贵州安页1井页岩含气量影响因素分析

韩玉婷 朱天龙 李 军,3

(1.中国消防救援学院，北京 100022；2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；3.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北 张家口 075000)

2011年，自然资源部对全中国页岩气资源潜力进行评价，我国页岩气资源潜力丰富[1]，可开采资源潜力占比约18.6%，页岩气开发潜力前景广阔.2018年，我国天然气对外依存度达到45.3%，我国页岩气商业化开发起步较晚，页岩气资源量虽与美国相差较小，但在产量方面却相差很大，2018年页岩气产量仅占全球产量6.79%.近年来，页岩气的勘探越来越受到重视，那么页岩气产量则至关重要.

李玉喜等[2-3](2011年)在对页岩气的研究中，把页岩含气量定义为每吨岩石中所含天然气折算到标准温度和压力(101.325KPa，25℃)下的天然气总量.页岩气是吸附气、游离气、溶解气的总和.吸附气在页岩及烃源岩中以吸附态赋存，主要是吸附在有机质及黏土矿物表面；游离气在页岩及烃源岩中以游离态赋存，主要是以游离状态存在于岩石的孔隙和微裂缝中；溶解气在页岩及烃源岩中以溶解态赋存.通过研究表明，吸附气含量最高，一般在80%～20%之间，游离气含量居中，游离气含量在20%～80%之间，溶解气的比例非常低，一般可忽略不计.作者对贵州遵义安页1井的岩心进行现场解析法获得页岩气含量，对岩心岩性、实验方法等分析确定现场解析法对页岩含气量影响因素.

1 地质概况

1.1 区域地质背景

安页1井所处的地层属于上扬子川南-黔北地层分区，总体来说地区古生界地层发育完整，缺失石炭系、泥盆系，安页1井通过测井数据及岩心观察，选用研究区选用的岩心目的层为下志留统龙马溪组到上奥陶统五峰组，受黔中隆起的影响，上奥陶统、下志留统地层受剥蚀.奥陶系-志留系地层情况如图(图1).

五峰组为奥陶系上部地层，地层较薄，受加里东运动影响，为富有机质页岩层系，岩性为上部观音桥组生物介质泥灰岩，下部五峰组碳质页岩.观音桥组生物介质泥灰岩层系分布较稳定，地层厚度非常薄，在研究区内发现均有.

志留系地层从下到上依次为龙马溪组、石牛栏组和韩家店组，其中龙马溪组岩性为上部灰色泥灰岩、钙质页岩，乐俭—务川以南地区为粉砂质页岩夹含钙质粉砂岩，下部为灰黑色碳质页岩.龙马溪组为区内第三套富有机质页岩层系，由于五峰组地层较薄，龙马溪组页岩与五峰组共同研究，作为区内第二套页岩气勘探层系.

地 层系统组岩性厚度(m)岩 性 描 述三叠系中统下统狮子山组146-403下部浅灰,浅灰绿色中厚层钙质泥岩和泥灰岩为主,夹薄层灰岩,泥岩;上部以浅灰色薄—厚层致密灰岩为主夹页状泥灰岩及少量角砾状白云岩.松子坎组184-403以紫红、灰褐、灰绿等杂色泥岩为主,夹少量灰岩、灰质白云岩、白云质泥灰岩,下部灰岩、白云岩夹钙质页岩及灰绿色页岩.茅草铺组498-815浅灰色薄至厚层致密灰岩,夹数层白云质鲕粒灰岩.夜郎组371-782紫红色泥岩夹泥晶灰岩及灰色薄—中层泥晶灰岩,含生物碎屑灰岩、鲕粒灰岩.二叠系上统中统下统长兴组42-79深灰色灰岩,含硅质团块灰岩龙潭组55-157灰、灰黄色砂岩、粉砂岩、粉砂质粘土岩,碳质页岩互层,夹煤3-20层.茅口组136-310灰色硅质条带灰岩,深灰—浅灰色中厚层灰岩夹泥质条带灰岩.栖霞组110-180深灰色灰岩、透镜体泥质灰岩互层夹白云质灰岩,燧石结核灰岩.梁山组8-60上部页岩;中部碳质页岩,局部产铝土矿;下部夹少量中厚层灰岩.志留系下统韩家店组374-872灰、灰绿色泥岩、上部夹石英砂岩、下部夹少量中厚层灰岩.石牛栏组141-323灰绿色页岩,灰色灰岩夹泥灰岩.龙马溪组140-384上部灰色泥灰岩、钙质泥岩,乐检—务川以南地区为粉砂质页岩夹含钙质粉砂岩:下部为灰黑色碳质页岩.奥陶系上统中统下统五峰组6-18上部观音桥组生物介壳泥灰岩,下部五峰组灰色碱质页岩.涧草沟组2-8灰色灰岩及泥灰岩.宝塔组22-54灰色中厚层龟裂纹灰岩.十字铺组10-60上部为灰黄色泥灰岩,下部为灰色中厚层状鲕粒灰岩.湄潭组147-221灰黄、灰绿色粘土质粉砂岩,钙质粉砂岩,页岩夹生物碎屑灰岩,石英砂岩.红花园组25-139灰色生物灰岩,部分地区变为白云岩.桐梓组206-230上部为深灰色厚层白云岩,中部为灰、灰黄色页岩;下部为灰色白云岩夹泥质白云岩.

1.2 区域地质构造

研究区及周缘总体构造复杂，发育多次构造运动，褶皱和断裂均较发育，主要发育三条深大断裂系，正安地区受正安断裂带影响较大，发育安场向斜、斑竹向斜，其中安场向斜相对宽缓，受加里东运动和燕山运动构造影响最大，两期构造运动相互叠加、改造.正安断裂带是一条具有多期次活动的断裂带，以正断层性质为主(图2).

2 岩心测试分析

2.1 安页1井五峰-龙马溪组地层界线

安页1井构造位置处于武陵褶皱区安场向斜段，根据现场钻井及岩屑的观察等综合观察，确定安页1井新滩组-五峰组地层界线为井深2303-2331.6 m，地层厚度28.6 m，岩性主要为黑色碳质页岩.现场钻井的志留系地层界限是井深2204-2325.7 m，包括新滩组(2204～2303 m)、龙马溪组(2303～2325.48 m)、观音桥组(2325.48～2325.8 m)，龙马溪组是页岩含气量的测试组，观音桥组地层界限较少，剥蚀严重.奥陶系的井深是2325.7～2370 m，包括五峰组(2325.7～2331.6 m)，宝塔组(2331.6～2370 m)，五峰组地层也是页岩含气量的测试组.

2.2 现场解析实验目的层岩性

在钻井现场，根据确定的地层界线进行岩心取样做岩性描述及现场解析实验，取样深度为2317.6 m～2331.64 m，总计14 m，是龙马溪组和五峰组地层.岩石描述如下：

龙马溪组取样较多，岩性整体为黑色碳质页岩，碳质分布不均，下部含少量硅质.龙马溪组的节理裂缝更发育，节理面具碳质磨光面，用手摸页岩样品，可见污手现象.富有笔石化石，在不同的岩心样品中，笔石化石分布不均，下部笔石化石比上部要丰富，富集.可见黄铁矿晶体，存在局部富集现象，个别样品出现黄铁矿团块.上部裂缝、微裂缝较发育，方解石充填.

岩石取出进行浸水实验，刚放入水中能见到气泡冒出，随着浸水实验的进行，可见线状气泡快速冒出，个别样品可见到喷泉状、串珠状气泡冒出，可听到气泡冒出的滋滋声响，整个岩心表面都可见到气泡冒出，表明页岩的含气量较高.五峰组取样较少，整体颜色呈黑色，碳质页岩，碳质分布不均，节理裂缝发育，马牙状构造缝、网状缝构造明显，轻微污手，可见滑脱面、凝灰岩条带.

2.3 总有机碳含量(TOC)

有机碳含量(TOC)是评价有机质丰度的常用指标.安页1井研究区内五峰-龙马溪组有机碳含量(TOC)数据选取的样品密度基本为5个/m，测量TOC值共选取了66个样品.整体来说，TOC值较高，分布在1.5%～4.8%之间，其中TOC含量在2%-3%样品数最多，为22个，TOC含量在1%-2%和3%-4%的样品数各16个，4%以上的样品数最少，为12个.研究样品深度与TOC含量关系，发现TOC含量整体上从上到下具逐渐降低的特征(图3).

图3 总有机碳TOC与深度关系

2.4 热成熟度

镜质体反射率(Ro)是评价有机质成熟度的一项重要指标[4].安页1井的样品送至实验室测试，测得的镜质体反射率Ro值(表1).五峰-龙马溪组页岩镜质体反射率(Ro)范围在2.15%～2.50%之间，五峰-龙马溪组镜质体反射率平均值分别为2.17%和2.37%.五峰组送样较多，Ro相对较高，龙马溪组相对较低.

表1 安页1井五峰-龙马溪组镜质体反射率表

2.5 现场解析实验

图4 安页1井五峰组-龙马溪组页岩解析气量

中国在页岩气勘探的起步较晚，用于工业勘探开发的页岩气，由于开采技术限制，残余气还不能有效开发[5]，所以现场解析实验中的页岩总含气量是解析气与损失气量的总和，残余气部分不计入总含气量.安页1井的页岩气解析实验所采用的方法是现场解析法[4].现场解析实验装置采用的是中国石化无锡地质研究所的现场解析仪器，原理是自动化排水集气.现场解析实验共14个样品，得到五峰组—龙马溪组地层的页岩解析气含量(如图4)，其中6号和11号样品到达地面后，放入解析罐内未调整到地层温度进行解析，而是地面温度自然解析，刚开始解析实验，解析气量迅速升高，导致计算损失气量过高(如图5).

现场解析法获得的页岩气含气量包括解析气量和损失气量，根据扩散模拟，在解析作用初期，解析的总气量随时间的平方根呈线性变化[6].解析气量与损失气量的关系如下：

(1)

图5 安页1井总含气量中解析气与损失气图

V解表示解析气量，V失表示损失气量，单位cm3，而k表示直线段斜率；t失表示损失气的损失时间，t表示解析气的解析时间，单位min.其中损失时间的计算方法采用的的还是提钻时间的一半加上地面岩心装入解析罐之前的处理时间.现场解析法获得解析气量后，用多项式法计算损失气[7].页岩含气量为2.626 m3/t～6.488 m3/t，大部分在3 m3/t以上，龙马溪组下部及五峰组顶部页岩含气量最高.

3 页岩含气量的影响因素

通过渝东南、鄂尔多斯等地的页岩含气量的研究，孔隙度与渗透率、TOC、Ro、粘土总量、脆性矿物含量、地层压力、温度以及埋深等都是页岩含气量的影响因素[8].安页1井对采集的样品进行了渗透率、有机质丰度(TOC)、镜质体反射率(Ro)进行了测试，本文讨论这三个因素对含气量的影响.

3.1 TOC含量对页岩含气量的影响

页岩含气量影响因素受温度、压力、孔隙度、有机质含量等的影响，页岩的孔隙空间及比表面积也影响页岩的含气量.有机质含量影响页岩的孔隙空间及比表面积，有机质含量高，吸附气含量越高.W.Jing等[9]指出有机碳含量与页岩的含气量具有良好的正相关关系(图6).

图6 页岩气藏吸附气与TOC含量的关系(W.Jing等，2011)

安页1井采样样品深度从浅至深，根据对现场解析法测得的总含气量样品与测得的有机碳含量进行研究，得到有机碳含量与总含气量的关系.总有机碳含量增加，页岩总含气量增加，总有机碳含量降低，页岩总含气量降低(图7).

3.2 镜质体反射率(Ro)对页岩含气量的影响

温晓红等研究表明页岩的成熟度越高，气体的吸附能力逐渐增大[10].镜质体反射率(Ro)较大，气体的吸附能力则更高，但不是Ro越大，页岩的吸附能力就越高，一直呈现正相关的关系，Ro过高时，也有可能页岩的吸附能力会偏低[11]，这可能是由于有机质演化到一定阶段时有机质大量消耗，有机质消耗，导致吸附载体减少，从而不利于气体的吸附(图8).

图8 最大吸附量与Ro相关性(温晓红等，2015)

通过对安页1井的测试结果可知，测得页岩含气量较高地层在五峰组上部和龙马溪组下部，而实验获得的镜质体反射率较高的位置也是在五峰组顶部和龙马溪组下部，说明Ro值与页岩含气量密切相关，呈正相关关系.

3.3 其他因素

除了上述有机碳含量(TOC)和镜质体反射率(Ro)对页岩含气量具有影响外，孔隙度和渗透率、温度和压力均对页岩含气量具有影响[12].脆性矿物含量、岩石的湿度、粘土矿物含量等对页岩的含气量均具有不同程度的影响.富伊利石的页岩吸附能力高，采集的安页1井的岩石样品富伊利石.

4 结 论

研究区内页岩岩性均为黑色碳质页岩，碳质分布不均，节理裂缝发育，富含笔石化石，可见黄铁矿晶体，轻微污手，部分样品具有马牙状构造缝、网状缝构造等，可见滑脱面、凝灰岩条带.页岩含气量为2.626 m3/t～6.488 m3/t，大部分在3 m3/t以上，龙马溪组下部及五峰组顶部页岩含气量最高.用现场解析法获取解析气时，要注意优化取心方式，减少钻井取心时间，模拟地层温压条件.

研究区内有机质含量(TOC)和镜质体反射率(Ro)都与页岩含气量高度相关，安页1井取样样品中，五峰组-龙马溪组全烃含量较高，有机碳含量(TOC)越高，页岩含气量越高.镜质体反射率(Ro)越高，页岩总含气量越高.