荊門探區(qū)五峰組–龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及甜點(diǎn)層段評(píng)價(jià)

李小明，柳吉榮，吝 文，馬麗紅，劉德勛，陳宇杰

受煤層氣長(zhǎng)期低效開采工作的延伸和天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域不斷拓展雙驅(qū)動(dòng)，煤系頁(yè)巖氣及煤系“三氣”綜合勘探初見(jiàn)成效?？碧介_發(fā)煤系氣具有安全、能源、環(huán)保三重效益，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要舉措。緊跟行業(yè)典型區(qū)塊成功開發(fā)案例，圍繞煤系氣地質(zhì)條件和資源潛力綜合評(píng)價(jià)、甜點(diǎn)區(qū)優(yōu)選、勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)等主題方向，遴選相關(guān)論文集中發(fā)表，以期促進(jìn)同行交流和類似區(qū)塊煤系氣勘探開發(fā)技術(shù)進(jìn)展。

荊門探區(qū)五峰組–龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及甜點(diǎn)層段評(píng)價(jià)

李小明1，柳吉榮1，吝 文2，馬麗紅1，劉德勛2，陳宇杰1

(1. 華北科技學(xué)院 安全工程中心，北京 101601；2. 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院頁(yè)巖氣研究所，北京 100083)

荊門探區(qū)；五峰組–龍馬溪組；儲(chǔ)層特征；甜點(diǎn)層段

中上揚(yáng)子地區(qū)早古生代海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖是我國(guó)頁(yè)巖氣研究的熱點(diǎn)層系[1-3]，針對(duì)這一主力層系的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)、評(píng)價(jià)方法、甜點(diǎn)預(yù)測(cè)以及勘探開發(fā)取得了一系列重要進(jìn)展[4-6]，在此基礎(chǔ)上建成了涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)等頁(yè)巖氣國(guó)家示范區(qū)，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化開發(fā)。然而大量的理論研究和勘探實(shí)踐工作主要集中在四川盆地南部，鄂中荊門地區(qū)作為四川盆地的外延，下古生界五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖具有厚度大、分布面積廣、有機(jī)質(zhì)豐度高、成熟度高、含氣量大等特點(diǎn)，和四川盆地頁(yè)巖氣聚集條件相似[7-8]，但由于其埋藏深，處于深水陸棚沉積邊緣等特點(diǎn)，勘探開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較大。前人對(duì)荊門區(qū)塊的研究主要集中在有利區(qū)評(píng)選及甜點(diǎn)區(qū)預(yù)測(cè)方面，僅從地質(zhì)角度定性地對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行了研究，頁(yè)巖儲(chǔ)層研究相對(duì)薄弱。

近年來(lái)，中國(guó)石油、中國(guó)石化以及中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局等單位在該區(qū)相繼開展了初步的勘探工作，并取得了寶貴的第一手資料，筆者以區(qū)塊X井測(cè)錄井資料和含氣頁(yè)巖段系統(tǒng)取樣為基礎(chǔ)，通過(guò)多種分析測(cè)試方法，對(duì)區(qū)塊五峰組—龍馬溪組含氣儲(chǔ)層段進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，優(yōu)選儲(chǔ)層綜合有利頁(yè)巖甜點(diǎn)層段，以期為水平井部署提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

荊門探區(qū)位于中揚(yáng)子區(qū)鄂中褶皺帶當(dāng)陽(yáng)復(fù)向斜，屬秦嶺–大別山構(gòu)造帶南緣大洪山?jīng)_斷褶皺帶前緣，為大巴山與大洪山弧形沖斷褶皺帶的前緣過(guò)渡區(qū)，南鄰宜都–鶴峰背斜帶，北鄰巴洪沖斷背斜帶，西鄰黃陵隆起，東靠樂(lè)鄉(xiāng)關(guān)–潛江復(fù)背斜[7]。研究區(qū)整體構(gòu)造簡(jiǎn)單，為北西高東低的斜坡，局部發(fā)育褶皺、裂隙等微構(gòu)造。自下而上發(fā)育震旦系至下三疊統(tǒng)淺海碳酸鹽巖及碎屑巖，地表出露三疊系。其中，上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組發(fā)育了一套深水陸棚相的黑色含筆石炭質(zhì)泥頁(yè)巖[7]，區(qū)內(nèi)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖(TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%)厚度在20 m左右。X井位于當(dāng)陽(yáng)復(fù)向斜巡檢–溪前向斜帶，根據(jù)電性、巖性及生物帶變化特征，將五峰組–龍馬溪組含氣頁(yè)巖段(即五峰組—龍一1亞段)分為6個(gè)小層(五峰組分上下兩段)(圖1)，并根據(jù)相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)討論各小層的儲(chǔ)層特征與差異，優(yōu)選有利的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層段。

2 含氣頁(yè)巖段儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)特征

2.2 頁(yè)巖礦物組成

圖 1 荊門探區(qū)X井五峰組—龍一段綜合柱狀圖

圖2 X井五峰組—龍一段礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2.3 有機(jī)地球化學(xué)特征

2.3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

2.3.2 有機(jī)質(zhì)顯微組分及成熟度

選取32個(gè)巖心樣品處理為干酪根，并在顯微鏡下進(jìn)行有機(jī)質(zhì)鑒定，結(jié)果顯示，樣品中有機(jī)質(zhì)主要呈絮狀無(wú)定形體(可能為藻類、動(dòng)物碎屑等有機(jī)成分)，少量為具有一定規(guī)則形狀的鏡狀體或?yàn)r青。透射光下多為黑色、褐黑色，熒光下不可見(jiàn)(圖4)，干酪根類型指數(shù)為31.00～57.25，為Ⅰ–Ⅱ2型。30件樣品干酪根13C碳同位素值為–27.83‰～–42.33‰，均值為–32.95‰，僅有2件樣品的13C大于–28.0‰，干酪根類型為Ⅰ–Ⅱ1。綜合鏡檢照片、同位素?cái)?shù)據(jù)分析成果得出，該井有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為主。

對(duì)X井的32個(gè)干酪根樣品瀝青質(zhì)反射率進(jìn)行測(cè)定，其中2個(gè)無(wú)可測(cè)顆粒，18個(gè)可測(cè)顆粒較少，瀝青質(zhì)反射率折算后的值為2.24%～3.38%，平均2.71%，表明頁(yè)巖處于過(guò)成熟生氣階段。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖處于有效熱解氣范圍是控制氣源的重要因素，但過(guò)高的熱演化程度會(huì)導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)炭化，有機(jī)孔塌陷，吸附能力降低[11-12]。

2.4 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征與物性

頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙微觀結(jié)構(gòu)包括巖石孔喉大小、形態(tài)、分布及內(nèi)部連通情況。研究?jī)?chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，對(duì)優(yōu)選儲(chǔ)層有利的甜點(diǎn)層段意義重大[13-15]。本文基于核磁共振技術(shù)和CT掃描技術(shù)的快速、無(wú)損檢測(cè)特點(diǎn)，聯(lián)合分析孔隙結(jié)構(gòu)特征。

圖3 荊門頁(yè)巖氣探區(qū)五峰組—龍一段頁(yè)巖照片

表1 荊門探區(qū)X井五峰組－龍一段頁(yè)巖礦物組成

圖4 荊門頁(yè)巖氣探區(qū)五峰組—龍一段干酪根顯微組分(埋深3 122.89 m，層位為龍一)

2.4.1 核磁共振分析

核磁共振可確定儲(chǔ)層的孔隙率、飽和度及孔徑大小，定量表征頁(yè)巖孔隙連通性。頁(yè)巖孔徑越小，其T2弛豫時(shí)間越短，T2譜峰的位置反映頁(yè)巖的孔徑大小，峰包絡(luò)的面積與對(duì)應(yīng)孔徑的多少有關(guān)[13-14]。實(shí)驗(yàn)樣品為五峰組—龍一2的13塊頁(yè)巖樣品，飽和溶液礦化度為2%，采用低磁場(chǎng)核磁共振巖心分析儀，實(shí)驗(yàn)參考SY/T 6490—2000《巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量規(guī)范》進(jìn)行。

分析測(cè)試獲得的代表性T2譜如圖5所示，飽和水頁(yè)巖T2譜可分為2類5型，即：雙峰(A類)和三峰(B類)兩類，其中雙峰又可劃分為分離雙峰(A1，圖5a)和連續(xù)雙峰(A2，圖5b)兩型；三峰又分為分離三峰(B1，圖5c)、連續(xù)三峰(B2，圖5d)和連續(xù)—分離三峰(B3，圖5e—圖5f)三型，不同類型的T2譜反映了頁(yè)巖的不同孔徑分布特征，不同類型的T2譜縱向上沒(méi)有顯示出規(guī)律性。

一類一型(A1)分離雙峰型占比較大，為38.5%。飽和水狀態(tài)T2譜呈雙峰，且左右峰完全分離，右峰核磁信號(hào)幅度也遠(yuǎn)小于左峰，左峰T2弛豫時(shí)間分布在0.01～2 ms(微孔)，右峰T2弛豫時(shí)間分布在8～100 ms(中孔、宏孔及微裂縫)，說(shuō)明微孔與中孔、宏孔連通性差，且以微孔發(fā)育為主。

一類二型(A2)連續(xù)雙峰占23.1%。飽和水狀態(tài)T2譜呈雙峰，且左右峰連續(xù)，右峰核磁信號(hào)幅度也遠(yuǎn)小于左峰，左峰T2弛豫時(shí)間分布在0.1～10 ms(微孔、中孔)，右峰T2弛豫時(shí)間分布在10～50 ms(中孔)。說(shuō)明以微孔和中孔發(fā)育為主，且連通性好。

圖5 樣品 T2譜分布

二類一型(B1)分離三峰型占比較小，為7.7%。飽和水狀態(tài)T2譜呈三峰，且左中右峰完全分離，左峰信號(hào)T2弛豫時(shí)間分布在0.01～2 ms(微孔)，且信號(hào)最強(qiáng)，中峰T2弛豫時(shí)間分布在2～10 ms(微孔、中孔)，右峰T2弛豫時(shí)間分布在10～100 ms(中孔、宏孔及微裂縫)。說(shuō)明微孔與中孔、宏孔連通性差，且以微孔發(fā)育為主。

二類二型(B2)連續(xù)三峰型占比較小，為7.7%。飽和水狀態(tài)T2譜呈三峰，且左中右峰連續(xù)，左峰信號(hào)T2弛豫時(shí)間分布在0.01～2 ms(微孔)，且信號(hào)最強(qiáng)，中峰T2弛豫時(shí)間分布在2～10 ms(微孔、中孔)，右峰 T2弛豫時(shí)間分布在10～100 ms(中孔、宏孔及微裂縫)。說(shuō)明微孔與中孔、宏孔連通性好，且以微孔發(fā)育為主。

二類三型(B3)連續(xù)分離三峰型占比23.1%。飽和水狀態(tài)T2譜呈三峰，可分為左中峰連續(xù)、中右峰分離或左中峰分離、中右峰連續(xù)兩種情況，左峰信號(hào)T2弛豫時(shí)間分布在0.01～2 ms(微孔)，信號(hào)最強(qiáng)，中峰T2弛豫時(shí)間分布在2～10 ms(微孔、中孔)，右峰T2弛豫時(shí)間分布在10～100 ms(中孔、宏孔及微裂縫)，以微孔發(fā)育為主。

與干燥樣的T2譜圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2個(gè)譜峰面積之差較大，反映孤立孔主要為小于2 nm的微孔，且信號(hào)強(qiáng)度小，占比非常小。T2譜左峰占比很大，而右峰占比很小，表明頁(yè)巖樣品束縛水飽和度很高，而可動(dòng)流體飽和度很低(表2，圖5)。

表2 X井頁(yè)巖巖心物性測(cè)試成果

注：氣測(cè)測(cè)試條件，測(cè)試氣體為氮?dú)狻y(cè)試圍壓6.89 MPa、孔隙壓力為1.38 MPa；核磁測(cè)試條件為飽和溶液礦化度2%，實(shí)驗(yàn)參考SY/T 6490—2000《巖樣核磁共振參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量規(guī)范》進(jìn)行。

2.4.2 巖心CT掃描分析

微納米CT掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心微觀孔隙類型、孔喉特征、連通性等無(wú)損、直觀可視化描述[15]。實(shí)驗(yàn)儀器為ltraXRM-L200型納米三維立體成像儀，樣品為五峰組—龍一2的4塊頁(yè)巖樣品，掃描分辨率0.064 μm，CT測(cè)試孔隙率見(jiàn)表2，CT孔隙顆粒骨架如圖6所示。在CT掃描圖像中，不同密度對(duì)象有不同的CT值，表現(xiàn)為不同的灰度值，頁(yè)巖礦物顆粒密度最大，圖像中呈現(xiàn)白色或灰白色；而發(fā)育微孔隙、微裂縫的頁(yè)巖密度最小，在圖像中為黑色[12]。為提高圖像視覺(jué)分辨力，突出孔隙骨架，對(duì)頁(yè)巖圖像進(jìn)行偽彩色增強(qiáng)，如圖6所示，可直觀觀察頁(yè)巖的孔隙結(jié)構(gòu)及連通性。

2.4.3 物性特征

本次采用氣測(cè)、核磁、測(cè)井和CT掃描4種方法評(píng)價(jià)儲(chǔ)層物性。

與其他測(cè)試方法相比，7個(gè)巖樣的氣測(cè)孔隙率均偏低，也具有與滲透率正相關(guān)性的特征(圖8)。

4個(gè)樣品的CT孔隙率測(cè)值均較大(表2)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣測(cè)孔隙率結(jié)果，一方面可能是由于氣體吸附測(cè)試主要用于表征連通的孔隙，而納米CT掃描所表征的孔隙包含連通孔和封閉孔，另一方面，對(duì)于孔喉特征相對(duì)復(fù)雜的頁(yè)巖儲(chǔ)層，圖像二值化處理時(shí)在閾值選取中的主觀因素影響較大所致。

圖6 頁(yè)巖樣品顯微CT 圖像的偽彩色增強(qiáng)

圖7 X井核磁孔隙率與滲透率關(guān)系

圖8 X井氣測(cè)孔隙率與滲透率隨深度變化

X井奧陶系臨湘組–龍馬溪組龍一2亞段3 085～3 185 m核磁測(cè)井所獲取的孔隙率如圖1所示。由于塌孔等原因，頁(yè)巖段核磁數(shù)據(jù)受到井眼一定的影響，受影響較小層段3 116～3 121 m核磁總孔隙率4%～11%，有效孔隙率2%～8%，自由流體孔隙率小于2%，孔隙結(jié)構(gòu)主要以小孔隙為主。3 128 m以下碳酸鹽巖段井況良好，核磁總孔隙率低于4%，有效孔隙率基本低于2%，也具有與滲透率呈正相關(guān)性的特征(圖9)。

圖9 X井測(cè)井孔隙率與滲透率隨深度關(guān)系

氣測(cè)、核磁實(shí)測(cè)孔隙率、相對(duì)測(cè)井解釋孔隙率偏小(圖1、表2)，嚴(yán)重低于南方海相頁(yè)巖孔隙率1%～5%[19]，更低于美國(guó)典型含氣頁(yè)巖總孔隙率(多介于1%～10%，平均4.22%～6.51%)[19-20]，受影響較小層段(3 116～3 121 m)的測(cè)井總孔隙率為4%～11%，更符合實(shí)際孔隙率值。但整體變化趨勢(shì)與測(cè)井解釋孔隙率一致，孔隙率與滲透率具有正相關(guān)特征，且與TOC呈高度正相關(guān)，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)為頁(yè)巖氣提供了主要的儲(chǔ)集空間。就所取樣品而言，表現(xiàn)為特低滲特征。

2.5 含氣性特征

2.5.1 含氣量

圖10 X井實(shí)測(cè)含氣量與埋藏深度的關(guān)系

圖11 X井頁(yè)巖TOC與含氣量關(guān)系

2.5.2 頁(yè)巖氣組分

X井五峰組—龍一2段28個(gè)巖心樣品氣相色譜檢測(cè)結(jié)果顯示：3 040～3 140 m井深段，以3 110 m為界顯示出截然不同的頁(yè)巖氣組分組合特征，之上頁(yè)巖氣組分以氮?dú)鉃橹鳎?8個(gè)樣品的氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)為42.46%～96.30%，平均73.90%，其次為甲烷，摩爾分?jǐn)?shù)分布在3.70%～52.08%，平均19.52%；3 110 m之下則以甲烷為主，11個(gè)樣品的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)介于43.22%～98.51%，平均93.74%，氮?dú)饽柗謹(jǐn)?shù)介于0～47.99%。二氧化碳低于10%，乙烷低于2%。五峰組—龍一亞段干燥系數(shù)較高，頁(yè)巖氣品質(zhì)較好(圖12)。

圖12 X井頁(yè)巖氣組分與埋藏深度的關(guān)系

3 甜點(diǎn)層段優(yōu)選

探區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層在縱向上厚度近500 m，且儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，需要優(yōu)選縱向上儲(chǔ)層的甜點(diǎn)層段，以有效指導(dǎo)水平井箱體部位及水平井軌跡的優(yōu)化。

針對(duì)不同勘探區(qū)塊的特點(diǎn)，目前對(duì)儲(chǔ)層甜點(diǎn)層段優(yōu)選的參數(shù)及閾值選取不同。本次針對(duì)X井的評(píng)價(jià)方法和參數(shù)體系主要參考美國(guó)頁(yè)巖氣的勘探成功經(jīng)驗(yàn)[21-22]及國(guó)內(nèi)對(duì)中國(guó)海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[23-24]，結(jié)合X井測(cè)井及巖心分析資料，從地質(zhì)和工程兩個(gè)方面對(duì)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)選開發(fā)甜點(diǎn)層段。地質(zhì)條件主要包括有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、孔隙率、含氣性等；工程條件主要考慮影響壓裂效果的脆性指數(shù)，評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 X井頁(yè)巖儲(chǔ)層分類標(biāo)準(zhǔn)

3.1 地質(zhì)甜點(diǎn)層段優(yōu)選

3.2 工程甜點(diǎn)層段優(yōu)選

表4 X井頁(yè)巖儲(chǔ)層分類評(píng)價(jià)結(jié)果

注：表中0.13～2.67/0.72表示最小～最大值/平均值，其他同。

4 結(jié)論

c. 氣測(cè)和核磁實(shí)測(cè)孔隙率值相對(duì)測(cè)井解釋孔隙率偏小，受塌孔影響較小層段3 116～3 121 m的測(cè)井總孔隙率為4%～11%，更符合實(shí)際孔隙率值。3種孔隙率變化趨勢(shì)一致，孔隙率與滲透率均具有正相關(guān)特征，且均表現(xiàn)為特低滲特征。

d. 飽和水頁(yè)巖核磁共振 T2譜可分為2類5型，不同類型的T2譜所反映的頁(yè)巖孔徑分布特征具有差異性，縱向上無(wú)規(guī)律性。

e. X井3 040～3 140 m井深五峰組—龍一2段以3 110 m為界顯示出截然不同的頁(yè)巖氣組分組合特征，之上以氮?dú)鉃橹鳎柗謹(jǐn)?shù)平均73.90%；之下則以甲烷為主，摩爾分?jǐn)?shù)平均93.74%，干燥系數(shù)較高，頁(yè)巖氣品質(zhì)較好；五峰組—龍一1亞段整體實(shí)測(cè)含氣量大于2.0 m3/t。

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Characteristics of the shale gas reservoirs and evaluation of sweet spots in Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Jingmen exploration area

LI Xiaoming1, LIU Jirong1, LIN Wen2, MA Lihong1, LIU Dexun2, CHEN Yujie1

(1. Safety Engineering Center, North China Institute of Science and Technology, Beijing 101601, China; 2. Department of Shale Gas, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083)

Jingmen exploration area; Wufeng Formation and Longmaxi Formation; reservoir character; sweet spot

語(yǔ)音講解

P618.13

A

1001-1986(2021)06-0001-11

2021-04-13；

2021-06-16

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2017ZX05035)；中國(guó)石油天然氣股份有限公司重點(diǎn)項(xiàng)目(2017B49，2019F–31)

李小明，1970年生，男，山西大同人，博士，教授，從事非常規(guī)油氣地質(zhì)方面的教學(xué)和研究. E-mail：lixm@ncist.edu.cn

馬麗紅，1983年生，女，內(nèi)蒙赤峰人，碩士，講師，從事礦物巖石方面的教學(xué)和研究. E-mail：Malh@ncist.edu.cn

李小明，柳吉榮，吝文，等. 荊門探區(qū)五峰組–龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及甜點(diǎn)層段評(píng)價(jià)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：1–11. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.001

LI Xiaoming，LIU Jirong，LIN Wen，et al. Characteristics of the shale gas reservoirs and evaluation of sweet spots in Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Jingmen exploration area[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：1–11. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.06.001

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(責(zé)任編輯 范章群)