页岩气可采性参数研究

甘 辉，张 虎，宋益滔

(1.四川省煤田地质局一三七队，四川 达州 635000；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500)

页岩气可采性参数研究

甘 辉1，张 虎1，宋益滔2

(1.四川省煤田地质局一三七队，四川 达州 635000；2.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500)

基于我国页岩气地质条件和近年来页岩气勘探实践，对比国外页岩气开发盆地的地质条件，研究了埋深及厚度、TOC含量、矿物组成、物性、储渗空间、孔隙结构、含气量、岩石力学、资源丰度及资源量、地面条件、断层、压力系数、地应力等影响页岩气可采性的主要参数。根据国外页岩气勘探开发成功经验，结合四川盆地页岩气勘探开发实际情况，提出了关键参数门限值，建议对不满足这些门限值的页岩地层进行开采时应慎重，指出单一因素对某一地区的页岩气勘探开发所起的作用也许是至关重要的，但对大多数地区来说，页岩气的可采性取决于各种地质因素的有效配置，参数之间存在一定的互补性。

页岩气 可采性 参数 有效配置

页岩气藏的特殊孔隙结构决定了其具有特殊的渗流方式，孔隙结构的多尺度决定了渗流方式的多尺度，从分子尺度到宏观尺度都由页岩气渗流发生。页岩气的渗流主要是在压降作用、浓度差作用、地层流动势综合作用下发生解吸，解吸气体与基质孔隙混合后一并扩散到裂缝，最终流入井筒的复杂过程[1-3]。页岩气的产出受地质条件、开发技术等多种因素的影响。根据页岩气产出机理，地质因素及开采条件对可采性的影响可系统地归结为埋深及厚度、TOC含量、矿物组成、物性、储渗空间、孔隙结构、含气量、岩石力学、资源丰度及资源量、地面条件、断层、压力系数、地应力等13个方面[4-9]。

美国是世界上页岩气开采利用最好的国家，已经在圣胡安(Lewis页岩)、沃思堡(Barnett页岩)、密歇根(Antrim页岩)、阿帕拉契亚(Ohio页岩)、 伊利诺依(New Albany页岩)等多个盆地投入大规模开发，并形成工业产能。近年来美国主产页岩气层系为Antrim、Barnett、 Fayetteville、 Woodford、 Haynesville、Marcellus、Eagle Ford、Bakken[10]。中国已进行了十多年的页岩气勘探和开发工作，在全国主要盆地都进行过页岩气勘探，建立了四川盆地海相、鄂尔多斯盆地陆相页岩气产业化示范区，现已在四川盆地长宁—威远、富顺—永川、涪陵等地区获得海相页岩气重大突破。为更加深入地认识我国页岩气的地质条件及开发前景，根据美国及近年来四川盆地页岩气勘探开发实践，对页岩气可采性评价参数进行了综合分析。

1 页岩气可采性参数分析

1.1埋深及厚度

页岩气层的埋深是页岩气藏规模开发的主要控制因素之一。埋深太浅，不利于页岩气的保存；埋深太大，对开发成本和开发技术均会提出更高的要求[11]，主要表现在：①钻井、压裂及排采等作业成本增高；②排水的难度增大；③页岩渗透性降低，气井产能低。中国页岩气藏的储层与美国相比有所差异，四川盆地南部的页岩气层埋深要比美国大，美国的页岩气层深度为800～2 600 m，而四川盆地南部页岩气层埋深埋深普遍大于2 000 m。目前美国极个别案例能够在埋深6 000 m左右对页岩气进行开发，而四川盆地页岩气勘探开发实践表明，页岩层埋深为1 500～4 000 m应在页岩气商业开发的埋深范围之内。

与常规油气一样，要形成工业性的页岩气藏，页岩有效厚度需达到一定界限，才能提供足够的有机质及充足的储集空间[12]。一般情况下，海相有效页岩是指有机碳含量大于2%、处于生气窗以上演化阶段的页岩。有效页岩厚度愈大，有机质含量愈大，页岩生气能力愈高，页岩气富集程度愈高。勘探实践与统计表明，具有商业性开采价值页岩有效厚度一般大于30 m。

1.2 TOC含量

有机质丰度一般用有机碳(TOC)来衡量。有机质丰度决定页岩地层的生气能力，研究表明页岩TOC与含气量具有正相关性[13]，在一定程度上决定了是否有可供开采的足够的页岩气。美国产气页岩TOC含量介于0.45%～25%，具有开采价值的页岩气区TOC含量普遍大于2%，平均3%～8%。因此，勘探的首要任务是寻找富有机质页岩。实测四川盆地川南龙马溪组页岩TOC含量为0.04%～8.79%，通常选取TOC含量大于2%的页岩段作为有利开发层段。

1.3矿物组成

矿物成分研究是页岩气吸附储存、裂缝评价、渗流运移、压裂造缝和工艺性能等研究的重要基础。石英长石等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[14]。Barnett页岩若没有高脆性矿物含量的特征，其页岩气储层完井和压裂增产措施不会像目前这样成功。壳牌Shell公司在富顺—永川区块的勘探实践表明粘土矿物小于40%为可作业区，介于40%～60%之间为危险地区——低最终可采储量区，粘土矿物大于60%为无法作业区。四川盆地蜀南地区实测矿物组成以粘土、石英、长石、碳酸盐为主，分析样品矿物成分主要靠近石英+长石端元，同样具有高脆性特征，脆性矿物(石英+长石)含量一般大于40%才有利于压裂开采(图1)。

图1 川南地区龙马溪组页岩矿物组成

1.4物性

页岩作为一种非常规储层，具有低孔、特低渗特征。页岩作为储层要有一定的物性条件，美国页岩储层孔隙度一般在3%～5%，高者可达10%～15%。页岩气的产出一般是储集在基质孔隙和裂缝中的游离气优先被采出，其后才是吸附气。孔隙度可以衡量岩石中孔隙的发育程度，孔隙度与TOC含量成正相关关系，含气饱和度是决定游离气含量的关键参数。渗透率是判断页岩气藏是否具有经济开发价值的重要参数，页岩渗透率由基质渗透率和裂缝渗透率构成，渗透率与孔隙度具有一定的正相关性，有效的微裂缝对渗透率起着重要作用[15]。

已有大量研究认为海相页岩TOC含量大于2%为优质页岩，川南和涪陵地区龙马溪组页岩气的成功开发证实了这一观点。依据川南地区龙马溪组大量分析样品做TOC与孔隙度、渗透率和含气饱和度的相关性，表明TOC与孔隙度、渗透率、含气饱和度均呈正相关。当TOC大于2%时，孔隙度、渗透率、含气量分别大于4%、20 nd、50%，因此孔隙度下限为4%，渗透率下限为20 nd，含气饱和度下限为50%(图2)。

图2 川南龙马溪组TOC与孔隙度、渗透率、含气饱和度相关性

a：TOC：2.44%；孔隙度：6.73%；b：TOC：2.93%；孔隙度：6.8% c：TOC：2.95%；孔隙度：8.52%；d：TOC：4.33%；孔隙度：8.59%

图3 川南地区龙马溪组有机质孔隙场发射扫描电子显微镜照片

1.5储渗空间

页岩气主要以吸附态和游离态赋存于页岩中，吸附相页岩气赋存于粘土矿物、有机质、干酪根颗粒及孔隙表面上，游离相赋存于页岩孔隙和裂缝中，储渗空间的类型及发育程度决定页岩的储集能力，进而影响可采资源量的大小。研究发现，高TOC含量的页岩有机质孔发育，有机质不仅具有生气能力，并且具有储气能力。有机质热演化过程中产生的大量烃类的同时可以产生大量的有机质微孔，并产生异常高压，形成微裂缝，增加了页岩孔隙度并提高渗流能力。目前已经用SEM-FIB分析技术阐明(Ambrose等2010；Sondergeld等2010)，在单个样品中有机质颗粒中的孔隙度从0%到40%不等。Curtis等证实有机质中含有高达50%的孔隙度[16]。通过氩离子抛光+场发射扫描电镜技术认为四川盆地龙马溪组页岩具有有机质孔、粒内孔、粒间孔、微裂缝等。其中，有机质含量越高，有机质孔越发育，孔隙度越大(图3)。宏观缝主要影响渗流能力，水平井轨迹设计时会尽量让井筒与天然裂缝发育方向垂直，微观缝主要为游离气量提供储集空间，并作为联通宏观缝和孔隙的桥梁。因此，有机质孔和裂缝越发育，页岩气的可采性越高。

1.6孔隙结构

孔隙结构主要用比表面积、总孔隙体积、孔径等3个参数表征。比表面积、总孔隙体积、孔径主要决定页岩储集能力，进而影响可采性。通过川南地区龙马溪组8个页岩样品氮气吸附实验分析表明，TOC与总孔隙体积、比表面积具有很好的正相关性(图4)，其原因是有机质中发育纳米级孔隙，这些孔隙增大了比表面积和孔隙体积。薛华庆等研究认为页岩中有机质孔径主要分布在2～60 nm，以中孔、大孔为主，而页岩孔径主要分布在2～10 nm，以中孔为主[17]，有机质平均孔径大于其它孔径，页岩有机质含量越高，其对应的孔径越大。因此，页岩中有机质的含量对比表面积、总孔隙体积、孔径有着至关重要的作用。只有足够的有机质，在一定的演化过程中，才会形成较大的比表面积吸附页岩气和较大的孔隙体积储集可供开采的天然气，以提高页岩气的可采性。

图4 川南地区龙马溪组TOC与孔隙体积和比表面积关系

1.7含气量

图5 川南地区龙马溪组TOC与总含气量关系

2 页岩气可采性参数综合评价

影响页岩气可采性的参数主要包括：页岩气层埋深及厚度、TOC含量、矿物组成、物性、储渗空间、孔隙结构、含气量、岩石力学、资源丰度及资源量、地面条件、断层、压力系数、地应力等13个参数。在我国不同的盆地，或是同一个盆地的不同地区，这些参数的差别都非常显著。页岩气勘探开发实践表明，页岩气的可采性通常都是这些因素有效配制的结果，单一因素在某一地区对页岩气勘探开发所起的作用也许是至关重要的，但对大多数地区来说，页岩气的可采性取决于各种地质因素的有效配置，比如TOC的略微不足可以通过厚度来弥补。因此，对某一地区页岩气可采性研究，需要在多种地质因素综合分析的基础上，研究适合本地区的主控地质因素以及这些因素间的有效配置关系。

3 结论

(1)影响页岩气可采性的因素较多，关键因素是有生成足够页岩气的物质基础(TOC含量、厚度)，有足够可供开采的页岩气(资源量及资源丰度)，以及能够开采到足够的页岩气(矿物组成、渗透率、岩石力学、地应力等)。

(2)单一因素在某一地区对页岩气勘探开发所起的作用也许是至关重要的，但对大多数地区来说，页岩气的可采性取决于各种地质因素的有效配置，比如TOC的略微不足可以通过厚度来弥补。

(3)页岩气勘探开发配套技术的完善可以降低影响可采性参数的标准。因此，参数的影响是一定的，界限的标准是可变的。

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(编辑 曹征远)

Research on parameters of shale gas recoverability

Gan Hui1，Zhang Hu1，Song Yitao2

(1.137team,CoalfieldGeologyBureauofSichuanProvince,Dazhou635000,China; 2.SchoolofGeoscienceandTechnology,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)

Based on the geological conditions and exploration practices of shale-gas in recent years in China,compared with foreign shale-gas geological conditions of developed basins,it was studied on the main parameters affecting shale-gas recoverability,including buried depth,thickness,TOC content,mineral composition,pore structure,physical property,reservoir space,gas content,rock mechanics,resources abundance and resources,ground conditions,fault,pressure factor,geostress,and so on.According to the successful experiences of shale-gas exploration and development,combining with the practical situation of shale-gas in Sichuan Basin,we put forward the threshold values of key parameters and suggested that it should be careful to exploit shale which can not meet these threshold values.It is pointed out that for one certain region,single factor may play a vital role in exploration and development of shale-gas,but for most areas,the shale-gas recoverability depends on the efficient allocation of various geological factors and there is certain mutual supplement between parameters.

shale gas；recoverability；parameters；efficient allocation

TE122.1

A

2014-12-27；改回日期2015-06-21。

甘辉(1989—)，女，助理工程师，硕士研究生，主要从事页岩气储层地质研究。电话：13693418476，E-mail：799358034@qq.com。

国家大型油气田与煤层气开发项目(2011ZX05018001)资助。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.03.005