页岩气储层主要特征及其对储层改造的影响_琚宜文

第29卷第4期2014年4月地球科学进展ADVANCESINEAＲTHSCIENCEVol．29No．4Apr．，2014

琚宜文，卜红玲，王国昌．页岩气储层主要特征及其对储层改造的影响［J］．地球科学进展，2014，29（4）：492-506，doi：10．11867/j．issn．1001-8166．2014．04．0492．［JuYiwen，BuHongling，WangGuochang．Maincharacteristicsofshalegasreservoiranditseffectonthereservoirreconstruction［J］．AdvancesinEarthScience，2014，29（4）：492-506，doi：10．11867/j．issn．1001-8166．2014．04．0492．］

页岩气储层主要特征及其对储层改造的影响*

琚宜文，卜红玲，王国昌

（中国科学院计算地球动力学重点实验室，中国科学院大学地球科学学院，北京100049）

摘要：页岩气储层是页岩气以吸附和游离状态为主、少量溶解态赋存于页岩中的非常规天然气储层，非均质性强，并且具有低孔隙度超低渗透率的物性特征，页岩气井完井后需要经过储层改造才能获得理想的产能。水力压裂技术是非常规储层中主要的储层改造方法，以此提高页岩气的可采性。在前期研究的基础上，从页岩空间分布、储层非均质性、岩石组成、地质环境、岩石物性特征等方面分析和总结了页岩气储层的主要地质特征，并探讨了这些特征对储层后期改造的影响。页岩气储层有纵向、横向非均质性之分，这些非均质性归因于页岩组成和结构特性。不同沉积环境和构造背景控制着储层的结构和构造，并进一步制约着岩石力学性质、储层敏感性以及天然孔裂隙的发育。岩石组成与结构、天然孔裂隙发育状况和地应力作用是影响储层改造的重要因素。由此，认识储层地质特征及其对后期改造的影响，不仅对丰富页岩气地质勘探理论具有重要的科学意义，而且对提高页岩气产能和开采效率也具有重要的应用价值。关键词：页岩气；岩石组成；天然裂隙；岩石物性；储层改造中图分类号：P618．13文献标志码：A文章编号：1001-8166（2014）04-0492-15

1引言

页岩气是以自生自储为主的非常规天然气，是油气资源中的新型矿种。作为一种非常规天然气，页岩气的赋存主要有3种形式：①作为吸附态吸附在有机质颗粒、无机矿物（如黏土矿物）颗粒以及孔隙表面之上；②作为游离态，大量存在于孔隙和裂隙（包括裂缝）中；③作为溶解态，少量溶解于干酪根、沥青质、残留水以及液态原油中［1，2］。此外，页岩气具有含气面积广泛、资源量大、生产寿命长、产量稳定等特点。自美国掀起页岩气革命以来，世界各地也逐渐掀起页岩气勘探与开发研究热。但是由于页岩气储层低孔低渗，因而，要实现大规模商业开采必须克服许多理论和技术上的难题。在北美成功实现页岩气产业化开发的同时，我国近些年来已经在页岩气资源前景及潜力［3～19］、页岩气有利区预测［20～32］以及勘探开发经验［33～40］等方面取得了突破性进展。然而，我国早生代以来发育有含有机质的海相、海陆过渡相和陆相泥页岩层，且非均质性强，后期又分别经历了加里东、印支、燕山和喜山等不同期次、不同性质、不同规模的构造叠加改造，造成地质条件复杂，从不同空间尺度制约着页岩气的形成和富集，要成功开采页岩气谈何容易；而美国页岩气储层较稳定，在一期或二期挤压作用后，大都经历一次抬升，地质构造相对简单。因此，应该聚焦中国页岩气地质特性，不能完全照搬美国页岩气勘探开发技术，需要探索具有中国储层特点的非常规天然气开采道路。由于页岩气主要储集于页岩层纳米孔隙

收稿日期：2013-12-24；修回日期：2014-03-28．*基金项目：国家自然科学基金项目“页岩流变的纳米效应及其赋气机理研究”（编号：41372213）；中国科学院战略性先导科技专项课

题“煤炭开发中的碳排放”（编号：XDA05030100）资助．作者简介：琚宜文（1963-），男，安徽桐城人，教授，主要从事能源盆地及非常规天然气研究．E-mail：juyw03@163．com中，而其微裂隙不发育，由此页岩气井完井后需要经过储层改造才能获得理想的产量。随着能源与环境问题越来越严重，超临界CO2开发、

液态丙烷压裂

法等逐渐步入储层改造的视野并有望取代水力压裂技术，我国应尽快采用这些新的开采技术。但是针对页岩气储层改造，必须慎重考虑储层的地质特点以及有利区块所处的地质环境和地理位置，在环境破坏和经济投资最小额度的基础上，做出适宜的储层改造方案和相应的开采方案。本文在前期研究工作的基础上，拟从页岩空间分布、储层非均质性、岩石组成、地质环境、岩石物性特征等方面分析页岩气储层的主要地质特征及其制约因素，并进而探讨这些特征对储层改造的影响。由此，认识储层地质特征及其对后期改造的影响，不仅对丰富页岩气地质勘探理论具有重要的科学意义，而且对提高页岩气产能和开采效率也具有重要的应用价值。2页岩气储层的主要特征页岩气源储一体，无明显圈闭界限，封闭层或盖层仍不少。页岩气储层致密，以纳米孔隙为主［40］，赋存于富有机质的细粒沉积岩中（通常指页岩），岩石中包含有机质、矿物质、流体（包括水和气体）等组成部分。储层有很多种岩石类型，不仅包括富有机质的高碳泥页岩还包括黑色页岩所夹的薄层泥质粉砂岩和各种砂岩［41］，如美国SanJuan盆地Lewis页岩气储层组合，并非仅为页岩层，而更多为致密砂岩层。狭义上是指纯的含有机质页岩或泥岩，如美国Michigan盆地Antrim页岩［42］。页岩分布和岩石组成表现为多样性和非均质性，这使得储层中孔隙结构以及渗流特征差异很大，在研究页岩气储层时必须区别对待。2．1页岩的空间分布及其非均质性（1）页岩的空间分布特征我国页岩分布从区域尺度上发育有海相、海陆过渡相及陆相页岩，其有机质含量、热成熟度都各有差别［43］，页岩气储层发育区初步分析有四大区域，即南方、中东部、西北及青藏等地区［44］。含有机质泥页岩的分布与其所在的沉积环境以及构造背景等有很大关系。富有机质暗色泥页岩主要形成在相对海平面上升时期的海侵（湖侵）体系域。陆相盆地中的湖湾、半深湖与海相盆地中的半深海—深海盆地、盆地边缘深缓坡和半闭塞—闭塞的欠补偿海湾地区是富有机质暗色泥页岩发育的有利地区［45］。含气页岩位于层序边界（SB：海平面下降过程中形成的层序边界）和海侵侵蚀面（TSE：早期海侵过程中形成的）上。最底下的海侵面上的海相页岩通常富含有机质，形成于相对高的伽马射线值的凝缩段（CS）内，位于层序边界之上。凝缩段的顶部是最大洪泛面（mfs），其上是进积的高水位期。有机质含量很少的高水位体系域/水退体积域（HST/ＲST）地层下超于其上［46］。

富有机质页岩的分布还与构造背景密切相关。不同构造背景下的沉积盆地，对富有机质页岩的沉

积、成岩以及有机质的保存产生不同影响，其中断陷盆地保存条件较佳。盆地中心沉积环境离物源较远，沉积水体深度相对较深，为弱碱性。对页岩沉积来说，不同水体深度具有不同的沉积特征：上部发育硅质或硅钙质浮游水生生物，下部或底部为强还原或富含H2S环境，稳定且环境变化大（

盐碱度等）

并

有页理发育，容易形成高有机碳含量、高硅质、钙质矿物不含或微含黏土的硅质页岩；海沼或三角洲以及陆相湖盆由于沉积水体相对较浅或相互分隔、近物源、沉积水体多为弱酸性，有利于高岭石及绿泥石等的形成，因而容易形成富有机质、高黏土含量而低硅质、钙质矿物的泥页岩［47］。

（2）页岩气储层的非均质性

页岩组成和结构特性使得页岩气储层非均质性很强，并有纵向、横向非均质性之分。

纵向非均质性

是纵向上岩石组成、结构构造、孔隙特征、储气性能等的变化规律，横向非均质性是平面上的分布特征［48］。页岩气储层的非均质性主要表征在有机质

和组成矿物以及储层结构上。与其他储层相似，岩石的非均质性主要是原始沉积过程中形成的，也受沉积作用、成岩作用以及构造作用多因素的综合影响（图1）。沉积格局的多样性，成岩作用的复杂性，构造演化作用的多阶段性，使得页岩气储层具有空间上分布的非均质性，进而控制储层孔隙空间中流体的聚集和渗流。页岩气储层的非均质性不仅对天然气的成藏、聚集和运移有重要影响，而且对后期储层改造以及页岩气的勘探开发具有十分重要的应用价值。2．2岩石组成特征

页岩气储层岩石组成包含有机质、黏土矿物、石英等脆性矿物以及碳酸盐矿物。有机质是含气页岩必不可少的一部分，据勘探和开发经验，含气页岩中远景区平均有机碳含量不低于0．5%，有利区不低于1．5%，核心区不低于2．0%［50］。有机质含量不

394第4期琚宜文等：页岩气储层主要特征及其对储层改造的影响图1影响页岩气储层非均质性的主要因素［49］Fig．1Themainfactorofaffectingtheheterogeneityinoilandgasreservoir［49］

仅与生烃有密切关系而且与气体吸附关系重大，高有机质含量意味着更高的生烃潜力及更好的吸附能力［51］。此外，有机质含量多少在一定程度上也控制

着页岩裂隙的发育程度［52，53］。随着有机质成熟度

增高，页岩中有机质更多地转化为烃类，硅质矿物含

量相对升高，页岩脆性也随之增强，更易形成裂隙［54］。丁文龙等［55］探讨了有机碳含量与裂隙发育

程度之间的关系，并认为随着有机碳含量的增加，裂隙发育程度由差、中等、好到很好发展。实际上，不同盆地不同区块页岩的岩石组成相差较大，如美国五大盆地页岩系统页岩有机质含量大，变化范围相对较小，而我国两大盆地变化相对较大（表1）。我国四川盆地龙马溪组页岩以及鄂尔多斯盆地延长组7段页岩都是最具潜力的页岩气储层，从其岩石组成来看，有机碳含量变化范围存在较大差异。此外，不同沉积相页岩层在岩石组合、有机质与矿物组成上等表现不一，如海相页岩多为厚层状，海陆过渡相页岩常与砂岩、煤层等互层，陆相泥页岩薄层但累计厚度大等［56］；海相泥页岩总有机碳

含量比较高，而非海相煤系地层泥页岩总有机碳含

量相对偏低。与美国主要页岩相比，我国各沉积相页岩碳酸盐矿物含量较少，硅质矿物和黏土矿物含量相对较多；海相页岩中碳酸盐矿物和硅质矿物含量比海陆过渡相、陆相地层泥页岩的高，黄铁矿主要出现在海相页岩中，含量高达25%以上（图2）。

表1美国与中国页岩主要组成参数对比Table1TheparameterscomparisonofshalesbetweenAmericanandChina

国家页岩盆地地层TOC/%石英含量/%美国Barnett组ForthWorth密西西比系4．535～50Ohio组Appalachian泥盆系0～4．745～60Antrim组Michigan泥盆系0．3～2．420～41NewAlbany组Illinois泥盆系1．0～25（8．0）（50）Lewis组SanJuan白垩系0．45～2．5050～75