摘 要

摘　要：為合理評價貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣的資源開發(fā)潛力，利用野外地質(zhì)調(diào)查及頁巖氣井勘探成果資料，結(jié)合鉆井巖心樣品測試、現(xiàn)場解吸及等溫吸附實驗等分析結(jié)果，研究了牛蹄

摘　要：為合理評價貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣的資源開發(fā)潛力，利用野外地質(zhì)調(diào)查及頁巖氣井勘探成果資料，結(jié)合鉆井巖心樣品測試、現(xiàn)場解吸及等溫吸附實驗等分析結(jié)果，研究了牛蹄塘組頁巖儲層發(fā)育的特征及其分布規(guī)律。結(jié)果表明：①該區(qū)牛蹄塘組頁巖主要分布于黔北、黔中及黔南一黔東南地區(qū)，巖性主要為含粉砂  粉砂質(zhì)、碳質(zhì)泥巖頁巖；②牛蹄塘組頁巖干酪根以腐泥型和偏腐泥混合型為主，生烴能力較強(qiáng)，有機(jī)碳含量介于0.7％～14.6％，有機(jī)質(zhì)成熟度較高(Ro普遍大于2.5％)，處于過成熟演化階段；③牛蹄塘組頁巖脆性礦物含量高，黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，具較好的破裂潛力，頁巖孔隙度中等，滲透率極低，且兩者呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；④黔北西部、黔中地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣富集區(qū)主要位于畢節(jié)  大方～黔西一帶，含氣量范圍為1.5～2.5m³／t，黔北東部、黔東地區(qū)牛蹄塘組頁巖現(xiàn)場解吸氣量整體較好，而黔南、黔東南地區(qū)頁巖氣富集區(qū)位于丹寨一麻江  黃平一帶，含氣量范圍為0.01～1.13m³／t。

關(guān)鍵詞：貴州  早寒武世  頁巖氣  儲集層特征  富集區(qū)  分布規(guī)律  等溫吸附  含氣量

Characteristics and distribution patterns of the Lower Cambrian Niutitang Shale reservoirs in Guizhou．China

Abstract：In order to evaluate the shale gas potential of the Lower Cambrian Niutitang Fm in Guizhou，various data including field geologic survey，shale gas exploration achievements，core sample test，well site desorption and isotherm adsorption experiment resuits were integrated to study the characteristics and distribution patterns of the Niutitang Shale reservoirs．The following conclusions were obtained．(1)The Niutitang Shale is mainly distributed in the northern，  central and southern-southeastern Darts of Guizhou province and its dominant lithologies are silt shale-silty and carbonaceous shales．(2)The organic matters are dominated by kerogens of I-andⅡ1-type with a relatively strong hydrocarbon generation capacity，TOC content of 0.7-14.6％and relatively high maturity(R。mostly>2．5％)，indicating a over mature evolutionary stage．(3)The content of brittle minerals are relatively high．The clay minerals are dominated by illites and mixed illite-smectites．Its porosity is moderate but the permeability is very low and they are in a negative linear correlation．(4)In western North Guizhou and Central Guizhou，the play fairways of Niutitang Shale are mainly located in Bijie-Dafang-Western Guizhou，where the gas content is in the range of 1.5-2.5m³／t．In eastern North Guizhou and Eastern Guizhou，the desorption gas content is relatively high as a whole．In South and Southeast Guizhou，the Dlay fairways of the Niutitang Shale occur in Danzhai—Majiang Huangping areas，where the shale gas content is in the range of 0.01-1.13m³／t．

Keywords：Guizhou，Early Cambrian，shale gas，reservoir feature，play fairway，distribution pattern，isotherm adsorption，gas content

1　研究簡況及區(qū)域地質(zhì)背景

1．1　研究簡況

根據(jù)國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心組織實施的全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選成果，全國頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42×10¹²m³ (不含青藏區(qū)) ^[1]，貴州省為13.48×10¹²m³，占總量的10.03％。

根據(jù)貴州省頁巖層巖性特征、殘余情況、出露及分布情況、地質(zhì)構(gòu)造展布等特點，將貴州省劃分為黔北(Î1n—S1l—P3l)、黔中(Î1n—P3l)、黔東—黔東南(Î1n—Î1b)、黔西南北部(Î1j—P2l—P3l)和黔西南南部—黔南(Î1d—D2h—P3l)5個頁巖發(fā)育區(qū)，如圖l所示。

 

為改善能源結(jié)構(gòu)，改變貴州省“無油少氣”的局面，貴州省人民政府于2012年3月開展了貴州省頁巖氣資源調(diào)查評價項目，針對貴州省黑色頁巖目的層，施工了27口調(diào)查井(圖2)。本文的主要數(shù)據(jù)即來源于《貴州省頁巖氣資源調(diào)查評價報告》，所公布的數(shù)據(jù)為將國內(nèi)有資質(zhì)的測試單位與國外測試機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)比較修正后的結(jié)果。

 

1．2　地質(zhì)背景

貴州省早寒武世早期古地理格局在晚震旦世基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而成^[2]。隨著全球海平面的上升，貴州全省基本受揚子?xùn)|南上升洋流的影響，沉積環(huán)境由淺水陸棚向斜坡、盆地過渡，局部發(fā)育水下隆起和水下洼地^[3]。海水由東南向西北海侵，物源主要來自西邊的康滇古陸。隨著川西地區(qū)隆起的擴(kuò)大，貴州省早寒武世晚期接受的陸源碎屑顆粒明顯增加，海水逐漸變淺。

貴州省寒武系主要出露于畢節(jié)—納雍—貴陽—荔波一線北東地區(qū)，下寒武統(tǒng)下部主要為碎屑巖。其中，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組為區(qū)域性分布頁巖層，其底部為黑色碳質(zhì)泥巖與硅質(zhì)巖韻律互層，夾磷結(jié)核；下部普遍發(fā)育一套黑色碳質(zhì)泥巖，黃鐵礦豐富，有機(jī)質(zhì)含量高；上部為深灰、灰綠色泥頁巖夾粉砂巖條帶(圖3)。

 

2　牛蹄塘組頁巖發(fā)育及賦存特征

貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要分布于黔北、黔中和黔東—黔東南地區(qū)^[4-5](該組在川南地區(qū)又被稱為筇竹寺組)，牛蹄塘組頁巖層段位于其下部，巖性主要為灰黑黑色含粉砂一粉砂質(zhì)、碳質(zhì)泥巖、頁巖，黃鐵礦普遍發(fā)育^[6-7]。牛蹄塘組總厚度及其有效頁巖段厚度明顯受相帶展布的控制(圖4)。

 

黔北區(qū)牛蹄塘組頁巖發(fā)育，出露較少，埋深較深，主要分布于遵義—道真一帶。綏頁l井揭示牛蹄塘組黑色頁巖厚116.7m，正頁1井黑色頁巖厚99m，德頁1井黑色頁巖厚91m。黔中區(qū)內(nèi)古生界較為完整，牛蹄塘組頁巖具有較為穩(wěn)定的分布；黔東—黔東南區(qū)牛蹄塘組頁巖層分布較廣，除江口、甕安、岑鞏和三都以東地區(qū)地層剝蝕外，其余地區(qū)均深埋地腹，該地區(qū)已鉆遇牛蹄塘組的頁巖氣井共9口，其中松頁l井揭示黑色頁巖厚39m，岑頁1井黑色頁巖厚53m，鎮(zhèn)頁1井黑色頁巖厚81m，麻頁1井黑色頁巖厚120m，總體呈現(xiàn)向南增厚的趨勢，且南部牛蹄塘組黑色頁巖的埋深也較北面大。黔西南北部區(qū)牛蹄塘組頁巖發(fā)育良好，但埋深普遍大于5000m。

3　牛蹄塘組頁巖儲層特征及其分布規(guī)律

3．1　頁巖有機(jī)質(zhì)類型

牛蹄塘組干酪根有機(jī)顯微組分以腐泥無定型和腐殖無定型為主，前者相對豐度為11％～92％，平均為49％；后者相對豐度為8％～85％，平均為48％。干酪根類型指數(shù)為51～96，干酪根類型以腐泥型和偏腐泥混合型為主。綜合分析認(rèn)為：貴州省牛蹄塘組含氣頁巖的母源主要為藻類等低等水生生物，生烴能力較強(qiáng)。通過對牛蹄塘組地表露頭和鉆孔巖心樣品的有機(jī)碳含量測試，發(fā)現(xiàn)頁巖有機(jī)碳含量范圍為0.7％～14.6％，平均為5.2％，主頻在大于4.0％的區(qū)間(圖5)。

 

該區(qū)牛蹄塘組頁巖有機(jī)碳含量高值區(qū)主要位于黔東的銅仁地區(qū)及黔東南的余慶  施秉一線，有機(jī)碳含量普遍大于8％。往西至黔南、貴陽地區(qū)有機(jī)碳含量有所降低，但仍普遍大于3.0％，具有很好的生烴潛力。黔北中北部地區(qū)主要出露志留系—三疊系，牛蹄塘組野外露頭較少，從該區(qū)及鄰區(qū)部分野外露頭和鉆井資料分析，該區(qū)牛蹄塘組頁巖有機(jī)碳含量普遍低于1.5％，為黔北頁巖有機(jī)碳含量的一個低值區(qū)。松桃—岑鞏一線及余慶—施秉一線牛蹄塘組頁巖中生物有機(jī)質(zhì)較豐富，而靠近川中隆起及黔中隆起的地區(qū)，粉砂質(zhì)含量有所增加，頁巖有機(jī)碳含量有所降低。

垂向上，黔南、黔中地區(qū)含氣頁巖僅發(fā)育于牛蹄塘組下部粉砂質(zhì)、碳質(zhì)泥巖段，上部含粉砂、碳質(zhì)泥巖段有機(jī)碳含量很低。在黔北遵義松林地區(qū)，牛蹄塘組下部有機(jī)碳含量介于0.46％～20.57％，平均為9.06％；上部有機(jī)碳含量明顯降至0.20％～3.58％，平均為1.35％；黔東松桃地區(qū)，牛蹄塘組整段泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度都較高，下部有機(jī)碳含量最高達(dá)11.0％，有機(jī)碳含量大于2.0％的泥頁巖厚度超過48m。

3．2　頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)在不同演化階段其生烴生氣量不同，干酪根的成熟度不僅可以決定頁巖的生烴潛能，還可影響到有機(jī)物質(zhì)表面的氣體吸附量^[8-9]。黔北地區(qū)牛蹄塘組頁巖層系熱演化資料分析表明：牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖經(jīng)歷了復(fù)雜的多期次熱演化史變化，頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度較高，Ro普遍大于2.5％，均處于過成熟演化階段^[10-11]。

平面上，牛蹄塘組頁巖總體演化程度較高，全區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度為2.0％～4.0％，黔東的松桃銅仁地區(qū)牛蹄塘組泥頁巖熱演化程度最高，基本大于3.0％，最高可達(dá)4.2％，處于過成熟的晚期。黔南、黔中及黔北遵義地區(qū)Ro相對較低，在甕安—麻江—黃平一帶有機(jī)質(zhì)成熟度為2.0％～3.0％，往北至重慶地區(qū)，有機(jī)質(zhì)熱演化程度有所減小。垂向上，貴州省牛蹄塘組頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度隨深度增加有微弱增大的趨勢。

3．3　頁巖儲層巖礦特征

該區(qū)牛蹄塘組頁巖石英、長石等碎屑礦物含量為24％～88％，平均為72.3％；自生脆性礦物含量為0～62％，平均為8.6％；黏土礦物含量介于l2％～30％，平均為19.0％。黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，綠泥石較少見(圖6)。巖石礦物學(xué)特征表明：頁巖儲層脆性礦物總體含量高，具有較好的破裂潛力，預(yù)測開發(fā)過程中可取得較好的儲層改造效果^[12]。

 

3．4　頁巖儲層物性

該區(qū)牛蹄塘組頁巖孔隙度為1.3％～25.6％，平均為8.24％，孔隙度中等；滲透率介于0.001～0.017mD，平均為0.008mD，滲透率極低。牛蹄塘組頁巖孔隙度與滲透率之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，如圖7所示。

 

平面上，遵義、開陽及黔東松桃牛蹄塘組頁巖孔隙度較高，而黔北湄潭、沿河、黔東鎮(zhèn)遠(yuǎn)、岑鞏等地孔隙度較低；滲透率總體分布趨勢與孔隙度的分布基本一致。垂向上，牛蹄塘組頁巖的孔隙度、滲透率值隨深度的增加而減小。

野外露頭和鉆井巖心樣品測試表明：牛蹄塘組底部頁巖微觀孔隙相對不發(fā)育，且喉道緊閉，偶有微裂縫發(fā)育，孔徑差異較大，但一般以大中孔為主?？紫额愋椭饕辛ｉg孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔、晶間孔和有機(jī)孔。無機(jī)孔中又以軟硬顆粒接觸處的粒間孔為主。

牛蹄塘組頁巖孔喉均值主要分布于20～80nm，平均為40nm；分選系數(shù)較小，均值系數(shù)較大，平均值分別為0.10和0.45，孔喉分布較集中，分選程度較好；排驅(qū)壓力較大，退出效率整體較低且變化較大。頁巖BET比表面積在0.67～23.8m²／g，平均為7.9m²／g，變化范圍也較大；平均孔直徑在3.2～14.6nm，平均為7.57nm；中值半徑介于1.6～8.5nm，平均為3.81nm；微孔體積、中孔體積和宏孔體積分別占到總孔體積的6.45％、85.23％和8.32％，表明牛蹄塘組頁巖以中孔隙為主^[13]。

3．5　頁巖含氣性特征

3．5．1平面含氣量變化

為探討該區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁巖的平面含氣特征，筆者結(jié)合錄井、測井、現(xiàn)場解吸及等溫吸附等含氣量評價方法并參考區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件綜合研究認(rèn)為：黔北西部、黔中地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣富集區(qū)主要位于畢節(jié)大方黔西一帶，含氣量范圍為1.5～2.5m³／t；黔北東部、黔東地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣現(xiàn)場解吸出氣量整體較好，可達(dá)數(shù)百毫升不等；黔南、黔東南地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣聚集發(fā)育的最有利區(qū)位于丹寨—麻江—黃平一帶，含氣量范圍為0.01～1.13m³／t。

3．5．2縱向含氣量變化

貴州牛蹄塘組各調(diào)查井縱向上以頁巖中部下部較好，多井具有現(xiàn)場解吸氣量較高的現(xiàn)象。由于大量的頁巖氣在現(xiàn)場無法完全解吸釋放，完整的解吸過程通常持續(xù)數(shù)周至數(shù)月。結(jié)合室內(nèi)脫氣計算殘余氣量，殘余氣量可達(dá)現(xiàn)場解吸氣量的2～17倍不等，間接反映了頁巖儲層非均質(zhì)性強(qiáng)的特征。

1)正頁l井

該井位于正安縣柿坪鄉(xiāng)大千村，目的層段為牛蹄塘組下部頁巖段，實鉆井深1040.26m。鉆井揭示牛蹄塘組頁巖段厚約99m，共完成12件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在5～165mL。其中，2件樣品解吸氣量略高，分別為120mL、l65mL，巖心觀察件微裂縫發(fā)育，并有氣泡。解吸氣體組分為：N2含量介于57.32％～65.42％，CH4含量介于5.27％～8.09％，C2-4含量介于0.01％，CO2含量介于0.43％～1.77％，H2含量介于24.70％～36.98％。

2)綏頁1井

該井位于綏陽縣青杠塘鎮(zhèn)后槽村岔壩，目的層段為牛蹄塘組下部頁巖段，完鉆井深1744.55m。鉆井揭示牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段厚約117m，共完成29件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在22～100mL，僅1件樣品解吸氣量較高，達(dá)402mL，解吸氣體組分為：N2含量介于94.53％～95.33％，CH4含量介于3.86％～5.03％，CO2含量介于0.44％～0.80％。

3)湄頁1井

該井位于湄潭縣高臺鎮(zhèn)三聯(lián)村，目的層段為牛蹄塘組下部頁巖段，完鉆井深933.14m。鉆井揭示牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段厚約70m，共完成21件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在15～70mL，僅3件樣品解吸氣量較高，介于245～545mL，對應(yīng)牛蹄塘組頁巖段下部。解吸氣體組分為：N2含量介于93.89％～95.35％，CH4含量介于4.42％～4.84％，CO2含量介于0.23％～1.21％。

4)德頁l井

該井位于德江縣堰塘鄉(xiāng)七里溪村，目的層段為牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段，完鉆井深1752.20m。共完成22件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在20～99mL。其中，6件樣品解吸氣量較高，為123～943mL，巖心觀察見微裂縫發(fā)育，并有氣泡，主要對應(yīng)牛蹄塘組頁巖段下部。

5)鎮(zhèn)頁l井

該井位于鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣羊場鎮(zhèn)下半屯村下巖腳，目的層段為牛蹄塘組，完鉆井深814.25m。鉆井揭示牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段厚81m，共完成l7件樣品的解吸工作，解吸氣量集中在0～55mL。其中，上部3件樣品解吸氣量較高，為214～685mL，巖心觀察見微裂縫發(fā)育，并有氣泡，對應(yīng)牛蹄塘組潛質(zhì)頁巖段中部。

6)麻頁l井

麻頁l井共完成53件樣品的解吸工作，解吸樣品主要集中在井深1040.5～1057.0m、1285.2～1340.5m兩個層段。1040.5～1057.0m層段解吸氣含量介于0.21～0.35m³／t，平均為0.25m³／t，總含氣量介于0.24～0.55m³／t，平均為0.4m³／t。1285.2～1340.5m層段解吸氣含量介于0.11t～0.49m³／t，最高為0.62m³／t，平均為0.27m³／t，總含氣量介于0.21～0.66m³／t，最高為1.13m³／t，平均為0.52m³／t。麻頁1井其余層段解吸氣量非常低，在0.01～0.02m³／t。

3．5．3等溫吸附特征

1)烏羅ZK408井與玉華ZK224井

利用黔北地區(qū)烏羅ZK408井、玉華ZK224井13件現(xiàn)場解吸樣品進(jìn)行了等溫吸附實驗。測試工作條件為：溫度，30℃；氦氣濃度，99.999％；甲烷濃度，99.9％；空氣干燥基樣品。等溫吸附實驗測試結(jié)果如表1所示。

 

從表l可見，3件樣品有機(jī)碳含量小于1.5％，平均蘭氏體積(VL)為1.79m³／t，平均蘭氏壓力(pL)為1.32MPa；10件樣品有機(jī)碳含量大于1.5％，平均VL為3.12m³／t，平均pL為l.34MPa。綜合上述測試結(jié)果，牛蹄塘組頁巖模擬最大吸附能力平均為3.12m³／t。

2)仁頁l井

仁頁l井樣品等溫吸附實驗共測定7個平衡壓力點，每個壓力點達(dá)到平衡的時間約為12h，然后再增壓到下一個壓力點，實驗采用的甲烷氣濃度均大于99.999％。仁頁l井樣品等溫吸附曲線見圖8。

 

仁頁l井飽和吸附量VL介于0.68～7.17m³／t，差異較大，平均為3.05m³／t；pL在1.04～2.48MPa，平均為1.98MPa。5個樣品中飽和吸附量超過3m³／t的有2個，介于2～3m³／t的有l個，其余2個樣品為0～1m³／t，反映了牛蹄塘組頁巖物性縱向上存在較大差異。等溫吸附氣量比現(xiàn)場解吸所獲得的總氣量大得多的事實也在一定程度上說明，牛蹄塘組黑色頁巖儲氣能力并不太差，在地下溫壓條件適合的條件下有可能賦存大量的頁巖氣資源^[14]。

4　結(jié)論

1)貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要分布于黔北、黔中及黔東  黔東南地區(qū)，頁巖層段位于牛蹄塘組下部，巖性主要為含粉砂一粉砂質(zhì)、碳質(zhì)泥巖頁巖。

2)牛蹄塘組頁巖干酪根以腐泥型和偏腐泥混合型為主，干酪根類型指數(shù)為51～96，生烴能力較強(qiáng)。頁巖有機(jī)碳含量介于0.7％～14.6％，有機(jī)質(zhì)成熟度較高，Ro普遍大于2.5％，均處于過成熟演化階段。

3)牛蹄塘組頁巖脆性礦物含量高，黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，具較好的破裂潛力。頁巖孔隙度中等，滲透率極低，兩者呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。頁巖微觀孔隙相對不發(fā)育，孔徑差異較大，以大中孔隙為主。

4)黔北西部、黔中地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣富集區(qū)主要位于畢節(jié)  大方一黔西一帶，含氣量范圍為1.5～2.5m³／t；黔北東部、黔東地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣現(xiàn)場解吸出氣量整體較好；黔南、黔東南地區(qū)頁巖氣富集區(qū)位于丹寨～麻江黃平一帶，含氣量范圍為0.01～1.13m³／t。

 

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本文作者：易同生  趙霞

作者單位：貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心