加拿大西加盆地泥盆系页岩气储层特征

陈小东，淮银超，丁 黎，王为林，李 伟，黄 琼

(1.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710021；2.西北大学 地质学系，陕西 西安 710069；3.中国石油长庆油田分公司 第七采油厂，陕西 西安 710200)

0 引 言

页岩气是由吸附气、游离气以及溶解气3种组成的一种重要的非常规天然气资源[1-3]，其中吸附气所占比例最大。作为一种新兴的非常规天然气能源，页岩气开发在环境保护、能源结构调整以及能源安全保障等方面意义重大[4-6]。页岩自身不仅要作为页岩气储层，同时又是烃源岩，具有十分复杂的含气性、低孔、低渗以及极强的非均质性特点，针对页岩气储层特征分析对于页岩气富集规律研究、开发方案设计以及开发有利区的优选具有重要的意义。页岩气储层由于自身的储层特性以及后续储层改造需要，储层特征研究内容相比于常规储层更加复杂，主要包括岩石学、矿物学、储层物性、地球化学、含气性以及岩石力学。西加盆地作为加拿大页岩气最重要产地，不仅地质储量丰富，页岩储层品质高、含气量高，同时在工厂化钻井、水平井分段压裂等钻井、储层改造的技术方面占据优势地位[7-9]。西加盆地内部的泥盆系富沥青质暗色页岩具有厚度均匀、分布范围广、有机质丰度高、含气量高等特点，是页岩气最有利发育层位，随着页岩气勘探开发工作的不断进展，原有盆地内部零散的、单一储层特征相关研究结果已经不能满足页岩气储层在进一步勘探开发的需求。为了更加准确的系统性掌握加拿大西加盆地泥盆系页岩气储层特征，笔者以西加盆地泥盆系页岩的取心资料为基础，结合钻井、测井、地震等资料，采用薄片鉴定、XRD全岩分析、储层物性分析、地球化学分析、含气量测定以及三轴应力实验等分析手段，系统性的开展了页岩气储层的岩石学、矿物学、储层物性、地球化学、含气性以及岩石力学特征研究。力争为后续页岩气开发方案设计、富集规律、有利区优选等研究奠定基础。

1 地质背景

西加拿大沉积盆地(West Canadian Sediment Basin，WCSB)是一个巨大沉积盆地，面积1.4×106km2，主要位于加拿大的曼尼托巴省、萨斯喀彻温曼尼托巴省、阿尔伯特曼尼托巴省、不列颠哥伦比亚曼尼托巴省和西北行政区之间的广大区域[10](图1)。盆地演化主要受到四期构造运动的影响，依次为安特勒运动(泥盆纪、石炭纪)、桑诺马运动(晚二叠世)、哥伦比亚运动(侏罗纪-早白垩世)和拉腊米运动(中、晚侏罗世-第三纪)。其中，二、四期构造运动对于西加盆地的影响更加深远，在盆地规模、地层发育以及空间布局方面起到决定性作用[11-13]。

研究区位于西加盆地(WCSB)向斜的西翼，整个构造平缓，是一个北东-南西向倾斜的平缓单斜构造，地层倾角不超过5°.目的层为泥盆纪的一套最大海侵期的富沥青质暗色页岩，以黑色、黑灰色硅质、钙质泥页岩、泥页岩为主，骨架矿物为石英与方解石，厚度在45～65 m之间，研究区西南部发育的灰岩夹层将页岩分为上下2段。实验室测定孔隙度为1.32%～6.88%，渗透率为0.056 88～0.352 79×10-3μm2，总有机碳含量为0.23%～8.37%，含气量为0.16～2.93 m3/t.

2 页岩气储层特征

2.1 岩石与矿物学特征

研究区的泥盆纪页岩属于最大海侵期的海相页岩，厚度一般在45～65 m之间，在西南部发育灰岩将页岩分为上、下2段。根据常规岩心观察、电子显微镜观察以及薄片鉴定确定研究区的页岩气储层岩性主要为层状的硅质泥岩、钙质泥页岩，页岩(图2(a)，(b))，粉砂岩与砂岩在页岩局部呈条带状、透镜体状展布。随着有机质含量增加，页岩颜色从灰色、深灰色逐渐向黑色变化。研究区页岩中存在大量的竹节石、双壳类等深海相生物化石，而化石体腔多被方解石、石英所充填(图2(c)，(d))，页岩中的有机质以分散的有机质残骸及孢子类为主，主要呈现长条状或者高度浓缩的颗粒状。页岩中的有机质与成岩矿物多呈定向排列的层状结构(图2(e)，(f))，页岩中发育的裂缝会被方解石、重晶石填充，研究区的部分方解石、石英和黄铁矿会交代有机质与生物碎片，呈现方解石、石英和黄铁矿条带状的矿物分布(图2(g)，(h))。页岩中偶尔会出现有机质被粉砂质石英颗粒所替代，呈现条带状分布石英脉，随后又被重晶石、方解石、石英等填充的微裂缝或者脉理所破坏。作为夹层的灰岩多为浅灰色到深灰色的微晶、隐晶质泥灰岩。

图2 泥盆纪取心页岩的镜下鉴定特征Fig.2 Lithologic characteristics of Devonian shale

矿物学特征决定着储层物性和后续的储层改造，XRD全岩分析是研究页岩气储层矿物学特征的最常用也是最好的方法，研究区取心井的页岩气储层XRD全岩分析结果表明，研究区的页岩主要骨架矿物为石英、方解石与长石(图3)。其中，石英含量2.2%～52.1%，平均值30.6%；方解石含量3.2%～58.6%，平均值21.8%，长石含量1%～16%，平均值6.8%.作为页岩气储层的特征矿物的黄铁矿含量0.8%～8.2%，平均值3.4%.黏土矿物主要为伊蒙混层、绿泥石、伊利石，含有少量高岭石，其中伊蒙混层含量1.5%～41%，平均值21.9%，绿泥石含量1.2%～9.9%，平均值3.3%，伊利石含量0.35%～23.2%，平均值8.34%，高岭石含量0.1%～3.1%，平均值0.6%.矿物含量分布图表明由于沉积环境的改变，骨架矿物含量随着深度的增加，表现为在减少-增加-再减少的趋势，黏土矿物则表现为增加-减少-增加少的趋势，但总体上的变化幅度不大，同时也表明研究区储层非均质性较弱。西加盆地泥盆纪页岩中脆性矿物(石英、方解石和长石之和)含量大于50%，尤其是石英含量大于20%，使得研究区的页岩气储层具有很好的易压裂性，为后续储层改造奠定了基础。

图3 泥盆纪页岩矿物含量百分比Fig.3 Percentage of mineral content of Devonian shale

2.2 物性特征

在页岩气储层中，页岩自身不仅作为页岩气储层，同样还要作为盖层、烃源岩[14-15]，储层物性决定着页岩内部的气体的赋存以及页岩气的富集规律。孔隙度与渗透率作为页岩气赋存和渗流主控因素，是储层物性评价的重要参数[16]。电镜扫描、薄片鉴定以及实验室分析等技术是开展页岩气储层的孔隙性以及渗流性的最佳手段，研究区电镜扫描与薄片鉴定表明页岩孔隙普遍发育，孔隙之间具有良好的连通性，且与渗透率相关性好。表明研究区的页岩气储层具有很好的物性特征。

页岩气储层作为非常规储层，孔隙类型具有多样性，研究区内的微观孔隙类型分为裂缝型与基质型孔隙2大类，根据成因不同，基质型孔隙可进一步细分为原生孔隙、有机孔、黏土矿物间微孔以及溶蚀孔，在所有的孔隙中，有机孔对整个孔隙度“贡献”最大。

无论是常规储层还是非常规储层，裂缝都是研究重点。在页岩气储层中，裂缝不仅可以作为储集空间，同时也是储层中流体的最重要运移通道。相比于常规储层，裂缝对于页岩气储层中的孔隙“贡献”更大，同时也是页岩气在后期开发过程中的重要渗流通道。研究区裂缝发育与众多因素有关，可以分为内因、外因2部分，骨架矿物中脆性矿物(石英、方解石、长石)含量是内因，而构造、断裂以及褶皱等作为外因对于页岩气储层的裂缝发育与延伸具有控制性意义。研究区裂缝主要发育矿物颗粒之间的层间缝以及呈45度的斜交缝(图4(a)，(b))，裂缝多被方解石、重晶石填充，在一定程度上降低了气体流通有效性。

图4 泥盆纪取心页岩孔隙与裂缝电镜特征Fig.4 SEM photographs of Devonian shale

在沉积过程中，由于石英，方解石等脆性矿物颗粒支撑，在矿物颗粒之间形成的孔隙称之为原生孔隙，由于成岩和压实作用的共同影响，此类型孔隙在研究区的页岩气储层中所占的比例非常小；当有机质成熟后，页岩中的干酪根会转化为油气并运移或继续存储在页岩中，从而在剩余的有机碳形成次生孔隙[17-18]，称之为有机孔，研究区的有机孔多呈蜂窝状，分布于有机质内部，是基质孔隙度的最大“贡献”者(图4(c)，(d))。储层在后期成岩过程中，随着成岩作用加剧，不稳定矿物如方解石、长石等受到地下流体作用后，会被溶蚀掉，形成溶蚀孔，研究区内的溶蚀孔以方解石溶蚀孔为主(图4(e)，(f))。泥岩在成岩作用下导致地下水酸碱性改变后，黏土矿物会发生脱水转化，在黏土矿物之间产生微裂隙称之为黏土矿物间微孔，研究区内的黏土矿物间微孔数量较少，对总孔隙的“贡献”十分有限。

孔隙半径不仅决定着储层的孔隙度，同时也反映出孔隙度的分选性。三维扫描电镜技术表明研究区页岩的孔隙半径分布在0.001 24～0.293 μm之间，并且呈现正态分布，表明孔隙具有较好的分选性，说明了研究区沉积环境的稳定性。研究区内的页岩的实验室测试孔隙度为1.32%～6.88%，平均值为3.79%，渗透率介于0.056 88×10-6-0.352 79×10-3μm2，中位值0.162 67×10-3μm2(图5)，并且孔隙度与渗透率相关性较好。良好的储层物性特征为页岩气的富集以及渗流建立了物性基础，有利于后续通过储层改造来实现页岩气的高产稳产。

图5 页岩孔隙度与渗透率分布Fig.5 Porosity and permeability distribution of Devonian shale

2.3 有机地球化学特征

页岩气储层的地球化学特征不仅在一定程度上决定着页岩气的生烃潜力、富集能力，同时有机质作为甲烷的最重要载体，对于页岩中的气体吸附具有重要意义[19-20]。页岩气储层的有机地球化学研究参数包括有机质丰度、类型以及成熟度3种。

总有机碳含量是表征页岩气储层有机质丰度的最重要参数，加拿大页岩气勘探开发经验表明，页岩气获得工业气流的总有机碳含量百分数门限值为2.0%。研究区的实验室取心分析总有机碳含量百分数分布在0.23%～8.37%之间，平均值为3.48%(图6)，主要分布范围在3%～6%之间，属于高总有机碳含量，具备良好的生烃物质基础，为页岩气富集奠定物质基础。

图6 页岩总有机碳含量分布Fig.6 Distribution of TOC for shale

有机质类型决定着页岩的生烃能力和潜力，常见的干酪根类型分为Ⅰ，Ⅱ1，Ⅱ2和Ⅲ等4种，其中，Ⅰ型干酪根中含氢量和含氧量较低，有机质主要来自于藻类堆积物及低等水生物，具有最高的生烃潜力[21-23]。Ⅲ型腐植型干酪根具有较低的原始含氢量和较高的含氧量，主要来自于陆生的高等植物，生烃潜力相对有限[21]。Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根的含氧量、含氢量、元素之比以及生烃潜力等均介于Ⅰ和Ⅲ型干酪根之1间，有机质多来自于藻类和高等植物的混合，根据混合比例的不同划分为Ⅱ1和Ⅱ2型2种干酪根。

氧指数与氢指数交会图可以看出研究区的干酪根类型为Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根(图7)，表明页岩具有较好的“生气”潜力，根据交会图还可判断出研究区的页岩具有生产凝析油潜力，在页岩气的开发过程中，可以通过同步开发凝析油来降低页岩气的开发成本。

有机质类型反映页岩生烃潜力，而成熟度则反映有机质所处热演化阶段，镜质体反射率由于自身精确率高，样品易于采集分析，是有机质成熟度最常用的表征参数。依据镜质体反射率可以将研究区的有机质划分为未成熟阶段，成熟阶段以及过成熟阶段，镜质体反射率门限值为0.56%和1.3%.研究区的有机质镜质体反射率为1.73%，说明有机质正处于过成熟阶段，正在大量排烃阶段，十分有利于开发。

图7 氧指数与氢指数Fig.7 Crossplot of OI vs HI

另一种确定有机质成熟度的方法就是氢指数(HI)与最大热解温度(Tmax)的交会图，能更加精细、准确的划分有机质的演化阶段(图8)。根据加拿大西加盆地的开发经验认为，依据Tmax门限值可以将有机质演化阶段划分为未成熟期，成熟早期、成熟晚期以及过成熟期等4个阶段，门限值分别为435，455和475 ℃.研究区Tmax介于450与485 ℃之间，说明有机质正处于成熟晚期，主要产生凝析气与湿气。这一结果也验证了根据镜质体反射率判定有机质演化阶段结果。

2.4 含气性特征

页岩含气性是页岩气储层最主要的研究对象，决定着研究区是否具有开发价值[24-25]。页岩气分为游离气、吸附气和溶解气3种类型，其中，吸附气与游离气所占比例最大，可以达到含气量的95%以上。研究区内的页岩含气量测定采用直接法，将通过密闭取心方式获得的页岩样品放入解吸罐中，通过记录解吸罐中气体体积来测定解吸气、散溢气利用数值模拟获取、而残余气则是在粉碎样品后获得。含气量测定结果表明，研究区页岩总的含气量为0.76～2.95 m3/t，平均值为1.81 m3/t(表1)，与具有相同演化程度的页岩气储层相比，含气量较高。等温吸附模拟实验确定研究区页岩吸附气含气量0.45～2.79 m3/t，平均值1.65 m3/t，游离气含气量0.08～0.84 m3/t，平均值0.41 m3/t.

图8 热解最大温度与氢指数交会Fig.8 Crossplot of Tmax vs HI

表1 泥盆纪页岩含气量测定结果

2.5 岩石力学特征

页岩气储层的低孔低渗特征使得只有通过储层改造才能获得工业气流，而水平井分段压裂技术是储层改造的最为实用、常见的方法。通过研究页岩气储层岩石力学特征研究，可以确定页岩储层的可压裂性[26-31]。泊松比和杨氏模量是最常用的2个反映页岩可压裂性的岩石力学参数，其中，泊松比反映页岩在压力下破裂能力，杨氏模量反映压裂后保持裂缝的能力。在岩石学范畴内，如果杨氏模量越大，泊松比越小，则脆性指数越大，地层则容易压裂。文中通过对研究区的页岩12块取心样品进行三轴应力压裂，其中3组样品成功实现压裂，压裂样品的三轴应力实验结果见表2，页岩储层的静态杨氏模量为33.2～41.2 GPa，平均值为35.6 GPa，泊松比分比为0.24～0.28，平均值为0.26.

加拿大西加盆地的页岩气开发经验表明当页岩的静态杨氏模量超过30 GPa，泊松比小于0.3时，岩石可压裂性明显增强。而研究区的页岩静态杨氏模量均大于30 GPa，泊松比小于0.3，表明研究区页岩质地较脆，适宜通过水平井压裂等储层改造措施来改造储层以实现页岩气的高产稳产。

表2 泥盆纪页岩岩石力学特征

3 结 论

1)西加盆地页岩属于最大海侵期的深海相页岩沉积，主要为层状灰色、灰黑色层状硅质泥岩、钙质泥页岩，页岩，厚度在45～65 m之间。页岩的矿物中，石英、方解石和长石等脆性矿物质量百分数普遍超过50%，黏土矿物主要有伊蒙混层、绿泥石、伊利石，含有少量的高岭石，利用矿物含量计算的脆性系数较高，有利于后期的储层压裂处理。

2)页岩气储层主要的孔隙类型以裂缝与有机孔为主，含有少量原生孔、黏土矿物间微孔以及溶蚀孔，其中裂缝是流体重要运移通道，有机孔是页岩储集空间的最重要“贡献者”。孔隙度1.32%～6.88%，渗透率0.056 88～0.352 79×10-3μm2，属于低孔低渗储层，需要通过后续储层改造来实现页岩气的商业化开发。

3)页岩气储层总有机碳含量为3.48%，属于高丰度有机质页岩；有机质类型为Ⅱ1和Ⅱ2型干酪根，处于成熟晚期，主要生成凝析气与湿气，具备良好生气物质基础，同时产有一定量的凝析油。

4)实验室测定页岩含气量0.76～2.95 m3/t，平均值1.81 m3/t，与相同演化程度有机质相比，属于高含气量页岩，同时高杨氏模量和低泊松比等特点，反映出页岩易被压裂的特点，为后续的页岩气储层改造奠定工艺基础。