蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣工業(yè)建產(chǎn)區(qū)游離氣和孔隙度下限討論

饒 權(quán),康永尚,2,黃 毅,趙 群,王紅巖

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司西南分公司，重慶 400021；4.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

頁(yè)巖氣是指以吸附、游離狀態(tài)賦存于泥頁(yè)巖層系中有機(jī)質(zhì)、黏土、微裂縫以及微孔隙中的天然氣[1]。四川盆地發(fā)育多套頁(yè)巖層系，截至2018年6月，頁(yè)巖氣累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量為1×1012m3，其中蜀南地區(qū)頁(yè)巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量占比達(dá)到了44%，埋深4 500 m以淺頁(yè)巖氣資源有利區(qū)面積達(dá)1.8×104km2，表明蜀南地區(qū)良好的頁(yè)巖氣資源潛力[2-3]。頁(yè)巖氣賦存形式多樣且具有區(qū)域性差異，北美Michigan盆地Antrim頁(yè)巖游離氣含量?jī)H占總含氣量的25%～30%，頁(yè)巖氣以吸附態(tài)為主[4]；Haynesville 頁(yè)巖中游離氣含量所占比例在60%以上，頁(yè)巖氣以游離態(tài)為主[5]；焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量比例為53%～65%[6]。數(shù)值模擬研究表明，游離氣對(duì)頁(yè)巖氣的產(chǎn)出有重要貢獻(xiàn)，規(guī)?；虡I(yè)性開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣田多以游離氣為主，決定著頁(yè)巖氣藏的開(kāi)發(fā)潛力及經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。

頁(yè)巖含氣量是頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、資源潛力評(píng)估與有利區(qū)優(yōu)選的重要指標(biāo)，主要包括游離氣和吸附氣。關(guān)于頁(yè)巖含氣量主控因素，前人做了大量研究，但多側(cè)重于頁(yè)巖吸附氣含量及總含氣量主控因素方面，未重視游離氣在頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)中的重要地位；如加拿大西部盆地泥盆系Mississippian頁(yè)巖吸附氣含量主要受總有機(jī)碳含量(TOC)控制，黏土礦物、溫度、含水率對(duì)吸附氣含量也有一定影響[9]；川西坳陷新頁(yè)HF-1井陸相須五段頁(yè)巖吸附氣含量主控因素為比表面積、濕度及地層壓力[10]；長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖總含氣量主控因素包括游離氣含量、吸附氣含量、TOC、孔隙度及滲透率[11]；對(duì)頁(yè)巖氣工業(yè)建產(chǎn)區(qū)游離氣含量下限及主控因素缺乏深入認(rèn)識(shí)，難以為頁(yè)巖氣的高效開(kāi)發(fā)提供有效指導(dǎo)。為此，筆者以蜀南X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖X-射線衍射、巖石有機(jī)碳、儲(chǔ)層物性、測(cè)井解釋及生產(chǎn)測(cè)試等實(shí)際勘探開(kāi)發(fā)資料為基礎(chǔ)，探討了游離氣含量對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)能的影響及工業(yè)建產(chǎn)區(qū)游離氣含量下限，并從烴源條件、儲(chǔ)集條件及保存條件等方面系統(tǒng)研究了頁(yè)巖游離氣含量主控因素，并在此基礎(chǔ)上初步提出了頁(yè)巖孔隙度下限，以期為我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)控制提供支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究工區(qū)位于四川盆地南部，在盆地邊緣發(fā)育城口、龍門山等一級(jí)斷裂，盆地內(nèi)發(fā)育多個(gè)低陡、平緩及高陡斷褶帶(圖1)。研究區(qū)X-地區(qū)屬于川西南古中斜坡低褶帶，地層平緩、傾角小，整體為大型寬緩單斜構(gòu)造，斷裂不發(fā)育[12]。龍馬溪組沉積早期，全球海平面開(kāi)始上升，在蜀南地區(qū)形成了滯留缺氧的深水陸棚相沉積，黑色頁(yè)巖發(fā)育；龍馬溪組沉積晚期隨著海平面下降及向北減退，蜀南地區(qū)主體由深水陸棚相過(guò)渡到淺水陸棚相，廣泛分布鈣質(zhì)及泥質(zhì)頁(yè)巖，黑色頁(yè)巖規(guī)模大幅度減少[13]。

圖1 蜀南地區(qū)構(gòu)造位置圖

2 頁(yè)巖游離氣含量對(duì)產(chǎn)能的影響

表1為頁(yè)巖氣井工業(yè)氣流標(biāo)準(zhǔn)[14]，表2為四川盆地及周緣頁(yè)巖總含氣量、游離氣占比與測(cè)試日產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)表[15-17]。由表2可見(jiàn)，當(dāng)游離氣占比超過(guò)60%且總含氣量高于4 m3/t時(shí)，可獲得10×104m3/d以上的高產(chǎn)工業(yè)性氣流,當(dāng)游離氣占比小于60%時(shí)，即使有較高的總含氣量(寧201，總含氣量4.8 m3/t)，也難以獲得工業(yè)油氣流?？偤瑲饬啃∮? m3/t的井，難以獲得工業(yè)氣流。

頁(yè)巖氣井生產(chǎn)數(shù)值模擬表明開(kāi)發(fā)初期產(chǎn)能主要來(lái)自游離氣的貢獻(xiàn)[7]，探討頁(yè)巖游離氣含量下限值對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)對(duì)策研究具有重要意義，但前人對(duì)游離氣含量下限值的研究相對(duì)較少。

勘探實(shí)踐表明頁(yè)巖游離氣含量、總含氣量等存在較大的區(qū)域性差異(表2)，由此造成不同地區(qū)頁(yè)巖產(chǎn)層單井產(chǎn)能也相差懸殊?？偤瑲饬吭? m3/t以下的產(chǎn)層中，其單井測(cè)試日產(chǎn)氣量通常較低，約在3×104m3/d以下，如X-01井、彭頁(yè)1HF井及保頁(yè)1井等，也側(cè)面說(shuō)明前人所定的有利區(qū)頁(yè)巖總含氣量的下限標(biāo)準(zhǔn)1～2 m3/t[18]，不適宜作為工業(yè)建產(chǎn)區(qū)的下限標(biāo)準(zhǔn)。此外，現(xiàn)場(chǎng)資料表明[15-17，19]，四川盆地及周緣龍馬溪組頁(yè)巖氣井測(cè)試日產(chǎn)氣量與總含氣量有良好正相關(guān)性，頁(yè)巖氣井工業(yè)氣流標(biāo)準(zhǔn)(表1)中最大值8×104m3/d所對(duì)應(yīng)總含氣量為4 m3/t，即當(dāng)總含氣量大于4 m3/t時(shí)，能夠大概率獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流(圖2)，如X-04井、焦頁(yè)1HF井、焦頁(yè)2HF井、焦頁(yè)3HF井等，可見(jiàn)將工業(yè)建產(chǎn)區(qū)頁(yè)巖總含氣量下限值定為4 m3/t是比較符合生產(chǎn)實(shí)踐的。四川盆地焦石壩及威遠(yuǎn)等國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明單井測(cè)試日產(chǎn)氣量高的頁(yè)巖氣井其游離氣占比在60%左右[15]，結(jié)合本文提出的頁(yè)巖總含氣量下限值4 m3/t，初步認(rèn)為工業(yè)建產(chǎn)區(qū)頁(yè)巖游離氣含量下限值在2.5 m3/t是較為合適的。

圖2 四川盆地及周緣龍馬溪組頁(yè)巖測(cè)試日產(chǎn)氣量與總含氣量關(guān)系(其他地區(qū)資料整理于文獻(xiàn)[16-17，19])

表1 頁(yè)巖氣井工業(yè)氣流標(biāo)準(zhǔn)(據(jù)文獻(xiàn)[14])

表2 四川盆地及周緣頁(yè)巖氣地質(zhì)特征與測(cè)試日產(chǎn)氣量

3 頁(yè)巖游離氣含量主控因素

游離氣是頁(yè)巖氣重要的賦存形式之一，深入分析頁(yè)巖游離氣含量影響因素對(duì)頁(yè)巖氣藏地質(zhì)評(píng)價(jià)、降低勘探風(fēng)險(xiǎn)有著重要的指導(dǎo)意義?；谑衲蟈-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖測(cè)井解釋游離氣含量數(shù)據(jù)，結(jié)合頁(yè)巖X-射線衍射、巖石有機(jī)碳分析、儲(chǔ)層物性等資料，綜合國(guó)內(nèi)外其他盆地資料，從烴源條件、儲(chǔ)集條件與保存條件等方面探討了蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量主控因素。

3.1 烴源條件

3.1.1 總有機(jī)碳含量(TOC)

頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)是油氣生烴的基礎(chǔ)，其含量決定了頁(yè)巖的生烴潛力。有機(jī)質(zhì)所生成的氣體首先滿足頁(yè)巖微孔隙表面的吸附，一旦吸附飽和，多余的氣體就會(huì)以游離態(tài)的形式運(yùn)移、聚集在頁(yè)巖內(nèi)部的裂隙空間內(nèi)。巖石有機(jī)碳實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖TOC多分布在1%～4%范圍內(nèi)，大部分達(dá)到了北美地區(qū)頁(yè)巖TOC下限值2%；且隨著埋深增加，TOC呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，主要與頁(yè)巖沉積環(huán)境有關(guān)，龍馬溪組自上而下沉積水體逐漸變深，有利于有機(jī)質(zhì)的大量富集。X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量、總含氣量與頁(yè)巖TOC在一定程度上表現(xiàn)較好正相關(guān)，且隨TOC變化幅度大；游離氣含量與總含氣量隨TOC的變化趨勢(shì)基本一致，也從側(cè)面說(shuō)明頁(yè)巖游離氣對(duì)總含氣量具有相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)(圖3(a))。可見(jiàn)頁(yè)巖TOC為游離氣的富集提供了一定的生烴基礎(chǔ)，是影響游離氣含量的主控因素之一；此外，TOC與游離氣含量擬合優(yōu)度略偏低，說(shuō)明除TOC外，該區(qū)頁(yè)巖游離氣含量在較大程度上還受其他地質(zhì)因素影響。

圖3 X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與TOC、Ro的關(guān)系(圖(b)中數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[20-22])

3.1.2 有機(jī)質(zhì)熱演化程度(Ro)

海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)多以Ⅰ—Ⅱ型為主，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)只有達(dá)到一定的熱演化程度才能大量生氣。不同地區(qū)頁(yè)巖產(chǎn)層Ro變化區(qū)間大[20-22]，海相頁(yè)巖Ro較高，多分布在1.0%～3.0%之間，而陸相頁(yè)巖如鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁(yè)巖Ro較低，一般在1.5%以下；頁(yè)巖游離氣占比與Ro整體表現(xiàn)出一定正相關(guān)趨勢(shì)(圖3(b))。游離氣多賦存于頁(yè)巖孔徑相對(duì)較大的介孔、大孔中，當(dāng)頁(yè)巖Ro較小時(shí)，頁(yè)巖生烴量小，生成的天然氣首先被頁(yè)巖表面吸附，以吸附氣為主；隨著Ro增高，有機(jī)質(zhì)開(kāi)始大量生烴，頁(yè)巖表面吸附飽和后，生成的天然氣便大量以游離態(tài)形式運(yùn)聚；此外，隨著Ro增高，有機(jī)質(zhì)在生烴轉(zhuǎn)化中被大量消耗且伴隨著生烴膨脹作用，會(huì)使頁(yè)巖孔隙空間增大，形成大量有利于游離氣賦存的介孔和大孔，從而使Ro較高的頁(yè)巖一般表現(xiàn)出高的游離氣占比。但在Ro過(guò)高時(shí)(均值為2%)，頁(yè)巖游離氣含量隨Ro變化關(guān)系不明顯，由于蜀南地區(qū)頁(yè)巖Ro普遍在2%以上且變化范圍小，Ro對(duì)蜀南地區(qū)頁(yè)巖游離氣含量影響較小。

3.2 儲(chǔ)集條件

3.2.1 孔隙度

頁(yè)巖孔隙空間是頁(yè)巖游離氣、吸附氣的重要賦存場(chǎng)所，關(guān)系到頁(yè)巖吸附氣的吸附、解吸以及游離氣在孔隙內(nèi)部的流動(dòng)。巖石儲(chǔ)層物性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖的孔隙度為1.97%～11.84%，平均為4.65%～7.65%。龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與孔隙度表現(xiàn)為良好的正相關(guān)，擬合優(yōu)度可達(dá)0.718，吸附氣與孔隙度也表現(xiàn)為一定的正相關(guān)，擬合優(yōu)度達(dá)到0.556。隨著孔隙度增加，雖然吸附氣含量也不斷增加，但吸附氣含量與孔隙度相關(guān)性斜率只有0.84，吸附氣含量增幅較?。欢坞x氣含量與孔隙度相關(guān)性斜率達(dá)到1.164，游離氣含量隨孔隙度變化幅度大，即與吸附氣相比，頁(yè)巖游離氣對(duì)孔隙度的變化更為敏感，在其他條件相同時(shí)，頁(yè)巖孔隙度越大，游離氣占總含氣量比例也越高(圖4(a))。

圖4 X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與孔隙度、含水飽和度的關(guān)系

3.2.2 含水飽和度

北美典型頁(yè)巖氣藏含水飽和度分布在7%～50%范圍[23]；與之相比，X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖測(cè)井解釋含水飽和度為32.80%～65.10%，整體略高于北美。X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與含水飽和度表現(xiàn)為一定的負(fù)相關(guān)(圖4(b))，主要是頁(yè)巖內(nèi)水分過(guò)多會(huì)占據(jù)大量孔隙空間，導(dǎo)致游離氣所能賦存的有效空間減小，不利于游離氣聚集。此外，研究表明焦石壩涪陵頁(yè)巖氣田龍馬溪組頁(yè)巖含水飽和度與孔隙度表現(xiàn)出良好負(fù)相關(guān)性[15]，可見(jiàn)頁(yè)巖含水飽和度能通過(guò)關(guān)聯(lián)孔隙度而間接影響游離氣含量。

3.2.3 礦物組分

X-射線全巖衍射結(jié)果表明，X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖礦物成分包括石英、黏土礦物、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物以及少量黃鐵礦等。以X-02井龍馬溪組頁(yè)巖為例，石英含量為8.3%～89.9%，平均為44.9%；黏土礦物含量為0～48%，平均為21.2%；碳酸鹽含量為0～83.6%，平均為29.0%；長(zhǎng)石含量為0～14.7%，平均為3.6%。蜀南X-地區(qū)與威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)資料表明[12]，龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與礦物成分具有一定的聯(lián)系；其中，游離氣含量與硅質(zhì)含量(石英+長(zhǎng)石)呈現(xiàn)一定正相關(guān)性，與碳酸鹽礦物含量表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，而與黏土礦物含量關(guān)系不明顯(圖5)。此外，孔隙度與礦物組分也表現(xiàn)出一定相關(guān)性；孔隙度與硅質(zhì)含量表現(xiàn)為較好正相關(guān)，與碳酸鹽礦物含量表現(xiàn)為弱負(fù)相關(guān)性，而與黏土礦物含量關(guān)系不明顯(圖6)。

圖5 X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與礦物成分關(guān)系

圖6 蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度與礦物成分的關(guān)系(威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[12])

頁(yè)巖游離氣含量、孔隙度與礦物成分的相關(guān)性表明，礦物組分能夠影響頁(yè)巖孔隙發(fā)育，通過(guò)控制孔隙度從而間接影響游離氣含量。硅質(zhì)礦物(石英+長(zhǎng)石)硬度大，抗壓實(shí)作用強(qiáng)，有利于孔隙的發(fā)育和保存，因而硅質(zhì)含量越高，頁(yè)巖孔隙度越大，游離氣含量也越大。而碳酸鹽礦物可以發(fā)生膠結(jié)作用充填孔隙和裂縫[24]，致使孔隙度下降，導(dǎo)致游離氣含量降低?？紫抖扰c黏土礦物含量無(wú)明顯相關(guān)性，說(shuō)明黏土礦物對(duì)蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖孔隙空間貢獻(xiàn)小，致使其與游離氣含量也不具明顯相關(guān)性。

3.3 保存條件

3.3.1 地層壓力系數(shù)

地層壓力是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣富集成藏、保存以及后期開(kāi)發(fā)的重要地質(zhì)判別指標(biāo)，勘探開(kāi)發(fā)實(shí)踐表明富集高產(chǎn)的頁(yè)巖氣藏普遍具有高壓、超壓的性質(zhì)[25]。

四川盆地焦石壩JY1井、JY2井龍馬溪組高產(chǎn)頁(yè)巖氣藏地層壓力系數(shù)均在1.5以上，長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣藏壓力系數(shù)最高[6,15,17]。X-地區(qū)頁(yè)巖氣5口評(píng)價(jià)井龍馬溪組頁(yè)巖產(chǎn)層中部埋藏深度為1 525～3 676 m，壓力為13.79～65.71 MPa，壓力系數(shù)為0.92～1.82，除一口評(píng)價(jià)井頁(yè)巖產(chǎn)層為常壓，其余井均為高壓、超壓，與焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣藏類似。

隨著埋藏深度的增加，X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力系數(shù)整體表現(xiàn)為不斷增大的趨勢(shì)，游離氣含量整體也不斷增高(圖7(a))， 除埋藏較淺(1 525 m)的一口評(píng)價(jià)井，儲(chǔ)層壓力低，壓力系數(shù)也低于1，屬于低壓頁(yè)巖儲(chǔ)層，游離氣含量約為1.2 m3/t，其它評(píng)價(jià)井的壓力系數(shù)較大，含氣量也較高。當(dāng)埋深大于3 500 m，壓力系數(shù)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，游離氣含量也隨之降低，可見(jiàn)壓力系數(shù)與游離氣含量隨深度變化表現(xiàn)為一致的趨勢(shì)，頁(yè)巖儲(chǔ)層壓力系數(shù)越高，頁(yè)巖氣藏的保存條件就越好，有效阻止了游離態(tài)頁(yè)巖氣的逸散，游離氣含量也相應(yīng)增高。

圖7 X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與地層壓力系數(shù)、裂縫密度的關(guān)系

3.3.2 裂縫發(fā)育

頁(yè)巖儲(chǔ)層物性通常較差，但如若頁(yè)巖內(nèi)部裂縫發(fā)育，將會(huì)很大程度改善頁(yè)巖儲(chǔ)層物性，裂縫與基質(zhì)孔隙共同構(gòu)成了游離氣的重要賦存場(chǎng)所。北美Michigan盆地Antrim頁(yè)巖產(chǎn)量高的區(qū)域往往發(fā)育較大的天然裂縫[26]，一方面，天然裂縫能夠有效提高儲(chǔ)層的儲(chǔ)集和滲流能力，是基質(zhì)孔隙中賦存的游離氣向井筒滲流的重要通道[27]；另一方面，天然裂縫發(fā)育的頁(yè)巖在壓裂改造時(shí)更容易沿著天然裂縫形成大量的壓裂縫網(wǎng)系統(tǒng)，能夠提升儲(chǔ)層改造品質(zhì)，裂縫對(duì)頁(yè)巖氣藏起到了積極作用。但北美Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能高的地區(qū)裂縫往往不發(fā)育，而鄰近裂縫的井則表現(xiàn)為高含水、低產(chǎn)能[28]，可能是斷裂規(guī)模較大，如構(gòu)造裂縫，溝通了地下含水層或斷穿了頁(yè)巖頂?shù)装宥茐牧隧?yè)巖氣藏的封堵性，對(duì)頁(yè)巖氣藏起到負(fù)面影響[29]。由此可見(jiàn)，頁(yè)巖裂縫發(fā)育對(duì)游離氣聚集具有二重性，裂縫規(guī)模適中能夠提高頁(yè)巖孔隙度，有利于游離氣賦存；裂縫規(guī)模過(guò)大則可能斷穿頂?shù)装?，不利于游離氣保存。

基于X-02井2 545～2 575 m井段龍馬溪組頁(yè)巖巖心裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果，X-02井龍馬溪組以水平縫為主，高角度縫少見(jiàn)，裂縫密度分布范圍為3～90 條/m，大部分層段為10～40條/m，且蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖裂縫多被方解石充填[30]。 X-地區(qū)5口評(píng)價(jià)井在構(gòu)造上均處于川西南古中斜坡低褶帶，單井構(gòu)造差異小，整體位于北西向南、東方向傾斜的寬緩單斜構(gòu)造，區(qū)域地層傾角小，斷裂不發(fā)育，具有良好的側(cè)向封閉，保存條件好[12,31]。

以X-地區(qū)X-02井為例，由于缺乏具體深度段測(cè)井解釋游離氣含量數(shù)據(jù)，而現(xiàn)場(chǎng)解吸法所估算頁(yè)巖損失氣量近似為游離氣含量[6]，因此利用X-02井損失氣量替代游離氣含量并定性分析了其與裂縫密度的關(guān)系。頁(yè)巖裂縫密度隨埋深自上而下呈先增高后降低的趨勢(shì)，與游離氣含量隨埋深變化趨勢(shì)具有一定的一致性，說(shuō)明X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖裂縫發(fā)育程度整體是適中的，提高了頁(yè)巖儲(chǔ)集能力，對(duì)游離氣富集起到了積極作用(圖7(b))。但局部層段如埋深2 570 m處頁(yè)巖裂縫密度達(dá)到了最大，約90條/m，但游離氣含量并不是最高的；一方面說(shuō)明裂縫只是影響游離氣含量的主控因素之一，游離氣含量還受到其他因素控制；另一方面也可能是局部層段裂縫過(guò)于發(fā)育對(duì)氣藏的封閉條件造成了一定的破壞，導(dǎo)致部分游離氣逸散而使游離氣含量降低。

上述分析表明，影響頁(yè)巖游離氣含量的因素很多，蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與烴源條件、儲(chǔ)集條件、保存條件之間的相關(guān)性表明，頁(yè)巖游離氣含量與TOC、孔隙度、硅質(zhì)礦物含量、壓力系數(shù)、裂縫發(fā)育整體呈一定的正相關(guān)性趨勢(shì)，而與含水飽和度、碳酸鹽礦物含量具一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在建產(chǎn)區(qū)選區(qū)時(shí)，需要抓住主控因素，主控因素應(yīng)具備三個(gè)條件，一是參數(shù)容易獲得，二是對(duì)游離氣影響大，三是影響游離氣的其它因素與主控因素關(guān)系明顯，主控因素(少量因素)可代表多影響因素對(duì)游離氣含量的影響作用。

研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖Ro變化范圍小，其變化對(duì)游離氣含量影響作用較小，而TOC則主要體現(xiàn)了頁(yè)巖生烴潛力的大小，因此TOC可作為游離氣含量的主控因素之一。裂縫發(fā)育可提高頁(yè)巖孔隙度從而對(duì)游離氣的富集起到積極作用，同時(shí)，含水飽和度與孔隙度關(guān)系密切，裂縫發(fā)育與含水飽和度都能通過(guò)與孔隙度的關(guān)聯(lián)而間接影響游離氣含量，因而兩者對(duì)游離氣含量的影響主要體現(xiàn)在孔隙度對(duì)游離氣含量的影響上，孔隙度作為另一個(gè)主控因素，既承載了裂縫發(fā)育和含水飽和度對(duì)游離氣含量影響的信息，也是游離氣主要的儲(chǔ)集空間。礦物組分中硅質(zhì)礦物及碳酸鹽等礦物含量亦是通過(guò)影響孔隙度間接控制游離氣含量，因而礦物組分不作為頁(yè)巖游離氣含量主控因素。此外，游離氣是通過(guò)壓縮賦存于頁(yè)巖儲(chǔ)層中，壓力越大，則單位孔隙體積中游離氣含量越高，地層壓力系數(shù)可作為影響頁(yè)巖游離氣含量的第三個(gè)主控因素。

把TOC、孔隙度及地層壓力系數(shù)作為蜀南地區(qū)頁(yè)巖游離氣含量主控因素，有助于從烴源潛力、儲(chǔ)集空間和單位空間體積中游離氣賦存的濃度三個(gè)方面抓住關(guān)鍵因素，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)有重要意義。

4 建產(chǎn)區(qū)儲(chǔ)層孔隙度下限模擬分析

4.1 頁(yè)巖游離氣含量理論估算方法

頁(yè)巖游離氣類似于常規(guī)儲(chǔ)層中的天然氣，其含量可采用天然氣容積法進(jìn)行理論估算[32]：

(1)

式中：Gf為頁(yè)巖游離氣含量，m3/t；Bg為天然氣體積系數(shù)，m3/m3；φe為孔隙度；Sw為含水飽和度；ρb為地層密度，g/cm3。

天然氣體積系數(shù)Bg計(jì)算公式為:

(2)

式中：VR為一定量天然氣在油氣層條件下的體積， m3；Vsc為一定量天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積， m3。

(3)

(4)

式中：Psc、Tsc分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣的壓力、溫度，量綱MPa、K；P、T為地層壓力、溫度，量綱MPa、K；n為氣體物質(zhì)的量，mol；Z為天然氣壓縮因子，無(wú)量綱；R為理想氣體常數(shù)，量綱J/(mol·K)。

標(biāo)準(zhǔn)狀況下天然氣壓力Psc為0.101 325 MPa，溫度Tsc為(273.15+20)K，帶入上式，綜合可得：

(5)

借鑒并結(jié)合涪陵龍馬溪組頁(yè)巖孔隙度與含水飽和度之間的相關(guān)關(guān)系[15]，地表溫度為20 ℃，地溫梯度為3.3 ℃/100 m，用地層壓力系數(shù)換算代替地層壓力，聯(lián)立公式(5)可得頁(yè)巖理論游離氣含量與孔隙度、地層壓力系數(shù)及埋藏深度的關(guān)系式:

(6)

式中：αp為地層壓力系數(shù)，無(wú)量綱；h為埋藏深度，m；Z為天然氣壓縮因子，蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖取值0.998 1；ρb為地層密度，蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖取值2.53 g/cm3。

4.2 建產(chǎn)區(qū)頁(yè)巖孔隙度下限模擬

頁(yè)巖孔隙度決定了不同相態(tài)頁(yè)巖氣的賦存空間，在很大程度控制著頁(yè)巖游離氣含量，是頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及產(chǎn)能預(yù)測(cè)的重要指標(biāo)。借鑒北美海相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了中國(guó)海相、陸相頁(yè)巖孔隙度下限的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般將埋深4 500 m以淺的頁(yè)巖孔隙度定為1%～2%[33-35]。而現(xiàn)場(chǎng)資料表明筇竹寺組頁(yè)巖孔隙度為2.0%～2.5%的井見(jiàn)氣效果并不好，如寧206井、威201井[17]，說(shuō)明將頁(yè)巖孔隙度2%作為工業(yè)建產(chǎn)區(qū)的下限，風(fēng)險(xiǎn)比較大。

蒙特卡羅模擬方法是一種通過(guò)隨機(jī)抽樣和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)來(lái)求解近似解的隨機(jī)模擬方法，基于公式(6)，運(yùn)用蒙特卡羅模擬方法對(duì)頁(yè)巖游離氣含量分布概率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并探討了頁(yè)巖孔隙度下限值。具體模擬方法如下:首先將埋深、地層壓力系數(shù)設(shè)定為隨機(jī)數(shù)，綜合四川盆地典型井頁(yè)巖氣埋深及壓力系數(shù)范圍[15]，將頁(yè)巖氣埋深分布范圍設(shè)為2 000～4 500 m，服從均勻分布，壓力系數(shù)分布范圍設(shè)為0.8～2.0，服從均勻分布；游離氣含量設(shè)定為預(yù)測(cè)值；其次設(shè)定孔隙度值為1%、2%、3%、4%、5%和6%等不同條件下，分別對(duì)游離氣含量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，試驗(yàn)次數(shù)為30 000次；最后對(duì)不同孔隙度條件下游離氣含量分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖8為當(dāng)孔隙度設(shè)定值為1%時(shí)的模擬結(jié)果，從圖中可讀出游離氣含量大于某個(gè)給定值的累計(jì)概率。運(yùn)用蒙特卡洛模擬對(duì)孔隙度設(shè)定值為1%、2%、3%、4%、5%和6%條件下的游離氣含量概率分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)(表3)；可見(jiàn)，隨著頁(yè)巖孔隙度的增大，游離氣含量出現(xiàn)高值的概率逐漸變大。當(dāng)孔隙度為4%以下時(shí)，游離氣含量基本小于2.5 m3/t；當(dāng)孔隙度為4%時(shí)，游離氣含量大于2.5 m3/t的概率大于50%。在測(cè)試日產(chǎn)氣量與孔隙度關(guān)系圖上可見(jiàn)，水平井達(dá)到高產(chǎn)工業(yè)氣流時(shí)，孔隙度大約對(duì)應(yīng)4%(圖9)，由此可見(jiàn)，將頁(yè)巖孔隙度下限值定為4%時(shí)，頁(yè)巖游離氣含量會(huì)有較大概率大于下限值2.5 m3/t，為獲得高產(chǎn)奠定了條件。

圖8 游離氣含量蒙特卡羅模擬結(jié)果(孔隙度為1%)

表3 不同孔隙度條件下頁(yè)巖游離氣含量蒙特卡羅模擬結(jié)果表

圖9 X-地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣水平井測(cè)試日產(chǎn)氣量與孔隙度關(guān)系

綜合以上分析，建議在建產(chǎn)區(qū)選區(qū)時(shí)，將頁(yè)巖孔隙度下限指標(biāo)適當(dāng)提高至4%，以此評(píng)價(jià)并圈定頁(yè)巖氣建產(chǎn)區(qū)，降低頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論和建議

(1)頁(yè)巖氣井初期產(chǎn)能主要來(lái)源于游離氣的貢獻(xiàn)，游離氣含量占比越高，單井測(cè)試日產(chǎn)氣量一般也越高。在頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，將頁(yè)巖氣工業(yè)建產(chǎn)區(qū)游離氣含量下限值定在2.5 m3/t是較為合適的。

(2)蜀南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖游離氣含量與TOC、孔隙度、地層壓力系數(shù)、裂縫發(fā)育呈一定正相關(guān)，與含水飽和度具有一定負(fù)相關(guān)，而與Ro關(guān)系不明顯。裂縫發(fā)育及含水飽和度都能通過(guò)與孔隙度關(guān)聯(lián)而間接影響游離氣含量，而礦物組分中硅質(zhì)礦物(石英+長(zhǎng)石)和碳酸鹽礦物也能關(guān)聯(lián)孔隙度而影響游離氣含量，因而裂縫發(fā)育、含水飽和度及礦物組分均不作為頁(yè)巖游離氣含量主控因素。蜀南地區(qū)頁(yè)巖游離氣含量主控因素為TOC、孔隙度及地層壓力系數(shù)。

(3)頁(yè)巖游離氣含量很大程度決定了頁(yè)巖的開(kāi)發(fā)潛力及經(jīng)濟(jì)效益，運(yùn)用蒙特卡羅模擬方法可知孔隙度大于4%時(shí)，游離氣含量大于下限值2.5 m3/t的概率超過(guò)50%。在蜀南地區(qū)將頁(yè)巖孔隙度下限定為4%，可以降低頁(yè)巖氣工業(yè)建產(chǎn)區(qū)優(yōu)選的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

建議在頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣量評(píng)價(jià)中，以游離氣含量評(píng)價(jià)為重點(diǎn)，抓住游離氣含量主控因素，從TOC、孔隙度、地層壓力系數(shù)等3個(gè)方面開(kāi)展系統(tǒng)評(píng)價(jià)工作。