威荣深层页岩气储层微观孔隙结构表征及分类评价

熊 亮，庞河清，赵 勇，魏力民，周 桦，曹 茜

（1.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院，四川成都610041；2.四川省科源工程技术测试中心，四川成都610091）

近十年来，我国页岩气勘探开发取得快速发展，截至目前已探明地质储量约2.0×1012m3，产量约为154×108m3，为全球第二大页岩气产区[1-3]。随着勘探评价认识的深入，资源占比高的深层页岩气逐步取得突破，如Z202-H1井、H202井、L203井测试分别获产天然气45.67×104，22.37×104，137.9×104m3/d，展示出深层页岩气巨大的勘探开发潜力[3-5]。为了进一步提高深层页岩气单井产能，实现气田高效开发及滚动建产，以加强孔隙特征研究为基础、评价页岩气层为途径、落实地质工程“双甜点”为目的，前人做了大量富有成效的工作[6]，并以更加苛刻的评价标准（TOC≥4%、总含气量大于等于4 m3/t、孔隙度大于等于6%）开展储层精细化研究，做到由粗到细、优中选甜[7]。

随着威荣深层页岩气勘探开发进程的推进，明确了以2—31小层为水平井靶窗可实现单层段的最优开发效果，但也明显降低了上部含气层段的储量动用程度。为实现页岩气田可持续发展，焦方正[4]在研究川南页岩气时提出了“体积开发”的概念，通过在龙一11与龙一13部署立体开发井网，追求实现储量动用最大化。从涪陵气田上部气层立体开发探索可知，其上部气层在地质参数稍差的情况下，工程参数较优的气井亦可获得高产。为了进一步评价各气层的动用潜力，落实“甜点层”在纵横向上的分布，前人在岩相、沉积环境、有机地化等研究的基础上，深入挖掘储层微观孔隙结构特征的差异性，以期实现页岩气层差异化评价，为储层分类评价提供支撑[8-13]。如王伟明等[13]提出了利用储层微观孔隙结构参数及矿物含量的相关性建立页岩储层分级评价标准；卢双舫等[14]提出基于进汞曲线及分形理论建立页岩储层分级评价标准；刘树根等[15]提出利用孔隙半径大小、形状和孔隙度来表征页岩孔隙结构特征在不同保存条件下的差异性；方志雄[16]在研究常压页岩气孔隙结构时，基于液氮吸附和压汞实验进行分形分析，以微孔、小孔含量建立了常压页岩气储层分类评价标准。这些研究成果为页岩气储层分类评价奠定基础，然而对于深层页岩气领域而言，页岩储层在深埋条件下，高温高压环境造成页岩微观孔隙结构演化尤为复杂。本文为了定量化表征微观孔隙结构特征，实现储层精细化评价，基于“高精度、跨尺度”的微观孔隙研究思路，借鉴常规致密气的孔隙结构分类评价方法，形成一套全孔径储层微观孔隙结构定量表征技术，明确各类储层的孔隙结构差异性，建立适合本气田深层页岩储层的分类评价标准，为本气田各气层潜力评价及川南深层页岩气勘探开发提供指导。

1 气田基本地质特征

威荣气田区域构造上位于威远构造东南翼至自流井构造之间的白马镇向斜，呈两凹一凸构造格局。区内构造平缓，断裂不发育，五峰组底埋深为3 550～3 880 m，属深层页岩气田（图1）。区内五峰组—龙马溪组一段主要沉积环境为深水陆棚亚相，地层厚80～85.7 m，横向展布稳定，岩性主要为黑色碳质页岩，生烃条件优越，顶底板保存条件好，压力系数高（1.94～2.01）。自下而上可将五峰组—龙一段地层划分为①—⑨号层，其中开发层系①—④号层又可细化为11、12、2、31、32、33、4共7个开发小层[13]。

图1 威荣页岩气田构造位置及综合柱状图Fig.1 Structural location and comprehensive histogram of Weirong Shale Gas Field

2 储层孔隙类型及特征

2.1 孔隙类型

为研究不同孔隙类型的形状，以当量圆直径来表征孔隙大小[17-21]，以截面形状与孔隙形状系数之间的关系近似表征孔隙实际形状。本文在此应用图像分析软件以及自动矿物参数定量系统（AMICS），定量统计基于扫描电镜的不同孔隙类型的参数及矿物含量。本区页岩储层孔隙类型主要包括有机孔、粒间孔、粒内孔、微裂缝等（表1）。通过分析4 口井样品的面孔占比、形状系数、分形维数等参数，可知不同孔隙类型储层发育特征差异较大，以有机孔占主导，其面孔占比大于50%（从图5a可知孔隙度与TOC具有良好的正相关性，当TOC增加1.0 个百分点时，孔隙度约增加0.82 个百分点），孔隙形态复杂，呈椭圆形、不规则状或扁平状分布，形状系数为0.50～0.90，分形维数为2.72～2.92，以2—31小层为主；其次为粒间孔，面孔占比约为25%～30%，主要分布在黏土矿物间，呈狭缝状、不规则状，形状系数为0.60～0.70，分形维数为2.30～2.90，以33—4 小层最发育；粒内孔的面孔占比约为10 %，主要发育在方解石、石英、长石等碎屑颗粒内，孔隙形态简单，多呈圆形/椭圆形、菱形，形状系数为0.70～0.87，分形维数为2.22～2.45，以⑤—⑨号层为主。

2.2 孔隙结构分类及特征

2.2.1 基于扫描电镜法的孔隙结构表征

依据孔隙半径频率分布曲线特征可将孔隙结构划分为4类：单峰型（有机孔为主）、双峰型（有机孔、无机孔都较发育）、单斜型（有机孔为主）、单斜型（无机孔为主），详见表2。

单峰型（有机孔为主）的孔隙半径峰值只有一个，分布较为集中，以微孔（孔径小于2 nm）为主，具有较好的分选性、连通性和物性条件，富含有机质（TOC≥4%），岩性以钙质-黏土质-硅质混合型页岩为主，孔隙度为4.1%～6.9%，平均为6.1%，有机孔占比高达50%及以上，粒内孔或粒间孔少见，发育黄铁矿纹层、碳酸盐岩弥散型细纹层。从形状系数来看，单峰型的孔隙中，圆形/椭圆形占比在50%左右，不规则状和狭长形、楔长形占比与其他孔隙结构类型相比较高，塑性有机质发育，以致孔隙抗压性较差。

双峰型（有机孔、无机孔都较发育）的孔隙半径峰值通常为2个，主、次峰值相差较大，主峰值约0.2 μm，次峰值约10 μm，反映其非均质性较强，孔隙大小分布跨度大，分选性相对较差，有机孔、无机孔占比基本相当，表现为高TOC（2%～3%），高钙，碳酸盐岩粗纹层发育，孔隙度为5.1%～6.4%，有机孔占比为40%～50%，以中孔（孔径为2～50 nm）或大孔（孔径大于50 nm）为主，孔隙配置不均匀，连通性略差于单峰型。从形状系数来看，双峰型的孔隙中，圆形/椭圆形占比在70%左右，不规则状和狭长形、楔长形占比较低。由于无机孔发育与刚性颗粒具有良好的正相关关系，孔隙抗压性好，圆形/椭圆形孔隙占比高。

单斜型的孔隙半径为不对称递减，有2种类型：一种以有机孔为主，孔隙半径大于0.05 μm，以中孔为主，具有良好的分选性，富含有机质（TOC≥4%），无机孔不发育，岩性主要为生物硅质页岩，发育黄铁矿纹层，不发育碳酸盐岩纹层，孔隙度为5.1%～7.4%，有机孔占比不低于50%，呈圆形/椭圆形的孔隙占比在50%左右，不规则状孔隙和狭长形、楔长形孔隙的占比与其他孔隙结构类型相比较高。由于矿物成分存在差异，硅质页岩含量最高，以致发育的有机孔孔隙半径较单峰型要好，有着最优的孔渗组合类型；另一种以无机孔为主，孔隙半径最小，以微孔为主，少了中孔或大孔，具有较好的分选性，但由于孔隙不发育且孔隙半径极小，孔隙连通性极差，贫有机质（TOC＜2%），有机孔占比小于25%，以黏土质页岩含量最高，黄铁矿纹层少见，孔隙度为4.2%～5.0%，呈圆形/椭圆形的孔隙占比在60%左右，孔隙连通性较差。

表1 威荣页岩气田主要孔隙类型及参数特征Table 1 Main pore types and parameters in Weirong Shale Gas Field

2.2.2 基于液氮吸附和高压压汞的全孔径表征

鉴于液氮吸附法只能在孔径小于50 nm 的中微孔范围才能形成吸附效应，而高压压汞测试易造成孔隙变形而出现“扩喉”现象，使测定孔径大于50 nm的结果可信。因此，联合液氮吸附及高压压汞方法表征微观孔隙结构，可测定自纳米尺度到微米尺度的孔隙分布[22-24]。值得说明的是，此过程涉及测定结果的衔接，需要同时将两者转换为气/液两相条件下的毛管压力及毛管半径等参数，具体做法参考《页岩全孔径分布的测定压汞—吸附联合法：NB/T 14008—2015》及文献[25]。

对28 个样品开展全孔径孔隙结构表征，结果表明，在气/液两相毛管压力饱和曲线中普遍存在3 个拐点（Pcd1、Pcd2、Pcd3），计算出3个拐点所对应的最大孔隙半径分别为600，250，100 nm。那么，是否能以这3 个拐点为界将深层页岩气储层连通孔隙结构划分为Ⅰ类（最大孔隙半径大于等于600 nm）、Ⅱ类（最大孔隙半径为250～600 nm）、Ⅲ类（最大孔隙半径为100～250 nm）、Ⅳ类（最大孔隙半径小于等于100 nm）呢？这可以通过分形理论来检验[18-19]。卢双舫等[14]研究页岩油孔喉分类时，认为一定尺度的孔隙具有自相似性，不同尺度范围的孔隙具有不同的分形维数。图2展示了按照上述拐点划分的4 类孔隙结构各自所对应的分形维数，反映出4类孔隙具有不同的孔隙结构特征，说明这是较为合理的孔隙结构划分方法。对于具有3个明显拐点的气/液两相毛管压力曲线，当气/液两相压力较低时（低于0.2 MPa，未达到第一个拐点Pcd1），液体率先进入最大孔隙半径大于等于600 nm的喉道内；当气/液两相压力到达第一个拐点压力（对应压汞条件下的1.05 MPa）时，液体进入最大孔隙半径为250～600 nm 的喉道内；以此类推，当气/液两相压力大于1.0 MPa（对应压汞条件下的5.25 MPa）时，液体进入最大孔隙半径小于等于100 nm 的孔隙中。根据毛管曲线，可以计算在气/液两相条件下各类孔隙结构的进液体积分数。

表2 基于扫描电镜法的孔隙结构分布特征统计Table 2 Statistics of pore structure distribution based on SEM

根据上述划分可知，Ⅰ类孔隙结构的气/液两相（润湿性）压力尚未达到Pcd1 拐点，其最大孔隙半径大于等于600 nm（可能层理缝较发育），进液饱和度小于50 %，但退液效率高（80 %左右），孔隙度为5.86%～9.87%，平均为6.7%，分形维数较大，反映孔隙形态复杂，但连通性相对较好；Ⅱ类孔隙结构的气/液两相压力介于Pcd1与Pcd2之间，最大孔隙半径为250～600 nm，进液饱和度为50%～70%，退液效率较高（65 %左右），孔隙度为3.2 %～11.9 %，平均为6.8%，分形维数较低，反映出孔隙形态简单，中微孔发育，孔隙与喉道配置关系好，连通性总体较好；Ⅲ类孔隙结构的气/液两相压力介于Pcd2 与Pcd3 之间，最大孔隙半径为100～250 nm，进液饱和度为60 %～70 %，退液效率中等（45 %左右），孔隙度为5.1%～6.4%，平均为5.7%，分形维数中等，反映孔隙的连通性一般；Ⅳ类孔隙结构的气/液两相压力超过Pcd3 拐点，最大孔隙半径小于等于100 nm，进液饱和度为60%～70%，退液效率小于20%，孔隙度为4.2%～5.0%，平均为4.6%，分形维数中等，反映孔隙不发育且连通性差。

2.2.3 孔隙结构定量判别标准

根据全孔径毛管压力曲线特征，可计算孔体积、分选系数、中值半径及变异系数等特征参数。参考常规气储层孔隙结构分类方法，联合孔隙结构参数、TOC、孔隙度以及渗透率等储层参数将页岩储层孔隙结构分为4类（表3、图3）。深入分析表明，渗透率与TOC、储能评价参数（孔隙度、渗透率和含气饱和度的乘积）存在一定的相关性[14,26-28]，并由此建立了孔隙结构的判别标准（图4）。

图2 页岩全孔径典型进汞曲线拐点位置及分形特征Fig.2 Inflection point location and fractal characteristics of typical mercury injection curve of shale

表3 威荣气田页岩储层孔隙结构参数分类Table 3 Classification of pore structure parameters of shale reservoir in Weirong Gas Field

3 深层页岩气储层评价标准

图4 不同孔隙结构类型与页岩储层静态参数的关系Fig.4 Relation between different pore structure types and static parameters of shale reservoir

随着深层页岩气勘探开发实践的深入，摸清“甜点层”分布规律，是勘探开发取得成功的关键。通过表征储层微观结构，判断页岩储层孔隙连通与否，仅属于“地质甜点”范畴，气井能否获得高产则与压裂改造密切相关，即“工程甜点”。焦方正[4]在川南页岩气“体积开发”实践中建立了“甜点层”评价标准，新增杨氏模量、泊松比评价指标，阐述了地质工程一体化评价内涵。方志雄[16]在研究常压页岩气储层分级评价标准时，依据孔隙分形特征分析，认为微孔、小孔控制了总含气量，选取了微孔、小孔含量作为常压页岩储层分级评价的重要指标。本文综合前人研究结果，通过深入分析页岩储层微观结构特征，发现TOC与孔隙度、渗透率、中值半径、变异系数等参数具有良好相关性，明确了TOC可作为储层分类评价的基础要素，再以此分析总含气量、孔隙度、孔隙结构、矿物含量、杨氏模量、泊松比以及层理缝等参数的分布规律，寻找这些参数与TOC的匹配关系，完成地质工程“双甜点”评价标准的划分（图5、表4）。

表4为包含地质工程双因素的储层分类评价标准，依据该标准对页岩储层进行了评价。结果表明，区内页岩储层纵向上分段特征明显，以①—④号层为主力产层，尤以2—31小层储层参数最优，为水平井最有利靶窗位置。该层段的岩性为钙质-黏土质-硅质页岩以及生物硅质页岩，厚度为3.7～7.7 m，平均为5.9 m，发育黄铁矿、斑脱岩纹层，碳酸盐岩弥散型细纹层，含放射虫、笔石，TOC＞4%，总含气量高（8.2～9.5 m3/t），孔隙度为6.1%，有机孔占比大于等于50%，分选系数大于等于0.7，变异系数大于等于1.1，中值半径小于等于41.5 nm，脆性矿物含量大于等于50 %，杨氏模量大于等于36 GPa，泊松比小于等于0.225，为Ⅰ类储层。

表4 威荣深层页岩气储层分类评价标准Table 4 Classification and evaluation criteria of Weirong deep shale gas reservoir

4 结论

1）在扫描电镜及矿物分析电镜研究的基础上，完成了有机孔、粒间孔、粒内孔的定量描述。依据形状系数及分形理论，进一步明确了重点开发小层（2—31小层）以有机孔占主导，孔隙形态复杂，呈椭圆形、不规则状或扁平状分布，形状系数为0.50～0.90，分形维数为2.72～2.92。

2）依据孔隙半径频率分布曲线特征可将孔隙结构划分为单峰型、双峰型、单斜型，以单峰型最优。该类型的孔隙分布较为集中，以微孔为主，分选性、物性以及连通性较好，富含有机质（TOC≥4%），有机孔占比大于等于50 %，以圆形/椭圆形孔隙为主，不规则状孔隙和狭长形、楔长形孔隙的占比与其他孔隙结构类型相比较高。

图5 威荣气田五峰组—龙马溪组页岩储层测井参数相关图Fig.5 Correlation diagram of logging parameters of shale reservoir in Wufeng-Longmaxi Formation in Weirong Gas Field

3）形成了基于液氮吸附及高压压汞的全孔径表征方法，依据分形理论完成了孔隙结构的划分。统计结果表明，区内页岩储层孔隙半径分布具有多模态宽广型、双模态宽广型、双模态高低不对称型以及单模态集中型4类，再结合TOC、储能评价参数、中值半径以及变异系数等参数将孔隙结构划分为4类。

4）综合孔隙结构分类及储层参数，将页岩储层分为4 类，其中Ⅰ类储层的关键参数为TOC≥4%、总含气量大于等于6 m3/t、孔隙度大于等于6%、脆性矿物含量大于等于50%、杨氏模量大于等于36 GPa、泊松比小于等于0.225、Ⅰ类孔隙结构，该类储层主要分布于2—31小层，为水平井最优靶窗位置。