張漢榮，王　強(qiáng)，倪　楷，李春燕

(中國石化 勘探分公司，成都　610041)

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川東南五峰
—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層六性特征及主控因素分析

張漢榮，王強(qiáng)，倪楷，李春燕

(中國石化 勘探分公司，成都610041)

摘要：川東南五峰—龍馬溪組頁巖氣探井效果差異大，有的富集高產(chǎn)、有的低產(chǎn)，也有干井。通過對比分析10余口頁巖氣鉆井巖心描述、地化分析、氬離子拋光掃描電鏡、全巖X衍射、現(xiàn)場含氣量測試、測井資料等，研究了頁巖儲(chǔ)層六性特征，即：巖性、地化特性、可壓裂性、物性、含氣性和電性特征。研究認(rèn)為巖性、地化特性、脆性三者之間相關(guān)性好,如含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖的TOC高、脆性指數(shù)也高，受先天條件即沉積環(huán)境與相帶控制，三者在川東南各井都可以對比；物性和含氣性呈正相關(guān)，受后天構(gòu)造改造影響，探井之間差異非常大,但物性與TOC仍呈正相關(guān)；頁巖垂向自封閉性及水平滲透率大的特性決定了頁巖產(chǎn)狀與斷層發(fā)育是影響頁巖含氣性的主要因素，而頁巖是否含氣又影響了物性的大小。構(gòu)造寬緩、斷層不發(fā)育的含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖，才能保持孔隙壓力和孔隙大小，成為高TOC、高脆性、高孔隙度、高含氣性的優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層，表現(xiàn)出四高三低的電性特征，才能形成商業(yè)產(chǎn)能。

關(guān)鍵詞：巖性特征；地化特征；可壓裂性特征；物性特征；含氣性特征；電性特征；頁巖儲(chǔ)層；五峰—龍馬溪組；川東南

常規(guī)油氣勘探重點(diǎn)研究儲(chǔ)層的“巖性、物性、電性、含油氣性”四性特征，頁巖作為“源儲(chǔ)一體”的獨(dú)特儲(chǔ)層，它作為烴源巖所具備的“地化特性”及它只有經(jīng)過壓裂改造后才能成為儲(chǔ)層的“可壓裂性”，也是重要的研究內(nèi)容。對這六種特性、六性之間相互關(guān)系以及影響六性特征的主控因素的研究，是研究頁巖氣富集高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

川東南地區(qū)已鉆探五峰—龍馬溪組頁巖氣探井10余口(圖1)，除了已經(jīng)提交3 806×108m3頁巖氣儲(chǔ)量，建成50×108m3產(chǎn)能的涪陵頁巖氣田外[1]，平面上甩開勘探也取得了積極進(jìn)展，但是也出現(xiàn)了一些復(fù)雜情況。本文試圖以川東南焦石壩、南川、丁山、仁懷等地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖氣探井為基礎(chǔ)，以巖心描述、地化分析、氬離子拋光掃描電鏡、全巖X衍射、現(xiàn)場含氣量測試、測井資料分析等為手段，從頁巖六性特征入手，分析六性之間的關(guān)系，闡述其中的控制因素。

1六性特征及橫向?qū)Ρ?/p>

1.1巖性特征

川東南頁巖氣勘探目的層是五峰—龍馬溪組一段，鉆井巖心描述發(fā)現(xiàn)該層段主要發(fā)育4種巖性，含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、含碳筆石頁巖、含碳含粉砂泥巖、含粉砂泥巖。單井剖面上含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖主要發(fā)育在龍馬溪組一段一亞段(圖1)，黑色，水平紋層發(fā)育，含豐富的筆石化石，局部層段硅質(zhì)放射蟲含量較高，其含量可達(dá)20%左右，見薄層、條帶狀及分散狀黃鐵礦；含碳含粉砂泥巖主要發(fā)育在二亞段，生物化石單調(diào)，僅見少量筆石化石及其碎片，一般順層分布，少量層段見順層集中分布的粉砂質(zhì)條紋，與泥質(zhì)條紋呈頻繁韻律互層；含碳筆石頁巖主要發(fā)育在三亞段下部，所含筆石均順層分布，局部富集成層，其含量30%左右，見少量黃鐵礦薄層；含粉砂泥巖主要發(fā)育在三亞段上部，見生物擾動(dòng)構(gòu)造，含黃鐵礦晶粒。從焦石壩到丁山到仁懷，多口鉆井揭示巖性具有良好的可對比性。

1.2地化特征

川東南地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖地化分析有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ1型[2-5]，有機(jī)質(zhì)成熟度2.01%～2.85%，丁山地區(qū)較低。所鉆探井縱向上為水體變淺層序，有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)從下到上逐漸降低，如焦頁1井龍一段89mTOC最高達(dá)7.13%，向上逐漸變小到0.5%，平均2.66%；龍一段一亞段(圖1)的38 m段為優(yōu)質(zhì)頁巖層段，TOC平均3.93%。橫向上頁巖層段TOC對比性好，特別是一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖層段，TOC平均值都大于3%，丁山地區(qū)3.65%，仁懷地區(qū)3.56%。

圖1　川東南五峰—龍馬溪組頁巖氣鉆井位置及焦頁1井柱狀圖

1.3可壓裂性特征

可壓裂性特征由脆性礦物含量和巖石力學(xué)性質(zhì)來表征。川東南五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖礦物組成和含量基本相似，全巖X衍射分析脆性礦物主要由硅、長石、方解石、白云石、黃鐵礦、碳酸鹽巖組成，單井縱向上脆性礦物含量逐漸增加[2-6]，上部最低33.9%，下部最高80.3%；平面上脆性礦物含量對比性好，特別是下部優(yōu)質(zhì)頁巖段，焦石壩地區(qū)平均為65.4%，丁山地區(qū)64.3%，仁懷地區(qū)61%。巖石力學(xué)性質(zhì)也基本相當(dāng)，焦石壩、丁山、仁懷地區(qū)泊松比分別為0.198，0.2，0.24，楊氏模量分別為38，32.16，40 GPa，可以與北美Barnett Haynesville等氣田類比。

1.4物性特征

川東南五峰—龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層孔隙類型為有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物孔、脆性礦物孔、縫，表現(xiàn)為中低孔、特低—中滲特征。單井自上而下孔隙度呈增大趨勢，但分布不均，非均質(zhì)性強(qiáng)[7-11]。物性橫向變化明顯，焦石壩地區(qū)271件巖心樣品孔隙度為1.17%～8.61%，平均4.87%；氬離子拋光掃描電鏡顯示孔徑主要分布在2～300 nm之間[12-14]。丁山地區(qū)丁頁1井79件巖心樣品孔隙度分布在2.13%～4.15%之間，優(yōu)質(zhì)頁巖28件巖心樣品平均孔隙度為3.03%；丁頁2井優(yōu)質(zhì)頁巖段34件巖心樣品孔隙度平均為5.94%。仁懷地區(qū)56件樣品氣測孔隙度小于1%的有51件，占87.9%，平均孔隙度只有0.72%。

1.5含氣性特征

川東南地區(qū)各鉆井五峰—龍馬溪組頁巖普遍含氣，但現(xiàn)場含氣量測試結(jié)果顯示含氣量大小橫向上存在較大差異。單井縱向上總含氣量分布特征與TOC相似，底部優(yōu)質(zhì)頁巖層段含氣量最高。平面上相同層段含氣量差異大，焦石壩地區(qū)4口井比較穩(wěn)定，優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣量分別為5.85，6.46，5.96，5.93 m3/t；丁山地區(qū)差異較大，DY2井優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段9件巖心樣品含氣量平均6.79 m3/t，DY1井相似層段16件巖心樣品含氣量平均3.07 m3/t；仁懷地區(qū)11件巖心樣品含氣量平均0.512 m3/t。

1.6電性特征

川東南地區(qū)測井資料分析優(yōu)質(zhì)頁巖段表現(xiàn)為“四高三低”的測井響應(yīng)特征，即：高自然伽馬、相對高電阻率、相對高聲波時(shí)差、高鈾，低無鈾伽馬、低中子、低密度。平面上自然伽馬、鈾、無鈾伽馬可以對比，而電阻率、聲波時(shí)差、中子、密度差異大。

2六性相關(guān)關(guān)系分析

2.1巖性與地化特性TOC的關(guān)系

根據(jù)川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組巖性與TOC統(tǒng)計(jì)(圖2a)可知，巖性與TOC之間關(guān)系密切。含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖的TOC含量相對最高，TOC主要分布在3%～5%；含碳筆石頁巖TOC范圍在1.5%～2.5%之間；含碳含粉砂泥巖TOC主體分布小于2%；含粉砂泥巖TOC則主體小于1%。

2.2巖性與可壓裂性的關(guān)系

川東南五峰—龍馬溪組一段整體可壓裂性好。根據(jù)巖性與脆性礦物含量統(tǒng)計(jì)(圖2b)可知，含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖脆性礦物含量最高，平均達(dá)到65.67%，分布在50.9%～83.4%，可壓裂性好；含碳筆石頁巖的平均為50.3%，分布在39.8%～63.3%，可壓裂性較好；含碳含粉砂泥巖的平均為58.4%，分布在53.7%～65.6%，可壓裂性較好；粉砂泥巖的平均為40.7%，分布在37.2%～54.3%，可壓裂性一般。

2. 3地化特性與可壓裂性的關(guān)系

多口鉆井巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以及測井解釋揭示，含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖和含碳筆石頁巖的TOC與脆性礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系，而含碳含粉砂泥巖和粉砂泥巖的TOC與脆性礦物含量則沒有相關(guān)關(guān)系(圖3)。

圖2　川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組巖性與TOC(a)、脆性礦物含量(b)的關(guān)系

圖3　川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組

2.4地化特性與物性的關(guān)系

將不同頁巖氣探井的TOC與孔隙度數(shù)據(jù)匯集在一起，兩者之間找不到任何相關(guān)關(guān)系，如TOC等于3%對應(yīng)的孔隙度變化范圍達(dá)到0.5%～6.5%。但是如果將每口井單獨(dú)進(jìn)行TOC與孔隙度相關(guān)關(guān)系分析，結(jié)果顯示不論井與井之間孔隙度是否有高低差異，同一口井中孔隙度與TOC都具有良好的正相關(guān)關(guān)系(圖4)。

2.5物性與含氣性的關(guān)系

對比川東南鉆井現(xiàn)場含氣量實(shí)測、巖心物性分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，頁巖含氣性與物性呈正相關(guān)關(guān)系，而且與壓力系數(shù)也正相關(guān)；壓力系數(shù)越高，孔隙度越大，含氣量越高(圖5)。

那么物性與含氣性之間，到底是物性制約了含氣性，還是含氣性影響了物性？在常規(guī)天然氣勘探中，是以找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層為主，如普光、元壩大氣田是找到了二疊系生物礁、灘優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層才發(fā)現(xiàn)的，顯然是先有儲(chǔ)集空間才有氣的聚集。而頁巖本身是一種烴源巖，是在生烴過程中形成納米級(jí)孔隙，才形成自生自儲(chǔ)的連續(xù)性氣藏。如果保存條件足夠好，氣體滯留在頁巖層中，含氣性物性都會(huì)保持，一旦氣體遭遇逸散，孔隙就會(huì)被壓實(shí)，因此非常規(guī)勘探中，是含氣性最終影響了物性。

圖4　川東南地區(qū)典型井優(yōu)質(zhì)頁巖平均孔隙度與TOC關(guān)系

圖5　川東南地區(qū)典型井優(yōu)質(zhì)頁巖段

2.6電性與其他五性的關(guān)系

五峰組—龍馬溪組一段TOC與鈾含量、自然伽馬之間有較好的正相關(guān)性，脆性礦物含量與無鈾伽馬(KTH)有較好的負(fù)相關(guān)性，TOC與密度之間具有良好的負(fù)相關(guān)性，高孔隙度層段與高聲波時(shí)差相對應(yīng)，低中子(CNL)、相對高電阻與高含氣性層段相對應(yīng)。因此，這些測井曲線綜合響應(yīng)特征反映了頁巖有機(jī)質(zhì)豐度、巖性、儲(chǔ)集性、含氣性和可壓裂性特征。通過這種關(guān)系研究，可以建立測井解釋模型，用于快速評價(jià)新完鉆導(dǎo)眼井，為水平井設(shè)計(jì)做依據(jù)。

3主控因素分析

通過頁巖儲(chǔ)層的六性特征和六性關(guān)系分析，巖性、地化特性和可壓裂性在川東南地區(qū)可以對比，且三者之間呈良好的正相關(guān)關(guān)系；物性和含氣性之間呈正相關(guān)關(guān)系，在川東南不同鉆井中差異比較大，電性上的變化也比較明顯，分析原因主要是受先天沉積環(huán)境與后天構(gòu)造改造的控制。

3.1沉積環(huán)境控制巖性、地化特性和可壓裂性

晚奧陶世—早志留世，川東南地區(qū)處于相對滯留、缺氧、水體較深的深水陸棚沉積環(huán)境[12-19]，普遍發(fā)育含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖，這些生物一方面提供了豐富的有機(jī)質(zhì)，一方面經(jīng)生物、生物化學(xué)作用提供了豐富的有機(jī)硅，因此，骨針、放射蟲等生物富集的層段，有機(jī)質(zhì)豐度高、脆性好。川東南鉆探的所有頁巖氣探井，均發(fā)育這套深水陸棚相高碳高硅的碳質(zhì)筆石頁巖，是頁巖氣水平井優(yōu)選層段。隨著海水變淺，陸源碎屑的輸入，川東南地區(qū)處于淺水陸棚環(huán)境，巖性逐漸過渡到含粉砂的筆石頁巖、含粉砂泥巖，硅質(zhì)含量與TOC相關(guān)性變差(圖4)。

3.2構(gòu)造改造強(qiáng)度影響頁巖物性和含氣性

川東南地區(qū)上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)頁巖作為主要的烴源巖，其成熟度Ro為2.01%～2.85%，處于過成熟晚期，在生烴過程中形成納米級(jí)有機(jī)孔，并隨著成熟度增高有機(jī)孔的孔徑加大。位于五峰—龍馬溪組底部深水陸棚的優(yōu)質(zhì)頁巖(含骨針放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖)有機(jī)質(zhì)豐度高，生烴強(qiáng)度大，有機(jī)孔發(fā)育，因此物性、含氣性與TOC一樣也受沉積環(huán)境控制，兩者之間也呈正相關(guān)關(guān)系。雖然后期不同地區(qū)頁巖物性變化大，孔隙度仍然與TOC呈正相關(guān)(圖5)，說明頁巖中的孔隙主要是有機(jī)孔，有機(jī)質(zhì)越豐富，有機(jī)孔就越發(fā)育。

不同地區(qū)后期物性與含氣性出現(xiàn)了差異主要原因是保存條件的差異，保存條件是頁巖氣富集的關(guān)鍵已成為了共識(shí)。頂?shù)装鍡l件、構(gòu)造作用強(qiáng)度、抬升剝蝕、構(gòu)造改造時(shí)間、斷裂等是頁巖氣保存的影響因素[4,20]。五峰—龍馬溪組頁巖頂?shù)装鍡l件好，在構(gòu)造的諸多因素中，頁巖層產(chǎn)狀及斷裂的發(fā)育程度是關(guān)鍵因素。因?yàn)轫搸r的頁理發(fā)育，水平滲透率是垂向的許多倍[21]，地層高陡將增大縱向分量致使氣體順層向上逸散，如遇斷層溝通則逸散速度加快，結(jié)果將使頁巖層含氣量降低、孔隙壓力下降，在圍巖壓力下頁巖孔隙由不規(guī)則的大孔，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫叨ㄏ蛐苑植嫉谋馄綘钪锌?，最后形成較圓的微孔甚至消失。因此，構(gòu)造寬緩、斷層不發(fā)育是影響物性和含氣性的兩大關(guān)鍵要素，而斷層的形成時(shí)間、活動(dòng)期次、規(guī)模大小將決定頁巖氣逸散的程度。相對來說，埋藏深度對工程壓裂有影響，對物性含氣性的影響不是至關(guān)重要。埋藏越深，頁巖氣一旦逸散，孔隙會(huì)越小，如PY1井頁巖層超4 000 m鉆井中無油氣顯示，孔隙度小于1%；EY1井構(gòu)造平緩，頁巖層埋深僅580 m鉆井甲烷顯示5%，孔隙度3.57%。

3.3頁巖六性關(guān)系及富集高產(chǎn)主控因素模型

頁巖氣富集受沉積與改造控制[2-3,22-23]，前者決定了黑色厚層頁巖發(fā)育、具有高TOC、高脆性礦物，在適中的演化程度下有機(jī)孔縫發(fā)育、含氣量高，電性上表現(xiàn)為四高三低的特征(圖6)；后者決定了現(xiàn)今頁巖儲(chǔ)集空間的大小和含氣性，即頁巖氣的富集。評價(jià)保存條件則從頂?shù)装鍡l件、構(gòu)造寬緩程度、是否處于弱改造區(qū)、是否遠(yuǎn)離剝蝕區(qū)和開啟斷裂等[21]，保存條件好的指標(biāo)是壓力系數(shù)高(圖6)。只有深水陸棚相的優(yōu)質(zhì)頁巖，在后期良好的保存條件下，才能具備頁巖氣的富集。而頁巖氣的富集不一定就能高產(chǎn)，只有具有良好的可壓裂性并埋藏適中，現(xiàn)有技術(shù)可以壓裂，才能獲得頁巖氣的高產(chǎn)，任何一個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)影響到最終的結(jié)果(圖6)。

焦石壩氣田的高產(chǎn)，簡單地說，是具備了深水陸棚優(yōu)質(zhì)頁巖和保存條件好這2大要素，且埋深適中，各個(gè)參數(shù)的評價(jià)都非常好。DY2井同樣具備這2大要素，有頁巖氣的富集，但因?yàn)槁癫爻^4 500 m，壓裂效果差，沒有達(dá)到商業(yè)產(chǎn)能；TY1井因大斷層發(fā)育，保存條件差，氣藏被破壞。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組底部同樣發(fā)育深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖，但底板條件為上震旦統(tǒng)燈影組白云巖巖溶儲(chǔ)層，不利于頁巖氣的滯留成藏；元壩地區(qū)自流井組大安寨段保存條件好，頁巖氣富集，但黏土含量高，影響了壓裂改造效果。

圖6　川東南地區(qū)頁巖六性關(guān)系及富集高產(chǎn)主控因素

4結(jié)論

(1)頁巖的巖性、地化特性、脆性受先天條件即沉積環(huán)境與相帶控制，含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖三者之間相關(guān)關(guān)系好，在川東南五峰—龍馬溪組各井都可以對比。

(2)物性和含氣性則受后天改造影響，探井之間變化差異大，頁巖垂向自封閉性及水平滲透率大的特性使得頁巖產(chǎn)狀與斷層發(fā)育是頁巖氣含氣性的主要因素，而頁巖是否含氣決定了物性的大小。

(3)寬緩的構(gòu)造樣式、斷層不發(fā)育的優(yōu)質(zhì)頁巖氣層，才能保持孔隙壓力和孔隙大小，只有六性匹配關(guān)系好，即高TOC、高脆性、高孔、高含氣性的碳質(zhì)頁巖，具備四高三低電性特征的頁巖儲(chǔ)層，才能形成商業(yè)產(chǎn)能。

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(編輯徐文明)

Six characteristics and main controlling factors of shale reservoirs in the Wufeng-Longmaxi formations, southeastern Sichuan Basin

Zhang Hanrong, Wang Qiang, Ni Kai, Li Chunyan

(SINOPECExplorationCompany,Chengdu,Sichuan610041,China)

Abstract:Shale gas exploration in the Wufeng-Longmaxi formations in the southeastern Sichuan Basin showed different results. Some wells were high yielding, some were low yielding, and some were dry. Well core description, geochemical analysis, SEM, X-ray diffraction, field gas content tests, and well logging analysis were applied to compare samples from over 10 shale gas wells. Six properties were studied, including lithology, geochemical features, brittleness, physical properties, gas-bearing capacity, and electrical resistivity. Lithology, geochemical features, and brittleness show good correlation. For example, radiolarian carbonaceous graptolite shale has high TOC content and brittleness index. These three properties were controlled by sedimentary environment and facies, and can be compared among wells in the study area. Physical properties are positively correlated with gas-bearing capacity. They were affected by tectonic deformations, and vary obviously among wells. Physical properties are positively correlated with TOC content. Shale attitude and fault development are the main factors which affect gas content because the horizontal permeability of shale is several times larger than vertical permeability. Gas content also affected shale porosity and permeability. Radiolarian carbonaceous graptolite shales with few faults are favorable for the preservation of pressure and pores, and can form industrial reservoirs featured by high GR, high resistivity, relatively high AC, high U content, low KTH, low NGR, and low density.

Keywords:lithologic feature; geochemical feature; fracturing feature; physical property; gas-bearing capacity; electricity; shale reservoir; Wufeng-Longmaxi formations; southeastern Sichuan Basin

文章編號(hào)：1001-6112(2016)03-0320-06

doi：10.11781/sysydz201603320

收稿日期：2016-03-15；

修訂日期：2016-04-20。

作者簡介：張漢榮(1968—)，女，博士，高級(jí)工程師，從事頁巖氣勘探工作。E-mail:zhanghr.ktnf@sinopec.com。

基金項(xiàng)目：中國石油化工集團(tuán)公司科技項(xiàng)目(P13129)資助。

中圖分類號(hào)：TE122.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A