黔北煤田上二叠统龙潭组页岩气储层可压性评价

张曼婷 付 炜

（贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳 550008）

0 引言

随着中国经济的发展，对能源的需求量也日益增长。油气资源作为工业生产与生活中最重要的能源，其供应形势也日益严峻［1］。非常规油气作为最重要的天然气接替能源，现今已成为中国油气资源的重要一环，而页岩气则是非常规油气能源最典型的代表［2］。贵州省是中国资源供应大省，其上二叠统龙潭组不仅赋存了丰富的煤炭资源，多年的地质勘探工作证明其龙潭组泥页岩有较好的含气性，是良好的气源岩和储层［3-4］。龙潭组属于含煤地层，其中的泥页岩具有极高的有机质含量，具备良好的生气条件［5-6］；同时由于部分煤层气由煤层运移至相邻的页岩中，因此龙潭组泥页岩整体具有较好的含气显示。但由于页岩储层物性较差，必须通过压裂改造才能高效开发［7-8］。因此页岩的可压性是贵州省龙潭组页岩气储层的重要评价参数之一。目前，贵州省龙潭组页岩气的研究尚处于起步阶段，相关研究还有待于完善。笔者拟通过对JC-1 井龙潭组页岩气储层进行解剖，开展可压性评价，以期为后续的页岩气勘探开发提供依据。本次研究区范围为黔北煤田的林华井田，构造位置位于黔中隆起毕节复向斜新华向斜北翼。区内龙潭组沉积于茅口组滨海相碳酸盐岩之上，属海陆过渡相沉积，含多层煤层，煤层间泥页岩发育，泥页岩有机质含量高，累积厚度大，且具有良好的含气显示。

1 JC-1井泥页岩含气性及有机地球化学特征

JC-1 井为2016 年在黔北煤田林华井田钻探的一口煤系气参数井，钻探目的为研究黔北煤田上二叠统龙潭组煤系地层的煤层气与页岩气储层的地质特征。钻遇地层自上而下为下三叠统茅草铺组（T1m）、夜郎组（T1y），上二叠统长兴组（P3c）、龙潭组（P3l），中二叠统茅口组（P2m）。

根据JC-1 井的含气性测试结果对龙潭组地层含气性进行分级，由下至上分为4个层段（图1）。其中层段1和层段3的含气分级为高—特高级，层段2气测显示稍差，层段4 含气显示最低。根据该井有机地球化学测试结果显示，纵向上有机碳含量（TOC）变化大，镜质体反射率值（Ro）纵向上呈均质性分布。全层段TOC 介于0.56%～9.58%，平均为3.52%，层段1 的TOC 平均值达到5.25%，尤其是层段1 的下段TOC 平均值达到7.35%，明显高于其他层段。其余层段除个别样品TOC呈异常高值或异常低值，70%以上的样品TOC分布在2%～4%。JC-1井泥页岩样品Ro的90%以上都分布在2%～3%，处于过成熟早期生干气阶段，是有利的Ro分布区间。综合以上分析，以含气性与有机地球化学参数评价可知，层段1和层段3是较为有利的页岩气储层，而层段1最为有利。

图1 JC-1井有机地球化学及含气测试综合柱状图

2 富有机质泥页岩可压性评价

从国内外研究的情况来看，岩性、岩石力学特征、地应力和天然裂缝的发育情况是决定储层能否形成裂缝网络的重要因素，其中岩性和岩石力学特征是岩石本身的性质，决定岩石的脆性破裂特征［9-10］。可压性评价应在充分认识以上地质特征的基础上判断储层能否形成裂缝网络。因此，笔者对JC-1 井龙潭组页岩气储层，尤其是高含气性、高TOC 有利层段的岩性和岩石力学特征进行研究，并计算其脆性指数，以分析其可压性。

2.1 岩石全岩矿物组成特征

全岩分析中，脆性矿物含量和黏土矿物含量是页岩气开发必须考虑的关键因素。高的脆性矿物含量使页岩的脆性增大，而页岩的脆性对压裂措施的实施至关重要，有利于提高储层压裂改造效果［11］。通过对JC-1井龙潭组有利层段（层段1、层段3）泥页岩样品的全岩X 射线衍射分析，泥页岩储层的矿物成分总体上以石英和黏土矿物为主，其次为碳酸盐矿物（主要为方解石）及一定量的菱铁矿和黄铁矿等矿物（图2、图3）。层段1的石英含量介于0～47.15%，平均为24.85%；黏土矿物含量介于0～53.98%，平均为37.93%；其次为黄铁矿，含量介于0～38.4%，平均为15.73%；并含有一定量的菱铁矿和白云石，少量的长石和方解石，个别样品含极少量的硬石膏。层段3 的石英含量介于2.20%～58.20%，平均为28.24%；黏土矿物含量介于0～77.78%，平均为43.40%；其次为菱铁矿，含量介于0～36.95%，平均为11.24%；并含有一定量的黄铁矿和白云石，少量的长石和方解石，个别样品含极少量的硬石膏。层段1与层段3的石英与黏土矿物百分含量相近，显示具有相似的陆源碎屑供给条件。层段1的黄铁矿含量较高，显示该层段为较强的还原环境沉积。层段3的菱铁矿含量较高，显示该层段为中性至弱酸性、弱碱性环境沉积。

图2 JC-1井层段1泥页岩全岩矿物成分含量图

图3 JC-1井层段3泥页岩全岩矿物成分含量图

2.2 岩石力学特征

根据实验测试结果（图4）可知，岩石抗压强度介于12.40～60.20 MPa，抗拉强度介于1.21～6.07 MPa，杨氏模量介于（18.90～31.30）×103MPa，泊松比介于0.19～0.28。综合分析层段1 的岩石力学特征可知该层段较有利于压裂改造。771.34～772.33 m泥质粉砂岩的抗压强度为12.4 MPa，抗拉强度为1.51 MPa，岩石易破坏，裂缝易于在储层中延伸，在大规模改造储层时有利于实现体积改造。781.79～781.96 m碳质页岩的抗压强度为18.80 MPa，杨氏模量为20.20 ×103MPa，泊松比为0.28，参照附近页岩的抗拉强度，约为1.95 MPa，岩石脆性较高、抗拉强度低，裂缝易于延伸，可为缝网的形成提供有利的地质条件。层段2 地层的岩石抗压强度较大，岩石不易破碎，在一定程度上会限制裂缝向上延伸。

2.3 页岩可压性评价

脆性指数是进行页岩气储层可压性评价的一个重要参数。对于岩石脆性有多种评价方法，其中最为常见的有两种，分别为矿物脆性指数和弹性参数法脆性指数［12］。笔者也通过以上两种脆性评价方法对页岩气储层的可压性进行评价。

图4 JC-1井泥页岩可压性评价综合柱状图

2.3.1 矿物脆性指数

页岩中的一些脆性矿物在外力作用下极易产生裂缝，有利于页岩气的开发［13］。目前对于脆性矿物的界定尚存在争议，根据Jarvie等的观点［14］，页岩的脆性组分只包括石英，但这只是基于对北美Barnett页岩的研究，存在一定的局限性。笔者综合国内学者陈吉［15］、李钜源［16］等的研究，结合贵州省实际地质条件，对于矿物组成复杂的页岩，将硅酸盐矿物（主要为石英）、长石、碳酸盐矿物（主要为方解石）、黄铁矿同定义为脆性矿物，其脆性指数按照如下公式计算：

式中， BRIT1为矿物脆性指数， 无量纲；V硅酸盐矿物+碳酸盐矿物+长石+黄铁矿为硅酸盐矿物、碳酸盐矿物、长石、黄铁矿的质量百分比之和，无量纲；V全部矿物为全部矿物的质量百分比之和，无量纲。

根据公式（1）计算得到JC-1井龙潭组煤系地层矿物脆性指数（图4）。层段1 的矿物脆性指数介于46.02%～80.46%，平均为56.84%，脆性指数最高；层段2的矿物脆性指数介于22.63%～48.11%，平均为32.89%，该段由于部分泥页岩样品黏土矿物含量高，导致脆性指数相对较低；层段3的矿物脆性指数介于22.22%～60.98%，平均为41.09%，脆性指数偏低。总体而言，以矿物脆性指数为评价指标进行评价，JC-1 井层段1 的矿物脆性最好，平均在50%以上，部分样品在80%以上，相比于其他层段可压性更好；层段2的矿物脆性指数低，平均仅32.89%，不适合压裂改造；层段3 的矿物脆性指数偏低，平均为41.09%，压裂改造难度稍大；层段4因缺少矿物组分数据，暂不做评价。

2.3.2 弹性参数法脆性指数

除矿物脆性指数外，Rickman 的弹性参数法脆性指数也是国内外常用的脆性评价指标［17］，这种方法是通过对泊松比和杨氏模量进行均一化处理后经计算得出。杨氏模量体现了岩石在经过改造之后对裂缝的维持能力，泊松比则体现了岩石的破裂性能［18］。脆性强的矿物体现出高杨氏模量、低泊松比的特征。Rickman 弹性参数法脆性指数计算公式如下：

式中，BRIT2为弹性参数法脆性指数，无量纲；YMSc为静态杨氏模量，10 GPa；PRc为静态泊松比，无量纲；YMBI为归一化杨氏模量，无量纲；PRBI为归一化泊松比，无量纲［19］。

根据计算结果，JC-1 井岩石力学样品的弹性参数法脆性指数介于44.73%～66.30%，平均为53.16%，各层段无明显变化。与北美页岩气储层52%的平均脆性指数十分接近，具有较好的可压性。

2.4 煤层顶底板条件分析

层段1总厚度为28.93 m，中部夹一层灰岩（厚度为0.97 m），以该层灰岩底界可将层段1 分为上下两分层。下分层总厚度为13.43 m，含一层煤（总厚度为5.16 m），顶底板主要岩性为碳质泥岩（总厚度为8.27 m），碳质泥岩的最大单层厚度为6.70 m；上分层总厚度为15.50 m，含一层煤（总厚度为2.01 m），顶底板主要岩性为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与粉砂岩（总厚度为12.52 m），均富含碳质。通过将JC-1 井与周边的若干煤田钻孔岩性进行对比（图5），可以看出层段1在横向上的厚度变化小，展布较为稳定。

综合以上可知，层段1的煤层顶底板在岩性上具有厚度较大的富有机质岩层，且横向展布稳定，结合前文所述层段1的岩石力学特征，其具有合适的抗压强度，适宜进行压裂改造，因此层段1的煤层顶底板具有良好的页岩气开发潜力。

图5 JC-1井与周边煤田钻孔层段1对比图

3 结论

1）JC-1井泥页岩具有较好的含气显示与较高的有机碳含量，层段1 和层段3 具有更好的含气显示，是较有利的页岩气储层，其中层段1的TOC明显高于其他层段，是最有利的层段。

2）JC-1井泥页岩储层的矿物成分总体上以石英和黏土矿物为主。层段1 矿物组成中黏土矿物含量低，平均为37.93%；岩石力学参数分析结果显示层段1岩石脆性较高、抗拉强度低，裂缝易于延伸，可为缝网的形成提供有利的地质条件，有利于页岩气储层压裂改造。

3）JC-1 井层段1 的矿物脆性指数平均值达到56.84%，具有最好的矿物脆性条件，可压性强。JC-1井页岩气储层样品整体具有较高杨氏模量和较低泊松比的岩石力学特征。根据杨氏模量和泊松比计算的弹性参数法脆性指数平均达到53.16%，脆性强，以弹性参数法脆性指数分析整体具有较好的可压性。

4）JC-1 井层段1 整体上含气性好，有机碳含量高，富有机质岩层厚度大、横向展布稳定，且具有良好的可压性，适合开展储层改造以进行高效开发利用，具有良好的页岩气开发潜力。