鄂尔多斯盆地下寺湾地区山西组页岩气储层特征与评价

祁攀文，薛 培，赵谦平，史 鹏，孙细宁.

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075)

鄂尔多斯盆地上古生界山西组发育一套滨浅湖相富有机质页岩[1]，以往勘探现实该套页岩具有厚度大，分布范围广、有机质热演化程度和脆性矿物含量高等特点，具有很好的勘探前景[2-4]。自2014年以来，延长油田逐步拉开了山西组页岩气勘探序幕，经过不断勘探，于2017年在云页平3井山1段页岩中实现了产量突破，日产气5万余方。尽管上古生界山西组页岩气取得了一定成果，但受勘探开发现状和资料的诸多限制，目前相关的研究仍然较少。笔者以下延长油区寺湾地区(图1)CY1、CY2井为例，采用镜下分析、X光衍射和有机地球化学测试等方法，从储层物性、有机质发育、岩石矿物组成、储集空间及力学特征等方面对该套页岩储层进行研究分析，建立一套适用于鄂尔多斯盆地上古生界页岩气储层的评价标准和方法，为本区页岩气勘探开发和目标区优选提供地质参考依据。

图1 鄂尔多斯盆地下寺湾地区CY1井、CY2井位置图Fig.1 Location of wells CY1 and CY2 in Xiasiwan area, Ordos basin

1 储层特征

1.1 岩性及矿物学特征

通过对延长油田下寺湾地区CY1、CY2井的岩心观察、录井及薄片鉴定，山西组泥页岩主要为黑色、深灰色泥页岩和深灰色粉砂质泥岩，偶夹灰白色条带状粉砂岩隔夹层(图2A)，山2段普遍夹煤层或煤线。岩心层面可见云母和植物化石碎片(图2B)。显微观察表明页岩中存在少量漂浮状碎屑石英颗粒，分布不均匀，分选较差，呈次棱角状(图2C和图2D)。

图2 山西组泥页岩岩性特征Fig.2 Shale lithologic characteristics of Shanxi formationa.CY1井页岩灰白色粉砂岩夹层;b.CY2井黑色泥岩, 断面可见植物化石;c.CY1井泥岩显微镜下特征;d.CY2井粉砂质泥岩显微镜下特征。

据CY1、CY2井山西组泥页岩黏土矿物测定及全岩X-射线衍射分析，黏土矿物体积分数平均为59.6%(43.5%～98%)，其中，高岭石体积分数平均为37.0%(18.0%～84.0%)；伊蒙混层体积分数平均为40.8%(0～63.0%)，主要为伊利石层，蒙脱石层含量较低，仅占14.6%；绿泥石体积分数平均为14.7%(4.0%-25.0%)；伊利石体积分数平均为7.5%(1%-15%)，黏土矿物体积分数表明山西组泥页岩已进入晚期成岩阶段。非黏土矿物以石英为主，此外，还有少量的碳酸盐类和长石类矿物，石英含量平均为36.9%(2.0%～50.6%)，石英、长石、碳酸盐等脆性矿物总量超过40 %，蒙脱石含量较低，页岩脆性好。

山西组泥页岩中条带状粉砂岩隔夹层广泛发育，可以有效改善储层的孔隙度和渗透率，隔夹层岩性以岩屑石英砂岩和岩屑砂岩为主。显微镜下薄片统计结果显示，石英含量平均为76.7%；长石较为少见，平均含量小于1%；岩屑含量平均为22.6%，成分成熟度Q/(F+Q)指数平均为3.29，低于盆内常规砂岩储层的成分成熟度。

与Barnett页岩(表1)相比，山西组泥页岩黏土矿物含量较高，平均59.6%，有利于页岩气的吸附。研究表明[5]，美国东部页岩气高产的主要原因是具有很高的含气量外，同时页岩的石英含量很高，平均在40%以上，最高可达75%(表1)。Wang[6]研究发现石英含量大于25%时，页岩储层才具有可压裂性，石英含量为35%时，页岩储层的可压裂性最好。研究区山西组泥页岩石英含量平均36.9%，利于后期储层压裂改造。

表1 山西组泥页岩储层特征与北美典型页岩对比Table 1 Comparison of shale reservoir characteristics in Shanxi formation with typical shale in North America

1.2 有机质特征

此次选择CY1、CY2井页岩岩心样品进行有机地球化学测试，并与前人的研究成果结合进行分析。山西组泥页岩的有机质类型主要属于Ⅲ型，Ⅱ型次之，Ⅰ型极少，以生气为主。有机碳含量也是评价烃源岩的重要指标之一，本次统计了公开发表的鄂尔多斯盆地山西组157个页岩有机碳数据进行分析，有机碳(TOC)含量在0.04-22.82%之间，平均为3.12%，TOC值大于1.0%的页岩样品占总样品数的72.61%，CY1、CY2井山西组泥页岩样品Ro值在1.76%～3.72%之间，平均值为2.63%，以上数据表明山西组泥页岩总有机碳含量普遍较高，是优质的气源岩，且已进入干气阶段。

1.3 物性特征

页岩的孔隙度和渗透率直接关系到页岩气藏的含气量和后期的开发。CY1、CY2井页岩孔隙度主要在0.4%～1.5%之间，平均为0.77%，小于北美页岩(表1)，其中，孔隙度小于0.5%的样品占总样品的20%，孔隙度0.5%～1.0%占总样品的50%，孔隙度1.0%～1.5%占总样品30%。渗透率在0.0066×10-3μm2～0.2416×10-3μm2之间，平均为0.03999×10-3μm2，其中渗透率小于0.01×10-3μm2占总样品的30%，渗透率0.01×10-3μm2-0.05×10-3μm2占样品的40%，渗透率0.05×10-3μm2～0.10×103μm2占样品的20%，渗透率0.10×10-3μm2～0.50×10-3μm2占样品的10%。对比北美典型页岩，山西组泥页岩孔隙度偏低，而渗透率相对较高(表1)，这主要是受研究区山西组泥页岩中裂缝较发育的影响，对渗透率具有一定的贡献。

图3 CY2井页岩样品压汞曲线(汞饱和度)Fig.3 Mercury injection curve of shale sample in well CY2

山西组泥页岩毛管压力曲线偏向图像右侧并且向上方靠拢，普遍呈陡坡迅速上升，随后又缓慢上升，但平缓段较短(图3)，排驱压力在8.18 M～11.55 MPa之间，平均为9.30 MPa，表明进汞量小，压力偏高，反映页岩孔喉偏细，分选偏差。

1.4 储集空间特征

显微镜下CY1、CY2井山西组泥页岩样品的储集空间类型包括有机质孔、矿物质孔和裂缝。

1.4.1 有机质孔

在生烃过程中有机质体积缩小而产生的气孔[7]，这些气孔对于改善页岩储层物性具有一定的积极作用。扫描电子显微镜和油浸物镜观察表明，山西组泥页岩的有机孔主要发育在丝质和镜质体中。 单个有机孔具有各种形式的纳米微孔，例如椭圆形，圆形，细长形和不规则形。 孔径通常在0.1～20μm之间，孔的边缘清晰且光滑，并且一些相邻的孔彼此连接。部分较大的长条形和不规则气孔由多个相邻的气孔连通而成(图4)。总体来看，山西组泥页岩中有机质孔较发育，这与本区山西组泥页岩热演化程度较高(Ro平均为2.3%)有关[8]。

图4 山西组泥页岩有机质孔Fig.4 Organic holes in Shanxi formation shale reservoira.CY2井丝质体中孔隙;b.CY1井镜质体中孔隙;c.CY1井镜质体中孔隙; d.CY2井有机质孔。

1.4.2 矿物质孔

(1)粒间孔：页岩中黏土矿物、石英、长石和方解石等矿物之间的孔隙，这类孔隙在砂质含量较高的粉砂质页岩中较为发育。山西组泥页岩中的粒间孔类型主要为黏土矿物粒间孔，孔径主要分布在1～10μm之间(图5A)。

图5 山西组泥页岩矿物质孔洞Fig. 5 Mineral pores in Shanxi formation shale reservoira.CY1井黏土矿物粒间孔和晶间孔；b.CY2井高岭石晶间孔；c.CY2井伊利石晶间孔；d.CY2井溶蚀孔

(2)晶间孔：发育在黏土矿物颗粒间的晶间孔一般呈长条状，宽度一般为0.1～1μm(图5B、图5C)。

(3)粒内孔：主要由成岩作用引起的，山西组泥页岩中粒内孔主要为黏土矿物粒内孔，孔径在0.1～10μm之间。

(4)溶蚀孔：页岩中矿物内部或表面发生溶蚀作用而产生的孔隙，该类孔隙边缘粗糙不光滑，部分被黏土矿物充填。山西组泥页岩中溶蚀孔发育较少，主要发育在方解石和长石等矿物颗粒中，孔径为1-10μm，部分被黏土矿物充填(图5D)。

1.4.3裂缝

裂缝是影响页岩含气量与页岩气聚集的重要因素，是页岩气的主要渗流通道，裂缝可增加页岩中游离气含量， 它还有助于解析作用并控制页岩气藏的生产能力[9]。通过岩心样品和镜下观察，山西组泥页岩裂缝分为小型裂缝和微裂隙[10]。小型裂缝和微裂隙主要是页岩中有机质生烃作用和黏土矿物脱水作用等形成，规模一般较小，是游离气与吸附气解析后的重要储集空间和渗流通道，对页岩气藏后期压裂开发极为有利。

(1)小型裂缝：指宽度为0.01～0.1mm，长度在0.01～0.1m之间的裂缝。山西组泥页岩小型裂缝包括层理缝和层间缝，其中，层理缝(图6A)发育最广，对页岩的储层物性有良好的改善作用。层间缝(图6B)是在砂岩隔夹层与页岩交界处的软弱带中形成的裂缝，对改善储层物性也具有一定的贡献。

(2)微裂隙：指宽度一般小于0.01mm，长度小于0.01m的裂缝，主要由有机质生烃作用和黏土矿物脱水作用形成的。山西组泥页岩中微裂隙宽度在1～10μm之间，扫描电镜下裂缝面光滑平整，错动和位移不明显，表明其形成与构造应力关系不大(图6C、图6D)。

图6 页岩储层中裂隙广泛发育Fig.6 A large number of fractures in Shanxi formation shale reservoira.CY1井发育小型裂缝;b.CY2井发育小型裂缝;c.CY1井发育微裂隙;d.CY2井发育微裂隙。

以往研究表明，在相同的构造背景下，页岩中裂缝的发育主要受有机碳含量(TOC)和石英含量控制[10]，且页岩厚度越薄裂缝越发育[11]。石英含量同样也是控制页岩中裂缝发育的重要因素，石英在外力作用下易破碎产生裂缝网络并能保持这些裂缝网络的开放性和连通性[12]。山西组泥页岩高有机碳含量和石英含量有利于裂缝大量发育。

1.5 页岩含气性特征

页岩含气特征研究包括实验测定和理论计算。实验分析是指现场分析方法和等温吸附法; 理论计算规则以测井资料为基础，采用相应的理论公式计算吸附气体含量，溶解气体含量和游离气体含量，得到总气体含量[13,14]。笔者利用CY1井和CY2井随钻施工进行现场解析和室内等温吸附实验，结合测井数据、TOC和孔隙度等相关参数计算页岩含气量。

现场分析结果表明，山西组泥页岩气总含量为0.307 cm3/g～2.098 cm3/g，平均1.19 cm3/g，已经达到商业开采价值[15]。等温吸附实验中(图7)，在温度恒定条件下，吸附气量随压力迅速增大，达到一定压力(5 M～10 MPa)后，吸附气量增加趋缓；当压力达到10 MPa，吸附气含量逐渐稳定，没有或仅有略微增加，最终在21.0 MPa时吸附气量达到最大值0.93 cm3/g～4.25 cm3/g，平均为2.07 cm3/g。

图7 CY1井和CY2井页岩样品等温吸附实验Fig.7 Isothermal adsorption experiment of shale samples from well CY1 and well CY2

理论计算法结果表明，山西组总含气量在0.19 cm3/g～3.67 cm3/g分布，平均为0.95 cm3/g，与现场解析实验结果接近；其中游离气含量主要分布在0.2 cm3/g～0.3 cm3/g之间，平均为0.25 cm3/g；溶解气含量较少，主要在0.001 cm3/g～0.003 cm3/g之间，平均为0.002 cm3/g；吸附气含量为0.11 cm3/g～3.5 cm3/g，集中在0.1 cm3/g～1.6 cm3/g，平均为0.71 cm3/g。以上分析可知下寺湾地区山西组泥页岩样品含气性较好，吸附气含量比例较大，其含气性特征有利于页岩气勘探。

1.6 页岩可压裂性

岩石力学参数和页岩矿物组成是表征可压裂性最常用的指标[16]。根据国外对可压裂性的评价经验，采用Kahraman S(2004)提出的基于杨氏模量和泊松比定义的脆性指数概念，采用杨氏模量/脆性指数(E/B)来表征可压裂性。山西组泥页岩杨氏模量10 GPa～80 GPa，泊松比0.20～0.40，天然裂缝对水力压裂较敏感，可迅速形成复杂的网络裂缝。此外，相关研究表明[17]，延长探区山西组泥页岩当E/B≥0.14时，页岩可压裂性好，反之为可压裂性差层段。

2 储层评价

页岩气勘探潜力评价包括生烃潜力、储气能力和脆性三方面[18]。总结目前用于评价页岩气勘探潜力的相关地质参数可以看出，有机碳含量、有机质成熟度、页岩厚度决定了页岩的生烃能力，矿物组成和吸附气体含量决定了页岩的储气能力和可开采性。笔者基于北美页岩气勘探实践，应用有机碳含量(TOC)、有机质成熟度(RO)、页岩厚度(含≤3m的夹层)、脆性矿物含量和吸附气所占比例这五项指标来评价山西组页岩气勘探潜力。

根据以往的研究结果[18-26]和下寺湾地区山西组泥页岩的地质特征，本次确定了五个指标的下限，如表2所示。实际上，勘探及上文实验结果表明山西组页岩厚度>15m，TOC>1%，Ro最低值均>1.2，脆性矿物平均含量40.4%，吸附气含量>45%，均能满足下限标准。

将上述五项指标下限连接构成一个星状图，若五项指标均大于或等于标准值，所有指标的投点落在阴影外部，表明该页岩为有利泥层段；反之，若任一个或多个指标小于标准值，说明该层段页岩气不具备页岩气勘探潜力，为无潜力层段。

以CY1井为例，根据山西组页岩层五项指标数据表(表3)，绘制五项指标星状图及评价结果图(图8、图9)。CY1井山西组共有6个页岩层，编号依次为N1-N6，其中山1段N1和N2两个页岩段为有利层段，具备页岩气勘探潜力。

表2 国内页岩勘探潜力评价标准Table 2 Domestic shale gas exploration potential evaluation criteria

表3 CY1井页岩勘探潜力评价结果Table 3 Shale exploration potential evaluation results of well CY1

图8 评价CY1井山西组页岩勘探潜力的五项指标法Fig.8 Five-index method for evaluating shale exploration potential in Shanxi formation of well CY1

图9 CY1井山西组页岩勘探潜力评价结果Fig.9 shale exploration potential evaluation results of Shanxi formation of well CY1

3 结论

(1)延长油田下寺湾地区上古生界山西组发育一套滨浅海、浅湖相页岩，山西组页岩主要为黑色、深灰色页岩和深灰色粉砂质泥岩，偶夹灰白色条带状粉砂岩隔夹层，黏土矿物的体积分数表明其已进入晚期成岩阶段。脆性矿物平均超过40%，具有高弹性模量、低泊松比特征，质地硬而脆，利于后期改造，页岩的杨氏模量/脆性指数的值具有明显的两段性。

(2)山西组页岩有机质类型以Ⅲ型干酪根为主，TOC平均值3.12%，Ro值平均值2.63%，以形成干气为主，是优质的气源岩，泥页岩总含气量平均为1.19 cm3/g，达到商业开采价值。

(3)CY1井、CY2井页岩储层空间多样，发育有机质孔、晶间孔、粒间孔、粒内孔、溶蚀孔和大量的小型、微型裂缝。相比北美典型页岩，山西组页岩孔隙度偏低，平均为0.77%，渗透率较高，平均为0.039 99×10-3μm2。

(4)根据有机碳含量，有机质成熟度，页岩厚度，脆性矿物含量和吸附气体五项指标，建立了山西组页岩气藏评价标准。以CY1井为例，利用五项指标法评价山西组页岩勘探潜力，优选有利勘探层段，结果显示其勘探潜力良好。