黔西南地区龙潭组页岩气储层特征

钟方德

(贵州煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心, 贵阳 55006)

0 引言

经过几年的探索，研究和勘探人员已对我国南方海相页岩气成藏机理有了基本认识并取得了勘探成果，在重庆涪陵焦石坝区块获得很好的工业气流，步入了初步的商业化开发阶段[1]。贵州地区页岩气的研究同时取得阶段性进展，在海相牛蹄塘组和龙马溪组取得重大发现[2]。煤系页岩气作为页岩气的主要类型之一，存在较好的聚集成藏潜力[3]，具有很好的开发前景，但海陆过渡相页岩气的研究勘探工作仍有待深入推进。本文以黔西北地区海陆过渡相龙潭组泥页岩为研究对象，在充分分析其储层特征基础上，结合页岩气成藏地质条件，以期为该研究区勘探工作提供理论依据。

1 地质概况

研究区褶皱、断裂构造较为发育，褶皱总体上以NW向展布为主，NE向、WE向、SN向褶皱也有发育；主要以隔档式褶皱为主，背斜狭窄紧陡，向斜宽阔舒缓，亦可见隔槽式褶皱。区内断裂较褶皱更为发育，总体上以NE向和NW向展布为主，主要为走向断层，各处断层发育程度很不均一，在多期构造运动的影响下，分支小断层十分发育，断裂数量虽多，但深大断裂不多(图1)。

图1 黔西南地区构造地质图Figure 1 Structural map of southwestern Guizhou

研究区内大面积出露的地层主要为三叠系、二叠系和石炭系，其中三叠系出露面积占黔西南地区的1/2左右，其它地层分布有限，有的只在局部地区零星出露。区内普遍缺失上志留统、下泥盆统及白垩系。

2 龙潭组泥页岩储层分布特征

2.1 泥页岩沉积环境和展布

龙潭组沉积相自北西向南东逐渐由陆相、海陆交互相演变为海相沉积。根据沉积相控油气作用理论，黔西南龙潭组煤系因中心部位物源补给充足，有利于油气富集成藏[4]。龙潭组埋深小(3 000m以浅)的区域，主要分布在盘县—兴仁—贞丰—望谟一线北部，以及黔西南州苞谷地背斜和滥木厂背斜等地。埋深大(3 000m以深)的区域，主要分布在黔西南州晴隆向斜、龙头山向斜轴部附近，以及兴义和望谟南部地区；兴义仓更附近，埋深最大约5 000m。上二叠统龙潭组富有机质页岩主要分布在黔西南地区中部，泥页岩沉积厚度20～55m，泥页岩沉积厚度>30m的区域，主要位于晴隆、紫云一带。

2.2 源岩有机地化特征

当其他条件一定时，有机质丰度(TOC)越高表明页岩气成藏潜力越大[4]。黔西南地区通过对研究区34块地表露头样品和113块岩心样品的有机碳含量进行测试，测得有机碳含量在0.60%～22.30%，平均4.37%，普遍大于2.00%，有43.54%的样品有机碳含量在2.00%～4.00%，35.37%的样品有机碳含量大于4.00%，表明上二叠统龙潭组富有机质页岩的有机碳丰度较高，满足页岩气成藏需求(图2)。研究区龙潭组富有机质页岩的演化程度总体较高，有机质成熟度在0.86%～2.91%， 平均2.03%， 样品成熟度在2.00%～3.00%的占到65.52%。龙潭组页岩干酪根碳同位素值δ13C分布在-35.8‰～-27.9‰，平均-33.3‰，干酪根类型以Ⅰ型为主。

图2 上二叠统龙潭组主要样品点有机碳含量Figure 2 Organic carbon content of main sampling points in upper Permian Longtan Formation

综合上述分析可知，黔西南龙潭组泥页岩TOC含量较高，有机质处于成熟-高成熟阶段，进入生烃阶段即能生成大量的天然气，生气能力强。

2.3 页岩气储层特征

2.3.1 矿物组成

龙潭组岩性主要为灰黑色泥页岩、砂质泥岩夹灰色砂岩、泥质灰岩和煤层。根据泥页岩样品测试结果：石英含量4.77%～88.47%，平均32.97%；长石含量0～17.67%，平均4.32%，以斜长石为主；碳酸盐岩含量0～25.00%，平均2.99%；铁矿物含量0～30.72%，平均11.12%，以黄铁矿为主， 次为菱铁矿(图3)；黏土矿物含量9.83%～95.23%，平均48.56%。黏土矿物中非晶质含量较高，平均含量36.14%，结晶体中以伊蒙混层、伊利石为主，高岭石次之，绿泥石和蒙脱石含量较少(图4)，高岭石含量是煤系页岩中特有的主要原因推测为当时海陆交互相含煤地层中含丰富的有机酸，使古水介质呈酸性，有利于高岭石的形成和保存[5]。

图3 龙潭组页岩矿物成分Figure 3 Longtan Formation shale mineral components

图4 龙潭组页岩黏土矿物含量分布Figure 4 Longtan Formation shale clay mineral content distributions

泥页岩的脆性指数是反映储层可压裂性的重要指标。将黔西南地区龙潭组泥页岩脆性指数(脆性指数=石英含量/(石英含量+碳酸盐岩含量+黏土含量)×100%)与美国三大页岩气产区[6]及重庆礁石坝页岩气产区[1]泥页岩脆性指数对比，显示该研究区脆性指数均大于35%，黔西南龙潭组脆性指数平均为45%，显示出该区页岩气开发具有良好的可压裂性。

2.3.2 孔裂隙发育特征

(1)扫描电镜下孔裂隙特征。运用扫描电镜对泥页岩孔裂隙特征进行分析(图5)，表明泥页岩发育多种类型孔裂隙。有机质孔、黏土矿物粒间孔、层间孔是泥页岩中最常见的孔隙类型，孔径多在1～3 μm，少量可达到几百纳米，是页岩气的富集的主要空间。此外矿物之间的粒间孔溶蚀孔的发育程度也较高。微裂缝的发育也比较明显，缝宽1～3 μm，长约几十微米(图5)。微裂缝不仅为页岩气提供有利的赋存空间，且对于连通孔隙和气体渗流都具有非常重要的意义。

(2)孔隙结构。黔西南地区兴页1井10件岩心样品测试结果表明，龙潭组富有机质页岩BET比表面积分布在6.836～33.541m2/g，平均15.683m2/g，变化范围较大；孔隙体积在0.009～0.039ml/g，平均0.019ml/g；孔隙直径在3.451～3.662nm，平均3.575nm，主要为中孔体积。较高的比表面积能够吸附更多的甲烷，有利于页岩气的富集[7]。

兴页1井岩心样压汞实验资料显示(图6)排驱压力Pd在2.56～5.12MPa，平均4.27MPa；孔喉半径平均值分布在71.68～127.51nm，平均90.29nm；退出效率稳定，分布在12.29%～13.75%，平均13.00%。

图5 扫描电镜下龙潭组孔隙特征Figure 5 Longtan Formation pore features under SEM

图6 龙潭组页岩毛细管压力曲线Figure 6 Longtan Formation shale capillary pressure curves

根据兴页1井18件岩心样品和普安地瓜2706孔3件岩心样品测试资料分析，龙潭组富有机质页岩密度在1.85～2.51g/cm3，平均2.20g/cm3；孔隙度分布在0.13%～3.15%，平均1.18%，孔隙度低；渗透率在0.000 8～0.263 5mD，平均0.029 1mD，渗透率特低。孔隙度与渗透率呈微弱的相关性。此外，龙潭组宏观裂缝较发育，主要为构造裂缝和成岩层间裂缝。裂缝以高角度裂隙为主，少量低角度裂缝，局部见高角度裂缝相切。裂缝大多被方解石充填，偶尔有少量黄铁矿。微裂缝不仅是页岩气赋存的空间，而且有利于页岩气的运移，特别是在压裂时起到沟通宏孔和中孔的微通道作用。

2.4 页岩含气性

基于等温吸附测试实验结果，获得龙潭组页岩气储层样品的吸附曲线特征：样品的最大吸附量为6.13m3/t，兰氏压力为1.71MPa，最大吸附量为6.13m3/t(图7)，表明龙潭组泥页岩吸附甲烷能力强，泥页岩的吸附能力较好。此外对兴页1井、普安地瓜某孔的现场解析数据分析，龙潭组富有机质页岩含气量为0.8m3/t～5.1m3/t，平均2.4m3/t。

图7 兴页1井上二叠统龙潭组黑色页岩等温吸附曲线Figure 7 Upper Permian Longtan Formation black shale isothermal adsorption curves in well XY No.1

3 构造对页岩气保存影响

黔西南地区上二叠统龙潭组构造演化历经海西-印支、燕山、喜山三次大的构造运动，对研究区页岩气的保存条件产生重大影响。早、晚二叠世之交发生的东吴运动致使全区整体隆起，局部地区剥蚀强烈，该区西部有强烈的玄武岩喷发和辉绿岩侵入，对晚古生代页岩保存具有一定影响。印支运动早期区域性海侵、地壳沉降，三叠系快速沉积，晚古生代页岩地层埋深增大，达到生烃门限。印支运动后期地壳抬升，海水向西南方向退出，研究区结束了海相沉积历史。该期运动对晚古生代页岩地层的二次生烃起到至关重要的作用，对晚古生代页岩保存影响较小。

燕山-喜山运动是影响页岩气保存的重要构造运动。构造褶皱致使晚古生代以上地层大面积剥蚀，仅在复向斜中保留了三叠系及其以下地层，并形成多条北东向和北西向深大断裂。深大断裂将原本深埋地下的页岩气系统与地表相连通，形成开放系统，导致局部页岩气散失，不利于页岩气保存。但局部构造在断裂影响下，尤其在紧闭向斜区形成网状裂缝，对于页岩气储集和开采都具有积极的贡献。

4 有利区预测

基于相关文献分析，页岩气的成藏富集取决于以下因素：有机质含量和成熟度、泥页岩厚度和埋深、矿物成分、含气量、孔裂隙的发育程度等[8]。依据页岩气成藏的关键性指标，采用沉积厚度、有机质丰度、构造发育程度等综合信息叠合法对研究区有利区进行预测，在上二叠统龙潭组优选出3个页岩气发育的有利区，分别为关岭岗乌—花江有利区、普安地瓜—青山有利区、兴仁巴铃—安龙龙山有利区，3个有利区面积为2 843.17km2(图8)。

图8 黔西南页岩气有利区Figure 8 Shale gas favorable areas in southwestern Guizhou

5 结论

(1)黔西南地区龙潭组含煤地层北西向南东逐渐由陆相、海陆交互相演变为海相沉积，其内发育多段富有机质泥页岩。泥页岩沉积厚度20～55m，泥页岩沉积厚度>30m的区域，主要位于晴隆、紫云一带。

(2)龙潭组页岩有机质含量为0.60%～22.30%，平均4.37%；有机质成熟度为0.86%～2.91%之间，平均2.03%。

(3)龙潭组页岩以黏土矿物

为主，含量为9.83%～95.23%，平均48.56%。黏土矿物中非晶质含量较高，平均含量36.14%，结晶体中以伊蒙混层、伊利石为主；有机质孔、黏土矿物粒间孔、层间孔是泥页岩中最常见的孔隙类型；还有少量较大尺寸的粒间孔以及微裂缝；孔隙连通性较好。等温吸附实验显示，龙潭组吸附能力较好具备良好的储气能力。

(4)龙潭组沉积之后，海西—印支、燕山、喜山三次大的构造运动对页岩的保存产生重要影响，结合保存条件综合分析关岭岗乌-花江区、普安地瓜-青山区、兴仁巴铃-安龙龙山区为页岩气成藏的有利区。

[1]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.

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[3]曹代勇，王崇敬，李靖，等. 煤系页岩气的基本特点与聚集规律[J].煤田地质与勘探，2014, 42(4)：25-30.

[4]张寒，朱炎铭，夏筱红，等. 页岩中有机质与黏土矿物对甲烷吸附能力的探讨[J].煤炭学报，2013，37(5)：813-816.

[5]刘钦甫，杨晓杰，张鹏飞，等. 中国煤系高岭岩(土)资源成矿机理与开发利用[J].矿物学报，2002，22(4)：359-364.

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[7]曹涛涛,宋之光,王思波,等.不同页岩及干酪根比表面积和孔隙结构的比较研究[J].中国科学:地球科学，2015，(02)：139-151.