川西坳陷新场28井上三叠统须五段页岩气储层特征研究及评价

陈磊，姜振学，邢金艳

陈冬霞，谢明贤

陈委涛，罗枭

川西坳陷新场28井上三叠统须五段页岩气储层特征研究及评价

陈磊，姜振学，邢金艳

（油气资源与探测国家重点实验室 （中国石油大学 （北京）））中国石油大学 （北京）非常规天然气研究院，北京102249

陈冬霞，谢明贤

（油气资源与探测国家重点实验室 （中国石油大学 （北京）））中国石油大学 （北京）地球科学学院，北京102249

陈委涛，罗枭

（油气资源与探测国家重点实验室 （中国石油大学 （北京）））中国石油大学 （北京）非常规天然气研究院，北京102249

页岩气是一种重要的非常规天然气，其特有的赋存形式、源储一体的成藏模式、不同于常规天然气储层的评价方法等均说明了页岩气储层具有一定的特殊性。目前，对页岩气储层特征的研究及评价工作在国内开展的相对较少，亟需建立一套适用于页岩气储层的评价标准。以试验分析数据为基础，综合利用最新的浅井钻探、野外露头观测资料和前人研究成果，从岩石矿物学特征、有机质特征、物性特征、储集空间特征和岩石力学特征等方面，对川西坳陷新场28井上三叠统须家河组五段黑色泥页岩的储层特征进行了初步研究。在此基础上，参考国内外页岩气储层评价方案及前人评价模式，筛选出总有机碳质量分数、成熟度、厚度等8大评价参数，建立了一套适用于页岩气储层的评价标准。根据该标准评价后认为，川西坳陷新场28井须家河组五段泥页岩具有良好的勘探开发前景。

页岩气；新场28井；须家河组五段；储层特征；评价标准

页岩气是一种赋存于富含有机质的泥页岩及其粉砂质岩类夹层中的非常规天然气资源，具有自生自储、近原地富集、赋存方式及储集空间多样、成因类型多样、大面积连续成藏、非均质性极强等特点［1～6］，其储集条件的好坏直接影响着页岩气富集成藏［7～15］。目前，受到试验仪器、方法和资料等诸多限制，国内对于页岩气储层特征的研究及其评价工作开展的相对较少，尚处于逐步探索阶段。

四川盆地下古生界发育筇竹寺组、五峰组、龙马溪组等海相页岩地层，已有学者对其进行了大量研究［14～17］，但对陆相页岩地层的研究则相对较少。笔者以川西坳陷新场28井陆相上三叠统须家河组五段（T3x5）泥页岩为例，采用常规薄片鉴定、X衍射矿物分析、扫描电镜、有机碳测试、热解分析等试验方法，从储层岩性特征、矿物组成特征、有机质特征、物性特征、储集空间特征及岩石力学特征等方面对该套页岩气储层进行了初步研究，为川西坳陷陆相页岩气目标区优选提供地质指导依据。

1 地质背景

川西坳陷位于四川盆地西部，北起米仓山山前，南抵峨眉－瓦山断块，西临龙门山推覆构造带，东接川中隆起，介于龙泉山隐伏深断裂与龙门山马角坝深断裂之间，为一北东－南西向的条形地带，总面积约为5×104km2［18］。川西坳陷须家河组 （T3x）是晚三叠世的一套河流－湖沼相沉积，其中T3x5主要为滨浅湖相沉积，沉积了一套黑色泥页岩夹薄层砂岩及沼泽薄煤层，具较好的生气潜力。

中石化西南油气分公司于2010年9月在川西坳陷孝泉－丰谷构造带开钻页岩气井兼探井——新场28井 （见图1）。中生界陆相页岩广泛发育其中，主要包括T3x5和须家河组三段 （T3x3）页岩。页岩地层具发育范围广、厚度大、裂缝发育等特点。钻探显示，新场28井T3x5页岩实际厚度远大于地表露头显示厚度，且具有良好的含气显示。

2 页岩气储层基本特征

2.1 岩性与矿物学特征

通过对新场28井的岩心观察、录井岩屑以及常规薄片鉴定，T3x5岩石类型主要为灰黑色、深灰色泥页岩夹浅灰色中薄层粉砂岩，普遍夹可采煤层或煤线。在岩石薄片镜下照片中，可见大量呈条带状分布的褐（黑）色有机物 （见图2（a）），有时可见少量灰泥呈鲕粒状 （见图2（b））、泥质物局部富集 （见图2（c））、灰泥呈圆形团粒状 （见图2（d））等。有机质含量丰富，呈黑色条带密集分布于泥页岩层面上。

据黏土矿物测定及X射线衍射全岩分析（见表1、图3），新场28井T3x5岩石的黏土矿物体积分数平均为28.17%（16%～40%），主要为伊利石、伊－蒙间层、高岭石以及绿泥石，不含蒙脱石，其中伊利石含量最高。非黏土矿物主要为石英、长石、方解石和白云石，其中石英体积分数最高，平均为52.17%（42%～65%），其次为碳酸盐矿物 （包括方解石和白云石），平均为16.67%（13%～20%）。从矿物组成上看，该套陆相泥页岩脆性矿物 （石英、长石和碳酸盐）体积分数较高，平均超过40%，且不含膨胀性蒙脱石，说明岩石脆性较好，天然裂缝容易发育，有利于后期人工压裂。美国主要页岩气产层的石英体积分数为28%～52% （以生物、成岩石英为主），碳酸盐体积分数为4%～16%，脆性矿物总体积分数为46%～60%［19］。从岩性和矿物组成变化特征可以看出，新场28井T3x5泥页岩储层具较强的非均质性。

图1 川西坳陷新场28井地理位置

图2 川西坳陷新场28井T3x5薄片镜下鉴定特征

表1 川西坳陷新场28井T3x5的X衍射矿物体积分数统计表

2.2 有机质特征

有机质类型是决定烃源岩生烃潜力的主要因素之一，是评价烃源岩质量的指标。有机质类型的不同对烃源岩生成烃类的性质有较大影响［20］。同时，干酪根类型也影响着气体赋存的方式和含量，并提供一些与烃源岩沉积环境有关的信息。笔者未开展有机质类型鉴定的相关试验，主要结合前人研究成果进行分析，川西坳陷新场28井T3x5泥页岩的有机质类型主要属于Ⅲ型 （腐殖型），以生气为主。

图3 川西坳陷新场28井T3x5泥页岩储层矿物成分条形图

有机质丰度也是评价烃源岩质量的重要指标之一。沉积盆地中烃源岩有机质丰度的分布在很大程度上控制着油气分布的有利区域［21］。含气页岩的有机质丰度不仅决定了页岩气的生成量，而且还控制着页岩气的赋存与富集，从而影响页岩气的资源丰度。目前，常用的有机质丰度指标主要包括总有机碳质量分数 （w（TOC））、氯仿沥青 “A” （w（“A”））、总烃 （w（HC））和岩石热解生烃潜量（w（S1＋S2））等。其中，w（TOC）是国内外普遍采用的，也是最重要的评价指标。w（TOC）不仅控制着页岩的物理化学性质，也在很大程度上控制着页岩的裂缝发育程度和含气量［22］。北美页岩气勘探开发实践表明，具商业开采价值的页岩气层主要为w（TOC）在2%以上的富有机质页岩段［12，23］。新场28井T3x5泥页岩w（TOC）平均为2.46%，表明该套泥页岩富含有机质，既是优质气源岩，也是较好的页岩气储集层。

沉积岩中有机质的丰度和类型是生成油气的物质基础，但有机质只有达到一定的热演化程度才能开始大量生烃。有机质成熟度是评价一个地区或某一烃源岩系生烃量及资源前景的重要依据［24］。镜质体反射率 （Ro）是目前研究干酪根热演化和成熟度的最佳参数之一。对6个样品进行Ro测试，结果表明，新场28井T3x5泥页岩Ro变化不大，平均为1.39%，说明该套泥页岩正处于高－过成熟生气阶段。

2.3 物性特征

在传统的油气勘探中，由于页岩孔、渗极差，一般不作为储层来考虑，因此其物性参数常被忽略。但在页岩气勘探开发中，孔、渗条件的好坏在很大程度上决定了页岩气的开采是否具有经济价值，物性特征是页岩气地质评价中不可或缺的重要参数［7～12］。作为页岩结构中的重要组成部分，页岩的孔隙是泥质沉积物在埋藏之后经历了成岩和成岩期后一系列变化作用的综合产物。页岩中孔隙度的大小直接控制着游离气的含量。一般来说，孔隙体积越大，所含的游离气量就越大 （见图4）。这是由于气体分子在孔隙中赋存，当孔径越大，孔隙度越大时，游离气含量也随之增加。渗透率直接关系到页岩气藏的开采，页岩的基质渗透率非常低，一般小于0.1mD，但随裂缝的发育会大幅度提高。

对新场28井T3x5泥页岩样品测量其孔隙度与渗透率。从孔隙度的分布来看，介于3.6%～5%之间，平均值为4.26%；从渗透率的分布来看，介于0.0005～0.0044mD之间，平均值为0.002mD。以上参数均低于北美主要含气页岩，表明新场28井T3x5泥页岩物性偏低，属于非常致密的页岩储层，但其脆性矿物含量较高，有利于后期压裂造缝，从而提高岩石的孔隙度与渗透率。

2.4 储集空间特征

页岩作为一种非常规天然气储集层，其储集空间类型多样，可分为无机孔隙、有机孔隙和裂缝。无机孔隙包括残余原生孔隙、黏土矿物脱水转化形成的微裂 （孔）隙和不稳定矿物 （如长石、方解石）溶蚀形成的溶蚀孔等；有机孔隙是指在高－过成熟阶段，有机质热降解大量生排烃后形成的微孔隙。

2.4.1 无机孔隙

图4 游离气含量与孔隙度关系图

1）残余原生孔隙 原生孔隙是指在沉积时期形成的孔隙。在常规砂岩储层中，该类孔隙主要是受脆性矿物颗粒支撑，颗粒之间未被杂基充填，胶结物含量少而留下的的原始孔隙，随成岩后生作用的增强和地层埋深的增加而快速减少。在页岩中，由于石英、长石、方解石等脆性矿物以分散状镶嵌于黏土矿物与有机质中，大多不能形成颗粒支撑，因此原生孔隙残余较少。原生孔隙主要存在于少量的脆性矿物颗粒或晶粒之间以及脆性矿物颗粒与黏土之间。在新场28井T3x5泥页岩中极少见到这种残余原生孔隙。

2）溶蚀孔隙 随着成岩后生作用的增强和地层埋深的增加，当成岩流体的化学性质与岩石中各组分不能达到一种有效的化学平衡时，常常发生不稳定矿物的溶蚀作用，其中长石颗粒是极为常见的被溶蚀组分，碳酸盐矿物也常发生溶蚀而形成溶蚀孔。该类孔隙主要存在于矿物颗粒间或粒内，孔径变化大（30～720nm），连通性差 （见图5）。通过扫描电镜下观察，溶蚀孔隙在新场28井T3x5泥页岩中较为常见。

3）黏土矿物脱水转化形成的微裂 （孔）隙 黏土矿物发生脱水转化是页岩成岩过程中的重要变化。沉积盆地中的黏土矿物在其埋藏过程中，由于温度等条件的变化，在转化过程中析出大量层间水，从而在层间形成微裂隙［25］。其转化形式主要包括蒙脱石向伊利石、伊－蒙间层转化，伊－蒙间层向伊利石转化等。研究表明，黏土矿物的脱水转化这一过程主要受温度的控制。此类孔缝宽50～300nm，连通性相对较好 （见图6），在新场28井T3x5泥页岩中较为多见。

图5 川西坳陷新场28井T3x5黑色页岩中颗粒被溶蚀现象

图6 川西坳陷新场28井T3x5黑色页岩中黏土矿物层间微裂缝

2.4.2 有机孔隙

北美页岩气储层研究发现［12］，在有机质生烃演化过程中，干酪根向油气的热降解可产生次生的微孔、微裂隙，有机质内孔隙呈蜂窝状结构，从而提高页岩的基质孔隙度。据Jarvie等人研究表明，总有机质质量分数为7%的页岩，在生烃演化过程中，转化35%的有机碳可形成4.9%的孔隙空间［5］。在新场28井T3x5泥页岩中，有机孔隙普遍发育 （见图7）。这些孔隙主要分布于有机质间和有机质内，呈蜂窝状、线状或串珠状，直径为5～750nm，平均为100nm。

2.4.3 裂缝

在泥页岩储集层中，裂缝是极其常见的储集空间类型之一，也是重要的渗流通道，是天然气从页岩基质孔隙进入到井筒中的必要途径［1，2，11］。页岩中裂缝的形成与多种因素有关，主要包括岩石脆性、地层孔隙异常压力、有机质生烃、构造应力等［26］。其中，石英、长石、碳酸盐等矿物含量高导致岩石脆性好，是页岩裂缝形成的内因，其他因素则是裂缝发育的外因。笔者发现，在新场28井T3x5泥页岩中，普遍发育微裂缝 （图8）。

图7 川西坳陷新场28井T3x5有机质生烃体积缩小形成的微孔隙

图8 川西坳陷新场28井T3x5薄片鉴定下微裂缝分布

2.5 岩石力学特征

对于页岩气的勘探与开发，从某种程度上来说，开发显得更为重要。因此，在研究泥页岩储集层时，不仅需要关注它的岩石矿物学特征、物性特征、储集空间特征等常规储层特征，也要重视评估其力学特征参数是否符合人工压裂改造的岩石物理标准。为此，笔者挑选了4块新场28井T3x5灰黑色泥页岩岩样，对其进行了力学特征参数的测试。结果显示：4块泥页岩样品的弹性模量为4.78～18.71GPa，泊松比 （横向应变与纵向应变的比值）为0.17～0.54（见表2）。上述2项岩石力学特征参数与美国主要产气页岩相差不大，表明新场28井T3x5泥页岩具有高弹性模量、低泊松比特征，质地硬而脆，适宜后期人工压裂造缝，对页岩气开采有利。

表2 川西坳陷新场28井T3x5泥页岩物理参数

3 储层评价内容及标准

3.1 评价内容

页岩气是典型的非常规天然气资源［2］，评价页岩储层除参考常规储层评价思路之外，还应考虑页岩储层的含气性及岩石力学性质等［27］参数。因此，结合北美页岩气勘探开发的成功经验和国内页岩气的研究现状，笔者筛选出8大关键评价参数，初步建立了页岩储层评价标准。

1）有机质丰度w（TOC）直接决定生烃量的大小。页岩含气量与w（TOC）具较好的正相关关系。目前普遍研究认为，具有商业开采价值的页岩气藏w（TOC）一般应大于2%，但可随着勘探开发水平的提高而适当降低。

2）有机质成熟度Ro是衡量烃源岩实际生烃能力的重要指标之一，北美主要产气页岩的Ro一般大于1.1%。

3）厚度 页岩厚度控制着页岩气藏的经济效益，厚度越大，页岩气藏富集程度越高。目前，一般要求直井厚度大于30m。

4）物性 页岩储层的孔隙度和渗透率大小直接关系到页岩中残余气量及可采气量。游离气含量受控于孔隙体积，渗透率则是判断页岩气藏是否具有经济开发价值的重要参数。

5）矿物成分 页岩储层中的黏土矿物影响吸附气含量的大小。同时，页岩的矿物成分在很大程度上影响着页岩气的产能。硅质、钙质矿物含量越高，页岩储层脆性越强，在压裂改造时，越容易形成裂缝，有利于页岩气开采。

6）岩石力学性质 通过泊松比、弹性模量等岩石物理参数的测定，评价页岩储层的造缝能力。弹性模量越高，泊松比越低，越容易被压裂造缝。

7）含气性 页岩气的主要存在形式是游离气与吸附气。页岩储层的含气性直接决定了页岩气藏的经济开发价值。可根据现场解吸和等温吸附试验，直接测定页岩储层的含气量。

8）非均质性 主要表现在岩石物质组成的非均质和孔隙空间的非均质，包括纵向非均质性和横向非均质性。页岩储层的非均质性极强，需进行深入研究与探索。

3.2 评价标准

依据上述评价内容，结合北美页岩气储层评价方案与蒋裕强等［28］的研究成果，笔者尝试建立了以下页岩气储层评价标准 （见表3）。

表3 页岩储层评价标准表

川西坳陷新场28井T3x5泥页岩储层的w（TOC）普遍大于2%，Ro最低都大于1.1%，脆性矿物体积分数基本超过40%，黏土矿物体积分数低且不含蒙脱石，其孔隙度满足下限标准。由此表明，川西坳陷新场28井T3x5陆相黑色泥页岩具有良好的页岩气勘探开发潜力。

4 结论

1）新场28井须家河组五段 （T3x5）泥页岩为滨浅湖相沉积，岩性以黑色泥页岩、煤层和浅灰色粉砂岩为主，黑色碳质条带普遍发育；矿物学和力学性质适中，石英、长石等脆性矿物体积分数高，超过40%，黏土矿物体积分数低于30%，以伊利石为主，不含蒙脱石；具有较高弹性模量和较低泊松比特征，易于形成天然裂缝和人工诱导裂缝，利于后期开采。

2）新场28井T3x5泥页岩储集空间类型多样，发育有残余原生孔、溶蚀孔、黏土矿物层间微孔、有机质孔以及大量天然裂缝，其中以有机质孔为主；储层物性相对较好，孔隙度平均为4.26%，渗透率平均为0.002mD；干酪根类型以Ⅲ型干酪根为主，有机质丰度高，热演化程度较高，处于大量生烃阶段。

3）基于岩石学特征、有机质特征、物性特征、储集空间特征和岩石力学特征，精选8大评价参数，建立了页岩储层评价标准。利用该标准对川西坳陷新场28井T3x5泥页岩进行评价，预示其勘探开发前景良好。

［1］Curtis J B.Fractured shale-gas systems［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921～1938.

［2］张金川，金之钧，袁明生 .页岩气成藏机理和分布 ［J］.天然气工业，2004，24（7）：15～18.

［3］张金川，汪宗余，聂海宽，等 .页岩气及其勘探研究意义 ［J］.现代地质，2008，22（4）：640～646.

［4］Hill R J，Zhang E T，Katz J B，etal.Modeling of gas generation from the Barnett shale，Fort Worth basin，Texas［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：501～521.

［5］Jarvie D M，Hill R J，Ruble T E，etal.Unconventional shale gas systems：The Mississippian Barnett Shale gas of north-central Texas as one model for thermogenic shale gas assessment［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：475～499.

［6］刘树根，曾祥亮，黄文明，等 .四川盆地页岩气藏和连续型—非连续型气藏基本特征 ［J］.成都理工大学学报 （自然科学版），2009，36（6）：578～592.

［7］董大忠，程克明，王玉满，等.中国上扬子区下古生界页岩气形成条件及特征 ［J］.石油与天然气地质，2010，31（3）：288～299.

［8］邹才能，董大忠，王社教，等 .中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力 ［J］.石油勘探与开发，2010，37（6）：641～653.

［9］王祥，刘玉华，张敏，等 .页岩气形成条件及成藏影响因素研究 ［J］.天然气地球科学，2010，21（2）：350～356.

［10］王伟锋，刘鹏，陈晨，等 .页岩气成藏理论及资源评价方法 ［J］.天然气地球科学，2013，24（3）：429～438.

［11］李新景，吕宗刚，董大忠，等 .北美页岩气资源形成的地质条件 ［J］.天然气工业，2009，29（5）：27～32.

［12］《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会 .北美地区页岩气勘探开发新进展 ［M］.北京：石油工业出版社，2009.

［13］李玉喜，聂海宽，龙鹏宇 .我国富含有机质泥页岩发育特点与页岩气战略选区 ［J］.天然气工业，2009，29（12）：115～118.

［14］张金川，聂海宽，徐波，等 .四川盆地页岩气成藏地质条件 ［J］.天然气工业，2008，28（2）：151～156.

［15］黄金亮，邹才能，李建忠，等 .川南下寒武统筇竹寺组页岩气形成条件及资源潜力 ［J］.石油勘探与开发，2012，39（1）：69～75.

［16］梁超，姜在兴，杨镱婷，等 .四川盆地五峰组—龙马溪组页岩岩相及储集空间特征 ［J］.石油勘探与开发，2012，39（6）：691～698.

［17］李一凡，樊太亮，高志前，等 .渝东南地区志留系层序地层研究及黑色页岩分布 ［J］.天然气地球科学，2012，23（2）：299～306.

［18］陈冬霞，黄小惠，李林涛，等 .川西坳陷上三叠统烃源岩排烃特征与排烃史 ［J］.天然气工业，2010，30（5）：41～45.

［19］刘树根，马文辛，黄文明，等 .四川盆地东部地区下志留统龙马溪组页岩储层特征 ［J］.岩石学报，2011，27（8）：2239～2252.

［20］陈兰.藏北侏罗纪沉积相及黑色岩系有机地球化学研究 ［D］.成都：成都理工大学，2003.

［21］陈俊 .川西坳陷中段烃源岩及天然气地球化学研究 ［D］.成都：成都理工大学，2008.

［22］聂海宽，唐玄，边瑞康 .页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测 ［J］.石油学报，2009，30（4）：484～491.

［23］Kinley T J，Cook L W，Breyer J A，etal.Hydrocarbon potential of the Barnett shale（Mississippian），Delaware Basin，west Texas and southeastern New Mexico［J］.AAPG Bulletin，2008，92（8）：967～991.

［24］沈忠民，魏金花，朱宏权，等 .川西坳陷煤系烃源岩成熟度特征及成熟度指标对比研究 ［J］.矿物岩石，2009，29（4）：83～88.

［25］王玉满，董大忠，李建忠，等 .川南下志留统龙马溪组页岩气储层特征 ［J］.石油学报，2012，33（4）：551～561.

［26］王社教，王兰生，黄金亮，等 .上扬子区志留系页岩气成藏条件 ［J］.天然气工业，2009，29（5）：45～50.

［27］朱华，姜文利，边瑞康，等 .页岩气资源评价方法体系及其应用——以川西坳陷为例 ［J］.天然气工业，2009，29（12）：130～134.

［28］蒋裕强，董大忠，漆麟，等 .页岩气储层的基本特征及其评价 ［J］.天然气工业，2010，30（10）：7～12.

［编辑］ 邓磊

Features and Evaluation of Shale Gas Reservoirs in the Fifth M em ber of Upper Triassic Xu jiahe Form ation from W ell Xinchang 28 in the W estern Sichuan Dep ression

CHEN Lei，JIANG Zhenxue，XING Jinyan，CHEN Dongxia，XIE Mingxian，CHEN Weitao，LUO Xiao (First Author's Address:State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum;Unconventional NaturalGas Institute，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

Shale gaswas an important unconventional gas，it had particularity for its specialmodes of occurrence，reservoir forming pattern of source-storage integration and themethod for reservoir evaluation thatwas different from conventional gas.At present，related studies on shale gas reservoir features and evaluation were relatively less both at home and abroad，so it was necessary to establish a set of evaluation criteria for shale gas evaluation.Based on the experimental data and integrated with other data of previous research results，drillings and outcrop observation，the characteristics of black-shale reservoir in the fifth member of Upper Triassic Xujiahe Formation from Well Xinchang 28 in the western Sichuan Depression were preliminarily studied from the aspects ofmineralogic characteristics，organicmatter，physical properties，reservoir space and rock mechanical properties.At the same time，on the basis of an investigation of reservoir evaluating program and a number of literatures at home and abroad，eight key geologic factors such asorganic abundance，thermalmaturity，and thickness，etc.are selected and a setof corresponding evaluation criteria are established.According to these criteria，evaluation is carried out，the result shows that there is good exploration prospect in the fifth member of upper Triassic Xujiahe Formation from Well Xinchang 28 in western Sichuan Depression.

shale gas;Well Xinchang28;the fifthmember of Xujiahe Formation;reservoir characteristics;evaluation criteria

TE122.2

A

1000-9752（2014）05-0025-07

2013-10-20

国家科技重大专项 （2011ZX05003-001）。

陈磊 （1988-），男，2011年大学毕业，硕士生，现主要从事油气成藏机理与非常规油气地质研究工作。

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