鄂西建始地区页岩储层特征及含气性研究

仇秀梅，刘亚东，董学林

(1 湖北省地质实验测试中心， 湖北 武汉 430034； 2 湖北城市建设职业技术学院， 湖北 武汉 430205)

页岩气是自生、自储、自封闭的非常规天然气，其成藏与传统天然气藏不同(戴方尧等， 2017)。美国在页岩气勘探开发领域最早获得了成功，相比而言我国页岩气的开采研究起步较晚，但领先于其他国家(周启伟等， 2016)。页岩气作为一种清洁高效的能源资源，其蕴藏量十分丰富。我国许多盆地中富有机质泥页岩广泛发育，页岩有效厚度较大，且页岩气形成与富集的条件存在一定特殊性，与主要形成于海相富有机质泥页岩层系的北美页岩气(朱彤等， 2012； 周启伟等， 2016)相比，我国页岩气主要吸附与赋存于陆相及海陆过渡相富有机质泥页岩层系中(李玉喜， 2009； 王民等， 2014； 周启伟等， 2016)。

近几年，我国在上扬子地区的四川盆地及其周边地区取得了页岩气勘探的突破(许露露等， 2018)。湖北省西部地区页岩气的研究正逐渐引起广泛关注，陆续开展了目的层为孤峰组(吴勘等， 2012)、牛蹄塘组(罗超等， 2014)、龙马溪组(陈林等， 2017)、大隆组(王秀平等， 2018)的页岩气调查研究。王秀平等(2018)对鄂西鹤峰地区二叠系大隆组黑色页岩进行了岩系特征及成因研究，探明页岩的形成主要受台盆相缺氧还原环境的控制。许露露等(2018)报道鄂西鹤峰大隆组页岩厚度稳定，主要为黑色炭质及炭硅质岩，沉积于水体较深的浅海外陆棚相沉积环境，页岩脆性矿物含量高，有机质成熟度达到过成熟阶段，页岩气潜在资源量达1 654.8×108m3。吴勘等(2012)采用场发射扫描电镜观察发现鄂西建始孤峰组页岩孔隙包含5大类9小类，炭质页岩以有机质孔隙和天然裂缝为主，但未对该区页岩进行详细的有机地球化学特征及含气性评价。

目前关于鄂西地区优质页岩的研究还处于初级阶段。鄂西建始地区毗邻四川盆地，该区富有机质页岩的厚度较大，埋深适中，具有良好的页岩气成藏地质条件。通过分析该区黑色页岩储层特征、有机地球化学特征及含气性，初步探讨页岩含气性的相关影响因素，可为鄂西建始地区页岩气勘探开发提供依据。

1 研究区域地质概况

研究区地处长江三峡以南，北邻大巴山系，属于巫山山系，为中深-深切割的低中山地形，巫山绵延于鄂渝边境，长江东流横穿而过，悠远的地质演化形成了闻名世界的长江三峡。该区具体位于湖北省恩施州建始县境内，属扬子(华南)板块中北部湘鄂西褶皱断裂带内。在晋宁运动形成的结晶基底基础上，该区历经扬子地块盖层发展和多期构造改造，目前所展现的构造形迹主要是印支期及燕山期的产物，断裂构造主要形成于印支期和燕山期(周向辉， 2016)。

本次研究的目的井X井位于花果坪复向斜-中央复背斜过渡带北东段(图1)，早期东西向的龙潭坪背斜由于受后期北东-北北东向构造改造，褶皱西端与北东向褶皱过渡带在目的井西侧呈S型展布，总体处于龙潭坪背斜南翼西段。X井钻探显示自三叠系大冶组三段至二叠系茅口组均有发育，其中二叠系大隆组、龙潭组、孤峰组富有机质黑色页岩厚度近120 m，属海陆过渡相页岩[注]湖北省地质实验测试中心. 2017. 湖北省自然资源厅科技项目《页岩有机地球化学参数与含气量相关性及成藏机理研究》项目成果报告.。

2 实验概况

样品采集于鄂西建始地区X井的页岩岩心，涉及三叠系下统大冶组、二叠系上统大隆组、下窑组、龙潭组和二叠系中统孤峰组地层黑色页岩。

采用德国布鲁克公司的D8-FOCUS型X射线衍射仪分析页岩矿物组成。选用日本日立SU8010型超高分辨场发射扫描电镜表征页岩孔隙结构，取新鲜页岩块70℃干燥2 h，镀金后测试。采用碳硫分析仪和配有油浸物镜及光度计的显微镜对页岩样品进行总有机碳(TOC)含量和镜质组反射率(Ro)测试。采用覆压孔渗测定仪测试样品的渗透率及孔隙度。甲烷等温吸附试验所用仪器为Rubotherm Isosorp HP Static Ⅲ型磁悬浮天平高压气体等温吸附/解吸仪，设定实验温度30℃。

3 页岩储层储集空间特征

作为优质烃源岩的页岩是否能形成商业性页岩气藏，主要受其吸附能力和储集空间特性(孔隙、裂缝发育程度)的控制(Fangetal.， 2013)，而矿物成分中的脆性矿物，如石英、方解石等，是控制裂缝发育程度的主要内在因素，直接影响页岩储集空间和渗流通道(陈尚斌等， 2011)。页岩气储层矿物组成、储集空间类型和储物特性对于页岩气资源潜力评价具有重要意义。

3.1 页岩岩石矿物学特征

研究采用全岩X射线衍射定性、定量测试了页岩的矿物组成。图2为X井34块不同采样深度页岩的全岩分析结果。由图2可知，X井页岩主要由粘土矿物(伊利石)、石英、钠长石、方解石、白云石、黄铁矿及少量碳质组成。其中，大隆组地层厚度44.07 m， 9件黑色页岩矿物组成以石英、长石等脆性矿物为主，总量为37.5%～94.5%，平均含量85.3%，而粘土矿物含量为4%～63%，平均含量为14.7%，整体表现为脆性矿物含量远高于粘土矿物含量。龙潭组地层厚度27.37 m， 7件页岩粘土矿物含量较高，平均值为56.1%，其次为石英、钠长石等脆性矿物。孤峰组黑色页岩厚度达49.06 m，表现为石英等脆性矿物含量较高。X井黑色页岩主要由石英、钠长石等脆性矿物及粘土矿物组成。

图 1 研究区位置及区域构造特征[据王秀平等(2018)修改Fig. 1 Location and regional tectonic characteristics of the study area (modified after Wang Xiuping et al., 2018)

图 2 随X井深度变化的页岩矿物组成Fig. 2 Mineral composition of shale at different depths of well X

3.2 页岩储集空间特征

页岩的孔隙发育程度对页岩气的聚集和产出具有至关重要的作用。页岩主要发育微、纳米级孔隙，这是与常规储层的一个重要区别(吴松涛等， 2015)。对于页岩孔隙类型的分类方法较多(Slattetal.， 2011； Loucksetal.， 2012； 于炳松， 2013； Millikenetal.， 2013； 孙超等， 2016； 张顺等， 2016)。Slatt等(2011)按照成因将页岩中的纳米级孔隙划分为与粘土微结构相关的孔隙、有机质孔隙、粪球粒内部孔隙、化石碎片内部孔隙、颗粒内部孔隙、微通道或微裂缝6种类型。Loucks等(2012)将泥页岩的孔隙分为粒间孔隙、粒内孔隙和有机质孔隙。于炳松(2013)提出页岩气储层孔隙的产状-结构综合分类方法，将页岩基质孔隙分为粒间孔隙(颗粒间孔隙、晶间孔隙等)、粒内孔隙(黄铁矿晶间孔隙、粘土矿物集合体内部孔隙等)和有机质孔隙。孙超等(2016)和张顺等(2016)从储集空间的成因角度，将页岩孔隙分为无机成因孔(矿物粒间孔、原生晶间孔、成岩晶间孔和溶蚀孔等)和有机成因孔等。从扫描电镜观察可知，鄂西X井黑色页岩样品中存在大量矿物溶蚀孔、有机质孔和矿物粒间孔，并有少量矿物晶间孔、粒内孔(图3)。溶蚀孔隙主要存在于碳酸盐(图3a)及粘土矿物(图3b、3e、3f)中，孔径较小，孔隙形态不规则，连通性相对较差；有机质较发育(图3c、3d)，孔径在几十到几百纳米，少量以薄膜形式存在(图3f)；粒间孔隙主要是矿物颗粒间的残余孔隙，多形成于粘土矿物粒间或矿物颗粒边界(图3g)；粒内孔隙分布在黄铁矿(图3h)、石英(图3i)等矿物颗粒内，孔隙连通性差，不能作为主要储集空间；观察发现少量黄铁矿晶间孔隙(图3e)，且多被粘土矿物或有机质填充。SEM分析表明，该区页岩储集空间有机质较发育，矿物主要呈片状、颗粒状分布，孔隙发育程度较低，孔隙间连通性差。

3.3 页岩储层物性特征

与常规储层相比，页岩具有低孔、特低渗致密的物性特征。X井25件页岩密度为1.98～2.82 g/cm3，有效孔隙度为0.2%～4.5%，平均孔隙度为1.19%，集中分布在小于2.0%范围(图4a)。依据《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》(DZ/T 0254-2014)，X井页岩的孔隙属于低孔范围，与美国页岩储层的孔隙度4.22%～6.51%(肖海峰，2017)相比，孔隙更加致密、细小，具有低孔-特低孔特性。页岩渗透率为0.000 8×10-3～1.107 1×10-3μm2，除样品X-31外，页岩渗透率均小于1×10-3μm2(图4b)，平均渗透率0.081 0×10-3μm2，与美国页岩平均渗透率0.049×10-3μm2(肖海峰， 2017)相当。综合上述分析，认为鄂西建始X井页岩层属于低孔、特低渗储层。

4 页岩有机地球化学特征及含气性

4.1 有机质类型

为有效辨别目标层黑色页岩的有机质类型，笔者采用干酪根显微组分信息评价有机质类型。鄂西X井24件页岩干酪根镜检结果见表1。大隆组页岩干酪根显微组分以腐泥组为主，含量在5%～88%之间，平均值61.3%，其次为镜质组、惰质组，有机质类型以腐质腐泥型(Ⅱ1型)为主，含少量腐泥腐殖型(Ⅱ2型)和腐殖型(Ⅲ型)。下窑组页岩有机质类型主要为腐泥腐殖型(Ⅱ2型)，含少量腐质腐泥型(Ⅱ1型)和腐殖型(Ⅲ型)。龙潭组页岩有机质类型主要为腐殖型(Ⅲ型)，孤峰组页岩以腐质腐泥型(Ⅱ2型)和腐泥腐殖型(Ⅲ型)干酪根为主。因此，鄂西X井页岩有机质类型主要为Ⅱ型干酪根。一般认为，Ⅰ型、Ⅱ型干酪根以生油为主，Ⅲ型干酪根以生气为主，而美国页岩气盆地的页岩干酪根主要为Ⅰ型和Ⅱ型，少量Ⅲ型，但均有数量可观的气生成，表明干酪根类型并不是决定页岩产气量的关键因素(王祥等， 2010)。

4.2 有机质丰度

总有机碳含量是烃源岩丰度评价的重要指标，在其他条件相近的前提下，岩石中原始有机质含量越高，其生烃能力越强。图5a为X井不同采样深度页岩TOC含量图，由图可知，51件页岩样品TOC含量分布在1.62%～26.93%之间，平均值为7.63%，TOC含量随井深变化规律不明显，目的层大隆组、龙潭组、孤峰组页岩的TOC含量相对较高。图5b显示TOC含量小于2%的占总样品数的9.8%，TOC含量大于2%的占总样品数的90.2%，样品TOC含量集中在1.0%～13.0%之间，反映出鄂西X井页岩有机质丰度整体品位较高，具有形成页岩气的良好物质基础。

图 3 X井页岩孔隙发育特征Fig. 3 The porosity evolution of shales in well Xa—矿物溶蚀孔隙， 0.239～2.738 μm； b—矿物溶蚀孔隙， 0.170～1.949 μm； c—有机质孔隙， 0.035～0.271 μm； d—有机质孔隙， 0.026～0.186 μm； e—矿物溶蚀孔隙， 黄铁矿晶间孔隙， 0.048～0.415 μm； f—有机质薄膜， 矿物溶蚀孔隙， 0.103～1.414 μm； g—方解石粒间孔隙， 方解石和粘土矿物粒间孔隙， 0.170～0.600 μm； h—黄铁矿粒内孔隙， 0.260～1.380 μm； i—石英矿物粒内孔隙， 0.160～2.290 μma—denudation pore of mineral, 0.239～2.738 μm; b—denudation pore of mineral, 0.170～1.949 μm; c—organic pore, 0.035～0.271 μm; d—organic pore, 0.026～0.186 μm; e—denudation pore of mineral and intercrystalline pore of pyrite, 0.048～0.415 μm; f—organic film and denudation pore of mineral, 0.103～1.414 μm; g—intergranular pore of calcite, and intergranular pore between calcite and clay minerals, 0.170～0.600 μm; h—intragranular pore of pyrite, 0.260～1.380 μm; i—intragranular pore of quartz, 0.160～2.290 μm

图 4 X井页岩孔隙度分布特征(a)和渗透率分布图(b)Fig. 4 The porosity distribution (a) and permeability distribution (b) of shale from well X

样品编号岩性腐泥组壳质组镜质组惰质组干酪根类型地层X-6含碳泥岩10-7020ⅢX-10含碳泥岩60-328Ⅱ2X-11含碳泥岩85-114Ⅱ1X-13含碳泥岩5-8015ⅢX-14含碳泥岩65-2510Ⅱ2X-16含碳粉砂质泥岩88-84Ⅱ1X-17粉砂质泥岩72-217Ⅱ1X-18含碳粉砂质泥岩80-146Ⅱ1X-19含碳粉砂质泥岩87-85Ⅱ1X-22含碳泥岩65-305Ⅱ2X-23含碳泥岩70-255Ⅱ1X-26含碳泥岩40-5010ⅢX-28含碳泥岩60-346Ⅱ2X-29含碳泥岩30-5812ⅢX-33含碳泥岩35-5510ⅢX-37含碳泥岩30-6010ⅢX-40含碳泥岩55-405Ⅱ2X-42含碳泥岩10-8010ⅢX-43含碳泥岩60-355Ⅱ2X-44含碳泥岩82-126Ⅱ1X-46含碳泥岩80-173Ⅱ1X-47粉砂岩70-228Ⅱ1X-48粉砂质泥岩65-305Ⅱ2X-51含碳含粉砂泥岩60-364Ⅱ2大隆组下窑组龙潭组孤峰组

注： Ⅰ为腐泥型； Ⅱ1为腐质腐泥型； Ⅱ2为腐泥腐殖型； Ⅲ为腐殖型。

图 5 页岩TOC含量随井深变化图(a)和页岩TOC含量分布图(b)Fig. 5 TOC content of shale at various well depths (a) and TOC content distribution of shale (b)

4.3 有机质成熟度

研究采用镜质体反射率(Ro)对X井17件页岩样品进行有机成熟度分析，Ro值为2.61%～3.68%，平均值为3.29%，成熟度分布在2%～3%的样品占总数的21.1%，分布在3%～4%的样品占总数的78.9%。依据中国南方黑色页岩成熟阶段划分标准(聂海宽等， 2012)，X井页岩成熟度主体上处于过成熟晚期阶段。图6为X井页岩镜质体反射率(Ro)随着采样深度的变化，由图6可知，有机质成熟度与采样深度线性拟合度高，呈正相关关系，即镜质体反射率随采样深度增加而增大，与前人报道规律一致(邹瑜， 2011)。

图 6 X井不同深度页岩Ro值Fig. 6 The Ro values of shale at different depths of well X

4.4 页岩含气性特征

页岩的含气性是页岩气地质条件评价的重要方面，目前，获取泥页岩含气量的方法有2种，即解析法和测井法(覃小丽等， 2015)。其中解析法是对钻井取出岩心样品直接解析测定含气量，含气量由现场解析气、损失气和残余气3部分组成。研究采用现场解析法，测得X井22件富有机质页岩现场解析气含量为0.087～2.92 m3/t，平均值为1.09 m3/t；残余气含量在0.002～0.26 m3/t之间，平均值为0.071 m3/t；总含气量为0.09～3.70 m3/t，平均含量为1.32 m3/t。特别是大隆组富有机质页岩，其现场解析含气量为0.69～2.92 m3/t，平均值为2.21 m3/t，总含气量0.74～3.70 m3/t，平均值为2.71 m3/t，均高于美国泥页岩含气量底限(0.5～1.0 m3/t)(张木辰等， 2018)，表明其具有很好的勘探开发前景。

5 页岩含气量的相关因素探讨

5.1 页岩总有机碳与含气量关系

有机质含量显著影响着页岩的生烃能力、孔隙空间及吸附能力。在温压条件相同的前提下，高有机质含量页岩可为气体吸附提供更多的孔隙空间、内表面积。国内外实测数据表明，有机质含量直接影响页岩的含气量(徐国盛等， 2013)。Boyer等(2006)发现页岩含气量随其TOC含量增加而增大，认为页岩有机质含量是页岩气成藏最基础的因素。将鄂西X井不同采样深度页岩的TOC含量与不同采样深度页岩的总含气量进行对比，发现页岩含气量与其有机碳含量的变化趋势基本一致，表明页岩的含气量与TOC含量呈正相关关系(图7)。

图 7 鄂西X井页岩样品含气量与总有机碳含量分布Fig. 7 The distribution of gas content and TOC content of shale from well X in western Hubei

5.2 有机质成熟度与含气量关系

有机热成熟度是页岩经历最高温度的指示。Zhang等(2012)认为随着页岩热成熟度的增加，页岩有机质芳构化增加，从而导致其吸附能力降低。而另一种观点则认为随着成熟度增加，有机质生烃创造出纳米孔，使得页岩吸附能力增强(Gaspariketal.， 2014； Huetal.， 2015； 戴方尧等， 2017)。图8为反映X井页岩有机质成熟度的镜质体反射率(Ro)与总含气量的关系图，由图可知，两者之间呈弱的正相关关系，与报道一致(张木辰等， 2018)。有机质成熟度的提高对有机组分纳米孔隙的生成具有促进作用，进而增加了页岩气的储集空间(曾维特等， 2014)。

图 8 页岩总含气量与有机成熟度的关系Fig. 8 The relationship between gas content and organic maturity of shale samples

5.3 页岩矿物组成与含气量关系

页岩的矿物组成作为页岩形成的物质基础，不仅为吸附气的赋存提供了吸附剂，也决定了其内部发育的孔隙空间，为天然气的赋存奠定了基础。鄂西X井页岩矿物成分以石英、钠长石等脆性矿物和粘土矿物为主(图1)。页岩中的脆性矿物富集，有利于微裂缝的产生，影响着页岩气的储存和扩散，而粘土矿物含量对页岩含气量的影响主要表现为伊蒙混层、伊利石对页岩气的吸附能力(曾维特等， 2014)。图9显示页岩总含气量与粘土矿物含量呈现弱的正相关性。通常粘土矿物的微孔隙体积和表面积较大，增大页岩对气体的吸附能力，而伊利石石化形成的收缩缝、伊利石间的孔隙均可成为有效的页岩气储集空间(曾维特等， 2014)。因此，在一定范围内高粘土矿物含量的页岩，其吸附能力更强，粘土矿物含量与含气量呈现弱的正相关关系。

图 9 粘土矿物含量与页岩含气量的关系图Fig.9 Diagram of relationship between clay minerals and gas content of shale

5.4 页岩孔隙度与含气量关系

图10为鄂西X井页岩有效孔隙度与页岩总含气量的关系图，两者在一定程度上呈正相关关系，即页岩含气量随页岩孔隙度的增大而增大。这是由于相对较大的页岩孔隙度，其孔隙内表面较大，有利于吸附气的赋存，也可以为游离气的赋存提供空间。

5.5 压力条件与含气量关系

温度和压力的共同作用影响页岩中气体含量，限制了页岩的最大含气量。通常情况下，随着压力的增加，页岩游离气和吸附气含量都逐渐增大。图11显示出在温度一定的情况下，页岩吸附气量随着压力的增加而增大，同时发现在相同的温度压力条件下，页岩TOC含量越高，其吸附气量越大，页岩的吸附气量和TOC含量具有较好的正相关性，但和粘土矿物含量相关性不明显，具有较弱的正相关性。这与前述分析结论一致(图7、图9)。

图 10 页岩有效孔隙度与总含气量的相关性Fig.10 Diagram of relationship between effective porosity and gas content of shale

图 11 X井页岩甲烷等温吸附曲线图Fig.11 Isotherms of methane adsorbed in shales of well X

6 结论

(1) 鄂西建始地区X井页岩储层以石英、长石等脆性矿物以及伊利石粘土矿物为主。储层孔隙主要发育有机质孔、矿物溶蚀孔、矿物粒间孔以及少量黄铁矿晶间孔，储层具有低孔、特低渗特征。

(2) X井页岩有机质丰度整体品位较高，TOC含量大于2%的占总样品数90.2%，具有形成页岩气的良好物质基础，有机质类型主要为Ⅱ型干酪根，处于过成熟晚期阶段。

(3) 现场解析法测得建始X井页岩含气量较高，平均值为1.32 m3/t，与页岩TOC含量、有机质成熟度和孔隙度呈正相关关系，与粘土矿物含量呈弱的正相关关系。

致谢感谢湖北省地质调查院为本研究提供地质背景资料。