鄧恩德，顏智華,2，姜秉仁,2，王 冉

(1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴陽 550081；2.貴州省煤田地質(zhì)局，貴陽 550081；3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

頁巖氣是一種典型的非常規(guī)天然氣，自生自儲(chǔ)，以吸附態(tài)和游離態(tài)為主要賦存方式[1-3]。受沉積環(huán)境和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，我國發(fā)育了3種類型頁巖氣，即海相、陸相和海陸交互相頁巖氣。目前，海相頁巖氣在四川長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)、重慶涪陵、云南昭通等地區(qū)成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)開發(fā)[4-8]；陸相頁巖氣也獲得發(fā)現(xiàn)，在鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組數(shù)十口頁巖氣井獲得工業(yè)氣流[9]。相較于海相和陸相頁巖層系，海陸交互相泥頁巖差異性較大，泥頁巖表現(xiàn)為層數(shù)多、單層薄、累厚大的特點(diǎn)，且與砂、煤頻繁交替出現(xiàn)[10-14]，暫時(shí)未取得工業(yè)開發(fā)突破。黔西地區(qū)晚二疊世沉積了一套分布范圍廣的海陸交互相龍?zhí)督M，前期實(shí)施的研究工作揭示該地區(qū)有良好的頁巖氣顯示，但針對(duì)龍?zhí)督M海陸交互相頁巖儲(chǔ)層特征缺乏系統(tǒng)性的研究。本文選取該區(qū)龍?zhí)督M為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用薄片鑒定、有機(jī)地化、X-射線衍射分析、掃描電鏡、氮?dú)馕摳綄?shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)解吸及等溫吸附等實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，從泥頁巖的巖性組合、礦物組成、有機(jī)地化、微觀孔隙特征、含氣性等方面系統(tǒng)分析泥頁巖儲(chǔ)層特征，以期豐富龍?zhí)督M海陸交互相頁巖氣發(fā)育地質(zhì)理論，為研究區(qū)海陸交互相頁巖氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

黔西地區(qū)主體位于黔西南坳陷，構(gòu)造特征主要為NE、NW向褶皺和斷裂，褶皺類型以隔檔式褶皺為主，斷層以走向斷層為主[15]。研究區(qū)沉積了一套分布范圍廣的海陸交互相龍?zhí)督M含煤地層，沉積環(huán)境主要為潟湖相、潮坪相及三角洲相(圖1)[16-19]。在此海陸交互相環(huán)境下沉積的龍?zhí)督M地層厚度普遍較大(150～300 m)，巖性多樣，主要有泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及煤層，偶見細(xì)砂巖，夾菱鐵礦、黃鐵礦薄層；泥頁巖表現(xiàn)為層數(shù)多、單層薄、累厚大的特點(diǎn)，泥頁巖累計(jì)厚度約30～50 m，且可見泥頁巖與砂、煤頻繁交替出現(xiàn)；煤層層數(shù)較多，在開發(fā)頁巖氣的過程中可以兼顧考慮煤層氣。

2 樣品采集及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

由于野外露頭樣品風(fēng)化較為強(qiáng)烈，不能真實(shí)反映泥頁巖儲(chǔ)層特征，本次研究的測(cè)試分析樣品均采自黔西地區(qū)盤關(guān)向斜的HV-2井、JV-3井、YV-2井、YV-3井4口參數(shù)井巖心，樣品主要為灰黑色—黑色含碳頁巖、深灰色泥頁巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖。樣品測(cè)試項(xiàng)目主要包括現(xiàn)場(chǎng)解吸、薄片鑒定、全巖及黏土礦物X-射線衍射分析、有機(jī)碳含量(TOC)、干酪根顯微組分、鏡質(zhì)體反射率(Ro)、覆壓孔滲、掃描電鏡、氮?dú)馕摳綄?shí)驗(yàn)、等溫吸附等，所有測(cè)試是在中國石化華東油氣分公司和貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室完成的，測(cè)試結(jié)果見表1。

圖1 黔西地區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景及YV-2井巖性柱狀圖

表1 黔西地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖測(cè)試樣品基本情況

3 巖性組合及礦物組分

3.1 巖性組合特征

對(duì)黔西地區(qū)參數(shù)井的巖性組合特征分析發(fā)現(xiàn)，龍?zhí)督M巖性多樣，主要包括深灰色—灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、灰黑色泥頁巖、深灰色泥質(zhì)粉砂巖、灰色粉砂巖、淺灰色細(xì)砂巖和煤等，且各種巖性交替頻繁出現(xiàn)。其中JV-3井龍?zhí)督M地層總厚度為239.90 m，泥頁巖累計(jì)厚83.62 m，占總厚度的34.86%；粉砂質(zhì)泥巖累計(jì)厚36.79 m，占總厚度的15.34%。巖石學(xué)意義上的富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖可視為頁巖氣勘探開發(fā)意義上的巖性段，可以看出，龍?zhí)督M具備頁巖氣發(fā)育的良好條件。

鑄體薄片鑒定鏡下觀測(cè)結(jié)果顯示，樣品PG-1深灰色粉砂質(zhì)泥巖長(zhǎng)石蝕變強(qiáng)，部分綠泥石化；填隙物以泥質(zhì)為主，次為碳酸鹽礦物，見方解石、菱鐵礦(圖2a)，少量黃鐵礦；孔隙整體不發(fā)育，見少量粒間溶孔，見少量海綠石(圖2b)，疑似少量植物碎片，碳化。樣品PG-12深灰色粉砂質(zhì)泥巖長(zhǎng)石蝕變強(qiáng)，部分綠泥石化，角礫為硅質(zhì)(圖2c)；填隙物以黏土礦物為主，局部高嶺石富集，少量碳酸鹽礦物、黃鐵礦(圖2d)。

3.2 礦物組成

泥頁巖樣品礦物成分以黏土礦物和石英為主，其次為長(zhǎng)石、方解石、白云石、菱鐵礦和黃鐵礦(圖3a)。其中黏土礦物含量介于51.20%～68.98%，平均為59.29%，石英含量介于18.00%～37.59%，平均為27.02%，黏土礦物含量較高。黏土礦物成分主要為伊/蒙混層、高嶺石、綠泥石，及少量伊利石(圖3b)，伊/蒙間層礦物含量較高，反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境為貧氧的相對(duì)還原的環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存與富集，給烴類氣體的生成與富集提供了良好的環(huán)境。

礦物的脆性特征能夠反映頁巖儲(chǔ)層的可壓裂性，泥頁巖的礦物成分復(fù)雜多樣，石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石等礦物均為脆性礦物，因此脆性指數(shù)(BRIT)可參考以下公式進(jìn)行計(jì)算[20]：

式中：V石英、V長(zhǎng)石、V碳酸鹽礦物分別表示石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物的含量，V全部礦物表示全部礦物成分的含量之和。

研究區(qū)龍?zhí)督M巖心樣品脆性指數(shù)介于31.02%～48.45%之間，平均為40.86%，脆性指數(shù)偏低。由于礦物成分中黏土礦物含量偏高，加大了儲(chǔ)層后期開采壓裂的難度，需要結(jié)合有效儲(chǔ)層改造技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。

圖2 黔西地區(qū)龍?zhí)督M巖心樣品鑄體薄片鑒定

圖3 黔西地區(qū)龍?zhí)督M巖心樣品全巖及黏土礦物含量分布

4 有機(jī)地球化學(xué)特征

泥頁巖的有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)碳含量、鏡質(zhì)體反射率等有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)是確定泥頁巖生烴潛力的重要指標(biāo)。

研究區(qū)巖心樣品干酪根顯微組分鑒定測(cè)試結(jié)果顯示：腐泥組占2%～18%，平均為7.8%；殼質(zhì)組占5%～46%，平均為21.4%；鏡質(zhì)組占27%～89%，平均為63.3%；惰質(zhì)組占2%～15%，平均為7.5%，整體上表現(xiàn)為以鏡質(zhì)組為主，其次為殼質(zhì)組。結(jié)合干酪根類型判別標(biāo)準(zhǔn)，可知主要為Ⅲ型干酪根，以偏生氣為主。

國內(nèi)外頁巖氣勘探實(shí)踐表明[21-25]，頁巖的TOC越高，具有越強(qiáng)的生烴潛力。我國頁巖氣有利選區(qū)中，TOC大于2.0%是具備頁巖氣發(fā)育的地質(zhì)條件之一。相較于海相和陸相泥頁巖，龍?zhí)督M海陸交互相含煤泥頁巖有機(jī)質(zhì)存在較大的差異性，表現(xiàn)出典型的富碳貧氫特征，生烴潛力較弱，故TOC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不能使用海相和陸相泥頁巖的標(biāo)準(zhǔn)，主要參考煤系泥頁巖的烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[26]，即TOC大于6.00%為很好級(jí)，3.00%～6.00%為好級(jí)，1.50%～3.00%為中級(jí)，0.75%～1.50%為差級(jí)，小于0.75%為非烴源巖。研究區(qū)龍?zhí)督M巖心樣品TOC測(cè)試結(jié)果顯示(圖4)，有機(jī)質(zhì)豐度較高，TOC主體為大于3.0%，為好—很好級(jí)烴源巖。

圖4 黔西地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖樣品有機(jī)碳含量頻率分布

鏡質(zhì)體反射率(Ro)主要用來反映泥頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度，不同的成熟階段有機(jī)質(zhì)生成的烴含量和狀態(tài)有較大的差異。據(jù)不同類型有機(jī)質(zhì)生氣模式[27]，當(dāng)Ro達(dá)到0.5%時(shí)Ⅲ型干酪根直接進(jìn)入生氣階段。研究區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖樣品Ro為0.68%～1.28%，平均1.01%，為干酪根成熟階段，處于生氣高峰期。

5 儲(chǔ)集空間特征

5.1 孔隙度和滲透率

泥頁巖的微觀孔隙特別發(fā)育。主要從微觀孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙的分形特征等方面研究泥頁巖微觀孔隙特征。微觀孔隙的發(fā)育為烴類氣體的富集保存提供大量的空間，對(duì)泥頁巖儲(chǔ)層的后期壓裂改造也有著重要的影響[28-30]。研究區(qū)泥頁巖的特低滲特性以及納米級(jí)微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)揭示頁巖氣生烴機(jī)制和儲(chǔ)氣特征有著重要的理論和實(shí)踐意義。研究區(qū)泥頁巖孔隙度為0.53%～9.22%，平均為4.24%，主體上為超低孔，少量為特低孔；滲透率為(0.000238～0.011716)×10-3μ m2，平均為0.002 722×10-3μ m2，主體為超低滲，整體上表現(xiàn)為超低孔、超低滲儲(chǔ)層，有利于頁巖氣的賦存。

通過分析黔西地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖的孔隙度與TOC、黏土礦物含量、石英含量的相關(guān)性，研究有機(jī)質(zhì)和礦物成分對(duì)孔隙度的貢獻(xiàn)率?？紫抖扰cTOC無明顯的相關(guān)性(圖5a)，說明泥頁巖TOC含量的大小對(duì)孔隙度的影響不明顯；孔隙度與黏土礦物含量呈較低的正相關(guān)性(圖5b)，龍?zhí)督M礦物成分中表現(xiàn)出明顯的高黏土礦物含量，絮狀黏土礦物間會(huì)形成大量的孔隙，對(duì)孔隙度大小具有一定的貢獻(xiàn)；孔隙度與石英含量的大小相關(guān)性不明顯(圖5c)。整體而言，黔西地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖孔隙度與黏土礦物含量呈較低的正相關(guān)性，與TOC、石英含量無明顯相關(guān)性。

5.2 孔隙類型

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)頁巖儲(chǔ)層微觀孔隙類型進(jìn)行了研究，對(duì)孔隙類型的劃分及成因進(jìn)行了分析探討[28-32]，其中孔隙分類方案最具代表性的有SLATT和O′BRIEN六分法。本文在結(jié)合前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用氬離子拋光場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)泥頁巖樣品進(jìn)行微觀孔隙分析，將研究區(qū)微觀孔隙劃分為粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫4類(圖6)。

粒間孔一般發(fā)育在礦物顆粒與礦物顆粒接觸的位置，孔隙形狀多樣，主要有拉長(zhǎng)型和多角形[32]。此次掃描電鏡實(shí)驗(yàn)鏡下可觀察到大量的黏土礦物絮狀物的粒間孔、礦物顆粒與礦物顆粒之間的粒間孔、礦物顆粒與有機(jī)質(zhì)之間的粒間孔(圖6a-c)。粒內(nèi)孔一般形成于礦物顆粒內(nèi)部，孔隙形態(tài)多為不規(guī)則，成巖過程中礦物內(nèi)部的粒內(nèi)孔、草莓狀黃鐵礦晶體形成過程產(chǎn)生大量的晶間孔、礦物的溶蝕作用可以產(chǎn)生溶蝕孔，鏡下可觀察到草莓狀黃鐵礦晶間孔、溶蝕孔、礦物粒內(nèi)孔(圖6a,d,f)。在成巖過程、后期改造及有機(jī)質(zhì)生烴過程中可以形成微裂縫，鏡下可觀察到大量的微裂縫(圖6c,e,f)，豐富的微裂縫能夠?yàn)橛蜌獾倪\(yùn)移提供通道，有利于后期的改造。有機(jī)質(zhì)在生成烴類氣體的過程中會(huì)產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)氣泡孔，鏡下可觀察到少量的有機(jī)質(zhì)孔隙(圖6e)，這可能是由于龍?zhí)督M海陸交互相泥頁巖干酪根的成分主要為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，不利于形成有機(jī)質(zhì)孔[33]。

圖5 黔西地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖孔隙度與TOC及礦物成分的關(guān)系

圖6 黔西地區(qū)龍?zhí)督M巖心樣品微觀孔隙類型及特征

5.3 孔隙結(jié)構(gòu)

5.3.1 孔隙吸附—脫附等溫線

泥頁巖微觀孔隙特別發(fā)育，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，從納米級(jí)孔隙到微裂縫均有發(fā)育?？紫洞笮〉姆诸惙桨阜浅６?，筆者采用IUPAC(國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì))的孔隙大小劃分方案將孔隙分為3類[34]：孔隙直徑小于2 nm為微孔，2～50 nm為中孔，大于50 nm為大孔?？紫兜拇笮∨c孔隙的吸附機(jī)理具有較強(qiáng)的相關(guān)性，通過泥頁巖樣品低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)獲取吸附曲線和脫附曲線(圖7)。從圖7中可以看出，樣品吸附等溫線在形態(tài)上均呈反“S”型，各個(gè)樣品的形態(tài)有些許差別。根據(jù)IUPAC對(duì)標(biāo)準(zhǔn)吸附等溫線類型的劃分[34]，測(cè)試的樣品與Ⅳ型等溫線相近，反映微觀孔隙主要為中孔型。在低壓(0

0.5)時(shí)，等溫吸附曲線急劇上升，呈向下凹的形狀，吸附曲線和脫附曲線不重合，形成滯后回線，滯后回線能夠反映微觀孔隙的形狀。根據(jù)IUPAC對(duì)滯后回線標(biāo)準(zhǔn)類型的劃分[34]，測(cè)試樣品滯后回線主要為H2型(PG-2、PG-3、PG-9、PG-10)和H4型(PG-12、PG-13)。H2型滯后環(huán)寬大，孔隙主要為細(xì)頸廣體的墨水瓶型孔，微孔較為發(fā)育，充當(dāng)墨水瓶的“瓶頸”；H4型滯后環(huán)較為平緩狹長(zhǎng)，孔隙主要為狹縫型孔。

圖7 黔西地區(qū)龍?zhí)督M巖心樣品吸附—脫附曲線

5.3.2 泥頁巖孔徑分布

運(yùn)用BJH理論分析泥頁巖樣品的孔徑分布特征。從孔徑分布曲線圖(圖8)中可以看出，峰值主要集中3.5～5.0 nm之間，說明孔徑在該值范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率最大，微觀孔隙以中孔為主。泥頁巖的比表面積采用BET方程計(jì)算，總孔體積采用BJH法計(jì)算獲取，結(jié)果顯示，比表面積為9.366～32.691 m2/g，平均為19.69 m2/g；總孔體積為0.005 41～0.024 40 m3/g，平均為0.012 46 m3/g(表2)。龍?zhí)督M泥頁巖大量發(fā)育的納米級(jí)孔隙，能夠極大地增加比表面積，為頁巖氣的賦存提供大量的空間。

5.4 孔隙分形特征

泥頁巖孔隙的分形特征研究主要基于氣體吸脫附等溫線進(jìn)行計(jì)算的，方法多樣，主要有分形BET模型法、熱力學(xué)法和FHH(Frenkel-Halsey-Hill)分形理論數(shù)學(xué)模型法[35]。其中FHH計(jì)算簡(jiǎn)便、適用范圍廣，被廣泛地運(yùn)用于分形理論研究，F(xiàn)HH數(shù)學(xué)模型為：

圖8 黔西地區(qū)龍?zhí)督M巖心樣品孔徑分布

式中：D為分形維數(shù)；V為氣體吸附量，cm3/g；P0為吸附氣體的飽和蒸氣壓，MPa；P為系統(tǒng)平衡壓力，MPa；C為常數(shù)。龍?zhí)督M巖心樣品在相對(duì)壓力介于0.45～0.50時(shí)吸附等溫曲線和脫附等溫曲線明顯的不重合，出現(xiàn)滯后回線，因此以相對(duì)壓力0.50為分界點(diǎn)，分相對(duì)壓力較低(0

6 含氣特征

泥頁巖含氣性參數(shù)是判斷頁巖氣資源潛力最為重要的參數(shù)之一[36]，獲取含氣性參數(shù)的方法主要包括氣測(cè)錄井、現(xiàn)場(chǎng)解吸及等溫吸附。其中氣測(cè)錄井一定程度上能夠反映目的層段的含氣性能；現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)是測(cè)量泥頁巖含氣量最直觀的方法，通過模擬地層溫度條件來反映泥頁巖含氣量，總含氣量包括解吸、損失、殘余三部分[37]；等溫吸附實(shí)驗(yàn)主要是能夠反映烴源巖的吸附能力，飽和吸附氣量大小是一個(gè)最直觀的指標(biāo)。

對(duì)黔西地區(qū)參數(shù)井泥頁巖樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算解吸氣含量加回推損失氣量以及實(shí)驗(yàn)測(cè)得殘余氣量，結(jié)果顯示：HV-2井總含氣量為1.33～3.25 m3/t，平均為2.29 m3/t；JV-3井總含氣量為1.09～5.05 m3/t，平均2.67 m3/t；YV-2井總含氣量為0.89～4.26 m3/t，平均2.34 m3/t；YV-3井總含氣量為1.02～2.16 m3/t，平均1.36 m3/t。整體而言，研究區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖現(xiàn)場(chǎng)解吸總含氣量較高。同時(shí)龍?zhí)督M發(fā)育有多套煤層，煤層的解吸氣總含量為8.20～18.90 m3/t，平均16.15 m3/t，含氣量高，在后期進(jìn)行開采時(shí)可考慮進(jìn)行“三氣”(頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣)合采。

表2 黔西地區(qū)龍?zhí)督M巖心樣品孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖9 黔西地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖樣品分形曲線

表3 基于氮?dú)馕椒ǖ哪囗搸r微觀孔隙分形維數(shù)

對(duì)研究區(qū)7塊泥頁巖巖心樣品進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，通過LANGMUIR等溫吸附方程擬合計(jì)算可得頁巖的飽和吸附氣量，結(jié)果顯示，飽和吸附量為2.08～4.41 m3/t，平均3.15 m3/t(圖10)，表現(xiàn)出泥頁巖具有良好的吸附性能。

7 結(jié)論

(1)黔西地區(qū)龍?zhí)督M海陸交互相泥頁巖具有單層薄、層數(shù)多、累厚大，且與砂巖、煤頻繁交替出現(xiàn)的特點(diǎn)，礦物成分主要為黏土礦物和石英，黏土含量較高，平均為59.29%，黏土礦物成分主要為伊/蒙混層、高嶺石和綠泥石，反映為有利于有機(jī)質(zhì)保存的缺氧沉積環(huán)境。

圖10 黔西地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖樣品甲烷吸附曲線

(2)龍?zhí)督M泥頁巖總有機(jī)碳含量高，主體上TOC大于3.0%，為好—很好級(jí)烴源巖；干酪根顯微組分鑒定測(cè)試結(jié)果顯示整體上以鏡質(zhì)組為主，其次為殼質(zhì)組，有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅲ型，以偏生氣為主，Ro平均為1.01%，正處于干酪根生氣高峰階段。

(3)孔隙度和滲透率非常低，孔隙類型主要為粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫；氮吸附實(shí)驗(yàn)揭示微觀孔隙主要為細(xì)頸廣體的墨水瓶型孔和狹縫型孔，微觀孔隙孔徑集中在3.5～5.0 nm，以中孔為主，比表面積平均為19.69 m2/g，總孔體積平均為0.012 46 m3/g；孔隙分形維數(shù)大，相關(guān)系數(shù)高，D1平均為2.828 1，D2平均為2.746 3，反映出泥頁巖表面粗糙程度大，連通性差，非均質(zhì)性強(qiáng)。

(4)龍?zhí)督M泥頁巖整體上表現(xiàn)出較好的含氣性，現(xiàn)場(chǎng)解吸總含氣量為0.89～5.05 m3/t，達(dá)到工業(yè)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，具有較好的資源潛力；泥頁巖樣品飽和吸附量平均為3.25 m3/t，具有良好的吸附性能。同時(shí)與泥頁巖互層的煤層具較高的含氣量，可考慮進(jìn)行合層開采。