張曼婷，付 煒，姜秉仁，高 為，鄧恩德

(1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081；2.長江大學 油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100； 3.貴州省煤田地質局，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

貴州省是我國南方主要的煤炭資源產地，上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M是貴州省的主要含煤地層[1]，其中黔北煤田是貴州省主要煤炭產地之一，龍?zhí)督M分布廣泛，大量的富有機質泥頁巖發(fā)育于該地層中[2]，多年的煤炭與煤層氣勘探工作證實龍?zhí)睹合的囗搸r具有較好的含氣顯示，是貴州省主要天然氣氣源巖與儲層之一[3]。根據(jù)2013年貴州省自然資源廳《貴州省頁巖氣資源調查評價》結果，貴州省頁巖氣地質資源量在全國列第4位，達到9.22 萬億 m3，發(fā)育多套厚度大、分布范圍廣的含氣頁巖層系，其中上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M地質資源量達到1.73 萬億 m3，占貴州省頁巖氣總量的19%。目前上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣已經成為貴州天然氣勘探的重要接替領域[4-5]。另據(jù)《貴州省頁巖氣資源調查評價》的子項目《黔西北地區(qū)頁巖氣資源調查評價》結果，黔西北期望75%頁巖氣地質資源量達到0.84 萬億 m3，其中黔北煤田的核心區(qū)域金沙-大方-黔西地區(qū)為黔西北地區(qū)上二疊統(tǒng)頁巖氣聚集發(fā)育的有利區(qū)，具有巨大的頁巖氣地質資源量。

盡管貴州省龍?zhí)督M經歷了多期構造運動的改造破壞，是天然氣成藏的不利因素[6-7]，但頁巖氣的吸附富集特征使得其具有較強的抗構造破壞能力[8-9]。且目前受高度構造破壞的美國東部盆地古生界地層現(xiàn)已成功實現(xiàn)了頁巖氣商業(yè)化開發(fā)，也直接證實了構造復雜地區(qū)頁巖氣大規(guī)模開發(fā)的可行性。因此對于頁巖氣這種自生自儲的非常規(guī)天然氣資源，其儲層特征是當前階段最為重要的頁巖氣富集主控因素之一[10-11]。

為此，以黔北煤田上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為研究對象，采集黔北煤田JC-1井巖心樣品，對其富有機質泥頁巖儲層地質特征進行分析，并分析頁巖氣勘探潛力，為后續(xù)頁巖氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黔北煤田位于貴州省西北部，屬上揚子板塊下的川中前陸盆地和揚子板塊南部被動邊緣褶沖帶，主要包括四級構造單元畢節(jié)弧形構造區(qū)以及織金寬緩褶皺區(qū)的北部[1]。黔北煤田龍?zhí)督M是在茅口組濱海相碳酸鹽巖地層之上發(fā)展起來的[3]，由西向東順次發(fā)育三角洲平原、潟湖-潮坪、碳酸鹽臺地(圖1)，平面上依次體現(xiàn)陸相-海陸過渡相-海相的沉積特點。

圖1 黔北煤田龍?zhí)督M沉積相Fig.1 Sedimentary facies map of Longtan Formation in Qianbei Coalfield

2 樣品測試

2.1 樣品采集

所測試樣品均采集自黔北煤田JC-1井上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M巖心，該井為2016年鉆探的一口煤系氣參數(shù)井，位于黔西北畢節(jié)市金沙縣以西約10 km的林華井田，開孔于三疊系茅草鋪組，鉆遇夜郎組、長興組，鉆穿二疊系龍?zhí)督M完鉆。該井揭示的龍?zhí)督M厚度130.2 m，巖性以泥質粉砂巖、泥巖、煤為主，含少量砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r與鋁土質泥巖。JC-1井進行了全井段取心與全井段常規(guī)測井，共采集樣品200多個。通過對該井富有機質泥頁巖主要儲層地質特征進行分析，進而分析其頁巖氣勘探潛力(圖2)。

2.2 測試儀器與測試方法

X射線衍射試驗依據(jù)行業(yè)標準《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T5163—2010)進行測試，測試儀器采用Xpert powder測試儀；總有機碳含量測試依據(jù)國標《沉積巖中總有機碳的測定》(GB/T 19145—2003)，測試儀器為CS230型碳硫分析儀；有機質成熟度測試依據(jù)《沉積巖中鏡質體反射率測定方法》SY/T 5124—2012，測試儀器為Scope.A1型顯微光度計；掃描電鏡試驗依據(jù)《微米級長度的掃描電鏡測量方法通則》(GB/T 16594—2008)和《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》(SY/T 5162—1997)，觀測儀器為Tescan/OXFORD儀器；巖石力學測試依據(jù)《煤和巖石物理力學性質測定方法》(GB/T 23561—2009)，測試儀器為RTR-1000型力學測試系統(tǒng)。

3 JC-1井富有機質泥頁巖儲層特征

3.1 礦物組成

頁巖的全巖礦物組分對頁巖氣儲層優(yōu)劣的影響主要體現(xiàn)在頁巖的可壓裂性上。頁巖氣儲層低孔低滲的特點決定了其需要經過壓裂改造并形成有效的人工裂縫才可以實現(xiàn)高效開采。脆性礦物含量越高的頁巖，儲層改造難度越低，越易獲得高產氣流。

根據(jù)該井59個泥頁巖樣品X射線衍射試驗結果，龍?zhí)督M泥頁巖礦物成分含量變化較大(圖3)，總體以黏土礦物和石英為主，黏土礦物含量介于7.81%～77.78%，平均為44.20%；石英質量分數(shù)介于0～58.2%，平均為21.65%；再其次為黃鐵礦，質量分數(shù)介于0～38.4%，平均為10.33%；此外還含有一定量的菱鐵礦(平均含量3.6%)、白云石(平均含量4.9%)以及少量的長石(平均含量5.8%)和方解石(平均4.9%)。其中石英、長石、碳酸鹽礦物為脆性礦物[12]，各脆性礦物含量合計5.96%～87.27%，平均為42.50%，顯示巖石脆性較好[13]，適宜進行儲層改造。

圖3 JC-1井龍?zhí)督M泥頁巖樣品礦物成分Fig.3 Mineral composition of shale samples of Longtan Formation from well JC-1

3.2 有機地球化學特征

3.2.1 有機質類型

有機質類型可以體現(xiàn)富有機質泥頁巖中干酪根的物質起源，不同類型有機質對應著的不同的生烴能力與不同的生油氣窗口的門限值，有機質類型是評價烴源巖資源潛力的一項重要參數(shù)。

本次有機質類型劃分采用干酪根類型指數(shù)法。類型指數(shù)法是通過觀察干酪根鏡檢照片并統(tǒng)計各顯微組分之間的比例來判斷干酪根類型。通過對JC-1井27件樣品的干酪根顯微組分進行觀察統(tǒng)計，樣品干酪根類型指數(shù)在-78～-38，根據(jù)干酪根類型判別標準[5]，所有受測試樣品的有機質類型均屬于Ⅲ型，Ⅲ型干酪根以生氣為主[14]，干酪根類型有利于頁巖氣的生成。

3.2.2 有機質成熟度

有機質的成熟度決定了有機質中干酪根能否有效成烴以及其產物為何種烴類。有機質成熟度達到一定閾值才會開始大量生烴，在一定的成熟度區(qū)間內，頁巖有機質成熟度越高越有利于烴類生成[15]。

受測試有機質成熟度樣品共29件，測試結果統(tǒng)計分析顯示，有96%的樣品Ro落在2.0%～3.0%內(圖4)。根據(jù)中國南方黑色頁巖成熟階段劃分標準，Ro值在1.3%～2.0%的有機質成熟階段為高成熟期，成烴階段為生凝析油-濕氣階段；Ro值在2.0%～3.0%的有機質成熟階段為過成熟早期，成烴階段為生干氣階段。據(jù)此96%的樣品處于過成熟早期生干氣階段，剩余4%處于高成熟生濕氣階段。JC-1井龍?zhí)督M泥頁巖有機質成熟度顯示其處于產氣階段。

圖4 JC-1井Ro頻率分布Fig.4 Histogram of frequency of Ro

3.2.3 有機質豐度

有機質豐度是烴源巖評價的重要指標，其高低反映了烴源巖生烴母質的豐富程度。可以評價有機質豐度的參數(shù)一般有總有機碳含量(TOC)和地球化學豐度指標(如氯仿瀝青A和巖石熱解生烴潛量等)[16-17]。其中總有機碳含量是最基本的有機質豐度評價參數(shù)，同時由于受測試樣品熱演化程度顯示顯示96%已達到到過成熟早期階段，因此樣品中可溶的或者可熱解的有機質幾乎已經排出殆盡，故而地球化學豐度指標已經無法對有機質豐度進行有效評價[17]，因此本次僅以總有機碳含量評價有機質豐度。共37件泥頁巖樣品的總有機碳測試結果(圖2)顯示：JC-1井總有機碳含量位于0.56%～9.58%，平均3.97%，有36%的樣品有機碳含量大于5.0%(圖5)。參照斯倫貝謝公司頁巖氣藏有機碳含量評級標準，TOC值在2.0%～4.0%的烴源巖質量為好，TOC值在4.0%～12.0%的烴源巖質量為很好，JC-1井泥頁巖為好-很好級烴源巖。

圖5 JC-1井TOC頻率分布Fig.5 Histogram of frequency of TOC

3.3 微觀孔隙特征

目前不同學者對于微觀孔隙有著不同的分類方案，目前受認可比較廣泛的分類有2種。一種是SLATT等[18]基于對Barnett 和Woodford 頁巖的研究，將微觀孔隙分為有機孔隙、微裂縫、黏土粒間孔、糞球粒內孔、碎屑內孔隙和顆粒內孔隙；另一種為LOUCKS[19]將頁巖基質孔隙定義為粒間孔、粒內孔、有機質孔3類。

通過在SEM場發(fā)射掃描電鏡下對JC-1井龍?zhí)督M泥頁巖樣品進行觀察，認為LOUCKS分類對研究區(qū)海陸交互相頁巖微觀孔隙較為適用。JC-1井龍?zhí)督M泥頁巖中微觀孔隙類型主要包括粒內孔、粒間孔、有機質孔和微裂縫，其中粒間孔與粒內孔是受觀察樣品最主要的孔隙類型，同時還發(fā)育有一定量的微裂縫，有機質孔發(fā)育較少。整體而言，雖然有機質孔不甚發(fā)育，但較為發(fā)育的粒內孔、粒間孔和微裂縫可以為頁巖氣提供足夠的儲集空間。

1)粒間孔是礦物顆粒堆積時由顆粒相互支撐形成的孔隙，幾何形態(tài)常呈拉長型和多角型。粒間孔主要是在黏土礦物、有機質等韌性礦物和石英、長石、黃鐵礦等脆性礦物的礦物顆粒接觸處形成[7]。在掃描電鏡下，可以觀察到礦物顆粒接觸處粒間孔及伊/蒙間層礦物聚合體中的粒間孔。是本次試驗觀測到比較發(fā)育的孔隙類型之一(圖6a—圖6c)。

圖6 JC-1井龍?zhí)督M泥頁巖樣品掃描電鏡Fig.6 SEM images of shale sample of Longtan Formation from well JC-1

2)粒內孔是礦物顆粒內部形成的孔隙類型，常呈不規(guī)則的幾何形態(tài)。在成巖演化過程中，黏土礦物中的蒙脫石向伊利石轉化過程中可形成大量的粒內孔。不穩(wěn)定礦物如長石與碳酸鹽巖礦物在在埋藏較深的情況下，也可在溶蝕作用下生成溶蝕粒內孔[20]。JC-1井龍?zhí)督M泥頁巖中黏土礦物粒內孔是本次試驗觀測到比較發(fā)育的孔隙類型之一(圖6d)。

3)有機質孔是生烴有機質在生烴后由于膨脹在有機質內形成的氣泡孔。通過對掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，相比于有機質孔特別發(fā)育的海相泥頁巖，JC-1井泥頁巖樣品僅可見到少量的有機質孔隙。這是由于樣品干酪根類型全部為Ⅲ型，顯微組分以鏡質組和惰質組為主，其結構較為穩(wěn)定，不易產生氣泡結構[21](圖6c—圖6d)。

4)微裂縫是礦物在成巖過程中或有機質在生烴過程中形成的，通過掃描電鏡觀察，可以觀察到樣品有一定量的微裂縫發(fā)育，主要是礦物之間的裂縫和有機質收縮縫(圖6e—圖6f)。

3.4 泥頁巖厚度

泥頁巖厚度與體積也是頁巖氣儲層評價的重要參考因素[22-23]。在其他儲層地質條件相同的情況下，厚度更大、體積更大的泥頁巖儲層顯然具有更大的生氣總量與儲集能力。同時對于頁巖氣儲層，除了總厚度以外，有效頁巖連續(xù)厚度也是重要的評價參數(shù)。根據(jù)《頁巖氣地質評價方法》(GB/T 31483—2015)所給定的中國陸上頁巖氣有利層段/區(qū)確定條件與下限標準，中國過渡相-湖沼相煤系頁巖氣有利層段有效頁巖連續(xù)厚度應大于15 m。

根據(jù)JC-1井巖心編錄結果，泥頁巖、泥質粉砂巖與煤三者累計厚度達到龍?zhí)督M總厚度的84.58%(圖7)。其中總厚度最大的為泥頁巖，總厚達到48.03 m，占龍?zhí)督M總厚度的36.89%；厚度僅次于泥頁巖的是泥質粉砂巖，總厚度達到45.58 m，占龍?zhí)督M總厚度的35.01%；煤層總厚度16.51 m，占龍?zhí)督M總厚度的12.68%。JC-1井泥頁巖的有效連續(xù)厚度整體而言較薄，這主要是因為研究區(qū)龍?zhí)督M形成于沉積環(huán)境波動較大、變化頻繁的海陸過渡相環(huán)境。在這種環(huán)境下形成了泥頁巖、薄層細粒砂巖與煤巖頻繁互層的沉積特征。根據(jù)統(tǒng)計，JC-1井有效頁巖連續(xù)厚度大于15 m的有效連續(xù)厚度有利層段有2個(圖2)，分別是683.71～702.32 m和764.65～783.82 m兩個層段，其有效連續(xù)厚度分別為18.61 m與19.17 m，巖性為富有機質泥頁巖夾少量薄煤層與薄層粉砂巖。

圖7 JC-1井龍?zhí)督M巖性頻率分布Fig.7 Histogram of frequency of lithology

4 頁巖氣勘探潛力評價

頁巖氣勘探開發(fā)經過多年的發(fā)展，國內外已有多個成功對頁巖氣進行商業(yè)開發(fā)的區(qū)塊與層位，將JC-1井龍?zhí)督M頁巖氣儲層的各項參數(shù)指標與其相對比(表2)，可以看出黔北煤田龍?zhí)督M頁巖氣儲層具有以下特點：①干酪根類型有利于生氣，熱演化程度適宜，有機質豐度較高，具有良好的生氣能力；②孔隙類型多樣，具有足夠的頁巖氣儲集能力；③脆性礦物含量較高，與北美產氣頁巖相當，適宜進行儲層改造；④泥頁巖厚度與圣胡安盆地Lewis頁巖厚度接近，而Lewis頁巖厚度是美國五個頁巖氣系統(tǒng)中最厚的[22]，因此認為研究區(qū)具有較為有利的泥頁巖厚度，且根據(jù)前文所述具有2個有效頁巖連續(xù)厚度大于15 m的連續(xù)厚度有利層段。

表2 頁巖氣儲層參數(shù)對比Table 2 Comparison of shale gas reservoir parameters

綜合對比認為，黔北煤田龍?zhí)督M富有機質泥頁巖具有良好的生氣能力、良好的儲集能力與良好的可壓裂性，泥頁巖累計厚度與有效連續(xù)厚度較大，因此具有有良好的頁巖氣勘探潛力。

5 結 論

1)研究區(qū)龍?zhí)督M巖性以泥巖、泥質粉砂巖、煤為主，含少量砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r與鋁土質泥巖。泥頁巖礦物成分含量變化較大，以黏土礦物和石英為主，脆性礦物含量合計5.96%～87.27%，平均43.78%，巖石脆性較高，適宜進行儲層改造。

2)樣品有機質類型為Ⅲ型，有利于頁巖氣生成，總有機碳含量平均3.97%，有36%的樣品有機碳含量大于5.00%；有96%的樣品Ro落在2.00%～3.00%內。地球化學參數(shù)顯示泥頁巖樣品具有有利的有機質類型、適宜的熱演化程度和較高的有機碳含量，生氣能力好。

3)具有粒間孔、粒內孔、微觀裂縫等豐富多樣的微觀孔隙，為頁巖氣提供了良好的儲集空間。

4)泥頁巖總厚達到48.03 m，占龍?zhí)督M總厚度的36.89%，具有兩個有效頁巖連續(xù)厚度大于15 m的層段，頁巖累計厚度與有效連續(xù)厚度較大。

5)黔北煤田龍?zhí)睹合蹈挥袡C質泥頁同時具備良好的生氣條件、良好的儲集條件與良好的可壓裂性，富有機質泥頁巖累計厚度與有效連續(xù)厚度較大，具有有良好的頁巖氣勘探潛力。