页岩气储层评价参数研究概述

梁 博，刘友南，封宇博，邓春涛

（1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065；2.陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西西安 710065）

1 页岩气藏基本特征

1.1 页岩气成藏过程

页岩气（或称气页岩）是由富含有机物的黑色页岩产生的天然气，或在页岩中纳米级微孔中不断积累的自生自储天然气。与传统的原油和天然气相比，页岩气含有较高的甲烷，并且成分多样，包括少量的乙烷、丙烷、CO2、N2等成分[1]。对于页岩气的研究，人们发现其成藏特点与常规的天然气相比有很大区别。页岩气的成藏模式为“原地”成藏，即在烃源岩内部完成了生烃、排烃、运移、聚集和保存的过程，不间断供气并且连续聚集形成。此外，页岩气还可以存在于夹层状的粉砂岩、泥岩和粉砂质泥岩，甚至是砂岩地层中[2]。

页岩气的成藏过程非常复杂，涉及成因、赋存和聚集等多个方面。主要表现为典型的吸附、活塞式或置换式成藏机理[3]。

页岩气的成藏过程可以分为三个阶段，每个阶段都包含着密不可分的因素。首先，在储层形成早期，页岩气通过吸附和溶解在地层流体中的方式存在，这是页岩气富集的第一个过程；其次，随着时间的推移和温度压力的变化，富余的天然气逐渐聚集于页岩基质孔隙和裂缝中，并形成气体储集区域，这是页岩气富集的第二个过程；最后，随着生烃的不断发生，排烃作用会形成更大规模的气藏，这是页岩气富集的最后一个过程[3]。

1.2 页岩气赋存状态

页岩气赋存于页岩层系中的方式主要包括吸附气、溶解气和游离气三种[4]。国内外学者普遍认为，吸附气和游离气是页岩气储量的主要来源，而溶解气占比较小。鉴于吸附气和游离气是储藏丰度最大的两种气体类型，对于评估页岩气资源潜力和提高勘探成功率具有重要意义。

游离气是指处于无序状态且不与其他物质发生作用的气体，它通常富集在页岩的裂缝和孔隙之间。而溶解气则是指气体直接溶解在水中形成的气体。页岩气储集空间具有多尺度特征以及多孔缝系统。页岩气在构造转折带、地应力相对集中带以及褶皱-断裂发育带等位置存在。页岩气储层主要由纳米孔隙组成，有效孔隙度低于10%，渗透率低于1 mD，具有超低孔隙度和超低渗透率的特征。

在研究页岩气的储层特征时，孔隙结构被认为是非常重要的因素之一。这是因为页岩的气体赋存方式和产量水平直接受到其孔隙特性的影响。页岩的孔隙几何结构、类型、大小、分布以及孔容等参数对它的储层质量具有重要意义[5]。尤其是孔隙连通性对于气体在岩石中运移的影响尤为显著。此外，孔比表面积是评价页岩储层物理性质的重要指标之一。因此，了解页岩储层的孔隙结构特征可以为页岩气开发提供深入的认识和科学依据。

2 页岩气储层特征

页岩气藏表现出源储一体，往往没有明显的圈闭界限。页岩气储层致密，以纳米孔隙为主要特点，通常赋存于富有机质的细粒沉积岩中，即页岩。页岩石中包含有机质、矿物质、水和气体等组成部分。储层包括高碳泥页岩这样的富有机质岩石，还包括黑色页岩所夹的薄层泥质粉砂岩和各种砂岩[6]。页岩的分布和岩石组成表现出多样性和非均质性，这导致了储层孔隙结构和渗流特征的差异非常大。在研究页岩气储层时必须具体问题具体分析，采用不同的方法和技术进行区别处理。

页岩气储层是一种主要由沥青质或含有机质的暗色、黑色泥页岩和高碳泥页岩构成的岩性。其组成包括30%～50%的黏土矿物、5%～25%的粉砂质和碳酸盐岩以及4%～30%的有机质[7]。根据北美页岩气储层的数据，该类型岩心的孔隙度在4.0%～6.5%，平均值为5.2%。渗透率通常为（0.001 0～2.000 0）×10-3μm2，平均为0.040 9×10-3μm2。然而，在断裂带或裂缝发育带，页岩气储层的平均孔隙度可高达11.0%，渗透率可达2.000 0×10-3μm2。这些特点说明了页岩气储层的封闭性和低渗透性，限制了页岩气的迁移和储集[8]。

通过对页岩气储层与常规储层特性的比较研究，认为影响页岩气储层的特性必须要考虑吸附气量与游离气量这两个影响因子。储层矿物组分、有机地球化学特征等因素是影响吸附气量的重要因素，而储层物性、储集空间等因素则会影响游离气量。此外，储层含气性也是页岩气储层的重要特征之一。

因此，在页岩气储层的勘探和评价过程中，需要对吸附气量、游离气量和储层含气性等因素进行综合分析和评价。

3 页岩气储层评价参数

综合前人的研究成果，本文分析和总结了页岩气储层的地质特征及其影响因素。在此基础上，选取了总有机碳含量、有机质成熟度、含气性、页岩有效厚度、储层物性、矿物组分和脆性这七个因素作为评价页岩气储层的综合指标。

3.1 总有机碳含量评价

干酪根富集程度是影响页岩气聚集的关键因素。总有机碳含量（TOC）是评价页岩气储层的重要参数之一[9]。它被视为页岩中最关键的“地质甜点”，可反映出该储层的生烃能力和含气量多少。较高的TOC 值表明有效源岩具有更强的生烃潜力，这也意味着页岩气储层裂缝中可能会存在更多的游离气和吸附气（图1）。北美地区的研究表明，具有商业价值的页岩气藏的TOC 通常在2%～10%[10]。

图1 页岩总有机碳含量与含气量关系[11]

在实际应用中，常用的分析方法包括热重分析（TGA）、元素分析、紫外线吸收法等。其中，热重分析是一种常用、高精度的分析方法，可以用于测定样品中有机质含量和有机质类型，该方法基于样品在恒定温度下加热，测量样品失重率，从而确定样品中有机质含量。匡立春等[12]提出了中国陆相页岩的TOC 分级评价标准，考虑到其在不同地区的含量差别，并根据形成的湖盆环境将其分为两种类型（表1）。

表1 TOC 分级评价标准

3.2 有机质成熟度评价

成熟度是反映有机质是否已经进入热成熟生气阶段（生气窗）的重要指标[13]。其中，镜质体反射率（Ro）被广泛应用于表征生油岩成熟度。通常情况下，可以根据Ro 的变化将有机质的演化分为三个阶段。当Ro≤0.5%时，有机质处于未成熟阶段；当0.5%＜Ro＜1.6%时，样品处于成熟阶段，非常有利于油气的形成。特别地，Ro 为0.5%～0.8%时，进入成熟阶段初期；Ro 为0.8%～1.2%时，处于成熟阶段中期；Ro 为1.2%～1.6%时，处于成熟阶段末期。但当Ro≥1.6%时，属于过成熟阶段，不再有油气的生成。因此，烃源岩的有机质成熟度与其是否能够生成油气直接相关，从而成为评价页岩气储层的关键因素之一[14]。也要根据页岩有机质类型和生烃演化过程来考虑，关键是可判断出大量生气阶段。

3.3 含气性评价

目前，计算吸附气含量的方法为等温吸附实验和测井解释相结合，并采用经典的Langmuir 模型进行计算（图2）。Langmuir 模型常常需要对页岩气储层的温度、压力和总有机碳含量等参数进行校正[15]。

图2 页岩吸附气实测值与Langmuir 模型拟合值对比

梁彬等[16]基于Langmuir 模型，建立了同时考虑温度、压力和镜质体反射率的多因素吸附能力计算模型，可以提供一定的页岩气储层评价指导。也有学者提出了结合多因素吸附气计算方法，比如：D-R 法、BET 法和分子模拟计算方法，但是由于页岩气储层的复杂性，不同方法计算出来的吸附量可能会有较大差异。因此，需要进行多种方法综合比较，才能更准确地确定页岩气储层的吸附量。

页岩气储层游离气含量的计算采用体积法，而计算精度关键在于页岩气储层含水饱和度的计算精度。通常使用阿尔奇公式及其修正公式计算含水饱和度，利用游离气含量与影响因素之间的相关性通过多元参数拟合求解。

3.4 页岩有效厚度评价

与常规油气藏一样，页岩气藏的形成和富集也需要在一定范围内具备有机质充足和储集空间充裕的条件。对于商业性页岩气来说，其有效厚度必须达到一定数值，以保证储存空间和有机质含量足够，并且确保后续的压裂施工能够进行。

有效厚度是指单井压裂后在纵向上被压裂裂缝控制，且对产出油气有一定贡献的产层厚度。为了保证储渗空间和有机质充足，通常要求直井厚度大于30 m[13]。但由于水平钻井和分段压裂等技术的应用，页岩有效厚度可能低于这个下限值。因此，“有效页岩”的定义是高伽马（GR≥100 API）、含有机质（TOC＞2%）、处于热成熟生气窗内（Ro≥1.1%）、高脆性矿物含量（脆性矿物含量＞40%；黏土矿物含量＜30%）、充气孔隙度＞2%和渗透率＞1×10-7μm2的富有机质页岩[17]。

北美页岩气探采实践表明，页岩有效厚度一般要在15～50 m。需要强调的是，当有效页岩连续发育时，其有效厚度只需≥15 m 即可，但如果有效页岩为断续发育或TOC 含量低于2%，则需要累计厚度≥30 m 才能满足商业勘探开发要求。若存在夹层，夹层厚度≤1 m，若夹层厚度＞1 m 且所占比例＜30%，也可以被接受。

页岩有效厚度愈大，尤其是连续有效厚度愈大，有机质总量也愈大，生成气量也会更多，从而可能导致页岩气的富集程度更高。

3.5 储层物性评价

通过对页岩的孔隙度、渗透率及含气饱和度等物性的分析，评价页岩气储层的储气能力大小[13]。

3.5.1 页岩孔隙度 孔隙度是评价油气储层的重要参数之一，对于确定岩石储集空间、流体饱和度以及油气地质储量等均具有重要意义[18]。实验室测定页岩气储层孔隙度的测量和分析方法主要有两种：GRI 方法和GB/T 29172—2012 岩心分析方法[19]。付永红等[20]对样品烘干温度、粉碎粒径、样品洗油、饱和压力和平衡时间等因素对页岩孔隙度测定结果的影响进行了探讨，并给出了相应的最优测试条件。

评价页岩孔隙度的常用测井方法包括吸水率法、自然伽马辐射测井（NGR）法、核磁共振测井（NMR）法、孔隙度测井法（图3）；其中，吸水率法是最简单、最常用的方法之一，它通过在地层孔隙中加入水分并测量储层饱和度的变化来评价孔隙度。自然伽马辐射测井法和核磁共振测井法则以孔隙度与地层中岩石元素含量、核磁共振参数等特征之间的关系为基础，通过测量地层中的伽马射线和核磁共振信号来评价孔隙度。而孔隙度测井法则是利用声波速度、密度等物理参数来计算孔隙度值。这些方法都可以直接在井内进行测量，提供现场实时数据，对于油气勘探开发具有重要的意义。此外，由于页岩地层主要存在纳米孔隙，其T2弛豫时间非常短（图4）。因此，无法准确测量，导致核磁共振测量孔隙度比实际地层总孔隙度要小[18]。

图3 含气页岩层段测井响应特征[15]

图4 不同回波间隔时间条件下的页岩核磁共振T2 谱[18]

匡立春等[12]通过对中国不同盆地陆相页岩总孔隙度的统计提出了以总孔隙度为基准的页岩气储层分级评价标准（表2）。

表2 页岩气储层总孔隙度分级评价标准[12]

页岩气储层具有较强的敏感性，因此，目前针对页岩孔隙结构的表征方法除了测井方法比较接近地层原始条件外，其他室内表征方法都会受到非原地状态下温压和流体性质变化引起的应力释放、矿物脱水等干扰因素的影响，难以准确地反映其原地条件下的储层特征[21]。

3.5.2 页岩渗透率 目前，实验室测定页岩渗透率的方法主要包括稳态法和非稳态法。稳态法是利用达西定律，通过测量被测试流体流动达到稳定状态时的压差和流量来计算渗透率。优点是测量结果稳定性高，数据精度较高，使用N2或者CO2作为测量介质，不会造成环境污染；缺点是测量时间相对较长，通常需要6～24 h[22]。

非稳态法包括压汞法、气体解吸法、液压爆破法和瞬态法等。其中，压汞法是一种常用的测定非常规油气藏储层孔隙度和渗透率的方法。该方法利用压汞仪通过对储层样品施加不同的压力来测定其孔隙度和渗透率。当施加的压力越大时，孔隙中含有的汞柱就会越小，从而计算出储层孔隙度、渗透率等物性参数。气体解吸法可以通过对储层样品进行原位解吸来确定储层的吸附容量和渗透率。通过测量储层样品在不同压力下放出的天然气量和压力之间的关系，可以得到储层的吸附容量和渗透率。液压爆破法是利用水压将储层样品加压至破裂点，从而测定渗透率的方法。该方法需要进行现场取样，并且需要较高的技术要求。瞬态法是一种基于瞬变灌流理论测定渗透率的方法。该方法通过测量储层样品在瞬态灌流条件下的压力衰减曲线，计算得到储层的渗透率。这些非稳态法各有优缺点，在具体应用时应根据实际情况进行选择。

3.5.3 含气饱和度 传统的饱和度评价方法采用电法测井，主要依赖于Archie 模型。柳文欣等[23]研究发现，页岩溶解气量主要受压力、温度、矿化度和页岩中残留油数量等因素的影响。尽管溶解态页岩气含量很少，但在模拟研究过程中应该考虑到这些因素的影响。石文睿等[24]讨论了涪陵地区焦石坝区块低阻页岩气储层的特点，提出了利用横纵波时差比和DEN 拟合含气饱和度以及基于TOC 计算含气饱和度的方法，此方法可以更好地计算低阻页岩气储层的含气饱和度，而且不受地区储层差异性的限制。

3.6 储层矿物组分评价

页岩气储层矿物组分的分析手段包括：

X 射线衍射（XRD）：通过研究样品中的X 射线衍射谱，可以得知样品中的晶体结构及其含量信息。XRD技术可用于测定页岩矿物成分及其含量，并能够与储层物性参数进行关联。

扫描电镜（SEM）：可用于观察页岩样品中的微观结构和孔隙特征。SEM 技术能够提供有关矿物纤维、孔隙形态和大小分布等信息，为页岩气储层评价提供了有益的帮助。

稳定同位素分析：通过测量页岩样品中的碳、氢等同位素分布情况，可以获得有关地质历史、生物来源、生烃和流体运移等方面的信息。稳定同位素分析技术可用于识别和定量化不同类型有机质中的同位素组成。

热重-差热分析（TG-DTA）：通过观察样品在温度升高时的失重和热力学性质变化，可以确定页岩样品中有机质、无机物等物质的组成和含量。TG-DTA 技术在评估页岩气储层有机质成熟度和类型方面具有一定的应用价值。这些方法在页岩气储层矿物组分研究中经常使用，可以对储层的矿物组分、有机质含量和类型等方面提供关键信息。

除了硅质和钙质矿物之外，页岩气储层还包括黏土矿物（图5）。熊荃等[25]研究发现，页岩中黏土矿物含量与吸附气含量呈正相关关系，而脆性矿物含量与吸附气含量呈负相关关系。这表明黏土矿物对页岩气储层晶体结构和层间孔隙的连通性具有重要影响。另外，武瑾等[26]研究表明，川南深层龙马溪组页岩气储层的矿物组分以石英等脆性矿物为主，这使得储层更容易被改造。

图5 川东下志留统龙马溪组页岩组分分析结果

表3 页岩气储层分类评价指标

因此，通过以上研究可以得知，对于页岩气储层的评价和开发，需要考虑其矿物组分、孔隙结构及吸附特性等因素。

3.7 储层脆性评价

脆性指数是页岩气储层重要的工程参数，用来表示地层在受外部应力作用时破碎的难易程度。在大多数页岩气田中，通常脆性矿物含量较高，脆性指数也越高，表示该地层对外部应力的敏感度更高，更容易形成天然裂缝，这也使得水力压裂时更容易产生裂缝。因此，预测脆性指数对于获得高产非常重要。

常用的页岩气储层脆性评价方法包括声波法和矿物组分法，这两种方法都能够比较准确地评价页岩气储层的脆性。声波法主要通过岩石的声速、共振频率等特征来反映其脆性。矿物组分法通过计算脆性矿物的含量（一般为石英或石英与方解石占总矿物含量的百分比）来评估页岩脆性。然而，矿物组分法只适用于这两种矿物脆性相近的情况，实际上这两种矿物的岩石力学性质存在明显的差异[15]。

4 结论和认识

（1）本文分析了页岩气储层评价的主要参数并进行了优选，确定了页岩气储层的分类评价指标，包括总有机碳含量（TOC）、页岩有效厚度、有机质成熟度和孔隙度多个因素。

（2）相对于常规的油气储层，页岩气储层富含有机质，同时黏土矿物也十分丰富，矿物成分复杂。其孔隙度和渗透率极低，纳米级孔隙结构发育。此外，天然气吸附赋存比例也非常高。这些因素对于确定页岩气储层的品质产生了巨大的影响。因此，要深入研究储层的特征及主控因素，这对于优选页岩气储层的关键参数评价具备非常重要的意义。

（3）目前对页岩气储层的评价不仅要考虑地质和工程甜点，还需更加详细和精准，并向着页岩压裂后动态参数评价方向进行扩展。