鄂西宜昌斜坡区寒武系页岩储层发育特征——以鄂宜页1井为例

李 海，刘 安，罗胜元，陈孝红，陈 林

(中国地质调查局 武汉地质调查中心，武汉 430205)

近年来，紧靠四川盆地外围的鄂西地区页岩气勘查工作逐渐深入，与上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩相比，该区时代更老、埋深更大的下寒武统水井沱组页岩分布面积广泛，沉积厚度更大，资源潜力巨大[1-5]。宜昌斜坡区是中国地质调查局武汉地质调查中心自2015年以来重点调查的区块之一，截至目前已完成10余口页岩气钻井，其中鄂宜页1井在寒武系水井沱组钻遇高含气页岩层，并通过实施水平井分段压裂成功点火，获得高产页岩气流，首次确立了寒武系水井沱组为页岩气勘查开发新的主力层系。因此，以鄂宜页1井为重点研究对象，查明水井沱组页岩储层发育特征，对正确评价寒武系页岩储集性能、提高页岩气储层改造效果具有重要意义。

1 区域地质概况

宜昌斜坡区位于中扬子板块北部黄陵隆起的东南侧，东北以通城河断层为界，西南以天阳坪断层为界，向东南延伸与江汉盆地相连，面积约2 150 km2。区内主要出露南华系—二叠系以及白垩系，岩层一般走向北东，倾向南东，地层产状较平缓，倾角多在30°以下，总体表现为向北西抬升的单斜构造(图1)。研究区早寒武世(水井沱期)沉积基底演化进入大规模均匀挠曲沉降阶段，加之海平面快速上升，广泛发育台地边缘斜坡深水陆棚沉积[6-7]，由东北向西南水体逐渐变深；寒武系水井沱组上覆地层为石牌组，下伏地层为岩家河组，其与两者均为整合接触，富有机质页岩主要发育在水井沱组下段。

图1 鄂西宜昌斜坡区构造纲要及地层特征

鄂宜页1井位于宜昌市点军区土城乡茅家店村，是中国地质调查局在宜昌地区实施的第一口公益性页岩气参数井，开孔层位为白垩系石门组，完井层位为南华系南沱组，完钻井深2 418 m(图1)。在水井沱组钻遇86 m(1 786～1 872 m)含气页岩层，主体岩性为灰黑色钙质页岩和黑色碳质页岩，现场解析总含气量在0.579～5.48 m3/t，平均值为2.047 m3/t。其中，总含气量超过2 m3/t的页岩累计厚度为35 m(1 837～1 872 m)，平均值为2.78 m3/t ；总含气量超过3 m3/t的页岩累计厚度为18 m(1 854～1 872 m)，平均值高达3.86 m3/t。

2 样品与测试

将鄂宜页1井水井沱组含气页岩段(1 786～1 872 m)作为重点研究对象，以岩性特征及含气性数据为依据划分出1 786～1 832 m和1 832～1 872 m2个采样区间，分别按照1 m和0.5 m的采样间隔，系统采集124块岩心样品进行了有机碳含量(TOC)、干酪根显微组分及类型、镜质体反射率、矿物X射线衍射、场发射扫描电镜及核磁共振分析等测试。其中，有机碳和核磁共振分析是在国土资源部中南矿产资源监督检测中心完成，其他测试项目均在瑞华通正非常规油气技术检测(北京)有限公司实验室完成。

3 结果与分析

3.1 有机地化参数

鄂宜页岩1井124块岩心的有机地化测试显示，水井沱组含气页岩段的TOC在0.43%～10.45%，平均2.62%。其中，1 786～1 832 m段的页岩TOC在0.43%～2.5%，平均1.12%，TOC大于2.0%的样品占比仅为6.8%；1 832～1 872 m段的页岩TOC为1.23%～10.45%，平均3.45%，TOC大于2.0%的样品占比可达75%。水井沱组页岩干酪根显微组分以腐泥组为主，干酪根碳同位素值(δ13Corg)在-32.5‰～-30.9‰，有机质类型为Ⅰ型，等效镜质体反射率(Ro)在2.06%～2.66%，平均2.29%，处于过成熟演化阶段。与鄂西其他地区相比，研究区内水井沱组页岩有机质成熟度相对较低，其原因可能是宜昌斜坡区与黄陵古隆起具有一致的双层基底，受古老基地整体持续抬升及隔热作用的影响较大[8-9]。

3.2 岩石矿物组成

页岩矿物组成是影响储层压裂改造效果的关键因素之一。本文系统采集了鄂宜页1井1 788～1 872 m含气页岩段的36块岩心样品进行了矿物X射线衍射分析。结果表明，水井沱组页岩的矿物组成在纵向上差异明显，1 788～1 832 m段页岩中的碳酸盐和黏土矿物含量较高，石英矿物含量较低，较小深度段内的矿物含量变化较大，物质组成非均质性明显；而1 832～1 872 m段页岩中的石英和黏土矿物含量较高，碳酸盐矿物含量较低，总体表现出石英矿物含量随深度增加逐渐升高，而碳酸盐和黏土矿物含量则逐渐降低，并且较小深度段内的矿物含量变化相对较小，岩石矿物组成相对稳定(图2)。与北美及涪陵焦石坝主要产气页岩层的矿物组成对比，宜昌斜坡区水井沱组与Barnett页岩、龙马溪组页岩区别明显，但与Marcellus和Eagle Ford页岩具有较大相似性，表现出“低硅、高钙”特征，适合采用高砂比的大颗粒支撑剂及混合压裂液体系的储层改造工艺[10-14]。

3.3 孔隙类型

页岩具有典型的源储一体特征，由于物质组成的复杂性，其内部常发育纳米级到微米级的微观孔隙，它们构成了页岩储集空间的主体，在很大程度上制约了页岩气的赋存及渗流[15]。通过场发射扫描电镜观察，研究区水井沱组页岩中的孔隙可主要划分为无机孔、有机孔和微裂缝3种类型。

图2 鄂西宜昌斜坡区鄂宜页1井寒武系水井沱组页岩矿物组成

无机孔隙按照成因分类又可以划分为粒间孔、溶蚀孔、铸模孔和晶间孔。粒间孔隙多为残余粒间孔，个体直径较大，可见其受压实或挤压作用而收缩变小，多呈不规则孤立状分布或沿颗粒边缘条带状分布(图3a)；溶蚀孔隙较多，以矿物内部的溶孔为主，形状多不规则(图3b)；黄铁矿晶体溶蚀后产生的铸模孔可见较规则的六边形，但其相互之间的连通性较差(图3c)；晶间孔隙多见于黏土矿物、黄铁矿及方解石等矿物集合体中，大小及形态不一，在空间上可呈网状分布，具有较好的连通性(图3d)。

有机孔载体主要为沥青质体和藻类，有机质多充填原生孔隙或与黄铁矿、自生(硅质)石英等矿物共生出现，呈散块状或填隙状分布，内部可见球粒孔(图3e-g)；而藻类体则多覆盖于矿物之上，其表面常有纵向沟槽、皱纹或凸起纹饰，内部见一定孔隙发育(图3h)。

对于经历了多期次构造运动及高热演化程度的水井沱组页岩而言，微裂缝的发育可能是受构造应力的影响，也可能由矿物成岩作用产生。本次镜下观察到的微裂缝以黏土矿物内部的层状缝为主(图3i)，其具有较好的延伸性和连通性，对孔隙系统的改造具有优化作用。

3.4 孔隙度及孔径分布特征

页岩孔隙度是其储集空间的定量表征，在储层物性、页岩气藏及资源潜力评价等方面有着至关重要的作用[16]。本次研究采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的NMRC12-010V60核磁共振仪，选取鄂宜页1井1 793～1 870 m段23块岩心样品进行了实验测试，通过获得的T2弛豫时间谱图反演计算得到孔隙度值。水井沱组页岩孔隙度在0.96%～3.32%，主要集中在1.48%～2.50%，平均2.08%，表现出明显的低孔特征(表1)。根据有机碳、岩性组合及测井曲线特征对实测孔隙度段的页岩分层统计发现，由浅至深页岩孔隙度呈逐渐增大的特征，并且孔隙度与TOC呈正相关性，尤其是TOC大于2.0%的层段，两者的相关性明显增强，表明有机质的富集有利于页岩孔隙的发育(图4)。

图3 鄂西宜昌斜坡区鄂宜页1井寒武系水井沱组页岩孔隙类型

层号深度/m厚度/m有机碳含量/%实测核磁孔隙度/%01 793.0～1 820.027.00.43～2.04/0.980.96～2.35/1.4511 820.0～1 841.021.01.07～2.50/1.631.48～2.24/1.8721 841.0～1 851.010.01.31～3.37/2.321.51～2.17/1.9831 851.0～1 856.05.02.10～4.31/3.131.55～2.29/2.0741 856.0～1 865.49.42.65～10.45/5.272.37～2.92/2.5851 865.4～1 872.06.62.08～8.63/5.472.23～3.32/2.74

注：表中数据意义为最小值～最大值/平均值。

采用HODOT[17]对煤岩孔隙系统的划分方案，对各孔径段孔隙体积占比的统计结果显示，水井沱组页岩中直径在0～10 nm的微孔所占比例为31.66%～57.96%，平均45.50%；10～100 nm的小孔所占比例为34.32%～63.56%，平均43.42%；100～1 000 nm的中孔所占比例为2.80%～27.89%，平均8.39%；直径大于1 000 nm的大孔所占比例为0.16%～5.83%，平均2.69%。由此可知，水井沱组页岩主要发育微孔和小孔，可见少量中孔和大孔。此外，通过对各层段典型页岩样品的孔径分布分析，孔径分布曲线虽然都在10 nm附近出现第一个明显峰值，但是深度越大样品的第一峰幅度更大，并且向右偏移明显，尤其是靠近水井沱组底部的4～5号小层页岩样品在100 nm后出现了第二个峰值，并且幅度也相应更大，表明4～5号小层页岩中的小孔和中孔比例有所增加，与储层孔隙度变大显示出较好的匹配性(图5)。

图4 鄂西宜昌斜坡区鄂宜页1井页岩核磁孔隙度与有机碳含量的相关性

图5 鄂西宜昌斜坡区鄂宜页1井水井沱组页岩孔径分布特征

3.5 页岩基质孔隙定量表征

已有的页岩孔隙研究都证实，页岩中的基质孔隙类型差异较小，但各类孔隙的贡献差异明显，这种差异对页岩气的富集高产具有重要控制作用[18-20]。为定量评价研究区水井沱组页岩的基质孔隙，本文借鉴王玉满等[21]建立的页岩三层岩石物理模型，分别计算了岩石中有机质孔、脆性矿物内部孔及黏土矿物层间孔对页岩基质孔隙的贡献。其计算公式如下：

ρAbriVbri+ρAclayVclay+ρAtocVtoc=Φ

(1)

式中：ρ为页岩岩石密度；Abri为页岩中脆性矿物(石英、长石、碳酸盐和黄铁矿)的质量分数；Vbri为页岩中单位质量脆性矿物产生的孔隙体积；Aclay为页岩中黏土矿物的质量分数；Vclay为页岩中单位质量黏土矿物产生的孔隙体积；Atoc为页岩中有机质的质量分数；Vtoc为页岩中单位质量有机质产生的孔隙体积；Φ为页岩总孔隙度。

在上述建立的孔隙模型基础上，选择鄂宜页1井水井沱组实测数据丰富的页岩层段，根据有机碳含量、岩石矿物组成及孔径分布特征，分别在1 825～1 830，1 845～ 1850，1 868 ～1 872m选择了3个具有代表性的页岩样品资料点(表2)。通过将统计所得数据代入公式(1)，进行求解方程组得到了Vbri、Vclay和Vtoc3个关键参数。结果表明，水井沱组页岩中单位质量有机质产生的孔隙体积最大，具有明显的数量级优势；黏土矿物产生的孔隙体积次之，脆性矿物最小，但后两者产生的体积差距相对较小。

通过计算得到的Vbri、Vclay和Vtoc值，对鄂宜页1井水井沱组1 820～1 872 m段的15个页岩样品进行了基质孔隙贡献表征(图6)。结果显示，页岩中脆性矿物内的孔隙对基质孔隙贡献率较稳定，分布在29.34%～46.62%，平均36.78%。有机质孔及黏土矿物层间孔对页岩孔隙贡献变化明显，分别为20%～59.2%(平均38.31%)和9.59%～44.81%(平均24.92%)；黏土矿物层间孔隙对页岩基质孔隙的贡献由浅至深逐渐降低，而有机质孔隙对页岩基质孔隙的贡献由浅至深逐渐升高，两者都表现出与矿物含量变化的正相关性。进一步分析发现，有机质孔隙对页岩基质孔隙的贡献在1 820～1 847 m区间较低，均小于30%，而当深度超过1847m后，随着TOC的增大(均大于2.5%)，其对基质孔隙的贡献占比突然升高，都在40%以上。结合前文中有机碳含量与页岩孔隙度正相关性及水井沱组底部页岩孔径分布结果，认为研究区水井沱组页岩中的有机质发育不仅对页岩孔隙度贡献明显，对页岩孔隙结构也具有明显的改善作用。

图6 鄂西宜昌斜坡区鄂宜页1井水井沱组页岩基质孔隙贡献定量表征

4 结论

(1)鄂西宜昌斜坡区水井沱组富有机质的高含气优质页岩位于目的层下部，受黄陵隆起长期持续隆升的影响，有机质热演化程度相对周围区域较低，页岩矿物组成总体上显示出“高钙低硅”特征，与北美Barnett页岩和重庆涪陵龙马溪组页岩区别明显。

(2)水井沱组页岩储集空间主要包括残余原生粒间孔、次生溶蚀孔、矿物铸模孔、晶间孔、微裂缝和有机孔，以直径0～10 nm的微孔和10～100 nm的小孔为主，靠近水井沱组底部页岩的小孔和中孔比例有所增加，孔隙度明显增大。

(3)水井沱组页岩基质孔隙中脆性矿物内的孔隙对页岩基质孔隙的贡献稳定，而有机质孔和黏土矿物层间孔隙对其各自含量变化较敏感，有机质发育不仅对页岩孔隙度贡献明显，对页岩孔隙结构也具有明显的改善作用。