渝东南地区页岩气富集区差异性分布成因

唐相路，姜振学，张莺莺，高甜，黄何鑫，冯洁，姚立邈

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 2.中国石油大学(北京) 非常规天然气研究院，北京 102249； 3.重庆地质矿产研究院 页岩气所，重庆 400042)

渝东南地区页岩气富集区差异性分布成因

唐相路1，2，姜振学1，2，张莺莺3，高甜1，2，黄何鑫1，2，冯洁1，2，姚立邈1，2

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 2.中国石油大学(北京) 非常规天然气研究院，北京 102249； 3.重庆地质矿产研究院 页岩气所，重庆 400042)

为了揭示我国南方海相页岩分布广泛，但含气性差异巨大的原因，选取渝东南地区五峰组—龙马溪组页岩含气量不同的2个典型井区A井区和B井区进行对比分析，结果表明：含气量高的A井区页岩具有有机碳含量高、成熟度高的特点，而含气量低的B井区页岩具有有机碳含量低、成熟度相对低的特点；A井区页岩具有伊/蒙混层含量低、比表面积大、有机质孔十分发育的特点，而B井区页岩具有伊/蒙混层含量高、比表面积小、有机质孔发育较少、矿物溶蚀孔十分发育的特点；A井区页岩裂缝基本不发育，而B井区页岩裂缝十分发育。因此，A井区生烃条件、储集条件和保存条件均优于B井区，是页岩气富集于A井区而未富集于B井区的原因。预测页岩气地质甜点需综合考虑生烃条件、储集条件和保存条件，三者相匹配是页岩气成藏的关键。

生烃条件；储集条件；保存条件；页岩气；渝东南地区

在四川盆地及其周缘地区，重庆涪陵、四川长宁—威远、滇黔北昭通等国家级页岩气示范区的建立，对页岩气的勘探开发起着重要的推动作用[1-3]。南方海相页岩具有普遍含气，但富集程度在横向和垂向上非均质性极强的特点，导致预测页岩气藏分布极其困难[4-5]。国内外大量的研究表明页岩中游离气量主要取决于孔隙度和含气饱和度，吸附气量主要取决于有机碳含量、有机质成熟度、比表面积与地层压力等[6-9]。然而，页岩含气性的研究多数是基于模拟实验及区域性评价，缺少实际井区含气性的对比分析[10-11]。随着勘探开发的不断推进，使得页岩气富集区差异性分布对比成为可能。对同一地区不同含气量的井区进行综合对比分析是认识页岩气富集差异特征及成因的行之有效的思维方法，对指导页岩气勘探具有十分重要的现实意义。

1 样品及实验方法

1.1 地质背景及样品

渝东南地区位于四川盆地周缘的东南部，地质构造属于扬子准地台上扬子台内坳陷构造单元，主要发育金佛山凸起褶皱带、七曜山凸起褶皱带、黔江凹陷褶皱带和秀山凸起褶皱带四级构造单元[12-13](图1)。该地区奥陶—志留系五峰组及龙马溪组主要沉积了一套厚度40～200 m的页岩，主要为深水陆棚和浅水陆棚沉积[14]。该套页岩具有普遍含气的特点，然而页岩气富集程度却存在很大差异[15-16]。A井区五峰组—龙马溪组页岩位于武隆青杠向斜北西翼，顶部埋深约650 m，地层厚度约110 m。B井区龙马溪组页岩位于车田向斜西翼，顶部埋深约700 m，地层厚度约80 m。A井区和B井区宏观地质特征极其相似，均位于向斜翼部，沉积环境相同，地层下部为深水陆棚沉积，上部为浅水陆棚沉积，沉积厚度和埋藏深度也都十分接近，但含气量相差很大，A井现场解析气量平均为1.2 m3/t，B井现场解析气量平均为0.1 m3/t。因此，A井区和B井区可作为研究页岩气富集区差异性分布的典型地区进行对比分析。

针对A井和B井五峰组—龙马溪组页岩进行了全井段取心，为进行详细的岩心观察提供基础。为了全面认识和分析页岩气富集程度差异特征及原因，对A井和B井五峰组—龙马溪组页岩全井段进行了现场解析和岩心实验分析(表1)。样品全部为新鲜岩心，因此实验数据更能反映地下真实地质情况。

1.2 实验方法

为了确定页岩含气性特征，进行了现场解析实验，仪器型号为KD-Ⅲ页岩气现场解析仪，由中国石油大学(北京)研制。页岩气可分为解析气、损失气和残余气[17]。页岩残余气量低，基本不具备工业开采价值。损失气量恢复精度不高，可信度较低。现场解析气量可以进行精确测量，并可收集进行地球化学分析，是最为可靠的评价页岩含气性的指标[11]。A井和B井采用密闭取心，损失气量可以忽略。因此，本文采用解析气量进行分析可以更加准确真实地评价页岩气富集差异。

为了分析页岩有机地球化学特征，进行了总有机碳(TOC)测定、镜质体反射率(Ro)测定等实验。为了分析页岩储集特征，进行了全岩矿物X-衍射分析、黏土矿物X-衍射分析、岩石薄片鉴定、扫描电镜(SEM)分析、比表面-孔径分布联合测试、脉冲式岩石孔隙度和渗透率测试等实验(表1)。以上实验均在国土资源部重庆矿产资源监督检测中心完成。

表1 A井区与B井区页岩实验分析样次

2 实验结果及讨论

2.1 现场解析含气量特征分析

对A井和B井分别进行了现场解析实验，统计发现A井与B井现场解析含气量差异非常明显(图2)。A井解析气量0.4～3.0 m3/t，平均1.2 m3/t，含气性较好。B井解析气量0～0.3 m3/t，平均0.1 m3/t，含气性较差。

2.2 有机地球化学特征分析

对于高演化程度的页岩，有机质丰度指标一般采用TOC质量分数表示，生烃潜量和氯仿沥青“A”已经基本失去了其地球化学意义[18]。研究表明优质烃源岩的TOC质量分数应大于2%，而将烃源岩TOC质量分数的下限定为0.5%[19]。对于有工业意义的页岩气藏，有机碳质量分数一般要大于1%[20]。

A井区和B井区样品的TOC分析表明，A井区有机碳含量整体较高，质量分数主要集中于1.0%～2.5%，平均为2.2%，可作为优质烃源岩。B井区有机碳含量偏低，质量分数主要集中于0～1.5%，平均为1.1%(图2)。因此，A井区和B井区均具有大量生成油气形成页岩气藏的可能。此外，A井区TOC质量分数明显高于B井区，具有更加优越的物质基础形成页岩气藏。

A井区和B井区干酪根类型均以I型为主。A井页岩的等效镜质体反射率(等效镜质体反射率计算公式为Ro=0.618Rb+0.4，Rb为沥青反射率[21])平均为2.8%，B井的Ro平均为1.9%(图2)。北美页岩气商业开发地区页岩Ro平均为1.92%[22]， 因此B井处于页岩气成藏的有利阶段。由此可见，从成熟度角度来看，B井要比A井更加有利于页岩气的大量生成，含气性应该更好。

图2 A井区与B井区综合评价柱状图

页岩的解析气量与TOC含量具有很好的正相关关系(图3)。因此，对于A井区和B井区来说，TOC质量分数越高，含气量越高。B井区存在TOC质量分数大于2.0%但含气量很低的几个点，说明B井区页岩含气量受其他因素的影响较大。

综合有机碳含量、有机质类型、成熟度等有机地球化学特征，可以得出A井区和B井区具有相同的有机质类型，有机碳质量分数高的A井区含气量高，且没有因为成熟度过高而导致含气量减少。因此，有机碳质量分数对页岩含气量的影响最大，成熟度的作用在此并不明显。

图3 A井区与B井区页岩解析气量与有机碳质量分数相关性

2.3 储层特征分析

2.3.1 矿物组成 A井区和B井区矿物组成均以石英、长石为主，平均质量分数分别约占51.1%和54.6%。黏土矿物次之，平均质量分数分别约为31.8%和28.8%。碳酸盐矿物质量分数最低，均不超过25.0%(图4(a))。A井区和B井区黏土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主，其次是绿泥石(图4(b))。不同的黏土矿物对CH4的吸附能力明显不同，对CH4吸附能力依次为蒙脱石、伊/蒙混层、高岭石、绿泥石、伊利石[23]。B井区伊/蒙混层的质量分数明显高于A井区，而伊利石质量分数比A井区低(图4(b))。因此，B井区黏土矿物的吸附能力高于A井区，更加有利于CH4的吸附聚集。

图4 A井区与B井区页岩全岩矿物和黏土矿物组成特征

2.3.2 比表面积 页岩比表面积越大，可吸附天然气量越多[23]。页岩解析气量与比表面积具有很好的正相关性(图5)。随着比表面积的增大，解析气量逐渐增加。A井区页岩比表面积为7.2～23.3 m2/g，平均14.1 m2/g，远大于B井区页岩比表面积的平均值5.2 m2/g。因此，A井区的吸附能力要高于B井区，具有更大的吸附CH4的潜力。

图5 A井区与B井区页岩解析气量与比表面积相关性

2.3.3 储层物性 A井区和B井区页岩均具有低孔低渗的特征，平均孔隙度均为0.33%，渗透率低于0.1×10-3μm2。解析气量与孔隙度和渗透率的相关性很差(图6)， 说明这种低孔低渗的页岩孔隙度和渗透率不再是影响解析气量的主要因素。此外，A井区的平均孔直径为5.2 nm，B井区的平均孔直径为6.6 nm(图2)。这种低孔低渗低孔直径的特点决定了页岩气易保存、不易散失的特性。整体来看，A井区和B井区的微观保存条件均较好。

图6 A井区与B井区页岩解析气量与孔隙度及渗透率相关性

2.3.4 微观孔隙结构 通过扫描电镜观察，发现A井区页岩微观孔隙比较发育，尤其是有机质孔非常发育(图7(a)、图7(b))。B井区的有机质孔明显少于A井区，并且有机质孔的类型也不一样(图7(c)、图7(d))。B井区矿物溶蚀孔明显比A井区多(图7(e)—图7(h))。A井区以有机质孔为主，说明A井区更有利于烃类的生成与聚集。B井区以矿物溶蚀孔为主，说明可能曾经有酸性流体侵入，烃类发生过运移、散失。因此，A井区的含气性要比B井区的好。

图7 A井区和B井区页岩微观结构及岩心特征

2.4 宏观保存条件分析

裂缝是影响自生自储含气页岩宏观保存的主要因素[24]。裂缝对页岩含气性具有双重作用，一方面裂缝的发育有利于页岩孔隙的增加，进而增大游离气量。另一方面，裂缝的过度发育可能会导致页岩气的散失，不利于页岩气的保存[25]。对A井区和B井区的岩心观察表明，A井区岩心相对完整，裂缝发育较少(图7(i)、图7(j))。B井区岩心裂缝十分发育，尤其是龙马溪组下段和五峰组，岩心发育大量裂缝，并被方解石或石英充填(k)、图7(l))。B井区岩心常见揉皱、碎裂、摩擦光面等构造变动特征(图7(k))，表明曾经历过大的构造运动破坏，而A井区岩心基本未受构造变动影响。由此可知，A井区岩心自身保存条件相对较好。

2.5 页岩气勘探启示

我国南方海相页岩具有时代老、分布广、地层厚、构造复杂等特点[26]，页岩气勘探时要充分考虑页岩的生烃条件、储集条件和保存条件。页岩的生烃条件决定了页岩气能否大量生成，储集条件决定了页岩气能否大规模成藏，保存条件是页岩气大量生成后能否保留至今的决定性因素。页岩气藏具有自生自储的特点，其成藏是一个生成与散失的动态过程[27]。如果没有较好的页岩气保存条件，天然气藏最终会由于散失而破坏掉。因此，只有生烃条件、储集条件和保存条件相匹配，页岩气才有可能成藏，成为勘探的地质甜点。渝东南地区五峰组—龙马溪组地层的生烃条件、储集条件和保存条件差异性较大，页岩储层横向非均质性分布很强(表2)。现今五峰组—龙马溪组地层主要保留在向斜构造的山区地带，对每个向斜构造区进行生-储-保匹配，寻找生烃、储集和保存条件均较好的地区是下一步勘探的方向。

表2 A井区与B井区页岩气富集条件综合评价

3 结 论

(1)A井区页岩TOC含量高，成熟度高，干酪根以Ⅰ型为主，具有较好的生烃条件。页岩矿物组成以石英和长石为主，比表面积大，有机质孔十分发育，具有较好的储集条件。页岩孔隙度和渗透率低，裂缝基本不发育，保存条件较好。因此，A井区页岩气富集程度好。

(2)B井区页岩TOC质量分数低，成熟度相对低，干酪根以Ⅰ型为主，生烃条件相对较差。页岩矿物组成中伊/蒙混层含量较高，但比表面积小，有机质孔发育较少，矿物溶蚀孔十分发育，储集条件相对较差。页岩裂缝十分发育，保存条件不好。因此，B井区页岩气富集程度差。

(3)生烃条件、储集条件和保存条件共同控制了A井区和B井区页岩气富集程度的差异，生-储-保匹配的区域是未来勘探的重点。

[1] 方朝合,黄志龙,王巧智,等.富含气页岩储层超低含水饱和度成因及意义[J].天然气地球科学,2014,25(3):471-476. FANG Chao-he,HUANG Zhi-long,WANG Qiao-zhi,et al.Cause and significance of the ultralow water saturation in gas-enriched shale reservoir[J].Natural Gas Geoscience,2014,25(3):471-476.

[2] 郭彤楼,张汉荣.四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集高产模式[J].石油勘探与开发,2014,41(1):28-36. GUO Tong-lou,ZHANG Han-rong.Formation and enrichment mode of Jiaoshiba shale gas field,Sichuan Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2014,41(1):28-36.

[3] 梁兴,张廷山,杨洋,等.滇黔北地区筇竹寺组高演化页岩气储层微观孔隙特征及其控制因素[J].天然气工业,2014,34(2):18-26. LIANG Xing,ZHANG Ting-shan,YANG Yang,et al.Microscopic pore structure and its controlling factors of overmature shale in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation,northern Yunnan and Guizhou provinces of China [J].Natural Gas Industry,2014,34(2):18-26.

[4] 黄金亮,邹才能,李建忠,等.川南志留系龙马溪组页岩气形成条件与有利区分析[J].煤炭学报,2012,37(5):782-787. HUANG Jin-liang,ZOU Cai-neng,LI Jian-zhong,et al.Shale gas accumulation conditions and favorable zones of Silurian Longmaxi Formation in south Sichuan Basin,China [J].Journal of China Coal Society,2012,37(5):782-787.

[5] 聂海宽,张金川,包书景,等.页岩气成藏体系研究：以四川盆地及其周缘下寒武统为例[J].西安石油大学学报:自然科学版,2012,27(3):8-14. NIE Hai-kuan，ZHANG Jin-chuan,BAO Shu-jing,et al.Study on the accumulation systems of shale gas:taking the lower Cambrian in Sichuan Basin and its periphery as an example[J].Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science Edition,2012,27(3):8-14.

[6] Ross D J K,Marc B R.The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs[J].Marine and Petroleum Geology,2009,26(6):916-927.

[7] 林腊梅,张金川,唐玄,等.南方地区古生界页岩储层含气性主控因素[J].吉林大学学报:地球科学版,2012,42(2):88-93. LIN La-mei,ZHANG Jin-chuan,TANG Xuan,et al.Gas-bearing characteristics of Paleozoic gas shale reservoir in South China[J].Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2012,42(2):88-93.

[8] 边瑞康,武晓玲,包书景,等.美国页岩油分布规律及成藏特点[J].西安石油大学学报:自然科学版,2014,29(1):1-9. BIAN Rui-kang,WU Xiao-ling,BAO Shu-jing,et al.Distribution law and reservoir forming characteristics of shale oil in America[J].Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science Edition,2014,29(1):1-9.

[9] HAO Fang,ZOU H,LU Y.Mechanisms of shale gas storage:Implications for shale gas exploration in China[J].AAPG Bulletin,2013,97(8):1325-1346.

[10] 王社教,杨涛,张国生,等.页岩气主要富集因素与核心区选择及评价[J].中国工程科学,2012,14(6):94-100. WANG She-jiao,YANG Tao,ZHANG Guo-sheng，et al.Shale gas enrichment factors and the selection and evaluation of the core area[J].Engineering Sciences,2012,14(6):94-100.

[11] 王杰,秦建中,饶丹,等.不同类型页岩富集烃气能力模拟实验及微观结构特征研究[J].天然气地球科学,2013,24(4):652-658. WANG Jie,QIN Jian-zhong,RAO Dan,et al.Microstructure and simulation experiments of extracted gas capability in different types of shale[J].Natural Gas Geoscience,2013,24(4):652-658.

[12] 谢忱,张金川,李玉喜,等.渝东南渝科1井下寒武统富有机质页岩发育特征与含气量[J].石油与天然气地质,2013,34(1):11-15. XIE Chen,ZHANG Jin-chuan,LI Yu-xi,et al.Characteristics and gas content of the Lower Cambrian darkshalein Well Yuke1，Southeast Chongqing[J].Oil & Gas Geology 2013,34(1):11-15.

[13] 毕赫,姜振学,李鹏,等.渝东南地区龙马溪组页岩吸附特征及其影响因素[J].天然气地球科学,2014,25(2):302-310. BI He,JIANG Zhen-xue,LI Peng,et al.Adsorption characteristic and influence factors of Longmaxi shale in southeastern Chonqing[J].Natural Gas Geoscience,2014,25(2):302-310.

[14] 李一凡,樊太亮,高志前,等.渝东南地区志留系黑色页岩层序地层研究[J].天然气地球科学,2012,23(2):299-306. LI Yi-fan,FAN Tai-liang,GAO Zhi-qian,et al.Sequence stratigraphy of Silurian black shale and its distribution in the southeast area of Chongqing[J].Natural Gas Geoscience,2012,23(2):299-306.

[15] 韩双彪,张金川,邢雅文,等.渝东南下志留统龙马溪组页岩气聚集条件与资源潜力[J].煤炭学报,2013,38(1):168-173. HAN Shuang-biao,ZHANG Jin-chuan,XING Ya-wen,et al.Shale gas accumulation conditions and resource potential of the Lower Silurian Longmaxi Formation in southeast Chongqing[J].Journal of China Coal Society,2013,38(1):168-173.

[16] 张琴,刘洪林,拜文华,等.渝东南地区龙马溪组页岩含气量及其主控因素分析[J].天然气工业,2013,33(5):35-39. ZHANG Qin,LIU Hong-lin,BAI Wen-hua,et al.Shale gas content and its main controlling factors in Longmaxi shales in southeastern Chongqing[J].Natural Gas Industry,2013,33(5):35-39.

[17] 董谦,刘小平,李武广,等.关于页岩含气量确定方法的探讨[J].天然气与石油,2012,30(5):34-37. DONG Qian,LIU Xiao-ping,LI Wu-guang,et al.Determination of gas content in shale[J].Natural Gas and Oil,2012,30(5):34-37.

[18] 郝石生,王飞宇.下古生界高过成熟烃源岩特征和评价[J].勘探家:石油与天然气,1996,1(2):25-32. HAO Shi-sheng,WANG Fei-yu.Characteristics and assessments of early Paleozoic high-overmature source rock [J].Explorationist:Oil and Natural Gas,1996,1(2):25-32.

[19] 卢双舫,马延伶,曹瑞成,等.优质烃源岩评价标准及其应用:以海拉尔盆地乌尔逊凹陷为例[J].地球科学:中国地质大学学报,2012,37(3):535-544. LU Shuang-fang,MA Yan-ling,CAO Rui-cheng,et al.Evaluation criteria of high-quality source rocks and its applications:taking the Wuerxun Sag in Hailaer Basin as an example[J].Earth Science:Journal of China University of Geosciences,2012,37(3):535-544.

[20] 李延钧,刘欢,张烈辉,等.四川盆地南部下古生界龙马溪组页岩气评价指标下限[J].中国科学:地球科学,2013,43(7):1088-1095. LI Yan-jun,LIU Huan,ZHANG Lie-hui,et al.Lower limits of evaluation parameters for the lower Paleozoic Longmaxi shale gas in southern Sichuan Province[J].Science China:Earth Sciences,2013,43(7):1088-1095.

[21] Jacob H.Disperse solid bitumens as an indicator for migration and maturity in prospecting for oil and gas[J].Erdol & Kohle,1985,38(8):365-365.

[22] 唐显春,曾辉,张培先,等.宣城地区荷塘组页岩含气性浅析[J].油气藏评价与开发,2011,1(1/2):78-84. TANG Xian-chun,ZENG Hui,ZHANG Pei-xian,et al.Discussion about the gas-bearing nature of the shale of Hetang group in Xuancheng area[J].Reservoir Evaluation and Development,2011,1(1/2):78-84.

[23] 吉利明,邱军利,张同伟,等.泥页岩主要黏土矿物组分甲烷吸附实验[J].地球科学:中国地质大学学报,2012,37(5):1043-1050. JI Li-ming,QIU Jun-li,ZHANG Tong-wei,et al.Experiments on methane adsorption of common clay minerals in shale[J].Earth Science:Journal of China University of Geosciences,2012,37(5):1043-1050.

[24] Curtis J B.Fractured shale-gas systems[J].AAPG Bulletin,2002,86(11):1921-1938.

[25] 龙鹏宇,张金川,唐玄,等.泥页岩裂缝发育特征及其对页岩气勘探和开发的影响[J].天然气地球科学,2011,22(3):525-532. LONG Peng-yu,ZHANG Jin-chuan,TANG Xuan,et al.Feature of muddy shale fissure and its effect for shale gas exploration and development[J].Natural Gas Geoscience,2011,22(3):525-532.

[26] 张金川,姜生玲,唐玄,等.我国页岩气富集类型及资源特点[J].天然气工业,2009,29(12):109-114. ZHANG Jin-chuan,JIANG Sheng-ling,TANG Xuan,et al.Shale gas enrichment type and resource characteristics in China[J].Natural Gas Industry,2009,29(12):109-114.

[27] 付孝悦.天然气成藏与保存[J].新疆石油地质,2004,25(2):212-214. FU Xiao-yue.On gas accumulation and preservation[J].Xinjiang Petroleum Geology,2004,25(2):212-214.

责任编辑：王 辉

2014-10-25

国家科技重大专项课题(编号：2011ZX05018-002)；重庆市国土资源和房屋管理局科技计划重大项目(编号：CQGT-KJ-2012)

唐相路(1988-)，男，博士，主要从事非常规油气地质研究。E-mail:cupgtxl@126.com

1673-064X(2015)03-0024-07

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