黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖儲層特征分析

張 福 黃 藝 戴岑璞 李剛權(quán) 藍(lán)寶鋒 杜 洋 唐柯夫

1.貴州烏江新能源開發(fā)有限責(zé)任公司 2.貴州省土地礦產(chǎn)資源儲備局3.中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院 4.成都華興世紀(jì)能源公司

0 引言

隨著美國頁巖氣開發(fā)成功所帶來的能源革命，世界各國把頁巖氣作為其在21世紀(jì)能源政策的重要戰(zhàn)略調(diào)整目標(biāo)[1-5]。我國先后在四川盆地內(nèi)長寧、威遠(yuǎn)、涪陵等地區(qū)開展頁巖氣勘探開發(fā)先導(dǎo)試驗，取得了突破性進(jìn)展[6-18]，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。伴隨頁巖氣勘探的深入，勘探范圍逐漸擴(kuò)大至四川盆地周緣地區(qū)。2017年，四川盆地南緣黔北地區(qū)正安頁巖氣勘察區(qū)塊AY1井對下志留統(tǒng)石牛欄組測試獲得高產(chǎn)，使黔北地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)潛力引起廣泛關(guān)注和各界的重視。多位學(xué)者前期對黔北地區(qū)頁巖氣地質(zhì)特征進(jìn)行了相關(guān)研究。雷子慧等對黔北地區(qū)安場向斜頁巖氣保存條件進(jìn)行了分析，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)向斜單元為本區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)[19]；李俊良等對黔北地區(qū)頁巖氣成藏條件及勘探前景進(jìn)行了分析和討論，認(rèn)為本區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組與下志留統(tǒng)龍馬溪組為最有利勘探層位[20]；舒兵等人對滇黔北的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層特征進(jìn)行了描述以及宏觀概括總結(jié)[21]。本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，以近期獲得突破的黔北地區(qū)正安頁巖氣區(qū)塊及周緣作為研究對象，通過對區(qū)域評價井鉆井巖心觀察及野外露頭剖面地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合巖石薄片分析、掃描電鏡觀察、分析化驗等資料，對該區(qū)儲層基本特征進(jìn)行總結(jié)分析，并與目前開發(fā)相對成熟的四川盆地內(nèi)部分區(qū)塊進(jìn)行對比分析，以此為黔北地區(qū)未來頁巖氣勘探開發(fā)提供依據(jù)和參考。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地理位置上位于貴州省遵義市北部（圖1）。構(gòu)造上屬于揚(yáng)子地臺，位于武陵—湘鄂西褶皺帶南段，屬侏羅山式褶皺帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造展布方向主要為北東—北北東向，次為南北向。受加里東期及燕山期兩大構(gòu)造旋回影響，研究區(qū)構(gòu)造以隔槽式或隔擋—隔槽過渡式褶皺發(fā)育為主，平面上呈以緊密向斜和平緩背斜相間平行雁形排列。區(qū)內(nèi)西側(cè)向斜相對寬緩、東側(cè)向斜相對緊閉，構(gòu)造形態(tài)以北東向的向斜和背斜相間分布為主。自西向東，依次為桴焉復(fù)向斜、安場向斜、黃魚江復(fù)背斜、斑竹向斜、謝壩背斜、務(wù)川向斜、金雞嶺背斜和高山—石朝向斜。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造分布示意圖

研究區(qū)所處位置屬上揚(yáng)子川南—黔北地層分區(qū)，區(qū)內(nèi)震旦系—下古生界發(fā)育完整，以海相沉積為主，部分地區(qū)出露上寒武統(tǒng)—志留系，上古生界—三疊系殘留復(fù)向斜。上奧陶統(tǒng)五峰組及下志留統(tǒng)龍馬溪組為本研究主要目的層位，由于研究區(qū)域龍馬溪組又細(xì)分為新灘組和龍馬溪組兩段，因此，本次研究所闡述的龍馬溪組實際上是區(qū)域上龍馬溪組的下段即優(yōu)質(zhì)頁巖層段。五峰組為局限淺海盆地沉積的區(qū)域性分布的富有機(jī)質(zhì)頁巖地層，地層厚度分布穩(wěn)定，一般介于3.5～6.0 m之間，巖性變化不明顯。龍馬溪組為陸棚相沉積，為深水陸棚相含筆石碳質(zhì)泥巖，底部黃鐵礦發(fā)育，夾數(shù)層斑脫巖。龍馬溪組厚度介于18～30 m之間，為一套富有機(jī)質(zhì)頁巖，分布穩(wěn)定（圖2）。

2 巖性與礦物學(xué)特征

五峰組巖性為灰黑至黑色碳質(zhì)泥、頁巖，夾薄層硅質(zhì)巖，且普遍含數(shù)層厚度不等的毫米級斑脫巖。地層含筆石種類豐富，同時見介形蟲、幾丁蟲等生物化石（圖3-a，b）。龍馬溪組為黑色筆石頁巖，富含筆石，含少量腕足、瓣鰓等底棲生物、單體珊瑚等（圖 3-c，d）。

五峰組—龍馬溪組底部頁巖段礦物以石英為主，向上含量降低，黏土礦物含量增加，巖性由含粉砂含碳泥巖逐漸過渡為泥巖、泥灰?guī)r。石英、長石等碎屑顆粒以次棱角狀為主，磨圓較差。全巖X衍射分析表明，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組石英、長石等脆性礦物含量為64.1%～86.5%，平均79.4%。黏土礦物主要為伊利石、伊/蒙混層及綠泥石3種，總含量分布區(qū)間為19.3%～40.7%，平均24.3%。黏土礦物中伊/蒙混層為主要礦物類型，含量43.0%～58.0%；次為伊利石，含量37.0%～50.0%；綠泥石礦物含量較少?？傮w而言，地層所含脆性礦物含量較高，巖石脆性較好。

3 地球化學(xué)特征

圖2 黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組綜合柱狀圖

有機(jī)質(zhì)類型：五峰組—龍馬溪組干酪根顯微組分中主要為腐泥無定形體及腐泥碎屑體，腐泥無定形體相對含量約27.0%～87.0%，平均55.7%。腐泥碎屑體相對含量約4.0%～71.0%，平均39.0%，樣品中含少量無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體，干酪根類型指數(shù)為75～98，以腐泥型為主。經(jīng)測定，無定形類脂組含量為65%，鏡質(zhì)組含量為10%，惰質(zhì)組含量為20%，固體瀝青5%，熱變質(zhì)系數(shù)高達(dá)3.3，有機(jī)質(zhì)處于過成熟演化階段，已進(jìn)入干氣窗。鏡下觀察可見大量瀝青，多充填于頁巖裂縫、孔隙中。

有機(jī)質(zhì)豐度：由北向南，北部隆興剖面有機(jī)碳含量最大值6.77%，最小值0.69%，平均值3.46%，有機(jī)碳含量分布區(qū)間集中在4.00%～7.00%；安場剖面最大值6.21%，最小值1.36%，平均值4.61%，有機(jī)碳含量分布區(qū)間集中在4.00%～6.00%；正安樂儉剖面有機(jī)碳含量最大1.85%，最小0.56%，平均值1.24%。正安地區(qū)已完鉆導(dǎo)眼井五峰組—龍馬溪組150個巖心實測有機(jī)碳含量在0.65%～6.50%之間，平均3.46%。整體上，研究區(qū)由南向北有機(jī)碳含量逐漸增加。

有機(jī)質(zhì)成熟度：對于下古生界海相烴源巖，由于缺乏來源于高等植物的標(biāo)準(zhǔn)鏡質(zhì)組，Ro的利用受到限制，然而上述地層普遍含有瀝青，對這類烴源巖測定瀝青反射率（Rb）并換算為鏡質(zhì)體反射率。由于區(qū)塊前期勘探主要針對龍馬溪組底部頁巖層，五峰組樣品暫未做分析化驗。測定剖面與鉆井共86塊樣品瀝青反射率，采用豐國秀[22]換算公式：Ro=0.319 5+0.679Rb，經(jīng)換算鏡質(zhì)體反射率為1.92%～2.19%，平均為2.06%。因此，本區(qū)五峰組—龍馬溪組干酪根處于高成熟—過成熟早期演化階段。

表1 研究區(qū)龍馬溪組鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計表

4 儲層特征

4.1 孔滲特征

利用已完鉆井資料，采用GB/T 29172—2012巖心分析方法對孔滲特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，五峰組—龍馬溪組有效孔隙度介于0.34%～5.76%，平均4.10%，滲透率介于0.000 7～0.071 2 mD，平均0.002 1 mD。從頻率分布來看，有效孔隙度以3.00%～5.00%為主要分布區(qū)間，累計數(shù)量可達(dá)總體的68.2%；滲透率以0.001～0.002 mD區(qū)間為主，累計可達(dá)總體的68.8%（圖4-a，b），孔滲關(guān)系呈半對數(shù)正相關(guān)性關(guān)系。核磁共振對孔隙度進(jìn)行測試，五峰組—龍馬溪組孔隙度區(qū)間介于2.40%～5.10%之間，平均3.90%。巖石中裂縫所占比例較低，推測裂縫孔隙度一般小于1.00%。

4.2 比表面積

頁巖比表面積大，則能為頁巖吸附提供更有利的條件[10]。龍馬溪組測試BET比表面積在5.8 m2/g～30.4 m2/g，平均為21.7 m2/g。從本區(qū)比表面積與有機(jī)碳含量交會圖看出：比表面積與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)，表現(xiàn)出一定的指數(shù)正相關(guān)關(guān)系（圖 4-c）。

圖4 黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組孔隙度-滲透率直方圖及比表面積-有機(jī)碳含量交會圖

4.3 孔隙特征

有機(jī)質(zhì)孔：有機(jī)質(zhì)在裂解生烴的轉(zhuǎn)化過程中，內(nèi)部由于生烴增壓進(jìn)而膨脹逐漸變得多孔，這些孔隙構(gòu)成了生成氣體的保存場所。研究區(qū)龍馬溪組頁巖中有機(jī)質(zhì)孔隙主要為納米孔，平面上通常為似蜂窩狀不規(guī)則橢圓形（圖5-a）。與其他孔隙主要有以下三點(diǎn)不同：①孔徑多為納米級，為頁巖氣的吸附和儲集提供更多的比表面積和孔隙體積；②與有機(jī)質(zhì)密切共生，可作為聯(lián)系氣源巖與其他孔隙的介質(zhì)；③有機(jī)質(zhì)孔隙具備親油性，更有利于頁巖氣的吸附和儲集。

礦物顆粒間微孔：該類孔隙具有體積小、吸附性較強(qiáng)、數(shù)量多、連通性差、呈星點(diǎn)狀分布的特點(diǎn)，其發(fā)育與頁巖中礦物的數(shù)量和種類密切相關(guān)，通常黏土礦物越多，黏土礦物間孔越發(fā)育，頁巖吸附天然氣的能力越強(qiáng)（圖5-b）。

晶間孔：研究區(qū)最常見的是缺氧環(huán)境下形成的草莓狀黃鐵礦晶粒間的孔隙，部分孔隙被溶蝕擴(kuò)大形成鑄?？?，孔徑介于0.2～5.0 μm之間，另見少量白云石重結(jié)晶形成的晶內(nèi)微孔（圖5-c）。

次生溶蝕孔：這類孔縫為中成巖期有機(jī)質(zhì)在脫羧作用下產(chǎn)生的酸性水對長石及碳酸鹽巖等易溶礦物的溶蝕而形成。粒內(nèi)溶孔孔徑相對較小，粒徑為80～500 μm，粒間溶孔孔徑相對較大，主要分布在 5.5～ 10.1μm（圖 5-d）。

4.4 裂縫特征

微裂縫：微裂縫主要有2種類型：一為礦物或有機(jī)質(zhì)內(nèi)部裂縫；另一為礦物或有機(jī)質(zhì)邊緣裂縫。粒間微縫一般較平直，粒緣縫有輕微的彎曲，或近羽列狀排列分布，部分裂縫被有機(jī)質(zhì)充填。縫寬主要介于0.01～1.70 μm，裂縫長度一般與片狀礦物長度有關(guān)，通常巖石脆性礦物含量越高，越易形成微裂縫（圖6-a,b）。

宏觀裂縫：巖心觀察，五峰組—龍馬溪組可見兩期構(gòu)造縫。早期縫以高角度—垂直縫較為發(fā)育，縫面總體平直，方解石充填，寬度介于0.5～2.0 mm之間；晚期裂縫高角度、低角度均可見，泥質(zhì)充填或未充填，見滑動擦痕及煤鏡質(zhì)光澤（圖6-c）。根據(jù)安場向斜周緣地層剖面裂縫觀察來看，五峰組—龍馬溪組底部易發(fā)育2類裂縫：一為因底部發(fā)育若干層塑性斑脫巖而導(dǎo)致揉皺滑脫產(chǎn)生順層面分布的層間滑脫縫；二為因底部硅質(zhì)巖含量高脆性大產(chǎn)生的近直立的高角度裂縫，部分縫面被方解石、黃鐵礦充填。依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析，裂縫方向和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方向一致，主要沿北東向、北西向兩組方向延伸（圖6-d）。

5 含氣性特征

圖6 黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖裂縫照片

研究區(qū)頁巖氣層總含氣量采用現(xiàn)場解析法進(jìn)行測定，吸附氣量主要根據(jù)等溫吸附試驗得出的蘭氏體積和蘭氏壓力，利用經(jīng)驗公式對地層狀態(tài)下的吸附氣量進(jìn)行計算。本區(qū)龍馬溪組樣品微裂縫較為發(fā)育，現(xiàn)場解析量+損失氣量較高（1.32～1.63 m3/t）。以AY1井為例，該井鉆遇五峰組—龍馬溪組高含氣碳質(zhì)頁巖累計厚19.50 m，全烴異常最高7.56%。巖心現(xiàn)場浸水試驗，氣泡逸出劇烈，氣泡連續(xù)濃密，解析氣可燃，火焰呈淡藍(lán)色。對13塊巖心樣品進(jìn)行含氣量解析，解析氣體組分以CH4為主，少量C2—C4氣體及微量CO2和N2。CH4含量較高，峰值可達(dá)99.3%。現(xiàn)場解析氣量分布在0.99～2.36 m3/t，總含氣量最高可達(dá) 6.49 m3/t。

6 對比分析

選取埋深、優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、有機(jī)碳含量、Ro、孔隙度、含氣量、脆性等7個關(guān)鍵參數(shù)與四川盆地內(nèi)主要的4個頁巖氣區(qū)塊儲層開展對比分析[1-18]（表2）。貴州北部地區(qū)（黔北地區(qū)）五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖埋深在5個區(qū)塊中整體最淺；優(yōu)質(zhì)頁巖厚度較威遠(yuǎn)區(qū)塊略大，小于其余3個區(qū)塊；有機(jī)碳含量略大于長寧和涪陵區(qū)塊，遠(yuǎn)小于威遠(yuǎn)和黃金壩區(qū)塊；干酪根類型均為Ⅰ型；由于黔北地區(qū)地層埋深相對較淺，因此Ro值相對較小，最小為1.9%，但整體均表現(xiàn)為成熟—過成熟階段；最大孔隙度相對較小外，孔隙度平均與其余的4個區(qū)塊接近；含氣量較涪陵區(qū)塊略差，較其余3個區(qū)塊略高；脆性整體較高，略高于5個區(qū)塊（表2）。借鑒四川盆地龍馬溪組儲層分類標(biāo)準(zhǔn)[1-2,8]，貴州北部地區(qū)五峰組至龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖有機(jī)碳含量為Ⅰ—Ⅱ類，孔隙度為Ⅰ—Ⅱ類，含氣量為Ⅰ—Ⅱ類，脆性為Ⅰ類，儲層整體表現(xiàn)為Ⅰ—Ⅱ類，對比可知與威遠(yuǎn)區(qū)塊相當(dāng)，部分儲層參數(shù)優(yōu)于長寧、黃金壩、涪陵等3個頁巖氣區(qū)塊（表2）。

7 結(jié)論

1）黔北地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖地層有機(jī)碳含量為0.7%～6.5%，集中分布在2.0%～3.5%；干酪根類型以I型為主，已進(jìn)入高成熟—過成熟早期演化階段；石英、長石等脆性礦物含量64.1%～86.5%，平均79.4%，含量較高；孔隙度平均4.1%，滲透率平均0.002 mD；儲層孔隙以有機(jī)質(zhì)孔、礦物顆粒粒間微孔、晶間孔和次生溶蝕孔為主，裂縫較為發(fā)育；巖心比表面積為平均21.7 m2/g，微孔隙較為發(fā)育；總含氣量一般大于1 m3/t，最高達(dá)6.5 m3/t。

2）對比分析表明，該儲區(qū)層與四川盆地內(nèi)鄰近頁巖氣主力建產(chǎn)區(qū)塊的儲層條件基本相當(dāng)。目前貴州北部仍然處于早期勘探階段，下一步應(yīng)進(jìn)一步落實有利構(gòu)造，尋找儲層性質(zhì)較好的甜點(diǎn)區(qū)，該區(qū)域的頁巖氣開發(fā)具有較大的潛力。

表2 黔北地區(qū)與四川盆地內(nèi)主要頁巖氣區(qū)塊儲層參數(shù)對比表[1-18]