酉秀隆褶带下寒武统牛蹄塘组页岩有机地化因素对含气性的影响研究

刘光明，张成江，方光建，张志平，杨 沛，吴益朝

（1．成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059；2．重庆市地质调查院；3．重庆地质矿产研究院；4．重庆市地质矿产勘查开发局川东南地质大队）

酉秀隆褶带是上扬子东南缘的重要组成部分，下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩广泛发育，具有烃源岩厚度大、空间分布连续、有机地球化学指标较好等特点，与国内外典型页岩[1–4]具有良好的可比性，是页岩气勘探的重要目标层系。但酉秀隆褶带已实施的牛蹄塘组页岩气探井（含地质井、参数井）含气量较低，勘探工作未取得突破。部分学者从储集空间特征及含气性[5–9]、保存条件[10–11]等方面进行了研究，但尚未开展有关页岩有机地球化学因素对含气性的影响的研究。本文在野外地质调查基础上，结合页岩气调查评价专题研究资料，对渝东南酉秀隆褶带下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩有机地化因素对含气性的影响进行了研究和探讨，并指出了该区有利储层分布区带。

1 地质背景

酉秀隆褶带位于四川盆地东南外缘，构造位置属于羌塘-扬子-华南板块扬子陆块武陵山古生代沉陷带内隆褶构造单元。北西以马剌湖断裂为界，南东以三阳断裂带为界，区内构造线NNE向，主体构造平行交替、强烈挤压抬升，具典型的背斜开阔、向斜紧密的隔槽式褶皱特征（图1）。

研究区早古生代地层非常发育，主要发育上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组两套富有机质页岩，其中牛蹄塘组属于陆棚沉积环境，以深水陆棚沉积为主，可划分为两个三级层序，分别对应中下部的炭质页岩段和上部的粉砂质泥岩段。岩性以黑色、灰黑色炭质页岩为主，夹硅质岩，平均厚度65 m。矿物组成以石英、长石和黄铁矿等脆性矿物为主，含量超过50%；黏土矿物主要为伊利石、伊/蒙混层矿物。

2 有机地球化学特征

2.1 有机碳含量

有机质是页岩的成烃物质基础，其丰度决定了生气质量的好坏，是页岩气评价的首要有机地球化学指标[12–13]。衡量岩石中有机质的丰度所用的指标主要有总有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”、总烃和生烃潜量（S1+S2）。根据本区牛蹄塘组有机质成熟度高的实际情况，TOC可以近似代表有机质丰度。样品分析测试结果显示，牛蹄塘组页岩TOC分布于0.36%～12.60%之间，平均4.62%，其中大于2%的样品达60%以上，表明有机碳含量相对较高，总体上牛蹄塘组页岩具有良好的原始生气基础（表1）。

纵向上，TOC表现出中上部随埋深增加而增大、中下部随埋深增加而减小的变化趋势，这主要是牛蹄塘组沉积时期海侵速率、有机质沉积速率和保存条件发生变化，导致了有机质纵向上非均质分布[13]；平面上，不同区域TOC变化较大，高值区主要分布在秀山—酉阳一带，与南方地区牛蹄塘组富有机质页岩的有机质主要受沉积环境控制[13]的认识一致。

图1 酉秀隆褶带构造纲要及样品分布示意图

表1 牛蹄塘组富有机质页岩TOC统计对比

2.2 生烃潜量

岩石热解参数可反映源岩的生烃能力，但是生烃潜量受热演化程度的影响较大，中国古生界海相烃源岩成熟度普遍很高，岩石热解获得的残余生烃潜力通常很低，不能直接反映其原始生烃潜力。研究认为（陈建平等，2012），可以以未成熟-低成熟阶段烃源岩有机质为基础，按有机质类型大类，建立生烃潜量与有机碳含量之间的定量关系，以此来计算高-过成熟烃源岩的原始生烃潜力。

对 20块页岩岩心样品岩石热解实验分析测试表明，生烃潜量一般为0.04～0.11 mg/g，平均为0.065 mg/g，表明该套页岩的残余生烃潜量均较低。根据下古生界生烃潜量计算公式（Pg=5.63TOC−2.37（陈建平，2012））推算，牛蹄塘组富有机质页岩在其未成熟-低成熟演化阶段的原始生烃潜力为0.445～68.57 mg/g，表明该套富有机质页岩原始生烃潜力较大。

2.3 有机质成熟度

镜质体反射率（Ro）是国际上公认的标定有机质成熟度的一项独立指标，但不适用于下古生界烃源岩（腾格尔等，2007）。研究显示，沥青反射率已成为表征缺乏镜质体而含有沥青的海相烃源岩有机质成熟度的一个重要指标（涂建琪等，1999）。据干酪根镜鉴和有机显微组分鉴定，本区牛蹄塘组富有机质页岩样品富含沥青质，故本次采用换算过的沥青等效镜质体反射率来评价页岩成熟度（Ro=0.618Rob+0.4，（Jacob，1985））。实测数据显示，牛蹄塘组页岩Ro为2.93%～3.62%，平均3.43%，表明该套有机质页岩已达到过成熟演化阶段，页岩已进入生气衰竭期，这可能与牛蹄塘组页岩经历了多期次热史变化有关。纵向上，Ro随深度变化规律不明显；平面上，Ro高值区分布在酉阳—秀山一带。

2.4 有机质类型

过高成熟度导致了IH值和H/C值已经失去应有的指示意义[14]，本次以干酪根类型指数Ti（据曹庆英，1985）判断有机质类型。样品干酪根显微组分鉴定结果显示，该套有机质页岩中含有大量腐泥组和少量镜质组、惰质组，不含壳质组，Ti大于80的样品占92%，Ti大于40小于80的样品占8%。表明牛蹄塘组页岩有机质类型为Ⅰ和Ⅱ1型，以Ⅰ型为主，其有机质母源主要为藻类等低等水生生物，原始生烃能力较好。

综合考虑牛蹄塘组页岩的原始生气能力以及热演化程度对有机质丰度、有机质类型等指标的负面影响[1]，本区牛蹄塘组页岩总体上属于中等烃源岩。

3 有机地化因素对含气性的影响

由于页岩气具有多种赋存状态，页岩的有机地球化学特征、矿物组成、储集空间类型及结构等因素都在一定程度上控制着页岩含气量大小[15–17]。而有机质作为页岩的成烃物质基础，有机质丰度、有机质成熟度是控制页岩含气性能的最关键因素。

3.1 含气性

钻井样品现场含气量解析结果显示，牛蹄塘组富有机质页岩含气量平均值在0.5 m3/t以下，气体成分以氮气为主，烃类含量普遍偏低，总体上呈现出总含气量低、烃含量低、氮气含量高的特点。气体中的甲烷碳同位素介于-34.8‰～-41.2‰之间，平均-36.9‰，表现为有机成因的特征。与目前勘探开发取得成功的五峰-龙马溪组页岩气体相比，该值明显偏重，可能与牛蹄塘页岩高演化程度有关。另外，根据甲烷碳同位素与干燥系数间关系，显示牛蹄塘组页岩气属于高温裂解气。

在30 ℃和99.99%甲烷平衡湿度的条件下，等温吸附测试结果显示，牛蹄塘组页岩饱和吸附量为0.3～5.50 m3/t，平均为2.68 m3/t，差异非常大，且远大于现场解析含气量。总体上牛蹄塘组页岩具有良好的吸附特征，在地下压力状态下能吸附较多体积的气体。综合现场解析和等温吸附结果，牛蹄塘组富有机质页岩总体含气量较低，下部硅质页岩段现场解析含气量相对较高。

3.2 TOC对含气性的影响

TOC可以反映出页岩的有机质丰度，控制页岩的物理性质[15]，是影响牛蹄塘组含气量的重要因素。测试结果表明，TOC与页岩含气量正相关性较好，总体上页岩含气量随TOC增大而增加。这是因为牛蹄塘组页岩主要发育微型孔隙[8–9]，而本区牛蹄塘组黏土矿物平均含量 17%，微型孔隙主要受控于TOC[18]，TOC通过控制页岩气的储集空间进而影响页岩含气性。

在相同气藏温度和压力下，随着有机碳含量的增大，有机质孔增加，气体储存空间增加，可供气体吸附的孔隙比表面也增大，页岩吸附气含量也增加，进而页岩总含气量增加，这与孙梦迪[16]、刘雄辉[17]等研究结果一致；此外，可能也与有机碳表面的亲油性特征对气态烃较强的吸附能力和气态烃在无定形和无结构基质沥青体中的溶解作用增强了气体吸附能力[19–20]有关。

由此可以看出，在总含气量较低的情况下，TOC仍然是含气量的重要影响因素。根据本区实际情况，TOC ＞3%的富有机质页岩可作为下一步的工作重点。

3.3 Ro对含气性的影响

除了有机碳含量外，页岩成熟度也在很大程度上控制着页岩的生气潜力。研究表明[21–23]，过成熟阶段页岩在一定范围内，比表面积、孔隙度和吸附能力与有机质成熟度相关性明显。有机质成熟度（Ro）通过影响孔隙度、孔隙结构、比表面积和吸附能力等储层物性进而影响页岩含气性。

本区牛蹄塘组页岩Ro平均3.43%，处于过成熟阶段，但Ro与现场解析气量相关性不明显，与等温吸附气量存在一定的负相关性（图2）。实测显示含气量低，与以往对渝东南牛蹄塘组富有机质页岩的含气性的认识[15，24–25]存在较大差异。究其原因，可能是因为四川盆地周缘经历了复杂的构造运动，处于盆外的渝东南地区牛蹄塘组富有机质页岩经历了多期次生排烃。根据生排烃史模拟，牛蹄塘组富有机质页岩约在侏罗系-白垩系沉积时期就达到了高-过成熟阶段，已经进入生烃衰竭期，现今页岩气的散失大于补充，导致页岩吸附气含量不高，加之构造运动对保存条件的破坏，使页岩的含气性降低。

图2 牛蹄塘组页岩Ro与含气性关系

另外，过高的有机质成熟度对有机质丰度、有机质类型等存在负面影响，导致有机碳石墨化程度增高，从而降低有机质微孔隙的发育，Ro增加导致的微孔隙减少掩盖了TOC增加导致的微孔隙增加，加之压实作用的破坏，减少了页岩气的储集空间，也是牛蹄塘组页岩含气性较差的可能原因。

由此可以看出，在一定条件下，Ro是控制含气性的最主要因素之一，其对含气性的影响程度大于TOC，适当的有机质成熟度（Ro＜3%）是页岩气勘探开发能否取得突破的关键因素之一。

4 有利储层区带

分析认为牛蹄塘组页岩有机质丰度较高，有机质类型主要为 I型，有机质成熟度较高，处于高成熟-过成熟演化阶段。整体来看，该套烃源岩为中等烃源岩，在本研究区仍然具有一定的勘探潜力。综合优质页岩厚度、埋深和有机地化因素对含气性的影响，同时考虑构造作用对保存条件的影响因素，确定有利储层区带参数如下：优质页岩厚度大于30 m、埋深小于3 500 m、TOC＞3%、Ro＜3%。

整体而言，牛蹄塘组富有机质页岩中段为有利储集层段（图3）；W4井（酉阳）西南部为有利储层分布区带（图4），面积约610 km2。

5 结论

（1）牛蹄塘组富有机质页岩TOC平均4.62%，具有较好的原始生烃基础；原始生烃潜量较大；Ro平均 3.43%，处于过成熟阶段；有机质类型以Ⅰ型为主，原始生烃基础较好。总体上牛蹄塘组页岩属于中等烃源岩。

（2）TOC、Ro是影响含气性的主要有机地化因素。TOC影响页岩气的储集空间，随着有机碳含量的增大，可供气体吸附和储存的空间增加，进而页岩总含气量增加。在总含气量较低的情况下，TOC仍然是含气性的重要影响因素。Ro影响气体吸附能力和储集空间，Ro过高导致的微孔隙减少掩盖了TOC增加导致的微孔隙增加，降低了页岩的气体吸附能力，其对含气性的影响程度大于TOC，是控制含气性的最主要因素之一。

（3）整体而言，牛蹄塘组富有机质页岩中段为有利储集层段，W4井（酉阳）南西部为有利储层分布区带。较高的有机碳含量（TOC＞3%）、适当的有机质成熟度（Ro＜3%），构造作用对保存条件的影响，是牛蹄塘组富有机质页岩今后的主要工作方向。

[1] 李景新，吕宗刚，董大忠，等．北美页岩气资源形成地质条件[J]. 天然气工业，2009，29（5）：27–32.

[2] 郭彤楼，张汉荣. 四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集高产模式[J]. 石油勘探与开发，2014，41（1）：28–36.

[3] GUO Tonglou. Evaluation of highly thermally mature shalegas reservoirs in complex structural parts of the Sichuan Basin[J]. Journal of Earth Science，2013，24（6）：863-873.

[4] 郭旭升. 南方海相页岩气“二元富集”规律：四川盆地及周缘龙马溪组页岩气勘探实践认识[J]. 地质学报，2014，88（7）：1209–1218.

[5] 马勇，钟宁宁，程礼军，等．渝东南两套富有机质页岩的孔隙特征——来自FIB-SEM的新启示[J]．石油实验地质，2015，37（1）：109–116.

[6] 曾维特，丁文龙，张金川，等. 渝东南-黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩裂缝有效性研究[J]. 地学前缘，2016，23（1）：96–106.

[7] 聂海宽，边瑞康，张培先，等. 川东南地区下古生界页岩储层微观孔隙类型与特征及其对含气量的影响[J]. 地学前缘，2014，21（4）：331–343.

[8] 焦伟伟，岳锋，程礼军，等．渝东南地区下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙体系特征[J].天然气地球科学，2015，26（8）：1 587–1 595.

[9] 余川，聂海宽，曾春林，等. 四川盆地东部下古生界页岩储集空间特征及其对含气性的影响[J]. 地质学报，2014，88（7）:1 311–1 320.

[10] 聂海宽，包书景，高波，等．四川盆地及其周缘下古生界页岩气保存条件研究[J].地学前缘，2012，19（3）：280–294.

[11] 胡明毅，邓庆杰，胡忠贵. 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件[J]．石油与天然气地质，2014，35（2）：272–279.

[12] 杨振恒，腾格尔，李志明，等. 页岩气勘探选区模型 [J].天然气地球科学，2011，22（1）：8–14.

[13] 吴陈君，张明峰，马万云，等. 渝东南牛蹄塘组页岩有机质特征及沉积环境研究[J]. 天然气地球科学，2014，28（5）：1267-1274.

[14] 张林，魏国齐，韩龙，等．四川盆地震旦系-下古生界高过成熟度烃源岩评价[J]．石油实验地质，2008，30（3）：286–291.

[15] 邢雁文，张金川，冯赫青，等. 渝东南地区下寒武统页岩气聚集条件及有利区预测[J]. 东北石油大学学报，2014，38（3）：66–74.

[16] 孙梦迪．渝东南地区下寒武统牛蹄塘组页岩储层特征及甲烷吸附能力[D]. 北京：中国地质大学（北京），2014.

[17] 刘雄辉. 页岩岩石学特征及其对吸附气量的影响[D].四川成都：西南石油大学，2015.

[18] 曹晓萌，于炳松，李心童，等. 渝东南下寒武统页岩储层特征及测井评价[J]. 石油学报，2014，35（2）:233–243.

[19] 张林晔，李政，朱日房. 页岩气的形成与开发[J]. 天然气工业，2009，29（1）：124–128.

[20] JARVIE D. Evaluation of hydrocarbon generation and storage in the Barnett shale, Fort Worth Basin, Texas[R].Texas: Humble Geochemical Services Division, 2004.

[21] 武景淑，于炳松，李玉喜．渝东南渝页1井页岩气吸附能力及其主控因素[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2012，34（4）：40–48.

[22] 王飞宇，关晶，冯伟平，等. 过成熟海相页岩孔隙度演离气量[J]．石油勘探与开发，2013，40（6）：764–768.

[23] 程鹏，肖贤明. 很高成熟度富有机质页岩的含气性问题[J]. 煤炭学报，2013，38（5）：738–741.

[24] 刘军，姚艳斌，朱正杰，等. 渝东南地区黑色岩系储集层特征及含气性评价[J]．矿物岩石地球化学通报，2015，34（5）：1 021–1 026.

[25] 谢忱，张金川，李玉喜，等．渝东南渝科1井下寒武统富有机质页岩发育特征与含气量[J]. 石油与天然气地质，2013，34（1）：11–15.