湖南石門地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣儲層特征及儲集條件分析

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、儲集空間及其吸附性能等方面分析其頁巖氣儲集條件，為系統(tǒng)評價該區(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。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，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，測試的儀器為Ultima IV全自動粉末X射線衍射分析儀。

對測試樣品進(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)，在所測試的12個頁巖樣品中均未檢測到蒙脫石，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層的發(fā)育，脆性礦物的多少則對后期頁巖儲層的可改造項(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)是頁巖氣儲集層評價的一個重要參數(shù)，通常按如下公式計算：

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 頁巖氣儲集物性特征

頁巖的儲集物性對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集空間，因此，預(yù)測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)系游離氣含量和評價頁巖滲透性的主要參數(shù)。利用Ultrapore-200A氦孔隙儀測試孔隙度，對研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組頁巖7個測試樣品的測試結(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)頁巖孔隙度相對中等偏高，且差異較大。

利用ULTRA-PERMTM200滲透率儀測試滲透率。研究區(qū)測試樣品測試結(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 儲集空間

頁巖微孔隙、裂縫是頁巖氣儲集的主要空間，是評價儲集層特征的關(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，可以儲存大量氣體。掃描電鏡觀測結(jié)果顯示(圖5)，研究區(qū)牛蹄塘組微米級粒間孔隙、溶蝕孔隙極為發(fā)育，最大可達(dá)數(shù)十微米；也見少量的納米級有機(jī)孔隙，這些孔隙可為頁巖氣提供充足的儲集空間，也反映了牛蹄塘組優(yōu)質(zhì)的儲集條件。

4 含氣性特征

對研究區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖測試所得的有機(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)。測試結(jié)果表明，牛蹄塘組下段黑色頁巖等溫吸附測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，參照聶海寬等對四川盆地及其周緣下古生界黑色頁巖的含氣量計算方法(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)，滲透率相對較低。有利于含氣頁巖儲層改造后的運(yùn)移。

(3)牛蹄塘組頁巖儲集層發(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)?，但原生孔隙?nèi)表面積大，擁有許多潛在的吸附空間，可以儲存大量氣體，為頁巖氣提供了充足的儲集空間。

(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。