川東南地區志留系頁巖含氣量特征及其影響因素

張漢榮

川東南地區志留系頁巖含氣量特征及其影響因素

張漢榮

中國石化勘探分公司

張漢榮.川東南地區志留系頁巖含氣量特征及其影響因素. 天然氣工業,2016, 36(8): 36-42.

頁巖含氣量是頁巖氣勘探潛力評價、勘探有利區優選、資源量計算的重要指標,也是后期進行開發規劃、氣藏描述、儲量計算的關鍵參數.為了探索影響頁巖含氣量的因素,應用統一的方法現場測量了四川盆地東南不同地區多口頁巖氣探井的含氣量,通過對比分析其含氣量特征,找到了不同頁巖氣探井的巖性、總有機碳含量、孔隙度、壓力系數等參數與含氣量的關系,歸納了影響頁巖含氣量的主要因素.結論認為,影響頁巖含氣量的因素可以分為兩大類:①只在早期對含氣量有影響的基礎因素,主要為有機質類型、有機質豐度、巖性、黏土礦物含量等;②控制頁巖含氣量的關鍵因素是保存條件,構造樣式和斷裂發育程度是影響保持條件的主要因素.孔隙度、孔隙結構、壓力系數等參數不是影響頁巖含氣量的因素,而是表征頁巖含氣量高低的指標性參數,因此在勘探中可以嘗試通過孔隙度預測或壓力預測來判斷頁巖的含氣性.

四川盆地東南部 志留紀 頁巖含氣量 影響因素 巖性 TOC 孔隙度 壓力系數

頁巖含氣量是頁巖勘探潛力評價、勘探有利區優選、資源量計算的重要指標,也是后期進行開發規劃、氣藏描述、儲量計算的關鍵參數.四川盆地川東南及周緣十幾口頁巖氣專探井的鉆探結果顯示,志留系頁巖氣的含氣量變化差異非常大,如焦石壩地區頁巖氣含氣量較高而且比較穩定,已獲得工業氣流并提交頁巖氣探明地質儲量3 806X108m3,但是在有些地區頁巖含氣量卻比較低,甚至在鉆進過程中沒有氣顯示.因此有必要研究控制頁巖含氣量的影響因素,以便于在勘探部署中做到有的放矢.

1　頁巖含氣量測量及特征

1.1頁巖含氣量測量

頁巖含氣量測量的方式有直接法和間接法[1-8].目前國內采用的方法主要是現場直接測量(解析法),而后用等溫吸附法和測井解釋法等間接法來分析吸附氣和游離氣含量.不同的測量設備、不同的解析方法或回歸方法都有可能得到不同的結果,致使數據缺乏對比性.川東南頁巖含氣量的測量統一采用中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所開發的基于排水解析集氣法現場測量頁巖含氣量的自動化儀器,將取出井口的巖心迅速裝入解析罐中自然解析,按時記錄不同時刻的解析氣體積,前3 h的解析溫度采用泥漿循環溫度,以模擬取心過程中的解析,后6～8 h模擬地層溫度解析,直到高精度流量儀讀數變化不大于0.1 cm3(或每天總解析量不大于5 cm3).經多口井實驗發現,將溫度提高到100 ℃以上后殘余氣量幾乎為0,這種新的二階解析法不再研碎樣品來測量殘余氣量,因而可以加快解析速度.解析完成后進行損失氣量的恢復,以提鉆到井身中部的時間作為零點時間,將實測的解析氣量與解析時間的平方根做交匯圖,用多項式曲線法回歸計算損失氣量,兩者之和就是現場實測的含氣量.

1.2頁巖含氣量特征

川東南地區已鉆井在上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖中普遍有含氣顯示,但現場含氣量測試結果顯示含氣量大小在不同層段、不同地區存在較大差異.

縱向上單井含氣量分布特征表現為底部優質頁巖層段含氣量最高,上部含氣量相對較小.如焦頁1井底部五峰組-龍馬溪組龍一亞段優質頁巖含氣量平均為5.85 m3/t,中部龍二亞段頁巖含氣量平均為3.22 m3/t,上部龍三亞段頁巖含氣量平均為3.36 m3/t(圖1).其他頁巖氣井的含氣量在縱向上也具有相似特征.

圖1　焦頁1井含氣量縱向變化圖

圖2　焦頁1井-焦頁4井區五峰組-龍馬溪組頁巖含氣量直方圖

平面上焦石壩地區焦頁1井-焦頁4井區頁巖含氣量主要介于0.63 ～9.63 m3/t,113個頁巖含氣量數據的平均值為4.61 m3/t.含氣量大于等于1 m3/t的樣品頻率高達到97.3 %,其中含氣量介于2～4 m3/t的樣品占37.1 %;含氣量超過4 m3/t的樣品達到54.9 %(圖2).4口井頁巖氣層段(五峰組-龍三亞段)現場測量含氣量比較相近,其中焦頁1井現場測量含氣量介于2.30 ～8.85 m3/t,平均值為4.30 m3/t;焦頁2井現場測量含氣量介于1.94 ～8.90 m3/t,平均值為5.10 m3/t;焦頁3井現場測量含氣量介于0.63 ～9.63 m3/t,平均值為4.23 m3/t;焦頁4井現場測量含氣量介于1.19～8.83 m3/t,平均值為4.83 m3/t.丁山地區丁頁2井五峰組-龍馬溪組龍一亞段優質頁巖氣層段含氣量介于3.83 ～9.85 m3/t,平均值為6.79 m3/ t;而丁頁1井相同層段含氣量介于1.70 ～6.03 m3/t,平均值為3.07 m3/t,比丁頁2井明顯降低.仁懷地區RY1井的含氣量更低,在鉆進過程中少見氣顯示.

2　影響頁巖含氣量的因素

影響含氣量的因素很多,前人研究認為有機質豐度和成熟度、孔隙結構和孔隙體積、礦物含量、裂縫發育程度、地層溫度和壓力[9-13]等都可以影響含氣量.通過川東南焦頁1井、焦頁2井、焦頁3井、焦頁4井與其他頁巖氣探井的對比分析,認為需要動態研究影響頁巖含氣量的因素.

2.1沉積過程中的影響因素

2.1.1巖性與含氣量

五峰組-龍馬溪組巖性主要為含放射蟲碳質筆石頁巖、含碳含粉砂泥巖、含碳筆石頁巖和含粉砂泥巖.焦頁1井-焦頁4井區現場含氣量測量結果與巖性有很好的相關關系(圖3),含放射蟲碳質筆石頁巖含氣量最高,介于3.52～9.63 m3/t,平均值為6.07 m3/t;含碳筆石頁巖含氣量次之,介于3.95 ～5.02 m3/t,平均值為4.3 m3/t;含碳含粉砂泥巖含氣量較低,介于2.12～4.42 m3/t,平均值為3.35 m3/t;含粉砂泥巖含氣量最低,介于0.53 ～3.87 m3/t,平均值為2.24 m3/t.

圖3　焦石壩地區五峰組-龍馬溪組巖性與含氣量關系圖

焦頁1井-焦頁4井區巖性與含氣量對應關系較好.巖性直接反映沉積環境,五峰-龍馬溪早期,川東南經歷了兩個海侵海退次級旋回即深水陸棚-淺水陸棚的過程,依次沉積了含放射蟲碳質筆石頁巖、含碳含粉砂泥巖、含碳筆石頁巖和含粉砂泥巖.由于深水陸棚水體較深,放射蟲等生物在還原環境下保存完好,這些有機質在沉積后期生烴并滯留致使含氣量高;而在淺水陸棚環境下沉積的含粉砂泥巖,由于陸源的輸入使有機質稀釋且水體較淺不利于有機質的保存,其含氣量相對較低.因此影響含氣量的主要因素之一就是沉積環境.

川東南地區所鉆頁巖氣探井的巖性是可以對比的,說明其五峰期-龍馬溪早期沉積環境是相同的,但是除了焦頁1井-焦頁4井區的巖性與含氣量有很好的相關關系外,其他地區鉆井巖性與含氣量并沒有關系,說明巖性等受沉積環境控制的因素曾經影響過含氣量,其他地區的頁巖含氣量差異大說明還受到其他因素的影響.

2.1.2總有機碳含量(TOC)與含氣量

沉積環境對含氣量的影響還體現在有機質豐度與含氣量的關系上,正常情況下深水陸棚環境沉積的含放射蟲碳質筆石頁巖,其有機質含量豐富,TOC高,故生烴能力強,含氣量也高.焦頁1井-焦頁4井區現場實測頁巖含氣量與TOC呈明顯的正相關關系(圖4),相關系數R2高達0.85以上,這是因為高TOC的頁巖提供了足夠的物質基礎,且高TOC頁巖有機孔隙更為發育,有利于頁巖氣的吸附和儲集[14-15].

TOC對含氣量的影響與巖性對含氣量的影響是類似的,川東南地區頁巖氣鉆井的TOC都很相似,但TOC與含氣量呈明顯的正相關關系也主要體現在焦頁1井-焦頁4井區,而丁山及其他地區卻沒有明顯的相關關系,如RY1井,TOC與焦頁1井-焦頁4井類似(焦頁1井、焦頁2井、焦頁4井的TOC平均值分別為3.58%、3.71%、3.65%,RY1井TOC平均值為3.6%),但是RY1井含氣量幾乎為0.因此,TOC也只是曾經影響過頁巖含氣量.

川東南地區五峰-龍馬溪早期的沉積環境是相似的,其巖性、TOC是可以對比的,但只有焦頁1井-焦頁4井區的巖性及TOC與含氣量具有較好的相關關系,原因是不同地區經歷了不同的地質演化(成巖演化、構造運動等),頁巖的含氣性不只受巖性和TOC控制和影響,該井區的頁巖含氣量與巖性及TOC具有較好的相關性,說明其后期改造比較弱,而其他井區的相關關系較弱,說明在后期改造中被或多或少的地破壞了.

早期影響含氣量的因素還有有機質類型、礦物含量等受沉積環境控制的參數,它們是曾經影響了頁巖含氣量的因素,但不是決定性的因素.

圖4　焦頁1井(左)、 焦頁2井(右)含氣量與TOC關系圖

2.2地質演化過程中的影響因素

2.2.1孔隙度與含氣量

對比川東南地區鉆井現場實測含氣量及巖心物性分析結果后發現,與巖性和TOC不同,頁巖孔隙度與含氣量在川東南地區所有探井中都具有良好的相關關系(圖5).

圖5　典型井優質頁巖段孔隙度、含氣量、壓力系數關系圖

五峰組-龍馬溪組頁巖孔隙類型可分為有機質孔、黏土礦物孔、脆性礦物孔,以有機質孔和黏土礦物晶間孔為主,其中納米級有機質孔分布最為廣泛[15],而有機質孔是頁巖中的有機質在生烴過程中慢慢形成的,隨著頁巖有機質成熟度的增加,納米級孔隙在增大,有機質越豐富,這種孔隙越多,含氣量也就越大.理論上,TOC、孔隙度、含氣量三者應呈正相關關系,但是RY1井的TOC與焦頁1井相當,成熟度也相近,生油氣過程中形成的孔隙也應該相近,而實際上焦頁1井的孔隙度為4.65%,含氣量為5.85 m3/t, RY1井實測孔隙度卻小于1%,含氣量也非常低.分析原因,是RY1井區保存條件差致使頁巖氣逸散,含氣量降低后孔隙被壓實了.因此,保存條件是影響含氣量的關鍵因素.

除了孔隙度,孔隙結構也能影響頁巖的儲集能力,與含氣量關系密切.五峰組-龍馬溪組頁巖孔徑主要為納米級,孔徑大小參差不齊,孔隙結構表現為孔徑分布范圍寬、形狀不規則(圖6),如焦頁1井頁巖孔徑介于10～300 nm,形態多樣,平面上通常表現為泡泡狀、似橢圓狀、港灣狀及其他不規則形狀,說明儲集條件好,其含氣量為5.85 m3/t;而RY1井孔隙結構均一化明顯(圖6),孔徑分布范圍縮小,介于5～20 nm,儲集空間不足,含氣量低.

圖6　焦頁1井(左)與RY1井(右)孔隙結構圖

2.2.2壓力與含氣量

由于所獲得的頁巖氣井的埋藏深度各不相同,頁巖層的壓力值相差很大,不利于對比研究,因此采用壓力系數,以消除埋深的影響.在對比川東南地區各井頁巖氣產量與實測的壓力系數后發現,頁巖氣壓力系數與單井產量具有對數正相關關系.RY1井壓力系數小于1,未能獲產;PY1井壓力系數1.05,頁巖氣產氣量2.5X104m3/d;焦頁1井壓力系數1.55,頁巖氣產氣量20.3X104m3/d(圖7).由于單井產量受水平井段長度、水平井穿行在優質頁巖層段的比例、壓裂改造工藝等諸多因素的影響,因此單井產氣量與壓力系數的關系不能等同于含氣量與壓力系數的關系,但正常情況下單井產氣量與含氣量是呈正相關關系的.綜合分析影響這些井產量高低的原因,主要是后期保存條件存在差異,RY1井位于單斜構造上,鄰近大斷層,PY1井位于盆地外的桑拓坪向斜,靠近剝蝕區,其保存條件受到不同程度的破壞,氣體逸散導致含氣量降低,地層壓力為常壓或低壓;焦頁1井位于盆地內的寬緩潛伏構造上,有斷凹與盆緣斷層相隔,生成的頁巖氣得到保存,表現出含氣量高,壓力系數高.

圖7　頁巖單井日產量與壓力系數與相關關系圖

2.3含氣量影響機制探討

頁巖含氣量的多少與常規天然氣一樣,也是一種動態平衡的結果.不同的是它本身作為烴源巖,不是考慮供烴與散失的平衡,而是考慮早期生氣量的大小與后期保存氣量的多少.

早期生烴量的多少與沉積環境和最大埋深有關,頁巖巖性、有機質豐度、有機質類型是主要的影響因素.黑色碳質頁巖含有豐富的TOC,在具有頂底板的封閉空間里,隨著埋深加大溫度壓力增加,頁巖開始生烴,納米級孔隙也逐漸形成,并隨著頁巖有機質成熟度的增加,生烴量越來越大,納米級孔隙逐漸增大,頁巖中的含氣量也逐漸增高,而且頁巖TOC越大,生烴量越大,含氣量也越高.如果地質條件保持不變,那么頁巖就會保持這種高TOC高孔隙度高含氣量的狀態.

但是川東南地區在燕山期后經歷了復雜的構造改造,保氣量的多少是最終含氣量的關鍵,影響保氣量的主控因素是保存條件[16-17].當頁巖靠近剝蝕區或鄰近大斷裂,跟常規天然氣運移一樣將發生氣體擴散、滲流及逸散,頁巖內的保氣量將會降低.同時頁巖的頁理發育,水平滲透率遠遠高于垂向滲透率,高陡的地層將增大縱向上的重力分異,從而致使氣體順層向上逸散,當遇到斷層溝通則逸散速度會加快,頁巖層氣體難以保存,含氣量降低、孔隙壓力下降、壓力系數降低,在圍巖壓力下頁巖被壓實,孔隙由不規則的大孔,逐漸轉變為定向性分布的扁平狀中孔,最后形成較圓的微孔甚至消失.因此,構造樣式和斷層發育程度是影響含氣性的兩大關鍵要素,構造寬緩是保氣的基礎,遠離斷層是保氣的關鍵.而斷層的形成時間、活動期次、規模大小及抬升剝蝕的程度將決定頁巖氣逸散的程度,也決定了后期保氣量的多少.

3　結論

1)有機質豐度、有機質類型、頁巖巖性、黏土礦物含量等參數只在早期對頁巖含氣量有影響.

2)控制頁巖最終含氣量的關鍵因素是后期的保存條件,當保存條件被破壞頁巖氣會逸散,頁巖孔隙壓力會降低、孔隙結構會均一化、孔隙度會降低.

3)孔隙度、孔隙結構、壓力系數不是影響含氣量的因素,而是頁巖含氣量高低的指標性參數,因此在勘探中可以嘗試通過孔隙度或壓力預測來判斷頁巖的含氣性.

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(修改回稿日期 2016-06-16 編 輯 陳 玲)

Gas content of the Silurian shale in the SE Sichuan Basin and its controlling factors

Zhang Hanrong
(Sinopec Exploration Company, Chengdu, Sichuan 610041, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.36-42, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Shale gas content is one of important indicators not only for exploration potential evaluation, favorable zones optimization, resource quantity prediction, etc. in the former preparation period but for development planning, gas reservoir description, reserves calculation in the latter period. This paper aims to explore the factors influencing the gas content of the Silurian shale in the SE Sichuan Basin. The uniform method was first applied to measure the gas contents of multiple shale gas exploratory wells located at different areas in this study area. Also, a comparison analysis was made of the gas content characters to disclose the relations between shale gas content and such parameters as lithologic property, TOC content, porosity, pressure coefficient, etc. In conclusion, the influencing factors of shale gas content are classified into two main types. One type is fundamental factors in the earlier gas generation period that mainly include organic matter types, abundance, petrographic characters, clay material contents, etc. The other one, also as the key factor, is the preservation conditions, which is mainly affected by structural style and degree of fault development. Those factors like porosity, pore structure, pressure coefficient, etc. are not real factors affecting the shale gas content but indicators for the characterization of high or low shale gas content, for which prediction on shale porosity or shale formation pressure should be tried, as suggested in shale gas exploration, to help estimate the gas content of shale.

Sichuan Basin; Southeast; Silurian; Shale gas content; Controlling factors; Lithologic character; TOC; Porosity; Pressure coefficient

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.005

中國石油化工集團公司科技項目" 四川盆地周緣下組合頁巖氣形成條件與有利區帶評價"(編號:P13129).

張漢榮,女,1968年生,高級工程師,博士;從事頁巖氣勘探研究工作.地址:(610041)四川省成都市高新區吉泰路688號.電話:13981959806.ORCID: 0000-0002-4019-4909.E-mail: zhanghr.ktnf@sinopec.com