頁巖儲層非均質(zhì)性分析
——以四川長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組為例

曾靖珂，潘仁芳，金曉凡，楊寶剛，鄢杰

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.長江大學(xué)油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100）

頁巖儲層非均質(zhì)性分析
——以四川長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組為例

曾靖珂1，2，潘仁芳1，2，金曉凡1，2，楊寶剛1，2，鄢杰1，2

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.長江大學(xué)油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100）

頁巖儲層有別于常規(guī)儲層，低孔低滲的特性決定了其儲層非均質(zhì)的復(fù)雜性。國內(nèi)針對頁巖儲層非均質(zhì)特征評價工作開展的還相對較少，目前沒有完善的評價標(biāo)準(zhǔn)。在詳細(xì)調(diào)研國內(nèi)外儲層非均質(zhì)性研究的基礎(chǔ)上，文中分別從平面、層內(nèi)、微觀3個方面對有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、成熟度、孔隙度、礦物組分的非均質(zhì)性特征進(jìn)行對比研究，并根據(jù)研究結(jié)果做出相應(yīng)分析。分析結(jié)果表明：四川盆地長寧區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲層縱、橫向上非均質(zhì)特征均明顯，夾層發(fā)育，熱成熟度高，鏡質(zhì)體反射率（Ro）達(dá)3.8%；石英等脆性礦物體積分?jǐn)?shù)高，孔隙、微裂隙發(fā)育且配置好，頁巖儲層物性好，勘探開發(fā)潛力大。

非均質(zhì)特征；礦物組分；龍馬溪組；頁巖儲層；四川盆地

0　引言

頁巖儲層非均質(zhì)性的研究對頁巖氣的開采具有一定的指導(dǎo)意義。國外的頁巖儲層非均質(zhì)性研究主要集中在3個方面：1）研究頁巖三維方向的應(yīng)力各向異性；2）研究裂縫在空間上分布的非均質(zhì)性對頁巖氣滲流和氣井產(chǎn)能的影響；3）選取頁巖縱向和橫向的非均質(zhì)特征敏感參數(shù)，建立響應(yīng)的地質(zhì)模型，預(yù)測地層縱橫向巖性非均質(zhì)性特征，進(jìn)而評價頁巖生氣潛力［1］。國內(nèi)的學(xué)者多以四川盆地為研究區(qū)開展頁巖儲層非均質(zhì)特性的研究。針對頁巖儲層的特殊性，將頁巖評價分為有機(jī)及無機(jī)評價。有機(jī)質(zhì)的非均質(zhì)評價主要包括測錄井、地化、解吸吸附實驗等方法，研究有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù)（TOC）及含氣性特征等［2-3］；無機(jī)非均質(zhì)性評價主要包括對頁巖黏土礦物組成成分、脆性度、薄砂巖夾層發(fā)育及裂縫、孔隙分布特征研究等。

本文從平面、層內(nèi)和微觀3個方面，分析了泥頁巖非均質(zhì)性特征。平面非均質(zhì)性主要受區(qū)域沉積特征和泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征控制；層內(nèi)非均質(zhì)性則主要反映在井間差異和單井礦物組分差異上；微觀非均質(zhì)性主要受孔隙類型和基質(zhì)微裂縫影響。綜合分析認(rèn)為，四川長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層非均質(zhì)性特征明顯，對頁巖氣井產(chǎn)能和頁巖氣采收率有重要影響。

1　平面非均質(zhì)特征

四川盆地長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖分布廣泛，平面上厚度差異大，有機(jī)質(zhì)體積分?jǐn)?shù)變化范圍較大，平面非均質(zhì)性強(qiáng)，成為控制頁巖儲層含氣量的主要因素，具有形成優(yōu)質(zhì)頁巖氣藏的良好條件。

1.1區(qū)域地質(zhì)沉積構(gòu)造演化特征

四川盆地位于中國西南地區(qū)，揚子地臺較穩(wěn)定的部分，是中國陸上大型沉積盆地，也是國內(nèi)重要的天然氣產(chǎn)區(qū)之一。

盆地構(gòu)造演化經(jīng)歷了古生代—中三疊世克拉通盆地和晚三疊世—新生代陸相盆地兩大階段。長寧地區(qū)自沉積以來，經(jīng)歷了長期的構(gòu)造沉降，短期的構(gòu)造抬升。在龍馬溪早期，海平面上升，沉積主要為黑色、灰黑色的碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)泥巖，沉積主體為局限的深水陸棚，沉積厚度為40～200 m，沉積中心頁巖層厚度大于20 m，有機(jī)質(zhì)類型屬于腐泥型，有機(jī)質(zhì)豐度和熱演化程度均較高，是龍馬溪有效烴源巖發(fā)育的主要時期。而到了龍馬溪晚期，沉積水體變淺，頁巖沉積厚度減薄，沉積主要為灰綠色、黃綠色薄層泥頁巖，粉砂巖發(fā)育，為淺水陸棚相，沉積中心向西南遷移［4-6］。頁巖厚度在平面上的非均質(zhì)性主要受川中隆起、黔中隆起及一些水下隆起控制，形成的厚度差異及變化見圖1。

圖1　四川盆地長寧地區(qū)頁巖厚度變化平面分布

1.2有機(jī)質(zhì)豐度平面展布特征

TOC是頁巖儲層生烴能力評價的一個重要指標(biāo)，它不僅能夠衡量生烴強(qiáng)度和生烴量，而且還能夠決定頁巖中吸附氣體積分?jǐn)?shù)的高低［6］。

為了對長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層TOC進(jìn)行平面分布差異上進(jìn)行直觀展現(xiàn)，根據(jù)長寧地區(qū)若干口氣井（見圖1b內(nèi)紅框區(qū)域）的在龍馬溪組的TOC的均值統(tǒng)計，結(jié)合沉積環(huán)境、構(gòu)造演化特征，大致的體積分?jǐn)?shù)分布如圖所示（見圖2）。由圖2可以看出，TOC的變化由東至西呈現(xiàn)出先降低（3.6%～3.0%）再增大（3.0%～4.0%）的趨勢。沉積環(huán)境的差異是導(dǎo)致平面上TOC變化的主要控制因素，如在半深水—深水陸棚的沉積環(huán)境下，沉積早期至晚期，沉積中心自東北向西南偏移，與TOC的變化趨勢一致。

圖2　長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組TOC平面分布

2　層內(nèi)非均質(zhì)特征

研究頁巖儲層的層內(nèi)非均質(zhì)性，可根據(jù)連井剖面及相應(yīng)的線性關(guān)系分析，對一個頁巖層內(nèi)的垂向、橫向的巖性變化特征，總層、夾層的厚度，有機(jī)地化指標(biāo)變化特征等因素，在研究區(qū)上進(jìn)行小范圍分析［7-10］。四川盆地長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖儲層厚度橫向變化大，夾層發(fā)育情況良好，導(dǎo)致龍馬溪組頁巖層內(nèi)橫向非均質(zhì)性強(qiáng)。根據(jù)巖心的取樣分析可看出，頁巖層內(nèi)縱向上地化參數(shù)隨埋深變化明顯，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組頁巖層內(nèi)縱向上非均質(zhì)性強(qiáng)。

2.1連井剖面分析

志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層主要由一系列黑色、暗色泥頁巖層，灰?guī)r及砂巖夾層組合而成（見圖3）。寧201井—寧203井連井剖面表明，龍馬溪組頁巖氣層的厚度在橫向上未出現(xiàn)較大的變化，但是2口井目的層在海拔深度上有較大差異，說明2口氣井之間的地層可能出現(xiàn)過較大斷裂。寧203井—寧210井連井剖面表明，志留系龍馬溪組地層總厚度、泥頁巖單層厚度及發(fā)育層數(shù)橫向變化明顯。根據(jù)連井剖面的變化特征可見，龍馬溪組頁巖氣儲層層間橫向非均質(zhì)性特征明顯，主要受泥頁巖層發(fā)育厚度、深度和層數(shù)控制。

圖3　龍馬溪組鄰井間地層解釋層段對比

2.2有機(jī)地化指標(biāo)分析

從不同井段中值深度的樣品中，選取樣品共46塊，部分樣品的基本數(shù)據(jù)見表1。選取的樣品多為黑灰色硅質(zhì)泥頁巖，其中龍馬溪組干酪根類型為Ⅰ型，樣品中Ro在3.0%～3.9%。

由樣品分析可知，隨著深度的增加，有機(jī)質(zhì)成熟度呈增加趨勢，Ro在龍馬溪組至寶塔組內(nèi)的縱向增加，與埋深具有明顯線性關(guān)系，擬合系數(shù)達(dá)0.977 5。由圖4可知，有機(jī)地化指標(biāo)層內(nèi)縱向非均質(zhì)性明顯，主要受埋深、溫度、壓力的控制［10］。

表1　部分寧201樣品參數(shù)

圖4　寧201井龍馬溪組頁巖埋深與Ro的關(guān)系

3　微觀非均質(zhì)特征

頁巖儲層微觀非均質(zhì)性的研究對頁巖氣儲存、富集和運移具有很大影響?？紫丁⑽⒘严栋l(fā)育且配置好的頁巖儲層物性好，勘探開發(fā)潛力大［10-11］。

3.1礦物組分非均質(zhì)性

頁巖儲層中黏土礦物的成因類型主要有沉積成因、新生成的、自生的。不同黏土礦物對頁巖氣的吸附能力不一樣：伊利石、蒙脫石吸附能力較強(qiáng)強(qiáng)，高嶺石則相對弱很多（見圖5）。黏土礦物體積分?jǐn)?shù)低，會影響頁巖氣的吸附量，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)高，又會影響巖石的脆性，以致影響天然裂縫的形成及人工后期水力壓裂，在開發(fā)中難以形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫［10-12］。所以，在含氣量充足的前提下，巖石脆性越高產(chǎn)氣量越大，高脆性礦物的體積分?jǐn)?shù)對頁巖氣采收率的提高十分重要。

與陸相頁巖儲層相比，還原環(huán)境下深海陸棚沉積的頁巖儲層的礦物組分在微觀尺度變化幅度較?。?3］。以四川盆地長寧寧201井龍馬溪組下部層段4個不同深度的取樣測量層段為樣本，實驗結(jié)果如圖6所示。從圖中可見：該儲層主要礦物類型為石英，其次為黏土礦物中的伊利石，脆性礦物主要為石英粉砂及碳酸鹽類礦物，黏土礦物主要有伊利石、綠泥石、伊蒙混層。具體來說，伊利石體積分?jǐn)?shù)為10%～29%，樣品間體積分?jǐn)?shù)變化大；石英長石礦物體積分?jǐn)?shù)為25%～47%；黃鐵礦在樣品中普遍存在，體積分?jǐn)?shù)為2%～5%。

圖5　吸附氣體積分?jǐn)?shù)與黏土礦物類型的關(guān)系

圖6　寧201井礦物組分

根據(jù)Daniel提出巖石脆性度等于巖石中石英體積分?jǐn)?shù)與石英、碳酸鹽礦物、黏土體積分?jǐn)?shù)和之比，計算出了寧201井泥頁巖樣品巖石脆度（見表2）。結(jié)果表明，不同深度的不同脆性礦物含量差異明顯，脆性度為0.5～0.6，變化不明顯，反映了龍馬溪組頁巖儲層礦物脆性度大，非均質(zhì)性較弱的特點［12-14］。

總體看來，樣品礦物種類沒有明顯的差異，但是各組分的體積分?jǐn)?shù)及所占比例出現(xiàn)了顯著的差異，反映該頁巖儲層脆性較大，礦物非均質(zhì)性較好。

表2　寧201井部分樣品礦物組分體積分?jǐn)?shù)

3.2微觀孔隙非均質(zhì)性

在微觀尺度下，頁巖儲層有機(jī)質(zhì)孔類型與分布差別較大，非均質(zhì)性明顯。利用掃描電鏡，分別觀測100，50，30，10 μm視野級別下礦物組分（見圖7）。可以看出：在100 μm視野下，可見許多粉砂質(zhì)顆粒被大量富含碎屑黏土基質(zhì)包絡(luò)，分布緊密，其間孔隙較難觀測；在50 μm視野下，碎屑顆粒包括石英，長石并被富含碎屑黏土的基質(zhì)支撐。大量的碎屑基質(zhì)主要由伊利石組成。自生礦物包括方解石，黃鐵礦（蜂窩狀）。可見一些基質(zhì)已經(jīng)被二氧化硅交代；在30 μm視野下，可見大量的蜂窩狀黃鐵礦，分散在黏土礦物與脆性顆粒礦物中；在10 μm視野下，可見粉砂級石英顆粒礦物內(nèi)孔隙、黃鐵礦晶體間孔隙及少量孔隙。

圖7　掃描電鏡觀測礦物組分在不同微米級別的非均質(zhì)性

頁巖層段微孔隙系統(tǒng)主要由黏土碎屑、基質(zhì)及交代基質(zhì)的自生晶體中連通性極差的微孔隙組成，可見微孔隙的形態(tài)、成因與分布與礦物組分的微觀非均質(zhì)性息息相關(guān)［14-16］。因目的層Ro＞3.0%，有機(jī)質(zhì)成熟度高導(dǎo)致儲層內(nèi)有機(jī)質(zhì)孔可能發(fā)生碳化，孔隙度降低，所以視野范圍內(nèi)少見有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔。有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔主要受礦物組分及沉積因素的影響。微裂縫可見多處有機(jī)質(zhì)縫和層間縫，其形態(tài)類型多樣，分布廣泛，與有機(jī)質(zhì)孔連通性好，對氣體運移和順利排出有較大的幫助［17-18］。

4　結(jié)論

1）研究區(qū)因沉積環(huán)境和構(gòu)造運動的影響，導(dǎo)致頁巖層厚度的區(qū)域變化，厚度在平面上的非均質(zhì)性強(qiáng)弱對有機(jī)質(zhì)豐度及成熟度都會產(chǎn)生相應(yīng)的影響，導(dǎo)致了有機(jī)地化參數(shù)在區(qū)域平面上的非均質(zhì)性變化。

2）從四川盆地長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組寧201—寧203—寧210井連井剖面可以看出龍馬溪組泥頁巖層內(nèi)橫向上頁巖層厚度、發(fā)育層數(shù)及夾層特征變化明顯，橫向非均質(zhì)性較強(qiáng)；有機(jī)地化指標(biāo)的差異表明了頁巖儲層縱向上非均質(zhì)性強(qiáng)，其中有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，是龍馬溪組泥頁巖非均質(zhì)性的主控因素。

3）長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖儲層在微觀尺度上礦物體積分?jǐn)?shù)及比重差異明顯，脆性礦物體積分?jǐn)?shù)高于35%，頁巖儲層物性好、勘探開發(fā)潛力大。在不同精度的掃描電鏡下可見黏土礦物層間孔隙，少見有機(jī)質(zhì)孔隙，孔喉半徑小，具有低孔低滲特征，微裂縫類型和分布廣泛，連通性好，微觀非均質(zhì)性強(qiáng)。

4）頁巖儲層非均質(zhì)性研究提供了對儲層評價的新標(biāo)準(zhǔn)，可以更好地指導(dǎo)頁巖氣開發(fā)中對優(yōu)質(zhì)層位的圈定。長寧地區(qū)頁巖儲層分布廣，厚度變化大，有機(jī)質(zhì)成熟度高，巖石脆度高，微裂縫連通性好，為天然裂縫呈網(wǎng)狀形成和后期的壓裂提供了良好的條件，頁巖氣資源潛力巨大。

［1］李欣，段勝楷，孫楊，等.美國頁巖氣勘探開發(fā)最新進(jìn)展［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（8）：124-126.

［2］張金川，徐波，聶海寬，等.中國頁巖氣資源勘探潛力［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（6）：136-140.

［3］董大忠，程克明，王世謙，等.頁巖氣資源評價方法及其在四川盆地的應(yīng)用［J］.天然氣工業(yè)，2009，29（5）：33-39.

［4］劉樹根，王世玉，孫瑋，等.四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組黑色頁巖特征［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，40（6）：621-639.

［5］王玉滿，董大忠，李新景，等.四川盆地及其周緣下志留統(tǒng)龍馬溪組層序與沉積特征［J］.天然氣工業(yè)，2015，35（3）：12-21.

［6］畢赫，姜振學(xué)，李鵬，等.渝東南地區(qū)龍馬溪組頁巖吸附特征及其影響因素［J］.天然氣地球科學(xué)，2014，25（2）：302-310.

［7］姜香云，吳勝和，王紹華.大港油田官104斷塊儲層非均質(zhì)性研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（5）：1446-1454.

［8］江凱禧，彭麗，何文祥，等.頁巖氣儲層非均質(zhì)性研究：以四川盆地下寒武統(tǒng)笻竹寺組為例［J］.海洋地質(zhì)前沿，2014，30（8）：47-54.

［9］王淑芳，鄒才能，董大忠，等.四川盆地富有機(jī)質(zhì)頁巖硅質(zhì)生物成因及對頁巖氣開發(fā)的意義［J］.北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，50 （3）：476-486.

［10］田景春，劉偉偉，王峰，等.鄂爾多斯盆地高橋地區(qū)上古生界致密砂巖儲層非均質(zhì)性特征［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2014，35（2）：183-189.

［11］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(jìn)展，2014，29（4）：492-506.

［12］CHRISTOPHE R，ANDREAS H，SUZI B，et al.“Hot Shales”Facies Heterogeneity：highlights from the mineralogical and geochemical analyses of the lower silurian source rock of a Palaezoic Basin（SW Algeria）［R］.SPE 164694，2013.

［13］趙鵬大，李桂范，張金川.基于地質(zhì)異常理論的頁巖氣有利區(qū)塊的圈定與定量評價：以渝東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組為例［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（6）：1-8.

［14］魏祥峰，劉若冰，張廷山，等.頁巖氣儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征及發(fā)育控制因素［J］.天然氣地球科學(xué)，2013，24（5）：1048-1059.

［15］郭英海，趙迪斐.微觀尺度海相頁巖儲層微觀非均質(zhì)性研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，44（20）：300-307.

［16］徐祖新.基于CT掃描圖像的頁巖儲層非均質(zhì)性研究［J］.巖性油氣藏，2014，26（6）：46-49.

［17］鐘太賢.中國南方海相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征［J］.天然氣工業(yè)，2012，32 （9）：l-4.

［18］KETTER A，DANIELD L，HEINZE R，et al.A field study optimizing completion strategies for fracture initiation in Barnett shale horizontal wells［R］.SPE 103232，2006.

（編輯趙旭亞）

Research of shale reservoir heterogeneity：a case of Lower Silurian Longmaxi Formation in Changning Area，Sichuan Basin

ZENG Jingke1，2，PAN Renfang1，2，JIN Xiaofan1，2，YANG Baogang1，2，YAN Jie1，2
（1.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.MOE Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

Different from conventional reservoir，shale reservoirs，with low porosity and permeability，have complex inhomogeneous properties.The evaluation of shale gas reservoir heterogeneity characteristics in China is still relatively rare，and there is not an evaluation standard.Based on the detailed investigation and research in China and abroad，the organic matter content，maturity，porosity and mineral composition heterogeneity were studied from areal，inlayer and micro-pore scales，and the corresponding analysis according to the results of the study was made.The analysis shows that Lower Silurian Longmaxi Formation shale reservoirs in Changning Area，Sichuan Basin have such characteristics as obvious longitudinal and horizontal heterogeneity，developed interlayer，high quartz and other brittle high mineral contents，thermal maturity，near to 3.8%Ro，configured pore and micro fractures，good shale reservoir property，and great exploration and development potential.

heterogeneity；mineral composition；Longmaxi Formation；shale reservoirs；Sichuan Basin

國家自然科學(xué)基金項目“頁巖油、氣甜點地質(zhì)構(gòu)成要素研究”（41472123）

TE122

A

10.6056/dkyqt201602003

2015-11-08；改回日期：2016-01-15。

曾靖珂，女，1991年生，在讀碩士研究生，主要研究方向為非常規(guī)油氣勘探。E-mail：524734346@qq.com。

引用格式：曾靖珂，潘仁芳，金曉凡，等.頁巖儲層非均質(zhì)性分析：以四川長寧地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組為例［J］.斷塊油氣田，2016，23（2）：146-150. ZENG Jingke，PAN Renfang，JIN Xiaofan，et al.Research of shale reservoir heterogeneity：a case of Lower Silurian Longmaxi Formation in Changning Area，Sichuan Basin［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（2）：146-150.