黔北地区龙马溪组富有机质泥岩储层特征与勘探前景

秦 川, 余 谦, 刘 伟, 闫剑飞, 张海全, 门玉澎

( 1. 中国地质调查局 成都地质调查中心,四川 成都 610081; 2. 国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室,四川 成都 610081 )



黔北地区龙马溪组富有机质泥岩储层特征与勘探前景

秦 川1,2, 余 谦1,2, 刘 伟1,2, 闫剑飞1,2, 张海全1,2, 门玉澎1,2

( 1. 中国地质调查局 成都地质调查中心,四川 成都 610081; 2. 国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室,四川 成都 610081 )

利用黏土矿物及全岩X线衍射分析、有机碳质量分数和显微组分、镜质体反射率、气体法—脉冲法孔隙度和渗透率测定、核磁共振孔隙度、氩离子抛光扫描电镜等方法，测试黔北地区下志留统龙马溪组钻井和剖面富有机质泥岩段岩石样品，研究其储层特征。结果表明，龙马溪组富有机质泥岩岩石类型主要为含粉砂炭质泥岩、粉砂质炭质泥岩，矿物组分中黏土矿物平均质量分数为23.5%，脆性矿物以石英为主(占43.9%)。干酪根类型以I型为主，有机碳质量分数介于2.0%～6.0%，有机质成熟度介于1.51%～2.58%。富有机质泥岩总孔隙度介于2.7%～9.9%，渗透率较低，一般为(0.001～5.960)×10-4μm2。微观储集空间以微裂缝、少量残余粒间孔为主。黔北地区龙马溪组富有机质泥岩具有脆性矿物质量分数高、黏土矿物质量分数低、有机质丰度和有机质成熟度高、低孔低渗的储层特征，具备良好的页岩气勘探潜力。

富有机质泥岩； 储层特征； 下志留统； 龙马溪组； 黔北地区

0 引言

页岩气的勘探开发是化石能源领域的重大革命，已成为全球非常规天然气勘探开发的热点方向和现实领域[1]。目前，美国、加拿大等已经实现页岩气的商业开发[2-3]。我国页岩气勘探处于快速起步阶段，中国南方地区分布的海相富有机质的黑色页岩厚度大、埋藏深度小，具有很好的页岩气成藏条件[4-6]。

黔北地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组暗色泥页岩分布面积广泛、厚度较大，具有页岩气成藏的基本条件，是最有利的页岩气勘探层位，加强这些层位的研究和勘探意义重大[7-9]。张春明等认为，泥质深水陆棚是形成有效烃源岩的主要相类型，龙马溪早期欠补偿环境有利于形成有利的烃源岩[10]；王世玉等认为，下志留统有效黑色页岩厚度是龙马溪组下段深水陆棚沉积段[11]；李俊良等认为，龙马溪组页泥岩有机质含量高，热演化程度高，并且含有硅质成分[12]；林家善等认为，龙马溪组底部烃源岩处于高有机物产率、强还原环境阶段[13]；易同生等认为，正安—务川—沿河以北是贵州龙马溪组页岩气保存的有利区[14]。

近年来，对黔北地区龙马溪组的研究主要集中在沉积环境、岩相古地理、烃源岩等方面，而对储层特征的精细刻画相对缺乏。由于受勘探程度所限，以往的研究主要基于野外露头观察及地表样品分析测试。在黔北地区区域构造和沉积地层分布特征的基础上，笔者以黔北地区唯一一口下志留统龙马溪组页岩气调查井——道页1井，以及道真巴渔、沿河新景、务川北、湄潭抄乐等地表剖面的龙马溪组富有机质泥岩为主要研究对象，进行连续采样、全岩及黏土矿物X线衍射分析、有机碳质量分数、镜质体反射率和显微组分、氩离子抛光扫描电镜、孔隙度和渗透率、核磁共振孔隙度、含气性现场解析等测试，研究龙马溪组富有机质泥岩储层的岩石矿物学特征、有机地球化学特征、物性特征、储集空间类型及特征等，为该地区页岩气资源潜力评价提供地质依据。

1 地质背景

文中黔北地区指遵义断裂以东、贵阳—镇远断裂以北的贵州省行政区范围，面积约为4.9×104km2(见图1)。在大地构造上位于上扬子地台区，其构造演化与扬子地台的区域构造演化具有相似性[15]。扬子地台的演化过程经历多期构造运动的叠加。由于受不同时期构造长期的相互干扰和叠加，形成研究区褶皱和断层发育、组合形态复杂的构造景观[16-17]。

图1 黔北地区主要断裂分布及龙马溪期沉积相展布Fig.1 Faults distribution and sedimentary facies between Longmaxi stage in northern Guizhou

晚奥陶—早志留世龙马溪期，黔北遵义—石阡—铜仁一线之南地区隆升为陆，无龙马溪组沉积，可见石牛栏组与宝塔组平行不整合接触(如石阡本庄)。隆起北部边缘发育潮坪相沉积，向北部过渡为陆棚沉积区，黔北地区自南向北水体加深，地层厚度、富有机质岩性段(w(TOC)>1.5%)厚度也由南往北逐渐增厚(见图2)。现今黔北地区宽缓背斜构造在地表以出露寒武系地层为主，大部分地区龙马溪组已剥蚀殆尽，仅在二叠—三叠系覆盖区有龙马溪组地层保留，呈北东—南西向条带状，沿向斜翼部分布。下志留统龙马溪组富有机质泥页岩主要发育于深水陆棚相区，纵向上位于龙马溪组下部。

2 储层特征

2.1 岩石类型和矿物组成

黔北地区龙马溪组富有机质泥岩岩石类型主要为含粉砂炭质泥岩、粉砂质炭质泥岩、含钙—钙质粉砂质碳质泥岩(见图3)。富有机质泥岩段脆性矿物总体质量分数为52.0%～82.0%(碎屑矿物与自生脆性矿物质量分数之和)(见图4)。其中，脆性矿物以石英为主，占43.9%；次之为钾长石和斜长石(平均为19.4%)、方解石和白云石(平均为10.1%)；黄铁矿质量分数为1.1%。黏土矿物质量分数为15.0%～46.0%，平均为23.5%，主要为伊利石组成，伊/蒙混层、高岭石和绿泥石质量分数较低(见图5)。

图2 道页1井—绥阳—湄潭抄乐龙马溪组沉积相剖面

图3 黔北地区龙马溪组富有机质泥岩显微特征

图4 黔北地区龙马溪组富有机质泥岩全岩矿物组成直方图Fig.4 Histogram of mineral contents of organic-rich mudstone of Longmaxi formation in northern Guizhou

图5 黔北地区龙马溪组富有机质泥岩黏土矿物组成直方图

在区域上，南部越靠近黔中古隆起边缘，碎屑矿物、自生脆性矿物质量分数越高、粒度越大；纵向上越往上部，碳质质量分数越低，碎屑矿物、自生脆性矿物质量分数越高、粒度越大。岩石矿物学分布差异是沉积环境的响应，表现为由南至北沉积水体加深，陆源碎屑补给减弱。

2.2 有机地球化学特征

龙马溪组富有机质泥岩干酪根显微组分主要为腐泥无定形体及腐泥碎屑体。其中腐泥无定形体质量分数为27.0%～87.0%，平均为55.7%；腐泥碎屑体质量分数为4.0%～71.0%，平均为38.8%。样品中含少量的无结构镜质体和丝质体。干酪根类型指数为75～98，以Ⅰ型为主，Ⅱ1型次之。

龙马溪组富有机质泥岩段有机质丰度较高，有机碳质量分数介于2.0%～6.0%，平均为3.5%。道页1井15个样品测试结果表明，有机碳质量分数最大为5.9%，其中w(TOC)大于1.5%的富有机质泥岩段钻厚达27 m，Ro介于1.51%～2.18%，平均为1.79%，干酪根处于高成熟—过成熟早期演化阶段。道真巴渔剖面24个样品测试结果表明，有机质成熟度介于1.87%～2.58%，平均为2.21%。

在区域上，龙马溪组富有机质泥岩有机碳质量分数、有机质成熟度的变化主要体现在南北向的差异。在道真、沿河地区，龙马溪组沉积较厚，为龙马溪期黔北地区的一个沉积沉降中心，有机碳质量分数、有机质成熟度普遍较高。往南靠近黔中隆起带，龙马溪组沉积相对减薄，有机碳质量分数、有机质成熟度明显降低(见图6)。

2.3 孔隙度和渗透率

利用气体法对道真巴渔剖面岩石样品进行孔隙度、渗透率测定，龙马溪组富有机质泥岩总孔隙度介于2.7%～9.9%；渗透率较低，一般为(0.10～0.91)×10-6μm2。利用脉冲法测试孔隙度、渗透率，道页1井龙马溪组富有机质泥岩有效孔隙度介于0.67%～1.76%，平均有效孔隙度为1.27%；渗透率介于(0.004 9～0.691 2)×10-3μm2，平均渗透率为0.152 8×10-3μm2(见表1)。利用核磁共振测试孔隙度，道页1井龙马溪组总孔隙度为3.92%～7.62%。

2.4 储集空间类型、特征及其形成主控因素

将氩离子抛光扫描电子显微镜技术用于纳米级孔隙(直径<10.0 μm)研究，精确刻画页岩的孔隙类型、结构和大小[18]。黔北地区龙马溪组富有机质泥岩结构致密，微孔隙总体不发育，可划分为粒内孔、粒间孔、有机质孔和裂缝等四种类型[18]。

2.4.1 粒内孔

粒内孔的发育程度取决于矿物的稳定性，长石和方解石等不稳定矿物较易溶蚀而形成粒内孔，黄铁矿也存在溶蚀现象。粒内孔在黔北地区龙马溪组富有机质泥岩中发育较少，扫描电镜下可见黄铁矿单晶或草莓状黄铁矿部分溶蚀而形成粒内溶孔(见图7(a))。粒内孔形态多为多边形状或槽状，孔径大小不一，直径一般为0.1～5.0 μm，连通性较差。

图6 黔北地区龙马溪组有机碳质量分数及有机质成熟度Fig.6 Distribution of total organic carbon and organic material maturity of Longmaxi formation in northern Guizhou

剖面样品号总孔隙度/%渗透率/10-3μm2备注钻井样品号有效孔隙度/%渗透率/10-3μm2备注DZP4-CH34.4<0.04×10-3DY1-10.670.0065DZP10-CH45.20.91×10-3DY1-31.350.0049道真巴渔剖面DZP10-CH59.90.67×10-3气体法道页1井DY1-41.040.0067脉冲法DZP10-CH65.20.10×10-3DY1-61.460.5960DZP12CH75.0<0.04×10-3DY1-131.760.0283DZP16-CH82.7<0.04×10-3DY1-231.270.6912

2.4.2 粒间孔

粒间孔为同种或不同种颗粒、晶体或化石间孔隙。黔北地区下志留统龙马溪组富有机质泥岩粒间(晶间)孔隙主要由同种或多种晶粒、矿物相互支撑而形成[18]。其中，粉砂颗粒之间或粉砂颗粒与黏土矿物之间微孔隙较为发育，但多被有机质、泥质充填，仅残余部分粒间微孔隙，或仅残余绕颗粒边缘分布的微孔隙(见图7(b-d))。粒间孔直径一般为0.1～2.0 μm，比粒内孔的孔径更小，但更具规模，连通性差。粒间孔的形态多呈不规则状、孔喉状或槽状。

2.4.3 有机质孔

龙马溪组富有机质泥岩中有机质结构致密，有机孔(有机质内孔)总体不发育，对黔北地区龙马溪组富有机质泥岩的总孔隙度贡献较小。有机孔孔径相对较小，主要为纳米级的孔隙，孔径介于1～200 nm。有机孔形态多为不规则状、不规则的椭球状、似蜂窝状(见图7(e))。

图7 黔北地区道页1井龙马溪组微观孔隙特征Fig.7 Micro-characteristics of pores of of DY1 well, Longmaxi formation in northern Guizhou

2.4.4 裂缝

裂缝的形成主要与黏土矿物、硅质有关，在其他矿物中少见。在黏土矿物中，裂缝的形成主要与成岩作用过程中黏土矿物的脱水作用有关[18]。根据扫描电镜及背散射观察结果，黔北地区龙马溪组富有机质泥岩中微观裂缝较为发育，形成理想的解析—渗流通道。主要为黏土矿物层间微裂缝，黏土矿物以片状伊利石为主，层间微裂缝宽度通常小于1.0 μm，多被有机质充填，仅在有机质边缘残余部分微缝隙(见图7(f))。脆性矿物与黏土矿物之间可见丰富微裂缝，缝面绕脆性矿物而弯曲，无充填，宽度一般为0.5～5.0 μm。微裂缝是龙马溪组富有机质泥岩的主要储集空间类型。

2.5 含气性特征

以道页1井为例，龙马溪组富有机质泥岩段含气性较好，损失气量和解析气量为1.32～1.63 m3/t，总含气量为1.84～2.69 m3/t(见表2)。解析气体组分以CH4为主，含少量C2～C4气体及微量CO2、N2。CH4体积分数较高，峰值可达99.30%。

表2 道页1井龙马溪组含气性特征

3 页岩气勘探前景

根据美国页岩气成功开发实践，具有工业气流的页岩气有机碳质量分数下限为0.5% ，有机质成熟度下限为1.1%[20-21]，为取得较好压裂改造效果，脆性矿物质量分数通常要大于50%[22]。黔北地区龙马溪组富有机质泥岩段中脆性矿物总体质量分数52.0%～82.0%，破裂潜力较好；黏土矿物质量分数为15.0%～46.0%，平均为23.5%；有机碳质量分数为2.0%～6.0%，平均为3.5%；镜质体反射率为1.51%～2.18%，平均为1.79%，与美国含气页岩的数据相当。因此，黔北地区下志留统龙马溪组具备页岩气形成的基本地质条件，是潜力良好的页岩气勘探目的层。

4 结论

(1)龙马溪组富有机质泥岩岩石类型主要为含粉砂伊利石炭质泥岩、粉砂质伊利石炭质泥岩、含钙—钙质粉砂质伊利石碳质泥岩，矿物组分中黏土矿物质量分数为15.0%～46.0%，平均为23.5%；脆性矿物以石英为主，次为钾长石和斜长石、方解石和白云石；黄铁矿质量分数较低。

(2)龙马溪组富有机质泥岩干酪根类型以Ⅰ型为主，Ⅱ1型次之，有机碳质量分数介于2.0%～6.0%，平均为3.5%，有机质成熟度介于1.51%～2.58%，平均为2.01%，干酪根处于高成熟—过成熟早期演化阶段。

(3)龙马溪组富有机质泥岩结构致密，总孔隙度介于2.7%～9.9%，渗透率较低，一般为(0.001～5.960)×10-4μm2。微观储集空间以微裂缝、少量残余粒间孔为主，有机质孔和粒内孔发育较差。

(4)黔北地区龙马溪组富有机质泥岩具有脆性矿物质量分数高、黏土矿物质量分数低、有机质丰度和有机质成熟度高、低孔低渗的储层特征，具备良好的页岩气勘探潜力。

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2016-07-07；编辑：任志平

国土资源部油气资源战略研究中心项目( 2009GYXQ15-03)；贵州省地质勘查基金项目(GZSYYQZYDC2012-002)；中国地质调查局基础性公益性地质矿产调查项目(DD20160176)

秦 川(1985-)，女，博士，工程师，主要从事石油地质学方面的研究。

TE122.2

A

2095-4107(2016)05-0086-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.010