū)已成為中國頁巖氣勘探開發(fā)的熱點地區(qū)[10-12]。在該地區(qū)，五峰組—龍馬溪組埋深普遍在3 500 m以上，有的地方甚至超過4 500 m。針對川南地區(qū)五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣，特別是在“源儲耦合”特征等方面，還缺乏深入系統(tǒng)的研究。

以中國石化川南X 井取心段頁巖為研究對象，基于巖心觀察、地化分析、X衍射、物性測試、氬離子拋光—掃描電鏡和生烴模擬等多種測試研究手段，運用“源儲耦合”研究思路，探討“源儲耦合”下的富集高產規(guī)律，以期為該地區(qū)頁巖氣勘探和開發(fā)提供基礎性理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質特征

川南X 井是位于中國石化威榮頁巖氣區(qū)塊的1口高產井，壓裂試氣產量約為26×104m3/d，威榮頁巖氣區(qū)塊位于川西南古隆起構造低緩區(qū)，整體表現(xiàn)為向斜（圖1）。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組沉積主要受控于受加里東運動影響的三個古隆起，即川中古隆起、黔中古隆起和康滇古陸[13-14]。晚奧陶世凱迪期海平面快速上升，受海水底部滯流的影響，在該地區(qū)主體沉積了五峰組富有機質頁巖；晚奧陶世赫南特早期—早志留世魯?shù)て?，川中地區(qū)構造隆升，黔中水下低隆起上升，最終形成古陸，與康滇古陸形成三隆夾一凹的閉塞海灣沉積格局[10-16]，于是在該地區(qū)主體形成了五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置Fig.1 Location of study area

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組底部整體埋深為3 500～3 860 m，其中，底板為臨湘組灰白色瘤狀灰?guī)r。五峰組（O3w）根據(jù)電性和巖性分為2 段：下段發(fā)育灰黑色含放射蟲碳質筆石頁巖，局部層段夾薄層或條帶狀鉀質斑脫巖；上段為灰黑—黑色含生屑含碳灰質泥巖，含赫蘭特貝。龍馬溪組（S1l）巖性總體以灰黑色、黑色碳質筆石頁巖、碳質放射蟲筆石頁巖為主，向上砂質含量增多，漸變?yōu)榛揖G色頁巖夾粉砂質條帶、深灰色泥巖。龍馬溪組下部黑色碳質頁巖有機質豐富，富含筆石。根據(jù)巖性、電性、筆石帶分布規(guī)律、TOC（總有機碳含量）含量變化以及含氣性等特征，將X井五峰組—龍馬溪組底部細分為9個小層（圖2），其中①—④小層是當前開發(fā)頁巖氣的核心層段，針對①—④小層實施水平井鉆井和壓裂改造，往往能獲得高產氣流，著重對比研究①—④和⑤—⑨小層的儲層耦合特征，以期揭示①—④小層富集高產的機理。

圖2 X井五峰組—龍馬溪組1段小層劃分Fig.2 Division of first member in Wufeng-Longmaxi Formation of well-X

2 烴源巖特征

川南奧陶—志留系為海相沉積，干酪根生物組合主要為低等水生動物和菌藻植物，烴源巖有機質類型是由低等水生浮游生物和藻類所形成的腐泥型有機質，以Ⅰ型干酪根為主[16]。對X井五峰組—龍馬溪組底部頁巖開展了干酪根鏡檢實驗分析，結果顯示干酪根鏡下以腐泥無定形體和藻類體的腐泥組為主（圖3）。腐泥無定形體含量占比在68%～95%，平均為86%；浮游藻類體含量占比5%～32%，平均為14 %。腐泥組占比在95 %以上，干酪根指數(shù)為100，為典型的腐泥型干酪根。

圖3 X井五峰組—龍馬溪組底部（③小層）頁巖干酪根鏡檢照片F(xiàn)ig.3 Microscopic examination of shale kerogen at the bottom in Wufeng-Longmaxi Formation of Well-X（layer③）

X井取樣測試數(shù)據(jù)表明，五峰組—龍馬溪組底部頁巖TOC介于0.06%～6.04%，平均為2.26%；TOC含量縱向分段差異性明顯，①—④小層TOC含量介于1.43%～6.04%，平均為2.84%，⑤—⑨小層TOC含量介于0.06%～1.83%，平均為0.79%，自下而上TOC含量逐漸減少（圖2）。X井實測瀝青反射率（Rb）介于2.62%～2.75%，平均為2.69%，而通過換算公式Ro（鏡質體反射率）=0.346+0.668×Rb進行計算得出的Ro介于2.10%～2.20%，平均為2.15%，這表明該區(qū)目的層五峰組—龍馬溪組頁巖處于高成熟階段，以生成干氣為主。

3 儲層特征

3.1 孔隙及發(fā)育特征

X井孔隙度實驗數(shù)據(jù)表明，五峰組—龍馬溪組頁巖儲層孔隙度介于2.15%～10.05%，平均為6.50%，總體上，由淺至深、逐漸變好?？v向上，⑤—⑨小層孔隙度在1.08%～5.99%，平均為2.91%；①—④小層孔隙度在1.68 %～10.05 %，平均為6.07 %，其中①—②小層均值在6.94%以上，③—④小層均值為7.17%。

通過氬離子拋光掃描電鏡鏡下識別，X 井五峰組—龍馬溪組①—⑨小層基質孔主要包括無機孔和有機孔。無機孔類型多樣，主要有礦物粒間孔、黏土礦物轉化孔、長石蝕變孔，以及晶間微孔隙等（圖4a—圖4h）。而頁巖中有機質內部孔隙發(fā)育程度并不相同，部分有機孔具有特殊的纖網(wǎng)狀骨架結構（圖4i—圖4j）。

3.2 吸附特征

前人研究表明，吸附態(tài)是頁巖氣賦存的主要方式之一[1-3]。等溫吸附實驗是描述頁巖吸附能力大小的重要手段，而頁巖等溫吸附曲線是描述頁巖吸附儲存氣體能力的曲線，在恒溫下頁巖的吸附氣量是壓力的函數(shù)[17]。

圖4 X井孔隙發(fā)育類型Fig.4 Pore development types in well-X

根據(jù)模擬地層溫度（110 ℃）和蘭氏體積等數(shù)據(jù)，推算地層壓力條件下的泥頁巖吸附氣量。結果顯示，X 井五峰組—龍馬溪組①—⑨小層泥頁巖地層溫度吸附氣量在0.02～2.51 m3/t，平均為0.95 m3/t，其中，①—④小層泥頁巖地層溫度吸附氣量在0.57～2.51 m3/t，平均為1.25 m3/t；⑤—⑨小層泥頁巖地層溫度吸附氣量在0.02～0.77 m3/t，平均為0.35 m3/t（表1）。

3.3 滲透率及可壓性

X井五峰組—龍馬溪組①—⑨小層頁巖滲透率介于（0.000 1～128）×10-3μm2，平均為4.64×10-3μm2。其中，①—④小層頁巖滲透率在（0.000 4～128）×10-3μm2，平均為6.71×10-3μm2；⑤—⑨小層頁巖滲透率在（0.000 1～2.12）×10-3μm2，平均為0.38×10-3μm2?？v向上，滲透率隨深度增加有變大趨勢，特別是③小層底部，滲透率最大。

表1 X井小層等溫吸附實驗測試數(shù)據(jù)Table1 Test data of isothermal adsorption experiment in well-X

脆性指數(shù)（BRIT）是頁巖氣儲層可壓性評價中的一個重要參數(shù)，其與頁巖中的石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物密切相關。對于礦物組成復雜的頁巖，其脆性指數(shù)可按照如下公式計算：

式中：V（石英+長石+碳酸鹽）為石英、長石與碳酸鹽體積分數(shù)之和；V（全部礦物）為全部礦物的體積分數(shù)。

基于公式（1）對X井五峰—龍馬溪底部泥頁巖脆性指數(shù)進行了計算，結果顯示，①—⑨小層BRIT平均值為54.2，①—④小層BRIT平均值為59.5，⑤—⑨小層BRIT平均值為34.3，其中，①—④小層可壓性明顯占優(yōu)（表2）。

表2 X井小層滲透率和BRIT數(shù)據(jù)Table2 Permeability and BRIT data of small layer in well-X

4 源儲耦合特征

4.1 源優(yōu)質，生氣量巨大

有機質是油氣生成的物質基礎，有機質豐度控制著頁巖生烴量的多少，決定著頁巖的生烴強度[19]。熱模擬實驗是烴源巖生烴潛力評價的重要手段，可再現(xiàn)地質體中有機質熱解演化過程[20-22]。由于五峰組—龍馬溪組頁巖樣品成熟度較高，無法再現(xiàn)從低成熟到高成熟的熱模擬實驗過程，因此，選取廣元上二疊統(tǒng)大隆組低成熟富有機質頁巖進行生烴量模擬，該樣品有機質類型和礦物組成與X井五峰組—龍馬溪組底部優(yōu)質頁巖具有相似性（表3）。

表3 模擬樣品與X井五峰組—龍馬溪組頁巖有機地化參數(shù)及礦物組成對照Table3 Comparison between simulated samples and shale organic geochemical parameters and mineral composition of Wufeng-Longmaxi Formation shale in well-X%

熱模擬實驗結果表明，在高過成熟階段，該樣品的總生氣量約為20.0 m3/t（圖5）。根據(jù)X井各小層平均實測TOC反推X 井不同層段的原始TOC，再根據(jù)模擬結果計算各小層的平均生烴量，計算結果顯示，①—⑨小層生氣量在0.27～28.57 m3/t，平均為10.7 m3/t，①—④小層生氣量在6.72～28.57 m3/t，平均為14.0 m3/t（圖6）。根據(jù)超臨界甲烷流體性質模型計算的頁巖氣含量①—⑨小層平均為5.87 m3/t，①—⑨小層現(xiàn)今滯留氣量僅為生氣量的54.8%，這說明①—⑨小層生烴氣量遠大于滯留的天然氣量，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組底部甜點頁巖層具有生氣量大的特征。

圖5 模擬低成熟頁巖生烴量隨等效Ro變化Fig.5 Simulated low-mature shale hydrocarbon generation changes with equivalent Ro

圖6 基于生烴模擬反演X井不同小層的生氣量Fig.6 Inversion of gas production in different small layers of well-X based on hydrocarbon generation simulation

4.2 儲集、賦存及物性特征

4.2.1 基質以無機孔為主，有機孔是重要的補充

根據(jù)有機碳含量與基質孔隙度的模型，推算出各小層頁巖儲層中有機孔與無機孔的百分含量[23]。整體而言，X 井基質孔隙主要以無機孔隙為主，無機孔占比在21.3%～98.9%，平均為75.0%：有機孔占比介于1.07%～78.7%，平均為25%。①—④小層無機孔占比為67.8%，有機孔占比為32.2%；⑤—⑨小層無機孔占比為89.9 %，有機孔占比為10.1 %。對比研究發(fā)現(xiàn)，①—④和⑤—⑨小層無機孔分別為4.9%和4.7%，差別不大，但是①—④小層有機孔為2.2%，⑤—⑨小層有機孔為0.6%，①—④小層孔隙度的增加主要源自有機孔發(fā)育程度的增加（圖7、表4）。

表4 X井小層有機孔和無機孔參數(shù)對比Table4 Comparison of parameters between organic pores and inorganic pores in small layer of well-X %

4.2.2 賦存特征與含氣量

圖7 X井孔隙度和TOC關系及孔隙類型Fig.7 Relation between porosity and TOC of well-X and its pore type

HAO、ZHOU和王飛宇等國內外不同學者針對頁巖氣提出了吸附氣、游離氣預測賦存模型[24-26]。重點基于重量法等溫吸附實驗，分析了TOC含量、溫度、濕度對吸附能力的影響，通過建立主因素與吸附能力的經驗關系來獲取埋藏條件下的吸附氣量；另外，通過總孔隙空間扣除孔隙水和吸附氣占據(jù)空間來厘定游離氣占據(jù)空間，并基于甲烷狀態(tài)（PR）方程獲取游離氣密度，從而構建埋藏條件下游離氣賦存計算方法，這一方法在焦石壩焦頁1 井得到成功的應用[27]。根據(jù)上述方法，對X井進行了游離氣和吸附氣占比預測，研究結果表明，X井以游離氣為主，①—⑨小層總含氣量為5.8 m3/t，平均游離氣含量為4.8 m3/t，占比為82.8 %，平均吸附氣含量為1.0 m3/t，占比為17.2%。因此，X井五峰組—龍馬溪組頁巖中游離氣是主體，吸附氣是重要的補充（表5）。根據(jù)模型計算的①—⑨小層平均含氣量為5.8 m3/t，⑤—⑨小層平均含氣量為3.8 m3/t，①—④小層平均含氣量為6.8 m3/t。

表5 X井游離氣和吸附氣小層對比Table5 Comparison of small layers of free gas and adsorbed gas in well-X

4.2.3 富有機質頁巖的滲透率及可壓性

頁巖氣開發(fā)實踐表明，水平井+體積壓裂技術對于頁巖氣開發(fā)至關重要，因此，壓裂層段必須具有較好的可壓性才能實現(xiàn)體積改造，也就是說，所選擇的壓裂層段需要富含脆性礦物。水力壓裂產生的裂縫主要是較大尺度的縫隙，頁巖氣層要想高產，必須有相對較高的基質滲透率。

X井①—④小層頁巖滲透率平均值為6.71×10-3μm2，⑤—⑨小層頁巖滲透率平均值為0.38×10-3μm2，①—④小層頁巖平均滲透率是⑤—⑨小層頁巖平均滲透率的17.7 倍。X 井①—④小層甜點層段巖性主要以黑色碳質頁巖為主，富含筆石，紋層發(fā)育。實驗分析表明紋層越發(fā)育，其對應的儲層滲透率也相對越高[23]，這暗示富有機質頁巖發(fā)育的紋層對滲透率意義重大。

X 井①—④小層BRIT平均為59.5%，⑤—⑨小層BRIT平均為34.3%，①—④小層的脆性礦物含量較高，其中，硅質礦物占有很大比例。據(jù)研究，五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖Al、Ti、Zr等多種元素的平面分布特征能夠進一步反映出陸源碎屑輸入較少，且海底的熱液活動也極為有限，指示頁巖中硅質主要來源于放射蟲生物骨架，這為該段硅質頁巖的生物質成因提供了證據(jù)[28-30]。結果表明，富有機質頁巖的硅質主要源于生物質成因，生物質成因的硅質礦物提高了頁巖儲層的脆性，易于壓裂造縫，進而促進氣井高產。

5 結論

1）X井在五峰組—龍馬溪組底部頁巖干酪根類型為腐泥型，富含有機質，自上而下TOC含量逐漸增加，處于高成熟階段?？紫抖瓤傮w上由淺至深逐漸變大，儲集空間類型主要包括無機孔和有機孔，無機孔發(fā)育程度高且類型多樣，主要有礦物粒間孔、黏土礦物轉化孔、長石蝕變孔和晶間微孔等。泥頁巖地層溫度條件下吸附氣含量平均為0.9 m3/t，滲透率平均為4.64×10-3μm2，縱向上，滲透率隨深度增加有變大趨勢，整體可壓性較好。

2）運用“源儲耦合”思路研究表明，目的層“源”優(yōu)質，生氣量大，現(xiàn)今滯留氣量僅為生氣量的54.8%。儲集空間以無機孔為主，占比可達75.0%，有機孔是主要的儲集空間之一，生烴后殘余的有機質是有機孔發(fā)育的主要載體。目的層段頁巖氣以游離氣為主。富有機質頁巖發(fā)育的紋層提高了儲層的滲透率，并且豐富的生物質成因硅質礦物，增加了儲層的脆性，易于壓裂造縫，最終為該層段壓裂高產提供了可能。

致謝：該論文部分原始數(shù)據(jù)引用了中國石化西南油氣公司、中國石化勘探分公司，江漢油田分公司等單位的資料和成果，在此表示衷心感謝！