川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组页岩储层特征对比分析与差异性探讨

王濡岳，胡宗全，聂海宽，刘忠宝，陈 前，高 波，刘光祥，龚大建

(1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100083； 2.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083；3.中国石化 页岩油气勘探开发重点实验室，北京 100083； 4.铜仁中能天然气有限公司，贵州 铜仁 554300)

页岩气是生成并储集于富有机质泥页岩层系内，以吸附及游离态为主要赋存方式的一种源、储一体的天然气成藏系统[1-2]。涪陵页岩气田的发现标志着我国页岩气勘探开发实现重大突破，对我国非常规油气开发与能源结构优化起到了重要引领示范作用。下寒武统富有机质页岩物质基础良好，分布面积广泛，在川西南金页1井、黔南HY1井、黔东南TX1井和中扬子颚宜页1井等页岩气探井压裂测试中均获得页岩气流，揭示了较好的页岩气资源潜力[3]。

页岩储层特征受有机—无机矿物组分及其演化、构造和成岩等作用共同控制，非均质性较强，不同地质条件下储层特征差异明显。下寒武统与下志留统页岩储层特征存在较大差异。前人研究认为下寒武统页岩总体成熟度较高，有机质内部孔隙发育尺度与规模、含气量与地层压力系数较低，保存条件相对较差[4-12]。本文以川东南JY1井五峰组—龙马溪组和黔东南TX1井牛蹄塘组页岩为研究对象，通过矿物学、有机地球化学、孔隙结构、甲烷吸附性、岩石力学和裂缝发育特征等方面的资料，对比分析2套页岩储层发育特征及其差异性，以期为我国页岩气勘探开发提供参考依据。

1 区域地质概况

JY1井位于重庆涪陵焦石坝地区，位于四川盆地东南缘(图1)，五峰组—龙马溪组页岩主体为深水陆棚沉积，以黑色含硅黏土质页岩和硅质页岩为主，富含笔石化石[13]。TX1井位于上扬子板块东南缘黔东南地区(图1)，早寒武世为被动大陆边缘深水陆棚沉积，牛蹄塘组以黑色硅质页岩为主[3-4]。四川盆地及其周缘地区经历了加里东、海西、印支、燕山和喜马拉雅多期运动，其中燕山和喜马拉雅运动对古生界海相页岩层系的分布、埋深与保存条件等具有重要影响。四川盆地燕山运动期抬升时间较晚[5]，构造变形与抬升幅度较小，川东南地区构造样式以隔挡式褶皱为主；湘鄂西—黔北地区燕山运动期抬升时间早、构造改造强烈，构造样式以隔槽式褶皱为主。因此，川东南盆外地区页岩气的生成、富集与保存演化过程更为复杂。

图1 川东南和黔东南地区位置与关键页岩气井地质特征Fig.1 Location and geological features of key shale gas wells in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

2 页岩储层发育特征

2.1 岩石学与有机地化特征

五峰组—龙马溪组下段以石英和黏土矿物为主(图2a)，石英含量介于18.4%～70.6%，平均37.3%；黏土矿物含量介于16.6%～62.8%，平均40.9%；碳酸盐矿物含量较低，方解石与白云石含量均值分别为3.7%和6.2%；黄铁矿含量平均2.6%。自下而上石英逐渐降低而黏土含量逐渐增加，下部38 m主力产层石英含量普遍高于40%。牛蹄塘组石英含量介于14.2%～86.3%，平均55.1%；黏土矿物含量介于3.0%～35.3%，平均18.1%；碳酸盐矿物以白云石为主，平均7.3%；黄铁矿含量较高，平均8.8%(图2b)。2套页岩矿物组分对比表明，牛蹄塘组石英与黄铁矿含量明显高于五峰组—龙马溪组，脆性矿物含量普遍大于70%，黏土矿物含量仅为龙马溪组页岩的一半，具有较好的储层改造潜力。

岩相特征显示，五峰组—龙马溪组自下而上依次主要发育硅质页岩、含黏土硅质页岩、黏土质页岩和含粉砂黏土质页岩，对应水体的变浅、陆源碎屑的增加及生物成因硅的减少(图3a-d)。牛蹄塘组以硅质页岩为主，自下而上岩性变化与五峰组—龙马溪组相似，但陆源碎屑与黏土含量较低，自生燧石条带发育，碳质与硅质含量较高(图3e-h)。

图2 川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组矿物组分特征Fig.2 Mineral composition in the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

图3 川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组页岩岩相特征Fig.3 Lithofacial characteristics of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

有机地球化学方面，五峰组—龙马溪组有机质类型为Ⅰ—Ⅱ1混合型，牛蹄塘组为Ⅰ型；JY1井五峰组—龙马溪组下段w(TOC)=0.55%～5.89%，平均2.54%，主力产层TOC含量普遍大于3%；TX1井牛蹄塘组w(TOC)=0.36%～10.49%，平均4.60%，含气层段普遍大于4%(图4a)。海相页岩TOC与石英含量具有良好正相关性，生物成因硅为硅质的重要来源。五峰组—龙马溪组与牛蹄塘组TOC与石英含量关系较为相似(图4b)，表明二者的沉积、成岩与演化过程具有一定相似性与可对比性。

2.2 孔隙发育特征

五峰组—龙马溪组主要发育有机孔、黏土矿物孔、脆性矿物孔和微裂缝4类微观储集空间，其中有机孔为最主要储集空间。扫描电镜照片显示，龙马溪组黏土矿物孔发育程度随黏土含量的下降而降低，上部富黏土段黏土粒间孔发育程度高(图5a)，孔径可达微米级；中下部有机孔发育程度高，迁移有机质(固体沥青，生油期原油充注粒间孔缝滞留形成)内部有机孔发育程度明显强于原地有机质(笔石、动物碎屑等)[1]。迁移有机质内孔隙呈圆形、椭圆形及不规则状，孔径较大，部分可达微米级，原地有机质内孔隙常呈椭圆形和短条形，孔径以纳米级为主(图5b-d)。

图4 川东南五峰组—龙马溪组和黔东南牛蹄塘组页岩TOC含量分布及其与石英含量关系Fig.4 Distribution of TOC content and correlations between TOC and quartz contents of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

图5 川东南JY1井五峰组—龙马溪组页岩扫描电镜照片Fig.5 FE-SEM images of pores in the Wufeng-Longmaxi shale from well JY1 in southeastern Sichuan Basin

石英等刚性矿物颗粒对岩石骨架具支撑作用，抗压实能力强，其内部有机孔发育程度强于黏土矿物间有机质内部孔隙(图5d-f)。此外，龙马溪组微裂缝发育，常发育在有机质与矿物颗粒边缘，可达微米级，对有机孔的连通与页岩气的渗流具有重要作用(图5g)。与龙马溪组相比，五峰组有机孔圆度与发育程度有所降低，孔径普遍为纳米级，有机质边缘以及与矿物颗粒伴生有机质内部孔隙发育程度较高(图5h)。此外，五峰组可见部分有机—无机矿物团块发生揉皱破碎，具碎裂结构，粒间孔缝发育，孔径可达微米级(图5i)。总体而言，五峰组—龙马溪组有机质面孔率为10%～50%，平均30%，自上而下，大孔径无机孔数量降低，大孔径有机孔数量随TOC含量的增加而增加，总孔隙度逐渐增大。

牛蹄塘组扫描电镜下微观孔隙孔径主要分布在0.01～5 μm，粒间孔发育程度高，可达微米级(图6)，有机孔发育程度较低，孔径普遍小于30 nm(图6b，c)，与龙马溪组差异较大。受控于较强热演化(有机质收缩)、压实与构造作用，有机质与石英、黄铁矿等刚性颗粒间常发育碎裂—碎粉状稀疏矿物团块(图6d-f)，其内粒间孔缝发育，可达微米级，矿物团块成分以有机质和硅质为主(图6g)，发育规模大于五峰组(图5i)。高TOC含量页岩碎裂化矿物团块发育程度高，为薄弱带，易沟通串联形成层内与层间滑脱裂缝，裂缝面碎裂化矿物粒间孔发育(图6h)，能有效改善储层孔渗能力。此外，碳酸盐矿物内可见纳米至微米级解理与溶蚀孔，对基质与裂缝的孔渗能力具有一定程度的贡献(图6i)。

2.3 孔隙结构特征

低温氮气吸附特征显示(图7)，贫有机质页岩总体具有H3和H4型曲线形态[14]，即平行板状与狭缝状孔，对应富黏土页岩内以片状黏土粒间孔为主；随TOC含量增加，吸附量与回滞环面积均逐渐增加，曲线类型以H2型为主，对应有机质内部以墨水瓶状孔隙为主。TOC及有机孔含量越高，墨水瓶效应越显著[14]。龙马溪组吸附量与回滞环面积明显大于牛蹄塘组，反映其具有更大的孔容与更多的墨水瓶状有机孔；而五峰组则具有部分H3型曲线形态，平板状孔数量有所上升；同时，牛蹄塘组TOC含量为6.8%样品的吸附量降低(图7)。

图6 黔东南TX1井牛蹄塘组页岩扫描电镜照片a.黏土矿物粒间孔发育程度大于有机孔；b.有机质内部孔隙发育程度低，边缘收缩孔缝发育；c.有机孔普遍小于30 nm；d.与有机质伴生的碎裂状矿物团块，有机质边缘收缩缝发育；e，f.刚性矿物与有机质边缘碎裂化矿物团块大量发育；g.碎裂化矿物团块成分以有机质和硅质为主；h.滑脱缝面粒间孔发育；i.碳酸盐矿物内部解理与溶蚀孔Fig.6 FE-SEM images of pores in the Niutitang shale from well TX1 in southeastern Guizhou area

图7 川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组页岩氮气吸附回线特征Fig.7 Nitrogen adsorption and desorption isotherms of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

五峰组—龙马溪组TOC含量与孔隙度、孔容以及比表面均具有良好正相关关系；牛蹄塘组则具分段式关系，当w(TOC)>6%，页岩孔隙度、孔容与比表面出现降低趋势(图8a-c)，且岩心与核磁共振测井孔隙度差异显著(图8a)。平均孔径与TOC含量以及比表面负相关(图8d，e)，表明有机质内小于5 nm孔隙大量发育，五峰组—龙马溪组平均孔径普遍大于5 nm，牛蹄塘组普遍小于3～4 nm，单位孔体积具有更大比表面积，利于吸附。根据Frenkel-Halsey-Hill分形理论，相对吸附压力0.5～1区间内分形维数D2能够反映储层微观结构特征[15]，其值越大，孔隙结构越复杂。2套页岩TOC含量与D2均具有良好正相关关系，五峰组—龙马溪组D2值位于2.8附近[6]，牛蹄塘组D2值普遍大于2.9(图8f)，孔隙结构更为复杂。

2.4 甲烷吸附特征

兰氏体积与兰氏压力分别反映最大吸附量及甲烷与吸附介质间亲和力，兰氏压力越低，气体越容易吸附；兰氏压力越高，吸附气越容易解吸。甲烷等温吸附结果显示，吸附量总体随TOC含量与压力的增加而增大，牛蹄塘组吸附量普遍大于五峰组—龙马溪组(图9a，b)。TOC含量与兰氏体积具有良好正相关关系(图9c)，表明有机质对甲烷具有极强的亲和力，但当w(TOC)>6%时，牛蹄塘组兰氏体积增加幅度有限，这与TOC含量与孔隙度、孔容以及比表面间关系类似(图8a-c)。

五峰组—龙马溪组和牛蹄塘组兰氏压力和兰氏体积间关系具有较大差异(图9d)，五峰组—龙马溪组兰氏压力与兰氏体积负相关，即随TOC含量和比表面的增加，平均孔径逐渐降低，吸附势增加，更利于甲烷吸附。牛蹄塘组兰氏压力与兰氏体积呈大体正相关，随TOC含量与比表面积的增加和平均孔径的降低，牛蹄塘组吸附能力增加的同时解吸能力也不断增加。该现象与变形/变质作用对煤吸附与解吸能力的增强相似，即构造煤吸附性与解吸速率明显高于原生结构煤，构造变形通过改变煤的孔裂隙结构与化学结构增大Ro，提高吸附与解析能力[16]。牛蹄塘组碎裂—碎粉状有机—无机矿物团块在基质与裂缝擦痕面大量发育(图6)，与构造煤结构相似，碎裂化矿物团块不仅具有较大比表面积与甲烷吸附性，而且具有更强的解吸能力，使牛蹄塘组具有兰氏体积与兰氏压力双高特征，更利于气体的吸附与解吸。

图8 川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组TOC含量及矿物含量与孔隙结构参数间关系Fig.8 Correlations among TOC,mineral contents and pore structure parameters of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

图9 川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组页岩甲烷吸附特征及参数间相互关系Fig.9 Characteristics and relationships of methane sorption parameters and TOC content of the Wufeng-Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组相比，虽构造改造强度相对较弱，但在相同TOC含量和湿度等条件下，焦石坝地区JY1井与武隆地区LY1井五峰组的兰氏体积与兰氏压力均大于龙马溪组，且LY1井(常压、构造改造强于JY1井)五峰组-龙马溪组页岩的兰氏体积与兰氏压力普遍大于JY1井，体现出随构造改造作用的增强，页岩甲烷吸附与解析能力均得到一定程度的增加。

3 页岩储层发育特征差异性分析

3.1 储集空间

对于五峰组—龙马溪组页岩，迁移有机质内有机孔是主要储集空间，有机孔占总孔隙度的50%～60%[2]。牛蹄塘组有机孔发育程度较低且连通性较差[4,17]，有机孔在总孔隙中占比低于五峰组—龙马溪组，矿物粒间、粒内孔缝，尤其是以碳质和硅质为主的碎裂化矿物团块粒间孔为重要孔隙来源。该差异可能受有机质类型、成熟度、成岩及构造保存等因素共同影响。

有机质孔隙发育程度高的页岩通常具有Ⅱ型有机质和适度的Ro[4]，Ⅱ型有机质结构更加复杂，有机孔产率高于Ⅰ型有机质[7]，如Barnet、Fayetteville、Marcellus、Woodford、Lewis、Eagle Ford、龙马溪组和龙潭组页岩，有机质类型为Ⅱ型、Ⅰ—Ⅱ混合型或Ⅱ—Ⅲ混合型，Ro总体介于1.1%～2.5%。过低或过高热演化程度均不利于有机孔发育，牛蹄塘组以Ⅰ型干酪根为主，Ro普遍大于2.5%，处于过成熟与晚成岩后期—极低变质阶段，有机质生、排烃潜力极低，甚至发生碳化，加之较强成岩与压实作用，易使有机孔隙网络发生萎缩与闭合，有机孔发育与保存程度低。

构造演化与保存条件对页岩有机孔的发育也具有重要影响。地层超压通常指示有利保存条件，对页岩气富集、保存和初始产量影响显著。JY1井与TX1井分别位于齐岳山断裂两侧川东隔挡式褶皱带与湘鄂西隔槽式褶皱带，构造样式与构造演化差异显著：川东地区燕山期抬升剥蚀时间晚，改造强度低，三叠系膏盐岩盖层分布广泛，地层普遍超压；湘鄂西地区抬升剥蚀时间早，后期改造强烈，地层普遍常压。超压与弱构造改造下龙马溪组有机孔圆度与发育程度高，大孔径有机孔大量发育(图5d，e)，利于游离气富集；五峰组紧邻临湘组灰岩，构造变形与裂缝发育程度强于上部龙马溪组，受构造与泄压影响，有机孔圆度与发育程度降低(图5h)。常压(强泄压)与强改造条件下牛蹄塘组有机孔发育程度低，孔径小，高热演化与强改造作用促进了有机质收缩及其伴生碎裂化矿物与裂缝的发育，甲烷吸附/解吸能力更强，无机孔缝在总孔隙中占比较高(图6)。

3.2 储层关键参数耦合性

TOC与石英含量的正相关性使高TOC含量伴随高石英含量，较强的抗压实能力利于有机孔的发育与保存。高石英含量使页岩具有高脆性，利于改造，加之较高的压力系数，使涪陵地区具有“五性一体”页岩气富集特征[2]。对于牛蹄塘组，当w(TOC)>6%，弹性模量随TOC含量增加出现降低趋势(图10a)，页岩塑性显著增加，裂缝总量降低，岩石更易被压实[4,18-19]，造成孔径的降低与狭窄孔喉的闭合，使TOC含量与储层参数间出现分段式关系。

受控于南方多期构造运动，页岩裂缝孔隙不同程度发育，对页岩气富集与开发具有重要影响。TOC含量与层间缝的正相关性以及与脆性的分段式关系(图10)使页岩裂缝发育特征存在显著差异：(1)当TOC、石英含量和脆性三者间为正相关关系时，对应五峰组—龙马溪组和牛蹄塘组w(TOC)<6%阶段，随TOC与石英含量的增加，页岩TOC含量、有机孔(五峰组—龙马溪组)/无机孔(牛蹄塘组)、脆性和裂缝具有良好耦合与协同发育特征，不同类型裂缝发育，构成裂缝网络系统(图11a-d)；(2)当w(TOC)>6%，牛蹄塘组脆性降低，构造缝数量下降使裂缝总量降低，但TOC含量与层间缝的正相关性促进层间(超压)缝及其后生滑脱缝的发育(图10，11h)；同时，高TOC含量页岩黏聚力和内摩擦角较低，更易发育具有擦痕、阶步等特征的低角度滑脱缝与高角度压扭/张扭性裂缝(图11e-h)[18]，此类裂缝通常未充填或为碎裂化矿物充填，裂缝有效性高，对页岩吸附/解吸能力与孔渗均具有重要贡献(图6h)。受岩石力学层的控制，地层厚度越大，裂缝密度越低，裂缝尺度增加；层厚越小，裂缝密度越大，裂缝尺度随之减小[20-21]，因此位于牛蹄塘组中部8～10 m高TOC含量较强塑性层段裂缝尺度较小，避免了大规模高角度穿层裂缝的发育，利于应力的释放与页岩气的保存。此外，牛蹄塘组w(TOC)>6%时，随TOC含量增加，岩心与核磁共振测井孔隙度呈相反变化趋势(图8a)，二者差值可达3%，与川南地区N211井五峰组—龙马溪组类似[22]，表明裂缝孔隙对储层物性改善显著。该现象可能受岩心测试取样条件(如避开裂缝段)和仪器检测范围等因素影响，使牛蹄塘组真实孔隙度被低估。

3.3 不同地质条件与演化阶段储层发育模式

综合上述分析，随热演化、成岩、构造(与泄压)作用的增强，龙马溪组、五峰组及牛蹄塘组代表不同地质条件与演化阶段储层发育特征，以JY1井(压力系数1.5)和TX1井(压力系数1.0)为例：(1)超压、弱构造改造与适度热演化程度条件下龙马溪组储集空间以迁移有机质内部孔隙为主，笔石等原地有机质内部孔隙发育程度低，石英等刚性矿物颗粒的支撑利于有机孔的发育与保存(图12a)；(2)超压、中等构造改造(弱泄压)条件下五峰组储集空间以有机孔为主，有机孔发育程度低于龙马溪组，与矿物伴生有机质及有机质边缘孔隙发育，裂缝与碎裂化矿物发育程度有所提高(图12b)，甲烷吸附/解吸能力增强，无机孔占比上升；(3)常压(强泄压)、强改造与过高热演化条件下，牛蹄塘组孔隙结构复杂，有机孔发育程度低，孔径较小，有机质收缩及其伴生碎裂化矿物与裂缝发育程度高，无机孔占比较大(图12c)，甲烷吸附与解吸能力更强。(4)当w(TOC)>6%，页岩塑性增强，黏聚力与内摩擦角降低，碎裂化矿物团块等薄弱带易在成岩与构造作用下串联、沟通，形成大量层间滑脱缝与压扭/张扭性裂缝(图11e-h，12d)，裂缝孔隙发育，显著改善储层孔渗性。

图10 黔东南牛蹄塘组页岩TOC与脆性及层间方解石充填缝发育程度关系Fig.10 Correlations among TOC content,Young’s elastic modulus and interlayer fractures with calcite cements of Niutitang shale in southeastern Guizhou area

图11 川东南与黔东南地区不同耦合条件下页岩裂缝发育特征a，b.高角度与水平方解石充填缝发育，见2条压扭性缝；c.高角度与水平方解石充填缝；d.多组高角度裂缝构成“叶脉状”网络，见水平滑脱缝；e，f.高角度压扭性缝及擦痕面密集发育，碎裂化泥质充填，w(TOC)>6%；g，h.压扭性与滑脱裂缝常利用早期方解石充填缝面，w(TOC)>6%Fig.11 Fracture characteristics in different coupling conditions of reservoir parameters in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

图12 川东南五峰组—龙马溪组与黔东南牛蹄塘组页岩储集空间发育特征模式Fig.12 Pattern diagram of reservoir space in the Wufeng,Longmaxi and Niutitang shale in southeastern Sichuan Basin and southeastern Guizhou area

4 结论

(1)川东南五峰组—龙马溪组主力产层储集空间以迁移有机质内部孔隙为主，有机孔径较大，达数百纳米至微米级，自生石英等刚性矿物支撑作用利于有机孔的发育与保存。黔东南牛蹄塘组有机孔发育程度较低，孔径普遍小于30 nm，孔隙结构更为复杂，甲烷吸附与解吸能力更强，碎裂化有机—无机矿物团块普遍发育，其内部粒间孔缝为重要储集空间。五峰组有机—无机孔隙与裂缝发育特征介于龙马溪组与牛蹄塘组之间。

(2)TOC含量对孔隙与裂缝发育均具有重要控制作用。当w(TOC)<6%时，五峰组—龙马溪组与牛蹄塘组TOC含量、脆性、有机孔/碎裂化矿物粒间孔与裂缝协同发育；当w(TOC)>6%时，塑性增强使裂缝总量降低，低黏聚力、低内摩擦角与层间缝的发育利于具有擦痕面的滑脱与压扭/张扭性裂缝的发育，裂缝有效性与储集空间得到显著改善。

(3)龙马溪组、五峰组和牛蹄塘组体现不同地质条件下储层演化的阶段性特征，即随有机质热演化、成岩和构造(与泄压)作用的增强，有机孔规模与占比逐渐减小，而孔隙结构复杂度、甲烷吸附/解吸能力和无机孔缝发育程度均逐渐增大。

致谢：本论文编写过程中，得到了中国石化勘探分公司、江汉油田分公司和铜仁中能天然气有限公司的协助和支持，在此表示衷心感谢！