康如華， 馮經(jīng)平， 劉成鑫， 許云舟， 羅 剛， 李福順， 龍長聰， 龍 安

(1.湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四一八隊(duì)，湖南婁底 417000； 2.申能股份有限公司，上海 201103)

0 引言

近年來，國內(nèi)外頁巖氣的勘探開發(fā)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，并取得了重要突破[1-2]。2012～2014年，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣中心于湖南常德、慈利先后施工完成的參數(shù)井常頁1井和探井慈頁1井，均鉆遇寒武系牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖層系，并見良好的頁巖氣顯示。證實(shí)了湘西北地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖是有利的頁巖氣勘探層系之一。湖南石門地區(qū)頁巖氣研究區(qū)塊位于常頁1井和慈頁1井之北西，并發(fā)育一套完整的富含大量有機(jī)質(zhì)的牛蹄塘組黑色頁巖，具有良好的頁巖氣形成條件。本文主要從石門地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組的巖性組合特征、巖石學(xué)特征、孔滲特征、比表面積、儲(chǔ)集空間及其吸附性能等方面分析其頁巖氣儲(chǔ)集條件，為系統(tǒng)評(píng)價(jià)該區(qū)頁巖氣資源潛力和深入勘探開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位置處于揚(yáng)子地臺(tái)南東部，石門-桑植復(fù)向斜北東(圖1)。構(gòu)造線方向主要為北東向，略呈往北西凸的弧形。由一系列復(fù)向斜與復(fù)背斜組成，褶皺呈線狀展布，背斜較為緊閉，向斜較為開闊，有利于頁巖氣存儲(chǔ)。區(qū)域內(nèi)主要出露古生界，以志留系、奧陶系、寒武系最為發(fā)育。該區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組自形成以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造變動(dòng)，導(dǎo)致牛蹄塘組頁巖多次經(jīng)歷生烴演化過程，并為頁巖氣的儲(chǔ)集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 巖性組合與巖石學(xué)特征

2.1 巖性組合特征

研究區(qū)早寒武世所形成的最大海平面上升和最大海侵的欠補(bǔ)償盆地，發(fā)育了一套富含大量有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖，可作為最重要的烴源巖之一，也是重要的生油氣巖層。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組代表性楊家坪剖面的實(shí)測(cè)結(jié)果，該組巖性為灰黑色、黑色中-厚層狀炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)板狀頁巖夾薄層硅質(zhì)巖，總厚度201.92m。分上、下兩段，下段以黑色炭質(zhì)頁巖為主夾薄層硅質(zhì)巖，厚36.61m；上段為灰黑色頁巖、砂質(zhì)板狀頁巖，見多層黑色炭質(zhì)頁巖，單層厚度1～5m左右，總厚165.31m。

2.2 巖石學(xué)特征

在中石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院非常規(guī)油氣資源中心，對(duì)采自楊家坪剖面的下寒武統(tǒng)牛蹄塘組新鮮頁巖樣品進(jìn)行X射線衍射分析，測(cè)試的儀器為Ultima IV全自動(dòng)粉末X射線衍射分析儀。

對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行沉積巖全巖X-射線衍射、沉積巖黏土礦物X-射線衍射，分析結(jié)果表明(表1)：該區(qū)域牛蹄塘組頁巖礦物成分較復(fù)雜，以石英礦物為主，其次為黏土礦物、斜長石。牛蹄塘組下段石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.7%～62.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值54.6%，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%～40.8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值28.5%；牛蹄塘組上段石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)31.1%～48.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值40.2%，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.2%～57.8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值46.7%(圖2)。黏土礦物主要有伊利石(I)、伊/蒙混層(I/S)，少量為高嶺石和綠泥石(C)，其中尤以伊利石含量最高，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布范圍為64%～79%(圖2)，在所測(cè)試的12個(gè)頁巖樣品中均未檢測(cè)到蒙脫石，可能大都轉(zhuǎn)化為伊/蒙混層和伊利石。黏土礦物的特征表明研究區(qū)牛蹄塘組頁巖演化程度高。

1.區(qū)塊范圍; 2.向斜構(gòu)造圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造簡圖Figure 1 Study area regional tectonic sketch

表1 湖南石門地區(qū)牛蹄塘組頁巖礦物成分X-射線衍射定量分析結(jié)果

1.黏土礦物; 2.石英; 3.鉀長石; 4.斜長石; 5.方解石; 6.白云石; 7.黃鐵礦; 8.伊蒙混層; 9.伊利石; 10.高嶺石; 11.綠泥石圖2 石門地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(a)及黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(b)Figure 2 Shimen area Niutitang Formation black shale mineral contents (a) and clay mineral contents (b)

頁巖中的石英含量在一定程度上間接反映了孔隙含量的多少[3]。在沉積儲(chǔ)藏的過程中，碎屑石英含量越高，原生孔隙的保存越有利，巖石整體孔隙度隨著碎屑石英含量的增加而變高[4]。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖中碎屑石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，為31.1%～62.5%，平均為46.2%，說明牛蹄塘組頁巖可能具有較高的孔隙度。

頁巖中礦物成分的不同影響頁巖儲(chǔ)層的發(fā)育，脆性礦物的多少則對(duì)后期頁巖儲(chǔ)層的可改造項(xiàng)具較大影響[5]。頁巖中脆性礦物的含量越高，頁巖氣儲(chǔ)集層中的脆性和可壓裂性就越強(qiáng)，越容易開展人工壓裂增產(chǎn)處理。經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖中石英、長石、方解石和白云石等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.8%～79.6%，平均60.15%。而美國的主要頁巖氣產(chǎn)層即福特沃斯盆地Barnett頁巖的脆性礦物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%～60%[6]，低于研究區(qū)頁巖脆性礦物含量。

頁巖脆性指數(shù)是頁巖氣儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)，通常按如下公式計(jì)算：

脆性指數(shù)=(石英+長石+方解石+白云石)/(石英+長石+方解石+白云石+黏土礦物)

計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖的脆性指數(shù)分布在0.41～0.82(表2)， 平均0.61， 說明其具有較高的脆性指數(shù)(平均值大于0.5)。

表2 湖南石門地區(qū)牛蹄塘組頁巖脆性礦物含量與脆性指數(shù)

綜上所述，石門地區(qū)牛蹄塘組頁巖脆性礦物含量豐富，容易在外力作用下形成天然裂隙和誘導(dǎo)裂縫，且整體上具有良好的脆性和可壓性，有利于后期的壓裂改造和頁巖氣滲流，便于開采。

3 頁巖氣儲(chǔ)集物性特征

頁巖的儲(chǔ)集物性對(duì)頁巖氣的聚集和后期的開發(fā)具有重要的影響，其中孔隙性的好壞直接決定頁巖氣的儲(chǔ)氣能力，滲透性好壞控制了頁巖氣的產(chǎn)能。美國頁巖氣勘探開發(fā)證明，裂縫體系的發(fā)育程度對(duì)頁巖氣的聚集和開發(fā)具有重要的影響[7]。裂縫是頁巖氣的主要儲(chǔ)集空間，因此，預(yù)測(cè)裂縫在橫向和縱向上的分布規(guī)律顯得尤為重要。

3.1 孔隙度、滲透率特征

孔隙度是關(guān)系游離氣含量和評(píng)價(jià)頁巖滲透性的主要參數(shù)。利用Ultrapore-200A氦孔隙儀測(cè)試孔隙度，對(duì)研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組頁巖7個(gè)測(cè)試樣品的測(cè)試結(jié)果顯示，頁巖的有效孔隙度為0.69%～16.07%(圖3)，平均有效孔隙度為10.16%。據(jù)研究資料表明，美國五大含氣頁巖的孔隙度為3%～14%，平均7%[8]，低于研究區(qū)頁巖孔隙度。而四川盆地金沙剖面下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的平均孔隙度可達(dá)13.85[9]，高于研究區(qū)頁巖孔隙度。遵義—綦江地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的實(shí)測(cè)孔隙度最高可達(dá)24.1%，平均為6.95[10]，低于研究區(qū)頁巖孔隙度。整個(gè)湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的孔隙度為0.07%～25.9%[11-15]。因此，研究區(qū)頁巖孔隙度相對(duì)中等偏高，且差異較大。

利用ULTRA-PERMTM200滲透率儀測(cè)試滲透率。研究區(qū)測(cè)試樣品測(cè)試結(jié)果表明，頁巖的滲透率為0.27×10-6μm2～5.7×10-6μm2(圖3)，平均滲透率為0.92×10-6μm2(0.000 92mD)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.1mD。據(jù)研究資料表明，美國五大含氣頁巖的滲透率一般小于0.1×10-3μm2[6]，黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖的滲透率平均為0.127×10-3μm2[16]，滇東北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的滲透率平均為0.37×10-3μm2[17]，整個(gè)湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的滲透率為0.001×10-3μm2～0.061×10-3μm2[11-15]。因此，研究區(qū)頁巖滲透率相對(duì)較低。

a.孔隙度 b.滲透率圖3 石門地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖孔隙度及滲透率特征Figure 3 Shimen area Niutitang Formation black shale porosity and permeability features

3.2 比表面積

借助壓汞、液氮實(shí)驗(yàn)，通過比表面積(即外表面積與裂縫、空洞內(nèi)表面積之和)來表征巖石的內(nèi)表面積，比表面積越大其內(nèi)表面積越大。研究區(qū)頁巖地面樣品的實(shí)測(cè)分析結(jié)果表明(圖4)，頁巖的比表面積較大，約為6.4～30.2m2/g，平均為15.03m2/g，可為頁巖氣吸附提供充足的空間。

圖4 石門地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖比表面積特征Figure 4 Shimen area Niutitang Formation black shale specific surface area features

3.3 儲(chǔ)集空間

頁巖微孔隙、裂縫是頁巖氣儲(chǔ)集的主要空間，是評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層特征的關(guān)鍵參數(shù)。石門地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)集層發(fā)育基質(zhì)晶間孔、粒間孔、溶蝕孔以及有機(jī)質(zhì)納米孔等 4 種孔隙類型。頁巖原生孔隙系統(tǒng)的滲透率相當(dāng)?shù)?，但原生孔隙?nèi)表面積大，擁有許多潛在的吸附空間，可以儲(chǔ)存大量氣體。掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果顯示(圖5)，研究區(qū)牛蹄塘組微米級(jí)粒間孔隙、溶蝕孔隙極為發(fā)育，最大可達(dá)數(shù)十微米；也見少量的納米級(jí)有機(jī)孔隙，這些孔隙可為頁巖氣提供充足的儲(chǔ)集空間，也反映了牛蹄塘組優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)集條件。

4 含氣性特征

對(duì)研究區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖測(cè)試所得的有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.53%～18.01%，其中牛蹄塘組上段樣品有機(jī)碳(TOC)含量為0.53%～2.02%，平均含量為1.15%；牛蹄塘組下段有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.39%～18.01%，平均含量為8.09%。為了解研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的吸附能力，利用ISO-200等溫吸附儀，對(duì)該組中有機(jī)碳(TOC)含量不同的樣品進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，牛蹄塘組下段黑色頁巖等溫吸附測(cè)試的吸附含氣量范圍為0～6.504 8cm3/g，上段黑色頁巖吸附含氣量范圍為0～2.607cm3/g(圖6)。

a：溶蝕孔隙、粒間孔隙發(fā)育; b：溶蝕孔隙、粒間孔隙發(fā)育; c：長石溶蝕孔; d：機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育少量微孔，孔徑低于 50 納米圖5 石門地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖掃描電鏡下孔隙結(jié)構(gòu)特征Figure 5 Shimen area Niutitang Formation black shale SEM pore structural features

a下段 b上段圖例1～7分別為樣品2、樣品6、樣品10、樣品28、樣品30、樣品31、樣品36圖6 石門地區(qū)牛蹄塘組頁巖等溫吸附曲線Figure 6 Shimen area Niutitang Formation shale isothermal adsorption curve

鄰近研究區(qū)南部的常頁1井現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量為0.5～2.1m3/t，等溫吸附含氣量為3.7～6.4m3/t[18]；渝東南地區(qū)渝科1井現(xiàn)場(chǎng)解吸所得的下寒武統(tǒng)牛蹄塘組含氣量為0.8～2.42m3/t，等溫吸附含氣量為1.83～5.04m3/t，以有機(jī)碳(TOC)含量和吸附氣關(guān)系用線性回歸法計(jì)算的吸附氣量為0.21～1.79m3/t[19]；慈頁1井用解吸法所獲得的含氣量為0.01～0.86m3/t[20]。

本次對(duì)研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組等溫吸附含氣量為0～6.504 8m3/t，參照聶海寬等對(duì)四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖的含氣量計(jì)算方法(吸附氣量=0.186 4×有機(jī)碳含量-0.038 3)[21]，利用線性回歸法計(jì)算得研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖吸附氣量分布范圍為0.06～3.32m3/t，平均0.18～1.47m3/t。揭示石門地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖具備一定的含氣量，總體含氣量相對(duì)中等，具有較好的頁巖氣資源前景。

5 結(jié)論

(1)湖南石門地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性多樣，主要有黑色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)板狀頁巖夾薄層硅質(zhì)巖。X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果表明，牛蹄塘組頁巖脆性礦物含量為40.8%～79.6%，平均60.15%，脆性礦物含量豐富；脆性指數(shù)分布在0.41～0.82，平均0.61，脆性指數(shù)高，有利于油氣成藏和儲(chǔ)集層改造。

(2)牛蹄塘組頁巖有效孔隙度為0.69%～16.07%，平均10.16%，孔隙度中等偏高，且差異較大；滲透率為0.27×10-6μm2～5.7×10-6μm2，平均0.92×10-6μm2(0.000 92mD)，滲透率相對(duì)較低。有利于含氣頁巖儲(chǔ)層改造后的運(yùn)移。

(3)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)集層發(fā)育基質(zhì)晶間孔、粒間孔、溶蝕孔以及有機(jī)質(zhì)納米孔等，頁巖原生孔隙系統(tǒng)的滲透率相當(dāng)?shù)停紫秲?nèi)表面積大，擁有許多潛在的吸附空間，可以儲(chǔ)存大量氣體，為頁巖氣提供了充足的儲(chǔ)集空間。

(4)等溫吸附試驗(yàn)結(jié)果表明，牛蹄塘組黑色頁巖的吸附含氣量范圍為0～6.504 8cm3/g，含氣量推測(cè)值0.06～3.32m3/t，具有較好的吸附氣性能，具備較好的頁巖氣資源前景。