黔北地區(qū)頁巖儲層研究現(xiàn)狀＊

李才平，黃宇琪，袁正明，段再容，曾小鳳

黔北地區(qū)頁巖儲層研究現(xiàn)狀＊

李才平，黃宇琪，袁正明，段再容，曾小鳳

（六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553000）

黔北地區(qū)是中國頁巖氣資源勘探重要的有利目標(biāo)區(qū)，現(xiàn)階段，人們對于黔北地區(qū)頁巖儲層的研究取得了一定進(jìn)展。為探究黔北地區(qū)頁巖儲層特征，重點(diǎn)研究了黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖層系，系統(tǒng)梳理了頁巖儲層研究方法及黔北地區(qū)兩套潛質(zhì)頁巖層次儲層特征，并為黔北地區(qū)頁巖儲層中存在的問題提出建議。

頁巖儲層；黔北；頁巖氣；儲層研究

1 引言

頁巖氣指在泥頁巖中以吸附或游離狀態(tài)的形式存在的天然氣[1]。北美地區(qū)對頁巖氣的勘探開發(fā)及利用最為成熟。21世紀(jì)初，世界各國受美國“頁巖氣革命”的影響，也加強(qiáng)了對本國頁巖氣資源的研究開發(fā)。中國頁巖氣資源十分豐富，美國能源信息署（EIA）2011年研究報告顯示，中國頁巖氣可采資源量約為31.6萬億立方米，位居世界第一。頁巖氣作為天然氣的一種，是“綠色能源”的重要資源種類，在中國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要位置，在中國未來的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中起著重大作用。頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣資源，頁巖層系具有“生氣”和“儲氣”的雙重功能，但頁巖具有低孔隙度和低滲透率的基本性質(zhì)，這樣的性質(zhì)為天然氣在其中的賦存和運(yùn)移造成了困難，對其儲層性質(zhì)研究也很困難。目前，隨著貴州正安地區(qū)頁巖氣資源勘探實(shí)現(xiàn)局部突破，對于頁巖儲集性質(zhì)及開采難度評價的重要性逐漸凸顯，在落實(shí)頁巖氣資源分布和資源豐度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展儲集條件研究和儲層評價對于實(shí)現(xiàn)頁巖氣資源商業(yè)化開發(fā)具有重要意義。

2 地質(zhì)概況

黔北地區(qū)在地理和行政區(qū)劃上主要指遵義及畢節(jié)金沙地區(qū)。處于上揚(yáng)子地塊南緣，北部緊鄰四川盆地，該地區(qū)的地形構(gòu)造特征主要受喜山期喜馬拉雅造山運(yùn)動和印度洋板塊的俯沖所影響，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的壓性構(gòu)造特征，形成背斜帶平緩寬闊和向斜陡峭狹窄的隔槽式褶皺形變帶[2]。區(qū)內(nèi)基底主要為中、新元古代地層，早古生代海相沉積地層發(fā)育較好，在區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，主要發(fā)育寒武系、奧陶系、志留系及二疊系地層，泥盆系、石炭系地層缺失。目前已經(jīng)揭示的黔北地區(qū)主力潛質(zhì)頁巖層系為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖、硅質(zhì)頁巖及粉砂質(zhì)頁巖為主，埋深多介于0～3 500 m，最大埋深達(dá)到8 000 m以上，平均厚度約為60 m，長石、黃鐵礦、石英等礦物含量豐富，硅質(zhì)礦物含量多大于60%，具有良好的脆性，微裂縫較發(fā)育，有利于開采壓裂。下志留統(tǒng)龍馬溪組巖層巖性以含粉砂炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖，粉砂質(zhì)泥巖、頁巖為主，埋深多介于0～2 000 m，最大埋深超過8 000 m，厚度15～60 m，石英、長石、碳酸鹽巖礦物等脆性礦物含量大于50%，巖石脆性較好，裂縫發(fā)育，有利于水力壓裂改造。

3 成藏條件

黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組及下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖均為海相沉積地層，化石豐富，具有較好的頁巖氣成藏條件。牛蹄塘組頁巖層系（總有機(jī)碳含量）約1.7%～9.6%，大多為高碳（3.0%～4.0%）頁巖至富碳（＞4.0%）頁巖，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，（鏡質(zhì)體反射率）值約為2.0%～3.5%，表明頁巖中有機(jī)質(zhì)達(dá)到過成熟階段，鉆井揭示牛蹄塘組含氣量最高能達(dá)到2.5 m3/t，但其含氣量受保存條件影響很大，埋深較淺或構(gòu)造較為復(fù)雜地區(qū)含氣量常小于0.5 m3/t。下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖層系為0.5%～6%，其中上段有機(jī)質(zhì)豐度較小，多小于1.0%，底部有機(jī)質(zhì)豐度大，基本均大于2.0%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1為主，主體為2.0%～3.5%之間，有機(jī)質(zhì)處于高成熟-過成熟階段，含氣條件較好，常見含氣量大于2.0 m3/t，最大含氣量達(dá)到4.0 m3/t以上，且高含氣量基本均出現(xiàn)于龍馬溪組底部，與有機(jī)質(zhì)豐度呈較好的相關(guān)關(guān)系。

4 儲層研究進(jìn)展

4.1 頁巖儲層特征研究方法

常規(guī)砂巖儲層研究通常采用巖石學(xué)、測井、試井三種方法[3]。頁巖與砂巖雖同屬于碎屑巖類，但其儲層特征與常規(guī)砂巖儲層有所不同。差異性主要體現(xiàn)在孔滲性、吸附能力、孔隙結(jié)構(gòu)等方面。頁巖儲層具有低孔隙度和低滲透率的特征，頁巖與砂巖相比，比表面積更大，氣體吸附能力更強(qiáng)，并且頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)比砂巖更加復(fù)雜。這樣的特點(diǎn)導(dǎo)致多數(shù)常規(guī)砂巖儲層的研究方法并不適用于對頁巖儲層的研究，針對頁巖儲層特點(diǎn)，氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)、掃描電子顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)、高壓壓汞實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)法孔滲測定實(shí)驗(yàn)等一系列實(shí)驗(yàn)方法逐漸在頁巖儲層中被應(yīng)用。

氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)：該方法是在單分子層吸附理論的基礎(chǔ)上開發(fā)推廣的，運(yùn)用氮?dú)庾鳛槲劫|(zhì)測定孔徑和比表面積。氮?dú)馕椒苡糜趯搸r儲層孔徑較小的微孔的研究，該儀器對孔徑表征范圍為0.35～400 nm，適用范圍相對較小，但這一孔徑范圍恰是頁巖儲集空間中十分重要的組成部分，因此，該方法近年來在頁巖儲層研究中被廣泛應(yīng)用。

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)：常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)無法突破頁巖孔隙毛管壓力，不適用于頁巖儲層研究[4]。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)原理是運(yùn)用高壓壓汞儀將巖心內(nèi)空氣抽出使其處于真空狀態(tài)，保持干燥，注入水銀，水銀侵入的孔徑是所加壓力的函數(shù)，可以得出毛細(xì)壓力和巖石含汞飽和度曲線?？讖綔y量范圍0.003～1 000 μm，運(yùn)用此法可以得到孔隙微觀結(jié)構(gòu)特征和孔體積。該法缺點(diǎn)是樣品無法回收，操作需謹(jǐn)慎防止汞中毒。

場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）技術(shù)：該技術(shù)是利用電子束掃描樣品表面從而產(chǎn)生各種物理信息，收集這些信息后轉(zhuǎn)化成圖像，最終通過這些圖像數(shù)據(jù)可以很好觀察到頁巖儲層形貌特征。最新的場發(fā)射掃描電鏡技術(shù)分辨率可達(dá) 0.1 nm，可較好觀察頁巖孔隙，但該技術(shù)會對細(xì)小巖樣造成破壞。

透射電子顯微鏡（TEM）技術(shù)：與SEM掃描樣品表面特征不同，該技術(shù)使用透射電子穿透樣品，從而得到樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)信息、形態(tài)。TEM的分辨率可達(dá)0.2 nm，可較好觀察頁巖孔隙的特征。但TEM樣品厚度需達(dá)到10～100 nm，需使用配套的高精度制樣設(shè)備，制樣難度較大，且一些結(jié)構(gòu)疏松、易碎樣品無法制成符合要求的樣品，從而無法使用該技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究。

穩(wěn)態(tài)法孔滲測試實(shí)驗(yàn)：運(yùn)用該法可測得儲層滲透率值，基于油氣穩(wěn)定流動時的達(dá)西公式。穩(wěn)態(tài)法優(yōu)點(diǎn)是操作原理和方法較為簡單，測得滲透率值較為準(zhǔn)確，但該實(shí)驗(yàn)對裝置的密封性要求高。

4.2 黔北地區(qū)頁巖儲層特征

4.2.1 牛蹄塘組

牛蹄塘組頁巖無機(jī)質(zhì)孔以石英、黃鐵礦晶間孔為主，孔徑20 nm～2 μm均可見；由于牛蹄塘組頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高且有機(jī)質(zhì)成熟度高，有機(jī)質(zhì)孔十分發(fā)育，是其儲集空間的重要組成部分，主要發(fā)育蜂窩狀有機(jī)質(zhì)孔，也可見海綿狀、球狀、橢球狀或不規(guī)則狀，孔徑主要介于5 nm～0.3 μm之間，微裂縫可見發(fā)育于顆粒邊緣的收縮縫，也可見構(gòu)造裂縫。通過氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黔北地區(qū)牛蹄塘組頁巖中孔徑3～5 nm的孔隙是主要的儲集空間，頁巖孔隙以中孔（2～50 nm）為主，頁巖比表面積介于5.64～28.29 cm2/g之間，比表面積較高，具有較強(qiáng)的氣體吸附能力。通過高壓壓汞實(shí)驗(yàn)分析得出其孔隙度分布范圍為1.3%～25.6%，平均為8.24%。穩(wěn)態(tài)法測得滲透率分布范圍為0.002 2×10-3～1.26×10-3μm2，平均為0.127×10-3μm2[5]，基本為低孔低滲儲層，但由于頁巖中有機(jī)質(zhì)孔特別發(fā)育，且脆性較強(qiáng)，微裂縫十分發(fā)育，這些孔縫有效提高了牛蹄塘組頁巖的儲集能力。

4.2.2 龍馬溪組

龍馬溪組頁巖硅質(zhì)礦物含量略低于牛蹄塘組，無機(jī)孔以石英、黃鐵礦晶間孔，粘土礦物粒內(nèi)孔為主；其有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度均略低于牛蹄塘組，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育情況稍遜于牛蹄塘組，但總體也較為發(fā)育，以海綿狀有機(jī)質(zhì)孔為主，也可見橢球狀、不規(guī)則狀有機(jī)質(zhì)孔，孔徑2 nm～1 μm均可見；微裂縫多為有機(jī)質(zhì)邊緣收縮縫，也可見構(gòu)造裂縫。氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)揭示黔北龍馬溪組頁巖以中孔為主，是主要的儲集空間，比表面積平均值達(dá)到13.270 m2/g，稍大于牛蹄塘組頁巖，這是由于龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育且粘土礦物含量略高于牛蹄塘組頁巖，而粘土礦物多呈現(xiàn)層狀形態(tài)，表面積很大，能夠有效提高頁巖的吸附能力[6]。高壓壓汞實(shí)驗(yàn)測得頁巖孔隙度約0.60%～6.0%，平均為4.35%。穩(wěn)態(tài)法測得滲透率為0.003 0×10-3～0.019 6×10-3μm2，平均為0.009 8×10-3μm2，為較典型的低孔-低滲儲層。

5 前景及方向

5.1 加強(qiáng)頁巖壓裂技術(shù)攻關(guān)，提高頁巖儲層產(chǎn)能

解決頁巖氣開采困難的問題，要克服儲層低孔低滲的特點(diǎn)。世界范圍內(nèi)包括中國開采頁巖氣主要運(yùn)用水力壓裂技術(shù)。但對于不同的頁巖儲層，其滲透率以及內(nèi)部環(huán)境各有不同，想要提高頁巖氣開采率必須對儲層內(nèi)部條件進(jìn)行改造，再配套壓裂技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，黔北地區(qū)儲層埋深相對較大，外部構(gòu)造條件復(fù)雜，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在油氣滲透率低，流動性差且在開采時易揮發(fā)等諸多問題。能否解決在大埋深、復(fù)雜地質(zhì)條件、復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)條件下的有效壓裂，是未來黔北地區(qū)頁巖氣資源能否實(shí)現(xiàn)突破的關(guān)鍵問題之一。

5.2 嘗試探索新層系

頁巖氣除原地聚集于生氣源巖層系外，也可能發(fā)生短距運(yùn)移。黔北地區(qū)龍馬溪組和牛蹄塘組兩套地層雖具有良好的生烴條件，但開采難度較大，在目前沒有解決方法的背景下，可以嘗試以兩套烴源巖為核心，尋找新的頁巖儲氣層。黔北地區(qū)地層發(fā)育多套頁巖層系，這為尋找新的儲氣巖層提供了可能性。

［1］張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布［J］.天然氣工業(yè)，2004（7）：15-18，131-132.

［2］梁興，葉熙，張介輝，等.滇黔北下古生界海相頁巖氣藏賦存條件評價［J］.海相油氣地質(zhì)，2011，16（4）：11-21.

［3］谷江銳，劉巖.國外致密砂巖氣藏儲層研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.國外油田工程，2009，25（7）：1-5.

［4］楊峰，寧正福，胡昌蓬，等.頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征［J］.石油學(xué)報，2013，34（2）：301-311.

［5］李娟，于炳松，張金川，等.黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖儲層特征及其影響因素［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2012，33（3）：364-374.

［6］申浩冉，丁文龍，谷陽，等.黔北鳳岡地區(qū)龍馬溪組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征［J］.斷塊油氣田，2019，26（4）：480-485.

李才平（1998—），男，四川樂山人，本科，就讀于六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院地質(zhì)工程專業(yè)。

黃宇琪（1990—），女，江蘇常熟人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)就職于六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院，從事非常規(guī)油氣研究工作。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“六盤水地區(qū)頁巖氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究”（編號：201910977006）；六盤水師范學(xué)院校級基金項(xiàng)目“六盤水師范學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”（編號：LPSSYKJTD201902）；六盤水師范學(xué)院校級基金項(xiàng)目“地質(zhì)工程校級重點(diǎn)學(xué)科”（編號：LPSSYZDXK201802）

2095－6835（2021）06－0149－02

P618.13

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.061

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕