寧 凡，鄒妞妞，3，張大權(quán)，王甘露，牟雨亮

(1.貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué)地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064；4.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550004)

0 引 言

頁(yè)巖氣是一種極為重要的非常規(guī)清潔油氣資源，其常以吸附、游離等狀態(tài)賦存于低孔低滲的頁(yè)巖儲(chǔ)層中[1]。目前，美國(guó)、加拿大已在頁(yè)巖氣領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，2011年國(guó)土資源部組織開(kāi)展了中國(guó)41個(gè)盆地(或地區(qū))、87個(gè)評(píng)價(jià)單元、57個(gè)含氣頁(yè)巖層段的頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)，中國(guó)頁(yè)巖氣可采資源量為2.5×1014m3，主要有海相、海陸交互相、陸相3種類型。其中，南方海相地層是中國(guó)頁(yè)巖氣勘探的重要有利層位，并在四川盆地及鄰區(qū)完成了勘探部署。而與之毗鄰的黔北、黔東南地區(qū)近幾年也成為頁(yè)巖氣研究的熱點(diǎn)地區(qū)，發(fā)現(xiàn)7個(gè)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系(下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、變馬沖組，下志留統(tǒng)龍馬溪組、中泥盆統(tǒng)火烘組、下石炭統(tǒng)舊司組、下二疊統(tǒng)梁山組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M)[2]。其中，黔北地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量占整個(gè)貴州省地質(zhì)資源總量的39%(據(jù)地質(zhì)調(diào)查局，2014)。研究區(qū)永鳳1井位于黔北地區(qū)，地層中發(fā)育大量富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，具有良好的生烴潛力，但受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的多期次及沉積環(huán)境的影響，導(dǎo)致含氣頁(yè)巖的儲(chǔ)層特征比較復(fù)雜。通過(guò)巖心觀察、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡實(shí)驗(yàn)(FM-SEM)、地球化學(xué)測(cè)試等方法對(duì)頁(yè)巖特征進(jìn)行研究，分析頁(yè)巖分布、有機(jī)質(zhì)特征、儲(chǔ)層礦物組成與物性、頁(yè)巖含氣性以及脆性等，從而為貴州地區(qū)海相頁(yè)巖的勘探開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

黔北地區(qū)位于貴州省北部，揚(yáng)子板塊的西南端，永鳳1井地處黔北鳳岡頁(yè)巖氣區(qū)塊的湄潭縣馬山鎮(zhèn)，是揚(yáng)子地臺(tái)東北緣黔北隆起區(qū)鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區(qū)永安背斜東翼上的一口探井(直井)[3](圖1)。區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，褶皺為向斜閉合、背斜寬廣的隔槽式褶皺；斷層以擠壓性質(zhì)的逆斷層為主。研究區(qū)震旦系至二疊系經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，發(fā)生多次海侵，在多個(gè)層位形成富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁(yè)巖。

圖1 研究區(qū)概況

永鳳1井由上至下鉆遇地層分別為寒武系婁山關(guān)群、石冷水組、高臺(tái)組、清虛洞組、金頂山組、明心寺組、牛蹄塘組以及震旦系燈影組，鉆井深度為2 791 m。其中，牛蹄塘組鉆遇深度為2 614～2 742 m，厚度為128 m。儲(chǔ)層孔隙度與滲透率均較低，有效孔隙度為1.39%～2.13%、滲透率為0.000 0～0.003 5 mD，為超低孔非滲儲(chǔ)層。牛蹄塘組按巖性可分為上、下2段，上段巖性主要為灰黑色、黑色頁(yè)巖和泥巖，局部夾有灰黑色白云巖等，有機(jī)質(zhì)含量較高；下段巖性主要為灰黑色硅質(zhì)頁(yè)巖，有機(jī)質(zhì)含量較低(圖2)。

2 有機(jī)地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

永鳳1井總有機(jī)碳含量檢測(cè)結(jié)果表明(表1)：黑色頁(yè)巖中TOC為1.13%～7.91%，平均值為5.97%，美國(guó)產(chǎn)氣頁(yè)巖總有機(jī)碳含量下限為0.50%，因此，一般將其作為生成頁(yè)巖氣總有機(jī)碳含量的下限[4]，研究區(qū)內(nèi)黑色頁(yè)巖中TOC遠(yuǎn)大于該值，因此，屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖(圖2)。

由表1可知：腐泥組含量為40.0%～85.0%，殼質(zhì)組含量為15.0%～58.5%，惰性組與鏡質(zhì)組很少，其含量均小于1.0%，有些樣品中不含這2種顯微組分，腐泥組中絕大部分為瀝青質(zhì)體，而殼質(zhì)組則主要為藻類體及其碎屑。因此，顯微組分主要是腐泥組和殼質(zhì)組，生烴潛力較高。

2.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度的測(cè)定方法主要有鏡質(zhì)組反射率法、可溶有機(jī)質(zhì)參數(shù)法、巖石熱解峰溫法等[5]。由于研究區(qū)內(nèi)缺乏鏡質(zhì)組，故使用瀝青反射率來(lái)表征鏡質(zhì)組反射率，分析永鳳1井牛蹄塘組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度[6]：

Ro=0.3195+0.6790Rb

(1)

式中：Ro為鏡質(zhì)組反射率，%；Rb為瀝青反射率，%。

計(jì)算可知，Ro為1.76%～2.31%，平均為1.99%，整體處于高成熟階段。Ro為1.00%～3.00%時(shí)有利于頁(yè)巖氣的形成[7]。因此，永鳳1井牛蹄塘組頁(yè)巖具有良好的生氣條件。

圖2 永鳳1井牛蹄塘組單井綜合柱狀圖

表1 永鳳1井牛蹄塘組TOC及顯微組分含量

2.3 含氣性特征

頁(yè)巖的含氣性是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量的一個(gè)關(guān)鍵因素，同時(shí)也是衡量頁(yè)巖氣勘探區(qū)是否具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值的重要指標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)解吸是獲取含氣量最為直接的一種方法，該方法獲得頁(yè)巖的總含氣量為損失、解吸及殘余氣含量之和[7]。對(duì)永鳳1井牛蹄塘組11個(gè)頁(yè)巖樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸，結(jié)果顯示：頁(yè)巖氣含量為0.48～1.10 m3/t，平均含量為0.75 m3/t，在深度為2 684.90～2 699.52 m處達(dá)到最高，平均為0.99 m3/t。根據(jù)北美地區(qū)頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖含氣量下限為1.10 m3/t[8]。永鳳1井頁(yè)巖氣的含氣量接近頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的下限，具備一定的商業(yè)開(kāi)發(fā)前景。同時(shí)解吸結(jié)果顯示，永鳳1井頁(yè)巖氣中N2組分含量為81.00%～95.61%，平均含量為91.94%；CH4組分含量次之，為2.85%～18.81%，平均含量為7.82%；同時(shí)含有少量CO2組分，平均含量為0.24%。其中，烴類及CO2主要來(lái)源于有機(jī)質(zhì)裂解作用，是有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中高成熟階段的產(chǎn)物，但研究井目的層段過(guò)高的N2，其來(lái)源及富集因素目前認(rèn)為是研究區(qū)特殊的斷層及地質(zhì)構(gòu)造條件所形成的地?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)[9]。對(duì)其分布范圍以及是否可作為N2資源，還需深入探究。

3 頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

3.1 礦物組成

永鳳1井牛蹄塘組共取樣26件，全巖礦物X衍射定量分析結(jié)果表明，巖石礦物組成為：①長(zhǎng)英質(zhì)礦物。主要為石英和長(zhǎng)石(以斜長(zhǎng)石為主)，其中石英含量為5.9%～60.6%，平均為42.3%；長(zhǎng)石含量為0.0～33.8%，平均為15.7%。②碳酸鹽礦物。主要為方解石和白云石。其中，方解石占大多數(shù)，含量為1.2%～80.3%，平均為9.2%；白云石僅在個(gè)別樣品中存在，含量為1.0%～16.5%，平均為2.9%。碳酸鹽礦物含量隨井深增加逐漸減少，而由沉積作用形成的海相碳酸鹽礦物主要發(fā)育于溫暖、清潔、透光的淺海環(huán)境，證明永鳳1井牛蹄塘組巖石的沉積環(huán)境由深海陸棚逐漸向淺海陸棚相過(guò)渡。③黏土礦物。平均含量為20.5%，主要礦物為伊利石(It)和綠泥石(C)，其中，伊利石占總含量的66.8%，綠泥石占21.8%，高嶺石(K)、伊蒙間層礦物(I/S)及綠蒙間層礦物(C/S)含量較少，約占總含量的11.4%。④其他礦物。主要為黃鐵礦和菱鐵礦，黃鐵礦含量為0.6%～13.8%，平均為7.3%，而僅在個(gè)別樣品中發(fā)現(xiàn)有菱鐵礦的存在，含量為0.0～3.5%，平均為0.8%。這2種礦物一般形成于還原條件，表明研究區(qū)牛蹄塘組沉積期為相對(duì)還原的環(huán)境，在一定程度上促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的保存、聚集以及頁(yè)巖氣藏。

3.2 儲(chǔ)集空間特征

通過(guò)巖心和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：永鳳1井牛蹄塘組頁(yè)巖的孔隙類型主要有微裂隙、無(wú)機(jī)孔以及有機(jī)質(zhì)孔，孔徑以納米孔為主，孔隙直徑為0.1～350.0 nm(圖3)。

(1)微裂隙：主要包括原生裂隙和次生裂隙2種，原生裂隙為巖石中的層理裂隙，在頁(yè)巖樣品中普遍可見(jiàn)，規(guī)模大小不等，集中分布深度約為2 651～2 716 m，主體走向?yàn)楸北睎|—南南西向，以高阻裂縫為主(圖3a—c)；次生裂隙為構(gòu)造作用產(chǎn)生的構(gòu)造裂隙及黏土礦物失水收縮產(chǎn)生的網(wǎng)格狀裂隙(圖3c—d)。

(2)無(wú)機(jī)孔：主要包括晶間孔、粒間孔、粒內(nèi)孔以及晶內(nèi)孔。其中，黃鐵礦晶間孔，尤其是草莓狀黃鐵礦晶間孔較為發(fā)育(圖3e—f)，晶間孔主要發(fā)育于脆性礦物中，其發(fā)育程度與脆性礦物的含量呈正相關(guān)，即儲(chǔ)層中脆性礦物的含量增大，其孔隙度也逐漸升高；其次為黏土礦物內(nèi)微孔隙比較發(fā)育(圖3g—h)；而晶內(nèi)孔主要指的是石英、長(zhǎng)石以及其他礦物晶體內(nèi)的孔隙，鏡下觀察石英顆粒內(nèi)微孔隙較為發(fā)育，但其孔隙直徑很小，往往為幾納米左右(圖3g—i)。

(3)有機(jī)質(zhì)孔：指發(fā)育在有頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的微小孔隙，包括有機(jī)質(zhì)本身的孔隙及在生烴過(guò)程中形成的孔隙[10]。永鳳1井牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)孔大量發(fā)育，一般以有機(jī)質(zhì)內(nèi)大量蜂窩狀的孔隙形式出現(xiàn)(圖3e、d、i)，其孔隙直徑大小不一，此外還有少量有機(jī)質(zhì)層間孔。

4 巖石脆性分析

根據(jù)前人資料，在研究井段選用石英、黃鐵礦、方解石、白云石4種礦物作為研究區(qū)的脆性礦物組合[11]，并通過(guò)礦物組分分析法及巖石力學(xué)參數(shù)法來(lái)計(jì)算儲(chǔ)層的脆性指數(shù)。

圖3 永鳳1井牛蹄塘組巖心手標(biāo)本及FE-SEM圖

(1)礦物組分分析法。該方法認(rèn)為巖石的脆性隨其所含的脆性礦物含量的增加而變大。因此，將巖石的脆性指數(shù)用脆性礦物含量與總礦物含量的比值來(lái)表示[12]：

(2)

式中：B1為巖石脆性指數(shù)，%；Wtotal為總礦物含量，%；Wbrit為脆性礦物含量，%。

根據(jù)巖石中的礦物組成，脆性礦物含量為61.7%，由式(2)計(jì)算出巖石的脆性指數(shù)B1，結(jié)果為61.7%。

(2)巖石力學(xué)參數(shù)法。該方法目前是對(duì)非常規(guī)油氣資源儲(chǔ)層進(jìn)行脆性評(píng)價(jià)應(yīng)用最廣泛、最方便的手段之一。Rickman等[12]通過(guò)引入統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，回歸得到適用于北美FORT-WORTH盆地頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性指數(shù)，該文引用相同的方法，擬求得永鳳1井牛蹄塘組頁(yè)巖的脆性指數(shù)。

(3)

(4)

(5)

通過(guò)巖石單軸抗壓強(qiáng)度及變形參數(shù)檢測(cè)結(jié)果(表2)可得該井中巖石變形后的彈性模量與泊松比，帶入公式得巖石的脆性指數(shù)(B2)約為61.5%。

通過(guò)礦物組成分析法和巖石力學(xué)參數(shù)分析法可知研究井段巖石的脆性指數(shù)大于60.0%，同時(shí)頁(yè)巖樣品中脆性礦物的含量大多超過(guò)50.0%，因此，永鳳1井牛蹄塘組頁(yè)巖具有較好的脆性和可壓裂性，有利于頁(yè)巖氣后期的壓裂改造。

綜上研究可知，永鳳1井牛蹄塘組主要發(fā)育黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，產(chǎn)狀穩(wěn)定，厚度較大，其中，黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度為112 m左右；頁(yè)巖的有機(jī)地球化學(xué)條件優(yōu)越，具有良好的生烴潛力及生氣條件；頁(yè)巖中發(fā)育大量的納米級(jí)微裂隙和微孔隙，為頁(yè)巖氣提供良好的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道；并且頁(yè)巖中富含脆性礦物，有利于頁(yè)巖氣的壓裂開(kāi)采。此外，頁(yè)巖氣的含氣量接近商業(yè)開(kāi)發(fā)的下限，也具備一定的商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值。

可見(jiàn)，永鳳1井牛蹄塘組的頁(yè)巖具有良好的頁(yè)巖氣成藏條件、較好的頁(yè)巖氣資源潛力和有利的后期壓裂改造開(kāi)發(fā)前景[13-22]。綜合分析永鳳1井牛蹄塘組頁(yè)巖的埋深、厚度、有機(jī)質(zhì)特征、儲(chǔ)層性質(zhì)、含氣性以及脆性等地質(zhì)條件，說(shuō)明永鳳1井具有頁(yè)巖氣勘探和開(kāi)發(fā)的良好地質(zhì)條件，同時(shí)該井也初步揭示了黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖具有較好的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)前景。

表2 研究井段巖石單軸抗壓強(qiáng)度及變形參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)永鳳1井牛蹄塘組巖層平均厚度約為128 m，按照巖性不同將該組分為2段，上段巖性主要為富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖(TOC平均值為5.97%)，偶夾灰黑色鈣質(zhì)頁(yè)巖；下段巖性主要為灰黑色硅質(zhì)頁(yè)巖，偶夾灰黑色白云巖。

(2)永鳳1井牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙類型主要為微裂隙、有機(jī)質(zhì)孔、無(wú)機(jī)質(zhì)孔(包括黃鐵礦晶間孔、黏土礦物內(nèi)孔隙及晶內(nèi)孔)。

(3)永鳳1井牛蹄塘組頁(yè)巖產(chǎn)狀穩(wěn)定，厚度較大，沉積環(huán)境穩(wěn)定，烴源巖品質(zhì)與有機(jī)質(zhì)成熟度均較高，且脆性礦物含量高，具備頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的基本要求。