頁巖氣儲層含水飽和度影響因素及計算方法
——以焦石壩區(qū)塊五峰組—龍馬溪組為例

王建波 馮明剛 嚴 偉 劉 帥

（中國石化勘探分公司，四川 成都 610041）

0 引言

涪陵頁巖氣田位于重慶市涪陵區(qū)焦石鎮(zhèn)，構(gòu)造位置位于四川盆地川東褶皺帶的東南部，整體構(gòu)造平緩。焦石壩地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲集物性較好，有機孔和無機孔發(fā)育，儲集空間具有多樣性［1］，發(fā)育大量基質(zhì)孔隙和微裂縫，天然氣主要以游離氣和吸附氣賦存于暗色頁巖中，是典型的“自生自儲”系統(tǒng)，具有頂?shù)装鍡l件好并且后期構(gòu)造作用相對較弱的特征，屬于中深層、高壓的優(yōu)質(zhì)頁巖氣藏［2］。焦石壩地區(qū)頁巖儲層主要發(fā)育于龍馬溪組龍一段和五峰組，巖石類型豐富［3-7］。由于頁巖儲層在黏土礦物含量、孔隙類型以及黃鐵礦等方面的特殊性，地層水以復(fù)雜多樣的形態(tài)存在于地層中，這增加了頁巖氣儲層含水飽和度評價的難度。筆者在調(diào)研國內(nèi)外頁巖氣儲層含水飽和度評價相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，進一步研究影響頁巖氣儲層含水飽和度的因素，并結(jié)合分析化驗資料對研究區(qū)實際測井資料進行處理和評價，分析常規(guī)飽和度評價方法的適用性。

1 影響因素分析

巖石的礦物成分及表面性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙比表面是影響油氣飽和度的關(guān)鍵因素。一般而言，地層中礦物顆粒越細，孔隙結(jié)構(gòu)越差，喉道越細，含水飽和度越大［8-9］。針對焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組的頁巖而言，黏土礦物、孔隙類型和黃鐵礦是影響地層含水飽和度評價和計算的主要因素［10］。

1.1 黏土礦物的影響

黏土礦物是頁巖的重要組成成分之一。根據(jù)研究區(qū)X1 井五峰組— 龍馬溪組全巖X 射線衍射分析（圖1a、圖1b），黏土礦物隨著深度增加逐漸減少，含量介于16.6%～62.8%、平均值為40.9%，以伊蒙混層（含量介于25%～85%、平均值為54%）和伊利石（含量介于12%～68%，平均值為40%）為主，綠泥石次之（含量介于1%～20%、平均值為6%）。

圖1 X1井五峰組—龍馬溪組頁巖礦物成分和黏土礦物成分分布圖

黏土礦物顆粒直徑只有幾百納米至幾微米，具有較大的比表面積和較強的表面自由能［11-12］及很強的吸附能力。伊利石和蒙脫石表面具有較強的吸水性，引起地層巖石的親水性［8，13-14］，從而在其表面形成一種薄膜束縛水。研究區(qū)黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，容易在地層巖石中形成較高的束縛水飽和度。另外，黏土礦物內(nèi)部和黏土礦物之間發(fā)育一種微細的黏土礦物粒間孔和粒內(nèi)孔（圖2）。這類孔隙具有體積小、數(shù)量多、吸附性強的特點，在氣驅(qū)水的過程中部分毛細管束縛水滯留于此類孔隙中［15-16］，所以黏土礦物孔是頁巖氣儲層束縛水的主要賦存空間［17］（圖2）。

圖2 各種類型孔隙及黃鐵礦氬離子拋光掃描電鏡照片

地層巖石的親水性和黏土礦物孔的強吸附性導(dǎo)致黏土礦物表面和孔隙中優(yōu)先吸附和儲集水分子，對頁巖氣的賦存和運移有一定的阻礙作用。黏土礦物表面和孔隙中所吸附和儲集的水分子通常以孔隙水、吸附水、層間水和結(jié)構(gòu)水4 種形式存在［18］，除孔隙水外，其余3種水均為束縛水，使得黏土礦物含量高的地層中束縛水含量較高。這一因素會導(dǎo)致頁巖氣儲層的含水飽和度比常規(guī)天然氣略高。

1.2 孔隙類型的影響

應(yīng)用納米CT 掃描和氬離子束拋光掃描電子顯微鏡對研究區(qū)的巖樣進行觀察，發(fā)現(xiàn)巖石中存在有機質(zhì)孔、黏土礦物孔、晶間孔以及次生溶蝕孔等孔隙類型，孔徑介于2～300 nm。

圖3 X1井五峰組—龍馬溪組頁巖孔隙類型構(gòu)成直方圖

焦石壩地區(qū)X1 井五峰組— 龍馬溪組頁巖孔隙構(gòu)成隨著深度增加，從以黏土礦物孔為主逐漸演變到以有機孔為主（圖3）。黏土礦物孔和有機孔占了總孔隙體積的90%以上，其他孔隙類型所占比例較少。除黏土礦物孔外，有機孔對頁巖地層的含水飽和度有較大影響。有機孔是頁巖中有機質(zhì)在熱裂解生烴過程中形成于有機質(zhì)間和有機質(zhì)內(nèi)的孔隙，對頁巖氣的生成和儲集具有重要意義。研究區(qū)有機質(zhì)納米孔是發(fā)育最廣泛的孔隙類型之一，以微孔、中孔為主，孔徑介于1.5～50.0 nm，孔隙形態(tài)為席狀、片狀或管狀，連通性中等，喉道形態(tài)為針管狀，局部呈片狀、斑塊狀，以30 nm 中型納米孔喉為主［19］。有機質(zhì)內(nèi)部納米孔數(shù)量豐富，有機孔之間并不是孤立存在的，而是存在某種程度的連通性。在頁巖生烴過程中，烴源巖中有機質(zhì)生成大量的烴類分子，最終通過有機孔進入基質(zhì)孔隙。部分烴類分子必須克服基質(zhì)孔隙表面束縛水的阻擋，在這個過程中一些束縛水由于受到烴類分子的作用，便會突破巖石的束縛變成自由水分子進入基質(zhì)孔隙中，最終通過排液過程排出儲層［20］。同時，有機孔的表面具有親油氣性，該特點決定有機孔往往相對于黏土礦物孔、黃鐵礦晶間孔等無機孔隙能夠優(yōu)先促使甲烷在其內(nèi)吸附和儲集，是烴類的主要儲集空間［12］293。焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層富含有機孔，形成良好的天然氣導(dǎo)流微通道，致使地層具有較低的含水飽和度。

1.3 黃鐵礦的影響

黃鐵礦一般形成于強還原環(huán)境，經(jīng)常與有機質(zhì)和鈾共生。研究區(qū)龍馬溪組一段地層沉積時期為滯留、缺氧、水體較深的深水陸棚沉積環(huán)境，常見黃鐵礦發(fā)育［21］，含量介于1%～8%，平均值為2%。分布形式多樣，呈草莓團塊狀、分散狀及層狀分布，其中草莓狀黃鐵礦結(jié)核在富含有機質(zhì)的頁巖中較常見，內(nèi)部由許多小的黃鐵礦晶體組成，晶體之間存在微孔隙［22］。由于黃鐵礦具有較強的導(dǎo)電性，表現(xiàn)為極低電阻，電阻率一般分布在1 × 10-1～1 × 10-6Ω · m，從而對地層含水飽和度的計算造成影響。以X4井為例（圖4），層狀分布的黃鐵礦單層厚度一般在10 cm以下，成像圖上呈黑色條帶狀分布，導(dǎo)電能力強，電阻率曲線呈明顯的尖峰狀下降。團塊狀和分散狀黃鐵礦多呈米粒形態(tài)，同一深度同時分布一粒到多粒，但都不是連續(xù)分布，雙側(cè)向電阻率曲線上未見明顯的響應(yīng)。分析認為，在地層含水飽和度較低時，黃鐵礦顆粒表面的附加導(dǎo)電作用對儲層電阻率的影響較強，且明顯大于含水對電阻率的影響。但是，在近似飽含水時，少量的黃鐵礦對儲層電阻率的影響小于含水對電阻率的影響［23］。研究區(qū)的情況屬于后者，導(dǎo)致計算的地層含水飽和度偏高［24-25］。所以，使用Archie 公式及其衍生公式計算地層含水飽和度時必須進行黃鐵礦校正。對于近似呈層狀分布的黃鐵礦，采用與本深度鄰近上下的主要礦物的電阻率作為真實電阻率參與計算；而對于呈分散狀或草莓團塊狀的黃鐵礦，由于其含量較低，對地層電阻率的影響較小，可以忽略其對地層含水飽和度計算的影響。

圖4 X4井黃鐵礦電性特征圖

2 評價方法

焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層孔隙度較高，平均值在4.0%以上，游離氣含量在總含氣量中占較大的比重，游離氣與吸附氣的比值平均為6∶4。因此對儲層含水飽和度的評價提出了更高的要求，同時儲層含水飽和度的計算精度將對合理評價原始氣藏的游離氣含量具有重要意義。筆者在明確頁巖氣儲層含水飽和度影響因素的基礎(chǔ)上，針對孔隙度—飽和度交會法、Archie 公式及其衍生公式等常規(guī)含水飽和度評價方法的應(yīng)用條件和適用性進行了分析。

2.1 孔隙度—飽和度交會法

在同一個氣藏系統(tǒng)中，針對均質(zhì)性孔隙型儲層，位于氣水界面之上的流體滿足毛細管力作用原理，其束縛流體飽和度與孔隙度的乘積趨于常數(shù)，即孔隙度與飽和度具有明顯的單邊雙曲線規(guī)律。

根據(jù)焦石壩地區(qū)X4 井封蠟巖心實測的原始含水飽和度和孔隙度進行二者的雙曲線相關(guān)性分析（圖5），建立巖心分析孔隙度與含水飽和度之間的關(guān)系式：

式中，Sw為含水飽和度，%；?為巖心分析孔隙度，%。

通過式（1）計算得到含水飽和度，計算結(jié)果如圖6所示。

2.2 Archie公式及其衍生公式

2.2.1 Archie公式

圖5 X4井封蠟巖心實測孔隙度與含水飽和度關(guān)系圖

Archie公式通過對大量砂巖樣品進行測量，首次提出了測井解釋中兩個最基本的參數(shù)和兩個最基本的解釋關(guān)系式，從而形成經(jīng)典的Archie公式［26］：

式中，Rw為地層水電阻率，取值為0.046 Ω · m；Rt為地層電阻率，Ω·m；a 為巖性系數(shù)；m 為孔隙度膠結(jié)指數(shù)；b為飽和指數(shù)；n為飽和度指數(shù)。

對X2 井五峰組—龍馬溪組11 塊巖樣進行巖心地層因素F 和電阻率增大系數(shù)I 測量，通過F-?、I-Sw關(guān)系擬合確定巖電參數(shù)a為1.05、m為1.53、b為1.01、n為1.93。

2.2.2 Simandoux公式

Simandoux 公式是基于均勻分布的黏土混合泥質(zhì)砂巖建立的，將泥質(zhì)巖石的導(dǎo)電性看成是泥質(zhì)和純巖石兩部分并聯(lián)導(dǎo)電的結(jié)果，認為泥質(zhì)以黏土混合物的形式均勻分布在地層中［27］，如式3所示：

圖6 X4井測井計算與巖心分析含水飽和度對比圖

式中，Rsh為頁巖電阻率，Ω·m；Vsh為黏土含量，%。

根據(jù)研究區(qū)五峰組—龍馬溪組地層特點，Rsh取值為15 Ω ·m，Vsh通過常規(guī)測井解釋獲得，最終得到黏土校正后的含水飽和度。

2.2.3 Total Shale公式

Total Shale 公式是斯倫貝謝公司在Simandoux 公式的基礎(chǔ)上進行改進后的模型［28］，如式4所示：

在Simandoux 公式的基礎(chǔ)上，Total Shale 公式考慮了飽和度指數(shù)n，并在純砂巖項中去除了泥質(zhì)體積的影響，提高了飽和度計算精度。

2.2.4 實例分析

利用X4 井的封蠟樣巖心分析結(jié)果，對上述4 種方法得到的飽和度值進行刻度，計算的含水飽和度存在明顯差異（圖6），最大處計算結(jié)果相差20%。通過對4 種方法的對比，孔隙度—飽和度交會法得到的含水飽和度最高，Archie 公式次之，Simandoux 公式計算的含水飽和度更低，Total Shale 公式最低。這4種方法計算的含水飽和度變化趨勢與巖心分析結(jié)果基本一致，隨著深度增加含水飽和度越來越低。

利用孔隙度—飽和度交會法計算地層含水飽和度存在如下局限：①實驗室分析的巖心飽和度樣品為封蠟樣，不是密閉取心樣，其巖心分析的含水飽和度并不能完全代表氣藏地層的原始含水飽和度，影響含水飽和度的測量精度，導(dǎo)致孔隙度與飽和度之間的相關(guān)性變差；②樣品的孔隙度分布范圍較小，介于4%～7%，缺少低孔隙度（孔隙度小于4.0%）和高孔隙度（孔隙度大于7%）儲層段的樣品，導(dǎo)致孔隙度與飽和度之間的單邊雙曲線規(guī)律代表性不夠，從而影響地層含水飽和度的計算精度。

同樣，利用Archie 公式及其衍生公式估算地層含水飽和度均存在各自的局限性：①Archie 公式中充分考慮了a、m、b、n 等巖電參數(shù)；而Simandoux公式中認為泥質(zhì)含量多的油氣層n 值取2.0，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖地層n 值為1.93，存在一定的差異，對計算結(jié)果將產(chǎn)生影響；Total Shale 公式在Simandoux 公式的基礎(chǔ)上考慮了飽和度指數(shù)n 的影響［29］，提高了計算精度。②Archie 公式是在對大量純砂巖樣品進行實驗的基礎(chǔ)上得到的地層含水飽和度計算模型。雖然焦石壩地區(qū)黏土含量較高，但多為分散狀，少有呈層狀泥質(zhì)，可近似認為地層的導(dǎo)電性仍具有較好的均質(zhì)串聯(lián)導(dǎo)電特征，利用Archie公式計算地層含水飽和度有較好的適用性；而Simandoux公式和Total Shale公式雖然考慮了黏土含量的影響，但是泥質(zhì)與純巖石并聯(lián)導(dǎo)電的模型與研究區(qū)的實際情況存在差異。

3 結(jié)論與建議

1）頁巖地層儲集空間具有多樣性，含水飽和度影響因素較多：地層中黏土礦物含量高，黏土礦物孔中賦存部分束縛水；有機孔大量發(fā)育，連通性好，孔隙表面具有親油氣性；黃鐵礦顆粒表面具有附加導(dǎo)電作用，從而影響電阻率測井。以上因素均影響對頁巖地層含水飽和度的準確評價。

2）焦石壩地區(qū)五峰組— 龍馬溪組儲層孔隙類型構(gòu)成變化較大，隨著深度增加有機孔所占比例增加，黏土礦物孔減少，含水飽和度逐漸減小。

3）對頁巖地層的含水飽和度進行評價時必須充分考慮黃鐵礦和黏土礦物的影響。多種方法計算得到的結(jié)果與巖心分析結(jié)果的變化趨勢基本一致。針對焦石壩地區(qū)頁巖地層均質(zhì)性強、縱向變化小的特點，采用Archie公式計算含水飽和度效果較好。