谷陽，徐晟，徐佳佳，張百忍，姚樹青，趙相寬

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)圖書館，北京 100083）

0 引言

頁巖氣是種清潔能源，相比石油、煤炭等化石能源，其燃燒時(shí)所排放的溫室氣體更低，符合各國(guó)低碳可持續(xù)發(fā)展的大趨勢(shì)[1]。美國(guó)頁巖氣革命的成功不僅幫助該國(guó)扭轉(zhuǎn)天然氣大量進(jìn)口的局面，更為其提供了一條可持續(xù)的綠色發(fā)展道路，悄然改變?nèi)虻哪茉唇Y(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)格局[2-3]。近年來，我國(guó)南方四川盆地、黔北地區(qū)和渝東南地區(qū)的下古生界頁巖氣勘探開發(fā)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、涪陵等多個(gè)大氣田[4-6]。黔北地區(qū)安頁1井獲得了“四層樓”式天然氣、頁巖氣的重大突破，并提出了深水陸棚相頁巖、穩(wěn)定的構(gòu)造保存、地層超壓“三位一體”的頁巖氣富集高產(chǎn)理論，表明黔北地區(qū)具有較高的頁巖氣資源勘查潛力[7-9]。

前人針對(duì)黔北地區(qū)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行了一定的研究，但研究?jī)?nèi)容大多比較單一，主要針對(duì)頁巖巖相、沉積環(huán)境和微觀孔隙結(jié)構(gòu)等，對(duì)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層的綜合表征研究較少[10-15]。本文以黔北鳳岡地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相富有機(jī)質(zhì)頁巖為研究對(duì)象，綜合利用礦物學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)、低溫液氮吸附、甲烷等溫吸附和場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡等資料，對(duì)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層發(fā)育特征進(jìn)行精細(xì)描述。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鳳岡區(qū)塊位于我國(guó)海相頁巖氣勘探先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)區(qū)之一的黔北地區(qū)，區(qū)域上屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)東部，與華北地塊和華南造山帶相鄰，處在揚(yáng)子地臺(tái)的構(gòu)造單元湘鄂西—川東南構(gòu)造帶的武陵褶皺帶內(nèi)。

在多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，區(qū)塊內(nèi)斷裂、褶皺構(gòu)造較發(fā)育（見圖1），多組斷裂相互切割、聯(lián)合和干擾，不同走向的斷裂切割關(guān)系非常復(fù)雜，以北東向和北北東向斷裂為主。褶皺整體上主要為北東向和北北東向展布，以“隔槽式”結(jié)構(gòu)為主，發(fā)育一系列北東向的復(fù)向斜與復(fù)背斜，向斜帶內(nèi)構(gòu)造變形較強(qiáng)，以寬緩的背斜和緊閉的向斜相間分布為特征。

地層在前震旦系—第四系均有沉積，絕大部分屬于海相沉積，分布厚度較大。研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要有寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系，缺失白堊系、侏羅系、石炭系、泥盆系地層，古近系、新近系及第四系地層零星分布。

在早奧陶世—早志留世時(shí)期，上揚(yáng)子地區(qū)受華夏板塊擠壓影響，逐步由穩(wěn)定克拉通轉(zhuǎn)換為受周緣隆起圍陷的局限淺海環(huán)境。貴州地區(qū)受晚奧陶世都勻運(yùn)動(dòng)影響，下志留統(tǒng)地層超覆于奧陶系地層之上，龍馬溪組地層主要分布在黔中隆起以北、雪峰山隆起以西地區(qū)。在黔中隆起、雪峰山隆起和川中隆起聯(lián)合控制下，下志留統(tǒng)龍馬溪組暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖開始沉積。上揚(yáng)子地區(qū)受華夏板塊不斷擠壓影響，持續(xù)隆升，以泥質(zhì)蓋層及碎屑巖儲(chǔ)層沉積為主，沉積環(huán)境也逐漸由局限淺海深水環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榫窒逌\海-潮坪環(huán)境[16]。

圖1 鳳岡區(qū)塊斷裂體系分布

2 儲(chǔ)層礦物學(xué)特征

頁巖礦物組分中的石英、碳酸鹽巖、長(zhǎng)石和黃鐵礦等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)頁巖含氣性、基質(zhì)孔隙和裂縫的發(fā)育程度、脆性程度等方面具有重要影響，甚至對(duì)頁巖氣富集機(jī)理研究和后期壓裂改造方式的選擇也具有指導(dǎo)意義[17]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，礦物組分中脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，頁巖儲(chǔ)層中整體脆性越高，在后期壓裂改造時(shí)越容易產(chǎn)生誘導(dǎo)縫與天然裂縫溝通，有利于頁巖氣開采[18-21]。

通過對(duì)研究區(qū)YC-1，YC-2，YC-3井及野外露頭的龍馬溪組頁巖樣品X射線衍射定量分析，表明頁巖礦物組分以石英為主，黏土和碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近，黃鐵礦欠發(fā)育。其中：石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)在23%～68%，平均38.2%；碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%～50%，平均21.5%；黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～31%，平均21.4%。頁巖中黏土礦物以伊/蒙混層和伊利石為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均80.5%，綠泥石次之（見圖2）。

圖2 鳳岡區(qū)塊YC-2井龍馬溪組頁巖樣品組分特征

頁巖儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)是目前頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)，脆性頁巖中天然裂縫發(fā)育程度較高，易在后期水力壓裂時(shí)形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)體積改造。通過計(jì)算礦物脆性指數(shù)來反映頁巖脆性是目前最常用的方法，即：

式中：Br為巖石礦物脆性指數(shù)，%；wcl為黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；wq，wf，wc，wp分別為石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物、黃鐵礦等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

計(jì)算結(jié)果表明：鳳岡區(qū)塊龍馬溪組頁巖樣品的Br分布在69%～90%，平均 78.6%，且86.8%的樣品 Br分布在 70%～85%（見圖 3）。

圖3 鳳岡區(qū)塊龍馬溪組頁巖礦物脆性指數(shù)分布

3 有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型的劃分可以采用干酪根元素組成 （相對(duì)原子質(zhì)量比如H/C，O/C）、干酪根顯微組分（腐泥組、鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組）、生物來源以及穩(wěn)定碳同位素等方法進(jìn)行判別[22]。通過干酪根類型可以判斷生烴母質(zhì)的品質(zhì)及油氣產(chǎn)出能力，不同類型的干酪根還對(duì)頁巖儲(chǔ)層中氣體的擴(kuò)散率和吸附氣量影響顯著[23]。通?？梢愿鶕?jù)干酪根的顯微組分和化學(xué)成分來確定有機(jī)質(zhì)來源和沉積環(huán)境。

鳳岡區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組干酪根顯微組分以腐泥組為主。其中：腐泥組質(zhì)量分?jǐn)?shù)在89%～96%，平均93%；惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%～10%，平均4.3%；樣品中含少量的鏡質(zhì)組（見表1）。干酪根類型指數(shù)介于78.3～92.0，干酪根類型以Ⅰ型為主，Ⅱ1型次之。腐泥質(zhì)中富含蛋白質(zhì)與類脂化合物，由藻類和低等浮游生物堆積演化而來，具有良好的生油氣潛力。

表1 鳳岡區(qū)塊龍馬溪組頁巖干酪根顯微組分與干酪根類型

3.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

對(duì)研究區(qū)周邊10個(gè)野外采樣點(diǎn)和區(qū)內(nèi)鉆井巖心測(cè)試資料研究表明，龍馬溪組頁巖等效鏡質(zhì)組反射率Ro分布在1.27%～3.07%，平均2.03%，由南向北熱演化程度逐漸增高，區(qū)域上鳳岡區(qū)塊龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積演化與沉積中心相對(duì)應(yīng)[16]。區(qū)塊西南部受黔中隆起帶影響，龍馬溪組沉積厚度減薄，有機(jī)質(zhì)成熟度偏低（Ro普遍低于2.0%）；而北邊龍馬溪組沉積較厚，為龍馬溪期黔北地區(qū)的一個(gè)沉積沉降中心，Ro普遍大于2.0%，干酪根處于高成熟—過成熟早期演化階段。

通過對(duì)北美頁巖氣和我國(guó)南方海相頁巖氣勘探生產(chǎn)現(xiàn)狀研究，發(fā)現(xiàn)Ro為1.1%～3.5%的頁巖氣藏能獲得較好的商業(yè)開采。總體來說，鳳岡地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖的成熟度指標(biāo)滿足頁巖氣成藏要求。

3.3 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是評(píng)價(jià)頁巖氣資源潛力的重要指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)為頁巖氣富集成藏提供所需要的比表面積和孔隙空間，一般用總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)TOC來表征有機(jī)質(zhì)豐度。研究區(qū)龍馬溪組頁巖TOC在0.39%～9.24%，平均為 2.65%。Bowker[24]認(rèn)為 TOC至少要達(dá)到 2.5%～3.0%，才能形成有效頁巖氣藏；姜振學(xué)等[25]認(rèn)為高有機(jī)質(zhì)豐度是頁巖氣富集成藏的基本前提，當(dāng)TOC高于3.0%時(shí)，含氣量一般高于4.0 m3/t。研究區(qū)龍馬溪組頁巖的TOC在垂向上均呈先增后減的單峰式分布，在龍馬溪組頁巖的底部達(dá)到最高值（見圖4）。

圖4 鳳岡區(qū)塊YC-2井龍馬溪組測(cè)井特征及有機(jī)質(zhì)豐度縱向分布

4 儲(chǔ)集空間

4.1 孔隙類型和微裂縫

借助高倍的聚焦離子束掃描電鏡，可以觀察頁巖的微觀孔縫發(fā)育特征。Loucks等[26]對(duì)于頁巖基質(zhì)孔隙提出了三分法，包括粒間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔3種孔隙類型。于炳松等[27]按孔隙結(jié)構(gòu)及產(chǎn)狀將頁巖孔隙劃分為有機(jī)質(zhì)孔、礦物基質(zhì)孔和微裂縫，其中，礦物基質(zhì)孔又進(jìn)一步分為粒間孔和粒內(nèi)孔。頁巖中的納米級(jí)孔縫是頁巖儲(chǔ)層中頁巖氣儲(chǔ)集和滲濾的主要空間和高效通道。

研究區(qū)龍馬溪組頁巖中發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔、晶間孔、溶蝕孔及微裂縫等各種微觀孔隙，但是孔徑、形狀及發(fā)育規(guī)模等差異性較大（見圖5）。有機(jī)質(zhì)孔主要呈氣泡狀、橢圓形等不規(guī)則狀，孔徑在2～400 nm，有機(jī)質(zhì)孔隙在富有機(jī)質(zhì)頁巖中分布較為集中，具有較好的連通性。但是，在部分低豐度頁巖中有機(jī)質(zhì)富集程度存在差異，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度較低，這可能與有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育特征及頁巖形成過程中沉積水體的氧化-還原條件有關(guān)[28]。粒間孔主要指黏土礦物、石英、長(zhǎng)石等礦物之間的孔隙。龍馬溪組頁巖以黏土礦物粒間孔為主，孔徑在3～5 000 nm，主要呈狹縫狀和不規(guī)則狀，孔隙規(guī)模較大。晶間孔主要見于草莓狀黃鐵礦晶粒之間，孔徑在20～2 000 nm，龍馬溪組頁巖中黃鐵礦大量發(fā)育，能夠有效提高頁巖的比表面積，為氣體吸附提供空間。溶蝕孔主要發(fā)育在方解石和長(zhǎng)石等礦物顆粒表面，與有機(jī)酸類的生成和地層流體的侵蝕作用有關(guān)[29]，多呈不規(guī)則狀，孔徑在10～1 000 nm。受多期構(gòu)造活動(dòng)影響，研究區(qū)龍馬溪組頁巖中微裂縫發(fā)育較普遍，一般呈條帶狀，延伸較遠(yuǎn)，為頁巖氣儲(chǔ)存及運(yùn)移提供了重要場(chǎng)所和空間，增強(qiáng)了頁巖儲(chǔ)層的滲流能力。

4.2 孔隙結(jié)構(gòu)

頁巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)育豐富的納米級(jí)微孔隙[30-31]。本次采用氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，樣品均以納米級(jí)孔隙為主，孔徑主體分布在2～5 nm。根據(jù)國(guó)際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）對(duì)孔隙分類，將孔隙分為宏孔（孔徑大于50 nm）、中孔（孔徑在 2～50 nm）和微孔（孔徑小于 2 nm）。

圖5 龍馬溪組頁巖微觀孔隙類型

由圖6可以看出：曲線整體呈反S形，根據(jù)對(duì)滯后環(huán)形態(tài)的分類，龍馬溪組頁巖滯后環(huán)以H4型為主，即當(dāng)相對(duì)壓力較低（小于0.45）時(shí)，脫附曲線和吸附曲線近似重疊，吸附量上升緩慢；當(dāng)相對(duì)壓力介于0.45～0.90時(shí)，開始出現(xiàn)滯后環(huán)，呈凹形平穩(wěn)上升；相對(duì)壓力介于0.90～1.00時(shí)，吸附曲線急劇上升，且并沒有達(dá)到吸附飽和，滯后環(huán)總體平緩狹長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)狹縫狀孔隙。

根據(jù)BJH和BET方程計(jì)算出龍馬溪組頁巖的比表面積、孔徑分布和孔體積，頁巖的BET比表面積在9.68～22.68 m2/g，平均為 17.76 m2/g；BJH 吸附總孔體積在 0.014 7～0.023 4 cm3/g，平均為 0.019 9 cm3/g；BJH 平均孔徑介于3.93～6.08 nm，平均為4.68 nm。如圖7所示：頁巖的孔徑分布峰值主要集中在3～5 nm，表明龍馬溪組頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)以中孔為主，為頁巖氣的吸附和儲(chǔ)集提供了主要空間。

圖7 龍馬溪組頁巖孔徑分布特征

從圖8可以看出：TOC與BET比表面積和BJH總孔體積呈正相關(guān)關(guān)系。這主要是由于龍馬溪組頁巖中有機(jī)質(zhì)熱演化產(chǎn)生的納米級(jí)孔隙增大了頁巖的比表面積和孔隙體積。TOC是影響頁巖納米孔發(fā)育的主要因素，而TOC和BET比表面積與平均孔徑呈負(fù)相關(guān)，表明有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量納米級(jí)孔隙。但是，相對(duì)于孔徑較大的孔隙，孔徑較小的孔隙對(duì)頁巖的表面積貢獻(xiàn)較大，但對(duì)孔隙體積貢獻(xiàn)較小。

4.3 頁巖吸附能力

研究區(qū)龍馬溪組甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（見圖9）：在30℃的恒溫條件下，樣品的Langmuir吸附氣量在1.596～2.127 cm3/g，平均為1.903 cm3/g。針對(duì)甲烷吸附能力的差異，本文進(jìn)行了分析討論。

圖8 龍馬溪組頁巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

圖9 龍馬溪組頁巖甲烷等溫吸附曲線

由圖10可知：TOC與甲烷吸附量呈正相關(guān)關(guān)系，即隨TOC增加，樣品的吸附能力增強(qiáng)，因?yàn)樵赥OC較高的頁巖中富含大量納米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔隙，增加了頁巖的比表面積，提供了更多的吸附點(diǎn)位。龍馬溪組頁巖大多處于高成熟—過成熟階段，頁巖吸附能力與Ro呈正相關(guān)關(guān)系。武景淑等[32]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ro大于2.0%時(shí)，甲烷吸附量與Ro和大孔體積均存在正相關(guān)性，這可能是由于高成熟有機(jī)質(zhì)中納米級(jí)顯微裂縫較發(fā)育，可吸附比表面積增大。在礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與甲烷吸附量的關(guān)系分析中，wq，wc與甲烷吸附量呈良好正相關(guān)關(guān)系，這可能由于石英等脆性礦物具有較強(qiáng)的抗壓實(shí)能力，有利于頁巖中孔隙和裂縫的保存[33-36]。

圖10 龍馬溪組頁巖參數(shù)與甲烷吸附量的關(guān)系

5 結(jié)論

1）黔北地區(qū)龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)類型好，豐度高，熱演化程度適中。干酪根類型以Ⅰ型為主，Ro平均為2.03%，TOC平均為2.65%。礦物組成以石英為主，其次為碳酸鹽巖和黏土礦物。儲(chǔ)層整體脆性較高，有利于后期壓裂形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。

2）龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層中發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔、晶間孔、溶蝕孔及微裂縫等微觀孔隙。BET比表面積平均為17.76 m2/g；BJH吸附總孔體積平均為0.019 9 cm3/g，BJH孔徑平均為4.68 nm。中孔是主要儲(chǔ)集空間。

3）龍馬溪組甲烷吸附量在 1.596～2.127 cm3/g，平均為1.903 cm3/g，吸附能力整體較強(qiáng)。其中：TOC與孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)、甲烷吸附量存在較好的正相關(guān)性，對(duì)二者影響顯著；隨著熱演化程度增高和石英的脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，頁巖的吸附能力也明顯增強(qiáng)。