湖南石门地区下寒武统牛蹄塘组页岩气储层特征及储集条件分析

康如华， 冯经平， 刘成鑫， 许云舟， 罗 刚， 李福顺， 龙长聪， 龙 安

(1.湖南省地质矿产勘查开发局四一八队，湖南娄底 417000； 2.申能股份有限公司，上海 201103)

0 引言

近年来，国内外页岩气的勘探开发进入了快速发展阶段，并取得了重要突破[1-2]。2012～2014年，中国地质调查局油气中心于湖南常德、慈利先后施工完成的参数井常页1井和探井慈页1井，均钻遇寒武系牛蹄塘组富有机质页岩层系，并见良好的页岩气显示。证实了湘西北地区寒武系牛蹄塘组页岩是有利的页岩气勘探层系之一。湖南石门地区页岩气研究区块位于常页1井和慈页1井之北西，并发育一套完整的富含大量有机质的牛蹄塘组黑色页岩，具有良好的页岩气形成条件。本文主要从石门地区下寒武统牛蹄塘组的岩性组合特征、岩石学特征、孔渗特征、比表面积、储集空间及其吸附性能等方面分析其页岩气储集条件，为系统评价该区页岩气资源潜力和深入勘探开发提供参考依据。

1 区域地质背景

研究区位置处于扬子地台南东部，石门-桑植复向斜北东(图1)。构造线方向主要为北东向，略呈往北西凸的弧形。由一系列复向斜与复背斜组成，褶皱呈线状展布，背斜较为紧闭，向斜较为开阔，有利于页岩气存储。区域内主要出露古生界，以志留系、奥陶系、寒武系最为发育。该区下寒武统牛蹄塘组自形成以来经历了多期构造变动，导致牛蹄塘组页岩多次经历生烃演化过程，并为页岩气的储集提供了物质基础。

2 岩性组合与岩石学特征

2.1 岩性组合特征

研究区早寒武世所形成的最大海平面上升和最大海侵的欠补偿盆地，发育了一套富含大量有机质的黑色页岩，可作为最重要的烃源岩之一，也是重要的生油气岩层。根据研究区内牛蹄塘组代表性杨家坪剖面的实测结果，该组岩性为灰黑色、黑色中-厚层状炭质页岩、硅质炭质页岩、砂质板状页岩夹薄层硅质岩，总厚度201.92m。分上、下两段，下段以黑色炭质页岩为主夹薄层硅质岩，厚36.61m；上段为灰黑色页岩、砂质板状页岩，见多层黑色炭质页岩，单层厚度1～5m左右，总厚165.31m。

2.2 岩石学特征

在中石化华东分公司石油勘探开发研究院非常规油气资源中心，对采自杨家坪剖面的下寒武统牛蹄塘组新鲜页岩样品进行X射线衍射分析，测试的仪器为Ultima IV全自动粉末X射线衍射分析仪。

对测试样品进行沉积岩全岩X-射线衍射、沉积岩黏土矿物X-射线衍射，分析结果表明(表1)：该区域牛蹄塘组页岩矿物成分较复杂，以石英矿物为主，其次为黏土矿物、斜长石。牛蹄塘组下段石英质量分数46.7%～62.5%，质量分数均值54.6%，黏土质量分数18%～40.8%，质量分数均值28.5%；牛蹄塘组上段石英质量分数31.1%～48.5%，质量分数均值40.2%，黏土质量分数30.2%～57.8%，质量分数均值46.7%(图2)。黏土矿物主要有伊利石(I)、伊/蒙混层(I/S)，少量为高岭石和绿泥石(C)，其中尤以伊利石含量最高，其质量分数分布范围为64%～79%(图2)，在所测试的12个页岩样品中均未检测到蒙脱石，可能大都转化为伊/蒙混层和伊利石。黏土矿物的特征表明研究区牛蹄塘组页岩演化程度高。

1.区块范围; 2.向斜构造图1 研究区区域构造简图Figure 1 Study area regional tectonic sketch

表1 湖南石门地区牛蹄塘组页岩矿物成分X-射线衍射定量分析结果

1.黏土矿物; 2.石英; 3.钾长石; 4.斜长石; 5.方解石; 6.白云石; 7.黄铁矿; 8.伊蒙混层; 9.伊利石; 10.高岭石; 11.绿泥石图2 石门地区牛蹄塘组黑色页岩矿物质量分数(a)及黏土矿物质量分数(b)Figure 2 Shimen area Niutitang Formation black shale mineral contents (a) and clay mineral contents (b)

页岩中的石英含量在一定程度上间接反映了孔隙含量的多少[3]。在沉积储藏的过程中，碎屑石英含量越高，原生孔隙的保存越有利，岩石整体孔隙度随着碎屑石英含量的增加而变高[4]。研究区牛蹄塘组页岩中碎屑石英质量分数较高，为31.1%～62.5%，平均为46.2%，说明牛蹄塘组页岩可能具有较高的孔隙度。

页岩中矿物成分的不同影响页岩储层的发育，脆性矿物的多少则对后期页岩储层的可改造项具较大影响[5]。页岩中脆性矿物的含量越高，页岩气储集层中的脆性和可压裂性就越强，越容易开展人工压裂增产处理。经计算，研究区内下寒武统牛蹄塘组页岩中石英、长石、方解石和白云石等脆性矿物质量分数为40.8%～79.6%，平均60.15%。而美国的主要页岩气产层即福特沃斯盆地Barnett页岩的脆性矿物总质量分数为46%～60%[6]，低于研究区页岩脆性矿物含量。

页岩脆性指数是页岩气储集层评价的一个重要参数，通常按如下公式计算：

脆性指数=(石英+长石+方解石+白云石)/(石英+长石+方解石+白云石+黏土矿物)

计算结果表明，研究区牛蹄塘组页岩的脆性指数分布在0.41～0.82(表2)， 平均0.61， 说明其具有较高的脆性指数(平均值大于0.5)。

表2 湖南石门地区牛蹄塘组页岩脆性矿物含量与脆性指数

综上所述，石门地区牛蹄塘组页岩脆性矿物含量丰富，容易在外力作用下形成天然裂隙和诱导裂缝，且整体上具有良好的脆性和可压性，有利于后期的压裂改造和页岩气渗流，便于开采。

3 页岩气储集物性特征

页岩的储集物性对页岩气的聚集和后期的开发具有重要的影响，其中孔隙性的好坏直接决定页岩气的储气能力，渗透性好坏控制了页岩气的产能。美国页岩气勘探开发证明，裂缝体系的发育程度对页岩气的聚集和开发具有重要的影响[7]。裂缝是页岩气的主要储集空间，因此，预测裂缝在横向和纵向上的分布规律显得尤为重要。

3.1 孔隙度、渗透率特征

孔隙度是关系游离气含量和评价页岩渗透性的主要参数。利用Ultrapore-200A氦孔隙仪测试孔隙度，对研究区内牛蹄塘组页岩7个测试样品的测试结果显示，页岩的有效孔隙度为0.69%～16.07%(图3)，平均有效孔隙度为10.16%。据研究资料表明，美国五大含气页岩的孔隙度为3%～14%，平均7%[8]，低于研究区页岩孔隙度。而四川盆地金沙剖面下寒武统牛蹄塘组页岩的平均孔隙度可达13.85[9]，高于研究区页岩孔隙度。遵义—綦江地区下寒武统牛蹄塘组页岩的实测孔隙度最高可达24.1%，平均为6.95[10]，低于研究区页岩孔隙度。整个湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩的孔隙度为0.07%～25.9%[11-15]。因此，研究区页岩孔隙度相对中等偏高，且差异较大。

利用ULTRA-PERMTM200渗透率仪测试渗透率。研究区测试样品测试结果表明，页岩的渗透率为0.27×10-6μm2～5.7×10-6μm2(图3)，平均渗透率为0.92×10-6μm2(0.000 92mD)，远远低于0.1mD。据研究资料表明，美国五大含气页岩的渗透率一般小于0.1×10-3μm2[6]，黔北地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩的渗透率平均为0.127×10-3μm2[16]，滇东北下寒武统牛蹄塘组页岩的渗透率平均为0.37×10-3μm2[17]，整个湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩的渗透率为0.001×10-3μm2～0.061×10-3μm2[11-15]。因此，研究区页岩渗透率相对较低。

a.孔隙度 b.渗透率图3 石门地区牛蹄塘组黑色页岩孔隙度及渗透率特征Figure 3 Shimen area Niutitang Formation black shale porosity and permeability features

3.2 比表面积

借助压汞、液氮实验，通过比表面积(即外表面积与裂缝、空洞内表面积之和)来表征岩石的内表面积，比表面积越大其内表面积越大。研究区页岩地面样品的实测分析结果表明(图4)，页岩的比表面积较大，约为6.4～30.2m2/g，平均为15.03m2/g，可为页岩气吸附提供充足的空间。

图4 石门地区牛蹄塘组黑色页岩比表面积特征Figure 4 Shimen area Niutitang Formation black shale specific surface area features

3.3 储集空间

页岩微孔隙、裂缝是页岩气储集的主要空间，是评价储集层特征的关键参数。石门地区下寒武统牛蹄塘组页岩储集层发育基质晶间孔、粒间孔、溶蚀孔以及有机质纳米孔等 4 种孔隙类型。页岩原生孔隙系统的渗透率相当低，但原生孔隙内表面积大，拥有许多潜在的吸附空间，可以储存大量气体。扫描电镜观测结果显示(图5)，研究区牛蹄塘组微米级粒间孔隙、溶蚀孔隙极为发育，最大可达数十微米；也见少量的纳米级有机孔隙，这些孔隙可为页岩气提供充足的储集空间，也反映了牛蹄塘组优质的储集条件。

4 含气性特征

对研究区内下寒武统牛蹄塘组黑色页岩测试所得的有机碳(TOC)质量分数为0.53%～18.01%，其中牛蹄塘组上段样品有机碳(TOC)含量为0.53%～2.02%，平均含量为1.15%；牛蹄塘组下段有机碳(TOC)质量分数为1.39%～18.01%，平均含量为8.09%。为了解研究区下寒武统牛蹄塘组页岩的吸附能力，利用ISO-200等温吸附仪，对该组中有机碳(TOC)含量不同的样品进行了等温吸附实验。测试结果表明，牛蹄塘组下段黑色页岩等温吸附测试的吸附含气量范围为0～6.504 8cm3/g，上段黑色页岩吸附含气量范围为0～2.607cm3/g(图6)。

a：溶蚀孔隙、粒间孔隙发育; b：溶蚀孔隙、粒间孔隙发育; c：长石溶蚀孔; d：机质内部发育少量微孔，孔径低于 50 纳米图5 石门地区牛蹄塘组黑色页岩扫描电镜下孔隙结构特征Figure 5 Shimen area Niutitang Formation black shale SEM pore structural features

a下段 b上段图例1～7分别为样品2、样品6、样品10、样品28、样品30、样品31、样品36图6 石门地区牛蹄塘组页岩等温吸附曲线Figure 6 Shimen area Niutitang Formation shale isothermal adsorption curve

邻近研究区南部的常页1井现场解吸含气量为0.5～2.1m3/t，等温吸附含气量为3.7～6.4m3/t[18]；渝东南地区渝科1井现场解吸所得的下寒武统牛蹄塘组含气量为0.8～2.42m3/t，等温吸附含气量为1.83～5.04m3/t，以有机碳(TOC)含量和吸附气关系用线性回归法计算的吸附气量为0.21～1.79m3/t[19]；慈页1井用解吸法所获得的含气量为0.01～0.86m3/t[20]。

本次对研究区下寒武统牛蹄塘组等温吸附含气量为0～6.504 8m3/t，参照聂海宽等对四川盆地及其周缘下古生界黑色页岩的含气量计算方法(吸附气量=0.186 4×有机碳含量-0.038 3)[21]，利用线性回归法计算得研究区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩吸附气量分布范围为0.06～3.32m3/t，平均0.18～1.47m3/t。揭示石门地区下寒武统牛蹄塘组页岩具备一定的含气量，总体含气量相对中等，具有较好的页岩气资源前景。

5 结论

(1)湖南石门地区下寒武统牛蹄塘组岩性多样，主要有黑色炭质页岩、硅质炭质页岩、砂质板状页岩夹薄层硅质岩。X射线衍射试验结果表明，牛蹄塘组页岩脆性矿物含量为40.8%～79.6%，平均60.15%，脆性矿物含量丰富；脆性指数分布在0.41～0.82，平均0.61，脆性指数高，有利于油气成藏和储集层改造。

(2)牛蹄塘组页岩有效孔隙度为0.69%～16.07%，平均10.16%，孔隙度中等偏高，且差异较大；渗透率为0.27×10-6μm2～5.7×10-6μm2，平均0.92×10-6μm2(0.000 92mD)，渗透率相对较低。有利于含气页岩储层改造后的运移。

(3)牛蹄塘组页岩储集层发育基质晶间孔、粒间孔、溶蚀孔以及有机质纳米孔等，页岩原生孔隙系统的渗透率相当低，但原生孔隙内表面积大，拥有许多潜在的吸附空间，可以储存大量气体，为页岩气提供了充足的储集空间。

(4)等温吸附试验结果表明，牛蹄塘组黑色页岩的吸附含气量范围为0～6.504 8cm3/g，含气量推测值0.06～3.32m3/t，具有较好的吸附气性能，具备较好的页岩气资源前景。