趙雪嬌，吳彥君，楊 甫，田 濤

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710016；2.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710016；3.西北大學(xué)，西安 710069；4.延長油田股份有限公司青化砭采油廠，陜西延安 716003；5.陜西省煤田地質(zhì)有限公司，西安 710016)

Zhao Xuejiao1,2,Wu Yanjun3,4,Yang Fu1,5and Tian Tao1,5(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,Ministry of Land and Resources,Xi’an,Shaanxi 710016;2.Shaanxi Provincial Coal Geological Exploration Research Institute Co.Ltd.,Xi’an,Shaanxi 710016;3.Northwest University,Xi’an,Shaanxi 710069;4.Qinghuabian Oil Production Plant,Yanchang Oilfield Co.Ltd.,Yan’an,Shaanxi 716003;5. Shaanxi Coal Geology Group Co.Ltd.,Xi’an Shaanxi 710021)

陜西省東南部下寒武統(tǒng)頁巖氣資源潛力分析

趙雪嬌1，2，吳彥君3，4，楊 甫1，5，田 濤1，5

(1.國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710016；2.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司，西安 710016；3.西北大學(xué)，西安 710069；4.延長油田股份有限公司青化砭采油廠，陜西延安 716003；5.陜西省煤田地質(zhì)有限公司，西安 710016)

陜西省東南部下寒武統(tǒng)黑色頁巖發(fā)育，厚度較大，目前對該地區(qū)頁巖的相關(guān)研究極少。通過烴源巖分析、薄片鑒定、掃描電鏡分析、X線衍射、液氮吸附等實驗方法，對頁巖的有機地球化學(xué)特征、礦物組成、孔隙結(jié)構(gòu)特征等儲層物性參數(shù)及頁巖氣勘探開發(fā)潛力進行了分析。結(jié)果表明，該套黑色頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為主，總有機碳（TOC）平均為2.24%。烴源巖有機質(zhì)成熟度平均為2.07%，處于高或過成熟階段，有利于頁巖氣的生成及吸附。頁巖儲層發(fā)育溶蝕孔隙、黏土礦物微孔隙和微裂縫。從礦物組成看，脆性礦物含量較高，利于后期壓裂改造。從孔隙結(jié)構(gòu)看，孔隙具有較大的比表面積，平均值為2.75 m2/g，以中孔為主。綜上所述，雖然研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，但有機地化特征、礦物組成、孔隙發(fā)育及孔隙結(jié)構(gòu)特征等均表明下寒武統(tǒng)黑色頁巖具有一定的頁巖氣資源潛力。

陜西??；下寒武統(tǒng)；頁巖氣；儲層特征

在我國南方及陜西等地區(qū)下寒武統(tǒng)底部普遍發(fā)育一套厚度不等的黑色頁巖，特征典型，廣泛出露，可在全世界范圍對比，該期黑色頁巖異常富集有機質(zhì)，已發(fā)現(xiàn)大量（古）油氣藏及油氣顯示[1]，尤其四川盆地及周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組（其它地區(qū)也稱水井沱組、筇竹寺組、九龍洞組、長江溝組等）是中國未來頁巖氣開發(fā)的主要層系，近年來開展了大量的研究工作[2-6]。陜西省東南部該套黑色頁巖主要由深灰色和黑色泥巖、含硅質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，厚度可達(dá)100～500 m，但是目前該地區(qū)頁巖氣資源潛力研究較少。

本文以陜西省東南部早寒武世黑色頁巖為研究對象，通過烴源巖分析、薄片鑒定、掃描電鏡分析、X線衍射及液氮吸附等實驗方法，研究了頁巖有機質(zhì)類型、含量、成熟度等有機地化特征，礦物組成、物性及孔隙類型及孔隙結(jié)構(gòu)等儲層特征，探討了早寒武系頁巖氣成藏的基本條件，對該地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)處于川、陜、鄂、渝四省市的結(jié)合處（圖1），屬秦嶺山系北大巴山地區(qū)。元古代至今，在華南板塊與華北板塊的多次匯聚、離散、碰撞作用下，秦嶺造山帶發(fā)育形成，并完成后碰撞造山運動。構(gòu)造運動的多期次性和復(fù)雜性，決定了其沉積環(huán)境的多變性。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Figure 1 Study area location and sampling point distribution

北大巴山地區(qū)隸屬于秦嶺造山帶。在揚子板塊與華北板塊至少三次匯聚兩次離散的演化史中，北大巴山的構(gòu)造環(huán)境也幾度改變。晉寧時期揚子板塊與華北板塊發(fā)生了第一次匯聚作用，后于早震旦世隨著秦嶺-祁連洋的擴張開始離散。直到中志留世，秦嶺裂谷為統(tǒng)一的、穩(wěn)定的古大陸發(fā)育階段。研究區(qū)在晚震旦紀(jì)形成滯流盆地相碎屑巖與碳酸鹽巖混積，早寒武世為淺海盆地相，發(fā)育一套黑色巖系，早期以炭質(zhì)頁巖夾粉砂巖、硅質(zhì)巖和灰?guī)r為主；中晚期以炭質(zhì)頁巖和黑色頁巖為主，屬穩(wěn)定硅質(zhì)建造類型。在早奧陶紀(jì)構(gòu)成地質(zhì)歷史時期中的最大海侵，以碳酸鹽巖沉積為主導(dǎo)。早志留世晚期，火山作用明顯加強，沿斷裂帶發(fā)育一系列淺成-超淺成侵入巖，沉積了一套火山碎屑巖。中志留紀(jì)隨著地殼抬升，沉積了大陸斜坡相粉砂巖為主的陸源碎屑巖，其后沉積了淺海陸棚相沉積物粉砂質(zhì)泥巖。

2 頁巖發(fā)育特征

整個南方地區(qū)，下寒武統(tǒng)黑色頁巖層系均可以對比，只是地層名稱有所差別。在中、上揚子西區(qū)稱為筇竹寺組，遵義、甕安一帶稱為牛蹄塘組，宜昌-神農(nóng)架稱為水井沱組等[3]。陜西省東南部該套黑色頁巖厚度達(dá)100～500 m，其中鎮(zhèn)坪一帶下寒武統(tǒng)水井沱組泥質(zhì)烴源巖厚度推測大于150 m，其中TOC＞2.0%以上黑色頁巖累計厚度60～80 m[7-8]（圖2）。

圖2 筇竹寺組頁巖TOC＞2.0%厚度分布圖Figure 2 Thickness distribution of Qiongzhusi Formation shale with TOC＞2.0%

野外觀察研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖層系主要由炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖及泥灰?guī)r組成，含筆石化石（圖3a），薄片鑒定巖石為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)顆粒大?。?.03 mm，礦物成分主要為石英、白云石、方解石、長石及黏土礦物，含黃鐵礦（1%～2%）。有機碳黏土礦物混雜分布，形成紋層，巖石呈棕黑色（圖3b）。

3 有機地球化學(xué)特征

①有機質(zhì)類型。有機質(zhì)類型是評價烴源巖質(zhì)量、生烴潛力的重要指標(biāo)，不同類型的干酪根，具有不同的顯微組分，影響著頁巖氣含量。研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖樣品干酪根在掃描電鏡下主要為松軟的粒狀、絮片狀、粒絮狀、片狀集合體（圖4），其有機質(zhì)類型屬腐泥型，個別樣品中見鏡質(zhì)體。干酪根顯微組分中，腐泥組含量較高，幾乎不含惰質(zhì)組，其中腐泥組中腐泥無定型體體積分?jǐn)?shù)為80%～97%，殼質(zhì)組中腐殖無定型體積分?jǐn)?shù)為2%～14%，鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)為1%～9%；干酪根類型指數(shù)為79～97，類型以Ⅰ型為主，個別Ⅱ1型（表1），為生成頁巖氣有利的有機質(zhì)類型。

圖3 下寒武統(tǒng)頁巖特征Figure 3 Lower Cambrian shale features

圖4 干酪根在掃描鏡下檢驗Figure 4 Kerogen under microscopic examination

②有機質(zhì)豐度。有機碳含量是頁巖儲層評價的重要參數(shù)之一，它既決定著頁巖的生烴強度，也是頁巖吸附氣的載體之一。根據(jù)美國頁巖氣開采經(jīng)驗，頁巖富集區(qū)含氣頁巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于2%。研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.36%～6.96%，平均為2.24%。大部分樣品的有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%左右（表1），有機碳含量較高，為大量生烴提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

表1 頁巖樣品有機地化參數(shù)表Table 1 Organic geochemical parameters of shale sample

③有機質(zhì)成熟度。有機質(zhì)成熟度是表征有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的熱演化程度指標(biāo)，有機質(zhì)只有在達(dá)到一定的熱演化程度后才能開始大量油氣生成，不僅決定了烴源巖生烴量的多少也決定了生烴物質(zhì)類型。研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖有機質(zhì)成熟度較高，鏡質(zhì)體反射率RO分布在1.82%～2.57%，平均值為2.07%，處于成熟-過成熟階段（表1），較高的成熟度有利于有機質(zhì)熱解生氣。

4 儲層特征

4.1 礦物組成

頁巖礦物組分的含量一方面影響頁巖的脆性，大量脆性礦物的存在使頁巖易于壓裂改造，另一方面，礦物組分影響著孔隙結(jié)構(gòu)，尤其是黏土礦物，影響氣體的吸附和儲存。

根據(jù)野外露頭樣品測試結(jié)果顯示（圖5），研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖脆性礦物總體含量占73.98%～ 96.36%（碎屑礦物與自生脆性礦物含量之和），黏土礦物體積分?jǐn)?shù)2.46%～22.58%。其中，石英與長石體積分?jǐn)?shù)為14.22%～88.71%，平均50.51%；方解石和白云石體積分?jǐn)?shù)為2.06%～87.57%，平均40.23%，還含有黃鐵礦，體積分?jǐn)?shù)為0.37%～6.21%，平均為1.93%。黃鐵礦的存在反映當(dāng)時頁巖處于靜水還原環(huán)境，有利于頁巖儲層的發(fā)育。石英與長石、方解石和白云石為脆性礦物的主要貢獻者。巖石礦物組成對頁巖氣后期開發(fā)至關(guān)重要，具備商業(yè)性開發(fā)條件的頁巖，一般其脆性礦物體積分?jǐn)?shù)要高于40%，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)小于30%?？梢娧芯繀^(qū)頁巖砂質(zhì)和鈣質(zhì)較重，具有較好的脆性，有利于頁巖壓裂產(chǎn)生裂縫。

圖5 研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖礦物成分Figure 5 Study area lower Cambrian shale mineral compositions

4.2 物性特征

頁巖儲層的孔隙度和滲透率一般較小，研究區(qū)頁巖樣品孔隙度最小值為1.46%，最大值為2.80%，平均值為2.12%；樣品的滲透率極低，最小值為0.0122 mD，最大值為0.0456 mD，平均值為0.0247 mD（表2）。孔隙度相對于美國五大含氣頁巖3%～14%的孔隙度較小，物性條件較差。

表2 樣品物性參數(shù)表Table 2 Sample physical property parameters

4.3 儲集空間特征

4.3.1 孔隙特征

頁巖儲層具有多種孔隙空間類型，形態(tài)多種多樣。孔隙的性質(zhì)影響著泥頁巖的比表面積和微孔隙的相對豐度，這直接關(guān)系到頁巖氣的吸附性、解析性及其在泥頁巖中的流動性[9]。根據(jù)孔隙大小劃分標(biāo)準(zhǔn)，頁巖主要發(fā)育微孔隙（＜2 nm）和中孔隙（2～50 nm），從產(chǎn)狀及形態(tài)劃分，頁巖孔隙類型分為基質(zhì)孔隙和裂縫?；|(zhì)孔隙有殘余原生孔隙、有機質(zhì)生烴形成的微孔隙、黏土礦物伊利石化形成的微裂（孔）隙和不穩(wěn)定礦物（如長石、方解石）溶蝕形成的溶蝕孔等。

圖6 下寒武統(tǒng)頁巖孔隙特征Figure 6 Lower Cambrian shale pore features

根據(jù)礦物的成因、形態(tài)及大小，通過薄片鑒定和掃描電鏡觀測，本文將研究區(qū)頁巖樣品孔隙分為溶蝕孔，黏土礦物微孔隙、微裂縫及有機質(zhì)孔。

溶蝕孔在研究區(qū)十分發(fā)育，孔徑相對較小，為1～6 μm，膠結(jié)物主要為方解石、伊利石及黃鐵礦（圖6a，圖6b）。主要為長石及碳酸鹽等易溶礦物，在空氣、地下水或者有機質(zhì)脫羧后產(chǎn)生的酸性水作用下溶蝕而產(chǎn)生的次生孔隙。

黏土礦物微孔隙。主要為黏土礦物伊利石之間的微孔隙。當(dāng)泥頁巖孔隙水偏堿性并且富含鉀離子時，隨著埋深的增加，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，體積減小，從而產(chǎn)生微孔隙（圖6c）。該類孔隙孔徑較小，一般為0.1～2 μm。

微裂縫在研究區(qū)相對發(fā)育，裂縫寬度1～1.5 μm，分為礦物間裂縫（圖6d），與有機質(zhì)間裂縫（圖6e），主要為黏土礦物之間的轉(zhuǎn)化引起體積收縮或者有機質(zhì)生烴導(dǎo)致內(nèi)部壓力不均及體積收縮形成。

有機質(zhì)孔在研究區(qū)僅一個樣品可見（圖6f），主要是有機質(zhì)熱裂解生烴過程中形成的孔隙，孔隙大小納米級，點狀分布。

整體而言，研究區(qū)頁巖溶蝕孔及微裂縫比較發(fā)育，為頁巖氣的儲集提供了足夠的空間。

圖7 下寒武統(tǒng)頁巖裂縫特征Figure 7 Lower Cambrian shale fissure features

4.3.2 裂縫特征

裂縫包括地下原始裂縫和后期人造裂縫，研究區(qū)頁巖發(fā)育若干構(gòu)造成因的裂縫（圖7），可為頁巖氣提供充足的儲集空間、運移通道，更能有效提高頁巖氣產(chǎn)量。

4.4 孔隙結(jié)構(gòu)特征

應(yīng)用常規(guī)的壓汞等試驗方法研究頁巖細(xì)小的孔喉效果有限，目前常用于頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的研究的實驗方法主要為氮氣吸附法。

本次對研究區(qū)黑色頁巖樣品進行了氮氣吸附實驗，獲得了比表面積及孔徑分布、孔體積等參數(shù)（表3）。頁巖的微孔隙發(fā)育，具有較大的比表面積，從測試結(jié)果看，研究區(qū)頁巖樣品孔徑為3.09～13.35 nm，其平均值為5.16 nm，頁巖主體孔徑在中孔范圍內(nèi)，同時頁巖中含有一定的大孔，造成孔徑分布曲線中的“拖尾”現(xiàn)象（圖8）。頁巖比表面積在0.65～7.76 m2/g，平均為2.75 m2/g，與Berea砂巖比表面積（大約1 m2/g）相比，研究區(qū)頁巖的比表面積約是Berea砂巖的2倍多，表面積大的主要原因是由黏土礦物、細(xì)粒度顆粒造成的，較大的比表面積使得氣體吸附存儲成為可能。

表3 比表面檢測結(jié)果表Table 3 Data sheet of specific surface area detected results

圖8 孔徑分布曲線Figure 8 Pore size distribution curves

根據(jù)BJH理論求出樣品的孔徑分布曲線（圖8）所示，頁巖孔徑分布較簡單，孔徑分布曲線一般存在一個的峰值，峰值孔徑主要集中2 nm處，表明這個范圍內(nèi)孔出現(xiàn)的概率最大。

5 頁巖氣潛力分析

研究區(qū)烴源巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為主；有機碳（TOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.36%～6.96%，平均2.24%。烴源巖RO為1.82%～2.57%，成熟度普遍為高或過成熟階段?？梢娧芯繀^(qū)黑色頁巖烴源巖具有一定的生烴潛力。儲集層研究表明黑色頁巖脆性礦物總體體積分?jǐn)?shù)占73.98%～96.36%，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)為2.46%～22.58%，可見研究區(qū)黑色巖系砂質(zhì)和鈣質(zhì)較重，因此其性較脆、硬，在加砂壓裂中容易產(chǎn)生裂縫，這對于頁巖氣的開采極為有利。樣品孔隙度最平均值為2.12%，滲透率平均值為0.0247 mD，頁巖比表面積平均為2.75 m2/g，比表面積較大。

綜上所述，研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖具有一定的資源潛力，可以進行下一步勘探。但是由于研究區(qū)緊鄰造山帶，變形強烈，構(gòu)造縮短率大，裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，淺部斷層都具有通天的特征，可能不利于頁巖氣的成藏。但是近年來的研究表明適當(dāng)規(guī)模斷裂體系的存在可以有效改造頁巖的儲滲條件，有利于頁巖氣的富集保存和產(chǎn)出，尤其是復(fù)向斜地區(qū)受構(gòu)造活動改造弱，黑色頁巖埋藏深度較大，蓋層分布連續(xù)，斷裂不發(fā)育，流體封閉性強[10]。因此研究區(qū)進行油氣勘探時，一定要注意在變形強烈之中尋找變形相對較弱、形態(tài)相對較完整的復(fù)向斜構(gòu)造。

6 結(jié)論

（1）下寒武統(tǒng)黑色頁巖異常富集有機質(zhì)，為重要的頁巖氣藏。陜西省東南部黑色頁巖厚度較大，有機質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為主，有機碳（TOC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.36%～6.96%，平均值為2.24%。烴源巖RO為1.82%～2.57%，成熟度普遍為高或過成熟階段，生烴潛力較好。

（2）陜西省東南部黑色頁巖發(fā)育溶蝕孔隙，黏土礦物微孔隙和微裂縫常見，脆性礦物含量高，后期壓裂改造條件較好，頁巖樣品孔徑平均值為5.16 nm，頁巖主體孔徑在中孔范圍內(nèi)，頁巖比表面積平均為2.75 m2/g，比表面積較大，利于頁巖氣的吸附存儲。（3）研究區(qū)緊鄰造山帶，構(gòu)造復(fù)雜，進行油氣勘探時，一定要注意在變形強烈之中尋找變形相對較弱、形態(tài)相對較完整的復(fù)向斜構(gòu)造。

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Lower Cambrian Shale Gas Resources Potential Analysis in Southeastern Shaanxi Province

In the southeastern Shaanxi Province has developed rather thick lower Cambrian black shale,but very few relevant stratigraphic researches on the shale in the area.Through source rock analysis,thin section identification,SEM analysis,X-ray diffraction and liquid nitrogen adsorption etc.carried out studies on reservoir physical parameters of black shale geochemical features,mineral composition;pore structural features etc.Then analyzed study area shale gas exploration and exploitation potential.The result has shown that the black shale organic matter type is mainly kerogen type I,average TOC 2.24%.Average organic matter maturity of source rock is 2.07%,at high or over mature stage,propitious to shale gas generation and adsorption.In shale reservoir has developed dissolved pores,clay mineral micropores and microfissures.See from mineral composition,brittle mineral content is rather high,propitious to succeeding fracturing.See from pore structure,pores have rather large specific surface area,average 2.75m2/g,mainly medium pores.In summary,although structures in study area are complex,but organic geochemical features,mineral composition,pore development and pore structures are all indicated the lower Cambrian black shale has certain shale gas resource potential.

Shaanxi Province;Lower Cambrian Series;shale gas;reservoir features

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.07

1674-1803(2017)02-0029-06

TE112

A

Zhao Xuejiao1,2,Wu Yanjun3,4,Yang Fu1,5and Tian Tao1,5
(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,Ministry of Land and Resources,Xi’an,Shaanxi 710016;2.Shaanxi Provincial Coal Geological Exploration Research Institute Co.Ltd.,Xi’an,Shaanxi 710016;3.Northwest University,Xi’an,Shaanxi 710069;4.Qinghuabian Oil Production Plant,Yanchang Oilfield Co.Ltd.,Yan’an,Shaanxi 716003;5. Shaanxi Coal Geology Group Co.Ltd.,Xi’an Shaanxi 710021)

國土資源部煤炭勘查與綜合利用重點實驗室自主科研項目(編號ZP2013-2)

趙雪嬌（1985—），女，碩士，工程師，現(xiàn)從事煤系非常規(guī)天然氣地質(zhì)研究。

2016-02-28

責(zé)任編輯：宋博輦