黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩特征研究

宁 凡，邹妞妞，3，张大权，王甘露，牟雨亮

(1.贵州大学，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学地质资源与环境教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025；3.长安大学，陕西 西安 710064；4.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550004)

0 引 言

页岩气是一种极为重要的非常规清洁油气资源，其常以吸附、游离等状态赋存于低孔低渗的页岩储层中[1]。目前，美国、加拿大已在页岩气领域取得突破性进展，2011年国土资源部组织开展了中国41个盆地(或地区)、87个评价单元、57个含气页岩层段的页岩气资源潜力评价，中国页岩气可采资源量为2.5×1014m3，主要有海相、海陆交互相、陆相3种类型。其中，南方海相地层是中国页岩气勘探的重要有利层位，并在四川盆地及邻区完成了勘探部署。而与之毗邻的黔北、黔东南地区近几年也成为页岩气研究的热点地区，发现7个富有机质页岩层系(下寒武统牛蹄塘组、变马冲组，下志留统龙马溪组、中泥盆统火烘组、下石炭统旧司组、下二叠统梁山组、上二叠统龙潭组)[2]。其中，黔北地区牛蹄塘组页岩气地质资源量占整个贵州省地质资源总量的39%(据地质调查局，2014)。研究区永凤1井位于黔北地区，地层中发育大量富有机质页岩，具有良好的生烃潜力，但受构造运动的多期次及沉积环境的影响，导致含气页岩的储层特征比较复杂。通过岩心观察、场发射扫描电镜实验(FM-SEM)、地球化学测试等方法对页岩特征进行研究，分析页岩分布、有机质特征、储层矿物组成与物性、页岩含气性以及脆性等，从而为贵州地区海相页岩的勘探开发提供理论依据。

1 区域地质背景

黔北地区位于贵州省北部，扬子板块的西南端，永凤1井地处黔北凤冈页岩气区块的湄潭县马山镇，是扬子地台东北缘黔北隆起区凤冈南北向隔槽式褶皱变形区永安背斜东翼上的一口探井(直井)[3](图1)。区内褶皱和断裂构造发育，褶皱为向斜闭合、背斜宽广的隔槽式褶皱；断层以挤压性质的逆断层为主。研究区震旦系至二叠系经历多期构造运动，发生多次海侵，在多个层位形成富含有机质的黑色页岩。

图1 研究区概况

永凤1井由上至下钻遇地层分别为寒武系娄山关群、石冷水组、高台组、清虚洞组、金顶山组、明心寺组、牛蹄塘组以及震旦系灯影组，钻井深度为2 791 m。其中，牛蹄塘组钻遇深度为2 614～2 742 m，厚度为128 m。储层孔隙度与渗透率均较低，有效孔隙度为1.39%～2.13%、渗透率为0.000 0～0.003 5 mD，为超低孔非渗储层。牛蹄塘组按岩性可分为上、下2段，上段岩性主要为灰黑色、黑色页岩和泥岩，局部夹有灰黑色白云岩等，有机质含量较高；下段岩性主要为灰黑色硅质页岩，有机质含量较低(图2)。

2 有机地球化学特征

2.1 有机质丰度

永凤1井总有机碳含量检测结果表明(表1)：黑色页岩中TOC为1.13%～7.91%，平均值为5.97%，美国产气页岩总有机碳含量下限为0.50%，因此，一般将其作为生成页岩气总有机碳含量的下限[4]，研究区内黑色页岩中TOC远大于该值，因此，属于优质烃源岩(图2)。

由表1可知：腐泥组含量为40.0%～85.0%，壳质组含量为15.0%～58.5%，惰性组与镜质组很少，其含量均小于1.0%，有些样品中不含这2种显微组分，腐泥组中绝大部分为沥青质体，而壳质组则主要为藻类体及其碎屑。因此，显微组分主要是腐泥组和壳质组，生烃潜力较高。

2.2 有机质成熟度

页岩有机质成熟度的测定方法主要有镜质组反射率法、可溶有机质参数法、岩石热解峰温法等[5]。由于研究区内缺乏镜质组，故使用沥青反射率来表征镜质组反射率，分析永凤1井牛蹄塘组页岩有机质成熟度[6]：

Ro=0.3195+0.6790Rb

(1)

式中：Ro为镜质组反射率，%；Rb为沥青反射率，%。

计算可知，Ro为1.76%～2.31%，平均为1.99%，整体处于高成熟阶段。Ro为1.00%～3.00%时有利于页岩气的形成[7]。因此，永凤1井牛蹄塘组页岩具有良好的生气条件。

图2 永凤1井牛蹄塘组单井综合柱状图

表1 永凤1井牛蹄塘组TOC及显微组分含量

2.3 含气性特征

页岩的含气性是评价页岩气资源储量的一个关键因素，同时也是衡量页岩气勘探区是否具有经济开采价值的重要指标。现场解吸是获取含气量最为直接的一种方法，该方法获得页岩的总含气量为损失、解吸及残余气含量之和[7]。对永凤1井牛蹄塘组11个页岩样品进行现场解吸，结果显示：页岩气含量为0.48～1.10 m3/t，平均含量为0.75 m3/t，在深度为2 684.90～2 699.52 m处达到最高，平均为0.99 m3/t。根据北美地区页岩气商业开发的经验，页岩气开发的页岩含气量下限为1.10 m3/t[8]。永凤1井页岩气的含气量接近页岩气商业开发的下限，具备一定的商业开发前景。同时解吸结果显示，永凤1井页岩气中N2组分含量为81.00%～95.61%，平均含量为91.94%；CH4组分含量次之，为2.85%～18.81%，平均含量为7.82%；同时含有少量CO2组分，平均含量为0.24%。其中，烃类及CO2主要来源于有机质裂解作用，是有机质演化过程中高成熟阶段的产物，但研究井目的层段过高的N2，其来源及富集因素目前认为是研究区特殊的断层及地质构造条件所形成的地热循环系统[9]。对其分布范围以及是否可作为N2资源，还需深入探究。

3 页岩储层特征

3.1 矿物组成

永凤1井牛蹄塘组共取样26件，全岩矿物X衍射定量分析结果表明，岩石矿物组成为：①长英质矿物。主要为石英和长石(以斜长石为主)，其中石英含量为5.9%～60.6%，平均为42.3%；长石含量为0.0～33.8%，平均为15.7%。②碳酸盐矿物。主要为方解石和白云石。其中，方解石占大多数，含量为1.2%～80.3%，平均为9.2%；白云石仅在个别样品中存在，含量为1.0%～16.5%，平均为2.9%。碳酸盐矿物含量随井深增加逐渐减少，而由沉积作用形成的海相碳酸盐矿物主要发育于温暖、清洁、透光的浅海环境，证明永凤1井牛蹄塘组岩石的沉积环境由深海陆棚逐渐向浅海陆棚相过渡。③黏土矿物。平均含量为20.5%，主要矿物为伊利石(It)和绿泥石(C)，其中，伊利石占总含量的66.8%，绿泥石占21.8%，高岭石(K)、伊蒙间层矿物(I/S)及绿蒙间层矿物(C/S)含量较少，约占总含量的11.4%。④其他矿物。主要为黄铁矿和菱铁矿，黄铁矿含量为0.6%～13.8%，平均为7.3%，而仅在个别样品中发现有菱铁矿的存在，含量为0.0～3.5%，平均为0.8%。这2种矿物一般形成于还原条件，表明研究区牛蹄塘组沉积期为相对还原的环境，在一定程度上促进了有机质的保存、聚集以及页岩气藏。

3.2 储集空间特征

通过岩心和场发射扫描电镜(FE-SEM)镜下观察发现：永凤1井牛蹄塘组页岩的孔隙类型主要有微裂隙、无机孔以及有机质孔，孔径以纳米孔为主，孔隙直径为0.1～350.0 nm(图3)。

(1)微裂隙：主要包括原生裂隙和次生裂隙2种，原生裂隙为岩石中的层理裂隙，在页岩样品中普遍可见，规模大小不等，集中分布深度约为2 651～2 716 m，主体走向为北北东—南南西向，以高阻裂缝为主(图3a—c)；次生裂隙为构造作用产生的构造裂隙及黏土矿物失水收缩产生的网格状裂隙(图3c—d)。

(2)无机孔：主要包括晶间孔、粒间孔、粒内孔以及晶内孔。其中，黄铁矿晶间孔，尤其是草莓状黄铁矿晶间孔较为发育(图3e—f)，晶间孔主要发育于脆性矿物中，其发育程度与脆性矿物的含量呈正相关，即储层中脆性矿物的含量增大，其孔隙度也逐渐升高；其次为黏土矿物内微孔隙比较发育(图3g—h)；而晶内孔主要指的是石英、长石以及其他矿物晶体内的孔隙，镜下观察石英颗粒内微孔隙较为发育，但其孔隙直径很小，往往为几纳米左右(图3g—i)。

(3)有机质孔：指发育在有页岩有机质内部的微小孔隙，包括有机质本身的孔隙及在生烃过程中形成的孔隙[10]。永凤1井牛蹄塘组有机质孔大量发育，一般以有机质内大量蜂窝状的孔隙形式出现(图3e、d、i)，其孔隙直径大小不一，此外还有少量有机质层间孔。

4 岩石脆性分析

根据前人资料，在研究井段选用石英、黄铁矿、方解石、白云石4种矿物作为研究区的脆性矿物组合[11]，并通过矿物组分分析法及岩石力学参数法来计算储层的脆性指数。

图3 永凤1井牛蹄塘组岩心手标本及FE-SEM图

(1)矿物组分分析法。该方法认为岩石的脆性随其所含的脆性矿物含量的增加而变大。因此，将岩石的脆性指数用脆性矿物含量与总矿物含量的比值来表示[12]：

(2)

式中：B1为岩石脆性指数，%；Wtotal为总矿物含量，%；Wbrit为脆性矿物含量，%。

根据岩石中的矿物组成，脆性矿物含量为61.7%，由式(2)计算出岩石的脆性指数B1，结果为61.7%。

(2)岩石力学参数法。该方法目前是对非常规油气资源储层进行脆性评价应用最广泛、最方便的手段之一。Rickman等[12]通过引入统计学的方法，回归得到适用于北美FORT-WORTH盆地页岩储层的脆性指数，该文引用相同的方法，拟求得永凤1井牛蹄塘组页岩的脆性指数。

(3)

(4)

(5)

通过岩石单轴抗压强度及变形参数检测结果(表2)可得该井中岩石变形后的弹性模量与泊松比，带入公式得岩石的脆性指数(B2)约为61.5%。

通过矿物组成分析法和岩石力学参数分析法可知研究井段岩石的脆性指数大于60.0%，同时页岩样品中脆性矿物的含量大多超过50.0%，因此，永凤1井牛蹄塘组页岩具有较好的脆性和可压裂性，有利于页岩气后期的压裂改造。

综上研究可知，永凤1井牛蹄塘组主要发育黑色富有机质页岩，产状稳定，厚度较大，其中，黑色富有机质页岩厚度为112 m左右；页岩的有机地球化学条件优越，具有良好的生烃潜力及生气条件；页岩中发育大量的纳米级微裂隙和微孔隙，为页岩气提供良好的储集空间和运移通道；并且页岩中富含脆性矿物，有利于页岩气的压裂开采。此外，页岩气的含气量接近商业开发的下限，也具备一定的商业开发价值。

可见，永凤1井牛蹄塘组的页岩具有良好的页岩气成藏条件、较好的页岩气资源潜力和有利的后期压裂改造开发前景[13-22]。综合分析永凤1井牛蹄塘组页岩的埋深、厚度、有机质特征、储层性质、含气性以及脆性等地质条件，说明永凤1井具有页岩气勘探和开发的良好地质条件，同时该井也初步揭示了黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩具有较好的页岩气勘探开发前景。

表2 研究井段岩石单轴抗压强度及变形参数检测结果

5 结 论

(1)永凤1井牛蹄塘组岩层平均厚度约为128 m，按照岩性不同将该组分为2段，上段岩性主要为富有机质黑色页岩(TOC平均值为5.97%)，偶夹灰黑色钙质页岩；下段岩性主要为灰黑色硅质页岩，偶夹灰黑色白云岩。

(2)永凤1井牛蹄塘组富有机质页岩孔隙类型主要为微裂隙、有机质孔、无机质孔(包括黄铁矿晶间孔、黏土矿物内孔隙及晶内孔)。

(3)永凤1井牛蹄塘组页岩产状稳定，厚度较大，沉积环境稳定，烃源岩品质与有机质成熟度均较高，且脆性矿物含量高，具备页岩气勘探开发的基本要求。