黔南地區(qū)麻頁 1 井寒武系牛蹄塘組頁巖特征及頁巖氣勘探前景

盧樹藩 陳厚國

（1貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2貴州省地質(zhì)調(diào)查院）

黔南地區(qū)麻頁 1 井寒武系牛蹄塘組頁巖特征及頁巖氣勘探前景

盧樹藩1,2陳厚國2

（1貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2貴州省地質(zhì)調(diào)查院）

黔南地區(qū)寒武系牛蹄塘組厚度大，底板地層封閉性相對較好，可分為兩段，其中第一段為半深水—深水陸棚相黑色碳質(zhì)頁巖夾粉砂巖，厚度為 99m，是主要的頁巖氣目標層段；第二段為淺水陸棚相灰色粉砂巖、頁巖，厚 165m。針對黔南地區(qū)僅有的一口牛蹄塘組頁巖氣調(diào)查井——麻江地區(qū)麻頁 1 井取樣分析，顯示該井牛蹄塘組第一段頁巖 TOC 在 0.39%～5.35% 之間，鏡質(zhì)組反射率（Ro）在 1.56%～2.48% 之間，平均為 2.06%，干酪根顯微組分以腐泥無定形體為主，為Ⅰ型干酪根；巖石主要由石英和黏土礦物組成，脆性礦物含量較高，一般大于 50%，孔隙度在 1.13%～1.88% 之間，滲透率一般為 0.0011～0.0082mD，表現(xiàn)為低孔、低滲的特征；總含氣量最高可達 1.13m3/t。該調(diào)查井初步揭示黔南地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖地質(zhì)條件較好，具有進一步深入開展頁巖氣調(diào)查勘探的潛力。

黔南；牛蹄塘組；黑色頁巖；有機地球化學(xué)；儲層物性；含氣性

頁巖氣在中國具有巨大的資源潛力，是未來天然氣產(chǎn)量增長的重要組成部分之一，對技術(shù)創(chuàng)新以及擴展油氣勘探空間具有重要意義[1-7]。中國的頁巖氣調(diào)查工作主要集中在南方地區(qū)，而寒武系牛蹄塘組是中國南方最重要的頁巖氣目標地層之一[8-10]，該地層在貴州省分布廣泛，被認為具有較好的頁巖氣勘探前景[11-12]。針對貴州省寒武系牛蹄塘組展開的頁巖氣研究工作較早，但主要集中在黔北、黔中地區(qū)[13-17]；黔南地區(qū)牛蹄塘組厚度較黔北大，一般在 100m 左右，但研究資料反而較少。因此，本文立足于黔南地區(qū)僅有的一口牛蹄塘組頁巖氣調(diào)查井──麻頁1井，開展牛蹄塘組的頁巖氣地質(zhì)條件評價研究。調(diào)查顯示黔南地區(qū)寒武系牛蹄塘組厚度較大，黑色頁巖較為發(fā)育，含氣量最高可達 1.13m3/t，初步認為牛蹄塘組頁巖地質(zhì)條件較佳，有望成為貴州省寒武系牛蹄塘組頁巖氣調(diào)查勘探的重要區(qū)域。

1 地層及沉積相特征

貴州省在 2012—2013 年開展了全省的頁巖氣調(diào)查工作，重點針對寒武系牛蹄塘組實施了多口頁巖氣調(diào)查井，其中麻頁1井為其中的一口調(diào)查井，該井位于黔南地區(qū)麻江縣東南約 3km，開孔地層為寒武系上統(tǒng)清虛洞組白云巖，完鉆地層為震旦系—寒武系老堡組硅質(zhì)巖，井深為 1427.26m。麻頁 1 井鉆遇地層從上向下分別為：

0～169m：寒武系清虛洞組，巖性為灰色、淺灰色薄—中層泥質(zhì)白云巖；

169～751m：寒武系杷榔組，巖性為灰色、灰綠色鈣質(zhì)頁巖；

751～817m：寒武系變馬沖組，巖性為灰色、深灰色頁巖；

817～1042m：寒武系九門沖組，巖性為灰色、深灰色石灰?guī)r；

1042～1418m：寒武系牛蹄塘組，巖性為黑色碳質(zhì)頁巖、灰色粉砂巖和頁巖；

1418～1427.26m：震旦系—寒武系老堡組，巖性為黑色薄層硅質(zhì)巖。

其中牛蹄塘組是該調(diào)查井的目的層，該地層井深在1042～1418m之間，真厚度為264m。該井牛蹄塘組可分為兩段，第一段為黑色、灰黑色碳質(zhì)頁巖夾粉砂巖；第二段為灰色、深灰色粉砂巖、頁巖（圖1）。

圖1 麻頁 1 井牛蹄塘組綜合柱狀圖

寒武紀早期的桐灣運動，造成了貴州大部分地區(qū)牛蹄塘組與下伏燈影組之間為一暴露平行不整合面，在貴州南部該暴露面逐漸變?yōu)檎辖佑|，牛蹄塘組之下沉積了一套黑色薄層硅質(zhì)巖，該硅質(zhì)巖厚數(shù)十米，局部可達 100 余米。隨著寒武紀早期的迅速海侵，在牛蹄塘組下部沉積了厚度較大的黑色碳質(zhì)頁巖夾粉砂巖段，麻頁 1 井顯示該段厚度為 99m，發(fā)育三葉蟲等底棲生物，以泥質(zhì)沉積物為主，粉砂質(zhì)次之，具泥質(zhì)粉砂狀結(jié)構(gòu)特征（圖2a），含星點狀黃鐵礦，發(fā)育水平紋層，代表了半深水—深水陸棚海沉積環(huán)境。該黑色頁巖段之上為一套灰色、深灰色粉砂巖、頁巖，真厚度為 165m，該段間歇性受到波浪和波浪回流作用的影響，水動力相對較強，巖性主要以粉砂巖、頁巖為主，可含一定數(shù)量的鈣質(zhì)組分，沉積構(gòu)造以塊狀層理和小型沙紋層理為主，局部見韻律層理和定向沙紋層理，偶見生物擾動構(gòu)造，生物化石較少，僅見少量三葉蟲生物碎片。該段巖石的出現(xiàn)標志著水位下降，為淺水陸棚相沉積，砂質(zhì)含量明顯較第一段高（圖2b）。通過以上特征，可以看出麻頁 1 井縱向上頁巖儲層非均質(zhì)性特征明顯，在沉積環(huán)境、礦物組成上均有所表現(xiàn)。

前人提出了南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)高演化海相頁巖氣“二元富集”理論，認為構(gòu)造保存是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵[18],黔南地區(qū)牛蹄塘組下伏發(fā)育有厚度較大的硅質(zhì)巖層，相對于黔北，更有利于牛蹄塘組頁巖氣的保存，以及頁巖氣開采壓裂過程中避免壓穿地下水。

圖2 牛蹄塘組巖石掃描電鏡下結(jié)構(gòu)

2 有機地球化學(xué)參數(shù)

2.1 總有機碳含量（TOC）

據(jù)美國頁巖氣藏泥巖總有機碳含量與含氣性之間關(guān)系統(tǒng)計，含氣量與總有機碳含量有明顯的正相關(guān)關(guān)系[19-20]。陳踐發(fā)等根據(jù) TOC 的變化對暗色泥巖進行分類，認為 TOC ＜ 0.4% 為非烴源巖，TOC ＞ 0.4%達到烴源巖標準，其中 TOC 在 0.6%～1% 為中等烴源巖，TOC ＞ 1% 為好烴源巖[21]。

針對麻頁1井牛蹄塘組取樣53件，其中第一段取樣 43 件，第二段取樣 10 件。第一段頁巖樣品TOC 在 0.39%～5.35% 之 間， 平 均 為 3.19%， 僅 個別數(shù)據(jù)低于 1%，一般在 1%～5% 之間，絕大部分達到好烴源巖的標準，在 1300～1417m 之間 TOC 均大于 2%，一般在 3%～5% 之間，是牛蹄塘組 TOC 較高并連續(xù)性較好的頁巖段；第二段 10 件頁巖樣品 TOC在 0.37%～1.27% 之間，平均為 0.69%，總體含量較低?？v向上頁巖 TOC 具有從下向上降低的趨勢，上部頁巖TOC普遍較低，反映受沉積環(huán)境影響明顯。

2.2 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度的測定方法有鏡質(zhì)組反射率（Ro，%）法、巖石熱解峰溫（法、可溶有機質(zhì)參數(shù)法等[22-23]。自 20 世紀 70 年代以來，鏡質(zhì)組反射率法被廣泛使用，該方法也是本項目所采用的測試方法。但由于寒武紀時期缺乏鏡質(zhì)組，因此采用固體瀝青反射率（Rb）換算為鏡質(zhì)組反射率（Ro）的方法來表征牛蹄塘組的成熟度，計算公式為：R=0.3195+0.6790R[24]。對麻頁1井牛蹄塘組頁巖自上而下取樣7件，分析結(jié)果顯示，Rb在 1.82%～3.18% 之間，平均為 2.56%，換算后Ro在 1.56%～2.48% 之間，平均為 2.06%，總體處于過成熟階段早期。根據(jù)美國頁巖氣開發(fā)盆地資料，其頁巖有 機 質(zhì) Ro在 0.4%～1.88% 之 間[25]； 中國重慶涪陵地區(qū)志留系龍馬溪組 JY1 井產(chǎn)氣量較高，其龍馬溪組頁巖有機質(zhì) Ro在 2.2%～3.1% 之間[26-27]。黔南麻江地區(qū)牛蹄塘組與以上成功進行頁巖氣開發(fā)的頁巖成熟度相當(dāng)。

2.3 有機質(zhì)類型

由于黔南地區(qū)寒武系牛蹄塘組演化程度較高，本次采用顯微組分分析法分析牛蹄塘組黑色頁巖有機質(zhì)類型。根據(jù)干酪根在顯微鏡下的特征，牛蹄塘組黑色頁巖干酪根顯微組分以腐泥組為主，殼質(zhì)組和惰質(zhì)組次之。其中腐泥組主要為腐泥無定形體成分；殼質(zhì)組主要為腐殖無定形體，含少量殼質(zhì)碎屑體；惰質(zhì)組顯示為絲質(zhì)體，類型指數(shù)為 91～98。統(tǒng)計結(jié)果表明牛蹄塘組黑色頁巖具有Ⅰ型干酪根特征，與前人的研究結(jié)果一致[28-29]。

3 儲層物性

3.1 礦物組成

對麻頁1井牛蹄塘組黑色頁巖采樣進行全巖X射線衍射及黏土礦物分析，結(jié)果表明除個別樣品碳酸鹽含量較高外，其余頁巖樣品主要由石英、斜長石和黏土礦物組成，并含有一定量的白云石和黃鐵礦，含少量的鉀長石和菱鐵礦；個別樣品方解石、白云石含量可達50%以上，從而導(dǎo)致石英、長石和黏土礦物含量較低。石英含量一般在 29.03%～49.87% 之間，平均為 41.97%，黏土礦物含量一般在 9.41%～47.18%，平 均 為 23.06%； 斜 長 石 含 量 在 3.71%～27.07% 之間，平均為 17.98%。黏土礦物主要由伊利石和伊 /蒙混層組成，伊利石占黏土礦物的 40%～75%，伊 /蒙混層占 8%～49%，并見少量的高嶺石和綠泥石。礦 物 組 成 成 分 可 以 初 步 反 映 頁 巖 的 脆 性 特 征[30]，牛蹄塘組黑色頁巖脆性礦物（不含方解石）含量在48.87%～88.56% 之間，平均為 71.58%，從上往下脆性礦物含量具略顯增高的趨勢，總體來說脆性礦物含量較高，易于壓裂改造。

3.2 孔隙度和滲透率

通過對麻頁1井牛蹄塘組黑色頁巖采樣，利用脈沖法分析孔隙度和滲透率，結(jié)果顯示牛蹄塘組黑色頁巖孔隙度在 1.13%～1.88% 之間，平均為 1.66%；滲 透 率 一 般 在 0.0011～0.0082mD 之 間， 平 均 為0.0071mD，牛蹄塘組黑色頁巖縱向上孔隙度和滲透率沒有明顯的變化，表現(xiàn)出低孔、低滲的顯著特征。孔隙度和滲透率相關(guān)性分析顯示，牛蹄塘組黑色頁巖孔隙度和滲透率具明顯的正相關(guān)性（圖3）。

圖3 麻頁 1 井牛蹄塘組黑色頁巖孔隙度與滲透率關(guān)系圖

3.3 微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征

頁巖儲層比較復(fù)雜，對微觀孔隙的觀察是研究頁巖氣富集的基礎(chǔ)[31]。利用掃描電鏡及氬離子拋光觀察牛蹄塘組黑色頁巖儲層微觀特征，顯示牛蹄塘組黑色頁巖內(nèi)粉砂顆粒間普遍填充有機質(zhì)，有機質(zhì)分散性強（圖4a），顆粒細小，頁巖整體結(jié)構(gòu)致密，孔隙相對不發(fā)育，僅在黏土礦物與骨架礦物顆粒間偶見少量微裂縫（圖4b）。掃描電鏡下黏土礦物及其粒間發(fā)育的裂縫直徑多小于 1μm，裂縫內(nèi)可見其他礦物充填（圖5）。采用壓汞和低溫氮氣吸附分析，毛細管壓力曲線特征如圖6所示，其曲線綜合形態(tài)表明牛蹄塘組黑色頁巖孔喉比小，退汞效率較低，孔喉連通性較差，孔喉半徑主要在 0～0.1μm 之間，占95.46%。氮氣吸附曲線反映牛蹄塘組黑色頁巖總體具細孔喉、分選差的微孔微喉型孔隙結(jié)構(gòu)（圖7）；比 表 面 積 較 小， 在 1.765～5.040m2/g 之 間， 平 均為 3.84m2/g； 孔 容 為 0.0015～0.10mL/g， 平 均 為0.065mL/g。總體上，牛蹄塘組黑色頁巖以中孔隙、低孔容、比表面積偏小為特征。

圖4 麻頁 1 井牛蹄塘組黑色頁巖儲層微觀特征

圖5 麻頁 1 井牛蹄塘組黑色頁巖掃描電鏡下裂縫發(fā)育特征I—伊利石；Or—正長石；Q—石英；Pr—黃鐵礦；Do—白云石；I/S—伊 / 蒙混層

圖6 麻頁 1 井牛蹄塘組黑色頁巖壓汞毛細管壓力曲線

圖7 麻頁 1 井牛蹄塘組黑色頁巖氮氣吸附、脫附曲線

4 含氣性

本次通過對巖心采用常溫、低溫和高溫進行現(xiàn)場解吸獲得現(xiàn)場解吸氣量，再通過線性關(guān)系計算損失氣量，并通過對巖心粉碎充分解吸獲得殘余氣，將三者相加得到總含氣量[32]。

對麻頁 1井牛蹄塘組頁巖完成現(xiàn)場解吸 51件樣品，其中第一段解吸樣品 22 件，第二段解吸樣品 31件。 第 一 段 總 含 氣 量 在 0.04～1.13m3/t 之 間， 平均為 0.38m3/t，從上往下總含氣量具逐漸降低的特征；第二段總含氣量在 0.02～0.55m3/t 之間，平均為 0.15m3/t，與第一段相似，從上往下總含氣量也逐漸降低，但含氣量明顯較第一段低。在第一段頂部 1285.23～1340.5m 之 間 顯 示 總 含 氣 量 較 好， 在0.2～1.13m3/t 之間，平均為 0.58m3/t。

通過分析牛蹄塘組頁巖現(xiàn)場解吸氣樣，頁巖氣組 分 以 CH4為主，此外還有部分 N2及少量 C2H6、C3H8、CO2和 O2。 其 中 CH4含 量 較 高， 峰 值 達 到74.9%，平均含量為 57.8%；N2次之，平均含量為37.5%；其余組分含量之和一般小于 5%。

5 結(jié)語

黔南地區(qū)寒武系牛蹄塘組黑色頁巖厚度一般大于90m，且牛蹄塘組下伏地層為一套硅質(zhì)巖，相對于黔北地區(qū)厚度更大，也具更有利的底板封蓋條件。黔南地區(qū)牛蹄塘組可分為兩段，其中第一段主要為黑色碳質(zhì)頁巖，也是該地區(qū)主要的頁巖氣目標層段，該段黑色頁巖有機地球化學(xué)條件優(yōu)越，TOC一般在1%～5%之間，成熟度較為適中，脆性礦物含量高，儲層較為致密，微觀裂縫、孔隙相對不發(fā)育，具明顯的低孔低滲特征。麻頁1井揭示牛蹄塘組頁巖含氣量可達1.13m3/t，氣體組分以甲烷為主，揭示了黔南地區(qū)牛蹄塘組有較好的頁巖氣顯示，頁巖氣勘探前景較好。

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Shale characteristics and shale gas exploration prospect in Cambrian Niutitang Formation in Well MY-1, southern Guizhou

Lu Shufan1,2, Chen Houguo2
(1 College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University; 2 Guizhou Provincial Geological Survey)

The Cambrian Niutitang Formation in southern Guizhou is very thick, and has well-developed fl oor with relatively effective sealing capacity. This formation can be divided into two sections. The fi rst section, the primary target of shale gas, is composed of black carbonaceous shale of semi-deep and deep water continental shelf facies interbedded with siltstone, 99 m thick. The second section is composed of gray siltstone and shale of shallow-water continental shelf facies, 165m thick. Sampling analysis was made on Well MY-1, the only shale gas exploratory well drilled within the Niutitang Formation in southern Guizhou. The results show that the black shale in the fi rst section of the Niutitang Formation reveals the TOC of 0.39%–5.35%, the vitrinite refl ectance (Ro) of 1.56%–2.48% (2.06% on average), and the Type I kerogen with maceral dominated by amorphous sapropelites. The rock contains quartz and clay minerals, with higher content of brittle minerals (generally higher than 50%). Both the porosity and the permeability are low, 1.13%–2.23% and 0.0011-0.0082 mD, respectively. The total gas content is up to 1.13m3/t. Well MY-1 reveals that the Cambrian Niutitang Formation in southern Guizhou has better geological conditions for shale gas reservoirs, and large potential for further exploration of shale gas.

t: southern Guizhou, Niutitang Formation, black shale, organic geochemistry, reservoir properties, gas content

TE122.9

A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.03.010

貴州省頁巖氣大調(diào)查項目“貴州省黔南地區(qū)頁巖氣資源調(diào)查評價”（GZSYYQZYDC2012-003）；中國地質(zhì)調(diào)查局頁巖氣調(diào)查項目“貴州晴隆地區(qū) 1∶5 萬頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查填圖試點”（DD20160182-05）。

盧樹藩（1984-），男，貴州大方人，在讀博士，工程師，主要從事頁巖氣成藏研究工作。地址：貴州省貴陽市烏當(dāng)區(qū)新莊路 198 號貴州省地質(zhì)調(diào)查院，郵政編碼：550018。E-mail:394707498@qq.com

2016-02-24；修改日期：2017-04-05