Question

页岩储层特征

Answer 1

页岩本身既是烃源岩又是储集层，是一种典型的“原位饱和成藏”机制形成。生物化学生气阶段，天然气或油裂解气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面或聚集在有机质孔隙内，原位滞留饱和后，过饱和的天然气以游离相或溶解相，向外初次运移到上覆无机质页岩地层的孔隙中聚集，一部分以游离相存在于粒内、粒间孔或裂缝中，再饱和后，一部分天然气二次运移到常规储集层，形成常规天然气藏(图5-9)。

图5-9 页岩气形成机理与饱和成藏模式

一、岩石矿物组成

脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成树状或网状结构缝，有利于页岩气开采。而高粘土矿物含量的页岩塑性强，吸收能量强，以形成平面裂缝为主，不利于页岩体积改造。

美国产气页岩中石英含量为28%～52%，碳酸盐含量为4%～16%，总脆性矿物含量为46%～60%。Halliburton(2008)对北美地区多套页岩的统计及Jarvie(2007)对Barnett页岩矿物组成的分析(Daniel， et al.，2008;Jenking，2008)，认为页岩岩矿组成不存在统一模式，如路易斯安那地区位于二级层序海进体系域中的侏罗系Haynesville页岩，自下而上可划分为3个基本类型:生物碎屑泥灰岩、纹层状页岩及硅质页岩，其矿物组成粘土矿物含量为50%，石英和方解石含量为50%。加拿大三叠系Montney页岩，由纹层泥质粉砂岩、富有机质页岩互层组成，陆源碎屑石英含量呈现纵向波动变化。斯伦贝谢公司利用ECS(元素俘获能谱)测井及SpectroLith岩性处理解释技术分析同样说明(图5-10)，北美产气页岩矿物组成特征与Barnett页岩有很大区别。Barnett页岩以硅质含量高为特征，Eagle Ford页岩碳酸盐含量高(50%以上)。因此，富有机质页岩储层发育分布特征受沉积环境控制，不同沉积模式下的富有机质页岩储层矿物组有较大变化。

图5-10 北美页岩储层岩石矿物组成对比

中国海相页岩、海陆过渡相炭质页岩、湖相页岩3种页岩类型，脆性矿物含量总体比较高，均达到40%以上，如上扬子区古生界海相页岩石英含量为24.3%～52.0%，长石含量为4.3%～32.3%，方解石含量为8.5%～16.9%，总脆性矿物含量为40%～80%(表5-4;图5-11);四川盆地须家河组粘土矿物含量一般为15%～78%，平均为50%左右;石英、长石等脆性矿物含量一般为22%～86%，平均为50%左右。鄂尔多斯盆地上古生界含煤层系炭质页岩石英含量为32%～54%，平均48%，总脆性矿物含量为40%～58%;鄂尔多斯盆地中生界湖相页岩石英含量为27%～47%，平均40%，总脆性矿物含量为58%～70%。岩石矿物组成对页岩气后期开发至关重要，具备商业性开发的页岩，一般其脆性矿物含量要高于40%，粘土矿物含量小于30%。

表5-4 中国四川盆地与北美页岩地质条件对比

图5-11 四川盆地下古生界富有机质页岩矿物组成百分含量

二、页岩储层孔渗与微裂缝特征

1.孔渗特征

页岩孔隙大小从1～3nm至400～750nm不等(Robert， et al.，2009)，比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体。页岩储层孔隙度、渗透率具有明显的正相关性，是页岩含气性的重要控制因素，如EagleFord页岩储层充气孔隙度高达10%，含气饱和度高达80%，相应的渗透率高达0.1×10^-3μm²，为优质页岩储层。中国海相富有机质页岩微孔-纳米孔十分发育(图5-12)，既有粒间孔，也有粒内孔和有机质孔，尤其有机质成熟后形成的纳米级微孔甚为发育，这些纳米级微孔是页岩气赋存的主要空间。四川盆地华蓥山红岩煤矿龙马溪组和威远地区筇竹寺组页岩实测结果:龙马溪组页岩孔隙度为2.43%～15.72%，平均4.83%;筇竹寺组页岩孔隙度为0.34%～8.10%，平均3.02%。鄂尔多斯盆地中生界湖相页岩实测孔隙度为0.4%～1.5%，渗透率为(0.012～0.653)×10^-3μm²。

有利页岩气储层与一定区域地质背景下的构造、沉积、有机地球化学特征密切相关，如目的层大多为含油气系统中主力烃源岩，尤其以海进体系域黑色页岩为佳，有机质以倾油的Ⅱ型干酪根为主，且现今处于大量生气阶段或充注过程中，既保存了较高的残余有机质丰度，储集大量吸附气，又能够增加一定孔隙度，容纳足够数量的游离气，同时有助于提高基质系统的渗透性(王正普等，2007)，使得页岩储层品质提高，形成优质页岩储层。

2.微裂缝

裂缝的发育可为页岩气提供充足的储集空间，也可为页岩气提供运移通道，更能有效提高页岩气产量(程克明等，2009;张金川等，2004;Hill， et al.，2000;Bowker，2002;Hill，2002)。在不发育裂隙的情况下，页岩渗透能力非常低。石英含量高低是影响裂缝发育的重要因素，富含石英的页岩段脆性好，裂缝的发育程度比富含方解石的泥页岩更强。Nelson认为，除石英外，长石和白云石也是泥页岩中易脆组分。一般页岩中具有高含量的粘土矿物，但暗色富有机质页岩中的粘土矿物含量通常则较低。页岩气勘探必须寻找能够压裂成缝的页岩，即页岩的粘土矿物含量足够低(＜50%)、脆性矿物含量丰富，使其易于成功压裂。

中国海相页岩、海陆交互相炭质页岩和湖相页岩均具有较好的脆性特征，无论是野外地质剖面还是井下岩心观察，发现其均发育较多的裂缝系统。如:上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩性脆、质硬，节理和裂缝发育，在三维空间成网络状分布，岩石薄片显示，微裂缝细如发丝，部分被方解石、沥青等次生矿物充填;鄂尔多斯盆地上古生界山西组岩心切片可看到呈网状分布的微裂缝;鄂尔多斯盆地中生界长7段黑色页岩页理十分发育，风化后呈薄片状。

三、页岩储层含气性

根据含气性，页岩气区带可划分为核心区、外围区。页岩含气量是衡量页岩气是否具经济开采价值和进行资源潜力评估评价的重要指标，页岩含气量包括游离气、吸附气及溶解气等。哈里伯顿公司(2009)认为商业开发远景区页岩含气量最低为2.8m³/t。北美已实现商业开发的页岩气，其含气量最低约为1.1m³/t，最高达9.91m³/t(表5-4)。吸附气部分主要与有机质、粘土矿物相关，游离气部分主要与基质孔隙相关。图5-13说明页岩吸附能力与有机质含量呈现正相关关系。

图5-12 四川盆地下古生界页岩有机质微孔-纳米级孔隙分布特征

图5-13 Barnett页岩含气量与有机质丰度TOC关系

①1scf(标准立方英尺)=0.0283168m³

需要强调的是，从页岩生烃、富集成藏机理的角度看，页岩有机质数量与质量等都是页岩含气量的关键影响因素。进一步而言，页岩气藏形成的有机质丰度下限及成熟度就是很关键的问题。目前，斯伦贝谢(Charles Boyer et al.，2006，转引自《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)及Devon等在页岩气藏勘探开发实践中，将TOC含量下限值确定为2.0%。这一选值实际上相当于石油地球化学家在评定源岩等级时所确定的“好生油岩”标准。结合母质类型、热成熟度、矿物组成和岩石结构进行综合分析和判识，对于提高页岩气藏勘探开发的效果非常重要。有机质成熟度R_o大于1.2%往往被普遍作为形成有利的页岩气上限。

实测发现，四川盆地下寒武统筇竹寺组黑色页岩含气量为1.17～6.02m³/t，龙马溪组黑色页岩含气量为1.73～5.1m³/t，与北美产气页岩的含气量(表5-4)相比，均达到了商业性页岩气开发的下限，具备商业性开发价值。由于中国页岩气尚未进入开发阶段，钻探页岩气井少，因此无法获取更多的页岩含气量数据。但根据老井复查结果(程克明等，2009;王兰生等，2009;王社教等，2009;王世谦等，2009;张金川等，2008)，在已往的钻井中，钻遇的黑色页岩段发现了大量的气测显示，有井涌和井喷现象发生，证明页岩段含气性很好。如四川盆地威远地区钻穿筇竹寺组的107口井中，有32口井52个井段出现不同级别的气测显示，威5井在钻至2795～2798m筇竹寺组页岩层段时发生井喷，中途测试获日产2.46×10⁴m³的天然气;钻穿川南地区下志留统龙马溪组页岩层段的15口井中有32个层段见良好气测显示，阳63井3505～3518m龙马溪组页岩段，测试后获日产天然气3500m³。

四、页岩储层评价标准

根据Barnett和Haynesville等北美主要页岩气藏的地质特点，页岩气优质储层一般具备如(表5-5)所示特点，此标准对于开展中国页岩气储层评价具有重要指导意义。

中国页岩勘探开发尚处于起步阶段，页岩气地质条件与美国相比既有相似性，也存在很多差异。因此，对页岩储层评价的标准还不能完全照搬北美页岩气储层评价标准(蒋裕强等，2009)。根据中国南方海相和北方海陆交互相页岩气富集特征，从厚度、地化指标、脆性矿物含量、物性、孔隙流体和力学性质等方面确定的中国页岩储层评价标准(表5-6)为:厚度大于30m，热成熟度为1.1%～4.5%，有机质含量＞2%，具有较好脆性(石英、方解石等脆性矿物含量大于40%，粘土含量小于30%)，有效孔隙度在2%以上，含油饱和度低于5%，岩石杨氏弹性模量在3.03MPa以上，泊松比小于0.25。

表5-5 北美主要产气页岩储层特征

表5-6 中国页岩气储层评价标准