中扬子地区下寒武统水井沱组页岩储层特征

高建文　吴 南　刘逸强　丁 扬

(1. 西安石油大学地球科学与工程学院， 西安 710065； 2. 中国地质大学(北京)能源学院， 北京 100083；3. 大港油田采油二厂， 河北 黄骅 061100； 4. 西南石油大学地球科学与技术学院， 成都 610500)



中扬子地区下寒武统水井沱组页岩储层特征

高建文1吴 南2刘逸强3丁 扬4

(1. 西安石油大学地球科学与工程学院， 西安 710065； 2. 中国地质大学(北京)能源学院， 北京 100083；3. 大港油田采油二厂， 河北 黄骅 061100； 4. 西南石油大学地球科学与技术学院， 成都 610500)

摘要：根据钻井岩心资料，采用岩心观察和地球化学分析等方法，研究了中扬子地区水井沱组页岩岩相、地化特征、孔隙结构和含气量等特征。研究结果表明：水井沱组可以划分为泥�页岩、白云质泥岩、纹层状微晶�粉晶白云岩、非层状微晶�粉晶白云岩、含生屑含泥晶�粉晶白云岩、泥质粉晶灰岩等6种岩相；页岩总有机碳含量为0.80%～4.82%；有机质类型以Ⅱ1型和Ⅲ型为主，热成熟度为2.0%～3.2%；页岩中黏土矿物含量为2.0%～57.0%，平均为20.6%；脆性矿物含量为18.9%～70.0%，有利于水力压裂；页岩孔隙度为0.27%～1.59%，渗透率为(0.000 1～0.002 4)×10-3μm2；孔隙类型有微裂缝、泥晶间微孔隙、解理缝、粒屑内微孔隙，其中泥晶间微孔隙较多，为页岩气赋存提供了储集空间。

关键词：页岩气； 岩相； 地化特征； 脆性矿物； 含气量

随着世界能源供需矛盾的加剧，页岩气作为常规油气的重要接替资源日益受到重视[1-6]。前人研究表明，中扬子地区页岩气资源潜力较大[7-9]。但是对于中扬子地区下寒武统水井沱组页岩的研究主要是从烃源岩的角度出发，缺乏从储层角度开展详细论述与刻画，制约了页岩气的勘探开发。

中扬子地区地处扬子陆块中部，南有雪峰江南造山带，北有东秦岭造山带，构造单元划分为16 个Ⅲ级构造单元，油气勘探区域划分为江汉平原区、湘鄂西区、鄂西渝东区。从震旦纪到早侏罗纪，中扬子地区发育了广泛的海相沉积和陆相碎屑岩沉积，分布面积大，累计最大厚度超过10 km，形成了下震旦统(陡山沱组)、下寒武统(水井沱组)、上奥陶统(五峰组) — 下志留统(龙马溪组)、下二叠统(栖霞组)、上二叠统(龙潭组和大隆组)、下侏罗统6套以黑色页岩为主体特点的烃源岩层系。其中，下寒武统、上奥陶统五峰组 — 下志留统龙马溪组、下二叠统(栖霞组)、下侏罗统4套烃源岩是区域的主力烃源岩。

本次研究通过观察中扬子地区下寒武统水井沱组泥页岩的野外露头和岩心，结合前人研究成果，采用薄片鉴定、地化分析、扫描电镜、等温吸附等方法，主要从黑色岩相、岩石矿物组成、储集空间类型、孔渗特征、含气量等方面，对中扬子地区水井沱组页岩储层特征进行了系统研究，为页岩气富集区选择提供了地质依据。

1岩相特征分析

1.1矿物特征分析

页岩储层的矿物组成除常见的黏土矿物( 伊利石、蒙皂石、高岭石) 外，还混杂有石英、长石、云母、方解石、白云石、黄铁矿、磷灰石等矿物。具备商业开发条件的页岩，其脆性矿物含量一般高于40%，黏土矿物含量小于30%。

X-衍射全岩分析表明，水井沱组的黏土矿物含量为2.0%～57.0%，平均为20.6%，从水井沱组下部向上黏土矿物含量上升明显；石英含量为5.0%～50.0%，平均为18.9%；底部白云石含量非常高，白云岩为3.0%～77.0%，平均为52.3%，从水井沱组下部向上含量降低；此外，还含有少量的黄铁矿(图1)。

水井沱组黏土矿物主要为伊利石和伊蒙混层。伊利石平均为57.6%，伊蒙混层平均为39.3%。此外还见少量高岭石和绿泥石，其他黏土矿物少见。从水井沱组下部向上，伊利石含量逐渐上升，而伊蒙混层含量逐渐下降(图2)。

图1　Y-2井水井沱组矿物成分含量图

图2　Y-2井水井沱组黏土含量图

岩相的准确识别和划分是页岩储层评价和含油气性评价的基础[8]。通过岩心观察、薄片鉴定及X-衍射全岩分析等方法，根据矿物组分、碎屑和结构特征的不同，将中扬子地区水井沱组划分为6种岩相：泥页岩、白云质泥岩、纹层状微晶粉晶白云岩、非层状微晶粉晶白云岩、含生屑含泥晶粉晶白云岩、泥质粉晶灰岩。

(2)白云质泥岩。泥质成分主要为水云母类，具重结晶结构；炭质呈混杂分布或呈条纹状分布；粉晶白云石分布不均。粒状、立方体黄铁矿分布不均，局部斑状聚集。少量长石、石英粉砂零星分布。腕足类、介形类生物碎屑经历重结晶或碳化(图3b)。

(6)泥质粉晶灰岩。零散分布的泥质含量为5%。粒晶方解石含量为 95%(图3f)。

2地球化学特征分析

2.1总有机碳含量分析

页岩气储层中含有大量的有机质。有机质丰度的大小决定着页岩气资源量的多少[10]。页岩气吸附实验结果表明，页岩中有机碳含量与页岩气的生气率具较好的正相关性。在相同温压条件下，富有机质的页岩具有更多的微孔隙空间，能吸附更多的天然气。经统计分析，中扬子地区下寒武统水井沱组总有机碳含量变化大，分布在 0.80%～4.82%，平均值高，为0.89%，有利于页岩气的形成。

2.2有机质类型分析

有机质的类型不同，其生烃潜力、产烃类型以及门限深度(温度)都有一定的差异。美国页岩气的干酪根类型以Ⅰ型和Ⅱ型干酪根为主，但也有少量的Ⅲ型干酪根。

有机质类型的研究方法很多，如干酪根显微组分鉴定、岩石热解分析等。对于南方高成熟度地区，有机显微组分在光学显微镜下较容易识别，镜鉴结果较为可靠。

胜利油田曾庆英等人依据干酪根的各显微组分对生油贡献的大小，分别乘以不同的加权数，计算其类型指数Ti，并将其作为分型标准，对有机质进行定型。腐泥组生油潜力最大，其加权数取+100；壳质组次之，加权数取+50；镜质组加权数取-75；生油潜力最小的惰性组加权数取-100。每个样品鉴定统计300个颗粒，所得各组分质量百分含量乘以各加权系数，即得该样品的类型指数，其算式如下：

图3　中扬子地区水井沱组岩相特征

式中：a、b、c、d分别代表腐泥组、壳质组、镜质组和惰性组的质量百分含量。按Ti值划分的干酪根类型标准见表1。

表1　烃源岩有机质类型镜检划分标准　%

经分析，水井沱组黑色页岩的有机质组分主要为腐泥组，大多源于低等水生生物，主要包括无定形和藻质体类低等水生生物，腐泥型有机质约占70%以上，属于Ⅱ1型和Ⅲ型干酪根，有少量Ⅱ2型干酪根，有利于生气。

2.3热成熟度分析

有机质热成熟度是指植物碎片及不溶有机质干酪根中的镜质组反射率。研究区下寒武统水井陀组烃源岩主要为海相腐泥质组分，陆源高等植物镜质组相对较少，较难直接测得镜质体反射率而获得有机质成熟度。有机质成熟度常根据沥青反射率、镜状体反射率、牙形刺的相对荧光强度等分析确定。通过干酪根显微镜观察和有机显微组分鉴定发现，研究区下寒武统水井陀组页岩样品均富含碳沥青，所以本次研究先测定样品的碳沥青反射率，然后换算成等效镜质体反射率，评价下古生界页岩中有机质的成熟度。

经过换算分析，水井沱组页岩中有机质热演化程度高，Ro值均大于2.00%，最高可达3.28%，达到了过成熟阶段，以生成热解气和裂解气为主。其Ro比美国页岩气盆地的Ro(0.4%～2.0%)高，有利于形成页岩气。

3储集空间及孔渗特征分析

3.1储集空间特征分析

页岩作为一种特殊类型的油气储集层，具有特低孔渗、储集空间类型多样等特征[11]。

通过扫描电镜观察水井沱组富有机质页岩储层微观孔隙类型主要有微裂缝(图4a)、泥晶间微孔隙(图4b)、解理缝(图4c)、粒屑内微孔隙 (图4d)，其中泥晶间微孔隙类型较多。

水井沱组孔隙空间类型主要以解理缝为主，占44%；其次为晶间微孔隙和微孔隙，分别为28%和24%；粒屑内微孔比例较小，占4%(图5a)。水井沱组各类孔隙孔径大小主要分布在1～6 μm；以0～1 μm孔径为主，其次为1～2 μm孔径，大于 6 μm 的孔径极少(图5b)。

3.2孔隙度和渗透率特征分析

页岩气储层物性具低孔、特低渗致密的特征。美国主要产气页岩储层岩心分析总孔隙度分布在2.00%～14.00%，平均为 4.22%～6.51%[12]。物性测试表明，研究区水井沱组页岩孔隙度为0.27%～1.59%，平均为0.77%(图6a)；渗透率为(0.000 1～0.002 1)×10-3μm2，平均为0.000 5×10-3μm2(图6b)。与北美商业开采的页岩气相比(孔隙度为 2%～10%、渗透率为1×10-13～10×10-7μm2)，研究区页岩储层的孔隙度偏小，渗透率处于中等水平。研究表明，水井沱组页岩储层脆性矿物含量高，有利于压裂，因此后期可以采取水力压裂等措施来提高页岩储层的渗流能力。

4含气性特征分析

页岩含气量是页岩气资源评价和有利区优选的关键参数，也是评价页岩是否具有开采价值的一个重要参数。对水井沱组4块页岩样品进行等温吸附实验，得到不同压力下的等温吸附曲线及 Langmuir 参数和方程(表2)。

通过对下寒武统水井沱组页岩样品进行等温吸附实验，发现下寒武统页岩具有较好的吸附气性能。页岩中吸附气含量随压力的增高而增高，呈正相关关系。在试验温度为30 ℃，压力为10 MPa时，页岩的吸附气量在1.05～1.41 m3t，平均为1.27 m3t，含气量较高。

图4　Y-2井水井沱组页岩孔隙显微特征

图5　水井沱组页岩不同孔隙类型及孔径分布频率柱状图

图6　Y-2井水井沱组岩心孔隙度、渗透率分布频率柱状图

编号总有机碳含量∕%镜质体反射率∕%兰氏吸附气量∕(m3·t-1)兰氏压力∕MPaLangmuir方程10.30—1.521.10VE=1.52×p∕(1.1+p)20.212.451.421.42VE=1.42×p∕(1.42+p)30.05—1.752.33VE=1.75×p∕(2.33+p)40.06—1.161.07VE=1.16×p∕(1.07+p)

5结语

(2)水井沱组页岩总有机碳含量为0.8%～4%，有机质类型以Ⅱ1型和Ⅲ型为主，热成熟度为2.0%～3.2%，有利于页岩气的形成。

(3)水井沱组页岩中黏土矿物含量为2%～57%，平均为20.6%。脆性矿物含量较高，有利于压裂。孔隙类型有微裂缝、泥晶间微孔隙、解理缝、粒屑内微孔隙，其中泥晶间微孔隙较多，可为页岩气提供赋存空间。页岩孔隙直径为1～6 μm，具有较好的吸附气能力。

参考文献

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Reservoir Characteristics of Lower Cambrian Shuijingtuo Formation Shale in the Middle Yangtze Area

GAOJianwen1WUNan2LIUYiqiang3DINGYang4

(1. School of Earth Sciences and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China;2.School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;3.The 2ndOil Production Factory of Dagang Oil Field, Huanghua Hebei 061100, China;4.School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Abstract:Drilling core data, core observation and geochemical analysis were applied to the Shuijingtuo formation shale in the middle Yangtze area, and its lithofacies characteristics, geochemical characteristics, pore structure and gas content and other characteristics were studied. The results showed that the Shuijingtuo formation shale can be divided into six lithofacies: the mudshale, dolomitic mudstone, lamellar microcrystallinepowder crystal dolomite, non-layered microcrystallinepowder crystal dolomite, clay containing bioclastic grainpowder crystal dolomite and mud micrite. The total organic carbon content is 0.80%～4.82%. Two Types of organic matter is mainly Ⅱ1 and Ⅲ. The thermal maturity is 2.0%～3.2%. Clay mineral content is 2.0%～57.0%, with an average of 20.6%; the brittle mineral content is 18.9%～70.0%. Shale porosity is 0.27%～1.59%, and permeability is (0.000 1～0.002 4)×10-3μm2. Four types of reservoir space, including micro cracks, the inter-crystal micro-pore in clay mineral, interlayer lamellation fracture and micro pores within the particle debris, and the inter-crystal micro-pore is dominant in clay mineral, which could provide storage space for shale gas storage.

Key words:shale gas; facies; geochemical characteristics; brittle mineral; gas content

收稿日期：2015-11-03

基金项目：国土资源部专项“全国油气资源战略选区调查与评价”(2009QYXQ15-07-05)

作者简介：高建文(1990 — )，男，西安石油大学在读硕士研究生，研究方向为非常规油气地质与评价。

中图分类号：P618

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)03-0014-05