陳朝剛

(1. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；重慶 400043；2. 重慶頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司)

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渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖含氣量影響因素分析

陳朝剛1，2

(1. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；重慶 400043；2. 重慶頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司)

頁(yè)巖含氣量是頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)和選區(qū)的關(guān)鍵指標(biāo)。以渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為研究對(duì)象，以巖心等溫吸附實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)該地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組和上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣量及其影響因素進(jìn)行了探討。研究表明：有機(jī)碳含量、總烴含量、石英礦物含量、地層壓力是頁(yè)巖含氣量的主控因素，與吸附氣含量具有很好的正相關(guān)性；孔喉半徑和比表面積與頁(yè)巖吸附氣含量具有一定的正相關(guān)性。

南大巴山；頁(yè)巖含氣量；有機(jī)碳含量；等溫吸附；吸附氣

1　研究區(qū)概況

近年來(lái)，我國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)不斷升溫，國(guó)內(nèi)各地方政府、油氣公司和新興能源公司不斷加大資源普查與潛力評(píng)價(jià)的力度[1-2]。頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)是頁(yè)巖含氣量[3-4]。目前，已有諸多學(xué)者研究了不同頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣量[5-7]，其中，頁(yè)巖氣等溫吸附實(shí)驗(yàn)[8-9]是確定頁(yè)巖含氣量的重要途徑。

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶處于上揚(yáng)子地臺(tái)北緣、四川盆地與秦嶺造山帶的過(guò)渡部位，構(gòu)造上處于城口斷裂和鐵溪-巫溪隱伏斷裂之間[10-11]，主要沉積寒武系到志留系深水暗色頁(yè)巖和碳酸鹽巖，烴源巖分布廣泛、厚度巨大、有機(jī)質(zhì)豐度高，但油氣勘探程度較低[12-14]。渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶發(fā)育下寒武統(tǒng)水井沱組和上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套下古生界頁(yè)巖儲(chǔ)層,其中水井沱組頁(yè)巖儲(chǔ)層巖性主要為黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖，儲(chǔ)層厚度為300～700 m，有機(jī)質(zhì)類型以I型干酪根為主，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.38%～7.31%，有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)為1.27%～3.72%，孔隙度為1.2%～17.6%，滲透率為(0.0032～0.0677)×10-3μm2；五峰-龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層巖性主要為灰色-黑色頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖、含粉砂質(zhì)頁(yè)巖，儲(chǔ)層厚度為10～70 m，有機(jī)質(zhì)類型以I型干酪根為主，部分為Ⅱ1型，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%～8.2%，有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)為1.17%～3.54%，孔隙度為1.2%～10.3%，滲透率為(0.0054～0.0332)×10-3μm2，表明該地區(qū)下古生界頁(yè)巖儲(chǔ)層具有較好的頁(yè)巖氣勘探前景。研究渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖的含氣量及其影響因素對(duì)于推進(jìn)該地區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)和選區(qū)十分必要。

2　頁(yè)巖含氣量等溫吸附實(shí)驗(yàn)

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶頁(yè)巖氣勘探程度較低，可用的游離氣含量資料較少，通過(guò)游離氣來(lái)研究頁(yè)巖含氣性具有很大局限性。本文通過(guò)研究頁(yè)巖吸附氣量的影響因素來(lái)研究渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖對(duì)天然氣的吸附能力。由于等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試的頁(yè)巖最大吸附氣量能直觀反映頁(yè)巖在某溫度和壓力下的吸附特性，本文采用等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試的頁(yè)巖最大吸附氣量來(lái)評(píng)價(jià)頁(yè)巖的含氣性。

等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試了渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下寒武統(tǒng)水井沱組和上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套頁(yè)巖氣目的層的頁(yè)巖樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該地區(qū)下古生界頁(yè)巖吸附氣量為1.38～3.78 m3/t(圖1)，其中，頁(yè)巖吸附氣量1～2 m3/t占20%，2～4 m3/t占80%。下寒武統(tǒng)水井沱組黑色頁(yè)巖吸附氣量為1.38～2.05 m3/t，平均1.67 m3/t；上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖吸附氣量為1.82～3.78 m3/t，平均2.80 m3/t。

3　含氣量影響因素分析

頁(yè)巖含氣量主要包括吸附氣含量和游離氣含量，其影響因素包括頁(yè)巖自身的地球化學(xué)指標(biāo)、礦物組成、物性指標(biāo)以及外部的深度、溫度、壓力等條件。

圖1　渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖最大吸附氣量直方圖

3.1吸附氣量影響因素分析

3.1.1孔喉半徑和比表面積

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界黑色頁(yè)巖的孔喉半徑分布區(qū)間為0～100 nm，水井沱組和五峰-龍馬溪組樣品在此區(qū)間的分布頻率分別為91.99%和89.96%(圖2)；BET比表面積為0.5～17.8 m2/g，平均為7.56 m2/g，50%以上樣品比表面積大于4.0 m2/g(圖3)，表明下古生界頁(yè)巖內(nèi)的孔隙空間主要以微型孔隙為主，比表面積總體較大，微孔隙較發(fā)育。

圖2　黑色頁(yè)巖孔喉半徑分布頻率直方圖

孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)隨孔隙度的增大而發(fā)生變化，微孔變成中孔或者大孔隙，從而使孔隙內(nèi)表面積也增大，直接影響吸附氣量的大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析表明，孔喉半徑和比表面積均與吸附氣量總體呈正相關(guān)關(guān)系，擬合系數(shù)(R2)分別為0.1234和0.1224(圖4、圖5)，說(shuō)明頁(yè)巖孔喉半徑和BET比表面積對(duì)頁(yè)巖吸附性能有一定影響。

圖3　頁(yè)巖BET比表面積分布直方圖

圖4　孔喉半徑和吸附氣含量關(guān)系

圖5　BET比表面積和吸附氣含量關(guān)系

3.1.2有機(jī)碳含量

頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)除了是頁(yè)巖氣的生烴基礎(chǔ)，還能提供大量納米級(jí)的微孔隙。實(shí)驗(yàn)分析表明，有機(jī)碳含量和頁(yè)巖吸附氣含量有很好的正相關(guān)關(guān)系，擬合系數(shù)(R2)高達(dá)0.8859(圖6)，吸附氣含量隨有機(jī)碳含量的增加而增加，有機(jī)碳含量是頁(yè)巖吸附氣含量的一個(gè)重要主控因素。

3.1.3總烴含量

圖6　有機(jī)碳含量和吸附氣含量關(guān)系

巖石熱解的總烴含量代表了頁(yè)巖的生烴潛力，渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖樣品的巖石熱解和等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析表明，頁(yè)巖吸附氣含量與總烴量呈較好的正相關(guān)關(guān)系，擬合系數(shù)(R2)為0.582(圖7)，表明頁(yè)巖總烴含量是頁(yè)巖吸附氣含量的重要影響因素之一。

圖7　總烴含量和吸附氣含量關(guān)系

3.1.4礦物含量

根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果，渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界黑色頁(yè)巖石英體積分?jǐn)?shù)(7%～95%，平均58%)和黏土礦物(4%～49%，平均22.7%)含量較高，通過(guò)吸附氣量分別與石英和黏土礦物含量間相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，吸附氣量與石英含量呈正相關(guān)性(圖8)，而與黏土礦物含量無(wú)明顯相關(guān)性(圖9)。造成這種現(xiàn)象可能的原因是在渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶沉積演化過(guò)程中，長(zhǎng)期劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成了黏土礦物被壓實(shí)和膠結(jié)嚴(yán)重，礦物顆粒彼此緊密相連，導(dǎo)致黏土礦物晶內(nèi)微孔減少，降低了黏土礦物的吸附能力[15]；而下古生界黑色頁(yè)巖主要為淺-深海陸棚沉積，生物殘?bào)w為海相頁(yè)巖提供了充足的硅質(zhì)沉積，同時(shí)硅質(zhì)含量和有機(jī)碳含量呈較好的正相關(guān)性(圖10)，表明硅質(zhì)含量的增加有利于有機(jī)質(zhì)含量的增加。

圖8　石英含量和吸附氣含量的關(guān)系

圖9　黏土含量和吸附氣含量的關(guān)系

圖10　石英含量和有機(jī)碳含量的關(guān)系

3.1.5地層壓力

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界不同頁(yè)巖樣品等溫吸附曲線表明，頁(yè)巖吸附能力與壓力呈正相關(guān)性，壓力越大頁(yè)巖吸附甲烷能力就越強(qiáng)。當(dāng)壓力為0.4 MPa時(shí)，吸附量為0.25～2.12 m3/t，平均為0.4 m3/t；當(dāng)壓力為5.36 MPa時(shí)，吸附氣量為1.31～3.05 m3/t，平均為2.08 m3/t；當(dāng)壓力為10.16 MPa時(shí)，吸附氣量為1.38～3.78 m3/t，平均為2.3 m3/t(圖11)。因此，壓力是頁(yè)巖吸附氣含量的重要控制因素。

圖11　不同壓力下吸附氣含量變化

3.2游離氣影響因素分析

頁(yè)巖的礦物成分比較復(fù)雜，主要為石英、黏土和碳酸鹽巖礦物，除此之外還含有長(zhǎng)石、云母等碎屑礦物和自生礦物，并具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性。不同礦物顆粒間的孔隙、喉道、晶洞和裂縫組成復(fù)雜的多孔系統(tǒng)，并具有網(wǎng)格狀有限聯(lián)通的特征[16]，這些孔隙是頁(yè)巖游離氣的主要儲(chǔ)集空間，孔隙度大小直接控制著游離氣的含量。此外溫度、壓力等外部條件在一定范圍內(nèi)影響著頁(yè)巖游離氣含量。

3.2.1石英礦物含量

石英顆粒為剛性顆粒，不易變形，在沉積壓實(shí)、壓溶過(guò)程中形成顆粒支撐，不易受壓變形溶蝕，從而能有效保護(hù)巖石顆粒支架結(jié)構(gòu)和原生孔隙結(jié)構(gòu)，保存原生孔隙。分析研究表明，渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖的儲(chǔ)層物性與石英礦物含量成明顯正相關(guān)性(圖12、圖13)，說(shuō)明石英礦物含量越高，為游離氣提供的儲(chǔ)集空間也越大。

圖12　石英含量和孔隙度的關(guān)系

圖13　石英含量和滲透率的關(guān)系

3.2.2黏土礦物含量

頁(yè)巖黏土礦物(高嶺石、伊利石、綠泥石、伊/蒙混層)晶間微孔增加了頁(yè)巖的孔隙空間，這些黏土礦物晶間微孔對(duì)儲(chǔ)層物性具有改善作用。渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖儲(chǔ)層物性與黏土礦物含量呈正相關(guān)性(圖14、圖15)，表明黏土礦物含量越高，為游離氣提供的儲(chǔ)集空間也越大。

圖14　黏土礦物含量和孔隙度的關(guān)系

圖15　黏土礦物含量和滲透率的關(guān)系

3.2.3碳酸鹽礦物含量

渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖儲(chǔ)層的碳酸鹽體積分?jǐn)?shù)為0～74%，平均8.6%，在頁(yè)巖沉積成因中，碳酸鹽巖方解石充填粒間孔隙和微裂縫，起到一定的膠結(jié)作用，降低了頁(yè)巖孔隙度，從而影響頁(yè)巖游離氣含量。分析研究表明，隨碳酸鹽礦物含量的增加，頁(yè)巖儲(chǔ)層物性變差(圖16、圖17)。

4　結(jié)論

(1)渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界兩套頁(yè)巖儲(chǔ)層以吸附氣為主，80%以上頁(yè)巖吸附氣量為2～4 m3/t；下寒武統(tǒng)水井沱組黑色頁(yè)巖吸附氣量為1.38～2.05m3/t，平均1.67m3/t；上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖吸附氣量為1.82～3.78 m3/t，平均2.80 m3/t，均表明具有較好的勘探前景。

圖16　碳酸鹽巖含量和孔隙度的關(guān)系

圖17　碳酸鹽巖含量和滲透率的關(guān)系

(2)頁(yè)巖的微孔隙孔喉半徑和比表面積、有機(jī)碳含量、總烴含量、礦物含量、地層壓力是頁(yè)巖吸附氣含量的影響因素。渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖吸附氣含量與頁(yè)巖有機(jī)碳含量、總烴含量、石英礦物含量、地層壓力有明顯的正相關(guān)性，是影響該地區(qū)下古生界巖頁(yè)氣含量的主控因素；孔喉半徑和比表面積與頁(yè)巖吸附氣含量有一定的正相關(guān)性，而黏土礦物含量與頁(yè)巖吸附氣含量無(wú)明顯相關(guān)性。

(3)頁(yè)巖的礦物含量影響游離氣的儲(chǔ)集空間，渝東北南大巴山前陸褶皺沖斷帶下古生界頁(yè)巖的石英和黏土礦物含量增加能為游離氣提供更大的儲(chǔ)集空間，碳酸鹽礦物含量增加則會(huì)降低頁(yè)巖的儲(chǔ)層物性。

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編輯：王金旗

1673-8217(2016)04-0018-05

2016-03-10

陳朝剛，高級(jí)工程師，工學(xué)博士，1978年生，2005年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，現(xiàn)從事頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究工作。

重慶市科委前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“頁(yè)巖氣藏體積壓裂水平井非線性滲流理論及流-固耦合綜合模型研究”(編號(hào)：cstc2015jcyjA90014)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“頁(yè)巖氣藏體積壓裂水平井流-固耦合流動(dòng)規(guī)律及數(shù)值試井方法研究”(編號(hào)：KJ1501315)；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目“基于裂縫變形機(jī)理的頁(yè)巖氣藏體積壓裂水平井流體流動(dòng)規(guī)律研究” (編號(hào)：2015D-5006-0207)。

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