舒兵，張廷山，梁興，楊洋，謝磊，張朝

滇黔北坳陷及鄰區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層特征

舒兵1，張廷山1，梁興2，楊洋1，謝磊1，張朝2

（1西南石油大學(xué)；2中國石油浙江油田分公司）

基于8口鉆井、2個(gè)剖面點(diǎn)的巖樣觀察和測(cè)試分析，滇黔北坳陷及鄰區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組下段是富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育的層段，有機(jī)質(zhì)演化達(dá)到過成熟階段。X衍射全巖分析表明，龍馬溪組泥頁巖由黏土礦物、石英、碳酸鹽、長石、黃鐵礦等礦物組成，黏土礦物則以伊利石為主。泥頁巖的平均脆性指數(shù)56.11%～73.21%，壓裂時(shí)易于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫；常規(guī)物性測(cè)試，孔隙度、滲透率很低，掃描電鏡觀察，納米級(jí)孔隙和裂縫發(fā)育。

滇黔北坳陷；志留系；龍馬溪組；頁巖氣；泥頁巖；儲(chǔ)層特征

DOI：10.3969/j.issn.1672-9854.2016.03.003

1　概　況

滇黔北及川南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組陸棚相泥頁巖區(qū)域展布穩(wěn)定，單層厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，微孔隙發(fā)育，是有利的頁巖氣勘探甜點(diǎn)區(qū)［1-6］?；诘崆臂晗菁班弲^(qū)近年的鉆井、野外露頭資料（圖1），本文對(duì)龍馬溪組泥頁巖儲(chǔ)層巖石學(xué)特征、物性特征、孔滲特征及微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以此為深化龍馬溪組的頁巖氣勘探提供依據(jù)。

研究區(qū)龍馬溪組巖性總體上具有向上顏色逐漸變淺、碳質(zhì)含量逐漸減少以及粉砂質(zhì)和灰質(zhì)含量逐漸增多的特征（圖2）。龍馬溪組下段巖性主要為黑色粉砂質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖，局部地區(qū)夾少量的粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等，上段巖性主要為灰色、深灰色、灰黑色灰質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖、泥灰?guī)r或石灰?guī)r（圖2）。現(xiàn)場(chǎng)氣測(cè)資料、TOC含量等數(shù)據(jù)表明，龍馬溪組下段是頁巖氣儲(chǔ)集目的層段。

2　泥頁巖有機(jī)質(zhì)特征

2.1泥頁巖熱演化程度

對(duì)研究區(qū)4口鉆井、2個(gè)剖面（共45個(gè)巖樣）的鏡質(zhì)體反射率（Ro）進(jìn)行測(cè)試（表1），數(shù)據(jù)顯示泥頁巖樣品的熱演化程度總體較高，Ro均大于2.0%，分布區(qū)間為2.07%～3.25%，達(dá)到了以生干氣為主的過成熟演化階段。

圖1　滇黔北坳陷及鄰區(qū)構(gòu)造區(qū)劃與資料點(diǎn)位置（構(gòu)造區(qū)劃據(jù)文獻(xiàn)［6］，有修改）

2.2泥頁巖有機(jī)碳含量

有機(jī)質(zhì)豐度是衡量泥頁巖生氣質(zhì)量好壞的重要地球化學(xué)指標(biāo)，它主要包括有機(jī)碳含量（TOC）和氯仿瀝青“A”等，由于我國海相地層發(fā)育時(shí)代早、經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次多，故殘留的氯仿瀝青“A”含量普遍很低，不能準(zhǔn)確反映海相頁巖的生氣能力［7］，因此本次研究采用有機(jī)碳含量進(jìn)行評(píng)價(jià)。據(jù)對(duì)單個(gè)頁巖氣藏的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明［8］，頁巖中的含氣量（包括吸附氣和游離氣）隨頁巖TOC含量增加而增大，這說明頁巖TOC含量是頁巖氣成藏最基礎(chǔ)的因素［8-9］。國內(nèi)外一般將TOC含量2.0%作為有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的頁巖氣勘探目標(biāo)的下限值，雖然北美洲一些含頁巖氣盆地的產(chǎn)層中也存在TOC＜1%的可采頁巖層段，但它們要達(dá)到開采價(jià)值需要其他優(yōu)越條件來彌補(bǔ)，如較大的頁巖厚度等［10-11］。

圖2　滇黔北鄰區(qū)D5井龍馬溪組綜合柱狀圖

表1　滇黔北坳陷及鄰區(qū)龍馬溪組泥頁巖鏡質(zhì)體反射率測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)研究區(qū)內(nèi)8口鉆井、2個(gè)剖面的401個(gè)巖樣進(jìn)行TOC含量測(cè)試（表2），最大值為11.46%，最小值為0.35%，平均值為2.50%。研究區(qū)龍馬溪組泥頁巖有機(jī)碳含量由上到下有遞增的趨勢(shì)（圖2），并且下段明顯高于上段，下段是富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育的層段。

表2　滇黔北坳陷及鄰區(qū)龍馬溪組泥頁巖有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)

3　泥頁巖儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

3.1礦物組分特征

頁巖氣藏發(fā)育的泥頁巖主要為呈薄層或塊狀產(chǎn)出的暗色或黑色細(xì)顆粒的沉積巖［12］，泥頁巖礦物組分主要有石英、碳酸鹽、黏土礦物等三種。通過環(huán)境掃描電鏡（ESEM）觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)龍馬溪組暗黑色頁巖的礦物組分除了含黏土礦物外（圖3a），石英（圖3b）和碳酸鹽（圖3c）含量也比較高，粒度總體較細(xì)，主要是黏土級(jí)，很少含砂級(jí)顆粒，另外還可見到少量的長石、絹云母、碳質(zhì)、黃鐵礦（圖3d）等礦物散布于其中。

對(duì)研究區(qū)5口鉆井、2個(gè)剖面（共114個(gè)樣品）進(jìn)行X衍射全巖分析，得到滇黔北及鄰區(qū)龍馬溪組泥頁巖礦物組成含量（表3）。由表3可知，研究區(qū)龍馬溪組泥頁巖的礦物成分以黏土礦物（26.3%～44.1%）、石英（26.2%～34.6%）為主，方解石次之，以及少量的長石、白云石及黃鐵礦等礦物。

圖3　滇黔北鄰區(qū)龍馬溪組礦物顆粒ESEM照片

表3　滇黔北坳陷及鄰區(qū)龍馬溪組泥頁巖X衍射全巖礦物組分平均含量

3.2黏土礦物分析

對(duì)D1井的17個(gè)泥頁巖巖樣進(jìn)行了黏土礦物測(cè)試，結(jié)果如表4所示。黏土礦物以伊利石、伊/蒙混層和綠泥石為主，還有少量的高嶺石，其中，伊利石含量為63%～75%，平均值為69.5%；伊/蒙混層含量為5%～28%，平均值為19.8%；綠泥石含量為3%～17%，平均值為7.9%；高嶺石含量為2%～3%，平均值為2.4%。

黏土礦物中伊利石呈葉片狀（圖3a）、絲發(fā)狀，附著在礦物顆粒表面或充填于粒間孔隙內(nèi)，并把孔隙分割成許多小孔隙，這增加了迂回度，絲發(fā)狀的伊利石容易被水沖移，堵塞孔隙和喉道，降低孔隙度和滲透率；伊/蒙混層呈蜂窩狀、半蜂窩狀、棉絮狀等，隨埋深加大和溫壓的升高而含量增多，有較強(qiáng)的水敏性；綠泥石是酸敏性礦物；高嶺石是重要的速敏礦物。研究區(qū)伊利石含量高，蒙皂石向伊利石、伊/蒙混層轉(zhuǎn)化較多，水敏性較強(qiáng)，在進(jìn)行水力壓裂時(shí)，會(huì)堵塞孔隙和喉道，從而降低儲(chǔ)層滲透率，使儲(chǔ)層受到一定的傷害。

表4　滇黔北鄰區(qū)D1井龍馬溪組泥頁巖黏土礦物成分

3.3脆性評(píng)價(jià)

頁巖氣是一種產(chǎn)自極低孔滲、富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)集系統(tǒng)中的非常規(guī)天然氣，以游離氣和吸附氣為主要賦存形式，原位飽和富集于頁巖儲(chǔ)集系統(tǒng)的微米級(jí)、納米級(jí)孔隙和裂縫中，具有自生自儲(chǔ)、無明顯氣水界面、大面積連續(xù)成藏、低孔、低滲等特征，一般無自然產(chǎn)能［13］。進(jìn)行人工壓裂，是對(duì)泥頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行開采的前提。國內(nèi)外的研究［13-15］表明，泥頁巖壓裂的難易程度是由巖石的脆性指數(shù)所決定的，頁巖脆性指數(shù)越高，可壓裂性就越好。

脆性指數(shù)的判定主要有定性與定量兩種方法，儲(chǔ)層中的脆性礦物一般包括石英、長石、方解石、白云石，當(dāng)脆性指數(shù)在40%以上才有可能形成網(wǎng)絡(luò)裂縫［14］。本文采用定量方法計(jì)算頁巖的脆性指數(shù)，公式為：B＝（Q＋C＋F）/（Q＋C＋F＋CL），其中，B為脆性指數(shù)，Q為石英，C為碳酸鹽礦物，F(xiàn)為長石類礦物，CL為黏土類礦物。

對(duì)滇黔北及鄰區(qū)5口鉆井、2個(gè)剖面的114個(gè)樣本進(jìn)行平均脆性指數(shù)計(jì)算，結(jié)果如表5，泥頁巖平均脆性指數(shù)分布在56.11%～73.21%之間，均大于40%，壓裂時(shí)易于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。

表5　滇黔北坳陷及鄰區(qū)龍馬溪組泥頁巖脆性指數(shù)

4　泥頁巖儲(chǔ)層物性特征

頁巖巖石物理性質(zhì)測(cè)定，國內(nèi)外一般都采用GRI法進(jìn)行測(cè)定［16-17］。對(duì)D1井的14個(gè)巖心樣品進(jìn)行巖心常規(guī)物性測(cè)試，結(jié)果見表6。龍馬溪組泥頁巖密度變化范圍不大，在2.28～2.68g/cm3之間，平均密度為2.58g/cm3，但是富含有機(jī)質(zhì)頁巖段因孔隙比較發(fā)育，巖石密度比不含氣或含氣少的層段略微降低，通常都低0.05～0.1g/cm3。D1井龍馬溪組泥頁巖總孔隙度在1.0%～4.0%之間，平均值為2.6%，滲透率在（0.0044～0.0111）×10-3μm2之間，平均值為0.00664×10-3μm2，反映出泥頁巖結(jié)構(gòu)致密、儲(chǔ)集物性較差。巖石的滲透率除受孔隙度影響外，還受孔隙與喉道界面大小、形狀、連通性以及流體性能的影響。D1井龍馬溪組頁巖相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，孔隙度與滲透率沒有嚴(yán)格的正相關(guān)。

表6　滇黔北鄰區(qū)D1井龍馬溪組泥頁巖巖心常規(guī)物性分析

5　泥頁巖儲(chǔ)集空間特征

泥頁巖儲(chǔ)集層看似單一，其實(shí)它是由平直、狹小的喉道連接的，孔隙具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和多孔隙復(fù)合特征［18］。

5.1孔隙特征

泥頁巖中基質(zhì)孔隙發(fā)育，主要包括原生孔隙和次生孔隙。其中：原生孔隙是骨架顆粒、黏土礦物顆粒之間的原生孔，與常規(guī)砂巖顆粒之間的原生孔隙一致，只是孔隙直徑遠(yuǎn)小于后者；次生孔隙是泥頁巖中有機(jī)質(zhì)生烴、黏土礦物脫水和不穩(wěn)定礦物溶蝕作用形成的次生微小孔洞。根據(jù)環(huán)境掃描電鏡（ESEM）圖片觀察，可以將研究區(qū)龍馬溪組泥頁巖孔隙分為以下6類：殘余原生粒間孔（圖4a）、晶間孔（圖4b）、晶體鑄?？祝▓D4c，4d）、次生溶蝕孔（圖4e，4f）、黏土礦物片間孔（圖4g，4h）、有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔（圖4i）。

圖4　滇黔北鄰區(qū)龍馬溪組頁巖孔隙特征

5.2裂縫特征

頁巖儲(chǔ)集層中，裂縫既是儲(chǔ)集空間，也是滲流通道，它是頁巖氣從基質(zhì)孔隙流入井筒的必要途徑［19］。根據(jù)巖心、掃描電鏡等不同層次的觀察，研究區(qū)龍馬溪組發(fā)育的裂縫可分為構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫，其中，構(gòu)造縫有張裂縫（圖5a）和剪裂縫，非構(gòu)造縫有層間頁理縫（圖5b）、層面滑移縫（圖5c，5d）、成巖收縮微裂縫（圖5e）和有機(jī)質(zhì)異常壓裂縫（圖5f），裂縫大多被黃鐵礦、方解石、石英充填（圖5）。

6　結(jié)　論

（1）滇黔北坳陷及鄰區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組下段是富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育的層段，鏡質(zhì)體反射率達(dá)到了2.0%以上，為生干氣為主的過成熟階段。

（2）X衍射全巖分析表明，龍馬溪組泥頁巖礦物組成以黏土礦物、石英為主，方解石、白云石、長石、黃鐵礦等次之，黏土礦物以伊利石為主。平均脆性指數(shù)分布在56.11%～73.21%之間，壓裂時(shí)易于形成網(wǎng)絡(luò)裂縫。

圖5　滇黔北鄰區(qū)龍馬溪組裂縫發(fā)育特征

（3）常規(guī)物性測(cè)試表明，龍馬溪組泥頁巖孔隙度、滲透率很低。掃描電鏡觀察，納米級(jí)孔隙和裂縫發(fā)育。

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編輯：董 庸

Shu Bing：Master degree in progress at Southwest Petroleum University.Add：Earth Science and Technology College of Southwest Petroleum University，Xindu，Chengdu，Sichuan，610500，China

Characteristics of the Lower Silurian Longmaxi Gas-bearing Shale Reservoir in Dianqianbei Depression and Adjacent Area

Shu Bing，Zhang Tingshan，Liang Xing，Yang Yang，Xie Lei，Zhang Zhao

Based on observation and test analysis of the gas-bearing shale samples from eight drilled wells and two outcrops，it is shown that the Lower Silurian lower Longmaxi shale reservoir is organic-rich and over-mature in Dianqianbei Depression and its adjacent area.The analysis of X-ray diffraction indicates that the Longmaxi shale is composed of clay minerals，quartz，calcite，feldspar，dolomite，pyrite etc.，and illite is predominant in clay minerals.The average brittleness index of the shale is distributed from 56.11%to 73.21%，which makes it easy to form the network fractures.The test of conventional physical properties shows that porosity and permeability are low in the shale，but the observation by ESEM shows that nanometer-scaled pores and fissures develop.

Late Silurian；Longmaxi Fm.；Shale gas；Shale reservoir；Dianqianbei Depression

TE122.2

A

1672-9854（2016）-03-0022-07

2015-03-25；改回日期：2015-10-28
本文受國家自然科學(xué)基金青年基金“甲烷在頁巖氣儲(chǔ)層微納米孔隙系統(tǒng)中運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究”（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：41302123）和博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金“頁巖微觀儲(chǔ)集空間發(fā)育特征及其對(duì)頁巖氣賦存富集的影響機(jī)理”（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：20125121130001）以及浙江油田分公司項(xiàng)目“南方及海相探區(qū)第四次油氣資源綜合評(píng)價(jià)”（編號(hào)：2013E-050210）聯(lián)合資助
舒兵：1989年生，在讀碩士研究生，主要從事頁巖氣、煤層氣形成與富集機(jī)理及微觀儲(chǔ)層方面的研究工作。通訊地址：610500四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；E-mail：shubing2011@163.com