黔北凤冈一区五峰组-龙马溪组页岩储层评价

孙 宁，赵 刚，张小龙，谷 阳，扈金刚，李海丽

(1.中煤地质集团有限公司，北京 100040； 2.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083；3.中国地质图书馆，北京 100083)

0 引言

页岩气作为一种重要的天然气资源，相比石油、煤炭等化石能源燃烧时所排放的温室气体更低，符合各国低碳可持续发展的大趋势。美国页岩气革命的成功不仅帮助美国实现了天然气进出口的扭转，更为其提供了一条可持续的绿色发展道路，悄然地改变了全球的能源结构与经济格局。因此，越来越多的国家和石油公司也开始关注页岩气等非常规油气资源的勘探与开发，一场以非常规能源为主的能源变革正在进行[1-7]。中国页岩气勘探在四川盆地内的涪陵、长宁、威远和昭通等地区取得了重大突破并形成了产能，标志着五峰组-龙马溪组巨大的页岩气勘探开发潜力[8-12]。近年来，在四川盆地外围地区勘探也取得一系列进展，特别是在贵州省遵义市正安县安场镇部署实施的安页1井获得了二叠系栖霞组、志留系牛石栏组、五峰组-龙马溪组和奥陶系宝塔组的“四层楼”式天然气的重大突破[13-15]。与正安区块南部相邻凤冈一区块，页岩气勘探目前处于起步阶段，随着页岩气勘探的深入，区块从野外地质调查工作阶段逐步转入到实际钻井评价阶段，亟需进一步利用区内钻井岩心化验等测试资料，从页岩的有机地化特征、储集物性特征、矿物组成、含气性等参数入手，对五峰组-龙马溪组页岩储层进行评价，为该区下一步页岩气勘探开发提供依据。

1 地质概况

凤冈一区大地构造位置位于上扬子准地台东部，以前震旦系为基底的准克拉通地块，北部紧邻四川盆地南缘，东南部濒临华南造山带。受构造运动影响，区内褶皱、断裂较发育，褶皱整体上以北东向或北北东向展布为主，发育一系列北东向的复向斜与复背斜，向斜带内构造变形较强，以宽缓的背斜和紧闭的向斜相间分布为特征[16]；同时，发育不同方向断裂，主要以北东及北北东走向断裂为主，在不同期次古应力场控制下，多期次断裂之间相互切割、干扰，形成了复杂的断裂系统。凤冈一区北部为正安-桐梓断裂带，南部魏德江-息烽断裂带，西部为遵义-贵阳断裂带，受其影响，区块内小型断裂及裂缝较为发育。(图1)。

图1 凤冈一区块构造位置图Figure 1 Structural position of Fenggang block 1

2 页岩沉积环境

研究区晚奥陶世-早志留世整体处于陆棚相沉积，龙马溪组发育特征明显受沉积相带控制[17]。五峰组及龙马溪组下部主要发育深水陆棚相，龙马溪组中上段发育浅水陆棚相。国内学者近几年通过对四川盆地研究认为，沉积相带变化发育受控于冰川消融导致的海平面的升降。五峰组-龙马溪组由下至上水体由深变浅，岩性方面五峰组和龙马溪组底部的黑色碳质页岩，水平层理发育，可见笔石；向上逐渐变为浅灰色黏土质页岩及粉砂岩夹灰色薄层泥岩、泥质粉砂岩，可见交错层理、水平层理及对称-不对称波痕。

3 储层特征及其评价

3.1 有机地化特征

根据研究区钻井岩心五峰组-龙马溪组底部页岩岩心化验测试结果显示，有机质类型为Ⅰ和Ⅱ1型，有机碳含量分布范围为0.55%～9.24%，平均值为2.63%，有机质镜质体反射率(Ro)分布在1.65%～2.23%，平均值达到1.94%，处于成熟-过成熟阶段。

图2 五峰组-龙马溪组岩心样品TOC含量分布频率图Figure 2 Wufeng Formation-Longmaxi Formation core sample TOC contents distribution frequency diagram

有机质丰度是表征烃源岩生烃量和生烃强度的重要参数。页岩中的有机质是页岩气生成的物质基础，有机质丰度的大小直接决定了页岩生气量的大小[18]。研究区五峰组-龙马溪组页岩样品的有机碳含量<1%(低有机碳含量)范围内的样品占总样品数的15.79%；分布在1%～2%(中有机碳含量)的样品占21.05%，分布在2%～4%(高有机碳含量)的样品占23.68%；分布在>4%(特高有机碳含量)的样品占39.47%(图2)。从页岩有机碳分布频率图上可以反映出，绝大部分样品有机碳含量都分布在低有机碳含量以上水平，并且高-特高有机碳含量样品比例占到样品总数的63.61%，主要位于五峰组-龙马溪组底部，表明凤冈一区五峰组-龙马溪组底部页岩属于优质烃源岩。

3.2 储集空间类型

为分析五峰组-龙马溪组页岩储层的储集空间类型及特征，对钻井岩心进行了系统取样，进行了氩离子抛光处理后，利用FIB-SEM对页岩孔隙进行了观察，根据图像观察结果，按照Loucks(2012)页岩气储层孔隙分类方案，对页岩孔隙按照大小、形态及分布等特征进行了分类。从类型上我们将储集空间分为两大类：孔隙和裂缝，孔隙进一步分为有机质孔隙、黏土矿物间孔、晶间孔隙及次生溶蚀孔隙；裂缝进一步分为宏观裂缝及微观裂缝，宏观裂缝通过岩心观察，微观裂缝通过显微薄片观测。

(通过FIB-SEM及普通SEM识别的孔隙类型，主要有：(A)(B)(C)有机质孔；(D)(E)(F)黏土矿物间孔； (G)(H)(I)黄铁矿晶间孔；(J)(K)(L)次生溶蚀孔)图3 五峰组-龙马溪组页岩储层孔隙类型及特征Figure 3 Wufeng Formation-Longmaxi Formation shale reservoir pore types and features

3.1.1 孔隙

通过高分辨率扫描电镜观察，对页岩中纳米级孔隙进行了研究，识别出的孔隙类型包括以下四种类型：①有机质孔；②黏土矿物间孔；③晶间孔；④次生溶蚀孔[19]。

(1)有机质孔。五峰组-龙马溪组泥岩页中发现大量有机质孔，孔径主要分布在5～200nm之间，平面上通常为不规则椭圆形，在有机质中的面孔率一般可达10%～40%，局部可达到50%～60%(图3A、图3B、图3C)。有机质孔具备亲油性，有利于页岩气的吸附和储集。另外，纳米孔在有机质内部分布无规律，但在有机质边缘部分孔隙密度一般会有所减少，这可能与有机质不同部位的成分组成等条件有关[20]。

(2)黏土矿物间孔。黏土矿物在页岩中占据很大比例，不同黏土矿物内部或者矿物之间往往成为孔隙发育区域，有利于页岩气的聚集。这类孔隙往往成片状或者长条状特点，宽度一般小于2μm，在黏土矿物周缘不均匀分布(图3D、图3E、图3F)。矿间孔的发育程度与页岩中黏土矿物的数量和种类息息相关，黏土矿物越多，矿间孔越发育，页岩吸附天然气的能力就越强。黏土矿物中的伊利石、高岭石、蒙脱石均发育此类孔隙，其中以伊利石最优，伊利石在扫描电镜下呈弯曲的薄片状、不规则板条状，集合体呈蜂窝状、丝缕状等，伊利石的矿间孔是页岩储层的主要孔隙类型之一[20]。

(3)晶间孔。通过FIB-SEM镜下观察，五峰组-龙马溪组泥页岩中发现草莓状黄铁矿在基质中广泛分布。这些草莓状集合体直径2～5μm，由黄铁矿晶粒组成，单个黄铁矿晶粒在200nm左右，晶粒之间往往能提供一定数量纳米级孔隙，或者由于晶粒脱落或者溶蚀，形成了孔隙(图3G、图3H、图3I)。在五峰组及龙马溪组下段硅质页岩样品中黄铁矿含量十分丰富，不仅以草莓状存在于基质中，还呈条带状分布在岩心样品中。在龙马溪组中上段，黄铁矿含量急剧减少，可能于沉积相带的演变有关，造成黄铁矿晶间孔隙分布整体向上减少趋势。另外，也观察到少量的重结晶形成的晶间孔和自生石英形成的石英晶间孔，但相对较少。

(4)次生溶蚀孔。次生溶蚀孔隙主要是在中成岩阶段，有机质脱翔基作用产生有机质脱羧后产生的酸性物质，对长石及碳酸盐等易溶矿物进行溶蚀而产生的次生孔隙。这类孔隙可分为粒内溶孔和粒间溶孔。两者由于溶蚀程度差异，造成孔径大小不同，粒内溶孔孔径相对较小，主要分布在0.1～3μm；而粒间溶孔孔径相对较大，主要分布在1～20μm之间(图3J、图3K、图3L)。

3.1.2 裂缝

裂缝分类方案较多，依据裂缝宽度绝对值大小，可分为宏观裂缝及微观裂缝，能够通过肉眼观察到的裂缝称为宏观裂缝，主要包括构造缝和层间页理缝；需借用显微镜观察的裂缝统称为微观裂缝，通过岩心观察发现，跟宏观裂缝相似，显微裂缝发育，裂缝开度多为微米级别。两种类型裂缝均为页岩气提供了运移通道及储集空间。

(1)宏观裂缝。根据钻井岩心资料，五峰组-龙马溪组宏观裂缝较发育，主要为构造裂缝和层间裂缝，以高角度构造裂隙为主，少量低角度层间裂缝(图4A、图4B、图4C)，局部岩心层段可见不同走向的高角度裂缝相切，形成复杂裂缝网络，构造裂缝大多被方解石充填，层间裂缝很多被条带状黄铁矿充填[21]。

图4 五峰组-龙马溪组岩心宏观裂缝(A、B、C)及显微镜下微裂缝(D、E、F)Figure 4 Wufeng Formation-Longmaxi Formation core macroscopic fissures (A、B、C) and microscopic fissures (D、E、F)

(2)微观裂缝。通过对钻井岩心样品显微薄片观察，五峰组-龙马溪组富有机质页岩微裂缝较发育，微裂缝多呈明显锯齿状，并且延伸较好，微裂缝常表现为黏土矿物裂开缝、脆性矿物裂开缝或黏土矿物与脆性矿物接触缝，不同方向裂缝相互切割交叉，形成微观裂缝网络系统。显微裂缝多被石英、方解石或者白云石充填。(图4D、图4E、图4F)。

3.3 物性特征

美国商业规模开发的五大含气页岩系统以及焦石坝地区五峰-龙马溪组页岩含气孔隙度在1%～5%(总孔隙度3%～14%)。气测显示或测试初期产量一搬以游离气为主，吸附气为辅，因此含气页岩的渗透率对页岩气层的识别和商业化开采十分重要。研究区五峰组-龙马溪组渗透率值分布在11E-6～0.328mD，平均为0.027 2mD，孔隙度分布在0.7%～4.23%，平均为2.29%，根据《页岩气资源/储量计算与价技术规范》(DZ/T 0254-2014)页岩气层孔隙度和渗透率分类(表1)可知，研究区五峰组-龙马溪组属于低-特低孔特低渗储层(表1)。

表1 页岩气层孔隙度和渗透率分类Table 1 Classification of shale gas reservoirporosity and permeability

3.4 矿物组成

全岩X-射线衍射定量分析表明，研究区五峰组-龙马溪组页岩矿物组成以石英和黏土矿物为主，其次为方解石、斜长石、钾长石、和白云石。其中石英矿物含量主要分布在23%～68%，平均为36.9%；黏土含量主要分布在10%～31%，平均为19.9%；其次为方解石和斜长石平均含量分别为19.7%和12.7%。其他矿物成分占比均小于10%(图5)。可见，研究区五峰组-龙马溪组页岩脆性矿物含量较高，有利于页岩气的压裂开发。

3.5 含气性特征

(1)含气性测试。研究区已完钻的钻井共采集了五峰组-龙马溪组解吸样43个，根据含气量测试分析结果可知，样品的空气干燥基气含量最高达3.12m3/t，且气体组分以甲烷为主，反映了区内五峰组-龙马溪组具有良好的页岩气勘探潜力。从XX井的总含气量与有机碳含量的关系图中可以看出，该井总含气量和有机碳含量具有一定的相关关系，相关系数(R2)达到了0.949 9(图6)。说明页岩中的有机碳含量是影响页岩含气性的重要控制因素。

(2)吸附特征。利用Langmuir等温模型对五峰组-龙马溪组泥页岩样品在地层温度为30℃进行了干样测试，研究区五峰组-龙马溪组泥页岩岩心最大吸附量介于0.82～2.65m3/t，平均为1.46m3/t(图7)，表明五峰组-龙马溪组泥页岩具有一定的吸附能力。

图5 凤冈一区五峰组-龙马溪组矿物组成条形图Figure 5 Fenggang block 1 Wufeng Formation-Longmaxi Formation mineral composition bar chart

图6 XX井TOC与含气性关系图Figure 6 Relationship between TOC and gas-bearing property in well XX

图7 五峰组-龙马溪组泥页岩样品30℃等温吸附曲线图Figure 7 Wufeng Formation-Longmaxi Formation argillutite sample 30℃ isothermal adsorption curve

3.6 储层厚度

与常规油气一致，达到商业页岩气的开发，页岩有效厚度需要达到一定的界限范围，从而保证有足够的物质供应及充足的储集空间。有效厚度愈大，有机质总量页愈大，天然气生成量愈多，页岩气富集程度愈高。北美页岩气富集区内有效厚度变化范围较大，最小的为Fayetteville页岩厚度为6m，而Marcellus页岩厚度达304m，而其核心产区页岩有效厚度均达30m以上。研究区内钻井揭示五峰组-龙马溪组页岩段厚度144～183.5m，五峰组-龙马溪组底部发育优质页岩层段，受沉积相带控制，页岩有效厚度为10～20m。

3.7 埋深

页岩埋深也是页岩气藏规模开发的主要控制因素之一，埋深愈大，地层温压条件愈高，有机质成熟度过高，生气能力有限，导致吸附气含量不高，同时对开发成本和开发技术均会提出更高的要求；埋藏深度浅，有机质处于生油窗，以湿气为主，生气量有限且溶于石油中，同时地层达不到应有的微超压状态。埋藏深度选择要在合适的范围之内，同时考虑页岩气藏的赋存条件和开采成本。研究区五峰组-龙马溪组底界埋深约为100～3 600m，厚度在95～200m之间变化。

3.8 储层总体评价

中国页岩气勘探与北美相比，相对滞后，地质条件与北美有共同性，也存在很多差异。因此，页岩储层的评价标准不能照搬北美页岩气储层评价标准[22]，从地化指标、岩石矿物学特征、脆性特征、物性特征以及含气性等方面，参照四川盆地页岩储层评价标准，结合盆外构造复杂区的自身特点，优选了凤冈一区页岩储层关键指标参数，列表如下：

表2 凤冈一区五峰组-龙马溪组储层评价成果表Table 2 Fenggang block 1 Wufeng Formation-Longmaxi Formation reservoir evaluated results

4 结论

(1)研究区五峰组-龙马溪组底部岩性以富含有机质黑色泥岩和炭质页岩为主，沉积环境以深水陆棚沉积为主，埋深约为100～3 600m，页岩有效厚度15～20m。五峰组-龙马溪组底部发育有优质泥页岩(Ⅰ类有机质)，有机碳含量(TOC)在0.55%～9.24%之间，平均值2.63%，有机质丰度高，具有良好的物质基础，有机质镜质体反射率(Ro)分布在1.65%～2.23%，平均值1.94%，处于成熟-过成熟阶段。

(2)五峰组-龙马溪组孔隙类型主要有有机质孔、黏土矿物间孔、晶间孔、次生溶蚀孔，并且裂缝较为发育，为页岩气的运移和储存提供了良好的条件。

(3)根据实验分析结果表明研究区五峰组-龙马溪组属于低-特低孔特低渗储层，但其脆性矿物含量较高，整体上具有较好的可压性，有利于压裂改造。

(4)通过现场含气量测试及等温吸附实验分析结果表明，研究区五峰组-龙马溪组具有良好的含气性。

依据页岩储层评价标准分析认为，凤冈一区五峰组-龙马溪组页岩有效厚度中等，有机碳含量较高，有机质类型好，热演化程度适中，脆性矿物含量较高，孔隙度较高，且含气性较好，具有一定的页岩气勘探开发潜力。