页岩储层特征

声波测井观测到的页岩气储层特征~

唐晓明
（中国石油大学（华东）地球科学技术学院，山东青岛 266555）
摘 要：在近年来页岩气的大量勘探和开采中，已获取了很多页岩气储层的测井数据。从这些数据（特 别是声波测井数据）中，已经观测到了储层的一些重要特征。这些特征的突出之处是储层中的产气地带大都 存在各种尺度的裂隙、裂缝，它们为天然气的储藏和开采提供了空间与通道。本文将从弹性波速的变化以及 最近发展起来的横波远探测方法来阐明这些特征。
探测页岩气储层的声波方法
我们首先讨论弹性波速的测量及其应用，具体说来，就是纵、横波速比与纵波速度（或时差）的 交会图方法。这种方法对常规的高孔、渗砂岩储层来说已被证明是十分有效的［1］。但对于低孔、渗的 岩石，特别是页岩而言，该方法的适用性直到最近才得到证实［2］。按照常识，对孔隙度很低（＜10％） 的页岩，无论孔隙中是充水还是充气，对弹性波速的影响将是微不足道的，但根据Lucier等人的结果（图1），含气的低孔页岩的波速比也会降到1.6左右或更低。Lucier.等［2］用Biot-Gassmann理论的流体 替换法模拟了从含水到含气的波速及波速波变化的全过程，但不明白为何如此低孔的岩石会有这么大的 变化。最新发表的推广Biot理论——含孔隙、裂隙介质的弹性波动统一理论［3］指出，造成这些变化的 原因是岩石中存在裂隙。裂隙在波动的作用下很容易变形，而含气和含水状态下的波动响应是很不相同 的。图1是用唐晓明（2011）理论对Lucier等人数据的模拟，模拟中采用的控制参数是岩石中的裂隙 密度，而不是孔隙度。理论与数据的良好吻合说明了岩石中的裂隙的重要影响。实际的岩心切片也证明 了裂隙的存在（图2）。

图1 两页岩气储层的波速比与纵波速的交会图以及孔裂隙波动理论对数据的模拟，数据点位于理论曲线族的气饱和线附近，而波速的降低是由岩石裂隙密度增加造成的


图2 页岩气储层岩石的显微切片明显 观测到了裂缝的存在，证明了孔裂隙 理论模拟的合理性

我们来讨论声波远探测技术的应用。声波测井时，相当一部分能量辐射到地层中去。当声波被地层 中的地质界面或裂隙反射后，井中的测井仪器也会记录到反射声波的讯号。虽然反射讯号比沿井传播的 声波要小很多（10-1～10-3的量级）。经过专门的数字信号处理，可以提取反射波讯号并得到地质反射 体的位形（Tang et al，2011）。这种技术可以用 来探测井外页岩气储层的构造。

图3 页岩地层的烃成熟区（高GR和低DTS）反射 声波处理结果，可以看到若干垂向分布的油驱裂缝

当烃源岩在一定的温压条件下成熟时，液 化或气化的烃化物在地层中产生很大的孔隙压，致使岩石沿最大的地应力方向发生破裂（叫做 油驱裂缝，oil expulsion fracture）。由于地层深 处的地应力往往是岩石的垂向负重造成的，所 以这种裂缝一般是垂向开裂的。利用声波远探 测技术，我们可以确定这种裂缝的形态和方位。图3给出了一个具体的应用例子。第一道里给 出的是自然伽马和声波时差的测井曲线，可以 看到，图示井段的伽马和时差比上下页岩地带 的值要高（低）出很多，这正是烃源岩成熟区 “伽马值增高，时差降低” 的显著特征。右图给 出这一井段的反射声波处理结果。可以看到在 反射声波中，存在若干垂向分布的反射体，其 尺度大约在几米到十米左右，这正是以上分析 所指出的烃源岩成熟区的 “油驱裂缝”。值得一 提的是，这些反射体是在东-西向的方位上被 探明了，而在南-北向却没有，说明裂缝的走 向为东-西向。裂缝的走向为下步钻探的方位 提供了依据。以上的例子说明了声波远探测技 术在页岩气勘探的一个重要应用。
小结
已经掌握的大量声测井数据表明：低孔渗的页岩气储层与地层岩石中的裂隙，裂缝紧密相关。裂隙 的存在使得弹性波速在含水和含气状态下的取值有很大变化，从而可以从声速测井数据中检测出来。成 熟的烃源岩地层往往存在一些“油驱裂缝”，可以从声波远探测测量中检测出来。这些裂块的进一步连 通往往形成大的裂缝或裂缝连通带。页岩气储层的高产地带往往与这些裂缝带紧密关联。因此，裂隙、 裂缝的探测和描述是页岩气储层的勘探和开采的一项重要环节。
参考文献
［1］唐晓明，郑传汉，著.定量测井声学.赵晓敏，译.北京：石油工业出版社，2004.76～78.
［2］A.M.Lucier，R.Hoffmann，L.T.Bryndzia.2011，Evaluation of variable gas saturation on acoustic log data from the Haynesville shale gas play，NW Lousiana，USA.2011，The Leading Edge，March，300-311.
［3］唐晓明.含孔隙，裂隙介质弹性波动的统一理论，中国科学.D辑，2011，750～764.
［4］Tang，X.M.，and Patterson D.，Single-well shear-wave imaging using multicomponent dipole acoustic-log data： Geophysics，2010，74，WCA211-WCA223.

与源储分离的常规石油和近源聚集的致密油不同，页岩油在聚集机理、储集空间、流体特征、分布特征等方面具有明显的特征，与页岩气有更多相似之处。主要有以下六个特征，源储一体，滞留聚集；较高成熟度富有机质页岩，含油性较好；发育纳米级孔、裂缝系统，利于页岩油聚集；储层脆性指数较高，宜于压裂改造；地层压力高、油质轻，易于流动和开采；大面积连续分布，资源潜力大。

页岩本身既是烃源岩又是储集层，是一种典型的“原位饱和成藏”机制形成。生物化学生气阶段，天然气或油裂解气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面或聚集在有机质孔隙内，原位滞留饱和后，过饱和的天然气以游离相或溶解相，向外初次运移到上覆无机质页岩地层的孔隙中聚集，一部分以游离相存在于粒内、粒间孔或裂缝中，再饱和后，一部分天然气二次运移到常规储集层，形成常规天然气藏(图5-9)。

图5-9 页岩气形成机理与饱和成藏模式

一、岩石矿物组成

脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成树状或网状结构缝，有利于页岩气开采。而高粘土矿物含量的页岩塑性强，吸收能量强，以形成平面裂缝为主，不利于页岩体积改造。

美国产气页岩中石英含量为28%～52%，碳酸盐含量为4%～16%，总脆性矿物含量为46%～60%。Halliburton(2008)对北美地区多套页岩的统计及Jarvie(2007)对Barnett页岩矿物组成的分析(Daniel， et al.，2008;Jenking，2008)，认为页岩岩矿组成不存在统一模式，如路易斯安那地区位于二级层序海进体系域中的侏罗系Haynesville页岩，自下而上可划分为3个基本类型:生物碎屑泥灰岩、纹层状页岩及硅质页岩，其矿物组成粘土矿物含量为50%，石英和方解石含量为50%。加拿大三叠系Montney页岩，由纹层泥质粉砂岩、富有机质页岩互层组成，陆源碎屑石英含量呈现纵向波动变化。斯伦贝谢公司利用ECS(元素俘获能谱)测井及SpectroLith岩性处理解释技术分析同样说明(图5-10)，北美产气页岩矿物组成特征与Barnett页岩有很大区别。Barnett页岩以硅质含量高为特征，Eagle Ford页岩碳酸盐含量高(50%以上)。因此，富有机质页岩储层发育分布特征受沉积环境控制，不同沉积模式下的富有机质页岩储层矿物组有较大变化。

图5-10 北美页岩储层岩石矿物组成对比

中国海相页岩、海陆过渡相炭质页岩、湖相页岩3种页岩类型，脆性矿物含量总体比较高，均达到40%以上，如上扬子区古生界海相页岩石英含量为24.3%～52.0%，长石含量为4.3%～32.3%，方解石含量为8.5%～16.9%，总脆性矿物含量为40%～80%(表5-4;图5-11);四川盆地须家河组粘土矿物含量一般为15%～78%，平均为50%左右;石英、长石等脆性矿物含量一般为22%～86%，平均为50%左右。鄂尔多斯盆地上古生界含煤层系炭质页岩石英含量为32%～54%，平均48%，总脆性矿物含量为40%～58%;鄂尔多斯盆地中生界湖相页岩石英含量为27%～47%，平均40%，总脆性矿物含量为58%～70%。岩石矿物组成对页岩气后期开发至关重要，具备商业性开发的页岩，一般其脆性矿物含量要高于40%，粘土矿物含量小于30%。

表5-4 中国四川盆地与北美页岩地质条件对比

图5-11 四川盆地下古生界富有机质页岩矿物组成百分含量

二、页岩储层孔渗与微裂缝特征

1.孔渗特征

页岩孔隙大小从1～3nm至400～750nm不等(Robert， et al.，2009)，比表面积大，结构复杂，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体。页岩储层孔隙度、渗透率具有明显的正相关性，是页岩含气性的重要控制因素，如EagleFord页岩储层充气孔隙度高达10%，含气饱和度高达80%，相应的渗透率高达0.1×10^-3μm²，为优质页岩储层。中国海相富有机质页岩微孔-纳米孔十分发育(图5-12)，既有粒间孔，也有粒内孔和有机质孔，尤其有机质成熟后形成的纳米级微孔甚为发育，这些纳米级微孔是页岩气赋存的主要空间。四川盆地华蓥山红岩煤矿龙马溪组和威远地区筇竹寺组页岩实测结果:龙马溪组页岩孔隙度为2.43%～15.72%，平均4.83%;筇竹寺组页岩孔隙度为0.34%～8.10%，平均3.02%。鄂尔多斯盆地中生界湖相页岩实测孔隙度为0.4%～1.5%，渗透率为(0.012～0.653)×10^-3μm²。

有利页岩气储层与一定区域地质背景下的构造、沉积、有机地球化学特征密切相关，如目的层大多为含油气系统中主力烃源岩，尤其以海进体系域黑色页岩为佳，有机质以倾油的Ⅱ型干酪根为主，且现今处于大量生气阶段或充注过程中，既保存了较高的残余有机质丰度，储集大量吸附气，又能够增加一定孔隙度，容纳足够数量的游离气，同时有助于提高基质系统的渗透性(王正普等，2007)，使得页岩储层品质提高，形成优质页岩储层。

2.微裂缝

裂缝的发育可为页岩气提供充足的储集空间，也可为页岩气提供运移通道，更能有效提高页岩气产量(程克明等，2009;张金川等，2004;Hill， et al.，2000;Bowker，2002;Hill，2002)。在不发育裂隙的情况下，页岩渗透能力非常低。石英含量高低是影响裂缝发育的重要因素，富含石英的页岩段脆性好，裂缝的发育程度比富含方解石的泥页岩更强。Nelson认为，除石英外，长石和白云石也是泥页岩中易脆组分。一般页岩中具有高含量的粘土矿物，但暗色富有机质页岩中的粘土矿物含量通常则较低。页岩气勘探必须寻找能够压裂成缝的页岩，即页岩的粘土矿物含量足够低(＜50%)、脆性矿物含量丰富，使其易于成功压裂。

中国海相页岩、海陆交互相炭质页岩和湖相页岩均具有较好的脆性特征，无论是野外地质剖面还是井下岩心观察，发现其均发育较多的裂缝系统。如:上扬子地区寒武系筇竹寺组、志留系龙马溪组黑色页岩性脆、质硬，节理和裂缝发育，在三维空间成网络状分布，岩石薄片显示，微裂缝细如发丝，部分被方解石、沥青等次生矿物充填;鄂尔多斯盆地上古生界山西组岩心切片可看到呈网状分布的微裂缝;鄂尔多斯盆地中生界长7段黑色页岩页理十分发育，风化后呈薄片状。

三、页岩储层含气性

根据含气性，页岩气区带可划分为核心区、外围区。页岩含气量是衡量页岩气是否具经济开采价值和进行资源潜力评估评价的重要指标，页岩含气量包括游离气、吸附气及溶解气等。哈里伯顿公司(2009)认为商业开发远景区页岩含气量最低为2.8m³/t。北美已实现商业开发的页岩气，其含气量最低约为1.1m³/t，最高达9.91m³/t(表5-4)。吸附气部分主要与有机质、粘土矿物相关，游离气部分主要与基质孔隙相关。图5-13说明页岩吸附能力与有机质含量呈现正相关关系。

图5-12 四川盆地下古生界页岩有机质微孔-纳米级孔隙分布特征

图5-13 Barnett页岩含气量与有机质丰度TOC关系

①1scf(标准立方英尺)=0.0283168m³

需要强调的是，从页岩生烃、富集成藏机理的角度看，页岩有机质数量与质量等都是页岩含气量的关键影响因素。进一步而言，页岩气藏形成的有机质丰度下限及成熟度就是很关键的问题。目前，斯伦贝谢(Charles Boyer et al.，2006，转引自《页岩气地质与勘探开发实践丛书》编委会，2009)及Devon等在页岩气藏勘探开发实践中，将TOC含量下限值确定为2.0%。这一选值实际上相当于石油地球化学家在评定源岩等级时所确定的“好生油岩”标准。结合母质类型、热成熟度、矿物组成和岩石结构进行综合分析和判识，对于提高页岩气藏勘探开发的效果非常重要。有机质成熟度R_o大于1.2%往往被普遍作为形成有利的页岩气上限。

实测发现，四川盆地下寒武统筇竹寺组黑色页岩含气量为1.17～6.02m³/t，龙马溪组黑色页岩含气量为1.73～5.1m³/t，与北美产气页岩的含气量(表5-4)相比，均达到了商业性页岩气开发的下限，具备商业性开发价值。由于中国页岩气尚未进入开发阶段，钻探页岩气井少，因此无法获取更多的页岩含气量数据。但根据老井复查结果(程克明等，2009;王兰生等，2009;王社教等，2009;王世谦等，2009;张金川等，2008)，在已往的钻井中，钻遇的黑色页岩段发现了大量的气测显示，有井涌和井喷现象发生，证明页岩段含气性很好。如四川盆地威远地区钻穿筇竹寺组的107口井中，有32口井52个井段出现不同级别的气测显示，威5井在钻至2795～2798m筇竹寺组页岩层段时发生井喷，中途测试获日产2.46×10⁴m³的天然气;钻穿川南地区下志留统龙马溪组页岩层段的15口井中有32个层段见良好气测显示，阳63井3505～3518m龙马溪组页岩段，测试后获日产天然气3500m³。

四、页岩储层评价标准

根据Barnett和Haynesville等北美主要页岩气藏的地质特点，页岩气优质储层一般具备如(表5-5)所示特点，此标准对于开展中国页岩气储层评价具有重要指导意义。

中国页岩勘探开发尚处于起步阶段，页岩气地质条件与美国相比既有相似性，也存在很多差异。因此，对页岩储层评价的标准还不能完全照搬北美页岩气储层评价标准(蒋裕强等，2009)。根据中国南方海相和北方海陆交互相页岩气富集特征，从厚度、地化指标、脆性矿物含量、物性、孔隙流体和力学性质等方面确定的中国页岩储层评价标准(表5-6)为:厚度大于30m，热成熟度为1.1%～4.5%，有机质含量＞2%，具有较好脆性(石英、方解石等脆性矿物含量大于40%，粘土含量小于30%)，有效孔隙度在2%以上，含油饱和度低于5%，岩石杨氏弹性模量在3.03MPa以上，泊松比小于0.25。

表5-5 北美主要产气页岩储层特征

表5-6 中国页岩气储层评价标准

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瀍河回族区13484179224： 页岩气及其特点 - ？
吕姬多康： 页岩气是指赋存于富有机质页岩及其夹层中,以吸附和游离状态为主要赋存方式的非常规天然气,是一种清洁、高效的能源资源.与其他类型天然气藏相比,页岩气具有如下显著特点: 1)页岩气主要分布于富有机质泥页岩地层中,由地层中有...

瀍河回族区13484179224： ＂页岩气”是个什么玩意?是不是,石油和天然气于一体的东东?特征是什么? - ？
吕姬多康： 页岩属于泥岩的一种, 泥岩和砂岩是地层构造中主要的两种.在一般的油藏构造中,石油和天然气都蕴藏在砂岩油藏中,而泥岩由于比较致密一般不会是储层.但是页岩也具有一定的孔隙度,也可以蕴藏一定量的石油或者天然气,因此页岩油气也具有一定的开采价值.“页岩气”就是指蕴藏于页岩中的天然气资源,这部分资源属于非常规油气藏,开采成本较高.

瀍河回族区13484179224： 页岩油是怎么样开采的(页岩油质量怎么样) ？
吕姬多康： 页岩油是由压裂开采的.页岩油是非常规油气资源,低渗透、流动性差,是最难开采的油之一.压裂是页岩油开采的一项有效手段,人们常形象地称这种开采方式为从石头...

瀍河回族区13484179224： 请问页岩气的渗流特点指什么 - ？
吕姬多康： 一般情况下,页岩气渗流是扩散、解吸附和吸附并存. 页岩储层一般为连续性气藏,分布在非常广阔的区域.页岩气藏没有常规气藏所具备的圈闭,也无气水过渡带.页岩为烃源岩(但并非所有的页岩都是烃源岩),也充当储集层,部分或全部...

瀍河回族区13484179224： 页岩油的基本特征 - ？
吕姬多康： 与源储分离的常规石油和近源聚集的致密油不同,页岩油在聚集机理、储集空间、流体特征、分布特征等方面具有明显的特征,与页岩气有更多相似之处.主要有以下六个特征,源储一体,滞留聚集;较高成熟度富有机质页岩,含油性较好;发育纳米级孔、裂缝系统,利于页岩油聚集;储层脆性指数较高,宜于压裂改造;地层压力高、油质轻,易于流动和开采;大面积连续分布,资源潜力大.

瀍河回族区13484179224： 俄罗斯页岩油地层空间分布特征是什么? - ？
吕姬多康： 沉积岩层,也就是沉积岩中的页岩 页岩气,是从页岩层中开采出来的一种非常重要的非常规天然气资源.页岩气的形成和富集有着自身独特的特点,往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中.

瀍河回族区13484179224： 储集层和盖层是什么? - ？
吕姬多康： 大量油气勘探及开发实践,纠正了人们最初以为地下有油湖、油河之类的错误认识,逐渐知道石油和天然气不是储存在地下的什么油湖、油河之中,而是储存在那些具有相互连通的空隙、裂隙的岩层内,好像水充满于海绵里一样. 具有一定孔隙...

瀍河回族区13484179224： 页岩气和天然气有什么不同?？
吕姬多康： 页岩层中有时可能储存大量的天然气资源.一般页岩储层厚几百米,发育地区常伴生有常规油气资源.一直到现在,开采页岩气的过程中通常都会发现,当油气钻探达到一定深度后,由于岩石渗透率低,该深度及以下的地层不再具有工业价值....

瀍河回族区13484179224： 页岩气与石油、天然气相比,有什么不同? - ？
吕姬多康： 开采方式不同. 页岩气是天然气的一种,主要是储集岩层岩性不一样,一般天然气在砂岩中或者碳酸盐岩中,页岩气在泥页岩中.开采页岩气,需要水平井,水力压裂等技术!祝好!

瀍河回族区13484179224： 页岩气是什么? - ？
吕姬多康： 页岩气,是从页岩层中开采出来的天然气,是一种重要的非常规天然气资源.页岩气的形成和富集有着自身独特的特点,往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中.较常规天然气相比,页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的...