聶永生，冷濟高，韓建輝，孫 利，沈貴春

(1.成都理工大學沉積地質(zhì)研究院，四川成都610059;2.中國國儲能源化工集團股份公司，北京100107;3.成都理工大學能源學院，四川成都610059;4.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海西寧810007)

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣逐漸走入人們的視野。特別是受美國頁巖氣成功開發(fā)的影響，近年來，我國來也開始將頁巖氣列為勘探開發(fā)范疇，并且已啟動了兩輪頁巖氣礦權招標。目前雖處于探索實踐階段，但對于25×1012m3的頁巖氣可采資源量，學者專家們?nèi)匀怀錆M期待［1－6］。

圖1 黔東南地區(qū)岑鞏頁巖氣區(qū)塊地理位置Fig.1 Location of Cen’gong shale gas block in southeastern Guizhou Province

上揚子及滇黔桂區(qū)是我國主要的頁巖氣分布區(qū)之一，其中岑鞏－松桃頁巖氣區(qū)塊是我國2011—2015年頁巖氣發(fā)展規(guī)劃中19個富集勘探開發(fā)區(qū)之一，其頁巖氣可采資源量超過 600 ×108m3［7－10］。岑鞏頁巖氣區(qū)塊的主要目的層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，下志留統(tǒng)龍馬溪組在本區(qū)缺失。前人對于黔北(包括周緣的川東南、湘西北等地區(qū))牛蹄塘組頁巖氣儲層特征、沉積特征、地球化學特征及成藏條件等方面進行了較這詳細的論述［11－15］。隨著龍馬溪組勘探的相繼突破(寧201－H1井、威201－H1井、陽101－H2井等)，而牛蹄塘組頁巖氣勘探成果則乏善可陳，有學者對牛蹄塘組頁巖氣的勘探前景提出的質(zhì)疑，概括起來主要兩點:①牛蹄塘組層位較老，而美國最早頁巖氣產(chǎn)層為晚泥盆世;②有機質(zhì)成熟度過高，Ro普遍超過2.5%，資源量潛力有限。本文針對岑鞏區(qū)塊牛蹄塘組頁巖氣成藏條件，結合前期失利井分析，對比美國主要頁巖氣成藏地質(zhì)特征，以期闡明岑鞏頁巖氣富集區(qū)的勘探潛力。

1 地質(zhì)概況

岑鞏頁巖氣區(qū)塊位于貴州省東部，黔東南州東北隅，北起銅仁碧江區(qū)的官和、民和、大坪，南至玉屏的大龍鎮(zhèn)、洪家灣，西起岑鞏縣的凱本、天馬鎮(zhèn)，東至大坪的川硐、朱家場的蔡溪(圖1)。屬揚子區(qū)與江南區(qū)的過渡地區(qū)。從沉積環(huán)境上看，下寒武紀時期為江南頁巖盆地的臺地邊緣斜坡深水陸棚沉積，區(qū)塊由南東向北西水體逐漸變淺［16－17］。

區(qū)塊位于貴陽復雜構造變形區(qū)。整體上看，該區(qū)褶皺、斷裂構造非常發(fā)育，主要為北東向或北北東向展布，南北向、東西向和北西向褶皺、斷裂也有發(fā)育［18－19］。出露地層有南華系、南沱組、震旦系、寒武系的牛蹄塘組、九門沖組、變馬沖組、杷榔組、清虛洞組、高臺組、婁山關群及下奧陶統(tǒng)的部分地層和第四系(圖2)。

圖2 岑鞏區(qū)塊地層綜合柱狀圖Fig.2 Columnar section of Cen’gong block

目前關于下寒武統(tǒng)的劃分方案較多，其中牛蹄塘組在川西對應九老洞組，滇東對應為筇竹寺組，揚子與江南過渡帶稱為九門沖組(其中包括明心寺組下部)，這里牛蹄塘組是指筇竹寺組(九門沖組、九老洞組)中下部，下伏老堡組，上覆九門沖組，其中九門沖組特指灰?guī)r層段。

2 牛蹄塘組地質(zhì)特征

2.1 分布特征

從平面上看，牛蹄塘組總體厚度呈現(xiàn)環(huán)狀分布。其中在四川盆地的西北斜坡帶上，厚度大部分超過150 m;在湘鄂西褶皺帶上，最大厚度處超過500 m;彭水—黔江—鶴峰—五峰區(qū)域以及酉陽—桑植區(qū)域厚度普遍大于200 m。另外，在川南的瀘州、威信及黔中一帶，牛蹄塘組厚度也超過100 m。但在湄潭、遵義以北、習水以東及洪江—劍河—三都一線南部，牛蹄塘組厚度普遍小于 50 m［20－21］。

地層對比研究表明，在招標區(qū)塊周邊開陽、甕安、余慶、麻江、及石阡一帶，牛蹄塘組厚度一般可達40～160 m。其中甕安、玉華等地層厚度最薄，約40 m，代表了黔中古隆起的水下地形高部位。地層厚度由該地區(qū)向周緣顯著增大，如麻江基東159 m，金沙鉆孔113 m，開陽茅坡133 m。但在三都、劍河、銅仁一線東側(cè)，雪峰山隆起西緣，地層厚度急劇減薄，洪江一帶完全剝蝕。

縱向上看，牛蹄塘組沉積穩(wěn)定，標志層九門沖組巖性主要為灰黑色鈣質(zhì)泥巖、下伏震旦系燈影組為硅質(zhì)粉砂巖，富有機質(zhì)層段主要集中在牛蹄塘組下部，由粉砂質(zhì)碳質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)含碳頁巖及碳質(zhì)頁巖組成，厚度可達60～100 m。

2.2 礦物組成

區(qū)塊及周緣地區(qū)露頭、鉆孔的巖樣分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，牛蹄塘組石英、長石等碎屑礦物含量為46% ～78%，平均為62%;自生脆性礦物含量為0～8.8%，平均為4.4%(其中黃鐵礦平均約占5.3%);粘土礦物含量為17% ～47%，平均為38%(圖3)，其中粘土礦物主要以伊利石為主，含量超過95%，其他見少量綠泥石和高嶺土(圖4)。

從周邊的固體礦產(chǎn)井 ZK211，ZK605，ZK807及ZK408井連續(xù)采樣分析結果看，牛蹄塘組碎屑礦物含量為65.9%，粘土礦物為19.7%，自生脆性礦物為14.4%，與宏觀觀察結果比較接近。差異可能主要是由于鉆孔數(shù)據(jù)巖礦組成分布相對集中，而地表樣品采樣則相對分散，以及地表樣品也受一定的表生風化影響等造成的。

圖3 牛蹄塘組黑色頁巖巖石礦物組分Fig.3 Mineral components of black shale in the Niutitang Formation

圖4 牛蹄塘組粘土礦物組分Fig.4 Components of clay minerals in the Niutitang Formation

從礦物X－射線衍射分析結果看，牛蹄塘組脆性系數(shù)介于31% ～70%，平均為46.7%。但總體上看，招標區(qū)塊牛蹄塘組硅質(zhì)含量高，具有較好的脆性，壓裂過程中易于造成剪切破壞，形成復雜網(wǎng)狀縫，利于大幅度提高裂縫的體積。

2.3 儲層特征

綜合已有的研究成果，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組含氣頁巖常規(guī)物性普遍較差，總體具有低孔－超低滲、高比表面積特征，具有較好的頁巖氣儲集潛力。

據(jù)黔北地區(qū)頁巖氣最新研究成果，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖孔隙度為1.7% ～25.6%，平均滲透率為0.220 7×10－3μm2。其相鄰地層的白云巖，含硅碳質(zhì)孔隙度為0.55% ～4.22%，滲透率非常低，平均小于0.002×10－3μm2，較頁巖氣物性差，可能對頁巖氣具有一定的封閉性。

從牛蹄塘組孔隙微觀結構看，頁巖具有儲集空間類型多樣，儲集空間直徑較小且連通性較差的特征，主要包括孔隙和裂縫?？紫栋ǖV物顆粒間(晶間)微孔縫(骨架顆粒間原生微孔、自生礦物晶間微孔、粘土伊利石貫通層間微縫)、礦物顆粒溶蝕微孔隙、基質(zhì)溶蝕孔隙、有機質(zhì)生烴形成的微孔隙等。其中礦物顆粒間、尤其是粘土礦物層間微孔縫占主體，孔隙連通性普遍較差，導致前述測得滲透率很低。牛蹄塘組頁巖層段普遍發(fā)育微細孔隙，孔喉半徑狹窄。粒間微孔、有機質(zhì)內(nèi)微孔是納米級孔隙的主體，孔隙多為孤立微孔，連通性差，巖石滲透率極低。頁巖氣開采過程中壓裂改造對儲層溝通具有積極作用。

3 牛蹄塘組地球化學特征

3.1 有機質(zhì)類型

隨著演化程度的增高，在總的趨勢上殼質(zhì)組的含量明顯減少，而惰性組和鏡質(zhì)組的相對百分含量有所增加。對于高成熟度烴源巖，其干酪根有機顯微組分對于有機質(zhì)類型判別帶來較大困難，因此這里主要利用飽和烴色譜對有機質(zhì)類型進行分析。

對岑鞏區(qū)塊周邊7個牛蹄塘組樣品進行了飽和烴色譜分析(圖5)。從分析結果看，烴源巖飽和烴主要分布在C16—C28，大部分樣品呈現(xiàn)出前高單峰型特征，主峰碳位于C17和C19，少量樣品呈現(xiàn)前高雙峰型特征，只有一個樣品呈現(xiàn)后高單峰型特征;測試的7個樣品飽和烴含量介于10% ～66%，平均為40%，而飽/芳比均大于3，介于3.3～12.2，非烴+瀝青質(zhì)含量平均為48.2%;C27，C28，C29甾烷的分布模式有4個樣品呈不對稱“V”字型(C27＞C29＞C28)，2個樣品呈現(xiàn)對稱“V”字型，所有樣品均檢測到一定數(shù)量的伽馬蠟烷。另外測得牛蹄塘組干酪根碳同位素(δ13C)值介于－34.7‰～－28.6‰，油型氣特征明顯。

牛蹄塘組各樣品正烷烴氣相色譜大多為前高單峰型特征，初步可以確定牛蹄塘組有機質(zhì)主要來自水生低等生物貢獻;飽和烴含量介于40% ～60%、飽/芳比大于3均說明有機質(zhì)類型呈現(xiàn)Ⅰ型特征，非烴+瀝青質(zhì)含量較高，超過40%則說明有機質(zhì)類型具有Ⅱ1型特征;高C27甾烷含量及高伽馬蠟烷值則表明有機質(zhì)主要來自海相水生生物貢獻;干酪根碳同位素值一般小于－29‰，表現(xiàn)為腐泥型氣特征。

另外從生物發(fā)展史來看，高等植物及花草樹木等維管植物出現(xiàn)在泥盆紀以后。由此可見，牛蹄塘組有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1，樣品的生物來源主要為低等水生生物，為咸水環(huán)境的水生生物貢獻，并經(jīng)歷了較高的熱演化階段。

3.2 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度指標主要包括有機碳含量和氯仿瀝青“A”含量。由于我國海相地層發(fā)育時代早、經(jīng)歷的構造運動多、埋深較大，目前的殘留氯仿瀝青“A”含量普遍很低，介于0.003% ～0.104%(表1)，不能準確反映我國海相頁巖的生烴能力，故主要采用有機碳含量對海相頁巖進行評價。

黑色頁巖中的有機質(zhì)顆粒有多種形態(tài)，如不規(guī)則細粒狀、長條狀和塵點狀，有時有機質(zhì)顆粒中可見許多極小的黃鐵礦散布。岑鞏地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖有機碳含量在1.78% ～7.03%，平均為3.38%(表1)。但由于分析均為露頭樣品，受到不同程度的氧化導致有機碳含量降低，因此，地下頁巖的有機碳含量要比地表測得的大些。

圖5 岑鞏頁巖氣區(qū)塊周緣下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖飽和烴色譜Fig.5 Gas chromatograms of saturated hydrocarbons of black shale in the Lower Cambrian Niutitang Formation in Cen’gong block and it’s periphery area

表1 岑鞏區(qū)塊周緣牛蹄塘組野外露頭頁巖樣品地球化學特征Table 1 Geochemical characteristics of shale samples from outcrops of the Niutitang Formation in Cen’gong block and it’s periphery area

3.3 成熟度

岑鞏區(qū)塊下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖經(jīng)歷了復雜的多期次熱史變化，成熟度普遍較高，都達到了成熟晚期階段。對研究區(qū)周邊牛蹄塘組露頭的7個樣品進行了分析，測得固體瀝青反射率為4.83% ～5.23%，根據(jù)Jacob［22］鏡質(zhì)組反射率與瀝青反射率關系，計算鏡質(zhì)體反射率Ro介于3.5% ～3.8%，平均為3.56%?？碧綄嵺`表明，美國頁巖氣產(chǎn)區(qū)的頁巖成熟度普遍大于1.3%，在阿巴拉起亞盆地的西弗吉尼亞州南部最高可達4.0%，且只有在成熟度較高的區(qū)域才有頁巖氣的產(chǎn)出［23－26］。因此，頁巖的高成熟度(＞2%)不是制約頁巖氣聚集的主要因素，相反，成熟度越高越有利于頁巖氣的生產(chǎn)。

4 資源潛力分析

4.1 含氣量

頁巖含氣量是指每噸頁巖所含的天然氣總量。含氣量可分解為吸附、游離及較小的溶解含氣量，其大小直接影響著頁巖氣藏的經(jīng)濟可采價值。根據(jù)岑頁1井現(xiàn)場解吸獲得的實驗數(shù)據(jù)，牛蹄塘組含氣頁巖段1 455.45～1 463.62 m巖心段現(xiàn)場解吸量+損失氣量最大，可達1.165 m3/t，總體而言，該區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖含氣量在0.5～2.5 m3/t。從實鉆情況看，牛蹄塘組泥頁巖中見到6次氣測異常，厚度達37 m，其中全烴值最大為1.8%，后效顯示明顯。

4.2 資源量

頁巖氣發(fā)育條件及富集機理的特殊性，決定了相應資源評價方法和參數(shù)取值的特殊性。目前對于頁巖氣資源潛力評價的方法主要有體積法、類比法、統(tǒng)計分析法、成因法和綜合法，其中體積法比較適用于我國現(xiàn)階段頁巖氣資源量計算。采用全國頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查推薦的頁巖氣資源評價方法——概率體積法，對岑鞏地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組進行資源量計算。

根據(jù)體積法計算資源量的公式，其中直接參與計算的參數(shù)主要包括有效面積、有效厚度、巖石密度、總含氣量、壓縮因子和可采系數(shù)。岑鞏區(qū)塊露頭和鉆井資料都比較少，不同概率下頁巖面積根據(jù)有機碳相關關系計算進行取值;頁巖有效厚度則根據(jù)相對面積占有法求得;頁巖氣的總含氣量主要參考岑頁1井現(xiàn)場解吸數(shù)據(jù)和實驗室破碎所得分析數(shù)據(jù)進行合理取值;可采系數(shù)則主要根據(jù)天然氣勘探可采經(jīng)驗值進行賦值。通過計算，岑鞏頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)資源量為866.71×108m3，可采資源量為 71.94 ×108m3。

4.3 有利區(qū)預測

頁巖氣藏是典型的自生自儲型氣藏，因此，評價頁巖儲層除與常規(guī)儲層有相同的巖石學、物性等儲層基本特征外，還應考慮頁巖氣藏形成的含氣性及能否被開采等要件。為此，結合美國頁巖氣勘探成功經(jīng)驗，結合區(qū)塊內(nèi)資料的實際情況，篩選出6個關鍵地質(zhì)因素對頁巖儲層有利區(qū)勘探方向進行預測:有機質(zhì)豐度、熱演化程度、頁巖層厚度、頁巖埋深、保存條件與地表地形條件。由于有機質(zhì)類型、礦物組成和含氣量、儲層條件等在招標區(qū)塊內(nèi)變化不大，在頁巖氣勘探程度空白區(qū)內(nèi)，對以上數(shù)據(jù)也很難進行系統(tǒng)求取，這里在有利區(qū)預測方面未作考慮。

根據(jù)頁巖氣藏有利區(qū)預測方法，對區(qū)塊內(nèi)目的層牛蹄塘組進行評價，綜合頁巖厚度、埋深、有機碳、熱成熟度、地形地貌等作出相應的綜合評價圖(圖6)。

牛蹄塘組頁巖氣勘探有利區(qū)帶可劃分為3個級別，其中Ⅰ類有利區(qū)分布在民和、羊橋和大坪地區(qū)，西起民和坪落、東至大坪、南起羊橋、北止地慢，呈環(huán)帶狀分布在古隆起區(qū)，面積為119.62 km2;Ⅱ類有利區(qū)緊鄰Ⅰ類有利區(qū)南側(cè)，呈環(huán)帶分布，東止水尾鎮(zhèn)北，面積109.15 km2;Ⅲ類有利區(qū)面積最大，主要分布在天馬鎮(zhèn)、天星和朱家場一線，面積381.66 km2。

圖6 岑鞏頁巖氣區(qū)塊頁巖氣有利區(qū)預測Fig.6 Prediction of favorable shale gas play fairways in Cen’gong block

5 結論

1)岑鞏頁巖氣區(qū)塊目的層較厚，但孔喉半徑狹窄，普遍發(fā)育微細孔隙;頁巖層硅質(zhì)含量高，具有較好的脆性，有利于后期儲層壓裂改造。

2)牛蹄塘組飽和烴色譜表現(xiàn)為前高單峰特征、樣品檢測到伽馬蠟烷伽，說明烴源巖有機質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，有機質(zhì)豐度較好(平均為3.38%)，成熟度高(平均Ro達3.56%)。

3)岑頁1井現(xiàn)場測試牛蹄塘組含氣量可達1.165 m3/t，概率體積法計算頁巖氣可采資源量71.94×108m3，Ⅰ類有利區(qū)主要分布在區(qū)塊中上部的民和、羊橋和大坪地區(qū)。

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