威远构造W202区块龙马溪组龙11亚段页岩气储集层岩石学特征

杨 光，田伟志，吕 江，徐守辉，康 乐，李晗菲

(中国石油长城钻探工程有限公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

页岩气资源潜力巨大，已成为全球油气勘探的一个新领域。目前，对页岩气的成藏和储量研究较多，且大部分是从页岩气聚集机理及聚集条件等外因角度开展储层评价[1]。而页岩的矿物组分作为优质储层的内因，控制着储集空间的发育。因此，通过开展页岩有机地球化学、岩石学以及含气量等相关参数测试，对页岩气储层岩性成分、含气能力、成因及储集等方面进行研究，为页岩气勘探开发提供技术支持。该文从储集层岩石学角度对W202区块龙马溪组开展细致研究，为优质储层发育机理的研究、辅助水平井导向及压裂技术实施提供依据[2-3]。利用XRF技术分析各小层元素分布，通过SiO2、Al2O3、∑Fe2O3、CaO、MgO、SO3等含量表征石英、黏土及灰质发育情况，确定页岩成分及岩性，评价储集层力学脆性[4]；利用XRD、薄片鉴定和扫描电镜等测试手段，分析矿物成分及含量、有机质特征及赋存状态、储集空间类型等，并结合烃源岩、等温吸附数据探究优质储集层的发育机理，为威远构造W202区块龙马溪组龙11亚段页岩气开发提供基础。

1 研究区地质概况

四川盆地根据区域构造特征划分为川东南、川中和川西北构造区等3个亚一级构造单元，可进一步划分为川西坳陷带、川中低缓褶皱带、川西南低陡褶皱带、川北低陡褶皱带、川东高陡褶皱带、川南低陡断褶带等6个盆地二级构造单元。

W202区块位于川中隆起区的川西南低陡褶皱带威远背斜构造高部位(图1)。志留系下统龙马溪组下部发育了一套巨厚的黑色炭质页岩、硅质页岩和灰质页岩，上部发育了一套巨厚绿灰色页岩及薄层粉砂质页岩[5]。依据沉积旋回特征，将龙马溪组分为龙1段、龙2段2个次级反旋回[6-7]。

图1 威远构造位置Fig.1 The location of Weiyuan Structure

龙马溪组龙1段为持续海退的进积式反旋回，依照次级旋回和岩性特征将其分为龙11和龙122个亚段[8]。龙11亚段位于龙马溪组下部，为灰泥质深水陆棚相沉积，发育有一套富有机质黑色炭质页岩，可见大量形态各异的笔石群，是目前威远页岩气田主要目的产层。通过岩性、电性等特征分析，将龙11亚段自下而上依次划分为龙11Ⅰ、龙11Ⅱ、龙11Ⅲ和龙11Ⅳ4个小层(表1，分层数据依据此次研究岩心资料，不作为地区通用)。

表1 W202区块龙1段小层划分Table 1 The divisions of layers of the Long1Member in W202 Block

2 岩石化学特征

该文使用EDX-4500H型X射线荧光光谱仪，完成了龙马溪组龙11亚段158块岩石样品化学元素检测，对各个小层代表性元素特征进行了统计分析(表2)。按照GB/T 17412.2(岩石分类和命名方案)，参考张慧等[9]对四川盆地龙马溪组页岩的划分方法，按页岩中不同元素成分含量进行定名，探寻各小层内部岩石化学成分的变化规律及优质储层元素富集特征。

表2 龙11亚段各小层岩石化学成分含量统计Table 2 The statistics of chemical composition contents ofeach layer of the Long11 Sub-member

由表2可知：龙11亚段灰质(云质)页岩含方解石较多，但含量不超过50.00%；铁质页岩含铁的硅酸盐及硫化物较多；硅质页岩含自生游离二氧化硅较多，SiO2含量超过85.00%；粉砂质页岩陆源粉砂碎屑含量为25.00%～50.00%；炭质页岩含有较多均匀分布并炭化的细分散状有机质，染手；黑色页岩含有较多有机质与细分散状硫化铁；黏土质页岩中的黏土矿物含量较高，一般大于90.00%，含大量黄铁矿，其他矿物较少。对各小层脆性指数进行统计，龙11Ⅰ小层SiO2含量最高为89.91%，脆性指数为0.76，为优势储层发育层段。

2.1 龙11Ⅰ小层

龙11Ⅰ小层为浅海深水陆棚相沉积，SiO2含量较高，平均为62.68%，Al2O3含量相对较低，平均为6.45%，CaO含量平均为9.19%；CO2含量平均为9.30%。小层岩石中化学成分变化较大，底部SiO2含量较高，上部CaO含量较高，靠近顶部区域Al2O3含量明显升高，即小层具有下部硅质页岩、中部灰质页岩、上部黏土质页岩的岩性组合特征。硅质页岩脆性指数最高，为最有利储集层岩性，大量有机质孔隙也为页岩气的富集提供了场所。

2.2 龙11Ⅱ小层

该小层岩石中化学成分变化最为显著的是∑Fe2O3和SO3含量较高，尤其是在中下部具有明显的高异常，这是由于该小层在成岩阶段处于强烈的还原环境，发育了较高含量的黄铁矿晶簇，同时，在沉积时期发育了多层斑脱岩，形成了黄铁矿的富集。与龙11Ⅰ小层相比，Al2O3、K2O含量大幅度增高，SiO2含量降低，CaO和MgO含量变化不大。岩石组合为页岩、灰质页岩、黏土质页岩，夹薄层-页片层斑脱岩。

2.3 龙11Ⅲ小层

该小层岩石中化学成分以高Al2O3、K2O为特征，Al2O3含量平均为13.84%，K2O含量平均为3.37%；局部以高CaO、SO3、∑Fe2O3，低SiO2为特征。Al2O3和K2O都是反映黏土含量的参数，这与该小层主要发育黏土质页岩相吻合，同时反映了陆源碎屑物明显增多。

2.4 龙11Ⅳ小层

该小层岩石中SiO2含量较低，Al2O3、K2O含量较高，局部高CaO、SO3，主要发育黏土质页岩和灰质页岩。与龙11Ⅲ小层相比，CaO成分较高，反映灰质页岩更为发育。岩性组合为有机质页岩、灰质页岩、黏土质页岩及粉砂质页岩。

3 矿物学特征

通过XRD、薄片鉴定和扫描电镜等数据对页岩储层矿物成分开展分析，龙马溪组龙11亚段矿物类型主要为陆源矿物、自生矿物、生物碎屑和少量有机质等。主要矿物成分为石英和黏土矿物，含少量钾长石、斜长石、方解石、白云石和黄铁矿等(表3)。

表3 矿物组分平均含量统计Table 3 The statistics of average content of mineral components

3.1 陆源矿物

陆源矿物主要包括石英、长石和黏土矿物。通过薄片鉴定及扫描电镜分析，龙11亚段以陆源碎屑输入的石英为主，颗粒为泥—粉砂级，风力搬运，悬浮方式沉积，磨圆度较差，多呈次棱角状(图2a)。长石分布广泛，以晶型较好的钠长石为主，溶蚀现象相对不发育(图2b)，龙11Ⅲ小层见少量的钾长石。黏土矿物为含水的硅酸盐或铝硅酸盐矿物，按照晶体结构分为结晶质和非晶质，常见层状结构结晶质黏土矿物(图2c、d)，非晶质黏土矿物没有明确的晶体结构。

图2 陆源矿物特征Fig.2 The characteristics of terrigenous minerals

3.2 自生矿物

自生矿物是成岩过程的产物，矿物生成的形态主要与组成页岩的化学成分、沉积和成岩环境(温度、压力、pH值)有关。龙11亚段自生矿物主要有生物石英(有机硅)、碳酸盐矿物、黄铁矿等。主要发育的生物有放射虫、海绵骨针、有孔虫等，石英保持了生物体的形态，并在其体腔孔内发育晶型较好的自生石英晶体(图3a)。碳酸盐矿物主要为方解石和白云石(图3b)，为成岩作用阶段产物，以颗粒状或胶结物的方式分布在泥页岩基质中，其中，颗粒状产出的白云石具有较好的晶体形态，呈现菱形，部分发生溶蚀；方解石则无固定形态，多为碎屑颗粒，溶蚀现象发育，局部含量较高。龙11亚段黄铁矿含量较高，分布均匀，一般呈草莓状、团块状(图3c)，或呈自形相对较好的立方体状。为成岩作用期形成的自生矿物，代表强还原环境。

图3 自生矿物特征Fig.3 The characteristics of authigenic minerals

3.3 残余有机质

龙11亚段残余有机质主要为原始有机质或液态烃在过成熟阶段经高温裂解后形成的最终产物，如沥青质、炭质等，为页岩中游离气和吸附气重要的储集场所。残余有机质分散在碎屑颗粒和黏土矿物之间，在偏光显微镜和扫描电镜下清晰可见(图4)。

图4 残余有机质Fig.4 The residual organic matter

脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙度和裂缝发育程度、含气性及改造方式的重要因素。硅质矿物(陆源石英、有机硅)、长石(钾长石、斜长石)、碳酸盐矿物(方解石、白云石)等都属脆性矿物，在外力作用下容易形成天然裂缝和诱导裂缝，有利于天然气的渗流，并增大游离态页岩气的储集空间。龙11Ⅰ小层矿物特征为石英含量高、黏土矿物和碳酸盐矿物含量低，为最为有利的页岩气储层，也是页岩气开发中水平井施工最佳钻探与压裂层段。

4 优质储集层评价

龙11亚段页岩气以游离态、吸附态为主，赋存于富有机质层段。基质渗透率平均值为0.169 mD，无自然产能，需要通过一定技术措施才能获得工业气流。

应用甲烷等温吸附实验数据进行含气性评价[10]。龙11亚段10个样品的甲烷等温吸附实验数据分析显示(图5)，龙11Ⅰ小层吸附量最高，平均为4.63 cm3/g，龙11Ⅱ小层平均为2.53 cm3/g，龙11Ⅲ小层平均为2.72 cm3/g，龙11Ⅳ小层平均为2.16 cm3/g。通过对TOC含量、饱和吸附量进行分析发现，页岩TOC含量越高，吸附能力越强[11-12]，且页岩含气量呈现随深度增加而增大的趋势。这是由于有机质中具有吸附能力的纳米级孔隙较为发育，为气体的吸附提供了场所，使得吸附能力增强。

图5 龙11亚段各小层XRD与XRF参数综合对比Fig.5 The comprehensive comparison of XRD and XRF parameters of each layer of the Long11 Sub-member

龙11亚段数据对比分析可以看出，石英含量与SiO2，黏土矿物含量与Al2O3、∑Fe2O3、K2O，灰质含量与CaO、MgO，都呈现良好的正相关关系(图5)。龙11Ⅰ小层SiO2的含量高，脆性较好，矿物整体表现为高石英含量、低黏土矿物和碳酸盐矿物含量，为龙11亚段最为有利的页岩气储集层，也是页岩气开发中利用水平井施工最佳钻探与压裂层段[13-14]。

威远背斜构造全区地势西北高、东南低，威202区块中奥陶顶界(五峰组)构造形态简单，呈一单斜形态，自西北向东南倾斜。龙马溪组优质页岩段发育在龙马溪组底部龙11Ⅰ小层，厚度由西向东逐渐增大；该小层测井数据特征为：伽马值较高，声波时差、电阻率略高，密度略低(图6)。

图6 威202区块优质页岩段厚度对比Fig.6 The thickness comparison of quality shale section in Wei 202 Block

5 开发效果分析

W202区块龙11Ⅰ小层为最优质页岩气储层，因此，水平井轨迹大都是以该小层为箱体。钻井过程中，通过确定岩石化学成分含量及矿物成分含量特征，引导水平井准确入窗；利用岩石学特征参数变化进行随钻追踪，判定钻头穿行状态，指导定向施工，及时调整轨迹，可大幅度提高水平井优质储层钻遇率[15]。以WH4-7-5井为例，该井龙11Ⅰ小层埋深为3 592.5～3 598.0 m(垂深)，厚度为5.5 m；A点斜井深为3 730.00 m，B点斜井深为5 273.00 m，水平段长度为1 543.00 m。随钻检测岩石学特征参数均符合优质储层上下限值，钻遇率为100%。2017年5月投产，实施针阀开采，平均日产气量为2.981×104m3/d，日产水量为2.63 m3/d，累计产气量为3701×104m3。

对投产时间相近但并未实施岩石学特征参数随钻追踪技术和实施该项技术水平井(各10口井)数据进行统计对比。研究结果表明，优质储层钻遇率是页岩气井单井产气量的主要控制因素，与产能关系明显。实施随钻追踪辅助水平井导向使优质储层钻遇率提高了32.2%，采气初期单井平均日产量增加了38.8%，累计产气量增加了24.2%(表4)。

表4 钻遇率及产能对比统计Table 4 The comparison statistics of drilling ratio and production

6 结 论

(1) W202区块龙马溪组龙11亚段页岩矿物组分以石英为主，黏土矿物中含有较高的伊蒙混层和伊利石黏土，碳酸盐矿物分布不均匀，以硅质页岩为主，其次为黏土质页岩和碳酸盐质页岩。硅质成分主要来源为陆源石英颗粒和硅质生物颗粒，生物成因硅质(有机硅)为富有机质页岩的重要组成部分。

(2) 页岩气储集层的优劣主要取决于储集层脆性矿物的含量和有机质丰度。硅质含量和有机质含量、含气量之间呈正相关关系，黏土矿物含量与含气量之间呈负相关关系。龙11亚段龙11Ⅰ小层为浅海深水陆棚相沉积，富硅的放射虫、海绵骨针等生物极为发育，SiO2平均含量为62.68%，明显高于其他3个小层，且有机质丰度高、吸附能力强，为页岩气生成和富集提供了场所，为最优质储集层。

(3) 通过确定龙11Ⅰ小层岩石学特征参数，能够准确识别小层，保持钻头轨迹在水平箱体中钻进，为精准地质导向提供技术指导。在威远页岩气田应用效果良好，大幅提高了水平井优质储层钻遇率也大幅提高了页岩气产量。该项技术目前已经成为页岩气高效开采必用的关键技术。