黔北地区五峰组—龙马溪组页岩储层特征分析

张 福 黄 艺 戴岑璞 李刚权 蓝宝锋 杜 洋 唐柯夫

1.贵州乌江新能源开发有限责任公司 2.贵州省土地矿产资源储备局3.中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院 4.成都华兴世纪能源公司

0 引言

随着美国页岩气开发成功所带来的能源革命，世界各国把页岩气作为其在21世纪能源政策的重要战略调整目标[1-5]。我国先后在四川盆地内长宁、威远、涪陵等地区开展页岩气勘探开发先导试验，取得了突破性进展[6-18]，实现了工业化生产。伴随页岩气勘探的深入，勘探范围逐渐扩大至四川盆地周缘地区。2017年，四川盆地南缘黔北地区正安页岩气勘察区块AY1井对下志留统石牛栏组测试获得高产，使黔北地区页岩气勘探开发潜力引起广泛关注和各界的重视。多位学者前期对黔北地区页岩气地质特征进行了相关研究。雷子慧等对黔北地区安场向斜页岩气保存条件进行了分析，认为区域内向斜单元为本区龙马溪组页岩气勘探开发关注的重点[19]；李俊良等对黔北地区页岩气成藏条件及勘探前景进行了分析和讨论，认为本区下寒武统牛蹄塘组与下志留统龙马溪组为最有利勘探层位[20]；舒兵等人对滇黔北的下志留统龙马溪组页岩气储层特征进行了描述以及宏观概括总结[21]。本研究在前人的研究基础上，以近期获得突破的黔北地区正安页岩气区块及周缘作为研究对象，通过对区域评价井钻井岩心观察及野外露头剖面地质调查，结合岩石薄片分析、扫描电镜观察、分析化验等资料，对该区储层基本特征进行总结分析，并与目前开发相对成熟的四川盆地内部分区块进行对比分析，以此为黔北地区未来页岩气勘探开发提供依据和参考。

1 地质概况

研究区地理位置上位于贵州省遵义市北部（图1）。构造上属于扬子地台，位于武陵—湘鄂西褶皱带南段，属侏罗山式褶皱带。区内构造展布方向主要为北东—北北东向，次为南北向。受加里东期及燕山期两大构造旋回影响，研究区构造以隔槽式或隔挡—隔槽过渡式褶皱发育为主，平面上呈以紧密向斜和平缓背斜相间平行雁形排列。区内西侧向斜相对宽缓、东侧向斜相对紧闭，构造形态以北东向的向斜和背斜相间分布为主。自西向东，依次为桴焉复向斜、安场向斜、黄鱼江复背斜、斑竹向斜、谢坝背斜、务川向斜、金鸡岭背斜和高山—石朝向斜。

图1 研究区构造分布示意图

研究区所处位置属上扬子川南—黔北地层分区，区内震旦系—下古生界发育完整，以海相沉积为主，部分地区出露上寒武统—志留系，上古生界—三叠系残留复向斜。上奥陶统五峰组及下志留统龙马溪组为本研究主要目的层位，由于研究区域龙马溪组又细分为新滩组和龙马溪组两段，因此，本次研究所阐述的龙马溪组实际上是区域上龙马溪组的下段即优质页岩层段。五峰组为局限浅海盆地沉积的区域性分布的富有机质页岩地层，地层厚度分布稳定，一般介于3.5～6.0 m之间，岩性变化不明显。龙马溪组为陆棚相沉积，为深水陆棚相含笔石碳质泥岩，底部黄铁矿发育，夹数层斑脱岩。龙马溪组厚度介于18～30 m之间，为一套富有机质页岩，分布稳定（图2）。

2 岩性与矿物学特征

五峰组岩性为灰黑至黑色碳质泥、页岩，夹薄层硅质岩，且普遍含数层厚度不等的毫米级斑脱岩。地层含笔石种类丰富，同时见介形虫、几丁虫等生物化石（图3-a，b）。龙马溪组为黑色笔石页岩，富含笔石，含少量腕足、瓣鳃等底栖生物、单体珊瑚等（图 3-c，d）。

五峰组—龙马溪组底部页岩段矿物以石英为主，向上含量降低，黏土矿物含量增加，岩性由含粉砂含碳泥岩逐渐过渡为泥岩、泥灰岩。石英、长石等碎屑颗粒以次棱角状为主，磨圆较差。全岩X衍射分析表明，研究区五峰组—龙马溪组石英、长石等脆性矿物含量为64.1%～86.5%，平均79.4%。黏土矿物主要为伊利石、伊/蒙混层及绿泥石3种，总含量分布区间为19.3%～40.7%，平均24.3%。黏土矿物中伊/蒙混层为主要矿物类型，含量43.0%～58.0%；次为伊利石，含量37.0%～50.0%；绿泥石矿物含量较少。总体而言，地层所含脆性矿物含量较高，岩石脆性较好。

3 地球化学特征

图2 黔北地区五峰组—龙马溪组综合柱状图

有机质类型：五峰组—龙马溪组干酪根显微组分中主要为腐泥无定形体及腐泥碎屑体，腐泥无定形体相对含量约27.0%～87.0%，平均55.7%。腐泥碎屑体相对含量约4.0%～71.0%，平均39.0%，样品中含少量无结构镜质体和丝质体，干酪根类型指数为75～98，以腐泥型为主。经测定，无定形类脂组含量为65%，镜质组含量为10%，惰质组含量为20%，固体沥青5%，热变质系数高达3.3，有机质处于过成熟演化阶段，已进入干气窗。镜下观察可见大量沥青，多充填于页岩裂缝、孔隙中。

有机质丰度：由北向南，北部隆兴剖面有机碳含量最大值6.77%，最小值0.69%，平均值3.46%，有机碳含量分布区间集中在4.00%～7.00%；安场剖面最大值6.21%，最小值1.36%，平均值4.61%，有机碳含量分布区间集中在4.00%～6.00%；正安乐俭剖面有机碳含量最大1.85%，最小0.56%，平均值1.24%。正安地区已完钻导眼井五峰组—龙马溪组150个岩心实测有机碳含量在0.65%～6.50%之间，平均3.46%。整体上，研究区由南向北有机碳含量逐渐增加。

有机质成熟度：对于下古生界海相烃源岩，由于缺乏来源于高等植物的标准镜质组，Ro的利用受到限制，然而上述地层普遍含有沥青，对这类烃源岩测定沥青反射率（Rb）并换算为镜质体反射率。由于区块前期勘探主要针对龙马溪组底部页岩层，五峰组样品暂未做分析化验。测定剖面与钻井共86块样品沥青反射率，采用丰国秀[22]换算公式：Ro=0.319 5+0.679Rb，经换算镜质体反射率为1.92%～2.19%，平均为2.06%。因此，本区五峰组—龙马溪组干酪根处于高成熟—过成熟早期演化阶段。

表1 研究区龙马溪组镜质体反射率统计表

4 储层特征

4.1 孔渗特征

利用已完钻井资料，采用GB/T 29172—2012岩心分析方法对孔渗特征进行统计分析，五峰组—龙马溪组有效孔隙度介于0.34%～5.76%，平均4.10%，渗透率介于0.000 7～0.071 2 mD，平均0.002 1 mD。从频率分布来看，有效孔隙度以3.00%～5.00%为主要分布区间，累计数量可达总体的68.2%；渗透率以0.001～0.002 mD区间为主，累计可达总体的68.8%（图4-a，b），孔渗关系呈半对数正相关性关系。核磁共振对孔隙度进行测试，五峰组—龙马溪组孔隙度区间介于2.40%～5.10%之间，平均3.90%。岩石中裂缝所占比例较低，推测裂缝孔隙度一般小于1.00%。

4.2 比表面积

页岩比表面积大，则能为页岩吸附提供更有利的条件[10]。龙马溪组测试BET比表面积在5.8 m2/g～30.4 m2/g，平均为21.7 m2/g。从本区比表面积与有机碳含量交会图看出：比表面积与有机碳含量呈正相关，表现出一定的指数正相关关系（图 4-c）。

图4 黔北地区五峰组—龙马溪组孔隙度-渗透率直方图及比表面积-有机碳含量交会图

4.3 孔隙特征

有机质孔：有机质在裂解生烃的转化过程中，内部由于生烃增压进而膨胀逐渐变得多孔，这些孔隙构成了生成气体的保存场所。研究区龙马溪组页岩中有机质孔隙主要为纳米孔，平面上通常为似蜂窝状不规则椭圆形（图5-a）。与其他孔隙主要有以下三点不同：①孔径多为纳米级，为页岩气的吸附和储集提供更多的比表面积和孔隙体积；②与有机质密切共生，可作为联系气源岩与其他孔隙的介质；③有机质孔隙具备亲油性，更有利于页岩气的吸附和储集。

矿物颗粒间微孔：该类孔隙具有体积小、吸附性较强、数量多、连通性差、呈星点状分布的特点，其发育与页岩中矿物的数量和种类密切相关，通常黏土矿物越多，黏土矿物间孔越发育，页岩吸附天然气的能力越强（图5-b）。

晶间孔：研究区最常见的是缺氧环境下形成的草莓状黄铁矿晶粒间的孔隙，部分孔隙被溶蚀扩大形成铸模孔，孔径介于0.2～5.0 µm之间，另见少量白云石重结晶形成的晶内微孔（图5-c）。

次生溶蚀孔：这类孔缝为中成岩期有机质在脱羧作用下产生的酸性水对长石及碳酸盐岩等易溶矿物的溶蚀而形成。粒内溶孔孔径相对较小，粒径为80～500 µm，粒间溶孔孔径相对较大，主要分布在 5.5～ 10.1µm（图 5-d）。

4.4 裂缝特征

微裂缝：微裂缝主要有2种类型：一为矿物或有机质内部裂缝；另一为矿物或有机质边缘裂缝。粒间微缝一般较平直，粒缘缝有轻微的弯曲，或近羽列状排列分布，部分裂缝被有机质充填。缝宽主要介于0.01～1.70 µm，裂缝长度一般与片状矿物长度有关，通常岩石脆性矿物含量越高，越易形成微裂缝（图6-a,b）。

宏观裂缝：岩心观察，五峰组—龙马溪组可见两期构造缝。早期缝以高角度—垂直缝较为发育，缝面总体平直，方解石充填，宽度介于0.5～2.0 mm之间；晚期裂缝高角度、低角度均可见，泥质充填或未充填，见滑动擦痕及煤镜质光泽（图6-c）。根据安场向斜周缘地层剖面裂缝观察来看，五峰组—龙马溪组底部易发育2类裂缝：一为因底部发育若干层塑性斑脱岩而导致揉皱滑脱产生顺层面分布的层间滑脱缝；二为因底部硅质岩含量高脆性大产生的近直立的高角度裂缝，部分缝面被方解石、黄铁矿充填。依据统计结果分析，裂缝方向和区域构造应力场方向一致，主要沿北东向、北西向两组方向延伸（图6-d）。

5 含气性特征

图6 黔北地区五峰组—龙马溪组页岩裂缝照片

研究区页岩气层总含气量采用现场解析法进行测定，吸附气量主要根据等温吸附试验得出的兰氏体积和兰氏压力，利用经验公式对地层状态下的吸附气量进行计算。本区龙马溪组样品微裂缝较为发育，现场解析量+损失气量较高（1.32～1.63 m3/t）。以AY1井为例，该井钻遇五峰组—龙马溪组高含气碳质页岩累计厚19.50 m，全烃异常最高7.56%。岩心现场浸水试验，气泡逸出剧烈，气泡连续浓密，解析气可燃，火焰呈淡蓝色。对13块岩心样品进行含气量解析，解析气体组分以CH4为主，少量C2—C4气体及微量CO2和N2。CH4含量较高，峰值可达99.3%。现场解析气量分布在0.99～2.36 m³/t，总含气量最高可达 6.49 m³/t。

6 对比分析

选取埋深、优质页岩厚度、有机碳含量、Ro、孔隙度、含气量、脆性等7个关键参数与四川盆地内主要的4个页岩气区块储层开展对比分析[1-18]（表2）。贵州北部地区（黔北地区）五峰组—龙马溪组优质页岩埋深在5个区块中整体最浅；优质页岩厚度较威远区块略大，小于其余3个区块；有机碳含量略大于长宁和涪陵区块，远小于威远和黄金坝区块；干酪根类型均为Ⅰ型；由于黔北地区地层埋深相对较浅，因此Ro值相对较小，最小为1.9%，但整体均表现为成熟—过成熟阶段；最大孔隙度相对较小外，孔隙度平均与其余的4个区块接近；含气量较涪陵区块略差，较其余3个区块略高；脆性整体较高，略高于5个区块（表2）。借鉴四川盆地龙马溪组储层分类标准[1-2,8]，贵州北部地区五峰组至龙马溪组优质页岩有机碳含量为Ⅰ—Ⅱ类，孔隙度为Ⅰ—Ⅱ类，含气量为Ⅰ—Ⅱ类，脆性为Ⅰ类，储层整体表现为Ⅰ—Ⅱ类，对比可知与威远区块相当，部分储层参数优于长宁、黄金坝、涪陵等3个页岩气区块（表2）。

7 结论

1）黔北地区五峰组—龙马溪组页岩地层有机碳含量为0.7%～6.5%，集中分布在2.0%～3.5%；干酪根类型以I型为主，已进入高成熟—过成熟早期演化阶段；石英、长石等脆性矿物含量64.1%～86.5%，平均79.4%，含量较高；孔隙度平均4.1%，渗透率平均0.002 mD；储层孔隙以有机质孔、矿物颗粒粒间微孔、晶间孔和次生溶蚀孔为主，裂缝较为发育；岩心比表面积为平均21.7 m2/g，微孔隙较为发育；总含气量一般大于1 m3/t，最高达6.5 m3/t。

2）对比分析表明，该储区层与四川盆地内邻近页岩气主力建产区块的储层条件基本相当。目前贵州北部仍然处于早期勘探阶段，下一步应进一步落实有利构造，寻找储层性质较好的甜点区，该区域的页岩气开发具有较大的潜力。

表2 黔北地区与四川盆地内主要页岩气区块储层参数对比表[1-18]