鄂西建始地區頁巖儲層特征及含氣性研究

仇秀梅，劉亞東，董學林

(1 湖北省地質實驗測試中心， 湖北 武漢 430034； 2 湖北城市建設職業技術學院， 湖北 武漢 430205)

頁巖氣是自生、自儲、自封閉的非常規天然氣，其成藏與傳統天然氣藏不同(戴方堯等， 2017)。美國在頁巖氣勘探開發領域最早獲得了成功，相比而言我國頁巖氣的開采研究起步較晚，但領先于其他國家(周啟偉等， 2016)。頁巖氣作為一種清潔高效的能源資源，其蘊藏量十分豐富。我國許多盆地中富有機質泥頁巖廣泛發育，頁巖有效厚度較大，且頁巖氣形成與富集的條件存在一定特殊性，與主要形成于海相富有機質泥頁巖層系的北美頁巖氣(朱彤等， 2012； 周啟偉等， 2016)相比，我國頁巖氣主要吸附與賦存于陸相及海陸過渡相富有機質泥頁巖層系中(李玉喜， 2009； 王民等， 2014； 周啟偉等， 2016)。

近幾年，我國在上揚子地區的四川盆地及其周邊地區取得了頁巖氣勘探的突破(許露露等， 2018)。湖北省西部地區頁巖氣的研究正逐漸引起廣泛關注，陸續開展了目的層為孤峰組(吳勘等， 2012)、牛蹄塘組(羅超等， 2014)、龍馬溪組(陳林等， 2017)、大隆組(王秀平等， 2018)的頁巖氣調查研究。王秀平等(2018)對鄂西鶴峰地區二疊系大隆組黑色頁巖進行了巖系特征及成因研究，探明頁巖的形成主要受臺盆相缺氧還原環境的控制。許露露等(2018)報道鄂西鶴峰大隆組頁巖厚度穩定，主要為黑色炭質及炭硅質巖，沉積于水體較深的淺海外陸棚相沉積環境，頁巖脆性礦物含量高，有機質成熟度達到過成熟階段，頁巖氣潛在資源量達1 654.8×108m3。吳勘等(2012)采用場發射掃描電鏡觀察發現鄂西建始孤峰組頁巖孔隙包含5大類9小類，炭質頁巖以有機質孔隙和天然裂縫為主，但未對該區頁巖進行詳細的有機地球化學特征及含氣性評價。

目前關于鄂西地區優質頁巖的研究還處于初級階段。鄂西建始地區毗鄰四川盆地，該區富有機質頁巖的厚度較大，埋深適中，具有良好的頁巖氣成藏地質條件。通過分析該區黑色頁巖儲層特征、有機地球化學特征及含氣性，初步探討頁巖含氣性的相關影響因素，可為鄂西建始地區頁巖氣勘探開發提供依據。

1 研究區域地質概況

研究區地處長江三峽以南，北鄰大巴山系，屬于巫山山系，為中深-深切割的低中山地形，巫山綿延于鄂渝邊境，長江東流橫穿而過，悠遠的地質演化形成了聞名世界的長江三峽。該區具體位于湖北省恩施州建始縣境內，屬揚子(華南)板塊中北部湘鄂西褶皺斷裂帶內。在晉寧運動形成的結晶基底基礎上，該區歷經揚子地塊蓋層發展和多期構造改造，目前所展現的構造形跡主要是印支期及燕山期的產物，斷裂構造主要形成于印支期和燕山期(周向輝， 2016)。

本次研究的目的井X井位于花果坪復向斜-中央復背斜過渡帶北東段(圖1)，早期東西向的龍潭坪背斜由于受后期北東-北北東向構造改造，褶皺西端與北東向褶皺過渡帶在目的井西側呈S型展布，總體處于龍潭坪背斜南翼西段。X井鉆探顯示自三疊系大冶組三段至二疊系茅口組均有發育，其中二疊系大隆組、龍潭組、孤峰組富有機質黑色頁巖厚度近120 m，屬海陸過渡相頁巖[注]湖北省地質實驗測試中心. 2017. 湖北省自然資源廳科技項目《頁巖有機地球化學參數與含氣量相關性及成藏機理研究》項目成果報告.。

2 實驗概況

樣品采集于鄂西建始地區X井的頁巖巖心，涉及三疊系下統大冶組、二疊系上統大隆組、下窯組、龍潭組和二疊系中統孤峰組地層黑色頁巖。

采用德國布魯克公司的D8-FOCUS型X射線衍射儀分析頁巖礦物組成。選用日本日立SU8010型超高分辨場發射掃描電鏡表征頁巖孔隙結構，取新鮮頁巖塊70℃干燥2 h，鍍金后測試。采用碳硫分析儀和配有油浸物鏡及光度計的顯微鏡對頁巖樣品進行總有機碳(TOC)含量和鏡質組反射率(Ro)測試。采用覆壓孔滲測定儀測試樣品的滲透率及孔隙度。甲烷等溫吸附試驗所用儀器為Rubotherm Isosorp HP Static Ⅲ型磁懸浮天平高壓氣體等溫吸附/解吸儀，設定實驗溫度30℃。

3 頁巖儲層儲集空間特征

作為優質烴源巖的頁巖是否能形成商業性頁巖氣藏，主要受其吸附能力和儲集空間特性(孔隙、裂縫發育程度)的控制(Fangetal.， 2013)，而礦物成分中的脆性礦物，如石英、方解石等，是控制裂縫發育程度的主要內在因素，直接影響頁巖儲集空間和滲流通道(陳尚斌等， 2011)。頁巖氣儲層礦物組成、儲集空間類型和儲物特性對于頁巖氣資源潛力評價具有重要意義。

3.1 頁巖巖石礦物學特征

研究采用全巖X射線衍射定性、定量測試了頁巖的礦物組成。圖2為X井34塊不同采樣深度頁巖的全巖分析結果。由圖2可知，X井頁巖主要由粘土礦物(伊利石)、石英、鈉長石、方解石、白云石、黃鐵礦及少量碳質組成。其中，大隆組地層厚度44.07 m， 9件黑色頁巖礦物組成以石英、長石等脆性礦物為主，總量為37.5%～94.5%，平均含量85.3%，而粘土礦物含量為4%～63%，平均含量為14.7%，整體表現為脆性礦物含量遠高于粘土礦物含量。龍潭組地層厚度27.37 m， 7件頁巖粘土礦物含量較高，平均值為56.1%，其次為石英、鈉長石等脆性礦物。孤峰組黑色頁巖厚度達49.06 m，表現為石英等脆性礦物含量較高。X井黑色頁巖主要由石英、鈉長石等脆性礦物及粘土礦物組成。

圖 1 研究區位置及區域構造特征[據王秀平等(2018)修改Fig. 1 Location and regional tectonic characteristics of the study area (modified after Wang Xiuping et al., 2018)

圖 2 隨X井深度變化的頁巖礦物組成Fig. 2 Mineral composition of shale at different depths of well X

3.2 頁巖儲集空間特征

頁巖的孔隙發育程度對頁巖氣的聚集和產出具有至關重要的作用。頁巖主要發育微、納米級孔隙，這是與常規儲層的一個重要區別(吳松濤等， 2015)。對于頁巖孔隙類型的分類方法較多(Slattetal.， 2011； Loucksetal.， 2012； 于炳松， 2013； Millikenetal.， 2013； 孫超等， 2016； 張順等， 2016)。Slatt等(2011)按照成因將頁巖中的納米級孔隙劃分為與粘土微結構相關的孔隙、有機質孔隙、糞球粒內部孔隙、化石碎片內部孔隙、顆粒內部孔隙、微通道或微裂縫6種類型。Loucks等(2012)將泥頁巖的孔隙分為粒間孔隙、粒內孔隙和有機質孔隙。于炳松(2013)提出頁巖氣儲層孔隙的產狀-結構綜合分類方法，將頁巖基質孔隙分為粒間孔隙(顆粒間孔隙、晶間孔隙等)、粒內孔隙(黃鐵礦晶間孔隙、粘土礦物集合體內部孔隙等)和有機質孔隙。孫超等(2016)和張順等(2016)從儲集空間的成因角度，將頁巖孔隙分為無機成因孔(礦物粒間孔、原生晶間孔、成巖晶間孔和溶蝕孔等)和有機成因孔等。從掃描電鏡觀察可知，鄂西X井黑色頁巖樣品中存在大量礦物溶蝕孔、有機質孔和礦物粒間孔，并有少量礦物晶間孔、粒內孔(圖3)。溶蝕孔隙主要存在于碳酸鹽(圖3a)及粘土礦物(圖3b、3e、3f)中，孔徑較小，孔隙形態不規則，連通性相對較差；有機質較發育(圖3c、3d)，孔徑在幾十到幾百納米，少量以薄膜形式存在(圖3f)；粒間孔隙主要是礦物顆粒間的殘余孔隙，多形成于粘土礦物粒間或礦物顆粒邊界(圖3g)；粒內孔隙分布在黃鐵礦(圖3h)、石英(圖3i)等礦物顆粒內，孔隙連通性差，不能作為主要儲集空間；觀察發現少量黃鐵礦晶間孔隙(圖3e)，且多被粘土礦物或有機質填充。SEM分析表明，該區頁巖儲集空間有機質較發育，礦物主要呈片狀、顆粒狀分布，孔隙發育程度較低，孔隙間連通性差。

3.3 頁巖儲層物性特征

與常規儲層相比，頁巖具有低孔、特低滲致密的物性特征。X井25件頁巖密度為1.98～2.82 g/cm3，有效孔隙度為0.2%～4.5%，平均孔隙度為1.19%，集中分布在小于2.0%范圍(圖4a)。依據《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》(DZ/T 0254-2014)，X井頁巖的孔隙屬于低孔范圍，與美國頁巖儲層的孔隙度4.22%～6.51%(肖海峰，2017)相比，孔隙更加致密、細小，具有低孔-特低孔特性。頁巖滲透率為0.000 8×10-3～1.107 1×10-3μm2，除樣品X-31外，頁巖滲透率均小于1×10-3μm2(圖4b)，平均滲透率0.081 0×10-3μm2，與美國頁巖平均滲透率0.049×10-3μm2(肖海峰， 2017)相當。綜合上述分析，認為鄂西建始X井頁巖層屬于低孔、特低滲儲層。

4 頁巖有機地球化學特征及含氣性

4.1 有機質類型

為有效辨別目標層黑色頁巖的有機質類型，筆者采用干酪根顯微組分信息評價有機質類型。鄂西X井24件頁巖干酪根鏡檢結果見表1。大隆組頁巖干酪根顯微組分以腐泥組為主，含量在5%～88%之間，平均值61.3%，其次為鏡質組、惰質組，有機質類型以腐質腐泥型(Ⅱ1型)為主，含少量腐泥腐殖型(Ⅱ2型)和腐殖型(Ⅲ型)。下窯組頁巖有機質類型主要為腐泥腐殖型(Ⅱ2型)，含少量腐質腐泥型(Ⅱ1型)和腐殖型(Ⅲ型)。龍潭組頁巖有機質類型主要為腐殖型(Ⅲ型)，孤峰組頁巖以腐質腐泥型(Ⅱ2型)和腐泥腐殖型(Ⅲ型)干酪根為主。因此，鄂西X井頁巖有機質類型主要為Ⅱ型干酪根。一般認為，Ⅰ型、Ⅱ型干酪根以生油為主，Ⅲ型干酪根以生氣為主，而美國頁巖氣盆地的頁巖干酪根主要為Ⅰ型和Ⅱ型，少量Ⅲ型，但均有數量可觀的氣生成，表明干酪根類型并不是決定頁巖產氣量的關鍵因素(王祥等， 2010)。

4.2 有機質豐度

總有機碳含量是烴源巖豐度評價的重要指標，在其他條件相近的前提下，巖石中原始有機質含量越高，其生烴能力越強。圖5a為X井不同采樣深度頁巖TOC含量圖，由圖可知，51件頁巖樣品TOC含量分布在1.62%～26.93%之間，平均值為7.63%，TOC含量隨井深變化規律不明顯，目的層大隆組、龍潭組、孤峰組頁巖的TOC含量相對較高。圖5b顯示TOC含量小于2%的占總樣品數的9.8%，TOC含量大于2%的占總樣品數的90.2%，樣品TOC含量集中在1.0%～13.0%之間，反映出鄂西X井頁巖有機質豐度整體品位較高，具有形成頁巖氣的良好物質基礎。

圖 3 X井頁巖孔隙發育特征Fig. 3 The porosity evolution of shales in well Xa—礦物溶蝕孔隙， 0.239～2.738 μm； b—礦物溶蝕孔隙， 0.170～1.949 μm； c—有機質孔隙， 0.035～0.271 μm； d—有機質孔隙， 0.026～0.186 μm； e—礦物溶蝕孔隙， 黃鐵礦晶間孔隙， 0.048～0.415 μm； f—有機質薄膜， 礦物溶蝕孔隙， 0.103～1.414 μm； g—方解石粒間孔隙， 方解石和粘土礦物粒間孔隙， 0.170～0.600 μm； h—黃鐵礦粒內孔隙， 0.260～1.380 μm； i—石英礦物粒內孔隙， 0.160～2.290 μma—denudation pore of mineral, 0.239～2.738 μm; b—denudation pore of mineral, 0.170～1.949 μm; c—organic pore, 0.035～0.271 μm; d—organic pore, 0.026～0.186 μm; e—denudation pore of mineral and intercrystalline pore of pyrite, 0.048～0.415 μm; f—organic film and denudation pore of mineral, 0.103～1.414 μm; g—intergranular pore of calcite, and intergranular pore between calcite and clay minerals, 0.170～0.600 μm; h—intragranular pore of pyrite, 0.260～1.380 μm; i—intragranular pore of quartz, 0.160～2.290 μm

圖 4 X井頁巖孔隙度分布特征(a)和滲透率分布圖(b)Fig. 4 The porosity distribution (a) and permeability distribution (b) of shale from well X

樣品編號巖性腐泥組殼質組鏡質組惰質組干酪根類型地層X-6含碳泥巖10-7020ⅢX-10含碳泥巖60-328Ⅱ2X-11含碳泥巖85-114Ⅱ1X-13含碳泥巖5-8015ⅢX-14含碳泥巖65-2510Ⅱ2X-16含碳粉砂質泥巖88-84Ⅱ1X-17粉砂質泥巖72-217Ⅱ1X-18含碳粉砂質泥巖80-146Ⅱ1X-19含碳粉砂質泥巖87-85Ⅱ1X-22含碳泥巖65-305Ⅱ2X-23含碳泥巖70-255Ⅱ1X-26含碳泥巖40-5010ⅢX-28含碳泥巖60-346Ⅱ2X-29含碳泥巖30-5812ⅢX-33含碳泥巖35-5510ⅢX-37含碳泥巖30-6010ⅢX-40含碳泥巖55-405Ⅱ2X-42含碳泥巖10-8010ⅢX-43含碳泥巖60-355Ⅱ2X-44含碳泥巖82-126Ⅱ1X-46含碳泥巖80-173Ⅱ1X-47粉砂巖70-228Ⅱ1X-48粉砂質泥巖65-305Ⅱ2X-51含碳含粉砂泥巖60-364Ⅱ2大隆組下窯組龍潭組孤峰組

注： Ⅰ為腐泥型； Ⅱ1為腐質腐泥型； Ⅱ2為腐泥腐殖型； Ⅲ為腐殖型。

圖 5 頁巖TOC含量隨井深變化圖(a)和頁巖TOC含量分布圖(b)Fig. 5 TOC content of shale at various well depths (a) and TOC content distribution of shale (b)

4.3 有機質成熟度

研究采用鏡質體反射率(Ro)對X井17件頁巖樣品進行有機成熟度分析，Ro值為2.61%～3.68%，平均值為3.29%，成熟度分布在2%～3%的樣品占總數的21.1%，分布在3%～4%的樣品占總數的78.9%。依據中國南方黑色頁巖成熟階段劃分標準(聶海寬等， 2012)，X井頁巖成熟度主體上處于過成熟晚期階段。圖6為X井頁巖鏡質體反射率(Ro)隨著采樣深度的變化，由圖6可知，有機質成熟度與采樣深度線性擬合度高，呈正相關關系，即鏡質體反射率隨采樣深度增加而增大，與前人報道規律一致(鄒瑜， 2011)。

圖 6 X井不同深度頁巖Ro值Fig. 6 The Ro values of shale at different depths of well X

4.4 頁巖含氣性特征

頁巖的含氣性是頁巖氣地質條件評價的重要方面，目前，獲取泥頁巖含氣量的方法有2種，即解析法和測井法(覃小麗等， 2015)。其中解析法是對鉆井取出巖心樣品直接解析測定含氣量，含氣量由現場解析氣、損失氣和殘余氣3部分組成。研究采用現場解析法，測得X井22件富有機質頁巖現場解析氣含量為0.087～2.92 m3/t，平均值為1.09 m3/t；殘余氣含量在0.002～0.26 m3/t之間，平均值為0.071 m3/t；總含氣量為0.09～3.70 m3/t，平均含量為1.32 m3/t。特別是大隆組富有機質頁巖，其現場解析含氣量為0.69～2.92 m3/t，平均值為2.21 m3/t，總含氣量0.74～3.70 m3/t，平均值為2.71 m3/t，均高于美國泥頁巖含氣量底限(0.5～1.0 m3/t)(張木辰等， 2018)，表明其具有很好的勘探開發前景。

5 頁巖含氣量的相關因素探討

5.1 頁巖總有機碳與含氣量關系

有機質含量顯著影響著頁巖的生烴能力、孔隙空間及吸附能力。在溫壓條件相同的前提下，高有機質含量頁巖可為氣體吸附提供更多的孔隙空間、內表面積。國內外實測數據表明，有機質含量直接影響頁巖的含氣量(徐國盛等， 2013)。Boyer等(2006)發現頁巖含氣量隨其TOC含量增加而增大，認為頁巖有機質含量是頁巖氣成藏最基礎的因素。將鄂西X井不同采樣深度頁巖的TOC含量與不同采樣深度頁巖的總含氣量進行對比，發現頁巖含氣量與其有機碳含量的變化趨勢基本一致，表明頁巖的含氣量與TOC含量呈正相關關系(圖7)。

圖 7 鄂西X井頁巖樣品含氣量與總有機碳含量分布Fig. 7 The distribution of gas content and TOC content of shale from well X in western Hubei

5.2 有機質成熟度與含氣量關系

有機熱成熟度是頁巖經歷最高溫度的指示。Zhang等(2012)認為隨著頁巖熱成熟度的增加，頁巖有機質芳構化增加，從而導致其吸附能力降低。而另一種觀點則認為隨著成熟度增加，有機質生烴創造出納米孔，使得頁巖吸附能力增強(Gaspariketal.， 2014； Huetal.， 2015； 戴方堯等， 2017)。圖8為反映X井頁巖有機質成熟度的鏡質體反射率(Ro)與總含氣量的關系圖，由圖可知，兩者之間呈弱的正相關關系，與報道一致(張木辰等， 2018)。有機質成熟度的提高對有機組分納米孔隙的生成具有促進作用，進而增加了頁巖氣的儲集空間(曾維特等， 2014)。

圖 8 頁巖總含氣量與有機成熟度的關系Fig. 8 The relationship between gas content and organic maturity of shale samples

5.3 頁巖礦物組成與含氣量關系

頁巖的礦物組成作為頁巖形成的物質基礎，不僅為吸附氣的賦存提供了吸附劑，也決定了其內部發育的孔隙空間，為天然氣的賦存奠定了基礎。鄂西X井頁巖礦物成分以石英、鈉長石等脆性礦物和粘土礦物為主(圖1)。頁巖中的脆性礦物富集，有利于微裂縫的產生，影響著頁巖氣的儲存和擴散，而粘土礦物含量對頁巖含氣量的影響主要表現為伊蒙混層、伊利石對頁巖氣的吸附能力(曾維特等， 2014)。圖9顯示頁巖總含氣量與粘土礦物含量呈現弱的正相關性。通常粘土礦物的微孔隙體積和表面積較大，增大頁巖對氣體的吸附能力，而伊利石石化形成的收縮縫、伊利石間的孔隙均可成為有效的頁巖氣儲集空間(曾維特等， 2014)。因此，在一定范圍內高粘土礦物含量的頁巖，其吸附能力更強，粘土礦物含量與含氣量呈現弱的正相關關系。

圖 9 粘土礦物含量與頁巖含氣量的關系圖Fig.9 Diagram of relationship between clay minerals and gas content of shale

5.4 頁巖孔隙度與含氣量關系

圖10為鄂西X井頁巖有效孔隙度與頁巖總含氣量的關系圖，兩者在一定程度上呈正相關關系，即頁巖含氣量隨頁巖孔隙度的增大而增大。這是由于相對較大的頁巖孔隙度，其孔隙內表面較大，有利于吸附氣的賦存，也可以為游離氣的賦存提供空間。

5.5 壓力條件與含氣量關系

溫度和壓力的共同作用影響頁巖中氣體含量，限制了頁巖的最大含氣量。通常情況下，隨著壓力的增加，頁巖游離氣和吸附氣含量都逐漸增大。圖11顯示出在溫度一定的情況下，頁巖吸附氣量隨著壓力的增加而增大，同時發現在相同的溫度壓力條件下，頁巖TOC含量越高，其吸附氣量越大，頁巖的吸附氣量和TOC含量具有較好的正相關性，但和粘土礦物含量相關性不明顯，具有較弱的正相關性。這與前述分析結論一致(圖7、圖9)。

圖 10 頁巖有效孔隙度與總含氣量的相關性Fig.10 Diagram of relationship between effective porosity and gas content of shale

圖 11 X井頁巖甲烷等溫吸附曲線圖Fig.11 Isotherms of methane adsorbed in shales of well X

6 結論

(1) 鄂西建始地區X井頁巖儲層以石英、長石等脆性礦物以及伊利石粘土礦物為主。儲層孔隙主要發育有機質孔、礦物溶蝕孔、礦物粒間孔以及少量黃鐵礦晶間孔，儲層具有低孔、特低滲特征。

(2) X井頁巖有機質豐度整體品位較高，TOC含量大于2%的占總樣品數90.2%，具有形成頁巖氣的良好物質基礎，有機質類型主要為Ⅱ型干酪根，處于過成熟晚期階段。

(3) 現場解析法測得建始X井頁巖含氣量較高，平均值為1.32 m3/t，與頁巖TOC含量、有機質成熟度和孔隙度呈正相關關系，與粘土礦物含量呈弱的正相關關系。

致謝感謝湖北省地質調查院為本研究提供地質背景資料。