基于游離氣為核心的頁巖氣層類型劃分方法
——以川南地區下志留統龍馬溪組海相頁巖氣層為例

石 強 蔣春碧 陳 鵬 陳云天 王秀芹 劉鳳新

1.中國石油勘探開發研究院 2.鵬城實驗室

0 引言

影響非常規頁巖氣藏開發評價結果的因素眾多，礦物組成、總有機碳含量（TOC）、含氣量、干酪根類型、孔隙結構、孔隙度、熱演化成熟度、滲透率等都有可能成為影響其開采價值的重要參數[1]，使得頁巖氣層類型劃分較常規氣層更加困難。國內外學者對頁巖氣層類型劃分進行了長期、多方位的研究，形成了以TOC 為核心的地球化學參數與儲層參數相結合的頁巖氣層評價體系。例如：2005 年，Wang 等[2]總結了一套篩選北美頁巖氣的標準；2016年，鄒才能等[3]總結了四川盆地上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層主要特征與“經濟甜點區”關鍵參數并建立了海相頁巖氣“經濟甜點區”評選條件與分類指標。也有學者分別從頁巖氣的成因[4]、儲層巖性[5]、壓力[6]將劃分頁巖氣儲層的參數總結為地質參數（TOC、孔隙度、脆性礦物等）[7]和巖石物理參數（自然伽馬、密度、聲波時差等）[8]進行頁巖氣儲層分類，形成了多種分類方法及標準。

中國石油天然氣集團有限公司2015 年頒布了企業標準《頁巖氣測井評價技術規范：Q/SY 1847—2015》[9]，基于TOC、孔隙度、含氣量和脆性礦物含量將我國的頁巖氣劃分成3 類。該評判標準在我國頁巖氣勘探開發過程中發揮了積極作用。但是，隨著頁巖氣勘探開發的不斷深入，現有標準所存在的局限性也不斷顯現，頁巖氣層產能與儲層劃分結果出現了較大偏差。為了更好地支持頁巖氣勘探開發，筆者以川南地區龍馬溪組為例，通過分析大量的實驗數據，基于頁巖氣儲層評價指標對比，探討原有評價標準與評價結果之間存在矛盾的原因，結合生產動態資料開展更具針對性的頁巖氣類型劃分標準研究，建立了以游離氣為核心參數的新頁巖氣層類型劃分方法及標準，以期有效區分頁巖儲層含氣性，分層次、分階段優選水平井目標靶區，實現頁巖氣的效益開發。

1 問題的提出

2009 年，我國開始在四川盆地開展大規模頁巖氣勘探開發實踐，在四川盆地南部龍馬溪組龍一1 亞段發現了一套厚度介于30 ～50 m、TOC ＞2%的黑（褐）色頁巖氣“甜點”段，成為目前川南地區海相頁巖氣勘探的主要目的層段。該段頁巖無論在巖石成分還是沉積特征上都有著較大的差異[10-12]，根據測井響應及巖性特征變化，可將其細劃分為6 個測井分層（小層）。以威遠地區W202 井為例，具體劃分結果如表1、圖1 所示。

表1 W202 井測井標志層（小層）劃分表

根據巖石礦物成分、TOC、孔隙度、含氣量等的實驗分析結果（表2），依據《頁巖氣測井評價技術規范：Q/SY 1847—2015》[9]的劃分標準（表3），其中1 號、2 號、5 號、6 號層評價均為Ⅰ類儲層；3 號、4 號層多項指標也達到了Ⅰ類儲層標準，但TOC ＜3%，劃分為Ⅱ類儲層（圖1）。

然而，近5 年的開發實踐表明，威遠地區只有5號層為高產層，而其他小層均為低產層，6 個小層的產能與儲層劃分結果出現了較大偏差。

以2015 年已投產的W202H2 平臺為例，該平臺6 口水平井分別鉆探了6 個不同小層，其中W202H2-1 井、W202H2-6 井鉆遇地層主要為1 號層，W202H2-2 井鉆遇地層主要為3 號層，W202H2-4 井鉆遇地層主要為5 號層，W202H2-3 井由3 號層鉆至1 號層，W202H2-5 井則由3 號層鉆至5 號層[13]。

6 口井Ⅰ類儲層鉆遇結果如表4 所示，其中W202H2-1 井、W202H2-6 井Ⅰ類儲層鉆遇率最高，超過80%，鉆遇長度均超過1 000 m；W202H2-3井、W202H2-4 井Ⅰ類儲層鉆遇率介于60% ～ 71%，鉆遇長度介于796 ～1 134 m；W202H2-2 井、W202H2-5 井Ⅰ類儲層鉆遇率均小于30%，鉆遇長度約400 m。據此評價結果，W202H2-1 井、W202H2-6井應為該平臺的高產井。但是，測試結果及開采結果與儲層劃分結果卻存在巨大的矛盾。從表4 中可見無論測試日產氣量還是3 年累計產氣量，W202H2-1井、W202H2-6 井都是低產井，而W202H2-4 井、W202H2-5 井則是該平臺的高產井。Ⅰ類儲層鉆遇長度接近的高產井W202H2-4 井與低產井W202H2-6 井比較，其測試日產氣量相差4.5 倍，累計產氣量相差約3.5 倍。經研究該平臺6 口井工藝改造沒有很大差別，產氣量差異主要來自于地質因素，這一結論也被后期開發過程中的其他平臺（井）所證實。因此，為了更好地支撐頁巖氣勘探開發，有必要開展更具針對性的頁巖氣類型劃分標準研究。

圖1 W202 井頁巖巖性變化圖

2 游離氣核心參數及評價方法

2.1 評價結果矛盾原因

2.1.1 評價指標對比

對比威遠地區產能與原儲層劃分矛盾最大的1號層和5 號層，可以發現5 號層無論是TOC、巖性、物性方面都遠優于1 號層，但含氣量實驗結果卻相差不大。

1）TOC：5 號層TOC 介于3.63%～7.02%，平均值為5.30%，1 號層TOC 介于1.99%～5.60%，平均值為3.20%，5 號層平均高于1 號小層2.10%（表2）。

2）脆性礦物含量：元素分析實驗結果表明，5 號層脆性礦物含量介于72.1%～85.8%，平均值為77.8%，石英含量介于59.8% ～80.9%，平均值為68.7%；1 號層脆性礦物含量介于49.6%～57.2%，平均值為54.4%，其中石英含量介于26.7%～51.1%，平均值為42.9%（表2）。基于礦物含量，5 號層可命名為硅質頁巖，1 號層為含鈣、含砂質泥質頁巖。

表2 W202 井不同小層實驗分析綜合統計表

表3 頁巖氣層劃分級別及評價標準表

表4 W202H2 平臺原標準Ⅰ類儲層與產氣量統計表

3）孔隙度及孔隙類型：5 號層物性參數要優于1 號層，5 號層孔隙度介于4.8%～9.6%，平均值為7.4%；1 號層孔隙度介于2.5%～8.4%，平均值為5.7%，孔隙度比5 號層低1.7%。掃描電鏡成果顯示，1 號層儲層無論無機孔還是有機孔均不發育，且孔隙半徑較小，有機孔半徑介于30 ～60 nm，無機孔半徑介于30 ～100 nm（圖2-a、b）；5 號層無機孔發育，有機孔相對不發育，有機孔半徑介于80 ～280 nm，無機孔半徑介于100 ～560 nm，無論有機孔還是無機孔，孔隙半徑均大于1 號層（圖2-c、d）。

圖2 W202 井孔隙結構SEM 掃描電鏡照片

4）含氣量：解析法含氣量檢測結果表明，5號層與1 號層之間差異很小。1 號層總含氣量介于2.95 ～6.14 m3/t，平均值為4.12 m3/t，其中解吸氣量介于0.72 ～0.87 m3/t，平均值為0.76 m3/t，損失氣含量介于1.49 ～4.49 m3/t，平均值為2.58 m3/t，殘余氣含量介于0.67 ～0.69 m3/t，平均值0.68 m3/t；5號層總含氣量為4.94 m3/t，其中解吸氣量為0.75 m3/t，損失氣含量為3.38 m3/t，殘余氣含量為0.83 m3/t（表2）。5 號層的總含氣量為1 號層的1.2 倍。

二者在含氣量上的差別不僅與其他指標性參數不相吻合，更與3.5 ～4.5 倍的產氣量差異相差甚遠。因此，威遠地區頁巖氣儲層不能有效區分或高產層無法有效界定之根源在于含氣量指標沒能發揮其應有作用。

2.1.2 含氣量實驗測量誤差分析

頁巖氣賦存方式分為3 種：以游離態存儲于天然裂縫和孔隙中、以吸附態吸附在有機物質和黏土表面、還有少量氣體溶解于干酪根和瀝青中[14-15]。 由于溶解氣量很小，頁巖氣含氣量大小主要由吸附氣量和游離氣量決定，吸附氣量占總氣量的20%～80%[16-18]，同樣，游離氣量也可達到總含氣量的20%～80%。

目前，含氣量的確定方法大致分為直接法和間接法兩類。

直接法即解吸法，是指通過測定現場鉆井巖心或有代表性巖屑的解吸獲取實際含氣量。間接法則是通過等溫吸附實驗模擬以及測井解釋等方法獲取含氣量結果。

解吸法測得的頁巖氣含量等于損失氣含量、實測的自然解吸氣含量和殘余氣含量之和[19]。自然解吸氣含量是將巖心從取心筒取出裝入解吸罐密封，放入地層溫度條件的恒溫水浴中自然解吸出的含氣量。殘余氣量是終止解吸后仍留在樣品中的那部分氣體含量。自然解吸結束后，將樣品搗碎裝入球磨罐密封，在球磨機上進行破碎，測得的含氣量為殘余氣含量。損失氣量是取心完成后上提至地表，直至裝入解吸罐之前所釋放出的氣量。

自然解吸氣含量和殘余氣量可以通過實驗方法精確獲得，而損失氣量無法通過實驗直接測量，只能通過氣體損失時間和實測解吸氣量的變化速率進行理論推算[20]。

由于不確定因素很多，不同地區、不同類型頁巖氣層損失氣量完全不同，且很難準確計算。同時損失氣量主要是游離氣，儲層物性越好，游離氣含量越高，散失氣量則越大。因此，解吸法不能得到準確的游離氣含量。

等溫吸附法是通過頁巖樣品的等溫吸附實驗來模擬樣品的吸附過程，從而計算頁巖的吸附氣含氣量，也無法獲得準確的游離氣含量。

2.2 頁巖氣含量測井評價方法

相對于實驗室測量方法，測井評價方法在表征頁巖氣含量特別是游離氣含量方面具有獨特的優勢。測井資料是真實地層條件下地質參數的地球物理響應，測井過程中保持了原始地層的溫壓場，基本沒有吸附氣的解吸與和游離氣的散失，代表了原狀地層條件下各種類型頁巖氣含量的原始狀態。

2.2.1 頁巖氣電阻率測井響應機理

測井解釋作為一種間接的評價方法，需要有與之相適應的響應機理作基礎。為此，筆者在測井資料評價之前首先開展了機理實驗。大量的巖電實驗結果表明：①頁巖巖石導電與常規儲層一樣仍遵循孔隙流體導電機理，即隨孔隙度增加，電阻率逐漸降低的規律（圖3-a），孔隙之中游離氣含量變化直接影響電阻率的大小。②孤立的有機質對巖石導電性貢獻很小，電阻率測井基本不反映吸附氣含量變化。通常情況下，巖石中TOC 高，巖石電阻率應隨之增大，但圖3-b 中飽和水頁巖電阻率與TOC 之間卻顯示出負相關現象，與一般導電規律相違背。從圖3-c 中可知，研究區TOC 與孔隙度之間存在強正相關性，因此，電阻率與TOC 間的假象本質上仍然反映的是孔隙度與電阻率的負相關關系。

圖3 電阻率、孔隙度、TOC 關系圖

2.2.2 頁巖氣賦存方式測井判識

基于上述測井響應機理，頁巖氣賦存方式可以通過飽和水巖石電阻率實驗測量與實際測井資料對比獲得。

飽和水巖石電阻率是巖石完全不含氣狀態下的實驗測量電阻率值（Roc），代表了地層完全含水情況下的電阻率，基本沒有氣的影響，而測井得到的電阻率是當前真實地層狀態的電阻率，將二者進行比較即可得到含氣性信息。如果測井電阻率值與飽和水巖石電阻率相等或接近，代表地層當中基本沒有游離氣的存在，當測井電阻率高于飽和水巖石電阻率時，表明地層有游離氣的存在，且差值與含氣飽和度正相關。

表5 展示了W202 井巖電實驗與電阻率測井對比結果。其中1 號層真實地層電阻率（Rt）與飽含水狀態電阻率（Ro）非常接近，二者比值介于1.2 ～2.6。5 號層真實地層電阻率遠大于飽和水狀態電阻率，二者比值介于4.2 ～6.4。由此表明1 號層游離氣含量較低，頁巖氣主要以吸附氣為主，5 號層游離氣含量較高，頁巖氣以游離氣為主。

表5 W202 井巖電實驗測量電阻率與測井電阻率對比表

2.2.3 游離氣測井定量評價

地層含水飽和度一般采用斯倫貝謝公司修改過的西門度公式計算，即式（1）計算，游離氣飽和度即地層含氣飽和度（Sg）可以通過公式Sg＝1-Sw轉換。

式中Rt表示地層電阻率，Ω·m；Rsh表示純泥巖電阻率，Ω·m；Rw表示地層水電阻率，Ω·m；Vsh表示泥質含量；evcl 表示泥質指數；Sw表示含水飽和度；a 表示巖性系數；m 表示膠結指數；n 表示飽和度指數；φ 表示孔隙度。

根據測井解釋結果（圖4），W202 井縱向上游離氣飽和度變化明顯，其中：5 號、6 號層游離氣飽和度為最高值，介于70%～92%，平均值為90%；1號層游離氣飽和度呈中高值特征，介于40%～60%，平均值為50%；3 號層游離氣飽和度呈中低值特征，介于30%～40%，平均值為38%；2 號、4 號小層游離氣飽和度呈低值特征，基本低于10%。

游離氣含量可以通過式（2）[19]計算。為了防止溫度、壓力參數取值產生誤差，可利用兩小層相對量比較。由于二者在深度上只相差10 m 左右，溫壓場基本相同，其游離氣含量的比值（相對量）實際上由含氣飽和度（Sg）、孔隙度（φ）、巖石密度（ρ巖）控制。計算結果表明，5 號層游離氣含量為1 號層的3.6 倍。

式中G游離表示游離氣含氣量，m3/t；m巖為巖石質量，t；p1表示井口壓力，MPa；p2表示井下壓力，MPa；T1表示地面溫度，K；T2表示井下溫度，K；ρ巖表示巖石密度，g/cm3。

綜上所述，5 號層含氣性最佳，不僅含氣量為全井段最高，頁巖氣賦存方式以游離氣為主，而且其游離氣含量遠高于其他層段，這與研究區頁巖氣產量完全相符合。

圖4 W202 井測井評價圖

3 以游離氣為核心的頁巖氣層類型劃分方案及標準

根據以上對威遠地區頁巖氣特征分析，筆者將巖性、物性、含氣性（包括頁巖氣賦存方式）綜合考慮，建立以游離氣含量為核心的頁巖氣類型劃分標準，以更加適合實際生產需求。

根據TOC、吸附氣含量、脆性礦物含量、孔隙度、游離氣含量（為便于使用，游離氣含量以測井計算含氣飽和度代替），將威遠地區龍馬溪組頁巖地層分為3 大類：游離型、過渡型以及吸附型（表6）。

游離型頁巖氣層主要指標參數要求巖性為脆性礦物（石英、長石、云母）含量大于80%的硅質頁巖，頁巖氣以游離氣為主，游離氣飽和度大于50%，對于TOC、吸附氣量不做要求，并且測井計算孔隙度大于8%。在此基礎上，還可根據游離氣飽和度及孔隙度變化將其細分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類。

過渡型頁巖氣層主要指標參數要求巖性為脆性礦物（石英、長石、云母）含量介于50%～80%的含砂質泥質頁巖，游離氣飽和度介于30%～50%，頁巖氣類型為游離氣與吸附氣共存。根據TOC、吸附氣含量以及游離氣飽和度及孔隙度變化，過渡型頁巖氣也可以細分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類。

表6 頁巖氣層類型劃分標準表

吸附型頁巖氣層主要指標參數要求巖性為脆性礦物（石英、長石、云母）含量小于50%的泥質頁巖，頁巖氣主要以吸附氣為主，游離氣飽和度低于30%。根據TOC、吸附氣含量變化，吸附頁巖氣層同樣可以細分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，此類頁巖氣層基本與Q/SY 1847—2015 原標準保持一致。

根據此標準，威遠地區W202 井龍一11中下部（5 號層）的脆性礦物高達80%，含氣飽和度為90%，測井計算孔隙度大于10%，劃分為游離型頁巖氣層；龍一11上部（4 號層）的脆性礦物小于50%，含氣（3 號層）以及龍一14下部（1 號層）脆性礦物大于飽和度小于30%，劃分為吸附型頁巖氣層；龍一1250%，含氣飽和度介于40%～50%，TOC ＞2%，劃分為過渡性頁巖氣；龍一13下部（2 號層）脆性礦物小于10%，含氣飽和度小于10%，TOC ＞2%，劃分為吸附型頁巖氣層。

游離型頁巖氣層以游離氣為主，在生產過程中初始產氣量較高，然后快速遞減；過渡型頁巖氣層以游離氣、吸附氣共存，初始產氣量低，遞減速度慢；吸附型頁巖氣層以吸附氣為主，初始產氣量低，產氣量遞減緩慢。

圖5 W202H2 平臺生產曲線圖

W202H2 平臺6 口井生產曲線（圖5）顯示W202H2-4 井、W202H2-5 井具有20×104～30×104m3/d 的初產氣量，但開發初期具有很快的遞減速率。在不到1 年半的時間內（W202H2-4 井生產515 天，W202H2-5 井生產436 天），其日產氣量從開發初期20×104m3快速下降至4×104m3。然而，在此快速遞減期內，其階段累計產氣量超過總產氣量的75%。根據國外頁巖氣開發經驗，此類頁巖氣為典型的游離型頁巖氣層。W202H2-6 井生產曲線表明，該井具有短暫的快速遞減期，日產氣量在150 天的生產時間內由原來的7×104m3遞減到4×104m3，階段累計產氣量占總產氣量的32%，貢獻率較小，表現出過渡型頁巖氣特征。而其他井基本上以低產緩慢遞減為主，沒有快速遞減期，為吸附型頁巖氣層。

需要注意的是，吸附氣、游離氣是頁巖氣的兩種主要賦存方式，必然同時存在于頁巖氣層之中，任何頁巖氣層不可能完全是游離氣，也不可能完全是吸附氣，只有兩種類型頁巖氣富集程度上的差異。基于游離氣為核心的頁巖氣層類型劃分不是將其完全割裂成3 種類型，而是將游離氣富集程度作為主要指標進行的分類。

這種分類對于頁巖氣效益開發具有一定指導意義。游離型頁巖氣層初產氣量高，見效快，是威遠頁巖氣開發的首選目標，隨著工藝改造技術不斷進步，混合型頁巖氣層也將是效益開發的可選目標，而對于純吸附型頁巖氣層而言，除非工藝改造有革命性突破，否則很難進行效益開發。

4 生產應用及效果

上述頁巖氣層類型劃分標準，在威遠地區頁巖氣開發過程中已得到了廣泛應用并取得了很好的結果。

勘探開發初期，威遠地區頁巖氣“甜點”段定義為龍一1 亞段厚度介于30 ～50 m 的頁巖段，水平井靶體范圍大，單井產氣量變化大，2017 年底單井最高日測試產氣量30.1×104m3，平均值為16.6×104m3，自2018 年開始，威遠頁巖氣開發重點完全轉移到最優的游離型Ⅰ類頁巖氣層，水平井箱體靶區全部界定在龍一11層的5 號、6 號層之中，當年就取得了顯著的成果。

實踐證明，威遠頁巖氣水平井段5 號、6 號層鉆遇率大于80%的井均獲得了高產；2019 年威遠地區首獲一批測試日產氣量大于50×104m3的高產井，并在W202H15-5 井獲得威遠地區最高日產氣量71.22×104m3；2019 年威遠地區井均測試產氣量較2018 年上半年翻一番，井均估算最終可采儲量增加2.1 倍，從根本上確保了威遠地區頁巖氣開發方案的順利實施。

5 結論

1）根據地區特點，筆者以游離氣含量為核心指標建立了新的頁巖氣層類型劃分標準，將頁巖氣層其劃分為游離型、過渡型以及吸附型3 種類型，該標準應用于生產實踐中取得了明顯實效。

2）頁巖氣層類型復雜多樣，進行精細的頁巖氣層類型劃分，能夠有效地區分不同頁巖氣層類型，從而對不同類型頁巖氣層進行針對性開發。

3）威遠地區龍馬溪組頁巖氣存在著游離型、吸附型以及過渡型等多種氣層類型，尋找以游離型為主的優質頁巖氣儲層是獲得高產的前提條件。

4）過渡型頁巖氣層是威遠地區另一潛在有利目的層段，它具有厚度大，分布范圍廣等特點，盡管目前工藝條件下其產量偏低，但隨著工藝改造的進步，必將會有新的突破。