南川地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層特征分析

劉可順 金吉能 田媛 邱亞輝 孔雅慧 周佳興

摘 ?????要： 四川盆地作為我國頁巖氣主要產(chǎn)地，其中龍馬溪組頁巖氣資源儲量尤為豐富，針對該組地層進行儲層特征研究，對該盆地頁巖氣富集規(guī)律研究、壓裂工藝設(shè)計以及優(yōu)選有利區(qū)意義重大。在巖心觀察基礎(chǔ)上，結(jié)合測井資料以及地質(zhì)資料的分析，開展頁巖礦物特征、物性特征和地球物理特征等頁巖氣儲層特征研究。研究結(jié)果表明龍馬溪組頁巖骨架礦物為石英、方解石、長石等，脆性礦物總含量58%，黏土礦物種類豐富包括伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺土;孔隙類型多樣，龍一段孔隙度分布在0.46%～3.86%之間，平均值1.70%，孔隙度高于龍二、龍三段;龍一段總有機碳含量在2.22%～3.64%之間，生烴物質(zhì)基礎(chǔ)較好;泊松比與楊氏模量分別為0.17～0.32，31.9～70.7 GPa。綜合認(rèn)為南川地區(qū)龍馬溪組具有較好的脆性，龍一段儲集物性優(yōu)于中上兩段，高楊氏模量低泊松比，具有較好的資源勘探開發(fā)潛力。

關(guān) ?鍵 ?詞：龍馬溪組;頁巖氣;儲層特征;南川地區(qū)

中圖分類號：TE122.2⁺3 ??????文獻標(biāo)識碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0138-04

Characteristics of?Shale Gas Reservoirs?in

Longmaxi Formation in Nanchuan Area

LIU?Ke-shun^1，2，?JIN?Ji-neng^1，2， TIAN Yuan^1，2， QIU?Ya-hui^1，2， KONG?Ya-hui^1，2， ZHOU?Jia-xing^1，2

（1. College of Earth Sciences， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100， China;

2. Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas， Yangtze University， Hubei Wuhan 430100， China）

Abstract： Sichuan basin is the main producing area of shale gas in China， and?Longmaxi formation shale gas resource reserves are particularly abundant. Study?on the reservoir characteristics of Longmaxi formation is of great significance to the study of shale gas enrichment in the Sichuan basin， fracturing?process design and screening out favorable areas. In this paper， based on the core observation， combined?with the logging data and the analysis of geological data， the?characteristics of shale gas reservoir were studied， such?as shale mineral characteristics， physical?characteristics and geophysical characteristics. The?results show that the shale skeleton minerals of Longmaxi formation are quartz， calcite， feldspar， etc.The?total content of brittle minerals is 58%.The rich clay minerals include illite， imiline， chlorite?and kaolin; the?pore types are diverse. The?first section of Longmaxi formation has a porosity distribution between 0.46% and 3.86%， with an average of 1.70%.The total organic carbon content of the first section of Longmaxi formation is between 2.22% and 3.64%， which has a relatively good base of hydrocarbon generation， and?the porosity is higher than the second and third sections.The Poisson's ratio of Longmaxi Formation is 0.17～0.32， and the Young's modulus is 31.9～70.7 GPa.?Longmaxi formation in Nanchuan area has good brittleness， and?reservoir property of the first sections is superior to the second section and the third section of Longmaxi formation， and?its Young's modulus is high， Poisson's ratio is low， so it has good potential for resource exploration and development.

Key words： Longmaxi formation; Shale gas; Reservoir characteristics; Nanchuan area

頁巖氣是指以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存在泥頁巖中一種非常規(guī)天然氣資源，具有“自生自儲、原地成藏、低孔低滲、強烈非均質(zhì)性”的特性^[1，2]。在美國針對頁巖氣的勘探開發(fā)取得突破，成功實現(xiàn)頁巖氣大規(guī)模商業(yè)化開采的背景下，學(xué)者們開始重視國內(nèi)海相地層中頁巖及其賦存的頁巖氣。我國南方地區(qū)海相頁巖發(fā)育廣泛，頁巖氣遠景資源儲量十分豐富，經(jīng)過十多年的發(fā)展，圍繞四川盆地晚古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組建成了多個示范區(qū)。同時在頁巖氣的資源評價方面取得一定成果。一般選取TOC含量、礦物成分及礦物的脆性指數(shù)、儲層物性等作為頁巖儲層評價的參數(shù)^[3]。在頁巖儲層中有機質(zhì)孔隙和礦物原生孔幾乎提供了氣體吸附的全部空間^[4]。脆性礦物與黏土礦物含量高低及礦物比例特征，可以作為頁巖氣開發(fā)過程中壓裂工藝設(shè)計的重要參考^[5]和頁巖氣優(yōu)選重點勘探區(qū)的指示^[6]。相較于常規(guī)儲層，因頁巖氣開采過程需要儲層改造，所以有必要以儲層特征為切入點展開研究。此外，隨著我國頁巖氣勘探開發(fā)工作由海相頁巖氣規(guī)模化開采推向海陸過渡相及陸相工業(yè)化試驗開采^[7]，也要求我們更加準(zhǔn)確的掌握海相頁巖儲層特征，以滿足進一步勘探需要。

所以，為了弄清南川地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層特征，筆者綜合利用測井、地震、地質(zhì)資料，分地質(zhì)特征、巖石物理特征兩個方面進行探究，旨在豐富海相頁巖氣理論研究以及為川東南地區(qū)頁巖氣評價和勘探工作提供一定依據(jù)。

1 ?地質(zhì)背景

1.1 ?區(qū)域構(gòu)造

四川盆地根據(jù)褶皺作用影響程度不同可以分為川西坳褶區(qū)、川中平緩褶皺區(qū)、川北低平褶皺區(qū)和川東高陡褶皺區(qū)^[8]。南川位于川東高陡褶皺帶外緣，受華南板塊邊緣江南雪峰造山帶逆沖推覆以及后續(xù)印度板塊的擠壓的影響，研究區(qū)自SE向NW方向地層出現(xiàn)不同程度的逆沖，發(fā)育青龍鄉(xiāng)斷層、平橋西斷層、龍濟橋斷層等斷層^[9]。根據(jù)構(gòu)造變形的強弱程度，可以將南川地區(qū)劃分為強變形帶、中等變形帶和弱變形帶，不同區(qū)帶構(gòu)造走向線以NE～SW為主。

1.2 ?區(qū)域地層

川東南地區(qū)地層基底為前震旦系板溪群變質(zhì)巖，地層巖性自下而上表現(xiàn)出海相-海陸過渡相的變遷，這種復(fù)雜的相帶沉積背景下，研究區(qū)發(fā)育多套生儲蓋組合。本次研究目的層段龍馬溪組巖性為富有機質(zhì)頁巖，沉積有機質(zhì)類型以腐泥型為主^[10，11]。研究區(qū)龍馬溪組頁巖沉積于水體安靜且氧含量低的半深水-深水陸棚環(huán)境，地層厚度在300～450 m之間，厚度自東向西有加厚的趨勢，與下伏臨湘組灰?guī)r及上覆小河壩組均整合接觸，呈現(xiàn)灰?guī)r-頁巖-砂巖的巖性突變。根據(jù)A井AC測井曲線特征將龍馬溪組分為上、中、下三段，其中下段（龍一段）巖性為黑色炭質(zhì)頁巖、炭硅質(zhì)頁巖，中上部分（龍二段和龍三段）巖性為頁巖夾粉砂質(zhì)頁巖或粉砂巖，自下而上泥質(zhì)含量逐漸降低。

2 ?頁巖氣儲層特征

2.1 ?地質(zhì)特征

2.1.1 ?礦物特征

在頁巖儲層研究工作中做到礦物成分的定性及定量意義重大，表現(xiàn)在兩個方面：一是黏土礦物有較高的比表面積，有利于頁巖氣在儲層中的吸附;二是脆性礦物的含量高低直接影響了頁巖儲層壓裂增產(chǎn)的效果。當(dāng)然，黏土礦物含量并不是越多越好，黏土礦物含量高脆性礦物就會少，從而影響頁巖儲層的壓裂效果。在南川地區(qū)按硅質(zhì)礦物、碳酸鹽和黏土礦物組分百分含量將龍馬溪組頁巖相劃分為硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖、富泥硅質(zhì)頁巖、富硅/泥混合質(zhì)頁巖和富硅泥質(zhì)頁巖（表1）。

南川地區(qū)頁巖主要礦物為黏土、石英和長石（包含鉀長石與斜長石）（圖1）。黏土礦物包括伊利石、伊蒙混層、綠泥石和高嶺土，其中伊利石平均含量58%，伊蒙混層平均含量30%，綠泥石平均含量9%，高嶺土平均含量3%。脆性礦物包括石英、長石、方解石、白云石和黃鐵礦等，其中石英平均含量38%，斜長石平均含量7%，鉀長石平均含量2%，方解石平均含量4%，白云石平均含量5%，黃鐵礦平均含量2%。礦物含量百分比圖表明：黏土礦物含量隨深度增加而降低，總含量平均值為42%;脆性礦物含量隨深度增加而升高，總含量平均值為58%。南川地區(qū)龍馬溪組脆性礦物含量>50%。筆者綜合各種礦物含量進行脆性系數(shù)計算，得出一個較高數(shù)值，說明頁巖儲層具有可壓裂性，經(jīng)水平井壓裂后有資源增產(chǎn)的潛力。

2.1.2 ?物性特征

頁巖沉積物顆粒細小、含水率高，在沉積之初孔隙非常發(fā)育，但是成巖過程中壓實作用導(dǎo)致頁巖原生孔隙巨幅降低，減少量可達到沉積之初的98%～99%^[13]，這也解釋了現(xiàn)今頁巖孔隙多在納米級的原因。亞離子拋光掃描電鏡顯示，本區(qū)主要發(fā)育有機質(zhì)孔隙、脆性礦物孔、黏土礦物孔和微裂縫等不同儲集空間^[12]。其中，有機質(zhì)孔多發(fā)育在沉積有機質(zhì)內(nèi)部，屬于次生孔隙，來自生烴后沉積有機質(zhì)減少部分的體積，在四種孔隙中最為發(fā)育。脆性礦物孔、黏土礦物孔、微裂縫等原生孔隙因壓實作用損失嚴(yán)重對總孔隙度的貢獻不及有機質(zhì)孔。

依據(jù)南川地區(qū)A井孔隙度測井曲線可知，龍馬溪組孔隙度在0.23%～3.86%之間，平均值1.06%，龍一段孔隙度在0.46%～3.86%之間，平均值1.70%。將A井孔隙度測井?dāng)?shù)據(jù)進行統(tǒng)計可得圖2。由圖2a可知龍馬溪組孔隙度主要分布在0.5%～2.0%，由圖2b可知龍一段孔隙度主要分布在1.5%～2.5%之間。圖2a、2b孔隙度分布區(qū)間主峰向右遷移，可以認(rèn)為龍一段孔隙較龍二、龍三段更為發(fā)育，具有更好儲集物性，可以為頁巖氣提供更多的儲集空間。

2.1.3??TOC特征

總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）是評價頁巖氣儲層的一項重要參數(shù)。以往的TOC數(shù)值通過取芯井鉆取巖心后進行測試分析得出，受限于樣品個數(shù)測試結(jié)果很難做到連續(xù)表征儲層。學(xué)者們利用測井曲線與TOC之間的存在的響應(yīng)關(guān)系，現(xiàn)建立了多種比較成熟的模型：自然伽馬能譜預(yù)測模型^[14]、電阻率與孔隙度相結(jié)合預(yù)測模型^[15]、密度預(yù)測模型^[16]等。筆者在結(jié)合前人經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上，建立了南川地區(qū)TOC的密度預(yù)測模型，計算出足夠數(shù)量的TOC數(shù)據(jù)后進行投點繪圖（圖3）。

由圖3可知，龍一段TOC在2.22%～3.64%之間，平均值2.75%，主要分布范圍在2.5%～3.5%，總有機碳含量較高，生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)較好，為頁巖氣富集奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

由圖中趨勢線可知，隨地層深度加深數(shù)值增大，TOC與深度表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)。頁巖儲層孔隙主要來自干酪根生烴后產(chǎn)生的有機質(zhì)孔，結(jié)合龍一段的TOC分布特征，可以認(rèn)為龍馬溪組頁巖越靠近底部孔隙越發(fā)育，與上文分析的物性特征認(rèn)識一致。

2.2 ?地球物理特征

脆性礦物平均含量>50%，證實了頁巖具有可壓裂性，但是通過研究頁巖儲層巖石力學(xué)特征，可以確定儲層的可壓裂性和壓裂難度。一般選取泊松比（）和楊氏模量（）這兩個參數(shù)表征儲層巖石物理，反映頁巖氣儲層可壓裂性^[17]。泊松比反映頁巖在壓力下破裂能力，楊氏模量反映壓裂后保持裂縫的能力。若楊氏模量越大，泊松比越小，對應(yīng)的脆性指數(shù)就越大，地層也就越容易壓裂^[18]。本次研究采用地震數(shù)據(jù)利用公式（1）直接計算泊松比，利用公式（2）直接計算楊氏模量。

?????????????（1）

????????（2）

式中：V_p?—縱波速度;

V_s?—橫波速度;

ρ?—地層密度。

由B井測井曲線可知，南川地區(qū)龍馬溪組地層密度在2.52 ～2.75 g/cm³之間，平均值2.67 g/cm³，縱波速度在3 811～5 658 m/s，平均值4 707 m/s，橫波速度在2 177 ～3 296 m/s之間，平均值2 684 m/s。計算可得龍馬溪組泊松比在0.17～0.32之間，平均值0.24，楊氏模量在31.9～70.7 GPa之間，平均值49.0 GPa。將計算結(jié)果投點在坐標(biāo)軸上得圖4。

由圖可知泊松比（圖4a）在3 950～4 250 m隨深度加深而上升，4 250～4 400 m隨深度加深而降低，泊松比隨深度變化以4 250 m深度為拐點表現(xiàn)出兩段性，表明龍一段與龍二、龍三段巖性組合存在差異;楊氏模量（圖4b）數(shù)值隨深度加深，表現(xiàn)為減少-增加-減少的趨勢。根據(jù)國外頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗^[2]，楊氏模量數(shù)值>30 GPa，泊松比<0.30即可認(rèn)為頁巖儲層脆性較大。而研究區(qū)頁巖楊氏模量>30 GPa，泊松比<0.25，屬于易于壓裂的高楊氏模量低泊松比儲層，開發(fā)時經(jīng)過儲層改造可以實現(xiàn)頁巖氣的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

3 ?結(jié)論

（1）頁巖礦物中，黏土、石英、長石（包括鉀長石和斜長石）是主要礦物，總含量89%，黏土礦物平均含量42%，脆性礦物平均含量58%，計算所得的脆性系數(shù)較高，指示儲層可以被壓裂改造。

（2）頁巖儲層孔隙多樣，但由于有機質(zhì)孔提供了主要的儲集空間，所以龍馬溪組靠近底部物性更好。龍馬溪組孔隙度0.23%～3.86%，平均孔隙度1.06%，需要通過水平壓裂改造來提高頁巖氣產(chǎn)量，實現(xiàn)商業(yè)化開采。

參考文獻：

[1]張小龍，張同偉，李艷芳，等.頁巖氣勘探和開發(fā)進展綜述[J].巖性油氣藏，2013，25（02）：116-122.

[2]陳小東，淮銀超，丁黎，等. 加拿大西加盆地泥盆系頁巖氣儲層特征[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報， 2019， 39（3）： 483-491.

[3]喬輝，賈愛林，賈成業(yè)，等. 頁巖氣儲層關(guān)鍵參數(shù)評價及進展[J]. 地質(zhì)科技情報， 2018， 37（2）： 157-164.

[4]王秀平，牟傳龍，肖朝暉，等.湖北鶴峰地區(qū)二疊系大隆組頁巖氣儲層特征及評價[J].海相油氣地質(zhì)，2019，24（1）：51-62.

[5]孟召平，劉翠麗，紀(jì)懿明.煤層氣/頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其對比分析[J]. 煤炭學(xué)報， 2013， 38（5）： 728?736.

[6]琚宜文，卜紅玲，王國昌. 頁巖氣儲層主要特征及其對儲層改造的影響[J]. 地球科學(xué)進展， 2014， 29（4）：492?506.

[7]程涌，陳國棟，尹瓊，等.中國頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀及北美頁巖氣的啟示[J].昆明冶金高等專科學(xué)校學(xué)報，2017，33（01）：16-24.

[8]于冬冬，湯良杰，余一欣，等.川西和川東北地區(qū)差異構(gòu)造演化及其對陸相層系天然氣成藏的影響[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2016，30（05）：1085-1095.

[9]金曉波.南川區(qū)塊斷層精細解釋研究[J].油氣藏評價與開發(fā)，2018，8（04）：6-10.

[10]潘濤， 朱雷， 王亞東， 等. 川南地區(qū)龍馬溪組有機質(zhì)特征及其對頁巖氣富集規(guī)律影響研究[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報， 2016， 22 （02）： 344-349.

[11]周寶剛，李賢慶，張吉振，等.川南地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)特征及其對頁巖含氣量的影響[J].中國煤炭地質(zhì)，2014，26（10）：27-32.

[12]李笑天. 頁巖氣富集條件分析及有利目標(biāo)預(yù)測[D]. 長江大學(xué)， 2018.

[13]解德錄. 川東南五峰組下段頁巖儲層觸及空間特征發(fā)育關(guān)鍵控因——以綦江和涪陵為例[D]. 徐州： 中國礦業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2016.

[14]Fertle H. Total organic carbon content determined from well logs[R]. SPE Formation Evaluation?15612， 1988： 407-419.

[15]Passcey Q R， Moretti F U， Stroud J D. A practical model for organic richness from porosity and resistivity logs[J]. AAPU Bulletion，1990，74（12）：1777-1794.

[16]Schmoker J W， Hester T C. Organic carbon in Bakken Format-ion， United States portion of Williston Basin[J]. AAPU Bulletion， 1983， 67（12）： 2165-2174.

[17]李澈， 李雨澈， 郭佳. 地球物理技術(shù)在頁巖儲層脆性評價中的應(yīng)用[J]. 當(dāng)代化工， 2014， 43（05）：732-735.

[18]汪忠浩， 陳嗣， 李厚霖， 等. 泥頁巖氣層脆性特征的地球物理測井研究方法[J]. 工程地球物理學(xué)報， 2016， 13（01）：7-13.