海相富有機質頁巖儲層壓力預測方法
——以涪陵頁巖氣田上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為例

王鵬威，陳 筱，劉忠寶，杜 偉，李東暉，金武軍，王濡岳

（1. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100083； 2. 中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室，北京 100083；3. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 4. 中國海洋石油國際有限公司，北京 100027）

頁巖儲層壓力與頁巖氣富集、產能及鉆井過程中地質災害等諸多環(huán)節(jié)息息相關，目前已引起國內外學者和油氣勘探工作者的廣泛關注［1-5］?？碧綄嵺`表明，國內外典型頁巖產氣區(qū)普遍發(fā)育異常高壓，而且異常高壓對頁巖氣產能具有明顯的控制作用［6-8］，如四川盆地內斜坡和向斜區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖主要表現為異常高壓，頁巖氣產能相對較高，但盆地邊緣的常壓區(qū)，頁巖氣產能較低［3-4］。目前，頁巖儲層異常對頁巖氣富集控制作用的研究已取得了重要進展。異常高壓對頁巖儲層儲集空間的改善和保存具有積極的作用：四川盆地及周緣五峰組-龍馬溪組頁巖異常高壓儲層壓力系數從川東南向川中遞增，但頁巖壓實程度依次減弱，即異常高壓可以通過支撐部分上覆巖體荷重保存原生孔隙，此外異常高壓有利于烴源巖釋放有機酸，促進儲層次生孔隙的發(fā)育［9-13］。四川盆地龍馬溪組頁巖氣的勘探開發(fā)實踐可以證實儲層異常高壓通常意味著良好的保存條件，在超壓條件下五峰組-龍馬溪組頁巖有機質孔隙以球形為主，孔徑大、連通性好；常壓條件下主要為定向分布的扁平狀中孔，孔徑較?。?-2，14-16］。此外，異常壓力對頁巖氣賦存狀態(tài)及頁巖含氣性具有積極貢獻，在一定范圍內，吸附氣含量隨地層壓力升高而增大；游離氣含量也隨壓力增大而呈線性增加，有利于頁巖氣富集和高產［17-19］。

Eaton 法是目前最基本的超壓預測和判別方法之一，其主要是在無機孔隙壓實原理的基礎上運用聲波測井計算地層壓力［20］。目前該方法不考慮頁巖儲層有機孔隙發(fā)育與演化，可導致“異常壓力”的假象或異常壓力偏大等問題，從而嚴重制約了頁巖氣富集規(guī)律等理論研究及頁巖氣勘探實踐。因此，加強頁巖儲層壓力預測方法的研究對深入認識頁巖氣富集機理和加快頁巖氣勘探開發(fā)尤為關鍵。本文在前人研究的基礎上提出了一種適用于海相富有機質頁巖的壓力評價方法，并以四川盆地涪陵頁巖氣田焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖為例，驗證了該方法的可靠性，以期為海相頁巖氣理論研究和超壓及常壓頁巖氣勘探實踐提供支撐。

1 評價方法

1.1 評價原理

前人研究表明，頁巖有機孔隙發(fā)育主要受干酪根類型、有機質豐度、熱演化程度、有機質物理化學結構、成巖作用和構造作用等的控制［21-25］。盡管頁巖有機孔孔隙大小、幾何形態(tài)、數量，以及不同大小孔隙的比例等在不同的熱演化階段會有所差異［26-29］，但是，總體而言，有機孔孔隙度隨熱演化成熟度具有先增大（鏡質體反射率Ro=1.3 %～2.0 %）、再快速減小的趨勢（Ro＞2.0%）［27，29］。在不考慮膠結作用、粘土礦物轉化、溶蝕作用等成巖作用的前提下，頁巖儲層無機孔孔隙度主要在壓實作用控制下隨埋深增加而逐漸降低，頁巖總孔隙度（有機孔+無機孔）在埋深過程中也會發(fā)生相應的變化（圖1）。因此，既存在異常高壓也存在有機孔隙發(fā)育的富有機質頁巖聲波時差響應可認為由兩部分組成：一部分是有機孔隙發(fā)育；一部分是異常壓力。因此，為了準確獲取異常壓力的聲波時差響應，有必要對有機孔隙發(fā)育造成的聲波時差進行校正。

圖1 富有機質頁巖孔隙演化理論模型［27，29］Fig.1 Conceptual model of pore evolution in organic-rich shale［27，29］

1.2 巖石物理模型

前人對全球海相頁巖礦物組成分析表明，由于不同區(qū)域內沉積環(huán)境不同，頁巖的物質組成存在差異［30］，但總體而言，頁巖儲層的物質組成可歸納為無機部分和有機部分（圖2）。無機礦物主要包含脆性礦物和粘土礦物。常見脆性礦物顆粒表面多為水潤濕，所以脆性礦物孔主要為水和游離氣的富集空間；粘土礦物表面顯現親水性特征，優(yōu)先吸附和儲集水分子，所以粘土礦物孔是束縛水的主要賦存空間［31］。粘土礦物對氣體的吸附能力受粘土表面水膜的影響較大，前人通過對比干燥條件和濕潤條件下粘土礦物吸附能力發(fā)現，粘土的吸附能力隨含水飽和度的增大而急劇降低［31-32］。因此無機部分的流體組成主要為束縛水、自由水、游離氣及部分吸附氣。有學者提出有機質潤濕性與其熱成熟度有關［31］，即不同熱演化階段有機質中干酪根的潤濕性存在一定差異：低成熟度有機質主要表現為親水，中等熱演化則為混合潤濕，高熱演化干酪根顆粒表面為親油，因此，高-過成熟有機孔隙是氣態(tài)烴類的主要儲集空間。

圖2 頁巖儲層巖石物理模型（據文獻［31］修改）Fig.2 Petrophysical model of organic-rich shale reservoirs（modified from reference［31］）

1.3 方法推導

假設頁巖儲層孔隙主要由無機孔隙和有機孔隙構成，則儲層總孔隙度可表達為：

式中：Φ，Φm和Φo分別為總孔隙度、無機孔孔隙度和有機孔孔隙度，%。

根據孔隙模型可建立頁巖聲波時差體積模型：

式中：Δt，Δtm和Δtf分別為實測聲波時差、巖石骨架的聲波時差和孔隙流體的聲波時差，μs/ft。

公式（2）右邊第二項流體的聲波時差響應可進一步拆分為常壓孔隙流體部分和超壓孔隙流體部分。后者即為異常壓力的測井響應，則公式（2）可變?yōu)椋?/p>

式中：Δtnf為常壓流體的聲波時差，μs/ft；Δt(p)為異常壓力的聲波時差響應，μs/ft。

將公式（1）代入公式（3）可得：

式中：Δtnfm和Δtnfo分別為無機孔隙內流體和有機孔隙內流體的聲波時差，μs/ft。

公式（5）等式右側的第三項為有機孔發(fā)育造成的聲波時差響應，為了消除該項對異常壓力計算的影響，需要將該項從原始聲波測井曲線中剔除，獲得校正后的聲波時差曲線：

將校正后的曲線代入Eaton模型，可獲得適用于海相富有機質頁巖的壓力預測模型：

式中：p，S和pn分別為流體壓力，上覆地層壓力和靜水壓力，MPa；Δtn為正常壓實的聲波時差，μs/ft；3為Eaton指數。

2 實例應用

2.1 地質背景

涪陵頁巖氣田位于四川盆地齊岳山斷裂以西，構造位置上是石柱復向斜、方斗山復背斜和萬縣復向斜等多個構造單元的結合部位（圖3）。該構造單元整體呈北東向展布，發(fā)育了北東向斷裂系統(tǒng)，包括大耳山、石門-金坪、吊水巖、天臺場等斷裂，及北西向斷裂系統(tǒng)，如烏江斷層。以石門-金坪斷裂為界，該區(qū)塊構造上可劃分為南北兩帶，北帶可進一步劃分為焦石壩斷背斜、江東斜坡及烏江斷背斜等，南帶可進一步劃分為石門-金坪斷背斜及白馬向斜等多個次級構造單元。涪陵頁巖氣田上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組主要為深水陸棚相黑色頁巖，橫向上巖性變化小，分布穩(wěn)定，連續(xù)厚度介于80～120 m。五峰組-龍馬溪組一段下部為優(yōu)質頁巖段，以灰黑色硅質頁巖和炭質頁巖為主，厚度介于38～45 m。五峰組-龍馬溪組一段下部頁巖總有機碳含量（TOC）介于3.0 %～6.0 %，處于高-過成熟階段（Ro=2.5 %～3.0 %），孔隙度介于2.8%～7.1%，脆性礦物含量高［33］。

圖3 四川盆地涪陵頁巖氣田構造位置（a）和五峰組底部構造圖（b）Fig.3 Structural location（a）and diagram showing the bottom structure of the Wufeng Formation（b）of Fuling shale gas field，Sichuan Basin

有機質孔隙在五峰組-龍馬溪組一段下部富有機質頁巖中廣泛發(fā)育，是重要的儲集空間類型［15，34-36］。主要發(fā)育在藻類體、固體瀝青以及生物碎屑中（圖4）。藻類體內部的有機質孔隙多呈現局部發(fā)育且發(fā)育密度較高，孔隙多為不規(guī)則狀（圖4a）。固體瀝青內的有機質孔隙主要發(fā)育在中心部位，孔隙形態(tài)受控于固體瀝青形態(tài)，主要為橢球形或近圓形（圖4b，c），其面孔率可達30%～40%。

圖4 四川盆地焦頁A井龍馬溪組頁巖有機質孔隙SEM照片Fig.4 SEM images of the Wufeng-Longmaxi shale in Well Jiaoye A，Sichuan Basin

涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖氣產層既有為超壓氣層，也存在常壓氣層，氣層壓力系數介于1.00～1.55，異常高壓主要來源于頁巖生氣作用所造成的流體膨脹［17-18，29，37-41］，且與不同構造單元的構造活動和保存條件有關［1-2，33］。焦石壩背斜區(qū)構造穩(wěn)定，氣藏保存條件較好，實測五峰組-龍馬溪組地層壓力系數高達1.55。平橋北和平橋東鉆井揭示的地層壓力系數較高，其中焦頁187-2HF 井測試壓力系數1.59。江東區(qū)塊構造較為穩(wěn)定，五峰組-龍馬溪組地層壓力系數可大于1.30，屬超壓地層。白馬區(qū)塊白馬向斜五峰組-龍馬溪組實測地層壓力系數高，其中焦頁7HF 井壓力系數為1.39，焦頁107-2HF 壓力系數為1.44。白濤區(qū)塊構造變形強烈、斷裂發(fā)育，頁巖氣保存條件差，多口評價井表現為常壓特征，壓力系數在0.99～1.25。

2.2 孔隙壓力預測

2.2.1 孔隙壓力計算參數

本次共采用6 口井（焦頁A、焦頁B、焦頁C、焦頁D、焦頁E和焦頁F）的現場測試壓力數據對模型進行驗證。五峰組-龍馬溪組頁巖處于高-過成熟階段且天然氣化學組分以甲烷為主（97.22% ~ 98.47%）［42］，結合1.2節(jié)的前提條件假設五峰組-龍馬溪組頁巖有機孔隙被甲烷飽和，所以流體聲波時差值為249.326 μs/ft。由于粘土礦物成分復雜，粘土礦物聲波時差較難確定，龍馬溪組頂部⑧小層泥巖段粘土含量高、有機質含量低（可忽略），據此本文借用該段頁巖聲波時差作為五峰組-龍馬溪組粘土礦物聲波時差（約為73.152 μs/ft）。硅質礦物的聲波時差值采用理論值55.474 μs/ft。五峰組-龍馬溪組頁巖有機質含量、有機孔孔隙度、粘土礦物含量和石英含量的計算均參考文獻［43］，其中有機質含量、粘土礦物含量和石英含量的計算結果均利用實測值進行校正。上覆地層壓力根據單井密度測井值確定（表1）。焦石壩地區(qū)8口井的6 114個聲波時差數據用于建立五峰組-龍馬溪組頁巖正常壓實曲線（圖5），其中每口井采用不同的GR 閾值以去除砂巖及碳酸鹽巖層段的影響（表1）。由于五峰組-龍馬溪組頁巖經歷過不同程度的抬升［36］，本次研究采用外包絡線代表五峰組-龍馬溪組頁巖正常壓實曲線（公式8），由此可計算不同深度正常壓實的聲波時差值。

圖5 四川盆地涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖壓實趨勢Fig.5 Compaction trend of the Wufeng-Longmaxi shale in Fuling shale gas field，Sichuan Basin

表1 四川盆地涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組富有機質頁巖相關參數Table 1 Parameters of the Wufeng?Longmaxi organic?rich shale in Fuling shale gas field，Sichuan Basin

焦石壩背斜五峰組-龍馬溪組頁巖正常壓實趨勢與深度的擬合公式：

式中：D為埋藏深度，m。

2.2.2 壓力計算結果及驗證

涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組富有機質頁巖孔隙壓力計算結果表明，本文所提出方法的計算結果與實測壓力相關性較好（R2=0.81）且變化趨勢一致（擬合曲線斜率更接近1）（圖6a），而原始方法計算結果與實測值擬合程度較差（R2=0.55）且二者的變化趨勢存在差異（圖6b）。此外，進一步對比兩種計算結果的誤差可知，新方法的計算誤差相對較小且符合正態(tài)分布的特征（圖7）。由此證實，本文所提出的方法可以用于評價和預測海相富有機質頁巖儲層壓力。

圖6 新方法（a）和傳統(tǒng)方法（b）計算的四川盆地涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組儲層壓力與實測結果對比Fig.6 Comparison between the calculated and measured reservoir pressure in the Wufeng-Longmaxi shale in Fuling shale gas field，Sichuan Basin

圖7 新模型和原始模型計算結果誤差對比Fig.7 Error comparison of calculated results between the new and original models

圖8 對比了新模型與原始Eaton 模型計算的焦頁A井五峰組-龍馬溪組頁巖儲層壓力特征：有機孔隙發(fā)育程度越高，原始聲波時差和校正之后的聲波時差差異越大，從而導致儲層壓力差異越大。以五峰組-龍馬溪組底部頁巖（埋深2 395～2 415 m）為例，計算結果的差值介于1.76～6.37 MPa，平均值為4.54 MPa。由此說明，對于有機孔隙發(fā)育程度較高的海相頁巖，有必要考慮有機孔隙發(fā)育對壓力預測的影響。

圖8 四川盆地焦頁A井五峰組-龍馬溪組孔隙壓力計算結果Fig.8 Results of calculated pressure of the Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in Well Jiaoye A，Sichuan Basin

利用該方法計算了焦石壩一期產建區(qū)30 口井五峰組-龍馬溪組①—③小層頁巖儲層壓力，并據此預測了該地區(qū)壓力分布規(guī)律（圖9）。整體而言，五峰組-龍馬溪組地層壓力在研究區(qū)中部相對較高，靠近南部烏江斷裂、東南部大耳山西斷裂、西部吊水巖-天臺場斷裂等區(qū)域相對較低，這與前人研究認為該地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣保存條件相關［1-2］。

圖9 四川盆地焦石壩一期產建區(qū)五峰組-龍馬溪組①—③小層富有機質頁巖壓力預測結果Fig.9 Pressure prediction of ①-③intervals in the Wufeng-Longmaxi organic-rich shale in Phase I Production Zone in Jiaoshiba area，Sichuan Basin

為了進一步驗證預測壓力的可靠性，本文采用一點法計算單井頁巖氣無阻流量（代表單井產能）［44］，并對比了預測地層壓力與無阻流量的相關關系（圖10）。結果表明，單井無阻流量隨地層壓力的增大而增加，二者具有良好的正相關關系，由此推測本文所提出的頁巖儲層壓力預測方法具有較高的可靠性。

圖10 四川盆地焦石壩一期產建區(qū)五峰組-龍馬溪組①—③小層預測孔隙壓力與頁巖氣產能對比Fig.10 Predicted pressure vs. production capacity of ①-③intervals in the Wufeng-Longmaxi organic-rich shale in Phase I Production Zone in Jiaoshiba area，Sichuan Basin

3 討論

本文在前人研究基礎上考慮富有機質頁巖有機孔隙發(fā)育對儲層壓力預測的影響，并提出了海相頁巖儲層壓力評價方法。運用該方法評價了涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖儲層壓力，并證實了評價方法的必要性和可靠性。國內外學者已經對異常壓力成因機制展開了大量研究，并進行了全面總結，將超壓成因機制分為三大類：壓應力增加（壓實不均衡和構造擠壓）、孔隙或者巖石骨架體積改變（生烴作用和烴類裂解成氣、粘土礦物脫水、水熱增壓等）、流體流動或者浮力作用［45-56］。該方法是以頁巖儲層中有機孔隙和異常壓力共存為假設條件建立的頁巖儲層壓力預測方法，主要針對生烴增壓所造成的異常高壓。目前關于異常壓力研究主要集中于成因機制的判斷，而定量表征不同成因機制的異常壓力的方法相對較少，Eaton方法以有效應力概念為依據，主要用于計算與孔隙度異常相關的壓力成因機制（如欠壓實），因此利用該方法計算生烴增壓造成的異常壓力會存在一定的誤差［54］。但目前由于測試數據有限，該方法需要更多數據進行驗證。

富有機質頁巖的聲波測井是對多種地質因素的綜合響應，如異常高壓、有機質富集和含油氣性等因素都可能造成聲波時差異常［55-56］，其中有機質含量是影響頁巖中聲波速度的重要因素，因此有必要考慮有機質所造成的聲波時差異常。但本文所提出的模型沒有單獨計算有機質造成的聲波時差異常［公式（2）和（3）］），這是因為本文主要考慮有機孔隙發(fā)育對異常壓力評價的影響，因此將有機質視為特殊“礦物”，將其對聲波時差的影響考慮在正常壓實曲線當中。此外，富有機質頁巖中有機質的賦存狀態(tài)比較復雜，多與粘土礦物共生且緊密結合，形成有機質-粘土礦物復合體［57］。聲波在其中傳播具有一定的復雜性，目前尚無明確報道［58］。因此該方法沒有考慮有機質的聲波響應，由此可能造成一定的計算誤差。

4 結論

1）在前人研究的基礎上提出了一種適用于海相富有機質頁巖的儲層壓力預測方法，該方法以有機孔隙和異常壓力共存為前提，計算了有機孔隙的聲波測井響應，并對聲波測井曲線進行了校正，建立了新的壓力預測模型。

2）以涪陵頁巖氣田為例對新方法進行了驗證。計算結果表明，相對于原始計算方法，該方法的計算結果與實測壓力數據擬合程度更高，計算誤差相對較小且符合正態(tài)分布，由此說明該方法適用于海相頁巖儲層壓力預測。預測的焦石壩一期產建區(qū)地層壓力總體具有背斜中間高、周緣低、東南側局部具有高值的特征，該結果與無阻流量具有良好的相關性，進一步證實了該方法的可靠性。