孫 寧，趙 剛，張小龍，谷 陽(yáng)，扈金剛，李海麗

(1.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)圖書(shū)館，北京 100083)

0 引言

頁(yè)巖氣作為一種重要的天然氣資源，相比石油、煤炭等化石能源燃燒時(shí)所排放的溫室氣體更低，符合各國(guó)低碳可持續(xù)發(fā)展的大趨勢(shì)。美國(guó)頁(yè)巖氣革命的成功不僅幫助美國(guó)實(shí)現(xiàn)了天然氣進(jìn)出口的扭轉(zhuǎn)，更為其提供了一條可持續(xù)的綠色發(fā)展道路，悄然地改變了全球的能源結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)格局。因此，越來(lái)越多的國(guó)家和石油公司也開(kāi)始關(guān)注頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的勘探與開(kāi)發(fā)，一場(chǎng)以非常規(guī)能源為主的能源變革正在進(jìn)行[1-7]。中國(guó)頁(yè)巖氣勘探在四川盆地內(nèi)的涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和昭通等地區(qū)取得了重大突破并形成了產(chǎn)能，標(biāo)志著五峰組-龍馬溪組巨大的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)潛力[8-12]。近年來(lái)，在四川盆地外圍地區(qū)勘探也取得一系列進(jìn)展，特別是在貴州省遵義市正安縣安場(chǎng)鎮(zhèn)部署實(shí)施的安頁(yè)1井獲得了二疊系棲霞組、志留系牛石欄組、五峰組-龍馬溪組和奧陶系寶塔組的“四層樓”式天然氣的重大突破[13-15]。與正安區(qū)塊南部相鄰鳳岡一區(qū)塊，頁(yè)巖氣勘探目前處于起步階段，隨著頁(yè)巖氣勘探的深入，區(qū)塊從野外地質(zhì)調(diào)查工作階段逐步轉(zhuǎn)入到實(shí)際鉆井評(píng)價(jià)階段，亟需進(jìn)一步利用區(qū)內(nèi)鉆井巖心化驗(yàn)等測(cè)試資料，從頁(yè)巖的有機(jī)地化特征、儲(chǔ)集物性特征、礦物組成、含氣性等參數(shù)入手，對(duì)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià)，為該區(qū)下一步頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

鳳岡一區(qū)大地構(gòu)造位置位于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)東部，以前震旦系為基底的準(zhǔn)克拉通地塊，北部緊鄰四川盆地南緣，東南部瀕臨華南造山帶。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂較發(fā)育，褶皺整體上以北東向或北北東向展布為主，發(fā)育一系列北東向的復(fù)向斜與復(fù)背斜，向斜帶內(nèi)構(gòu)造變形較強(qiáng)，以寬緩的背斜和緊閉的向斜相間分布為特征[16]；同時(shí)，發(fā)育不同方向斷裂，主要以北東及北北東走向斷裂為主，在不同期次古應(yīng)力場(chǎng)控制下，多期次斷裂之間相互切割、干擾，形成了復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)。鳳岡一區(qū)北部為正安-桐梓斷裂帶，南部魏德江-息烽斷裂帶，西部為遵義-貴陽(yáng)斷裂帶，受其影響，區(qū)塊內(nèi)小型斷裂及裂縫較為發(fā)育。(圖1)。

圖1 鳳岡一區(qū)塊構(gòu)造位置圖Figure 1 Structural position of Fenggang block 1

2 頁(yè)巖沉積環(huán)境

研究區(qū)晚奧陶世-早志留世整體處于陸棚相沉積，龍馬溪組發(fā)育特征明顯受沉積相帶控制[17]。五峰組及龍馬溪組下部主要發(fā)育深水陸棚相，龍馬溪組中上段發(fā)育淺水陸棚相。國(guó)內(nèi)學(xué)者近幾年通過(guò)對(duì)四川盆地研究認(rèn)為，沉積相帶變化發(fā)育受控于冰川消融導(dǎo)致的海平面的升降。五峰組-龍馬溪組由下至上水體由深變淺，巖性方面五峰組和龍馬溪組底部的黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，水平層理發(fā)育，可見(jiàn)筆石；向上逐漸變?yōu)闇\灰色黏土質(zhì)頁(yè)巖及粉砂巖夾灰色薄層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，可見(jiàn)交錯(cuò)層理、水平層理及對(duì)稱-不對(duì)稱波痕。

3 儲(chǔ)層特征及其評(píng)價(jià)

3.1 有機(jī)地化特征

根據(jù)研究區(qū)鉆井巖心五峰組-龍馬溪組底部頁(yè)巖巖心化驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ和Ⅱ1型，有機(jī)碳含量分布范圍為0.55%～9.24%，平均值為2.63%，有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Ro)分布在1.65%～2.23%，平均值達(dá)到1.94%，處于成熟-過(guò)成熟階段。

圖2 五峰組-龍馬溪組巖心樣品TOC含量分布頻率圖Figure 2 Wufeng Formation-Longmaxi Formation core sample TOC contents distribution frequency diagram

有機(jī)質(zhì)豐度是表征烴源巖生烴量和生烴強(qiáng)度的重要參數(shù)。頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)豐度的大小直接決定了頁(yè)巖生氣量的大小[18]。研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖樣品的有機(jī)碳含量<1%(低有機(jī)碳含量)范圍內(nèi)的樣品占總樣品數(shù)的15.79%；分布在1%～2%(中有機(jī)碳含量)的樣品占21.05%，分布在2%～4%(高有機(jī)碳含量)的樣品占23.68%；分布在>4%(特高有機(jī)碳含量)的樣品占39.47%(圖2)。從頁(yè)巖有機(jī)碳分布頻率圖上可以反映出，絕大部分樣品有機(jī)碳含量都分布在低有機(jī)碳含量以上水平，并且高-特高有機(jī)碳含量樣品比例占到樣品總數(shù)的63.61%，主要位于五峰組-龍馬溪組底部，表明鳳岡一區(qū)五峰組-龍馬溪組底部頁(yè)巖屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖。

3.2 儲(chǔ)集空間類型

為分析五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型及特征，對(duì)鉆井巖心進(jìn)行了系統(tǒng)取樣，進(jìn)行了氬離子拋光處理后，利用FIB-SEM對(duì)頁(yè)巖孔隙進(jìn)行了觀察，根據(jù)圖像觀察結(jié)果，按照Loucks(2012)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙分類方案，對(duì)頁(yè)巖孔隙按照大小、形態(tài)及分布等特征進(jìn)行了分類。從類型上我們將儲(chǔ)集空間分為兩大類：孔隙和裂縫，孔隙進(jìn)一步分為有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土礦物間孔、晶間孔隙及次生溶蝕孔隙；裂縫進(jìn)一步分為宏觀裂縫及微觀裂縫，宏觀裂縫通過(guò)巖心觀察，微觀裂縫通過(guò)顯微薄片觀測(cè)。

(通過(guò)FIB-SEM及普通SEM識(shí)別的孔隙類型，主要有：(A)(B)(C)有機(jī)質(zhì)孔；(D)(E)(F)黏土礦物間孔； (G)(H)(I)黃鐵礦晶間孔；(J)(K)(L)次生溶蝕孔)圖3 五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙類型及特征Figure 3 Wufeng Formation-Longmaxi Formation shale reservoir pore types and features

3.1.1 孔隙

通過(guò)高分辨率掃描電鏡觀察，對(duì)頁(yè)巖中納米級(jí)孔隙進(jìn)行了研究，識(shí)別出的孔隙類型包括以下四種類型：①有機(jī)質(zhì)孔；②黏土礦物間孔；③晶間孔；④次生溶蝕孔[19]。

(1)有機(jī)質(zhì)孔。五峰組-龍馬溪組泥巖頁(yè)中發(fā)現(xiàn)大量有機(jī)質(zhì)孔，孔徑主要分布在5～200nm之間，平面上通常為不規(guī)則橢圓形，在有機(jī)質(zhì)中的面孔率一般可達(dá)10%～40%，局部可達(dá)到50%～60%(圖3A、圖3B、圖3C)。有機(jī)質(zhì)孔具備親油性，有利于頁(yè)巖氣的吸附和儲(chǔ)集。另外，納米孔在有機(jī)質(zhì)內(nèi)部分布無(wú)規(guī)律，但在有機(jī)質(zhì)邊緣部分孔隙密度一般會(huì)有所減少，這可能與有機(jī)質(zhì)不同部位的成分組成等條件有關(guān)[20]。

(2)黏土礦物間孔。黏土礦物在頁(yè)巖中占據(jù)很大比例，不同黏土礦物內(nèi)部或者礦物之間往往成為孔隙發(fā)育區(qū)域，有利于頁(yè)巖氣的聚集。這類孔隙往往成片狀或者長(zhǎng)條狀特點(diǎn)，寬度一般小于2μm，在黏土礦物周緣不均勻分布(圖3D、圖3E、圖3F)。礦間孔的發(fā)育程度與頁(yè)巖中黏土礦物的數(shù)量和種類息息相關(guān)，黏土礦物越多，礦間孔越發(fā)育，頁(yè)巖吸附天然氣的能力就越強(qiáng)。黏土礦物中的伊利石、高嶺石、蒙脫石均發(fā)育此類孔隙，其中以伊利石最優(yōu)，伊利石在掃描電鏡下呈彎曲的薄片狀、不規(guī)則板條狀，集合體呈蜂窩狀、絲縷狀等，伊利石的礦間孔是頁(yè)巖儲(chǔ)層的主要孔隙類型之一[20]。

(3)晶間孔。通過(guò)FIB-SEM鏡下觀察，五峰組-龍馬溪組泥頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)草莓狀黃鐵礦在基質(zhì)中廣泛分布。這些草莓狀集合體直徑2～5μm，由黃鐵礦晶粒組成，單個(gè)黃鐵礦晶粒在200nm左右，晶粒之間往往能提供一定數(shù)量納米級(jí)孔隙，或者由于晶粒脫落或者溶蝕，形成了孔隙(圖3G、圖3H、圖3I)。在五峰組及龍馬溪組下段硅質(zhì)頁(yè)巖樣品中黃鐵礦含量十分豐富，不僅以草莓狀存在于基質(zhì)中，還呈條帶狀分布在巖心樣品中。在龍馬溪組中上段，黃鐵礦含量急劇減少，可能于沉積相帶的演變有關(guān)，造成黃鐵礦晶間孔隙分布整體向上減少趨勢(shì)。另外，也觀察到少量的重結(jié)晶形成的晶間孔和自生石英形成的石英晶間孔，但相對(duì)較少。

(4)次生溶蝕孔。次生溶蝕孔隙主要是在中成巖階段，有機(jī)質(zhì)脫翔基作用產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)脫羧后產(chǎn)生的酸性物質(zhì)，對(duì)長(zhǎng)石及碳酸鹽等易溶礦物進(jìn)行溶蝕而產(chǎn)生的次生孔隙。這類孔隙可分為粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔。兩者由于溶蝕程度差異，造成孔徑大小不同，粒內(nèi)溶孔孔徑相對(duì)較小，主要分布在0.1～3μm；而粒間溶孔孔徑相對(duì)較大，主要分布在1～20μm之間(圖3J、圖3K、圖3L)。

3.1.2 裂縫

裂縫分類方案較多，依據(jù)裂縫寬度絕對(duì)值大小，可分為宏觀裂縫及微觀裂縫，能夠通過(guò)肉眼觀察到的裂縫稱為宏觀裂縫，主要包括構(gòu)造縫和層間頁(yè)理縫；需借用顯微鏡觀察的裂縫統(tǒng)稱為微觀裂縫，通過(guò)巖心觀察發(fā)現(xiàn)，跟宏觀裂縫相似，顯微裂縫發(fā)育，裂縫開(kāi)度多為微米級(jí)別。兩種類型裂縫均為頁(yè)巖氣提供了運(yùn)移通道及儲(chǔ)集空間。

(1)宏觀裂縫。根據(jù)鉆井巖心資料，五峰組-龍馬溪組宏觀裂縫較發(fā)育，主要為構(gòu)造裂縫和層間裂縫，以高角度構(gòu)造裂隙為主，少量低角度層間裂縫(圖4A、圖4B、圖4C)，局部巖心層段可見(jiàn)不同走向的高角度裂縫相切，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造裂縫大多被方解石充填，層間裂縫很多被條帶狀黃鐵礦充填[21]。

圖4 五峰組-龍馬溪組巖心宏觀裂縫(A、B、C)及顯微鏡下微裂縫(D、E、F)Figure 4 Wufeng Formation-Longmaxi Formation core macroscopic fissures (A、B、C) and microscopic fissures (D、E、F)

(2)微觀裂縫。通過(guò)對(duì)鉆井巖心樣品顯微薄片觀察，五峰組-龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖微裂縫較發(fā)育，微裂縫多呈明顯鋸齒狀，并且延伸較好，微裂縫常表現(xiàn)為黏土礦物裂開(kāi)縫、脆性礦物裂開(kāi)縫或黏土礦物與脆性礦物接觸縫，不同方向裂縫相互切割交叉，形成微觀裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。顯微裂縫多被石英、方解石或者白云石充填。(圖4D、圖4E、圖4F)。

3.3 物性特征

美國(guó)商業(yè)規(guī)模開(kāi)發(fā)的五大含氣頁(yè)巖系統(tǒng)以及焦石壩地區(qū)五峰-龍馬溪組頁(yè)巖含氣孔隙度在1%～5%(總孔隙度3%～14%)。氣測(cè)顯示或測(cè)試初期產(chǎn)量一搬以游離氣為主，吸附氣為輔，因此含氣頁(yè)巖的滲透率對(duì)頁(yè)巖氣層的識(shí)別和商業(yè)化開(kāi)采十分重要。研究區(qū)五峰組-龍馬溪組滲透率值分布在11E-6～0.328mD，平均為0.027 2mD，孔隙度分布在0.7%～4.23%，平均為2.29%，根據(jù)《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254-2014)頁(yè)巖氣層孔隙度和滲透率分類(表1)可知，研究區(qū)五峰組-龍馬溪組屬于低-特低孔特低滲儲(chǔ)層(表1)。

表1 頁(yè)巖氣層孔隙度和滲透率分類Table 1 Classification of shale gas reservoirporosity and permeability

3.4 礦物組成

全巖X-射線衍射定量分析表明，研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成以石英和黏土礦物為主，其次為方解石、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、和白云石。其中石英礦物含量主要分布在23%～68%，平均為36.9%；黏土含量主要分布在10%～31%，平均為19.9%；其次為方解石和斜長(zhǎng)石平均含量分別為19.7%和12.7%。其他礦物成分占比均小于10%(圖5)?？梢?jiàn)，研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖脆性礦物含量較高，有利于頁(yè)巖氣的壓裂開(kāi)發(fā)。

3.5 含氣性特征

(1)含氣性測(cè)試。研究區(qū)已完鉆的鉆井共采集了五峰組-龍馬溪組解吸樣43個(gè)，根據(jù)含氣量測(cè)試分析結(jié)果可知，樣品的空氣干燥基氣含量最高達(dá)3.12m3/t，且氣體組分以甲烷為主，反映了區(qū)內(nèi)五峰組-龍馬溪組具有良好的頁(yè)巖氣勘探潛力。從XX井的總含氣量與有機(jī)碳含量的關(guān)系圖中可以看出，該井總含氣量和有機(jī)碳含量具有一定的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到了0.949 9(圖6)。說(shuō)明頁(yè)巖中的有機(jī)碳含量是影響頁(yè)巖含氣性的重要控制因素。

(2)吸附特征。利用Langmuir等溫模型對(duì)五峰組-龍馬溪組泥頁(yè)巖樣品在地層溫度為30℃進(jìn)行了干樣測(cè)試，研究區(qū)五峰組-龍馬溪組泥頁(yè)巖巖心最大吸附量介于0.82～2.65m3/t，平均為1.46m3/t(圖7)，表明五峰組-龍馬溪組泥頁(yè)巖具有一定的吸附能力。

圖5 鳳岡一區(qū)五峰組-龍馬溪組礦物組成條形圖Figure 5 Fenggang block 1 Wufeng Formation-Longmaxi Formation mineral composition bar chart

圖6 XX井TOC與含氣性關(guān)系圖Figure 6 Relationship between TOC and gas-bearing property in well XX

圖7 五峰組-龍馬溪組泥頁(yè)巖樣品30℃等溫吸附曲線圖Figure 7 Wufeng Formation-Longmaxi Formation argillutite sample 30℃ isothermal adsorption curve

3.6 儲(chǔ)層厚度

與常規(guī)油氣一致，達(dá)到商業(yè)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)，頁(yè)巖有效厚度需要達(dá)到一定的界限范圍，從而保證有足夠的物質(zhì)供應(yīng)及充足的儲(chǔ)集空間。有效厚度愈大，有機(jī)質(zhì)總量頁(yè)愈大，天然氣生成量愈多，頁(yè)巖氣富集程度愈高。北美頁(yè)巖氣富集區(qū)內(nèi)有效厚度變化范圍較大，最小的為Fayetteville頁(yè)巖厚度為6m，而Marcellus頁(yè)巖厚度達(dá)304m，而其核心產(chǎn)區(qū)頁(yè)巖有效厚度均達(dá)30m以上。研究區(qū)內(nèi)鉆井揭示五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖段厚度144～183.5m，五峰組-龍馬溪組底部發(fā)育優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段，受沉積相帶控制，頁(yè)巖有效厚度為10～20m。

3.7 埋深

頁(yè)巖埋深也是頁(yè)巖氣藏規(guī)模開(kāi)發(fā)的主要控制因素之一，埋深愈大，地層溫壓條件愈高，有機(jī)質(zhì)成熟度過(guò)高，生氣能力有限，導(dǎo)致吸附氣含量不高，同時(shí)對(duì)開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)技術(shù)均會(huì)提出更高的要求；埋藏深度淺，有機(jī)質(zhì)處于生油窗，以濕氣為主，生氣量有限且溶于石油中，同時(shí)地層達(dá)不到應(yīng)有的微超壓狀態(tài)。埋藏深度選擇要在合適的范圍之內(nèi)，同時(shí)考慮頁(yè)巖氣藏的賦存條件和開(kāi)采成本。研究區(qū)五峰組-龍馬溪組底界埋深約為100～3 600m，厚度在95～200m之間變化。

3.8 儲(chǔ)層總體評(píng)價(jià)

中國(guó)頁(yè)巖氣勘探與北美相比，相對(duì)滯后，地質(zhì)條件與北美有共同性，也存在很多差異。因此，頁(yè)巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不能照搬北美頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[22]，從地化指標(biāo)、巖石礦物學(xué)特征、脆性特征、物性特征以及含氣性等方面，參照四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合盆外構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的自身特點(diǎn)，優(yōu)選了鳳岡一區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，列表如下：

表2 鳳岡一區(qū)五峰組-龍馬溪組儲(chǔ)層評(píng)價(jià)成果表Table 2 Fenggang block 1 Wufeng Formation-Longmaxi Formation reservoir evaluated results

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)五峰組-龍馬溪組底部巖性以富含有機(jī)質(zhì)黑色泥巖和炭質(zhì)頁(yè)巖為主，沉積環(huán)境以深水陸棚沉積為主，埋深約為100～3 600m，頁(yè)巖有效厚度15～20m。五峰組-龍馬溪組底部發(fā)育有優(yōu)質(zhì)泥頁(yè)巖(Ⅰ類有機(jī)質(zhì))，有機(jī)碳含量(TOC)在0.55%～9.24%之間，平均值2.63%，有機(jī)質(zhì)豐度高，具有良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Ro)分布在1.65%～2.23%，平均值1.94%，處于成熟-過(guò)成熟階段。

(2)五峰組-龍馬溪組孔隙類型主要有有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物間孔、晶間孔、次生溶蝕孔，并且裂縫較為發(fā)育，為頁(yè)巖氣的運(yùn)移和儲(chǔ)存提供了良好的條件。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明研究區(qū)五峰組-龍馬溪組屬于低-特低孔特低滲儲(chǔ)層，但其脆性礦物含量較高，整體上具有較好的可壓性，有利于壓裂改造。

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試及等溫吸附實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，研究區(qū)五峰組-龍馬溪組具有良好的含氣性。

依據(jù)頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析認(rèn)為，鳳岡一區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖有效厚度中等，有機(jī)碳含量較高，有機(jī)質(zhì)類型好，熱演化程度適中，脆性礦物含量較高，孔隙度較高，且含氣性較好，具有一定的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)潛力。