牛蹄塘组页岩储层特征分析
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《天然气工业杂志》2014年第八期
贵州省下寒武统牛蹄塘组主要分布于黔北、黔中和黔东—黔东南地区［4－5］（该组在川南地区又被称为筇竹寺组），牛蹄塘组页岩层段位于其下部，岩性主要为灰黑—黑色含粉砂—粉砂质、碳质泥岩、页岩，黄铁矿普遍发育［6－7］。牛蹄塘组总厚度及其有效页岩段厚度明显受相带展布的控制。黔北区牛蹄塘组页岩发育，出露较少，埋深较深，主要分布于遵义—道真一带。绥页1井揭示牛蹄塘组黑色页岩厚116．7m，正页1井黑色页岩厚99m，德页1井黑色页岩厚91m。黔中区内古生界较为完整，牛蹄塘组页岩具有较为稳定的分布；黔东—黔东南区牛蹄塘组页岩层分布较广，除江口、瓮安、岑巩和三都以东地区地层剥蚀外，其余地区均深埋地腹，该地区已钻遇牛蹄塘组的页岩气井共9口，其中松页1井揭示黑色页岩厚39m，岑页1井黑色页岩厚53m，镇页1井黑色页岩厚81m，麻页1井黑色页岩厚120m，总体呈现向南增厚的趋势，且南部牛蹄塘组黑色页岩的埋深也较北面大。黔西南北部区牛蹄塘组页岩发育良好，但埋深普遍大于5000m。
2牛蹄塘组页岩储层特征及其分布规律
2.1页岩有机质类型牛蹄塘组干酪根有机显微组分以腐泥无定型和腐殖无定型为主，前者相对丰度为11％～92％，平均为49％；后者相对丰度为8％～85％，平均为48％。干酪根类型指数为51～96，干酪根类型以腐泥型和偏腐泥混合型为主。综合分析认为：贵州省牛蹄塘组含气页岩的母源主要为藻类等低等水生生物，生烃能力较强。通过对牛蹄塘组地表露头和钻孔岩心样品的有机碳含量测试，发现页岩有机碳含量范围为0．7％～14．6％，平均为5．2％，主频在大于4．0％的区间。该区牛蹄塘组页岩有机碳含量高值区主要位于黔东的铜仁地区及黔东南的余庆—施秉一线，有机碳含量普遍大于8％。往西至黔南、贵阳地区有机碳含量有所降低，但仍普遍大于3．0％，具有很好的生烃潜力。黔北中北部地区主要出露志留系—三叠系，牛蹄塘组野外露头较少，从该区及邻区部分野外露头和钻井资料分析，该区牛蹄塘组页岩有机碳含量普遍低于1．5％，为黔北页岩有机碳含量的一个低值区。松桃—岑巩一线及余庆—施秉一线牛蹄塘组页岩中生物有机质较丰富，而靠近川中隆起及黔中隆起的地区，粉砂质含量有所增加，页岩有机碳含量有所降低。垂向上，黔南、黔中地区含气页岩仅发育于牛蹄塘组下部粉砂质、碳质泥岩段，上部含粉砂、碳质泥岩段有机碳含量很低。在黔北遵义松林地区，牛蹄塘组下部有机碳含量介于0．46％～20．57％，平均为9．06％；上部有机碳含量明显降至0．20％～3．58％，平均为1．35％；黔东松桃地区，牛蹄塘组整段泥页岩有机质丰度都较高，下部有机碳含量最高达11．0％，有机碳含量大于2．0％的泥页岩厚度超过48m。
2.2页岩有机质成熟度有机质在不同演化阶段其生烃生气量不同，干酪根的成熟度不仅可以决定页岩的生烃潜能，还可影响到有机物质表面的气体吸附量［8－9］。黔北地区牛蹄塘组页岩层系热演化资料分析表明：牛蹄塘组富有机质页岩经历了复杂的多期次热演化史变化，页岩有机质成熟度较高，Ro普遍大于2．5％，均处于过成熟演化阶段。平面上，牛蹄塘组页岩总体演化程度较高，全区有机质成熟度为2．0％～4．0％，黔东的松桃—铜仁地区牛蹄塘组泥页岩热演化程度最高，基本大于3．0％，最高可达4．2％，处于过成熟的晚期。黔南、黔中及黔北遵义地区Ro相对较低，在瓮安—麻江—黄平一带有机质成熟度为2．0％～3．0％，往北至重庆地区，有机质热演化程度有所减小。垂向上，贵州省牛蹄塘组页岩有机质成熟度随深度增加有微弱增大的趋势。
2.3页岩储层岩矿特征该区牛蹄塘组页岩石英、长石等碎屑矿物含量为24％～88％，平均为72．3％；自生脆性矿物含量为0～62％，平均为8．6％；黏土矿物含量介于12％～30％，平均为19．0％。黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主，绿泥石较少见（图6）。岩石矿物学特征表明：页岩储层脆性矿物总体含量高，具有较好的破裂潜力，预测开发过程中可取得较好的储层改造效果［12］。
2.4页岩储层物性该区牛蹄塘组页岩孔隙度为1．3％～25．6％，平均为8．24％，孔隙度中等；渗透率介于0．001～0．017mD，平均为0．008mD，渗透率极低。牛蹄塘组页岩孔隙度与渗透率之间呈线性负相关关系，如图7所示。平面上，遵义、开阳及黔东松桃牛蹄塘组页岩孔隙度较高，而黔北湄潭、沿河、黔东镇远、岑巩等地孔隙度较低；渗透率总体分布趋势与孔隙度的分布基本一致。垂向上，牛蹄塘组页岩的孔隙度、渗透率值随深度的增加而减小。野外露头和钻井岩心样品测试表明：牛蹄塘组底部页岩微观孔隙相对不发育，且喉道紧闭，偶有微裂缝发育，孔径差异较大，但一般以大中孔为主。孔隙类型主要有粒间孔、粒内孔、溶蚀孔、晶间孔和有机孔。无机孔中又以软硬颗粒接触处的粒间孔为主。牛蹄塘组页岩孔喉均值主要分布于20～80nm，平均为40nm；分选系数较小，均值系数较大，平均值分别为0．10和0．45，孔喉分布较集中，分选程度较好；排驱压力较大，退出效率整体较低且变化较大。页岩BET比表面积在0．67～23．8m2／g，平均为7．9m2／g，变化范围也较大；平均孔直径在3．2～14．6nm，平均为7．57nm；中值半径介于1．6～8．5nm，平均为3．81nm；微孔体积、中孔体积和宏孔体积分别占到总孔体积的6．45％、85．23％和8．32％，表明牛蹄塘组页岩以中孔隙为主［13］。
2.5页岩含气性特征
2.5.1平面含气量变化为探讨该区牛蹄塘组富有机质页岩的平面含气特征，笔者结合录井、测井、现场解吸及等温吸附等含气量评价方法并参考区内地质条件综合研究认为：黔北西部、黔中地区牛蹄塘组页岩气富集区主要位于毕节—大方—黔西一带，含气量范围为1．5～2．5m3／t；黔北东部、黔东地区牛蹄塘组页岩气现场解吸出气量整体较好，可达数百毫升不等；黔南、黔东南地区牛蹄塘组页岩气聚集发育的最有利区位于丹寨—麻江—黄平一带，含气量范围为0．01～1．13m3／t。
2.5.2纵向含气量变化贵州牛蹄塘组各调查井纵向上以页岩中部—下部较好，多井具有现场解吸气量较高的现象。由于大量的页岩气在现场无法完全解吸释放，完整的解吸过程通常持续数周至数月。结合室内脱气计算残余气量，残余气量可达现场解吸气量的2～17倍不等，间接反映了页岩储层非均质性强的特征。1）正页1井该井位于正安县柿坪乡大千村，目的层段为牛蹄塘组下部页岩段，实钻井深1040．26m。钻井揭示牛蹄塘组页岩段厚约99m，共完成12件样品的解吸工作，解吸气量集中在5～165mL。其中，2件样品解吸气量略高，分别为120mL、165mL，岩心观察件微裂缝发育，并有气泡。解吸气体组分为：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）绥页1井该井位于绥阳县青杠塘镇后槽村岔坝，目的层段为牛蹄塘组下部页岩段，完钻井深1744．55m。钻井揭示牛蹄塘组潜质页岩段厚约117m，共完成29件样品的解吸工作，解吸气量集中在22～100mL，仅1件样品解吸气量较高，达402mL，解吸气体组分为：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）湄页1井该井位于湄潭县高台镇三联村，目的层段为牛蹄塘组下部页岩段，完钻井深933．14m。钻井揭示牛蹄塘组潜质页岩段厚约70m，共完成21件样品的解吸工作，解吸气量集中在15～70mL，仅3件样品解吸气量较高，介于245～545mL，对应牛蹄塘组页岩段下部。解吸气体组分为：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）德页1井该井位于德江县堰塘乡七里溪村，目的层段为牛蹄塘组潜质页岩段，完钻井深1752．20m。共完成22件样品的解吸工作，解吸气量集中在20～99mL。其中，6件样品解吸气量较高，为123～943mL，岩心观察见微裂缝发育，并有气泡，主要对应牛蹄塘组页岩段下部。5）镇页1井该井位于镇远县羊场镇下半屯村下岩脚，目的层段为牛蹄塘组，完钻井深814．25m。钻井揭示牛蹄塘组潜质页岩段厚81m，共完成17件样品的解吸工作，解吸气量集中在0～55mL。其中，上部3件样品解吸气量较高，为214～685mL，岩心观察见微裂缝发育，并有气泡，对应牛蹄塘组潜质页岩段中部。6）麻页1井麻页1井共完成53件样品的解吸工作，解吸样品主要集中在井深1040．5～1057．0m、1285．2～1340．5m两个层段。1040．5～1057．0m层段解吸气含量介于0．21～0．35m3／t，平均为0．25m3／t，总含气量介于0．24～0．55m3／t，平均为0．4m3／t。1285．2～1340．5m层段解吸气含量介于0．11t～0．49m3／t，最高为0．62m3／t，平均为0．27m3／t，总含气量介于0．21～0．66m3／t，最高为1．13m3／t，平均为0．52m3／t。麻页1井其余层段解吸气量非常低，在0．01～0．02m3／t。
2.5.3等温吸附特征1）乌罗ZK408井与玉华ZK224井利用黔北地区乌罗ZK408井、玉华ZK224井13件现场解吸样品进行了等温吸附实验。测试工作条件为：温度，30℃；氦气浓度，99．999％；甲烷浓度，99．9％；空气干燥基样品。等温吸附实验测试结果如表1所示。从表1可见，3件样品有机碳含量小于1．5％，平均兰氏体积（VL）为1．79m3／t，平均兰氏压力（pL）为1．32MPa；10件样品有机碳含量大于1．5％，平均VL为3．12m3／t，平均pL为1．34MPa。综合上述测试结果，牛蹄塘组页岩模拟最大吸附能力平均为3．12m3／t。2）仁页1井仁页1井样品等温吸附实验共测定7个平衡压力点，每个压力点达到平衡的时间约为12h，然后再增压到下一个压力点，实验采用的甲烷气浓度均大于99．999％。仁页1井样品等温吸附曲线见图8。仁页1井饱和吸附量VL介于0．68～7．17m3／t，差异较大，平均为3．05m3／t；pL在1．04～2．48MPa，平均为1．98MPa。5个样品中饱和吸附量超过3m3／t的有2个，介于2～3m3／t的有1个，其余2个样品为0～1m3／t，反映了牛蹄塘组页岩物性纵向上存在较大差异。等温吸附气量比现场解吸所获得的总气量大得多的事实也在一定程度上说明，牛蹄塘组黑色页岩储气能力并不太差，在地下温压条件适合的条件下有可能赋存大量的页岩气资源［14］。
3结论
1）贵州省下寒武统牛蹄塘组主要分布于黔北、黔中及黔东—黔东南地区，页岩层段位于牛蹄塘组下部，岩性主要为含粉砂—粉砂质、碳质泥岩页岩。2）牛蹄塘组页岩干酪根以腐泥型和偏腐泥混合型为主，干酪根类型指数为51～96，生烃能力较强。页岩有机碳含量介于0．7％～14．6％，有机质成熟度较高，Ro普遍大于2．5％，均处于过成熟演化阶段。3）牛蹄塘组页岩脆性矿物含量高，黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主，具较好的破裂潜力。页岩孔隙度中等，渗透率极低，两者呈线性负相关关系。页岩微观孔隙相对不发育，孔径差异较大，以大中孔隙为主。4）黔北西部、黔中地区牛蹄塘组页岩气富集区主要位于毕节—大方—黔西一带，含气量范围为1．5～2．5m3／t；黔北东部、黔东地区牛蹄塘组页岩气现场解吸出气量整体较好；黔南、黔东南地区页岩气富集区位于丹寨—麻江—黄平一带，含气量范围为0．01～1．13m3／t。
作者：易同生赵霞单位：贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心