黔北地區頁巖儲層研究現狀＊

李才平，黃宇琪，袁正明，段再容，曾小鳳

黔北地區頁巖儲層研究現狀＊

李才平，黃宇琪，袁正明，段再容，曾小鳳

（六盤水師范學院礦業與土木工程學院，貴州 六盤水 553000）

黔北地區是中國頁巖氣資源勘探重要的有利目標區，現階段，人們對于黔北地區頁巖儲層的研究取得了一定進展。為探究黔北地區頁巖儲層特征，重點研究了黔北地區下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組頁巖層系，系統梳理了頁巖儲層研究方法及黔北地區兩套潛質頁巖層次儲層特征，并為黔北地區頁巖儲層中存在的問題提出建議。

頁巖儲層；黔北；頁巖氣；儲層研究

1 引言

頁巖氣指在泥頁巖中以吸附或游離狀態的形式存在的天然氣[1]。北美地區對頁巖氣的勘探開發及利用最為成熟。21世紀初，世界各國受美國“頁巖氣革命”的影響，也加強了對本國頁巖氣資源的研究開發。中國頁巖氣資源十分豐富，美國能源信息署（EIA）2011年研究報告顯示，中國頁巖氣可采資源量約為31.6萬億立方米，位居世界第一。頁巖氣作為天然氣的一種，是“綠色能源”的重要資源種類，在中國能源結構中占據重要位置，在中國未來的經濟社會發展中起著重大作用。頁巖氣是一種非常規天然氣資源，頁巖層系具有“生氣”和“儲氣”的雙重功能，但頁巖具有低孔隙度和低滲透率的基本性質，這樣的性質為天然氣在其中的賦存和運移造成了困難，對其儲層性質研究也很困難。目前，隨著貴州正安地區頁巖氣資源勘探實現局部突破，對于頁巖儲集性質及開采難度評價的重要性逐漸凸顯，在落實頁巖氣資源分布和資源豐度的基礎上，進一步開展儲集條件研究和儲層評價對于實現頁巖氣資源商業化開發具有重要意義。

2 地質概況

黔北地區在地理和行政區劃上主要指遵義及畢節金沙地區。處于上揚子地塊南緣，北部緊鄰四川盆地，該地區的地形構造特征主要受喜山期喜馬拉雅造山運動和印度洋板塊的俯沖所影響，表現為強烈的壓性構造特征，形成背斜帶平緩寬闊和向斜陡峭狹窄的隔槽式褶皺形變帶[2]。區內基底主要為中、新元古代地層，早古生代海相沉積地層發育較好，在區內廣泛發育，主要發育寒武系、奧陶系、志留系及二疊系地層，泥盆系、石炭系地層缺失。目前已經揭示的黔北地區主力潛質頁巖層系為下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組。下寒武統牛蹄塘組巖性以泥巖、炭質泥巖、硅質頁巖及粉砂質頁巖為主，埋深多介于0～3 500 m，最大埋深達到8 000 m以上，平均厚度約為60 m，長石、黃鐵礦、石英等礦物含量豐富，硅質礦物含量多大于60%，具有良好的脆性，微裂縫較發育，有利于開采壓裂。下志留統龍馬溪組巖層巖性以含粉砂炭質泥巖、炭質頁巖，粉砂質泥巖、頁巖為主，埋深多介于0～2 000 m，最大埋深超過8 000 m，厚度15～60 m，石英、長石、碳酸鹽巖礦物等脆性礦物含量大于50%，巖石脆性較好，裂縫發育，有利于水力壓裂改造。

3 成藏條件

黔北地區下寒武統牛蹄塘組及下志留統龍馬溪組頁巖均為海相沉積地層，化石豐富，具有較好的頁巖氣成藏條件。牛蹄塘組頁巖層系（總有機碳含量）約1.7%～9.6%，大多為高碳（3.0%～4.0%）頁巖至富碳（＞4.0%）頁巖，有機質類型主要為Ⅰ型，（鏡質體反射率）值約為2.0%～3.5%，表明頁巖中有機質達到過成熟階段，鉆井揭示牛蹄塘組含氣量最高能達到2.5 m3/t，但其含氣量受保存條件影響很大，埋深較淺或構造較為復雜地區含氣量常小于0.5 m3/t。下志留統龍馬溪組頁巖層系為0.5%～6%，其中上段有機質豐度較小，多小于1.0%，底部有機質豐度大，基本均大于2.0%，有機質類型以Ⅰ型和Ⅱ1為主，主體為2.0%～3.5%之間，有機質處于高成熟-過成熟階段，含氣條件較好，常見含氣量大于2.0 m3/t，最大含氣量達到4.0 m3/t以上，且高含氣量基本均出現于龍馬溪組底部，與有機質豐度呈較好的相關關系。

4 儲層研究進展

4.1 頁巖儲層特征研究方法

常規砂巖儲層研究通常采用巖石學、測井、試井三種方法[3]。頁巖與砂巖雖同屬于碎屑巖類，但其儲層特征與常規砂巖儲層有所不同。差異性主要體現在孔滲性、吸附能力、孔隙結構等方面。頁巖儲層具有低孔隙度和低滲透率的特征，頁巖與砂巖相比，比表面積更大，氣體吸附能力更強，并且頁巖的孔隙結構比砂巖更加復雜。這樣的特點導致多數常規砂巖儲層的研究方法并不適用于對頁巖儲層的研究，針對頁巖儲層特點，氮氣吸附實驗、掃描電子顯微鏡觀察實驗、高壓壓汞實驗、穩態法孔滲測定實驗等一系列實驗方法逐漸在頁巖儲層中被應用。

氮氣吸附實驗：該方法是在單分子層吸附理論的基礎上開發推廣的，運用氮氣作為吸附質測定孔徑和比表面積。氮氣吸附法能用于對頁巖儲層孔徑較小的微孔的研究，該儀器對孔徑表征范圍為0.35～400 nm，適用范圍相對較小，但這一孔徑范圍恰是頁巖儲集空間中十分重要的組成部分，因此，該方法近年來在頁巖儲層研究中被廣泛應用。

高壓壓汞實驗：常規壓汞實驗無法突破頁巖孔隙毛管壓力，不適用于頁巖儲層研究[4]。高壓壓汞實驗原理是運用高壓壓汞儀將巖心內空氣抽出使其處于真空狀態，保持干燥，注入水銀，水銀侵入的孔徑是所加壓力的函數，可以得出毛細壓力和巖石含汞飽和度曲線。孔徑測量范圍0.003～1 000 μm，運用此法可以得到孔隙微觀結構特征和孔體積。該法缺點是樣品無法回收，操作需謹慎防止汞中毒。

場發射掃描電子顯微鏡（SEM）技術：該技術是利用電子束掃描樣品表面從而產生各種物理信息，收集這些信息后轉化成圖像，最終通過這些圖像數據可以很好觀察到頁巖儲層形貌特征。最新的場發射掃描電鏡技術分辨率可達 0.1 nm，可較好觀察頁巖孔隙，但該技術會對細小巖樣造成破壞。

透射電子顯微鏡（TEM）技術：與SEM掃描樣品表面特征不同，該技術使用透射電子穿透樣品，從而得到樣品的內部結構、應力狀態信息、形態。TEM的分辨率可達0.2 nm，可較好觀察頁巖孔隙的特征。但TEM樣品厚度需達到10～100 nm，需使用配套的高精度制樣設備，制樣難度較大，且一些結構疏松、易碎樣品無法制成符合要求的樣品，從而無法使用該技術進行科學研究。

穩態法孔滲測試實驗：運用該法可測得儲層滲透率值，基于油氣穩定流動時的達西公式。穩態法優點是操作原理和方法較為簡單，測得滲透率值較為準確，但該實驗對裝置的密封性要求高。

4.2 黔北地區頁巖儲層特征

4.2.1 牛蹄塘組

牛蹄塘組頁巖無機質孔以石英、黃鐵礦晶間孔為主，孔徑20 nm～2 μm均可見；由于牛蹄塘組頁巖有機質豐度高且有機質成熟度高，有機質孔十分發育，是其儲集空間的重要組成部分，主要發育蜂窩狀有機質孔，也可見海綿狀、球狀、橢球狀或不規則狀，孔徑主要介于5 nm～0.3 μm之間，微裂縫可見發育于顆粒邊緣的收縮縫，也可見構造裂縫。通過氮氣吸附實驗發現黔北地區牛蹄塘組頁巖中孔徑3～5 nm的孔隙是主要的儲集空間，頁巖孔隙以中孔（2～50 nm）為主，頁巖比表面積介于5.64～28.29 cm2/g之間，比表面積較高，具有較強的氣體吸附能力。通過高壓壓汞實驗分析得出其孔隙度分布范圍為1.3%～25.6%，平均為8.24%。穩態法測得滲透率分布范圍為0.002 2×10-3～1.26×10-3μm2，平均為0.127×10-3μm2[5]，基本為低孔低滲儲層，但由于頁巖中有機質孔特別發育，且脆性較強，微裂縫十分發育，這些孔縫有效提高了牛蹄塘組頁巖的儲集能力。

4.2.2 龍馬溪組

龍馬溪組頁巖硅質礦物含量略低于牛蹄塘組，無機孔以石英、黃鐵礦晶間孔，粘土礦物粒內孔為主；其有機質豐度和成熟度均略低于牛蹄塘組，有機質孔發育情況稍遜于牛蹄塘組，但總體也較為發育，以海綿狀有機質孔為主，也可見橢球狀、不規則狀有機質孔，孔徑2 nm～1 μm均可見；微裂縫多為有機質邊緣收縮縫，也可見構造裂縫。氮氣吸附實驗揭示黔北龍馬溪組頁巖以中孔為主，是主要的儲集空間，比表面積平均值達到13.270 m2/g，稍大于牛蹄塘組頁巖，這是由于龍馬溪組頁巖有機質孔發育且粘土礦物含量略高于牛蹄塘組頁巖，而粘土礦物多呈現層狀形態，表面積很大，能夠有效提高頁巖的吸附能力[6]。高壓壓汞實驗測得頁巖孔隙度約0.60%～6.0%，平均為4.35%。穩態法測得滲透率為0.003 0×10-3～0.019 6×10-3μm2，平均為0.009 8×10-3μm2，為較典型的低孔-低滲儲層。

5 前景及方向

5.1 加強頁巖壓裂技術攻關，提高頁巖儲層產能

解決頁巖氣開采困難的問題，要克服儲層低孔低滲的特點。世界范圍內包括中國開采頁巖氣主要運用水力壓裂技術。但對于不同的頁巖儲層，其滲透率以及內部環境各有不同，想要提高頁巖氣開采率必須對儲層內部條件進行改造，再配套壓裂技術進行生產，黔北地區儲層埋深相對較大，外部構造條件復雜，內部孔隙結構復雜，存在油氣滲透率低，流動性差且在開采時易揮發等諸多問題。能否解決在大埋深、復雜地質條件、復雜孔隙結構條件下的有效壓裂，是未來黔北地區頁巖氣資源能否實現突破的關鍵問題之一。

5.2 嘗試探索新層系

頁巖氣除原地聚集于生氣源巖層系外，也可能發生短距運移。黔北地區龍馬溪組和牛蹄塘組兩套地層雖具有良好的生烴條件，但開采難度較大，在目前沒有解決方法的背景下，可以嘗試以兩套烴源巖為核心，尋找新的頁巖儲氣層。黔北地區地層發育多套頁巖層系，這為尋找新的儲氣巖層提供了可能性。

［1］張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布［J］.天然氣工業，2004（7）：15-18，131-132.

［2］梁興，葉熙，張介輝，等.滇黔北下古生界海相頁巖氣藏賦存條件評價［J］.海相油氣地質，2011，16（4）：11-21.

［3］谷江銳，劉巖.國外致密砂巖氣藏儲層研究現狀和發展趨勢［J］.國外油田工程，2009，25（7）：1-5.

［4］楊峰，寧正福，胡昌蓬，等.頁巖儲層微觀孔隙結構特征［J］.石油學報，2013，34（2）：301-311.

［5］李娟，于炳松，張金川，等.黔北地區下寒武統黑色頁巖儲層特征及其影響因素［J］.石油與天然氣地質，2012，33（3）：364-374.

［6］申浩冉，丁文龍，谷陽，等.黔北鳳岡地區龍馬溪組頁巖孔隙結構特征［J］.斷塊油氣田，2019，26（4）：480-485.

李才平（1998—），男，四川樂山人，本科，就讀于六盤水師范學院礦業與土木工程學院地質工程專業。

黃宇琪（1990—），女，江蘇常熟人，碩士研究生，實驗師，現就職于六盤水師范學院礦業與土木工程學院，從事非常規油氣研究工作。

國家級大學生創新創業訓練計劃項目“六盤水地區頁巖氣儲層孔隙結構研究”（編號：201910977006）；六盤水師范學院校級基金項目“六盤水師范學院科技創新團隊項目”（編號：LPSSYKJTD201902）；六盤水師范學院校級基金項目“地質工程校級重點學科”（編號：LPSSYZDXK201802）

2095－6835（2021）06－0149－02

P618.13

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.061

〔編輯：嚴麗琴〕