四川盆地龙马溪组页岩储层特征差异性探讨——以威远与涪陵地区为例

张全林

(中石化西南油气分公司，四川 成都 610041)

邓虎成

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059)

熊亮

(中石化西南油气分公司，四川 成都 610041)

刘岩

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059)



四川盆地龙马溪组页岩储层特征差异性探讨

——以威远与涪陵地区为例

张全林

(中石化西南油气分公司，四川 成都 610041)

邓虎成

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059)

熊亮

(中石化西南油气分公司，四川 成都 610041)

刘岩

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059)

2015年以来，中国页岩气勘探开发取得重大进展，建成涪陵和威远2个国家级页岩气示范区，年产能超过70×108m3。但在勘探开发过程中逐渐暴露出区块之间气井产能、压裂液返排率差异性大等问题。针对上述问题，根据岩心观察描述、分析化验资料以及测井解释成果，从储层沉积环境、厚度、矿物组成以及储集空间类型、物性、含气性等特征入手对比储层特征差异性。研究表明，涪陵和威远地区龙马溪组页岩储层各项指标与国外典型产气页岩储层相似，具有页岩气商业建产的储层基础。但与涪陵地区相比，威远地区存在储层厚度略薄，碳酸盐矿物组成含量高，相对富黏土矿物，有机碳含量、有机质孔占比、层理缝发育程度、孔隙度、水平渗透率、实测含气量等低的特征。探讨上述页岩储层特征差异性有利于解释两个地区页岩气藏勘探开发中所遇到的诸多问题, 提出不同的压裂开采对策。

龙马溪组；储层特征；差异性；页岩气

近年来，中国页岩气勘探开发工作获得重要突破，先后形成了涪陵、长宁-威远和昭通等国家级页岩气示范区，提交探明地质储量5441.29×108m3，2015年底落实了65×108m3/a产能建设目标，实现了页岩气工业化生产，掀起了中国页岩气勘探开发的新高潮[1，2]。随着勘探开发工作的深入，同一盆地内同一套页岩目的层系，在涪陵和威远地区暴露出单井产量、气井产能、压裂液返排率、地层破裂压力等一系列参数的差异。为了解释两个地区页岩气藏勘探开发中遇到的诸多问题, 提出不同的压裂开采对策。笔者根据岩心观察描述、分析化验资料以及测井解释成果，从储层沉积环境、厚度、矿物组成以及储集空间类型、物性、含气性等特征入手对比分析四川盆地两个典型龙马溪组(Sl)页岩气藏储层特征差异性。

1　沉积背景

晚奥陶世-早志留世，四川盆地及周缘地区夹持在乐山-龙女寺、黔中、江南3大古隆起之间，向北与秦岭相通，形成“三隆夹一坳”的半闭塞滞流环境，同时全球气候变暖和冰盖消融，海平面快速上升形成志留系最大海侵，在川东-川南坳陷区内沉积了一套富有机质的暗色硅质泥页岩[3～6]，页岩厚度向古陆方向逐渐减小。威远地区靠近川中古隆起，富有机质页岩厚度60～85m,而位于坳陷中心部位的涪陵地区，富有机质页岩厚度可达80～120m。同一深水陆棚相带内古地理位置的差异决定了富有机质页岩的沉积厚度。

2　页岩储层特征

2.1储层厚度

一定的页岩储层厚度是形成页岩气富集区的基本条件，直接控制着页岩气藏是否具备经济开发价值。国内外提出了具有经济价值页岩气藏的页岩厚度下限。美国大规模商业开发的5大含气页岩储层厚度为 9～91m[7，8]。国内普遍认为按照页岩有机碳质量分数大于2%的标准，其储层有效厚度一般在15m以上[9]。富含有机质的页岩厚度越大，就越能保证页岩气资源量和压裂改造的物质条件。威远地区靠近川中古隆起，其储层有效厚度在30～35m,而涪陵地区有效厚度可达35～45m，二者有效厚度的大小控制着其气藏储量和开采的经济效益。

2.2岩性与矿物组成

脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙度和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式的重要因素[10，11]。两个地区页岩储层岩性主要为黑色纹层状碳质页岩，常含较多黄铁矿，呈星点、团块及结核状。笔石含量高，大多呈细长或短粗状产出，密集分布于页岩层面上，从下向上逐渐减少，是主要含气页岩层段。

通过对威远地区Sl优质页岩段78个岩心样品X衍射全岩分析结果(表1)可见，其硅质体积分数平均为37.21%，碳酸盐矿物体积分数平均为20.51%，黏土矿物体积分数平均为36.91%，脆性矿物(石英、长石和碳酸盐岩矿物)体积分数平均为57.72%；自上而下，黏土矿物含量降低、脆性矿物含量增高。对比涪陵、长宁地区(图1)，在硅质含量上涪陵地区>威远地区>长宁地区，在黏土矿物含量上涪陵地区<威远地区<长宁地区，在碳酸盐矿物含量上威远地区>长宁地区>涪陵地区。总体上，威远地区Sl优质页岩储层为一套富钙含泥硅质页岩。对比分析3个典型地区页岩黏土矿物X衍射结果，在伊利石含量上长宁地区>威远地区>涪陵地区，在伊-蒙混层含量上涪陵地区>威远地区>长宁地区。伊-蒙混层、高岭石、伊利石和绿泥石组合主要是中成岩作用阶段的特征，威远、涪陵地区Sl页岩储层黏土矿物含量表明其已进入中成岩作用阶段。伊利石主要在晚成岩作用阶段和极低变质作用阶段出现，依据伊利石含量高低，判断进入晚成岩作用阶段的地区先后顺序为长宁、威远、涪陵地区。

图1　威远、涪陵、长宁地区Sl页岩矿物组成三角图

表1 威远、涪陵地区Sl页岩矿物组成对比表

示范区矿物组成及体积分数/%黏土矿物伊蒙混层伊利石高岭石绿泥石总量石英+长石碳酸盐脆性矿物黄铁矿威远4.3726.5505.5536.9137.2120.5157.723.82涪陵21.2311.5701.8234.6352.719.7262.430.5长宁040.7807.448.231.418.249.62.2

2.3储集空间类型

近年来，许多研究者[12]基于场发射扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等先进技术手段提出多种页岩纳米级孔隙类型划分方案。Slatt和Brien基于Barnett和Woodford页岩研究将页岩孔隙划分为黏土絮体间孔隙、有机孔隙、粪球粒内孔隙、化石碎屑内孔隙、颗粒内孔隙和微裂缝通道6种类型。Loucks等提出了泥页岩储层基质孔隙分类方案，将其分成3种基本类型，即粒间孔隙、粒内孔隙和有机质孔隙。聂海宽等[13]将页岩孔隙类型划分为有机质孔、矿物质孔及两者之间的孔隙。邹才能等[14]将页岩储层孔隙分为有机质纳米孔、颗粒内纳米孔。张士万等[15]按照不同地质成因将涪陵地区Sl页岩储层孔隙类型划分为有机质孔隙、无机孔隙，后者又可细分为黏土矿物晶间孔隙、粒间孔和粒内孔、组构选择性裂缝和非组构选择性裂缝。为了便于与涪陵气田页岩储集空间对比，找出二者差异，笔者按照涪陵地区页岩孔隙类型划分方案开展研究区储集空间评价。采用薄片、氩离子抛光扫描电镜、FIB-SEM(聚焦离子束-电子束双束)三维成像等分析手段识别出威远地区Sl页岩储集空间主要为有机质孔隙、黏土矿物晶间孔、黄铁矿晶间孔、粒间孔、裂缝等(表2)。

表2威远、涪陵地区Sl页岩储集空间对比表

2.3.1有机质孔隙

岩石中保存下来的有机物质(如低等藻类絮团)后期埋藏成岩时受地下温度、压力升高的影响进入裂解生烃过程，内部逐渐变得疏松多孔，形成有机质孔隙，成为有机质生成气体的保存场所。

从威远地区Sl样品氩离子抛光扫描电镜观察可知，有机质孔隙是储层主要孔隙类型，孔隙大小一般为10～900nm，大多呈不规则状，如弯月形、狭缝形、棱角形、分叉形等，也存在气泡状、椭圆状、近椭球状等形态。有机质常充填于无机矿物粒间、黄铁矿晶间，且同时发育孔隙(表2)。基于川南Sl储层构建的页岩3层岩石物理模型[16]模拟计算工区Sl优质页岩段有机质孔隙占比：

φ=ρw(Bri)v(Bri)+ρw(Clay)v(Clay)+ρw(TOC)v(TOC)

式中：φ为孔隙占比，%；ρ为页岩岩石密度，g/cm3；w(Bri)、w(Clay)、w(TOC)分别表示脆性矿物、黏土矿物和有机质的质量分数，%；v(Bri)、v(Clay)、v(TOC)分别表示脆性矿物、黏土和有机质单位质量内微孔隙体积，cm3/g。

Sl优质页岩段有机质孔隙占比纵向上从上往下逐渐增加(图2)。威远地区气田有机质孔隙占比平均为48.9%，最高可达65%；而涪陵气田有机质孔隙整体平均占比更高，高达60.8%(表2)。两个典型气田有机质孔隙占比证实了其Sl优质页岩储层是基质孔隙的主要贡献者。

图2　威远地区与涪陵地区五峰组-龙马溪组页岩纵向上孔隙类型及占比直方图

2.3.2无机孔隙

威远地区页岩储层无机孔隙包括黏土矿物晶间孔、粒内孔和粒间孔，其中以黏土矿物晶间孔为主(表2)。其他两类孔隙占比一般为5%～15%。黏土矿物晶间孔以伊利石层间孔为主，伊利石表现为薄层片状或纤维状，片层之间发育明显的狭缝形孔或楔形孔，孔隙发育集中，具有一定的气体吸附性，狭缝宽50～300nm，连通性相对较好。利用页岩岩石物理模型计算得出工区优质页岩黏土矿物晶间孔平均占比为35%。涪陵气田Sl页岩黏土矿物晶间孔平均占比为28%，远低于威远地区。粒间孔主要出现在脆性矿物颗粒间、塑性矿物颗粒间或塑性矿物与脆性矿物颗粒之间。通常粒间孔多围绕坚硬的脆性矿物颗粒出现(表2)，脆性矿物粒间孔通常为单个孤立的孔隙，分布较零散，孔隙之间不连通。

2.3.3裂缝

裂缝不仅是页岩气渗流通道，也是页岩气的储集空间。裂缝在页岩气的渗流中具有重要作用，是连接微观孔隙与宏观裂缝的桥梁。页岩气初期高产与天然裂缝发育程度有关，高产页岩气层段裂缝一般较发育。涪陵地区已钻井电成像资料及岩心资料显示储层段页理缝极为发育，对储层的水平渗流能力起关键改善作用[17]。

研究区典型井页岩储层裂缝可分为两类(表2)：一类为与断层和褶皱等构造运动相关的构造缝；另一类为与黏土矿物脱水等非构造成因有关的页理缝，集中发育在脆性矿物、黏土矿物及有机质间，形成收缩缝、解理缝、晶间缝、贴粒缝等类型。上部灰绿色页岩段富含黏土，裂缝不发育；下部硅质页岩、钙质-硅质页岩段裂缝发育，裂缝密度为4.86条/m，平缝350条、高角度缝75条。扫描电镜下也见微裂缝发育，宽度大于100nm。涪陵地区水平缝极发育，裂缝发育段厚度超过80m，裂缝密度为20条/m，缝网系统整体优于威远地区。

2.4孔隙结构特征

利用氩离子抛光扫描电镜结合FIB-SEM三维成像分析方法描述工区页岩内部孔隙空间分布特征。有机质整体均匀分布在矿物颗粒间，无定向性，相互连通性较好。孔隙主要分别在有机质内部，部分在矿物边缘。孔隙形态多为虫洞状，喉道形态为针管状，局部为片状、斑块状，连通性好，形成孔隙网络(图3)。镜下测出有机质孔隙孔径以5～50nm为主，属于微孔-中孔，大于50nm的大孔占比相对较低(图4), 故微孔-中孔对页岩气的吸附和储集贡献较大。

图3　威远地区典型井Sl页岩储层孔隙FIB-SEM成像图　　　图4　威远地区典型井Sl页岩储层孔径大小示意图

在氩离子抛光-高分辨率扫描电镜定性描述页岩孔隙形态、连通性和孔隙密度的基础上，进一步针对工区典型井页岩岩心样品开展低温氮气吸附试验(测试孔径范围为1.5～400nm)，对微孔-中孔的发育情况进行定量描述，以分析页岩孔隙结构对页岩气吸附和渗流的影响[18]。页岩样品的低温液氮吸附-脱附曲线形态基本相同，反映区内页岩孔隙形态特征也较为类似。页岩孔隙体积分布曲线表明其孔隙体积为0.008～0.024cm3(平均为0.013cm3)，平均孔径主要介于2.9～3.8nm之间。样品的孔径小于10nm时，累计曲线较陡，孔径大于10nm时，累计曲线逐渐变得平缓，反映了孔径为1.5～10nm的微孔、中孔对孔隙体积贡献最大(图5、6)。

图5　威远地区页岩岩心样品孔隙体积分布曲线图　　图6　威远地区岩心样品孔径分布直方图

2.5物性特征

孔渗条件是页岩气赋存和渗流的主控因素，是页岩气开发地质评价中重点关注的参数[19]。据美国有效页岩储层统计[13]，页岩岩心孔隙度为4%～6.5%(平均为5.2%)；渗透率为0.001～2mD(平均为0. 0409mD)。威远地区与涪陵地区优质页岩物性参数(表3)对比表明，威远地区氦气孔隙度主要分布在1.68%～7.03%之间(平均为4.15%)，纵向上孔隙度自上而下逐渐增大；气体水平渗透率为0.041～7.737mD(平均为0.903mD)。涪陵地区氦气孔隙度为2.78%～7.08%(平均为4.65%)，纵向上表现为“两高夹一低”的特征，气体水平渗透率为0.0015～355.2mD(平均为21.939mD)。威远地区页岩储层物性与美国主要页岩气盆地相当，其优质页岩段孔隙度与涪陵地区基本相当，但水平渗透率整体不如涪陵地区。

表3　威远地区与涪陵地区典型井Sl岩心物性对比表

2.6含气性

含气量是评价页岩气资源潜力、储量规模和衡量页岩气目标区是否具有商业开采价值的关键指标[20]。北美商业性开发的页岩气田含气量大于2.0m3/t。威远地区实钻揭示,Sl下部页岩气显示较活跃，多数钻井全烃显示明显，岩心入水可见串珠状气泡持续逸出(图7)，显示级别为页岩气层。依据现场含气量解析试验得出，威远地区Sl优质页岩含气量为1.04～3.69m3/t(平均为2.05m3/t)。而涪陵地区典型井优质页岩现场解析总含气量为1.52～5.51m3/t(平均为2.99m3/t)。考虑现场解析含气量试验中岩心出心时间超过8h，损失时间过长，认为现场测得的含气量低于实际含气量。为准确评价其含气性，采用斯伦贝谢ECS(元素俘获谱)测井含气量解释模型计算总含气量，结果为1.55～6.73m3/t(平均为3.96m3/t)，其中吸附气量占20%～40%。涪陵地区ECS测井解释总含气量为1.94～8.90m3/t(平均为5.67m3/t)。对比国内外典型页岩气田，工区页岩含气性整体较好，但相比涪陵地区略差(图8)。

图7　威远地区典型井Sl页岩岩心入水图　　图8　威远、涪陵地区典型井Sl页岩含气量对比图

3　结论

1)四川盆地Sl页岩储层具有厚度较大、有机碳含量高、笔石含量高、脆性矿物含量高、含气量高、物性好等特征，各项指标与国外典型页岩储层相当，是一套可商业建产的优质储层。

2)四川盆地Sl页岩储层发育多种孔隙类型，主要为有机质孔隙、黏土矿物晶间孔、页理缝和构造缝，其中以有机质孔隙为主，连通性较好，以孔径1.5～10nm的微孔、中孔为主，叠合丰富的页理缝，形成复杂纳米级孔隙储集系统。

3)四川盆地涪陵、威远地区Sl储层特征存在一定差异，涪陵页岩储层具有硅质含量高、黏土含量低、页岩缝发育、水平渗透率高、碳酸盐矿物含量高、含气量高的优势特征；而威远页岩储层则具有高碳酸盐矿物含量、较高黏土含量的个性特点，上述差异性决定了两区钻井压裂改造、单井产量、钻井液返排率等参数的不同。

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[编辑]邓磊

2016-03-01

国家“863”计划项目(2013AA064501)；国家科技重大专项(2011ZX05018002-001)；四川省科技计划项目(2015SZ0001)。

张全林(1982-)，男，博士，工程师，主要从事非常规油气地质及评价工作，4683022@qq.com。

TE122.2

A

1673-1409(2016)17-0001-07

[引著格式]张全林，邓虎成，熊亮，等.四川盆地龙马溪组页岩储层特征差异性探讨[J].长江大学学报(自科版), 2016,13(17):1～7.