陕西省东南部下寒武统页岩气资源潜力分析

赵雪娇，吴彦君，杨 甫，田 涛

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710016；2.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，西安 710016；3.西北大学，西安 710069；4.延长油田股份有限公司青化砭采油厂，陕西延安 716003；5.陕西省煤田地质有限公司，西安 710016)

Zhao Xuejiao1,2,Wu Yanjun3,4,Yang Fu1,5and Tian Tao1,5(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,Ministry of Land and Resources,Xi’an,Shaanxi 710016;2.Shaanxi Provincial Coal Geological Exploration Research Institute Co.Ltd.,Xi’an,Shaanxi 710016;3.Northwest University,Xi’an,Shaanxi 710069;4.Qinghuabian Oil Production Plant,Yanchang Oilfield Co.Ltd.,Yan’an,Shaanxi 716003;5. Shaanxi Coal Geology Group Co.Ltd.,Xi’an Shaanxi 710021)

陕西省东南部下寒武统页岩气资源潜力分析

赵雪娇1，2，吴彦君3，4，杨 甫1，5，田 涛1，5

(1.国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710016；2.陕西煤田地质勘查研究院有限公司，西安 710016；3.西北大学，西安 710069；4.延长油田股份有限公司青化砭采油厂，陕西延安 716003；5.陕西省煤田地质有限公司，西安 710016)

陕西省东南部下寒武统黑色页岩发育，厚度较大，目前对该地区页岩的相关研究极少。通过烃源岩分析、薄片鉴定、扫描电镜分析、X线衍射、液氮吸附等实验方法，对页岩的有机地球化学特征、矿物组成、孔隙结构特征等储层物性参数及页岩气勘探开发潜力进行了分析。结果表明，该套黑色页岩有机质类型以Ⅰ型干酪根为主，总有机碳（TOC）平均为2.24%。烃源岩有机质成熟度平均为2.07%，处于高或过成熟阶段，有利于页岩气的生成及吸附。页岩储层发育溶蚀孔隙、黏土矿物微孔隙和微裂缝。从矿物组成看，脆性矿物含量较高，利于后期压裂改造。从孔隙结构看，孔隙具有较大的比表面积，平均值为2.75 m2/g，以中孔为主。综上所述，虽然研究区构造复杂，但有机地化特征、矿物组成、孔隙发育及孔隙结构特征等均表明下寒武统黑色页岩具有一定的页岩气资源潜力。

陕西省；下寒武统；页岩气；储层特征

在我国南方及陕西等地区下寒武统底部普遍发育一套厚度不等的黑色页岩，特征典型，广泛出露，可在全世界范围对比，该期黑色页岩异常富集有机质，已发现大量（古）油气藏及油气显示[1]，尤其四川盆地及周缘地区下寒武统牛蹄塘组（其它地区也称水井沱组、筇竹寺组、九龙洞组、长江沟组等）是中国未来页岩气开发的主要层系，近年来开展了大量的研究工作[2-6]。陕西省东南部该套黑色页岩主要由深灰色和黑色泥岩、含硅质泥岩、粉砂质泥岩或泥质粉砂岩构成，厚度可达100～500 m，但是目前该地区页岩气资源潜力研究较少。

本文以陕西省东南部早寒武世黑色页岩为研究对象，通过烃源岩分析、薄片鉴定、扫描电镜分析、X线衍射及液氮吸附等实验方法，研究了页岩有机质类型、含量、成熟度等有机地化特征，矿物组成、物性及孔隙类型及孔隙结构等储层特征，探讨了早寒武系页岩气成藏的基本条件，对该地区页岩气勘探开发奠定了基础。

1 地质背景

研究区处于川、陕、鄂、渝四省市的结合处（图1），属秦岭山系北大巴山地区。元古代至今，在华南板块与华北板块的多次汇聚、离散、碰撞作用下，秦岭造山带发育形成，并完成后碰撞造山运动。构造运动的多期次性和复杂性，决定了其沉积环境的多变性。

图1 研究区位置及采样点分布Figure 1 Study area location and sampling point distribution

北大巴山地区隶属于秦岭造山带。在扬子板块与华北板块至少三次汇聚两次离散的演化史中，北大巴山的构造环境也几度改变。晋宁时期扬子板块与华北板块发生了第一次汇聚作用，后于早震旦世随着秦岭-祁连洋的扩张开始离散。直到中志留世，秦岭裂谷为统一的、稳定的古大陆发育阶段。研究区在晚震旦纪形成滞流盆地相碎屑岩与碳酸盐岩混积，早寒武世为浅海盆地相，发育一套黑色岩系，早期以炭质页岩夹粉砂岩、硅质岩和灰岩为主；中晚期以炭质页岩和黑色页岩为主，属稳定硅质建造类型。在早奥陶纪构成地质历史时期中的最大海侵，以碳酸盐岩沉积为主导。早志留世晚期，火山作用明显加强，沿断裂带发育一系列浅成-超浅成侵入岩，沉积了一套火山碎屑岩。中志留纪随着地壳抬升，沉积了大陆斜坡相粉砂岩为主的陆源碎屑岩，其后沉积了浅海陆棚相沉积物粉砂质泥岩。

2 页岩发育特征

整个南方地区，下寒武统黑色页岩层系均可以对比，只是地层名称有所差别。在中、上扬子西区称为筇竹寺组，遵义、瓮安一带称为牛蹄塘组，宜昌-神农架称为水井沱组等[3]。陕西省东南部该套黑色页岩厚度达100～500 m，其中镇坪一带下寒武统水井沱组泥质烃源岩厚度推测大于150 m，其中TOC＞2.0%以上黑色页岩累计厚度60～80 m[7-8]（图2）。

图2 筇竹寺组页岩TOC＞2.0%厚度分布图Figure 2 Thickness distribution of Qiongzhusi Formation shale with TOC＞2.0%

野外观察研究区下寒武统黑色页岩层系主要由炭质页岩、砂质页岩及泥灰岩组成，含笔石化石（图3a），薄片鉴定岩石为泥质结构颗粒大小＜0.03 mm，矿物成分主要为石英、白云石、方解石、长石及黏土矿物，含黄铁矿（1%～2%）。有机碳黏土矿物混杂分布，形成纹层，岩石呈棕黑色（图3b）。

3 有机地球化学特征

①有机质类型。有机质类型是评价烃源岩质量、生烃潜力的重要指标，不同类型的干酪根，具有不同的显微组分，影响着页岩气含量。研究区下寒武统页岩样品干酪根在扫描电镜下主要为松软的粒状、絮片状、粒絮状、片状集合体（图4），其有机质类型属腐泥型，个别样品中见镜质体。干酪根显微组分中，腐泥组含量较高，几乎不含惰质组，其中腐泥组中腐泥无定型体体积分数为80%～97%，壳质组中腐殖无定型体积分数为2%～14%，镜质组体积分数为1%～9%；干酪根类型指数为79～97，类型以Ⅰ型为主，个别Ⅱ1型（表1），为生成页岩气有利的有机质类型。

图3 下寒武统页岩特征Figure 3 Lower Cambrian shale features

图4 干酪根在扫描镜下检验Figure 4 Kerogen under microscopic examination

②有机质丰度。有机碳含量是页岩储层评价的重要参数之一，它既决定着页岩的生烃强度，也是页岩吸附气的载体之一。根据美国页岩气开采经验，页岩富集区含气页岩有机碳质量分数一般大于2%。研究区下寒武统页岩TOC质量分数为0.36%～6.96%，平均为2.24%。大部分样品的有机碳质量分数在2%左右（表1），有机碳含量较高，为大量生烃提供了物质基础。

表1 页岩样品有机地化参数表Table 1 Organic geochemical parameters of shale sample

③有机质成熟度。有机质成熟度是表征有机质向油气转化的热演化程度指标，有机质只有在达到一定的热演化程度后才能开始大量油气生成，不仅决定了烃源岩生烃量的多少也决定了生烃物质类型。研究区下寒武统页岩有机质成熟度较高，镜质体反射率RO分布在1.82%～2.57%，平均值为2.07%，处于成熟-过成熟阶段（表1），较高的成熟度有利于有机质热解生气。

4 储层特征

4.1 矿物组成

页岩矿物组分的含量一方面影响页岩的脆性，大量脆性矿物的存在使页岩易于压裂改造，另一方面，矿物组分影响着孔隙结构，尤其是黏土矿物，影响气体的吸附和储存。

根据野外露头样品测试结果显示（图5），研究区下寒武统页岩脆性矿物总体含量占73.98%～ 96.36%（碎屑矿物与自生脆性矿物含量之和），黏土矿物体积分数2.46%～22.58%。其中，石英与长石体积分数为14.22%～88.71%，平均50.51%；方解石和白云石体积分数为2.06%～87.57%，平均40.23%，还含有黄铁矿，体积分数为0.37%～6.21%，平均为1.93%。黄铁矿的存在反映当时页岩处于静水还原环境，有利于页岩储层的发育。石英与长石、方解石和白云石为脆性矿物的主要贡献者。岩石矿物组成对页岩气后期开发至关重要，具备商业性开发条件的页岩，一般其脆性矿物体积分数要高于40%，黏土矿物体积分数小于30%。可见研究区页岩砂质和钙质较重，具有较好的脆性，有利于页岩压裂产生裂缝。

图5 研究区下寒武统页岩矿物成分Figure 5 Study area lower Cambrian shale mineral compositions

4.2 物性特征

页岩储层的孔隙度和渗透率一般较小，研究区页岩样品孔隙度最小值为1.46%，最大值为2.80%，平均值为2.12%；样品的渗透率极低，最小值为0.0122 mD，最大值为0.0456 mD，平均值为0.0247 mD（表2）。孔隙度相对于美国五大含气页岩3%～14%的孔隙度较小，物性条件较差。

表2 样品物性参数表Table 2 Sample physical property parameters

4.3 储集空间特征

4.3.1 孔隙特征

页岩储层具有多种孔隙空间类型，形态多种多样。孔隙的性质影响着泥页岩的比表面积和微孔隙的相对丰度，这直接关系到页岩气的吸附性、解析性及其在泥页岩中的流动性[9]。根据孔隙大小划分标准，页岩主要发育微孔隙（＜2 nm）和中孔隙（2～50 nm），从产状及形态划分，页岩孔隙类型分为基质孔隙和裂缝。基质孔隙有残余原生孔隙、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物伊利石化形成的微裂（孔）隙和不稳定矿物（如长石、方解石）溶蚀形成的溶蚀孔等。

图6 下寒武统页岩孔隙特征Figure 6 Lower Cambrian shale pore features

根据矿物的成因、形态及大小，通过薄片鉴定和扫描电镜观测，本文将研究区页岩样品孔隙分为溶蚀孔，黏土矿物微孔隙、微裂缝及有机质孔。

溶蚀孔在研究区十分发育，孔径相对较小，为1～6 μm，胶结物主要为方解石、伊利石及黄铁矿（图6a，图6b）。主要为长石及碳酸盐等易溶矿物，在空气、地下水或者有机质脱羧后产生的酸性水作用下溶蚀而产生的次生孔隙。

黏土矿物微孔隙。主要为黏土矿物伊利石之间的微孔隙。当泥页岩孔隙水偏碱性并且富含钾离子时，随着埋深的增加，蒙脱石向伊利石转化，体积减小，从而产生微孔隙（图6c）。该类孔隙孔径较小，一般为0.1～2 μm。

微裂缝在研究区相对发育，裂缝宽度1～1.5 μm，分为矿物间裂缝（图6d），与有机质间裂缝（图6e），主要为黏土矿物之间的转化引起体积收缩或者有机质生烃导致内部压力不均及体积收缩形成。

有机质孔在研究区仅一个样品可见（图6f），主要是有机质热裂解生烃过程中形成的孔隙，孔隙大小纳米级，点状分布。

整体而言，研究区页岩溶蚀孔及微裂缝比较发育，为页岩气的储集提供了足够的空间。

图7 下寒武统页岩裂缝特征Figure 7 Lower Cambrian shale fissure features

4.3.2 裂缝特征

裂缝包括地下原始裂缝和后期人造裂缝，研究区页岩发育若干构造成因的裂缝（图7），可为页岩气提供充足的储集空间、运移通道，更能有效提高页岩气产量。

4.4 孔隙结构特征

应用常规的压汞等试验方法研究页岩细小的孔喉效果有限，目前常用于页岩孔隙结构的研究的实验方法主要为氮气吸附法。

本次对研究区黑色页岩样品进行了氮气吸附实验，获得了比表面积及孔径分布、孔体积等参数（表3）。页岩的微孔隙发育，具有较大的比表面积，从测试结果看，研究区页岩样品孔径为3.09～13.35 nm，其平均值为5.16 nm，页岩主体孔径在中孔范围内，同时页岩中含有一定的大孔，造成孔径分布曲线中的“拖尾”现象（图8）。页岩比表面积在0.65～7.76 m2/g，平均为2.75 m2/g，与Berea砂岩比表面积（大约1 m2/g）相比，研究区页岩的比表面积约是Berea砂岩的2倍多，表面积大的主要原因是由黏土矿物、细粒度颗粒造成的，较大的比表面积使得气体吸附存储成为可能。

表3 比表面检测结果表Table 3 Data sheet of specific surface area detected results

图8 孔径分布曲线Figure 8 Pore size distribution curves

根据BJH理论求出样品的孔径分布曲线（图8）所示，页岩孔径分布较简单，孔径分布曲线一般存在一个的峰值，峰值孔径主要集中2 nm处，表明这个范围内孔出现的概率最大。

5 页岩气潜力分析

研究区烃源岩有机质类型以Ⅰ型干酪根为主；有机碳（TOC）质量分数0.36%～6.96%，平均2.24%。烃源岩RO为1.82%～2.57%，成熟度普遍为高或过成熟阶段。可见研究区黑色页岩烃源岩具有一定的生烃潜力。储集层研究表明黑色页岩脆性矿物总体体积分数占73.98%～96.36%，黏土矿物体积分数为2.46%～22.58%，可见研究区黑色岩系砂质和钙质较重，因此其性较脆、硬，在加砂压裂中容易产生裂缝，这对于页岩气的开采极为有利。样品孔隙度最平均值为2.12%，渗透率平均值为0.0247 mD，页岩比表面积平均为2.75 m2/g，比表面积较大。

综上所述，研究区下寒武统黑色页岩具有一定的资源潜力，可以进行下一步勘探。但是由于研究区紧邻造山带，变形强烈，构造缩短率大，裂缝网络发育，浅部断层都具有通天的特征，可能不利于页岩气的成藏。但是近年来的研究表明适当规模断裂体系的存在可以有效改造页岩的储渗条件，有利于页岩气的富集保存和产出，尤其是复向斜地区受构造活动改造弱，黑色页岩埋藏深度较大，盖层分布连续，断裂不发育，流体封闭性强[10]。因此研究区进行油气勘探时，一定要注意在变形强烈之中寻找变形相对较弱、形态相对较完整的复向斜构造。

6 结论

（1）下寒武统黑色页岩异常富集有机质，为重要的页岩气藏。陕西省东南部黑色页岩厚度较大，有机质类型以Ⅰ型干酪根为主，有机碳（TOC）质量分数0.36%～6.96%，平均值为2.24%。烃源岩RO为1.82%～2.57%，成熟度普遍为高或过成熟阶段，生烃潜力较好。

（2）陕西省东南部黑色页岩发育溶蚀孔隙，黏土矿物微孔隙和微裂缝常见，脆性矿物含量高，后期压裂改造条件较好，页岩样品孔径平均值为5.16 nm，页岩主体孔径在中孔范围内，页岩比表面积平均为2.75 m2/g，比表面积较大，利于页岩气的吸附存储。（3）研究区紧邻造山带，构造复杂，进行油气勘探时，一定要注意在变形强烈之中寻找变形相对较弱、形态相对较完整的复向斜构造。

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Lower Cambrian Shale Gas Resources Potential Analysis in Southeastern Shaanxi Province

In the southeastern Shaanxi Province has developed rather thick lower Cambrian black shale,but very few relevant stratigraphic researches on the shale in the area.Through source rock analysis,thin section identification,SEM analysis,X-ray diffraction and liquid nitrogen adsorption etc.carried out studies on reservoir physical parameters of black shale geochemical features,mineral composition;pore structural features etc.Then analyzed study area shale gas exploration and exploitation potential.The result has shown that the black shale organic matter type is mainly kerogen type I,average TOC 2.24%.Average organic matter maturity of source rock is 2.07%,at high or over mature stage,propitious to shale gas generation and adsorption.In shale reservoir has developed dissolved pores,clay mineral micropores and microfissures.See from mineral composition,brittle mineral content is rather high,propitious to succeeding fracturing.See from pore structure,pores have rather large specific surface area,average 2.75m2/g,mainly medium pores.In summary,although structures in study area are complex,but organic geochemical features,mineral composition,pore development and pore structures are all indicated the lower Cambrian black shale has certain shale gas resource potential.

Shaanxi Province;Lower Cambrian Series;shale gas;reservoir features

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.07

1674-1803(2017)02-0029-06

TE112

A

Zhao Xuejiao1,2,Wu Yanjun3,4,Yang Fu1,5and Tian Tao1,5
(1.Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization,Ministry of Land and Resources,Xi’an,Shaanxi 710016;2.Shaanxi Provincial Coal Geological Exploration Research Institute Co.Ltd.,Xi’an,Shaanxi 710016;3.Northwest University,Xi’an,Shaanxi 710069;4.Qinghuabian Oil Production Plant,Yanchang Oilfield Co.Ltd.,Yan’an,Shaanxi 716003;5. Shaanxi Coal Geology Group Co.Ltd.,Xi’an Shaanxi 710021)

国土资源部煤炭勘查与综合利用重点实验室自主科研项目(编号ZP2013-2)

赵雪娇（1985—），女，硕士，工程师，现从事煤系非常规天然气地质研究。

2016-02-28

责任编辑：宋博辇