页岩储层含气性评价及影响因素分析——以涪陵页岩气田为例

刘 莉，包汉勇，李 凯，李 根，曾 勇，郑爱维，熊红丽

(1.中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，武汉 430223；2.湖北省创新协同中心，武汉 430100； 3.长江大学 地球科学学院，武汉 430100)

页岩气是指页岩中有机质生成气后，未排出源岩层系，滞留在源岩层系中呈连续状分布的气藏。它是存在于富有机质泥页岩层段中具有商业性产出的天然气。从全球不可再生能源勘探开发的现状分析发现，页岩气是最现实的油气资源的重要接替资源之一[1]。我国页岩气资源潜力巨大，国土资源部组织完成的全国页岩气资源潜力评价，初步评价我国陆地可采页岩气资源量为25.08×1012m3，具有良好的发展前景[2-3]。2015年底涪陵国家级实验区——涪陵页岩气田50亿方产能的建成，预示着页岩气作为一种新型的绿色能源已经进入商业开发阶段[4]。

在页岩气资源评价过程中，如何快速评价泥页岩的含气性，国内目前表征页岩含气性的指标繁多，直接指标包括气测显示、实测含气量、含气饱和度、测井解释含气量和地震解释含气量等，间接指标包括电阻率、孔隙度、孔隙结构和孔隙压力等[5]。但受测试方法和复杂地质条件的限制，每种方法表征含气性都存在局限，如何较为准确地表征页岩的含气性仍需进一步探索。本文结合涪陵国家级实验区的页岩气勘探开发的实例，总结了影响页岩含气性的地质和工程因素，建立页岩储层含气性评价指标体系，以期对我国的页岩气勘探开发工作有一定的指导作用。

1 页岩含气特殊性

页岩气储层中是否含有工业价值天然气是页岩气储层研究的重要内容之一。页岩气以游离气、吸附气和溶解气3种方式赋存于页岩储层中，其中以游离气和吸附气为主，溶解气少量[6-7]。在涪陵页岩气田的实际生产过程中，主要以游离气和吸附气为主，故此次研究主要考虑游离气和吸附气。

(1)吸附气。吸附气是指由于吸附作用吸附于有机质和矿物颗粒表面的天然气。吸附作用是指天然气吸附于固体或者液体物质表面上的作用。吸附方式分为物理吸附和化学吸附，两者共同作用使页岩完成对天然气的吸附，但两者处于主导优势的地位随聚集条件以及页岩和气体分子等改变而发生变化。国内学者认为气体吸附于物质表面时，其表面积越大吸附量越大，但有机质较黏土矿物更有利于页岩气的吸附[8-10]。

(2)游离气。游离气是指由于扩散作用以游离态充填于页岩层系的孔隙或裂缝中的天然气。页岩层系中3种赋存形式在地层环境发生变化时可互相转换，当压力增大时，吸附气和溶解气量相对增加，游离气相对减小，直至达到动态平衡。本次研究主要使用核磁法测量总孔隙；含气饱和度目前尚无可靠的测试方法，一般通过测井解释计算得出结果。

2 含气性影响因素

页岩储层具有渗透率低、非均质性较强、矿物组分复杂等特点，所以影响页岩含气性的因素繁多。国内对于含气性定性评价的研究主要包括页岩总有机碳含量、有机质类型、有机质成熟度等内因，也包括页岩埋深、地层压力与温度等外因。本次研究基于涪陵页岩气田的实际生产特征，优选以下含气性影响因素加以论述。

2.1 有机碳含量

有机碳含量用来反映页岩的有机质丰度，是页岩气成藏的主要控制因素之一。国内外的测试结果亦表明有机质含量与页岩的含气量存在较好的正相关性[11]。页岩气中的游离气主要赋存于有机质孔中，高有机碳含量的页岩具有更多的孔隙空间，增大了游离气的储存空间(图1)。对于甲烷气体的吸附能力，有机质远高于无机质等黏土矿物，随着有机碳含量的增加，吸附气的含量也增大(图2)。通过建立五峰—龙马溪组页岩含气量与TOC关系(图3)，可以看出吸附气、游离气及总含气量与TOC具有良好的正相关性。

图1 四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组TOC与孔隙度相关性分析

图2 四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组含气页岩段吸附气量与TOC关系

图3 四川盆地涪陵地区五峰—龙马溪组总含气量与TOC关系

2.2 孔隙度

储集空间的大小是影响页岩气赋存状态和含气性的重要因素[12]。根据国际理论和应用化学协会的孔隙分类[13]，直径小于2 nm的孔隙为微孔，直径2～50 nm的为中孔，直径大于50 nm的为宏孔。目前普遍认为，由于页岩储层低渗透率，在致密的页岩储层中，微米—纳米级的孔隙对页岩气的聚集、成藏起到了关键性的作用，且以吸附态存在，在宏孔及微裂缝中以游离态存在。

通过研究认为总含气量、吸附气含量与比表面积、总孔隙度均具有较好的正相关性(图4)，而游离气占比与比表面积、总孔隙度呈负相关性。研究认为页岩孔隙多以微米—纳米级孔隙为主，从JYA井统计分析数据可以看到，随着比表面积的增加，岩石对气体的吸附能力增加，吸附气的比例也相应增加，游离气的比例相应减少[14]。同时当孔隙度增加时，增大的比表面积使气体产生了解吸附作用，从而游离气与比表面积、孔隙度均为负相关关系(图5)。

2.3 矿物组分

对涪陵区块JYB井的X衍射全岩分析结果显示，五峰—龙马溪组主力含气页岩段的硅质含量均值为57.1%，黏土矿物含量为28.66%，碳酸盐含量为10.8%，其余为3.44%；脆性矿物含量高，黏土矿物含量少(试验样品共38块)。

国内研究认为黏土矿物含量的增加能够增加黏土矿物晶间孔、收缩缝等初级空间，且能够明显增大页岩的比表面积，有利于吸附气量和含气量的提升[15]。通过建立JYA井含气量与黏土矿物含量的关系可知，吸附气和总含气量与黏土矿物含量为负相关关系，游离气量与黏土矿物含量为弱负相关关系(图6a)。页岩样品黏土矿物含量总体较少，黏土矿物中蒙脱石的缺失造成黏土矿物对天然气吸附能力大大降低，页岩样品中脆性矿物能够诱使孔隙和裂缝的产生，有效提高了孔隙体积和比表面积[16-18]。由于矿物晶体结构和形态的差异导致矿物吸附性能的差异，页岩主要矿物组分甲烷吸附能力实验表明，各种矿物甲烷吸附量次序为蒙脱石>伊蒙混层>高岭石>绿泥石>伊利石>粉砂岩>石英岩[19]。并非黏土矿物含量越高越好，黏土矿物含量高的页岩塑性强，以形成平面裂缝为主，尤其是蒙脱石类膨胀性黏土，虽吸附性能好，但不利于页岩体积改造。由于石英抗压实能力强，石英颗粒可构成一个相对刚性格架，有利于孔隙的保存，因此，石英含量越高，孔隙度也越大，含气量越高[19](图6b)。

图4 四川盆地涪陵地区JYA井含气页岩段含气量与比表面积和孔隙度的关系

图5 四川盆地涪陵地区JYA井含气页岩段游离气量占比与比表面积和总孔隙度关系

图6 四川盆地涪陵地区JYA井含气页岩段含气量与硅质和黏土含量关系

2.4 地层压力和含水饱和度

富有机质页岩总含气量随压力的增大而增加，吸附气量对压力的增大不敏感，压力增大时吸附气量基本保持不变；游离气含量随压力的增大而增加，呈线性关系[20]。涪陵页岩气田泥页岩埋深在2 000～4 500 m，对应的地层静水柱压力大于10 MPa[21]。当压力大于页岩气吸附量饱和压力时，随着压力的增大，吸附气量增加不明显，而游离气持续增加，游离气占页岩气总含气量的比重也越来越大。页岩的含水饱和度越高，水所占的孔隙空间越大，在孔隙度一定的条件下，可供页岩气吸附的空间必然减少，因此，含水饱和度越高，吸附气量越少[22]。

3 含气性评价指标体系

表征含气性的常用指标包括直接指标和间接指标。直接指标主要包括定性判断的气测显示、定量判断的实测含气量以及实测含气饱和度；间接指标主要包括孔隙度、电阻率和地层压力等指标。从目前涪陵页岩气田开发实践来看，本次研究优选了2大类6项参数指标作为页岩含气性评价的主要参数。

3.1 直接指标

3.1.1 实测含气量

从涪陵页岩气田实测含气量的对比分析结果来看，虽然使用了相同的测试方法，在测试条件相同的前提下，各区块导眼井实测含气量与各区块的页岩原生品质、保存条件的评价结果存在明显矛盾。对比发现，随着测试年代的推移，钻井取心的工艺不断完善，取心的速度逐年提升，取心过程中的损失气量相应减少，利用损失气量推算的解析气量随之增加，这造成了新钻井测试含气量明显高于老钻井测试的含气量。因此，实测含气量作为目前国内表征含气性的主要直观指标，在埋藏浅、构造相对稳定区可以作为含气性评价指标之一，但在构造复杂区，损失气量无法归一化的条件下，就无法作为准确的含气性评价指标。

3.1.2 含气饱和度

含气饱和度作为表征含气性的指标参数之一，由于目前测试方法的精度局限，仅只能作为参考数据，可以基本反映含气性变化的规律。含气饱和度与含气性呈正相关性，基本上能够反映含气性的纵横向变化规律，但基于测试方法的多样性(目前有核磁法、高温蒸馏法，且不同测试单位蒸馏温度存在一定差异)，导致含气饱和度对页岩含气性的表征精度不足。

3.1.3 气测显示值

气测录井是油气录井中最为连续、直接、定量和有效的方法，能够连续对钻井液中的气态烃类进行直接检测，给出定量的数据，对于含气性能给出较为准确的判断，但是气测显示值的高低受到地质因素和工程因素的多重影响。

虽然气测显示值受到诸多工程和地质因素的影响，但是通过大量的单井统计(图7)，涪陵区块已测试井的气测全烃显示值与单井的无阻流量存在较好的正相关性，所以气测显示值可以作为涪陵地区表征页岩含气性的主要指标之一。

3.2 间接指标

3.2.1 孔隙度

整个涪陵地区岩心孔隙度的分析化验工作由多家单位承担，样品的预处理方法存在差异性。氦气法测试孔隙度有40%湿度烘干处理，导致孔隙中残留束缚水不能完全排出；而同样是真空条件下的氦气法测试孔隙度，由于采用不同温度烘干样品，导致样品中束缚水排出程度不同(图8)，使后期分析化验数据结果可对比性较差。目前采用同一平台实验室校正的测井解释孔隙度来作为含气性表征参数之一，与产能情况基本匹配。

3.2.2 压力系数

图7 四川盆地涪陵地区已测试井无阻流量与全烃值关系

图8 四川盆地涪陵区块导眼井不同测试方法孔隙度统计

图9 四川盆地涪陵区块已测试井无阻流量与压力系数关系

地层压力能较好地体现构造上东西分带的特征，乌江断裂带周缘压力系数较低。存在的缺点为压力系数资料获取的成本高、耗时长，数据的准确性存在争议；压力系数的测量方式不同，有DST、微注入及投产前测静压等，数据的可对比性不强，仅能反映含气性的变化趋势(图9)。随着压力系数的增大，产能增大趋势明显。

3.2.3 电阻率

电阻率大体上可以反映含气性，但由于电阻率的测试受井筒条件、岩矿特征、流体性质、测试仪器以及裂缝发育程度多重因素的影响，目前还没有针对页岩储层较好的电阻率校正方法，因此电阻率虽然可以在一定程度上反映含气性，但精度偏低。

4 应用

根据涪陵页岩气田开发实践，初步建立了页岩含气性评价标准体系(表1)，全烃值、孔隙度及压力系数为主要的参考指标。当全烃大于10%，孔隙度大于3.5%，地层压力系数大于1.3时，页岩含气性评价为Ⅰ类；当全烃为5%～10%，孔隙度为3%～3.5%，地层压力系数为1.1～1.3时，页岩含气性评价为Ⅱ类；当全烃为小于5%，孔隙度小于3%，地层压力系数为小于1.1时，页岩含气性评价为Ⅲ类。

表1 四川盆地涪陵页岩气田含气性评价标准

表2 四川盆地涪陵页岩气田含气性综合评价

在此评价标准下，对涪陵页岩气田各区块综合评价认为：一期主体区、江东区块及平桥区块含气性好；一期西南部及白涛区块次之；白马区块和梓里场区块较差(表2)。

5 结论

(1)页岩含气性受诸多因素影响，其中有机碳含量、岩石矿物组分和孔隙结构及地层温压等为主要影响因素。

(2)基于涪陵页岩气田大数据分析结果，为有效开展页岩含气性的评价，优选含气性评价主要包括2大类6参数的评价指标(直接指标(实测含气量、气测显示值和含气饱和度)和间接指标(孔隙度、电阻率和地层压力))的含气性定性—半定量评价体系。

[1] 侯读杰,包书景,毛小平,等.页岩气资源潜力评价的几个关键问题[J].地球科学与环境学报,2012,34(3):7-16.

HOU Dujie,BAO Shujing,MAO Xiaoping,et al.Discussion on the key issues of resource potential evaluation for shale gas[J]. Journal of Earth Sciences and Environment,2012,34(3):7-16.

[2] 邹才能,董大忠,王玉满.中国页岩气特征、挑战及前景(二)[J].石油勘探与开发,2016,43(2):166-178.

ZOU Caineng,DONG Dazhong,WANG Yunman,et al.Shale gas in China: characteristics, challenges and prospects(II)[J].Petroleum exploration and development, 2016, 43(2):166-178.

[3] 董大忠,邹才能,李建忠,等.页岩气资源潜力与勘探开发前景[J].地质通报,2011,30(2/3):324-336.

DONG Dazhong, ZOU Caineng, LI Jianzhong,et al.Resource potential exploration and development prospect of shale gas in the whole world[J]. Geological Bulletin of China, 2011,30(2/3):324-336.

[4] 董大忠,高世葵,黄金亮,等.论四川盆地页岩气资源勘探开发前景[J].天然气工业,2014,34(12):1-15.

DONG Dazhong,GAO Shikui,HUANG Jinliang,et al.A discussion on the shale gas exploration & development prospect in the Sichuan Basin [J].Natural Gas Industry,2014,34(12):1-15.

[5] 郭彤楼,张汉荣.四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集高产模式[J].石油勘探与开发,2014,41(1):28-36.

GUO Tonglou,ZHANG Hanrong.Formation and enrichment mode of Jiaoshiba shale gas field,Sichuan Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(1):28-36.

[6] 胡明毅,邱小松,胡忠贵,等.页岩气储层研究现状及存在问题探讨[J].特种油气藏,2015,22(2):1-6.

HU Mingyi,QIU Xiaosong,HU Zhonggui,et al.Current researches on shale gas reservoirs and existing problems[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2014,41(1):28-36.

[7] 杨庆杰,张恒发,张革,等.页岩气成藏与纳米油气基本理论问题[J].大庆石油地质与开发,2013,32(3):150-156.

YANG Qingjie,ZHANG Hengfa,ZHANG Ge,et al.Discussion on the basic theoretical problems with shale gas reservoir accumulation and nano-hydrocarbon[J]. Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing, 2013,32(3):150-156.

[8] 吉利明,邱军利,张同伟,等.泥页岩主要黏土矿物组分甲烷吸附实验[J].中国地质大学学报:地球科学,2012,37(5):1043-1050.

JI Liming,QIU Junli,ZHANG Tongwei,et al. Experiments on methane adsorption of common clay minerals in shale[J].Journal of China University of Geosciences:Earth Science,2012,37(5):1043-1050.

[9] 武景淑,于炳松,李玉喜.渝东南渝页1井页岩气吸附能力及其主控因素[J].西南石油大学学报,2012,34(4):40-48.

WU Jingshu,YU Bingsong,LI Yuxi.Adsorption capacity of shalegas and controlling factors from the well Yuye 1at the southeast of Chongqing[J].Journal of Southwest Petroleum University,2012,34(4):40-48.

[10] 吉利明,罗鹏.样品粒度对黏土矿物甲烷吸附容量测定的影响[J].天然气地球科学,2012,23(3):535-540.

JI Liming,LUO Peng.Effect of sample size on volumetric determination of methane adsorption in clay minerals[J].Natural Gas Geoscience,2012,23(3):535-540.

[11] 周宝刚,李贤庆,张吉振,等.川南地区龙马溪组页岩有机质特征及其对页岩含气量的影响[J].中国煤炭地质,2014,26(10):27-32.

ZHOU Baogang,LI Xianqing,ZHANG Jizhen,et al. Organic matter characteristics in Longmaxi Formation shale and its impact on shale gas content in southern Sichuan area[J]. Coal Geology of China,2014,26(10):27-32.

[12] 关富佳,吴恩江,邱争科,等.页岩气渗流机理对气藏开采的影响[J].大庆石油地质与开发,2011,30(2):80-83.

GUAN Fujia,WU Enjiang,QIU Zhengke, et al.Effect of shale gas flow mechanism on development of gas reservior[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2011,30(2):80-83.

[13] ROUQUEROL J,AVNIR D,FAIRBRIDGE C W,et al.Recommendations for the characterization of porous solids(Technical Report)[J].Pure and Applied Chemistry,1994,66(8):1739-1758.

[14] 张鹏,张金川,黄宇琪,等.黔西北五峰—龙马溪组海相页岩含气性及主控因素[J].大庆石油地质与开发,2015,34(1):169-174.

ZHANG Peng,ZHANG Jinchuan,HUANG Yuqi, et al. Gas-bearing property and its main controlling factors for Wufeng-Longmaxi formation marine shale in northwest Guizhou[J].Petroleum Geology & Oilfield Development in Daqing,2015,34(1):169-174.

[15] 蒋裕强,董大忠,漆麟,等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业,2010,30(10):7-12.

JIANG Yuqiang,DONG Dazhong,QI Lin,et al.Basin features and evaluation of shale reservoirs[J].Natural Gas Industry, 2010,30(10):7-12.

[16] 王兰生,邹春艳,郑平,等.四川盆地下古生界存在页岩气的地球化学依据[J].天然气工业,2009(5):59-62.

WANG Lansheng,ZOU Chunyan,ZHENG Ping,et al. Geochemical evidence of shale gas existed in the Lower Paleozoic Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry, 2009(5):59-62.

[17] ROSS D J K, BLISTIN R M.The Importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs [J].Marine and Petroleum Geology,2009,26(6):916-927.

[18] 郭少斌,翟刚毅,包书景,等.干酪根及黏土单矿物对甲烷吸附能力的差异性[J].石油实验地质,2017,39(5):682-685.

GUO Shaobin,ZHAI Gangyi,BAO Shujing,et al.Difference of methane adsorption capacity of kerogen and clay minerals[J].Petroleum Geology & Experiment, 2017,39(5):682-685.

[19] 刘树根,马文辛,LUBA Jansa,等．四川盆地东部地区下志留统龙马溪组页岩储层特征[J].岩石学报,2011(8):2239-2252.

LIU Shugen,MA Wenxin, LUBA Jansa,et al. Characteristics of the shale gas reservoir rocks in the Lower Silurian Longmaxi Formation,East Sichuan basin,China[J].Acta Petrologica Sinica,2011(8):2239-2252.

[20] 王祥.页岩气形成条件及成藏影响因素研究[J].天然气地球科学,2010(2):350-356.

WANG Xiang. Conditions of formation and accumulation for shale gas[J].Natural Gas Geoscience,2010(2):350-356.

[21] 姜福杰,庞雄奇,欧阳学成,等.世界页岩气研究概况及中国页岩气资源潜力分析[J].地学前缘,2012(2):198-211.

JIANG Jiefu,PANG Xiongqi,OUYANG Xuecheng,et al. The main progress and problems of shale gas study and the potential prediction of shale gas exploration[J]. Earth Science Frontiers, 2012(2)：198-211.

[22] 刘洪林,王红岩.中国南方海相页岩吸附特征及其影响因素[J].天然气工业,2012(9):5-9,125.

LIU Honglin,WANG Hongyan. Adsorptivity and influential factors of marine shales in South China[J].Natural Gas Industry,2012(9):5-9,125.