黔北地區下志留統龍馬溪組頁巖儲層特征

谷陽，徐晟，徐佳佳，張百忍，姚樹青，趙相寬

（1.中國地質調查局地學文獻中心，北京 100083；2.中國地質圖書館，北京 100083）

0 引言

頁巖氣是種清潔能源，相比石油、煤炭等化石能源，其燃燒時所排放的溫室氣體更低，符合各國低碳可持續發展的大趨勢[1]。美國頁巖氣革命的成功不僅幫助該國扭轉天然氣大量進口的局面，更為其提供了一條可持續的綠色發展道路，悄然改變全球的能源結構與經濟格局[2-3]。近年來，我國南方四川盆地、黔北地區和渝東南地區的下古生界頁巖氣勘探開發取得了長足進步，發現了長寧、威遠、涪陵等多個大氣田[4-6]。黔北地區安頁1井獲得了“四層樓”式天然氣、頁巖氣的重大突破，并提出了深水陸棚相頁巖、穩定的構造保存、地層超壓“三位一體”的頁巖氣富集高產理論，表明黔北地區具有較高的頁巖氣資源勘查潛力[7-9]。

前人針對黔北地區龍馬溪組頁巖儲層進行了一定的研究，但研究內容大多比較單一，主要針對頁巖巖相、沉積環境和微觀孔隙結構等，對龍馬溪組頁巖儲層的綜合表征研究較少[10-15]。本文以黔北鳳岡地區下志留統龍馬溪組海相富有機質頁巖為研究對象，綜合利用礦物學、有機地球化學、低溫液氮吸附、甲烷等溫吸附和場發射掃描電鏡等資料，對下志留統龍馬溪組頁巖儲層發育特征進行精細描述。

1 區域地質背景

鳳岡區塊位于我國海相頁巖氣勘探先導實驗區之一的黔北地區，區域上屬于揚子準地臺東部，與華北地塊和華南造山帶相鄰，處在揚子地臺的構造單元湘鄂西—川東南構造帶的武陵褶皺帶內。

在多期次構造運動的影響下，區塊內斷裂、褶皺構造較發育（見圖1），多組斷裂相互切割、聯合和干擾，不同走向的斷裂切割關系非常復雜，以北東向和北北東向斷裂為主。褶皺整體上主要為北東向和北北東向展布，以“隔槽式”結構為主，發育一系列北東向的復向斜與復背斜，向斜帶內構造變形較強，以寬緩的背斜和緊閉的向斜相間分布為特征。

地層在前震旦系—第四系均有沉積，絕大部分屬于海相沉積，分布厚度較大。研究區內出露的地層主要有寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系，缺失白堊系、侏羅系、石炭系、泥盆系地層，古近系、新近系及第四系地層零星分布。

在早奧陶世—早志留世時期，上揚子地區受華夏板塊擠壓影響，逐步由穩定克拉通轉換為受周緣隆起圍陷的局限淺海環境。貴州地區受晚奧陶世都勻運動影響，下志留統地層超覆于奧陶系地層之上，龍馬溪組地層主要分布在黔中隆起以北、雪峰山隆起以西地區。在黔中隆起、雪峰山隆起和川中隆起聯合控制下，下志留統龍馬溪組暗色富有機質泥頁巖開始沉積。上揚子地區受華夏板塊不斷擠壓影響，持續隆升，以泥質蓋層及碎屑巖儲層沉積為主，沉積環境也逐漸由局限淺海深水環境轉變為局限淺海-潮坪環境[16]。

圖1 鳳岡區塊斷裂體系分布

2 儲層礦物學特征

頁巖礦物組分中的石英、碳酸鹽巖、長石和黃鐵礦等脆性礦物質量分數對頁巖含氣性、基質孔隙和裂縫的發育程度、脆性程度等方面具有重要影響，甚至對頁巖氣富集機理研究和后期壓裂改造方式的選擇也具有指導意義[17]。根據國內外頁巖氣勘探開發成功經驗，礦物組分中脆性礦物質量分數越大，頁巖儲層中整體脆性越高，在后期壓裂改造時越容易產生誘導縫與天然裂縫溝通，有利于頁巖氣開采[18-21]。

通過對研究區YC-1，YC-2，YC-3井及野外露頭的龍馬溪組頁巖樣品X射線衍射定量分析，表明頁巖礦物組分以石英為主，黏土和碳酸鹽礦物質量分數接近，黃鐵礦欠發育。其中：石英質量分數在23%～68%，平均38.2%；碳酸鹽礦物質量分數在6%～50%，平均21.5%；黏土礦物質量分數在10%～31%，平均21.4%。頁巖中黏土礦物以伊/蒙混層和伊利石為主，質量分數平均80.5%，綠泥石次之（見圖2）。

圖2 鳳岡區塊YC-2井龍馬溪組頁巖樣品組分特征

頁巖儲層脆性評價是目前頁巖氣勘探開發的重點，脆性頁巖中天然裂縫發育程度較高，易在后期水力壓裂時形成復雜裂縫網絡，實現體積改造。通過計算礦物脆性指數來反映頁巖脆性是目前最常用的方法，即：

式中：Br為巖石礦物脆性指數，%；wcl為黏土礦物質量分數，%；wq，wf，wc，wp分別為石英、長石、碳酸鹽礦物、黃鐵礦等脆性礦物質量分數，%。

計算結果表明：鳳岡區塊龍馬溪組頁巖樣品的Br分布在69%～90%，平均 78.6%，且86.8%的樣品 Br分布在 70%～85%（見圖 3）。

圖3 鳳岡區塊龍馬溪組頁巖礦物脆性指數分布

3 有機地球化學特征

3.1 有機質類型

有機質類型的劃分可以采用干酪根元素組成 （相對原子質量比如H/C，O/C）、干酪根顯微組分（腐泥組、鏡質組、殼質組和惰質組）、生物來源以及穩定碳同位素等方法進行判別[22]。通過干酪根類型可以判斷生烴母質的品質及油氣產出能力，不同類型的干酪根還對頁巖儲層中氣體的擴散率和吸附氣量影響顯著[23]。通常可以根據干酪根的顯微組分和化學成分來確定有機質來源和沉積環境。

鳳岡區塊下志留統龍馬溪組干酪根顯微組分以腐泥組為主。其中：腐泥組質量分數在89%～96%，平均93%；惰質組質量分數在4%～10%，平均4.3%；樣品中含少量的鏡質組（見表1）。干酪根類型指數介于78.3～92.0，干酪根類型以Ⅰ型為主，Ⅱ1型次之。腐泥質中富含蛋白質與類脂化合物，由藻類和低等浮游生物堆積演化而來，具有良好的生油氣潛力。

表1 鳳岡區塊龍馬溪組頁巖干酪根顯微組分與干酪根類型

3.2 有機質成熟度

對研究區周邊10個野外采樣點和區內鉆井巖心測試資料研究表明，龍馬溪組頁巖等效鏡質組反射率Ro分布在1.27%～3.07%，平均2.03%，由南向北熱演化程度逐漸增高，區域上鳳岡區塊龍馬溪組富有機質頁巖沉積演化與沉積中心相對應[16]。區塊西南部受黔中隆起帶影響，龍馬溪組沉積厚度減薄，有機質成熟度偏低（Ro普遍低于2.0%）；而北邊龍馬溪組沉積較厚，為龍馬溪期黔北地區的一個沉積沉降中心，Ro普遍大于2.0%，干酪根處于高成熟—過成熟早期演化階段。

通過對北美頁巖氣和我國南方海相頁巖氣勘探生產現狀研究，發現Ro為1.1%～3.5%的頁巖氣藏能獲得較好的商業開采。總體來說，鳳岡地區龍馬溪組富有機質頁巖的成熟度指標滿足頁巖氣成藏要求。

3.3 有機質豐度

有機質豐度是評價頁巖氣資源潛力的重要指標，有機質為頁巖氣富集成藏提供所需要的比表面積和孔隙空間，一般用總有機碳質量分數TOC來表征有機質豐度。研究區龍馬溪組頁巖TOC在0.39%～9.24%，平均為 2.65%。Bowker[24]認為 TOC至少要達到 2.5%～3.0%，才能形成有效頁巖氣藏；姜振學等[25]認為高有機質豐度是頁巖氣富集成藏的基本前提，當TOC高于3.0%時，含氣量一般高于4.0 m3/t。研究區龍馬溪組頁巖的TOC在垂向上均呈先增后減的單峰式分布，在龍馬溪組頁巖的底部達到最高值（見圖4）。

圖4 鳳岡區塊YC-2井龍馬溪組測井特征及有機質豐度縱向分布

4 儲集空間

4.1 孔隙類型和微裂縫

借助高倍的聚焦離子束掃描電鏡，可以觀察頁巖的微觀孔縫發育特征。Loucks等[26]對于頁巖基質孔隙提出了三分法，包括粒間孔、粒內孔和有機質孔3種孔隙類型。于炳松等[27]按孔隙結構及產狀將頁巖孔隙劃分為有機質孔、礦物基質孔和微裂縫，其中，礦物基質孔又進一步分為粒間孔和粒內孔。頁巖中的納米級孔縫是頁巖儲層中頁巖氣儲集和滲濾的主要空間和高效通道。

研究區龍馬溪組頁巖中發育有機質孔、粒間孔、晶間孔、溶蝕孔及微裂縫等各種微觀孔隙，但是孔徑、形狀及發育規模等差異性較大（見圖5）。有機質孔主要呈氣泡狀、橢圓形等不規則狀，孔徑在2～400 nm，有機質孔隙在富有機質頁巖中分布較為集中，具有較好的連通性。但是，在部分低豐度頁巖中有機質富集程度存在差異，有機質孔隙發育程度較低，這可能與有機質孔隙發育特征及頁巖形成過程中沉積水體的氧化-還原條件有關[28]。粒間孔主要指黏土礦物、石英、長石等礦物之間的孔隙。龍馬溪組頁巖以黏土礦物粒間孔為主，孔徑在3～5 000 nm，主要呈狹縫狀和不規則狀，孔隙規模較大。晶間孔主要見于草莓狀黃鐵礦晶粒之間，孔徑在20～2 000 nm，龍馬溪組頁巖中黃鐵礦大量發育，能夠有效提高頁巖的比表面積，為氣體吸附提供空間。溶蝕孔主要發育在方解石和長石等礦物顆粒表面，與有機酸類的生成和地層流體的侵蝕作用有關[29]，多呈不規則狀，孔徑在10～1 000 nm。受多期構造活動影響，研究區龍馬溪組頁巖中微裂縫發育較普遍，一般呈條帶狀，延伸較遠，為頁巖氣儲存及運移提供了重要場所和空間，增強了頁巖儲層的滲流能力。

4.2 孔隙結構

頁巖儲層非均質性極強，孔隙結構復雜，發育豐富的納米級微孔隙[30-31]。本次采用氮氣吸附實驗對孔隙結構特征進行分析，樣品均以納米級孔隙為主，孔徑主體分布在2～5 nm。根據國際純化學和應用化學聯合會（IUPAC）對孔隙分類，將孔隙分為宏孔（孔徑大于50 nm）、中孔（孔徑在 2～50 nm）和微孔（孔徑小于 2 nm）。

圖5 龍馬溪組頁巖微觀孔隙類型

由圖6可以看出：曲線整體呈反S形，根據對滯后環形態的分類，龍馬溪組頁巖滯后環以H4型為主，即當相對壓力較低（小于0.45）時，脫附曲線和吸附曲線近似重疊，吸附量上升緩慢；當相對壓力介于0.45～0.90時，開始出現滯后環，呈凹形平穩上升；相對壓力介于0.90～1.00時，吸附曲線急劇上升，且并沒有達到吸附飽和，滯后環總體平緩狹長，對應狹縫狀孔隙。

根據BJH和BET方程計算出龍馬溪組頁巖的比表面積、孔徑分布和孔體積，頁巖的BET比表面積在9.68～22.68 m2/g，平均為 17.76 m2/g；BJH 吸附總孔體積在 0.014 7～0.023 4 cm3/g，平均為 0.019 9 cm3/g；BJH 平均孔徑介于3.93～6.08 nm，平均為4.68 nm。如圖7所示：頁巖的孔徑分布峰值主要集中在3～5 nm，表明龍馬溪組頁巖的孔隙結構以中孔為主，為頁巖氣的吸附和儲集提供了主要空間。

圖7 龍馬溪組頁巖孔徑分布特征

從圖8可以看出：TOC與BET比表面積和BJH總孔體積呈正相關關系。這主要是由于龍馬溪組頁巖中有機質熱演化產生的納米級孔隙增大了頁巖的比表面積和孔隙體積。TOC是影響頁巖納米孔發育的主要因素，而TOC和BET比表面積與平均孔徑呈負相關，表明有機質內部發育大量納米級孔隙。但是，相對于孔徑較大的孔隙，孔徑較小的孔隙對頁巖的表面積貢獻較大，但對孔隙體積貢獻較小。

4.3 頁巖吸附能力

研究區龍馬溪組甲烷等溫吸附實驗結果表明（見圖9）：在30℃的恒溫條件下，樣品的Langmuir吸附氣量在1.596～2.127 cm3/g，平均為1.903 cm3/g。針對甲烷吸附能力的差異，本文進行了分析討論。

圖8 龍馬溪組頁巖總有機碳質量分數與孔隙結構參數的關系

圖9 龍馬溪組頁巖甲烷等溫吸附曲線

由圖10可知：TOC與甲烷吸附量呈正相關關系，即隨TOC增加，樣品的吸附能力增強，因為在TOC較高的頁巖中富含大量納米級有機質孔隙，增加了頁巖的比表面積，提供了更多的吸附點位。龍馬溪組頁巖大多處于高成熟—過成熟階段，頁巖吸附能力與Ro呈正相關關系。武景淑等[32]發現，當Ro大于2.0%時，甲烷吸附量與Ro和大孔體積均存在正相關性，這可能是由于高成熟有機質中納米級顯微裂縫較發育，可吸附比表面積增大。在礦物質量分數與甲烷吸附量的關系分析中，wq，wc與甲烷吸附量呈良好正相關關系，這可能由于石英等脆性礦物具有較強的抗壓實能力，有利于頁巖中孔隙和裂縫的保存[33-36]。

圖10 龍馬溪組頁巖參數與甲烷吸附量的關系

5 結論

1）黔北地區龍馬溪組頁巖有機質類型好，豐度高，熱演化程度適中。干酪根類型以Ⅰ型為主，Ro平均為2.03%，TOC平均為2.65%。礦物組成以石英為主，其次為碳酸鹽巖和黏土礦物。儲層整體脆性較高，有利于后期壓裂形成裂縫網絡。

2）龍馬溪組頁巖儲層中發育有機質孔、粒間孔、晶間孔、溶蝕孔及微裂縫等微觀孔隙。BET比表面積平均為17.76 m2/g；BJH吸附總孔體積平均為0.019 9 cm3/g，BJH孔徑平均為4.68 nm。中孔是主要儲集空間。

3）龍馬溪組甲烷吸附量在 1.596～2.127 cm3/g，平均為1.903 cm3/g，吸附能力整體較強。其中：TOC與孔隙結構參數、甲烷吸附量存在較好的正相關性，對二者影響顯著；隨著熱演化程度增高和石英的脆性礦物質量分數的增加，頁巖的吸附能力也明顯增強。