摘要：頁(yè)巖氣獨(dú)特的賦存狀態(tài)，“連續(xù)成藏”的聚集模式，區(qū)別于常規(guī)天然氣儲(chǔ)層的特征以及評(píng)價(jià)內(nèi)容等決定了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究的特殊性。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及評(píng)價(jià)的工作開(kāi)展得相對(duì)較少，需要建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在大量調(diào)研國(guó)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜合利用四川盆地最新的淺井鉆探和野外露頭取樣資料，從常規(guī)儲(chǔ)層研究思路入手，詳細(xì)分析了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的基本特征(有機(jī)質(zhì)特征、礦物組成、物性特征、儲(chǔ)滲空間特征)，進(jìn)而總結(jié)了頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容；同時(shí)，借鑒美國(guó)頁(yè)巖氣勘探成功經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)際資料出發(fā)，篩選出有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、含氣性等8大關(guān)鍵地質(zhì)因素，進(jìn)而提出了一套較為適用的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)后認(rèn)為，四川盆地下古生界筇竹寺組和龍馬溪組2套海相黑色頁(yè)巖具有良好的勘探開(kāi)發(fā)前景。
關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣；儲(chǔ)集層；溶蝕孔隙；有機(jī)孔隙；裂縫；評(píng)價(jià)內(nèi)容；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；關(guān)鍵地質(zhì)因素
頁(yè)巖氣是指主體上以吸附和游離狀態(tài)存在于低孔隙度、特低滲透率，富有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖層系中的天然氣。在頁(yè)巖氣藏中，天然氣亦可存在于該層系中的粉、細(xì)砂巖，粉砂質(zhì)泥巖或砂巖夾層中，在此討論的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層專(zhuān)指頁(yè)巖。頁(yè)巖除具備儲(chǔ)集條件外，還作為頁(yè)巖氣藏的烴源巖和蓋層。如何對(duì)頁(yè)巖這一特殊儲(chǔ)層的特征進(jìn)行描述、評(píng)價(jià)，正是筆者探討的問(wèn)題。
1 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層基本特征
1.1 有機(jī)質(zhì)特征
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中含有大量的有機(jī)質(zhì)，其豐度與成熟度對(duì)頁(yè)巖氣資源量有重要影響。頁(yè)巖氣吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，頁(yè)巖中有機(jī)碳含量與頁(yè)巖氣的生氣率具較好的正相關(guān)性口剖。在相同溫壓條件下，富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖較貧有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖具有更多的微孔隙空間，能吸附更多的天然氣，影響吸附氣多寡的關(guān)鍵因素是有機(jī)碳含量的高低。
美國(guó)5大含氣頁(yè)巖的有機(jī)碳含量均較高，其中Barnett頁(yè)巖有機(jī)碳含量介于2.0%～7.0%，平均為4.5%，Antrim頁(yè)巖和New Albany頁(yè)巖有機(jī)碳含量部分超過(guò)20%，吸附氣含量最低為13%，最高可達(dá)70%(表1)。筆者依據(jù)四川盆地最新淺井及露頭分析資料，對(duì)該區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖進(jìn)行分析，結(jié)果顯示筇竹寺組有機(jī)碳含量為1.0%～11.07%，普遍大于1%；龍馬溪組的有機(jī)碳含量一般分布在0.51%～4.88%，最高可達(dá)9%左右。可以推測(cè)，四川盆地下古生界2套頁(yè)巖吸附氣含量應(yīng)該是較高的。
從美國(guó)主要產(chǎn)頁(yè)巖氣盆地頁(yè)巖氣成因看包括生物成因氣、熱成因和兩種混合成因氣，即包含低成熟度頁(yè)巖氣(Antrim頁(yè)巖Ro為0.1%～0.6%)、高成熟度頁(yè)巖氣(Barnett頁(yè)巖Ro為1.0%～2.1%)和高低成熟度混合頁(yè)巖氣。由此可看出，頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)成熟度不是影響頁(yè)巖氣成藏的關(guān)鍵因素，但成熟度越高越有利于頁(yè)巖氣成藏。根據(jù)北美地區(qū)統(tǒng)計(jì)資料，頁(yè)巖氣成藏要求Ro＞1.3%。
四川盆地西南部筇竹寺組頁(yè)巖總體熱演化程度高，其Ro一般分布在1.83%～3.23%；長(zhǎng)芯1井揭示該井龍馬溪組頁(yè)巖Ro值均超過(guò)3.0%，平均可達(dá)3.21%。2套頁(yè)巖在區(qū)域上Ro最低也接近或大于2.0%，表明這2套頁(yè)巖進(jìn)入了過(guò)成熟演化階段，具備形成頁(yè)巖氣藏的條件。伴隨天然氣生成作用產(chǎn)生的微裂縫也有利于儲(chǔ)存更多的游離氣。
1.2 礦物組成
頁(yè)巖儲(chǔ)層的礦物組成除常見(jiàn)的黏土礦物(伊利石、蒙皂石、高嶺石)外，還混雜有石英、長(zhǎng)石、云母、方解石、白云石、黃鐵礦、磷灰石等礦物。
北美地區(qū)Barnett頁(yè)巖的石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦含量為20%～80%(其中石英含量為40%～60%)，碳酸鹽礦物含量低于25%，黏土礦物含量通常小于50%。四川盆地下古生界2套頁(yè)巖的X射線(xiàn)熒光衍射(XRD)分析結(jié)果總體與Barnett頁(yè)巖相似(圖1、表2)，其石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦的平均含量為30%～64%，碳酸鹽礦物的平均含量低于20%，極少數(shù)為0，黏土礦物含量平均在31%～51%。與Barnett頁(yè)巖對(duì)比，龍馬溪組的硅質(zhì)含量偏少，筇竹寺組的含量偏多，但龍馬溪組的碳酸鹽礦物含量較高，而筇竹寺組的含量偏少。研究表明，石英等脆性礦物含量高有利于后期的壓裂改造形成裂縫；碳酸鹽礦物中方解石含量高的層段，易于溶蝕產(chǎn)生溶孔。
Bowker研究認(rèn)為，Barnett頁(yè)巖層中黏土礦物主要為微含蒙皂石的伊利石[10]。四川盆地及鄰區(qū)筇竹寺組和龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層黏土礦物分析結(jié)果也表明其組成主要是伊利石，其次為綠泥石，不含蒙皂石，有少量的高嶺石和伊/蒙混層(表3、圖2)。筇竹寺組的伊利石含量較龍馬溪組高，平均值為83.5%，I/S混層比在0～40%，平均為32.5%；龍馬溪組的綠泥石平均含量為15.67%，I/S混層比平均為10.72%。
研究表明，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中黏土礦物的含量與吸附氣含量具有一定的關(guān)系，其中最主要的是伊利石；蒙皂石類(lèi)膨脹性黏土礦物不利于對(duì)后期儲(chǔ)層壓裂造縫。
1.3 物性特征
北美地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層物性評(píng)價(jià)采用了美國(guó)天然氣研究所(1996)研制的GRI頁(yè)巖巖心測(cè)定方法。該方法不僅可以測(cè)定頁(yè)巖基質(zhì)總的孔隙度，還可以測(cè)定出含氣孔隙度，且測(cè)定出的頁(yè)巖滲透率最低可達(dá)10-14mD[11]。國(guó)內(nèi)目前不具備此技術(shù)，只能按常規(guī)儲(chǔ)層物性分析方法測(cè)試，故不能與北美頁(yè)巖物性進(jìn)行比對(duì)。
頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具低孔、特低滲致密的物性特征。美國(guó)主要產(chǎn)氣頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心分析總孔隙度分布在2.0%～14.00%，平均為4.22%～6.51%；測(cè)井孔隙度分布在4.0%～12.00%，平均為5.2%；充氣孔隙度分布在1.0%～7.5%，充水孔隙度為1.0%～8.0%(表4)。滲透率一般小于0.1mD，平均喉道半徑不到0.005μm[2]。
四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層物性分析取得部分孔隙度資料，因滲透率測(cè)試靈敏度低未測(cè)出。資2井筇竹寺組黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖樣品物性分析孔隙度分布在1.0%～2.5%，平均孔隙度為1.58%；資3井硅質(zhì)頁(yè)巖的孔隙度為0.12%～0.70%。威001-2井筇竹寺組頁(yè)巖儲(chǔ)層的測(cè)井孔隙度在0.69%～3.08%，平均值為1.64%，滲透率在0.001～0.11mD，平均值為0.019mD[12～15]。陽(yáng)深2井龍馬溪組測(cè)井解釋孔隙度一般為1.0%～5.0%(表5)。陽(yáng)63、隆32等井在龍馬溪組已測(cè)試獲氣流，可見(jiàn)，四川盆地下古生界頁(yè)巖具備儲(chǔ)集條件。
北美地區(qū)主要頁(yè)巖儲(chǔ)層含水飽和度為10%～35%(表4)。頁(yè)巖儲(chǔ)層的含水飽和度直接影響著含氣量，隨頁(yè)巖成熟度的增加產(chǎn)氣量劇增，而含水飽和度降低[10，17]，含水量高將降低產(chǎn)氣效率。關(guān)于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)含水飽和度下限斯倫貝謝公司選取值為45%[1]。
含油飽和度(So)小于5%時(shí)才被認(rèn)為是頁(yè)巖氣的有利勘探區(qū)[1]。這是因?yàn)椋环矫?，含油飽和度若過(guò)大勢(shì)必降低含氣飽和度；另一方面，油分子太大容易堵塞微米-納米級(jí)別的微孔隙和喉道，減慢氣體的流速，不利于頁(yè)巖氣的產(chǎn)出。
1.4 儲(chǔ)滲空間特征
頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲空間可分為基質(zhì)孔隙和裂縫。基質(zhì)孔隙有殘余原生孔隙、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙、黏土礦物伊利石化形成的微裂(孔)隙和不穩(wěn)定礦物(如長(zhǎng)石、方解石)溶蝕形成的溶蝕孔等。
1.4.1殘余原生孔隙
主要是分散于片狀黏土中的粉砂質(zhì)顆粒間的孔隙。這部分孔隙與常規(guī)儲(chǔ)層孔隙相似，隨埋藏深度增加而迅速減少。
1.4.2有機(jī)孔隙
目前有研究認(rèn)為，頁(yè)巖中的孔隙以有機(jī)質(zhì)生烴形成的孔隙為主(圖3)。據(jù)Jarvie等人研究，有機(jī)質(zhì)含量為7%的頁(yè)巖在生烴演化過(guò)程中，消耗35%的有機(jī)碳可使頁(yè)巖孔隙度增加4.9%[18]。有機(jī)微孔的直徑一般為0.01～1μm。
1.4.3伊利石化體積縮小的微裂(孔)隙
蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化是頁(yè)巖成巖過(guò)程中重要的成巖變化。當(dāng)孔隙水偏堿性、富鉀離子時(shí)，隨著埋深增加，蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化，伴隨體積減小而產(chǎn)生微裂(孔)隙。
1.4.4次生溶蝕孔隙
王正普等在鑒定川東及鄰區(qū)志留系龍馬溪組暗色泥質(zhì)巖時(shí)見(jiàn)有發(fā)育的溶孔，次生溶蝕孔隙的孔徑多數(shù)在0.01～0.05mm，少數(shù)在0.05～0.60mm，連通孔隙率最低值僅為0.82%(不含易溶礦物)，最高達(dá)32.41%，一般為16%，碳酸鹽含量在10%～30%時(shí)最易形成高孔段[19]。該類(lèi)次生孔隙是由于有機(jī)質(zhì)脫羧后產(chǎn)生的酸性水對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的碳酸鹽礦物強(qiáng)烈溶蝕形成的。
筆者在研究中亦發(fā)現(xiàn)黑色頁(yè)巖中顆粒被溶蝕的現(xiàn)象(圖4)。掃描電鏡下溶蝕孔孔徑為15～20μm，孔緣不規(guī)則。上述孔隙的觀(guān)察依賴(lài)于微米一納米級(jí)電子顯微鏡分析技術(shù)。
1.4.5裂縫
頁(yè)巖儲(chǔ)層中的裂縫多以微裂縫形式存在。其產(chǎn)生可能與斷層和褶皺等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)，也可能與有機(jī)質(zhì)生烴時(shí)形成的輕微超壓而使頁(yè)巖儲(chǔ)層破裂有關(guān)，也有學(xué)者認(rèn)為與差異水平壓力有關(guān)[20]。
微裂縫對(duì)頁(yè)巖氣的產(chǎn)能增加有很大影響，同時(shí)裂縫的存在也使得頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)變得格外復(fù)雜。一方面，微裂縫發(fā)育并與大型斷裂連通，對(duì)于頁(yè)巖氣的保存條件極為不利；地層水也會(huì)通過(guò)裂縫進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)層，使氣井見(jiàn)水早，含水上升快，甚至可能暴性水淹。另一方面，微裂縫發(fā)育不但可以為頁(yè)巖氣的游離富集提供儲(chǔ)滲空間，增加頁(yè)巖氣游離態(tài)天然氣的含量；而且，微裂縫也有助于吸附態(tài)天然氣的解析，并成為頁(yè)巖氣運(yùn)移、開(kāi)采的通道。
2 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)
2.1 評(píng)價(jià)內(nèi)容
頁(yè)巖氣藏是典型的自生白儲(chǔ)型氣藏[21]，因此評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層除與常規(guī)儲(chǔ)層有相同的巖石學(xué)、物性等儲(chǔ)層基本特征外，還應(yīng)考慮頁(yè)巖氣藏形成的含氣性及能否被開(kāi)采等要件[22]。為此，結(jié)合美國(guó)頁(yè)巖氣勘探成功經(jīng)驗(yàn)，筆者篩選了8大關(guān)鍵地質(zhì)因素嘗試對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行初步的評(píng)價(jià)(圖5)。
1) 有機(jī)質(zhì)豐度：有機(jī)質(zhì)含量高低直接影響頁(yè)巖含氣量的大小。有機(jī)質(zhì)豐度越高，頁(yè)巖氣含量越高。北美地區(qū)研究認(rèn)為具有商業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣藏有機(jī)碳含量一般大于2%，最高達(dá)10%。
2) 熱成熟度：反映有機(jī)質(zhì)是否已經(jīng)進(jìn)入熱成熟生氣階段(生氣窗)。因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)進(jìn)入生氣窗后，生氣量劇增，有利于形成商業(yè)性頁(yè)巖氣藏。北美頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的Ro值一般大于1.1%。
3) 含氣性：頁(yè)巖氣主要的存在形式是游離氣與吸附氣。故應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)損失氣量測(cè)定及頁(yè)巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)，直接測(cè)定頁(yè)巖的游離氣量及吸附氣量，以評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的含氣性。
4) 頁(yè)巖厚度：指高伽馬、富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的厚度，因?yàn)楦缓袡C(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度越大，頁(yè)巖氣藏富集程度越高。頁(yè)巖厚度和分布面積是保證有充足的儲(chǔ)滲空間和有機(jī)質(zhì)的重要條件，一般要求直井厚度大于30m。由于水平鉆井和分段壓裂等技術(shù)的應(yīng)用，頁(yè)巖有效厚度可能低于該下限值。
5) 儲(chǔ)層物性：通過(guò)頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度、含氣孔隙度、滲透率及含氣飽和度測(cè)定以及裂縫組構(gòu)和類(lèi)型分析，評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)氣能力大小。
6) 礦物組成：除硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物外，頁(yè)巖儲(chǔ)層中還包括黏土礦物。頁(yè)巖儲(chǔ)層的伊利石含量與吸附氣含量有一定關(guān)系。硅質(zhì)、鈣質(zhì)礦物成分越高，頁(yè)巖儲(chǔ)層加砂壓裂時(shí)，越容易被壓開(kāi)。
7) 脆性：頁(yè)巖儲(chǔ)層的基質(zhì)滲透率很低，需要裂縫才能形成工業(yè)產(chǎn)能。除本身的天然裂縫外，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中還應(yīng)考慮頁(yè)巖儲(chǔ)層在加砂壓裂改造時(shí)，是否易于被改造。脆性越大，越易被改造。
8) 力學(xué)性質(zhì)：通過(guò)泊松比、楊氏模量等測(cè)定，評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的造縫能力。
以上指標(biāo)1)～5)主要評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)氣量大小，即地質(zhì)儲(chǔ)量(GPI)；而指標(biāo)6)～8)則是評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層是否易于改造，能否最終將儲(chǔ)藏在頁(yè)巖中的天然氣開(kāi)采出來(lái)。
2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)上述評(píng)價(jià)內(nèi)容，筆者建立了相應(yīng)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表6)。
四川盆地下古生界筇竹寺組和龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的有機(jī)碳含量普遍大于2%，Ro值最低都大于2.0%，石英及方解石等脆性礦物含量均超過(guò)40%，黏土礦物含量低且不含蒙皂石，其滲透率和含水飽和度均滿(mǎn)足下限標(biāo)準(zhǔn)，高伽馬值黑色頁(yè)巖厚度也在30m以上。依照上述標(biāo)準(zhǔn)，四川盆地筇竹寺組和龍馬溪組海相黑色頁(yè)巖具有勘探開(kāi)發(fā)價(jià)值。
3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
1) 頁(yè)巖氣藏是典型的“自生自?xún)?chǔ)”氣藏。作為儲(chǔ)層的頁(yè)巖富含有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量及成熟度對(duì)頁(yè)巖含氣量有著重要的影響。
2) 頁(yè)巖儲(chǔ)層具有獨(dú)特的礦物組成。除黏土礦物外，還含有不等量的石英、長(zhǎng)石、云母、方解石等礦物。黏土礦物中伊利石含量高低與吸附氣含量有一定關(guān)系。石英、長(zhǎng)石等脆性礦物含量高，有利于儲(chǔ)層壓裂改造；方解石含量高則易于形成次生溶孔，改善儲(chǔ)集條件。
3) 頁(yè)巖儲(chǔ)層屬特低滲-致密儲(chǔ)層，具備一定儲(chǔ)集能力?？紫额?lèi)型多樣，孔徑大小為微米納米級(jí)，包括殘余粒間孔、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙、溶蝕孔和黏土礦物伊利石化形成的微裂(孔)隙；裂縫多為微裂縫，其形成與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、生烴超壓、差異水平壓力等有關(guān)。
4) 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)內(nèi)容包括儲(chǔ)層含氣性、氣藏可開(kāi)采性等要件。基于有機(jī)質(zhì)特征、無(wú)機(jī)礦物組成、物性及巖石學(xué)特征4個(gè)方面建立了頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
成文中，中國(guó)石油西南油氣田公司王世謙教授級(jí)高級(jí)工程師給予了熱情指導(dǎo)，特致以真誠(chéng)的感謝。
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(本文作者：蔣裕強(qiáng)1 董大忠2 漆麟1 沈妍斐1 蔣嬋1 何溥為3 1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；3.延長(zhǎng)油田股份有限公司子長(zhǎng)采油廠(chǎng))
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