四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣優質儲層發育模式及識別評價技術

董大忠 梁 峰 管全中 蔣裕強 周尚文于榮澤 谷一凡 張素榮 漆 麟 劉 延

1.中國石油勘探開發研究院 2.國家能源頁巖氣研發（實驗）中心 3.成都理工大學 4.西南石油大學5.中國石油川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發研究院

1 概況

任何油氣藏（田）的開發前景主要由兩個關鍵因素決定：一是儲集（層）體規模，控制油氣資源大小，決定油氣開發前景；二是油氣滲流通道，控制開采速度，決定開發方式。優質儲層在油氣勘探開發中的地位舉足輕重，相對于常規油氣，頁巖氣儲層對頁巖氣開發潛力評估更為重要。四川盆地五峰組—龍馬溪組是我國海相頁巖氣勘探開發的主要層系，目前川南地區設有威遠—長寧、昭通國家級頁巖氣示范區[1-2]、川東地區設有涪陵國家級頁巖氣示范區[3]。同時，川南地區還有瀘州、渝西、太陽—大寨、威榮、永川等頁巖氣開發區，川東地區也有南川、武隆、彭水、丁山等頁巖氣生產區[4-5]。至2021年底，四川盆地已在五峰組—龍馬溪組發現7個頁巖氣田（圖1）[6-7]，累計探明頁巖氣地質儲量2.74×1012m3。2021年頁巖氣產量約230×108m3，占我國天然氣總產量（2 051×108m3）的11%。示范區建設與研究成果表明[8-10]，五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣快速突破和高效發展有賴于優質儲層發育，五峰組—龍馬溪組絕大多數頁巖氣儲量和產量來源于優質儲層中。現有研究對頁巖氣優質儲層提出了多種成因認識[11-12]，其中主力儲層為五峰組—龍一1亞段，優質儲層厚度25～90 m，孔隙類型包括有機質孔、無機礦物質孔和微裂縫（含紋/層理縫）等。有機質孔隙是頁巖氣儲層的重要儲集空間，生物成因硅質、鈣質對頁巖有機質（TOC）含量和頁巖氣儲層發育具有重要控制作用。當然，并非所有頁巖都可成為優質儲層。頁巖氣儲層非均質性極強，優質儲層預測和評價難度很大，尤其是預測規模性優質儲層的分布難度更大。頁巖氣儲層規模化、優質化發育的控制因素仍有待進一步深化研究。本文以四川盆地海相頁巖氣示范區實踐為基礎，綜合五峰組—龍馬溪組頁巖巖石學、礦物學、地球化學等研究成果，進一步明確五峰組—龍馬溪組頁巖氣優質儲層內涵、主要特征，探討優質儲層的發育模式，提出優質儲層識別評價核心技術，以期為頁巖氣“甜點”有效預測和科學評價提供依據，對提高我國頁巖氣勘探開發水平、實現頁巖氣科學和高效開發具有重要意義。

圖1 四川盆地五峰組—龍馬溪組優質頁巖厚度與頁巖氣田分布圖

2 頁巖氣優質儲層內涵與關鍵評價指標

2.1 頁巖氣優質儲層內涵

巖石中有機質含量海相的大于2%、其他類型的大于1%的暗色頁巖被稱為富有機質頁巖[13]。富有機質頁巖是頁巖氣的儲集巖，依行業規范屬典型超低孔滲儲層[14]，孔隙度小于10%、滲透率小于0.001 mD。實踐揭示頁巖氣儲層在整體超低孔滲背景下不乏富集高產“甜點”的優質儲層，海相頁巖儲層劃分標準詳見表1。五峰組—龍馬溪組頁巖氣優質儲層已做過大量研究，包括基本特征、形成條件、成因機理、主控因素等，優質儲層厚度不僅控制水平井靶體位置也控制頁巖氣井的產量。因此，準確界定頁巖氣優質儲層、明確優質儲層內涵對頁巖氣高效開發至關重要。隨著國家頁巖氣示范區建設的深入，發現頁巖氣優質儲層具有厚度大、巖性組合好、TOC高、孔隙類型好（包括有機孔占比高、大孔占比高、紋/層理微裂縫發育）、孔隙度高（包括裂縫孔隙度）、含氣量高、脆性礦物含量高等特征[13,15-16]。本文將頁巖氣優質儲層界定為TOC大于3.0%、孔隙度大于3.0%、含氣量大于3.0 m3/t、脆性礦物含量大于45%、有機質孔隙占比大于20%、介孔+宏孔體積占比大于25%、滲透率大于0.001 mD的頁巖儲層（表1），而優質儲層段的優質儲層是頁巖氣儲、產量增長和長期穩定發展的基石。

表1 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層分級指標標準表[13,15-16]

2.2 頁巖氣優質儲層關鍵評價指標

四川盆地頁巖氣示范區證實，五峰組—龍馬溪組龍一1亞段是頁巖氣優質儲層集中發育段（圖2）。該層段頁巖儲層總厚度20 ～ 80 m，TOC2.0% ～ 8.0%，平均5.3%，Ⅰ型有機質為主，Ro為2.5% ～ 3.5%，發育大量微—納米級孔隙，孔徑10～400 nm，喉道半徑10～30 nm，孔隙度4% ～ 8%，滲透率10-9～ 10-3D，壓力系數1.2 ～ 2.4，脆性礦物含量45% ～ 80%，其中硅質礦物含量超過40%。Ⅰ—Ⅱ類儲層為優質儲層，其中五峰組以Ⅱ—Ⅲ類儲層為主，龍一11—3小層以Ⅰ類和Ⅱ類儲層為主，龍一14小層以Ⅱ—Ⅲ類儲層為主，部分地區發育Ⅰ類儲層，龍一2亞段整體為Ⅳ類儲層。

圖2 威遠—瀘州—長寧五峰組—龍一1亞段頁巖氣層連井剖面圖（據西南油氣田公司內部資料，2020年）

表2對四川盆地頁巖氣田五峰組—龍一1亞段儲層參數做了系統統計[1-6,18]。五峰組—龍馬溪組頁巖儲層整體為半深水—深水陸棚相沉積，高富有機質、高富硅鈣質，優質儲層厚度15 ～ 25 m，長寧—瀘州地區厚度大，達20 ～ 25 m，威遠地區儲層厚度10 m左右。橫向上不同地區優質儲層發育段、厚度不同（圖1、2）。研究認為長寧、涪陵頁巖氣田儲層主要形成于五峰期—龍馬溪組早期（五峰期—魯丹期），優質儲層厚度大、分布穩定。威遠頁巖氣田儲層主要形成于魯丹期，優質儲層受古地貌影響坳陷區厚度大、斜坡區和陸棚邊緣區的厚度較小。龍馬溪組晚期富有機質頁巖主要沉積于川東北地區和威遠地區，川南瀘州一帶亦發育富有機質頁巖，部分層段達到了優質儲層標準（圖2上部的Ⅰ＋Ⅱ類儲層）。從沉積環境看，深水陸棚相區富有機質頁巖厚度大，如陽101井區優質儲層厚度70 ～ 80 m；深水陸棚邊緣相區優質儲層發育差、厚度小，如威201井富有機質頁巖厚度僅13 m、足201井富有機質頁巖厚度25 m。

表2 四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣田儲層參數統計表[1-6,17]

3 優質儲層發育模式及特征

3.1 五峰組—龍馬溪組頁巖氣優質儲層主要特征

五峰組—龍馬溪組沉積期揚子地臺整體為半深水—深水陸棚相沉積環境，富有機質頁巖發育、連續穩定分布，大型坳陷區的廣泛分布為縱向構成多層段、平面疊置大面積頁巖氣富集“甜點區/段”提供了雄厚的物質保障。研究認為五峰組—龍馬溪組頁巖氣優質儲層具以下主要特征。

3.1.1 富有機質頁巖沉積環境與展布特征

半深水—深水陸棚沉積環境有利于大面積、大厚度富有機質頁巖集聚保存。寒武紀—奧陶紀全球海平面以持續上升為主，至晚奧陶世凱迪期海平面大幅高出寒武紀初期。海平面的上升使奧陶紀形成了生物多樣性大繁榮，即“奧陶紀生物大輻射”[19]，其中筆石最繁盛，發育了五峰組富筆石頁巖段。奧陶紀末的冰期發生“奧陶紀—志留紀生物滅絕事件”（距今約4.45 Ma），據華南板塊區的研究，當期該地區18個筆石屬種11個滅絕，占比61%。志留紀初（距今4.43 Ma），全球再次轉暖、海平面重新上升，產生新一輪筆石等生物大繁盛。造成的沉積環境演化上，五峰組時期，四川盆地沉積水體水面遼闊、向北開口、深水缺氧陸棚環境為主。五峰組晚期海平面下降，海水溫度逐漸降低，以筆石為代表的生物大量滅絕。龍馬溪組早期再次出現大面積、高缺氧、深水陸棚沉積環境，同時形成大面積富筆石富有機質黑色頁巖沉積。受廣西運動影響，不同地區富筆石富有機質黑色頁巖沉積出現時序各不同，靠近盆地南側黔中古陸附近沉積出現時序最早，向北及向東沉積出現時序變新。

陳旭等將五峰組—龍馬溪組筆石生物劃分為13個帶[20-21]，其中五峰組4個筆石帶（自下而上WF1—WF4）、龍馬溪組9個筆石帶（自下而上LM1—LM9）。WF2—WF3、LM1—LM4 共 6 個筆石帶為頁巖氣優質儲層的主要發育層段。五峰組—龍馬溪組頁巖氣富有機質頁巖儲層連續厚度20～80 m，分布面積約8×104km2，其中川南地區厚度20 ～ 80 m、面積約（2 ～3）×104km2，威遠頁巖氣田25 ～ 45 m，長寧頁巖氣田40 ～ 55 m，昭通頁巖氣田32 ～ 46 m。川東—川東北地區厚度20 ～ 80 m，面積約(4～6)×104km2，涪陵頁巖氣田厚度40 ～80 m。

3.1.2 頁巖氣優質儲層巖相特征

頁巖氣賦存富集在富有機質頁巖中，頁巖巖石類型、巖相類型精細劃分是確定優質儲層的基礎[6,22-23]。根據巖心觀察、薄片鑒定、X射線衍射礦物組成測試等，五峰組—龍一1亞段頁巖主要由石英、長石、方解石、白云石、黏土礦物、黃鐵礦、菱鐵礦、有機質等組成，其中石英等硅質礦物、伊利石等黏土礦物、方解石等碳酸鹽礦物和有機質具代表特征。據統計，硅質礦物含量30.0% ～ 80.0%，平均50.0%；黏土礦物含量5.0% ～ 40.0%，平均25.0%；碳酸鹽礦物含量2.0% ～ 20.0%，均值15.0%；有機質含量為1.0% ～ 10.0%，平均3.5%。縱向上，硅質、碳酸鹽礦物（統稱脆性礦物）總含量從底部上頂部逐漸減少，與黏土礦物含量具反向對稱變化趨勢。五峰組—龍馬溪組頁巖巖石類型主要包括硅質頁巖、鈣質硅質頁巖、鈣質頁巖、黏土質硅質頁巖、黏土質鈣質頁巖、黏土質頁巖、灰質頁巖和含介殼灰質頁巖等，優質儲層巖石類型以硅質頁巖、鈣質頁巖和鈣質硅質混合質頁巖為主。巖相及其組合是一定沉積環境下形成的巖石或巖石組合，是溝通宏觀沉積環境和微觀巖石組構的橋梁。頁巖巖相的科學劃分有助于頁巖氣儲層精細評價和“甜點”準確預測。本文采用硅質礦物、碳酸鹽礦物、黏土礦物“三礦物”法 +TOC構成“四維”頁巖巖相分類方案，將示范區五峰組—龍一1亞段頁巖巖相劃分為硅質頁巖相、鈣質頁巖相、黏土質頁巖相及混合質頁巖相等4種頁巖巖相，同時又根據不同的TOC，劃分出4個不同的等級（圖3）。不同巖相頁巖儲層性質不同，其中硅質、鈣質頁巖相富有機質，TOC高，黏土質頁巖相貧有機質，TOC低。五峰組—龍一11小層以富生物硅質、鈣質頁巖相為主，具TOC高、孔隙度高、有機孔占比高、脆性礦物含量高、含氣量高、黏土礦物含量低的“五高一低”優質儲層特征。川南地區五峰組石英含量普遍大于50%、黏土礦物含量小于35%，碳酸鹽含量大于10%，如威遠、昭通地區碳酸鹽礦物含量大于25%，且沿北東至南西方向逐漸增加（圖3-a）。而龍馬溪組底部優質儲層石英含量由北東向南西逐漸降低，不同地區礦物組成差異程度低于五峰組。川東地區石英含量普遍大于40%，川南地區的威遠、昭通地區受川中古陸與黔中古陸影響較大，碳酸鹽含量較高普遍大于20%，石英含量普遍大于35%（圖3-b）。五峰組在川南地區發育鈣質、硅質和混合質頁巖，在川東—川北地區發育硅質頁巖（圖3-c），五峰組在威遠地區有機質含量低，小于2%，長寧地區有機質含量高，一般大于5%龍馬溪組以硅質頁巖和混合質頁巖為主，龍一11小層以TOC大于5%的硅質頁巖為主，威遠和川東北地區頁巖硅質礦物含量高，長寧和瀘州地區硅質礦物含量降低，碳酸鹽礦物含量增多；龍一12小層以混合質頁巖為主，TOC介于3.0% ～ 5.0%，川東北地區硅質礦物含量較高；龍一13小層以混合質頁巖為主，TOC大于3.0%，川東北地區硅質礦物含量較高；龍一14小層川南地區以混合相頁巖為主，川東北地區以硅質頁巖為主，TOC介于2% ～ 3%（圖3）。總體而言，縱向上，龍一11小層TOC最高，以硅質頁巖為主，是最有利的巖相，橫向上，從川東北到川東南地區，鈣質礦物含量有增高的趨勢。

圖3 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖巖相類型特征圖

3.1.3 優質頁巖儲層含氣性與電性特征

五峰組—龍一1亞段富有機質頁巖層段含氣量高，一般大于2.0 m3/t，威遠頁巖氣田含氣量1.9 ～12.8 m3/t，長寧頁巖氣田含氣量2.4 ～ 13.5 m3/t，涪陵頁巖氣田含氣量1.3 ～10.3 m3/t，其中游離氣比例40%～80%。五峰組—龍一1亞段頁巖氣儲層分4個含氣段[14,24]，其中五峰組為低密度、低中子電性特征，龍一11—2小層為中—高密度、中—高中子電性特征，龍一13小層為高密度、高中子電性特征，龍一14小層為高密度、高中子電性特征。作為主要優質儲層段分布層位的龍一11—2小層在高壓力區具有高含氣量、高TOC、高脆性礦物含量、高孔隙度和高含氣飽和度等“五高”的特征，其含氣飽和度可達60% ～ 80%。

3.1.4 頁巖氣優質儲層主控因素

業已非常清楚地認識到頁巖氣儲層，尤其是優質儲層，受諸多因素控制[25-27]。隨著示范區頁巖氣儲層認識的不斷深入、定量表征方法的不斷完善，使頁巖儲層多因素定量評價技術日臻完善。筆者在單純的儲層地質特征評價基礎上，利用大數據技術中的主控因素分析法研究儲層關鍵地質參數與EUR關系，以進一步明確各參數的主要性[28]。主控因素分析目的是挖掘諸多頁巖儲層地質屬性與氣井產量的內在關系，根據變量間相關性大小對變量進行分組，各組內變量間相關性較高。主控因素分析法包括層次分析法、多元統計法、機器學習法等。頁巖氣井產能影響因素多，各因素間相互關系難以確定，產能主控因素評價難度大。與常規分析相比，大數據分析法可量化分析多因素對氣井產能的影響。以氣井EUR為評價目標函數，應用LightGBM特征排序機器學習算法，建立氣井產能影響因素模型，分析頁巖氣儲層參數對氣井產能影響關系。經相關性分析，量化評價中選擇7項儲層參數與EUR關聯（圖4），包括埋深、TOC、孔隙度、龍一11小層厚度、含氣飽和度、壓力系數、脆性礦物含量。通過大數據機器學習算法分析，結果表明儲層地質參數對EUR的影響程度由高到低分別為脆性礦物含量、壓力系數、含氣飽和度、龍一11小層厚度、孔隙度、TOC及垂深。從大數據的角度分析來看，EUR大小與控制儲量的參數（儲層壓力、厚度、孔隙度、含氣飽和度、TOC等）及控制儲量動用的參數（脆性礦物含量、垂深）密切相關，這也是提高EUR的主體方向，即調整井位到地質甜點厚度大的區域，優先動用最優儲量，或增大當前區域的壓裂施工參數以提高儲量動用程度。上述工作要考慮到剩余儲量的分布范圍及品質，同時亦要考慮到在鉆井和壓裂施工等過程中的經濟性問題。EUR大小是受多種因素共同影響的結果，不同區塊間由于儲層物性、地應力、裂縫發育等條件的不同會導致EUR的主控因素不同，具體控制因素復雜，本文未做詳述。

圖4 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣井EUR與儲層參數相關關系

3.2 頁巖氣優質儲層發育模式

與其他油氣優質儲層一樣，頁巖氣優質儲層是在有利沉積環境、適宜成巖—孔隙演化、優越構造改造保存等條件有機耦合下形成的。筆者結合示范區實踐成果及相關研究進展，將頁巖氣優質儲層歸納成沉積成儲、成巖成儲、構造改造成儲三大類發育模式，進一步揭示了頁巖氣優質儲層的形成演化過程。

3.2.1 沉積型優質儲層發育模式

鈾釷比（U/Th）是判斷沉積氧化還原條件的重要指標，示范區建設中應用該指標對五峰組—龍一1亞段頁巖儲層古沉積環境進行有效判識，發現等時沉積于赫南特階晚期—魯丹階早期（LM1—LM3）強還原環境（U/Th＞1.25）[16,22]的頁巖TOC普遍大于4.0%，為Ⅰ優質儲層，遠離川中、黔中古陸的瀘州—長寧地區水體更深、可容空間更大，優質儲層發育層段更多、厚度更大[6-10]（圖2、圖5），該層段的厚度對頁巖氣水平井產量具有直接影響，在威遠地區已經得到證實[22]。值得一提的是，該判識方法只適用于受構造活動影響較小的超壓地區，如川東北地區該層段具有較高有機質含量，沉積環境優越，但由于受到后期構造作用的影響，孔隙度和含氣量等參數明顯變差，儲層品質發生變化。由于赫南特階晚期—魯丹階早期（LM1—LM3）四川盆地物源供給較少，沉積速率整體較低（一般低于6 m/Ma），陸源碎屑、黏土礦物含量低，生物成因硅質鈣質含量高，Zr與SiO2表現為負相關關系[10,29-30]。此時期強還原環境和較慢沉積速率形成高TOC、高硅質的頁巖儲層，從厚度趨勢看，該頁巖層段分布主要受古地理格局控制，相對的坳陷區的沉積厚度更大，隆起區或靠近古陸的區域沉積厚度較小，沉積模式及厚度展布趨勢詳見圖6。

圖5 川南地區五峰組—龍一1亞段頁巖沉積環境與儲層特征對比剖面圖

圖6 四川盆地龍一1亞段LM1—LM3頁巖氣優質儲層沉積模式圖

3.2.2 成巖型優質儲層發育模式

優質儲層除沉積階段形成良好基礎外，適宜的成巖演化也可造就優質儲層[8,10]。從成巖演化角度，根據所處成巖演化階段不同總體分為3種儲層發育模式，包括同生—早成巖期剛性支撐模式、中—晚成巖期礦物—有機質轉化模式和超壓緩解壓實模式（圖7）。

圖7 四川盆地五峰組—龍一1亞段儲層成巖演化模式圖

3.2.2.1 同生—早成巖期剛性支撐模式

同生—早成巖階段機械壓實尚弱，早期自生黃鐵礦、生物石英和微生物白云石等剛性礦物呈微晶及微晶聚集體方式分布在陸源顆粒周緣或充填原始粒間孔，對頁巖原始孔隙的保持建設性與破壞性并存。剛性礦物顆粒的充填、膠結作用，雖使原始孔隙有降低，但形成的剛性格架能有效抑制后期的壓實作用，對頁巖原始孔隙尤其是原油裂解形成的有機質孔隙的保存具有重要建設性作用（圖7-a）。瀘州、焦石壩、彭水等深水陸棚沉積區五峰組—龍馬溪組底部頁巖（WF2—LM3）中碳酸鹽礦物含量低，在同生成巖階段和早成巖階段生物成因硅和黃鐵礦大量生成，其中生物成因硅含量最高達50%，呈微晶聚集體形式充填在陸緣碎屑硅中間，大量生物成因硅、部分草莓狀黃鐵礦與碎屑石英一起構成顆粒支撐格架，具較強的抗壓能力，成巖早期保存了大量原生孔隙，保證了充足的原油殘留量，為后期裂解原油中有機質孔隙的形成奠定了物質基礎，也為后期有機質孔的保存提供了有效的保護格架，避免其由于強烈壓實而塌陷失孔。

3.2.2.2 中—晚成巖期礦物—有機質轉化模式

中成巖早期有機酸的產生和消耗、不穩定礦物溶蝕、黏土礦物轉化和干酪根生烴等具有同步性，為液態烴的充注與滯留提供了充足空間（圖7-b）。長石、碳酸鹽等不穩定礦物溶蝕產生了次生孔隙，孔隙壓力的增加與次生孔縫的發育構成了有利的孔縫組合，也為液態烴的充注與滯留提供了有利空間。中—晚成巖階段，干酪根和滯留液態烴裂解生氣、成孔、增壓，促進了有機質孔與微裂縫的規模發育。

3.2.2.3 超壓緩解壓實模式

五峰組—龍馬溪組底部優質頁巖物性與含氣性統計發現，川東和川南地區硅質頁巖孔隙度最高，粉砂質頁巖物性總體較好，黏土質頁巖孔隙度最低，具有超壓、良好保存條件的地區，上部黏土質頁巖孔、滲好于下部，略具“上高下低”特征，利于上部黏土質頁巖天然氣短距離運移與富集，如焦石壩頁巖氣田上部氣層（圖7-c）。相反，盆緣至盆外常壓地區，頁巖物性表現為“上低下高”特征，下部硅質頁巖孔、滲高于上部黏土質頁巖。巖性及物性的這一特征一定程度反映黏土質頁巖的物性封閉作用。

3.2.3 構造改造型優質儲層發育模式

構造條件對頁巖優質儲層的發育有重要作用[31]。川南地區深層構造條件較長寧、威遠等地區復雜，發育低陡構造、平緩構造和中小斷裂，除斷裂附近外，不同構造區域儲層壓力較高，壓力系數2.0左右，頁巖氣井均獲得高產（表3），表明深層較高的壓力對頁巖儲層孔隙具有保護作用[17]，高儲層壓力易形成孔內支撐，耦合高強度硅質（石英為主）礦物構成剛性骨架支撐，在封閉成巖環境下有機酸長期對鈣質礦物溶蝕等作用，使頁巖儲層隨埋深增加孔隙度總體保持不變。同時，在構造改造作用下，深層寬緩向斜發育橫向拉張和層間滑移等多類型裂縫，裂縫密度向核部逐漸增大[18-19]，有效提升了儲層孔縫的連通性，增強了儲層儲集能力及氣井高產能力。當然也需要注意儲層裂縫發育引起的非均質性給水平井產量預測帶來的不確定性。對比不同壓力下頁巖儲層掃描電鏡和低溫N2吸附測試，發現優質儲層總孔體積的增大受有機質含量控制，有機質含量越高總孔體積越大。不同壓力系數區域有機質孔隙發育程度具明顯差異，壓力系數越高，有機質孔隙越發育（相同TOC含量具有更高的總孔體積）（圖8），構造保存是頁巖儲層超壓得以保存的關鍵。

表3 川南地區頁巖氣井壓力系數與測試產量統計表

圖8 四川盆地不同壓力系數區優質頁巖儲層有機質孔隙特征及發育主控因素對比圖

綜上所述，沉積、儲層超壓和構造是頁巖氣生成和孔隙發育的基礎，構造改造與保存控制頁巖氣能否最終賦存富集，頁巖氣優質儲層有多種成因模式。

4 優質儲層關鍵識別評價技術

優質頁巖儲層的識別對頁巖氣井的高產主控因素的分析至關重要，通過頁巖氣優質儲層特征、主控因素等認識，采用先進有效技術對其開展識別和預測，做到對頁巖氣優質儲層精細表征、量化評價，為頁巖氣富集“甜點”預測提供指導，為頁巖氣提產及靶體優選提供理論依據。

4.1 頁巖儲層紋層識別與表征

海相富有機質頁巖形成于半深水—深水陸棚相環境，具有豐富的紋層結構，對頁巖氣優質儲層沉積環境分析及儲集性能尤為重要。頁巖紋層的識別與表征包括露頭與巖心觀察、巖石大薄片全尺度高精度顯微數字成像、偏光顯微鏡觀察等方法，構成米級—厘米級—微米級頁巖紋層結構精細描述和表征技術[32]。研究發現五峰組—龍馬溪組頁巖發育泥紋層、粉砂紋層及條帶狀粉砂紋層、砂泥遞變紋層、砂泥薄互層等紋層組合（圖9、表4）。龍一11小層以條帶狀粉砂紋層組合為主，龍一12小層以砂泥遞變紋層組合為主，龍一13—4小層以砂泥薄互層紋層組合為主。露頭樣品測試，條帶狀粉砂紋層組合孔隙度4.13% ～ 9.04%、平均6.49%，砂泥遞變紋層組孔隙度2.17% ～ 6.17%、平均5.49%，砂泥薄互層紋層組孔隙度1.83% ～ 2.73%、平均2.39%。同時，頁巖儲層沿層理向水平滲流能力遠大于垂直層理向的縱向滲流能力。

表4 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖儲層紋層特征表[32]

圖9 四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖儲層紋層特征圖[32]

4.2 頁巖儲層參數實驗測試與表征

由于頁巖礦物組成復雜、微納米孔隙發育、氣體賦存狀態多樣等特點，需采用更加先進和精確的實驗測試技術（表5）[18,33-34]，才能對頁巖礦物組成、物性、含氣性、微觀孔隙結構等參數開展測試分析，實現頁巖儲層的準確識別、精細表征和有效評價。

表5 頁巖儲層參數實驗測試技術表

頁巖巖礦組成測定主要采用X射線衍射（XRD）和基于能譜的電鏡礦物分析法。實驗發現示范區五峰組—龍馬溪組頁巖已達晚成巖階段，主要由石英、長石、方解石、黏土等礦物和有機質組成，黏土礦物主要為伊利石、少量綠泥石。五峰組—龍馬溪組不同層段頁巖礦物組成不同，底部黏土礦物含量非常低，僅約20%左右，脆性礦物含量相對高，可有效支撐和保持頁巖儲層孔隙，也可大幅提高儲層改造壓裂裂縫擴展程度。

頁巖物性測試包括孔隙度、滲透率、含水飽和度等測試。測定孔隙度的方法較多，主要通過氦氣測試柱塞樣獲取有效孔隙度、氦氣測試顆粒樣獲取總孔隙度。實驗測試五峰組—龍馬溪組優質頁巖儲層總孔隙度達7%左右。由于頁巖滲透率較低，一般通過脈沖衰減法可較快完成滲透率測試，為避免樣品中微裂縫的影響，目前也采用顆粒基質滲透率測試方法。頁巖含水飽和度的測試主要采用低場核磁共振和加熱稱重法，五峰組—龍馬溪組底部頁巖儲層含水飽和度明顯較低，一般僅20%左右，相應地含氣飽和度明顯較高。

頁巖微觀孔隙結構以微/納米CT、場發射掃描電鏡、聚焦離子束掃描電鏡等為代表的圖像分析技術聯合使用，定性描述頁巖孔隙形狀、連通性等特征，以低溫N2/CO2吸附、高壓壓汞等為代表的流體注入實驗方法聯合使用，定量表征頁巖全孔徑分布特征。定性技術和定量方法有機結合實現頁巖儲層多尺度全孔徑微觀孔隙結構精細表征。具體實踐中也常通過圖像處理技術結合相關分析軟件，對孔隙直接識別、分割和重構（三維），以定量研究孔隙分布特征，包括孔隙的類型、大小、孔徑分布及孔隙度（面孔率）。圖像處理技術的發展已使孔隙表征從單純的定性識別完全拓展到了定量分析。五峰組—龍馬溪組頁巖儲集空間由有機質孔、無機礦物孔和微裂縫（含紋/層理縫）組成。有機質孔的發育程度是優質儲層評價的重要指標，有機質孔占總孔隙空間的比例（體積）約40%左右。從孔徑分布看，五峰組—龍馬溪組頁巖儲層宏孔（＞50 nm）提供了主要的孔體積，占比可達40% 以上，微孔和中孔提供了主要孔比表面積，占比可達90%以上。

頁巖儲層含氣性測試技術包括現場含氣量測試和高溫高壓等溫吸附實驗模擬。現場巖心含氣量直接測試是高效含氣量評價方法。經10余年發展，形成了常壓、保壓兩種現場含氣量自動測試方法，保壓含氣量測試可直接獲得頁巖總含氣量。測試結果統計五峰組—龍馬溪組中淺層頁巖含氣量平均3 ～ 5 m3/t、深層頁巖含氣量可高達10 m3/t以上。等溫吸附實驗主要獲取頁巖吸附氣量參數，頁巖吸附氣量或比例與有機質類型、有機質含量、孔比表面積相關，TOC含量高的優質頁巖儲層吸附氣量或比例相對較高。

4.3 頁巖儲層測井識別評價技術

測井綜合解釋是頁巖氣儲層評價的重要技術手段之一，通過巖電及巖心實驗建立測井對應關系，利用測井資料獲取頁巖礦物組分、TOC、孔隙度、含氣量、含氣飽和度、巖石力、微裂縫發育程度等儲層參數[16,24,35-36]。迄今，形成了頁巖氣儲層識別評價的專門測井技術系列和解釋方法。示范區實踐發現頁巖氣儲層具有“四高三低”測井響應特征（表1、表6），即高自然伽馬、高鈾、高聲波時差、高電阻率、低密度、低中子、低無鈾伽馬。結合巖心實測和實驗模擬，建立了相應測井解釋模型、儲層參數計算經驗模型和頁巖儲層測井識別標準，如密度—中子孔隙度疊合法、自然伽馬—去鈾伽馬疊合法、釷—鈾比值法、TOC計算經驗模型、孔隙度計算經驗模型等，實現了頁巖氣儲層礦物組成、TOC、孔隙度、含氣性、脆性指數、含氣飽和度、微裂縫等有效預測評價。

表6 頁巖氣儲層測井相應特征

4.4 頁巖儲層地震綜合評價技術

以三維地震資料精細解釋、巖石物理實驗為基礎，建立頁巖儲層參數地震屬性響應關系，開展綜合展布人工斷裂解釋、疊后不連續性相干體、仿生學螞蟻體、疊前方位各向異性等多信息融合等頁巖氣儲層精細預測評價[37-40]。在頁巖氣示范區，形成了以地震屬性疊前同時反演為核心的復雜山地海相頁巖氣儲層地震精細識別、描述與預測技術（表7），實現了頁巖埋深、儲層品質高精度定量表征，包括頁巖儲層含氣性、TOC、脆性、孔隙度、優質儲層厚度、微裂縫等精細預測與綜合評價，實現了頁巖儲層厚度預測符合率90%以上、不同尺度裂縫空間展布有效預測等。

表7 頁巖氣儲層三維地震綜合評價技術表

5 結論

1）國家頁巖氣示范區五峰組—龍馬溪組發育頁巖氣優質儲層，巖相以富有機質硅質頁巖、鈣質頁巖、硅質鈣質頁巖等巖相為主，頁巖氣優質儲層厚度穩定、縱向多層段、橫向多中心疊置準連續連片分布。

2）頁巖氣優質儲層是一相對概念，分類評價中Ⅰ—Ⅱ儲層整體為優質儲層。五峰組—龍一1亞段發育WF2—WF3、LM1—LM4等多層頁巖氣優質儲層，TOC含量高、孔隙度高、含氣量高、硅質礦物含量高、有機質孔隙發育、微裂縫（含紋/層理縫）發育。

3）頁巖氣儲層的原始物質組成和結構是影響頁巖儲層品質關鍵因素。頁巖氣優質儲層發育模式不同優質儲層規模不同，沉積型優質儲層是基礎，強還原環境和低沉積速率是優質儲層形成的前提，有利構造保存、超壓、裂縫發育是優質儲層孔隙保存和頁巖氣賦存富集的關鍵。

4）在頁巖氣優質儲層形成條件、分布規律等理論認識指導下，形成了紋層微裂縫精細描述、保壓含氣量測試、儲層微觀綜合表征、地球物理綜合預測、大數據智能分析等優質儲層高精度識別和有效預測技術方法體系。

5）在現階段沉積地質學理論基礎上，對優質儲層的預測評價應加強頁巖沉積古地理、古水體氧化還原條件、古生產力研究，針對不同構造沉積、成巖背景，提出系統的優質儲層形成條件和識別預測方法技術，本文闡述的各因素及技術方法值得進一步深化發展。

致謝：文章引用了中國石油勘探開發研究院、中國石油西南油氣田分公司等單位的部分資料，得到了施振生博士和李可賽博士的重要指導，在此一并深表謝意！